【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，便于進(jìn)行綜合性的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，有利于培養(yǎng)綜合分析能力、開發(fā)和創(chuàng)新能力。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)合Multisim 2001對(duì)一階、二階有源濾波器進(jìn)行了電路實(shí)例的設(shè)計(jì)和仿真，在學(xué)習(xí)和掌握了一個(gè)新的電子電路設(shè)計(jì)和仿真軟件的同時(shí)，加深了對(duì)電子電路設(shè)計(jì)的理解，方便了應(yīng)用。 OTAC濾波器概述 濾波器是一種應(yīng)用非常廣泛的信號(hào)處理子系統(tǒng)，它的功能是讓指定頻段的信號(hào)通過(guò)，而抑制其余頻段的信號(hào)?，F(xiàn)代電子電路中對(duì)高頻濾波器的設(shè)計(jì)，人們正把更多的注意力集中到跨導(dǎo)型放大器上，利用跨導(dǎo)放大器和電容來(lái)設(shè)計(jì)高頻全集成濾波器已經(jīng)成為一項(xiàng)流行的技術(shù)。這是因?yàn)榭鐚?dǎo)——電容濾波器具有容易設(shè)計(jì)、電路簡(jiǎn)單、便于集成、參數(shù)可調(diào)等突出優(yōu)點(diǎn)。采用跨導(dǎo)和電容構(gòu)造的有源濾波器通常被簡(jiǎn)稱為OTAC濾波器,所用的跨導(dǎo)放大器可以是雙極型OTA或CMOS跨導(dǎo)器，在集成系統(tǒng)中，多數(shù)是用CMOS跨導(dǎo)器。還需要指出OTAC濾波器既可以設(shè)計(jì)成電壓模式的，使用電壓傳輸函數(shù)，也可以設(shè)計(jì)成電流模式的，使用電流傳輸函數(shù)。本文中設(shè)計(jì)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(hào)都是電壓。 OTAC濾波器的性能特點(diǎn)基于跨導(dǎo)放大器作有源器件的0TAC濾波器具有以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：①工作頻率高。由于在通信電路和系統(tǒng)中的應(yīng)用，濾波器的工作頻率越來(lái)越高。例如，用于視頻信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)的集成濾波器，一般工作在幾MHZ——幾十MHZ頻率范圍?；诔Ｒ?guī)電壓型運(yùn)算放大器的有源RC濾波器已經(jīng)在工業(yè)上得到普通應(yīng)用，但是電壓型運(yùn)其放大器的有限帶寬把這種有源RC濾波器的應(yīng)用限定在100 kHz以下?？鐚?dǎo)放大器是電流模式電路，它們的工作頻率可以伸展到高于50MHz(CMOS型)，甚至高于500MHz (雙極型)，因而使設(shè)計(jì)高頻連續(xù)時(shí)間濾波器成為可能。②電路簡(jiǎn)單、適于集成。幾乎所有有源濾波器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上都是由積分器、加法器、比例放大器這幾種標(biāo)準(zhǔn)組件適當(dāng)組合構(gòu)成的，而這幾種標(biāo)準(zhǔn)組件都可以由跨導(dǎo)放大器和電容以非常簡(jiǎn)潔的方式組成。因此使濾波器的電路簡(jiǎn)單，容易設(shè)計(jì)，可以用任何集成工藝實(shí)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)。③參數(shù)可以電調(diào)節(jié)。在跨導(dǎo)——電容連續(xù)時(shí)間濾波器中，濾波器的性能參數(shù)(特征頻率、品質(zhì)因數(shù)等)由跨導(dǎo)Gm和電容C這兩個(gè)參數(shù)決定。在Gm和C這兩個(gè)參數(shù)中，跨導(dǎo)放大器的增益Gm 可由片外電信號(hào)(電流或電壓)加以調(diào)節(jié)，因此很容易實(shí)現(xiàn)電可控濾波器，或叫做可編程濾波器。④需有片內(nèi)自動(dòng)調(diào)諧環(huán)節(jié)。連續(xù)時(shí)間模擬濾波器的主要缺點(diǎn)是，當(dāng)存在制造容差和環(huán)境條件變化時(shí)，對(duì)濾波器性能參數(shù)的精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。對(duì)跨導(dǎo)——電容連續(xù)時(shí)間濾被器而言，跨導(dǎo)Gm和電容C的數(shù)值都受工藝參數(shù)和環(huán)境溫度變化的影響而產(chǎn)生變化，引起濾波器參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值。因此，需要設(shè)置片內(nèi)自校正(自調(diào)諧)環(huán)節(jié)，使濾波器參數(shù)自動(dòng)調(diào)整到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，從而保持其設(shè)計(jì)值的實(shí)現(xiàn)精度。 OTAC濾波器的設(shè)計(jì)方法因?yàn)閹缀跛杏性礊V波器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上都是由積分器、加法器、比例放大器的適當(dāng)組合構(gòu)成，而上述標(biāo)準(zhǔn)部件都可由OTA和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以大多數(shù)通用和傳統(tǒng)的有識(shí)濾波器設(shè)計(jì)方法經(jīng)過(guò)適當(dāng)改進(jìn)后仍可用來(lái)設(shè)計(jì)OTAC濾波器。關(guān)于OTAC濾波器設(shè)計(jì)方法的文獻(xiàn)有很多，歸納起來(lái)及狀態(tài)變量濾波器，有下列三種設(shè)計(jì)方法。① 利用節(jié)點(diǎn)電壓模擬方法，由有源OPAMPRC濾波器生成OTAC濾波器。② 利用信號(hào)流圖方法，設(shè)計(jì)雙二階OTAC濾波器。③ 利用方塊圖直接實(shí)現(xiàn)法，設(shè)計(jì)雙二階OTAC濾波器。OTAC濾波器的主要缺點(diǎn)是：處理大信號(hào)的能力較差；輸出阻抗高，而輸入阻抗并非無(wú)窮大，在用級(jí)聯(lián)法構(gòu)成高階濾波器時(shí)，需要在級(jí)間加入緩沖級(jí)，在輸出端也通常需要加緩沖級(jí)來(lái)驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。另外需要說(shuō)明的是，在實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)濾波器的通帶、阻帶和過(guò)渡帶提出的要求非常嚴(yán)格，這些要求必須用高階濾波器來(lái)滿足。但是，本文中并未涉及高階濾波器的相關(guān)內(nèi)容。 一階OTAC濾波器的應(yīng)用原理和設(shè)計(jì)仿真一階OTAC濾波器是二階和高階OTAC濾波器的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)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(jì)更加容易方便，易于理解。本節(jié)介紹了幾種典型一階濾波器的應(yīng)用原理，并用CA3080和LM13600進(jìn)行了電路實(shí)例的設(shè)計(jì)仿真。同相輸入理想積分器的輸出端加一條反饋線，連接到OTA的反相輸入端，便構(gòu)成了一階低通濾波器。，這是一個(gè)直流增益固定、截止頻率可調(diào)的電路。 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(duì)于穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)，得到的頻率響應(yīng)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。2. CA3080構(gòu)成的一階低通濾波器對(duì)上面介紹的一階低通濾波器用CA3080進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并對(duì)其作分析仿真，觀察其性能參數(shù)。在Multisim 2001中對(duì)該電路圖進(jìn)行仿真。由式（46）可以算出此一階低通濾波器的截止頻率： CA3080構(gòu)成的一階低通濾波器電路 CA3080構(gòu)成的一階低通濾波器幅頻特性曲線 3. LM13600構(gòu)成的一階低通壓控濾波器OTA的電流輸出及增益可控特性極為適宜設(shè)計(jì)壓控有源濾波器電路，而LM13600型號(hào)的OTA具有達(dá)林頓輸出緩沖級(jí)，使其組成壓控濾波器尤為方便。此濾波器的截止頻率的計(jì)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(jì)算出在Multisim 2001中對(duì)該電路圖進(jìn)行仿真。 LM13600一階低通壓控濾波器幅頻特性特性曲線，可構(gòu)成一階高通濾波器[3]，：由電路圖可以寫出： （48） （49）由上面二式可以得出電壓傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)分別為： （410） （411）上面二式表明，該電路高頻增益和截止頻率分別為： （412） （413）可見其高頻增益為常數(shù)1，不能調(diào)節(jié)；截止頻率與Gm成正比，可用OTA的偏置電流對(duì)fc進(jìn)行調(diào)節(jié)。2. CA3080構(gòu)成的一階高通濾波器用CA3080對(duì)上面介紹的一階高通濾波器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行仿真。 CA3080構(gòu)成的一階高通濾波器電路圖用式（413）計(jì)算上述一階高通濾波器電路的截止頻率為：在Multisim 2001中對(duì)該電路圖進(jìn)行仿真。 CA3080構(gòu)成的一階高通濾波器幅頻特性曲線3. LM13600構(gòu)成的一階高通壓控濾波器前文已經(jīng)說(shuō)過(guò)LM13600型號(hào)的OTA具有達(dá)林頓輸出緩沖級(jí)，其組成壓控濾波器尤為方便[10]，所以這里使用LM13600構(gòu)造一階高通壓控濾波器。 LM13600構(gòu)成的一階高通壓控濾波器電路圖其截止頻率的計(jì)算公式為： （414）可以計(jì)算出此電路的截止頻率為：在Multisim 2001中對(duì)該電路圖進(jìn)行仿真。 LM13600構(gòu)成的一階高通壓控濾波器幅頻特性曲線山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 二階OTAC濾波器的設(shè)計(jì)和仿真4 二階OTAC濾波器的設(shè)計(jì)和仿真二階濾波器既有廣泛的直接應(yīng)用，又可級(jí)聯(lián)構(gòu)成高階濾波器，因此是十分重要的濾波器基本環(huán)節(jié)。二階OTAC濾波器有很多類型，其中雙二階型OTAC濾波器比較常見，其設(shè)計(jì)方法比較成熟，并且通用性較強(qiáng)，是構(gòu)成可編程濾波器的較好電路。本章著重設(shè)計(jì)雙二階型OTAC濾波器。這個(gè)電路中包含兩個(gè)OTA和兩個(gè)電容，其中第一個(gè)OTA和電容組成理想積分器，第二個(gè)OTA和電容組成有損耗積分器。輸入信號(hào)有三個(gè)接人點(diǎn)，分別用VA、VB、VC表示；輸出信號(hào)有兩個(gè)負(fù)反饋環(huán)路。該電路的性能特點(diǎn)是極點(diǎn)頻率值可以獨(dú)立調(diào)節(jié)。，可以寫出一下方程式： （51） （52） （53）當(dāng)輸入電壓Vi分別作用于一個(gè)或幾個(gè)輸入端時(shí)，傳輸函數(shù)將分別具有不同類型的濾波特性。 雙OTA雙二階濾波器輸入條件與濾波特性表濾波特性類型輸入端接法傳輸函數(shù)VAVBVC低通Vi地地帶通地Vi地高通地地Vi根據(jù)表中內(nèi)容，可得不同特性幅頻響應(yīng)的幅值如下：低通：，帶通：，高通：，此雙OTA雙二階濾波器的極點(diǎn)頻率和極點(diǎn)Q值分別為： （54） （55）當(dāng)滿足條件Gm1=Gm2=Gm時(shí)，ωp、Qp分別為： （56） （57）由以上分析結(jié)果看出，此雙OTA雙二階濾波器電路具有以下特點(diǎn):極點(diǎn)頻率ωp正比于Gm值，因此，改變Gm可對(duì)ωp作線性調(diào)節(jié)；極點(diǎn)Q值為常數(shù)，其值由C1與C2的比值決定，不能用外部電信號(hào)調(diào)節(jié)Q值。用CA3080構(gòu)成的雙OTA雙二階濾波器電路圖如下圖所示： 雙OTA雙二階濾波器電路圖在Multisim 2001中對(duì)這個(gè)雙OTA雙二階濾波器電路進(jìn)行仿真，波特圖儀的得到的各種幅頻特性曲線如下所示： 雙OTA雙二階濾波器低通幅頻特性曲線 雙OTA雙二階濾波器帶通幅頻特性曲線 雙OTA雙二階濾波器高通幅頻特性曲線 三OTA雙二階濾波器。這個(gè)電路中包含三個(gè)OTA和兩個(gè)電容，其中第一個(gè)OTA和電容組成理想積分器，第二個(gè)和第三個(gè)OTA和電容組成直流增益和截止頻率獨(dú)立可調(diào)的有損耗積分器。輸入信號(hào)有三個(gè)接入點(diǎn)，分別用VA、VB、VC表示；輸出信號(hào)有兩個(gè)負(fù)反饋環(huán)路。 三OTA雙二階濾波器電路原理圖對(duì)上面的電路可以寫出下列公式：　　　 （58）　 （59） （510）　 （511） （512）與雙OTA雙二階濾波器相似，當(dāng)輸入電壓Vi分別作用于一個(gè)或幾個(gè)輸入端時(shí)，傳輸函數(shù)將分別具有不同類型的濾波特性。此三OTA雙二階濾波器的極點(diǎn)頻率和極點(diǎn)Q值分別為： （513） （514）若保持Gm1=Gm2=Gm時(shí)，ωp、Qp分別為： （515） （516）由以上分析結(jié)果可知，此三OTA雙二階濾波器電路具有以下特點(diǎn): 極點(diǎn)頻率ωp與Gm(Gm1=Gm2=Gm)值成線性關(guān)系，因此，改變Gm可對(duì)ωp作線性調(diào)節(jié)；當(dāng)Gm值選定或調(diào)節(jié)完畢之后，改變Gm3可獨(dú)立調(diào)節(jié)Qp；在帶通情況下，當(dāng)改變Gm而保持Gm3為常數(shù)時(shí)，ωp和Qp作同步調(diào)節(jié)，這時(shí)可實(shí)現(xiàn)ωp連續(xù)變化而帶寬保持不變；當(dāng)同步調(diào)節(jié)Gm和Gm3時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)ωp連續(xù)調(diào)節(jié)而Qp恒定，這將使帶寬得到調(diào)節(jié)。用CA3080構(gòu)成上述三OTA雙二階濾波器，： 三OTA雙二階濾波器電路圖 三OTA雙二階濾波器電路圖對(duì)CA3080構(gòu)成的三OTA雙二階濾波器的三種濾波特性進(jìn)行仿真，得出的幅頻特性曲線如下所示： 三OTA雙二階濾波器低通幅頻特性曲線 三OTA雙二階濾波器高通幅頻特性曲線 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 OTAC與RC有源濾波器的比較5 OTAC與RC有源濾波器的比較有源RC濾波器的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且有很多著名電路。挑選某些有源RC濾波器作原型，采用節(jié)點(diǎn)電壓模擬方法，生成相應(yīng)的OTAC濾波器，不僅能保持與原型電路相似的濾波功能，而且還可以獲得OTAC電路一些新的性能，如參數(shù)電可調(diào)、高頻性能好等優(yōu)點(diǎn)。本章首先介紹用有源RC濾波器生成二階OTAC濾波器的方法，然后在仿真軟件中對(duì)兩種濾波器的性能進(jìn)行了比較。 有源RC網(wǎng)絡(luò)到二階OTAC濾波器的設(shè)計(jì)有源RC網(wǎng)絡(luò)生成二階OTAC濾波器的設(shè)計(jì)步驟基本如下：① 選取某有源RC濾波器電路作原型。② 列出節(jié)點(diǎn)方程，求解節(jié)點(diǎn)電壓，并整理成比例、加法、積分等標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)的組合式。③ 用OTAC比例、加法、積分等基本電路模塊實(shí)現(xiàn)上述節(jié)點(diǎn)電壓的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)組合式。下面以單運(yùn)放(OPAMP)有源RC二階濾波器為例，討論有源RC濾波器生成0TAC濾波器設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)。[4]，該電路的電壓傳輸函數(shù)為： （61）式中，G=G1+ G2+ G2。電路中除輸入、輸出節(jié)點(diǎn)外，尚有內(nèi)部節(jié)點(diǎn)2，可以分別寫出節(jié)點(diǎn)方程式： （62） （63）考慮到