【正文】 節(jié)電路的性能參數(shù)。3. 通頻帶比較 跨導型的放大器通頻帶比電壓型寬很多，這是它突出的優(yōu)點。本節(jié)對它們的性能從以下幾方面作比較，討論它們的不同之處，從而對跨導型集成運算放大器建立一些基本概念。 四種基本放大器增益變換關(guān)系式已 知 模 型 參 數(shù)AVO、RI、ROAis、RI、ROGms、RI、RORmo、RI、RO變換后增益AVOAisGmsRmo應該指出，由于四種基本放大器的增益參數(shù)可以相互變換，當設(shè)計一個具體的電子系統(tǒng)(或子系統(tǒng))時，可以利用四種基本放大器中的任何一種作為標準部件來完成設(shè)計，實現(xiàn)所要求的輸出——輸入函數(shù)關(guān)系。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)之間可以相互轉(zhuǎn)換。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。 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，Ais稱為短路電流增益，AI稱作負載電流增益。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。因此，Gms稱作短路跨導增益，Gm則稱作負載跨導增益?？鐚Х糯笃鞯脑鲆媸禽敵鲭娏髋c輸入電壓的比值，具有電導的量綱西門子（S）。換句話說，對于給定的負載電阻RL，在設(shè)計電壓放大器時，必須使其輸出電阻遠小于RL 。，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。為簡化問題，可采用單邊電路結(jié)構(gòu)的模型，其結(jié)論適用于對稱差動電路結(jié)構(gòu)的模型。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。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。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。而此次畢業(yè)設(shè)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(shè)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(shù)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)。近幾年來，由于電流模式信號處理方法和技術(shù)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(shù)開拓了新的天地，也使集成放大器獲得了新的生長點。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。 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)。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。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 。要求電壓模式電路的關(guān)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(guān)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。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(guān)鍵要看對電路的阻抗水平的選擇。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(shè)計出一些精巧新穎的電路結(jié)構(gòu)，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。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]。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。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。電流模式電路因此逐漸發(fā)展起來?？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。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。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。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]?？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）。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(jié)構(gòu)簡單，電源電壓和功耗都可以降低?？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。有關(guān)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。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(guān)產(chǎn)品進行了簡要介紹。最后，結(jié)合著這次畢業(yè)設(shè)計的相關(guān)經(jīng)歷，對在設(shè)計過程中積累的經(jīng)驗和教訓進行了總結(jié)。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]。 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。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。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。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?？紤]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(shè)計跨導放大器時，應該滿足條件：R0RL，R1RS。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)。 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(guān)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。因此，Rm0稱作開路跨阻增益，Rm稱作負載跨阻增益。 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。 例如，開路電壓增益AVO和短路電流增益Ais之間的關(guān)系可以按下面的方法分析得到。但是，由于四種基本放大器的輸入電阻及輸出電阻水平有很大差別，當用不同的放大器實現(xiàn)相同的系統(tǒng)函數(shù)關(guān)系時，將在其他性能上表現(xiàn)出很大的不同。1. 放大作用的比較跨導型放大器實現(xiàn)輸入電壓信號對輸出電流信號的控制，其增益的量綱是西門子，電壓型放大器實現(xiàn)電壓信號的放大作用，其增益沒有量綱。形成這一優(yōu)點不難理解，跨導型輸出量是電流，現(xiàn)主要電子器件（包括雙極型和場效應晶體管）的輸出量也是電流，當電壓輸入信號在輸入級變換為電流信號之后，再經(jīng)電流傳輸或放大級，即可獲得電流信號，一般來講，在電流傳輸級或電流放大級電路中，無需設(shè)置高阻抗節(jié)點，晶體管極間電容沒有大的電壓擺幅。借助改變偏置電流可以調(diào)節(jié)跨導增益值。 OTA的基本概念和理想模型 OTA的電路符號，它有兩個輸入端，一個輸出端，一個控制端。（1）選通控制：偏置端可作選通控制端，偏置電流即為選通電流，當注入電流為零時，運算放大器截止。（5）輸出級為電流源形式，輸出阻抗很高，運算放大器的電壓增益和負載有關(guān)，有AVD=GmRL，當運算放大器的輸出級連接MOS器件，可獲得很高的電壓增益。通過以上對OTA基本概念的介紹看出，與常規(guī)的電壓型(電壓輸出／電壓輸入)運算放大器比較，OTA具有下列性能特點：① 輸入電壓控制輸出電流，開環(huán)增益是以S為量綱的跨導；② 增加了一個控制端，改變控制電流(即偏置電流IB)可對開環(huán)增益Gm，進行連續(xù)調(diào)節(jié)；③ 它還具有電流模式電路的特點，如頻帶寬，高頻性能好等。雙極型跨導運算放大器具有很多優(yōu)良性能，例如，Gm增益值及其可調(diào)范圍均較大，Gm與偏置電流之間具有大范圍的線性關(guān)系等。15V電源電壓范圍內(nèi)均可正常工作；靜態(tài)功耗可由偏置電流調(diào)節(jié)，變化范圍10uW~30mW。 CMOS跨導運算放大器隨著CMOS工藝技術(shù)和電路設(shè)計的發(fā)展，CMOS跨導器在近年來得到了重點研究和發(fā)展。為了使電路和系統(tǒng)有較大的動態(tài)范圍，要求CMOS跨導器具有大信號下的高線性度。山東科技大學學士學位論文 一階OTAC濾波器的設(shè)計和仿真3 一階OTAC濾波器的設(shè)計和仿真本次畢業(yè)設(shè)計主要是采用OTA作為有源器件設(shè)計有源濾波器，而一階濾波器是濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)，本章主要設(shè)計了一階有源濾波器，并對其進行了仿真。Multisim 2001是加拿大Interactive Image Technologies公司2001年推出的Multisim版本，是該公司電子線路仿真軟件EWB（Electronics Workbench,虛擬電子工作臺）的升級版。Multisim 2001具有較為詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅立葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等電路分析方法，以幫助設(shè)計人員分析電路的性能。 利用Multisim 2001可以實現(xiàn)計算機仿真設(shè)計與虛擬試驗，與傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計與實驗方法相比，具有如下特點：設(shè)計與實驗可以同步進行，可以邊設(shè)計邊試驗，修改調(diào)試方便；設(shè)計和實驗用的元器件及測試儀器儀表齊全，可以完成各種類型的電路設(shè)計與實驗；可方便的對電路參數(shù)進行測試和分析；可直接打印輸出實驗數(shù)據(jù)、測試參數(shù)、曲線和電路原理圖；實驗中不消耗實際的元器件，實驗所需元器件的種類和數(shù)量不受限制，實驗成本低，實驗速度快，效率高；設(shè)計和實驗成功的電路可以直接在產(chǎn)品中使用?，F(xiàn)代電子電路中對高頻濾波器的設(shè)計，人們正把更多的注意力集中到跨導型放大器上，利用跨導放大器和電容來設(shè)計高頻全集成濾波器已經(jīng)成為一項流行的技術(shù)。本文中設(shè)計的濾波器都是電壓模式的濾波器，即它們的輸入和輸出信號都是電壓?；诔Ｒ?guī)電壓型運算放大器的有源RC濾波器已經(jīng)在工業(yè)上得到普通應用，但是電壓型運其放大器的有限帶寬把這種有源RC濾波器的應用限定在100 kHz以下。因此使濾波器的電路簡單，容易設(shè)計，可以用任何集成工藝實現(xiàn)，還可與同一芯片上普遍采用的數(shù)字電路集成工藝兼容，構(gòu)成全集成的模擬系統(tǒng)或模擬／數(shù)字混合系統(tǒng)。④需有片內(nèi)自動調(diào)諧環(huán)節(jié)。 OTAC濾波器的設(shè)計方法因為幾乎所有有源濾波器的電路拓撲結(jié)構(gòu)基本上都是由積分器、加法器、比例放大器的適當組合構(gòu)成，而上述標準部件都可由OTA和電容來實現(xiàn)，所以大多數(shù)通用和傳統(tǒng)的有識濾波器設(shè)計方法經(jīng)過適當改進后仍可用來設(shè)計OTAC濾波器。③ 利用方塊圖直接實現(xiàn)法，設(shè)計雙二階OTAC濾波器。 一階OTAC濾波器的應用原理和設(shè)計仿真一階OTAC濾波器是二階和高階OTAC濾波器的基礎(chǔ)，通過對一階濾波器原理的研究可以使二階和高階濾波器的設(shè)計更加容易方便，易于理解。 一階低通濾波器根據(jù)電路圖可以寫出下列方程式： （41） （42）由上面二式可以求出電壓傳輸函數(shù)為： （43）對于穩(wěn)態(tài)正弦信號，得到的頻率響應函數(shù)為： （44）由上式得到直流增益和截止頻率為： （45） （46）因此，這種濾波器的直流增益為1，不能調(diào)節(jié)；但其截止頻率與Gm成正比，改變Gm值可連續(xù)調(diào)節(jié)fc。此濾波器的截止頻率的計算公式為： （47） LM13600一階低通壓控濾波器電路圖由此公式可以計算出在Multisim 2001中對該電路圖進行仿真。 CA3080構(gòu)成的一階高通濾波器幅頻特性曲線3. LM13