【正文】 山東科技大學學士學位論文 緒論濾波器與跨導畢業(yè)論文緒論在電子電路中，尤其是在模擬電子電路中，人們長久以來習慣于采用電壓而不是電流作為信號變量，并通過處理電壓信號來決定電路的功能。從而促成了大量電壓信號處理電路或稱電壓模式電路的誕生和發(fā)展。但是，隨著被處理信號的頻率越來越高，電壓型運算放大器的固有缺點開始阻礙它在高頻、高速環(huán)境中的應用。例如，它的3分貝閉環(huán)寬帶與閉環(huán)增益的乘積是常數(shù)，當寬帶向高頻區(qū)域擴展時，增益就會成比例下降；還有，它在大信號下輸出電壓的最高轉(zhuǎn)換速率很低，~20 V/μs[1]。同時，以電流為信號變量的電路在信號處理中的巨大潛在優(yōu)勢卻逐漸被認識并被挖掘出來，促進了一種新型電子電路——電流模式電路的發(fā)展。本章結合近年來電子電路技術的新的發(fā)展情況，對電流模式電路與跨導型放大器的基礎知識、發(fā)展前景作一下大致介紹。 近年來，模擬電路的電流模式設計方法得到了重視和發(fā)展，并把模擬集成電路推進到一個新階段。當把電路中的信號由電壓形式轉(zhuǎn)變成電流形式，通過處理電流信號來實現(xiàn)電路功能時，就可以設計出一些精巧新穎的電路結構，在改善高頻、高速信號處理能力和降低電源電壓等方面取得奇跡般的好處，解決電壓模式模擬電路和系統(tǒng)中的一些難以解決的問題。電流模式電路因此逐漸發(fā)展起來。那么什么是電流模式電路呢？一般地，我們將電流模式電路定義為：當選用電流而不是電壓作為電路的信號變量，并通過處理電流變量來決定電路的功能時，就是電流模式電路。電流模式設計方法是現(xiàn)代模擬集成電路設計的重大突破，電流模式電路已經(jīng)成為速度快、頻帶寬、線性好、電壓低的新興模擬集成電路的分支，并且具有廣闊的發(fā)展前景。與電壓模式電路相比，電流模式電路主要有以下性能特點：1. 阻抗水平有限電壓信號與電流信號的實際區(qū)別表現(xiàn)在其阻抗水平的高低，實現(xiàn)電壓模式信號處理還是電流模式信號處理，關鍵要看對電路的阻抗水平的選擇?？偟膩碚f，電流信號源具有高阻抗，電壓信號源具有低阻抗；電流信號要求低阻抗的負載，電壓信號要求高阻抗的負載。因此，在實踐中，把內(nèi)阻很小的電信號源作為電壓源，把內(nèi)阻很大的電信號源作為電流源。要求理想電壓信號放大器應具有無窮大輸入阻抗和零輸出阻抗，理想電流信號放大器應具有零輸入阻抗和無窮大輸出阻抗。要求電壓模式電路的關鍵節(jié)電具有高阻抗、在大擺幅電壓信號下只有小擺幅電流，電流模式電路的關鍵節(jié)點具有低阻抗、在大擺幅電流信號下只有小擺幅電壓。2. 速度高，頻帶寬在電流模式電路中，影響速度和寬帶的晶體管極間電容工作在阻抗水平很低的節(jié)點上。 一方面，這些低阻抗節(jié)點上的電壓擺幅很小，另一方面，這些節(jié)點上的阻容時間常數(shù)很小，在大擺幅電流信號作用下，晶體管極間電容的充、放電過程可以很快地完成。因此，電流模式電路大信號下的工作速度比電壓模式電路快得多。同時，由這些電容和節(jié)點低電阻決定的極點頻率很高，工作效率就可以接近晶體管的ft 。3. 電源電壓低，功耗小為了提高集成電路的集成密度，減小功耗，降低電源電壓將是一種必然趨勢。對于電壓模式電路，降低電源電壓將直接降低其信號電壓的最大動態(tài)范圍。同時，電源電壓的降低，對于設計高速度的電壓模式電路也會更加困難。電流模式電路則不然，~，保持電流信號在nA~mA(甚至10pA~mA)數(shù)量級內(nèi)變化。電流模式電路中的最大電流和最大動態(tài)范圍受晶體管允許電流的限制，而不受電源電壓降低的限制[2]。電流模式電路可以解決電壓模式電路所遇到的一些難題，在速度、寬帶、動態(tài)范圍等方面獲得更加優(yōu)良的性能。研究結果顯示，在高頻、高速信號處理領域，電流模式的電路設計方法正在取代電壓模式的傳統(tǒng)設計方法，電流模式電路的發(fā)展和應用將把現(xiàn)代模擬集成電路推進到一個新階段。 跨導型放大器跨導型放大器是一種電壓輸入、電流輸出的電子放大器，它的增益是輸出電流與輸入電壓的比值，量綱為電導，單位為西門子(S)?？鐚头糯笃靼鐚瓦\算放大器（Operational Transconductance Amplifier,簡稱OTA）和有源跨導元件（Transconductance Element, Transconductor,或稱跨導放大器）。兩者的主要區(qū)別是：跨導運算放大器由多級電路組成，均采用雙邊對稱結構，且大多數(shù)具有增益可調(diào)節(jié)性能。有源跨導元件一般由單級電路構成，采用單邊電路或?qū)ΨQ式電路結構，不要求增益可調(diào)節(jié)性能[1]。由于跨導型放大器的輸入信號是電壓，輸出信號是電流，所以它既不是完全的電壓模式電路也不是完全的電流模式電路，而是一種電壓/電流模式混合電路。但是，由于跨導型放大器內(nèi)部只有電壓—電流變換級和電流傳輸級，沒有電壓增益級，因此沒有大擺幅電壓信號和密勒電容倍增效應，高頻性能好，大信號下的轉(zhuǎn)換速率也高，同時電路結構簡單，電源電壓和功耗都可以降低。這些高性能特點表明，在跨導型放大器的電路中，電流模式部分起決定作用。根據(jù)這一理由，跨導型放大器被看作是一種電流模式電路。近幾年來，由于電流模式信號處理方法和技術的發(fā)展，跨導型放大器注入了強大的活力，不僅為有源器件電路綜合技術開拓了新的天地，也使集成放大器獲得了新的生長點?？鐚头糯笃鳎òp極型OTA和CMOS跨導器）的應用非常廣泛，主要用途可以分為兩方面。一方面，在多種線性和非線性模擬電路和系統(tǒng)中進行信號運算和處理；另一方面，在電壓信號變量和電流模式信號處理系統(tǒng)之間作為接口電路，將待處理的電壓信號變成電流信號，再送入電流模式系統(tǒng)進行處理。可以預見，隨著研究工作的深入和技術發(fā)展，跨導型集成放大器會運用的更加廣泛的，其優(yōu)點會得到很大的運用。而此次畢業(yè)設計選擇跨導型運算放大器作為題目，目的就在于通過對OTA這一新型器件在電路設計與仿真中的具體學習和應用，綜合所學理論知識，提高運用EDA技術進行電子電路分析和仿真的能力，培養(yǎng)學習和掌握新知識的能力，強化實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。有關跨導型放大器的基本概念和模型將在后面章節(jié)中詳細介紹，這里就不再贅述了。 本文主要工作本篇論文主要研究跨導型放大器(OTA)，并對基于OTA的有源濾波器(OTAC濾波器)設計的原理和方法進行了討論。第1章中對跨導型放大器及與其有關的電流模式電路結合其發(fā)展情況進行了簡要介紹。第2章介紹四種基本類型放大器的性能與模型，并主要對電壓性和跨導型集成運算放大器的性能進行了比較。第3章中著重對跨導型放大器進行原理概念的概述，然后對跨導型集成運算放大器的相關產(chǎn)品進行了簡要介紹。第4章介紹了Multisim 2001和OTAC濾波器的基本知識，并對基于OTA的一階有源濾波器的設計原理和方法進行了介紹，還結合Multisim 2001進行了電路實例的設計與仿真。第5章介紹了二階OTAC有源濾波器的設計原理和方法，并用Multisim 2001進行了電路實例的設計與仿真。第6章把二階OTAC濾波器和傳統(tǒng)型的RC二階有源濾波器進行了性能參數(shù)比較，分析各自的優(yōu)缺點。最后，結合著這次畢業(yè)設計的相關經(jīng)歷，對在設計過程中積累的經(jīng)驗和教訓進行了總結。82山東科技大學學士學位論文 電子放大器的基本類型與性能比較1 電子放大器的基本類型與性能比較從網(wǎng)絡角度看，電子放大器是一種線性受控電源。按照控制量、被控制量是電壓還是電流劃分，存在四種受控電源，即人們熟知的電壓控制電壓源(VCVS)、電壓控制電撓源(VCCS)、電流控制電流派(CCCS)和電流控制電壓源(CCVS)。與之相對應，電子放大器也應該有四種類型，即電壓型、跨導型、電流型和跨阻型。這四種放大器各有所長，各有所用，互相補充，共同發(fā)展，形成一個完整的電子放大器家族[1]。本章將介紹四種基本類型放大器的性能與模型，并著重比較電壓型和跨導型集成運算放大器的異同。 四種基本類型放大器的性能與模型下面介紹四種基本放大器的簡單模型，即直流(或低頻)模型，了解四種放大器之間的本質(zhì)區(qū)別和聯(lián)系，這有助于理解電壓模式電路和電流模式電路的基本特性。為簡化問題，可采用單邊電路結構的模型，其結論適用于對稱差動電路結構的模型。 電壓放大器的模型+ViRiAvoVi+Ro+Vo電壓放大器將電壓輸入信號放大，提供電壓輸出信號，是一種電壓控制電壓源。電壓放大器的增益是輸出電壓與輸入電壓的比值，是一個沒有量綱的純數(shù)。電壓放大器在直流(或低頻)。，一個衡量從信號源吸取電流大小的輸入電限RI，一個衡量向負載提供輸出電流時輸出電壓穩(wěn)定程度的輸出電阻RO。具體應用中，電壓放大器的輸入端與具有內(nèi)阻RS的信號源VS相連，輸出端接有負載電陽RL，這時，輸出電壓只是受控電壓AVOVI的一部分，其表達式為： (21)電壓增益的表達式為： (22)當RL＝∞時，AV＝AVO。所以，AVO稱為開路電壓增益，AV則稱為負載電壓增益。為了使AV盡可能接近AVO的數(shù)值，RO必須遠小于RL。換句話說，對于給定的負載電阻RL，在設計電壓放大器時，必須使其輸出電阻遠小于RL 。另一方面，放大器有限的輸入電阻也會使Rs在輸入端引起分壓作用，使得只是有電壓信號VS的一部分到達放大器的輸入端，即 (23) 為了使得耦合到放大器輸入端的電壓信號VI盡可能接近源電壓信號VS，必須使放大器的輸入電阻遠大于信號源電阻。 理想電壓放大器的條件是R0=0，RI=∞，在這種條件下，AV恒等于AV0，而其電流增益恒等于無窮大。 跨導型放大器 跨導型放大器將電壓輸入信號放大，提供電流輸出信號，是一種電流控制的電流源。跨導放大器的增益是輸出電流與輸入電壓的比值，具有電導的量綱西門子（S）。由于決定增益的輸出電流和輸入電壓不是同一節(jié)點測量的，而是分別在輸出端和輸入端測量的，因此稱其增益為跨導，稱這種放大器為跨導型放大器。： 跨導放大器模型Io+ViRiGmsViRo ，GmsVI是增益為Gms的電壓控制電流源；Ro是輸出電阻，它衡量隨負載電阻變化輸出電流的穩(wěn)定程度，RI是輸入電阻。當在輸入端連接具有內(nèi)阻RS的電壓源VS，而在輸出端接連負載電阻RL時，跨導放大器輸出電流和跨導增益的表達式分別為 (24) (25) 當RL=0時，Gm=Gms。因此，Gms稱作短路跨導增益，Gm則稱作負載跨導增益。考慮到信號源內(nèi)阻對輸入電壓信號的分壓作用，實際輸入電壓為： (26) 為了減小由于輸入電阻RI和輸出電阻Ro對增益造成的損失，在設計跨導放大器時，應該滿足條件：R0RL，R1RS。 理想跨導放大器的條件是Ro=∞，RI=∞。在理想條件下，Gm恒等于Gms，電流增益和功率增益均為無窮大，電壓增益與RL值成正比例變化[4]。電流型放大器的輸入信號是電流，輸出信號也是電流，是一種電流控制電流源。電流放大器的增益是輸出電流與輸入電流的比值，是一個沒有量綱的純數(shù)。 電流放大器模型IiRiAisIiRoIo 在圖23中，AisII是增益為Ais的電流控制電流源，R0是輸出電阻，RI是輸入電阻。當放大器由具有內(nèi)阻RS的電流源IS輸入電流信號，而在輸出端連接負載電阻RL時，其輸出電流增益表達式分別為： (27) (28) 當RL=0時，AI=Ais。因此，Ais稱為短路電流增益，AI稱作負載電流增益。 由于信號源內(nèi)阻RS對輸入電阻RI具有分流作用，實際輸入電流與源信號電流IS的關系為： (29)跨阻型放大器的輸入信號是電流，輸出信號是電壓，是一種電流控制電壓源。跨阻放大器的增益是輸出電壓與電流的比值，具有電阻的量綱歐姆。 跨阻放大器的模型IiRi++RoVoRmoIi在圖24中，Rm0II是增益為Rm0的電流控制電壓源，R0是輸出電阻，RI是輸入電阻。 當放大器的輸入端連接具有電阻RS的電流源IS，輸出端連接RL時，輸出電壓和跨阻增益的表達式分別是 (210) (211)當RL=∞時，Rm= Rm0。因此，Rm0稱作開路跨阻增益，Rm稱作負載跨阻增益。實際輸入電流與源信號電流的關系為： (212)設計跨阻放大器時，應設法滿足R0RL，RIRS。理想跨阻器應滿足條件R0=0，RI=0。理想條件下，Rm恒等于Rm0，電壓增益和功率均為無窮大，電流增益則與RL值成反比例變化。 四種類型放大器的區(qū)別與聯(lián)系 在前述四種基本放大器的模型電路中，各有三個直流(或低頻)模型參數(shù)，即增益、輸出電阻和輸入電阻。由上面的分析看出，四種基本放大器的區(qū)別是：① 增益的量綱不同；② 對輸出電阻的要求不同，以電壓作輸出量的放大器要求RORL, 以電流作輸出量的放大器要求RORL；③ 對輸入電阻的要求不同，以電壓作輸入量的放大器要求及RIRs,以電流作輸入量的放大器要求RiRs。 對于一個具體給定的放大器電路，必然屬于上述四種基本放大器之一，且有一種最適合描述它的電路模型。但是，這并不意味著不能用其他模型去描述它，因為上述四種模型電路的參數(shù)之間可以相