基于CDTA的多功能濾波器的研究與設(shè)計(jì)

林 愿，周細(xì)鳳

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104)

基于CDTA的多功能濾波器的研究與設(shè)計(jì)

林 愿，周細(xì)鳳

(湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104)

設(shè)計(jì)了一種新的基于電流差分跨導(dǎo)放大器(CDTA)的多功能濾波器.所設(shè)計(jì)的濾波器電路只含一片CDTA和少量無源元件，單路結(jié)構(gòu)簡單，在不改變整個(gè)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)雙二階低通、高通、帶通、帶阻、全通等多種濾波器功能.采用PSPICE 對該多功能濾波器進(jìn)行電路仿真，仿真結(jié)果與理論分析基本一致，結(jié)果表明基于CDTA的多功能濾波器具有工作電壓低、功耗小、頻率范圍大、可集成化程度高等優(yōu)勢.

電流差分跨導(dǎo)放大器；多功能；濾波器；PSPICE

0 引言

在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，信號處理技術(shù)顯得尤為重要.濾波器作為信號處理系統(tǒng)中的重要組成部分，能夠起到將有用信號與噪聲信號有效分離，從而提高信號的抗干擾性及信噪比；也可以濾除掉不感興趣的頻率成分，從而提高分析的精度；也可以從復(fù)雜頻率成分中分離出某個(gè)單一的頻率分量[1-2].濾波器設(shè)計(jì)的好壞至關(guān)重要，一個(gè)信號處理系統(tǒng)中的濾波器性能往往直接決定了整個(gè)信號處理系統(tǒng)的好壞[3-5].濾波器可根據(jù)幅頻特性和相頻特性來分為以下幾類：

低通濾波器：通帶0-ωc，上截止頻率：ωc；

高通濾波器：通帶ωc-∞，下截止頻率：ωc；

目前來說，高性能的濾波器的研究與設(shè)計(jì)非常熱門，而通用雙二階濾波器是一種較典型的模擬濾波器，可以提供多個(gè)功能[6].

電流差分跨導(dǎo)放大器(Current Differencing Transconductance Amplifier，CDTA)是一個(gè)電流輸入、電流輸出的電流模式器件，采用CDTA構(gòu)成電流模式濾波器時(shí)，其輸入阻抗和輸出阻抗均與頻率無關(guān)[7-8].另外，由于CDTA的輸入端為虛地，高頻寄生參數(shù)小，帶寬大.CDTA與電壓運(yùn)算放大器 (VOA, Voltage operational amplifier) 相比，具有輸入阻抗極低、輸出阻抗高、轉(zhuǎn)換速率更高、頻率范圍更寬.而CDTA與其它電流模式器件相比則更能抑制共模輸入信號，且其輸出的信號可調(diào)諧.所以CDTA適合用于設(shè)計(jì)各種模擬濾波器[9-12].

1 CDTA電路

本設(shè)計(jì)采用經(jīng)典的CDTA電路，圖1所示為CDTA的電路符號，其中p、n是CDTA的差分式電流輸入端，z是輔助端，x端是電流輸出端，IB被稱為外接偏置電流.

CDTA的端口特性如下：

vp=vn=0,iz=ip-in,ix=gmvz=gmZziz

(1)

其中g(shù)m為外接偏置電流IB的函數(shù)，有g(shù)m=f(IB).

圖1 CDTA電路符號

2 基于CDTA的雙二階濾波器電路

二階濾波器是一種重要的濾波器結(jié)構(gòu)，既能直接應(yīng)用，又能級聯(lián)起來構(gòu)成高階濾波器，應(yīng)用十分廣泛.人們常把分子分母為S變量二階形式的傳輸函數(shù)稱作雙二階函數(shù)，表述如下：

(2)

將其轉(zhuǎn)換成頻域后得到：

(3)

計(jì)算其幅頻特性得：

(4)

因此，通過適當(dāng)選擇系數(shù)ai(i=0,1,2),H(s)可以表示各種類型的二階濾波器的傳輸函數(shù)：

當(dāng)a2=a1=0,a0≠0時(shí)為二階低通濾波器，其傳輸函數(shù)為：

(5)

當(dāng)a0=a1=0,a2≠0時(shí)為二階高通濾波器，其傳輸函數(shù)為：

(6)

當(dāng)a2=a0=0,a1≠0時(shí)為二階帶通濾波器，其傳輸函數(shù)為：

(7)

當(dāng)a2≠0,a0≠0,a1=0時(shí)為二階帶阻濾波器，其傳輸函數(shù)為：

(8)

當(dāng)a2=1,a1=b1,a0=b0時(shí)為二階全通濾波器，其傳輸函數(shù)為：

H(s)=1

(9)

顯然，如果能設(shè)計(jì)出一個(gè)電路，其傳輸函數(shù)具有式(2)的形式，則為雙二階濾波器電路，通過改變輸入信號接入點(diǎn)和接地點(diǎn)，可以獲得低通、高通、帶通或帶阻、全通濾波器.

設(shè)計(jì)的基于CDTA的雙二階濾波器電路如圖2所示，整個(gè)電路僅含一片CDTA及少量無源元件：兩個(gè)電容、兩個(gè)電阻.

圖2 單片CDTA實(shí)現(xiàn)的雙二階濾波器

對圖2所示電路進(jìn)行分析，得出如下的電壓輸出方程方程式，如下式所示.

(10)

通過適當(dāng)選取輸入信號，可以分別實(shí)現(xiàn)低通、帶通、高通、帶阻和全通濾波功能.

①當(dāng)V1=Vin,V2=V3=0，實(shí)現(xiàn)低通濾波器；

②當(dāng)V2=Vin,V1=V3=0，實(shí)現(xiàn)帶通濾波器；

③當(dāng)V3=Vin,V1=V2=0，實(shí)現(xiàn)高通濾波器；

④當(dāng)V1=Vin,V3=V2=0，實(shí)現(xiàn)帶阻濾波器；

⑤當(dāng)V3=V1=-V2=Vin，實(shí)現(xiàn)全通濾波器.

由式(3)可得到濾波器的固有頻率和品質(zhì)因素的表達(dá)式如下：

(11)

由式(4)可知，可以通過調(diào)節(jié)外接偏置電流來改變?yōu)V波器的固有頻率和品質(zhì)因素.

3 PSPICE電路仿真

為了實(shí)現(xiàn)式(2)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該滿足：Vi有三個(gè)輸入端，三個(gè)通道之輸出端的傳輸函數(shù)分別為a2,a1/s,a0/s2，Vi從不同通道接入，可實(shí)現(xiàn)高通、低通、帶通、帶阻、全通濾波器.

①低通濾波器濾波仿真，當(dāng)V1=1 V，V2=V3=0時(shí)

圖3 低通濾波幅頻特性曲線

從圖中我們了解到，-3 dB對應(yīng)低通截止頻率約為67 kHz，與計(jì)算結(jié)果相符，也就是說截止頻率大約是67 kHz，通頻大致為0～67 kHz.

②帶通濾波器仿真，當(dāng)V1=V3=0,V2=1 V時(shí)

圖4 帶通濾波幅頻特性曲線

測得-3 dB帶寬約為200 kHz，在50～250 Hz之間通頻效果良好.

③高通濾波器仿真，當(dāng)V1=V2=0,V3=1 V時(shí)

圖5 高通濾波幅頻特性曲線

從圖中測得其-3 dB對應(yīng)的頻率即通帶下頻率約為187 kHz.

④帶阻濾波器仿真，當(dāng)V1=V3=1 V,V2=0時(shí)

圖6 帶阻濾波幅頻特性曲線

通過測得-3 dB，從圖6中，我們發(fā)現(xiàn)阻帶的范圍約44 kHz～178 kHz,其他頻率段能夠通過本濾波器.

⑤全通濾波器仿真，當(dāng)V1=V3=-V2=1 V時(shí)

圖7 全通濾波幅頻特性曲線

4 小結(jié)

本文提出一種基于單片CDTA的多功能模擬濾波器，該濾波器所用有源器件和無源器件少，電路結(jié)構(gòu)簡單，PSPICE仿真結(jié)果顯示該濾波器能同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種濾波響應(yīng)，濾波性能優(yōu)良.

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StudyandDesignofMulti-functionFilterBasedonCDTA

LIN Yuan, ZHOU Xi-feng

(College of Electrical & Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

In this paper, we present a new multi-function filter by using single-chip current differential transconductance amplifier (CDTA). The filter circuit designed contains only a CDTA and a small number of passive components. The circuit structure is simple, and can not change the topology at the same time to achieve the filter function of double second-order low-pass, high-pass and band pass. The simulation results are in good agreement with the theoretical analysis. The simulation results also indicate that the filter based on CDTA has a series of advantages such as a low voltage, low power consumption, large dynamic frequency range, and high degree of integration.

CDTA; multi-function; filter; PSPICE

TP309.7

A

1671-119X(2017)03-0001-04

2017-03-30

湖南省教育廳一般項(xiàng)目(15C0328)；湖南工程學(xué)院青年科研重點(diǎn)項(xiàng)目(XJ1501)；湖南工程學(xué)院新進(jìn)博士基金項(xiàng)目(16RC008).

林 愿(1977-)，女，博士，講師，研究方向：混沌電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用.