【文章內(nèi)容簡介】 ，便于進行綜合性的設(shè)計和實驗，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)計結(jié)合Multisim 2001對一階、二階有源濾波器進行了電路實例的設(shè)計和仿真，在學習和掌握了一個新的電子電路設(shè)計和仿真軟件的同時，加深了對電子電路設(shè)計的理解，方便了應(yīng)用。 OTAC濾波器概述 濾波器是一種應(yīng)用非常廣泛的信號處理子系統(tǒng)，它的功能是讓指定頻段的信號通過，而抑制其余頻段的信號?，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(dǎo)型放大器上，利用跨導(dǎo)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)。這是因為跨導(dǎo)——電容濾波器具有容易設(shè)計、電路簡單、便于集成、參數(shù)可調(diào)等突出優(yōu)點。采用跨導(dǎo)和電容構(gòu)造的有源濾波器通常被簡稱為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)計成電壓模式的，使用電壓傳輸函數(shù)，也可以設(shè)計成電流模式的，使用電流傳輸函數(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。 OTAC濾波器的性能特點基于跨導(dǎo)放大器作有源器件的0TAC濾波器具有以下幾個性能特點：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越高。例如，用于視頻信號處理和計算機磁盤驅(qū)動的集成濾波器，一般工作在幾MHZ——幾十MHZ頻率范圍。基于常規(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(yīng)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(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)計高頻連續(xù)時間濾波器成為可能。②電路簡單、適于集成。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、比例放大器這幾種標準組件適當組合構(gòu)成的，而這幾種標準組件都可以由跨導(dǎo)放大器和電容以非常簡潔的方式組成。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)。③參數(shù)可以電調(diào)節(jié)。在跨導(dǎo)——電容連續(xù)時間濾波器中，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這兩個參數(shù)決定。在Gm和C這兩個參數(shù)中，跨導(dǎo)放大器的增益Gm 可由片外電信號(電流或電壓)加以調(diào)節(jié)，因此很容易實現(xiàn)電可控濾波器，或叫做可編程濾波器。④需有片內(nèi)自動調(diào)諧環(huán)節(jié)。連續(xù)時間模擬濾波器的主要缺點是，當存在制造容差和環(huán)境條件變化時，對濾波器性能參數(shù)的精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。對跨導(dǎo)——電容連續(xù)時間濾被器而言，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)自動調(diào)整到設(shè)計標準值，從而保持其設(shè)計值的實現(xiàn)精度。 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。關(guān)于OTAC濾波器設(shè)計方法的文獻有很多，歸納起來及狀態(tài)變量濾波器，有下列三種設(shè)計方法。① 利用節(jié)點電壓模擬方法，由有源OPAMPRC濾波器生成OTAC濾波器。② 利用信號流圖方法，設(shè)計雙二階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。OTAC濾波器的主要缺點是：處理大信號的能力較差；輸出阻抗高，而輸入阻抗并非無窮大，在用級聯(lián)法構(gòu)成高階濾波器時，需要在級間加入緩沖級，在輸出端也通常需要加緩沖級來驅(qū)動外部負載。另外需要說明的是，在實際的應(yīng)用領(lǐng)域，對濾波器的通帶、阻帶和過渡帶提出的要求非常嚴格，這些要求必須用高階濾波器來滿足。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。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進行了電路實例的設(shè)計仿真。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）對于穩(wěn)態(tài)正弦信號，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上面介紹的一階低通濾波器用CA3080進行電路設(shè)計，并對其作分析仿真，觀察其性能參數(shù)。在Multisim 2001中對該電路圖進行仿真。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)計壓控有源濾波器電路，而LM13600型號的OTA具有達林頓輸出緩沖級，使其組成壓控濾波器尤為方便。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。 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fc進行調(diào)節(jié)。2. CA3080構(gòu)成的一階高通濾波器用CA3080對上面介紹的一階高通濾波器進行電路設(shè)計，然后再進行仿真。 CA3080構(gòu)成的一階高通濾波器電路圖用式（413）計算上述一階高通濾波器電路的截止頻率為：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. LM13600構(gòu)成的一階高通壓控濾波器前文已經(jīng)說過LM13600型號的OTA具有達林頓輸出緩沖級，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算公式為： （414）可以計算出此電路的截止頻率為：在Multisim 2001中對該電路圖進行仿真。 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學士學位論文 二階OTAC濾波器的設(shè)計和仿真4 二階OTAC濾波器的設(shè)計和仿真二階濾波器既有廣泛的直接應(yīng)用，又可級聯(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)計方法比較成熟，并且通用性較強，是構(gòu)成可編程濾波器的較好電路。本章著重設(shè)計雙二階型OTAC濾波器。這個電路中包含兩個OTA和兩個電容，其中第一個OTA和電容組成理想積分器，第二個OTA和電容組成有損耗積分器。輸入信號有三個接人點，分別用VA、VB、VC表示；輸出信號有兩個負反饋環(huán)路。該電路的性能特點是極點頻率值可以獨立調(diào)節(jié)。，可以寫出一下方程式： （51） （52） （53）當輸入電壓Vi分別作用于一個或幾個輸入端時，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頻率和極點Q值分別為： （54） （55）當滿足條件Gm1=Gm2=Gm時，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:極點頻率ωp正比于Gm值，因此，改變Gm可對ωp作線性調(diào)節(jié)；極點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中對這個雙OTA雙二階濾波器電路進行仿真，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。這個電路中包含三個OTA和兩個電容，其中第一個OTA和電容組成理想積分器，第二個和第三個OTA和電容組成直流增益和截止頻率獨立可調(diào)的有損耗積分器。輸入信號有三個接入點，分別用VA、VB、VC表示；輸出信號有兩個負反饋環(huán)路。 三OTA雙二階濾波器電路原理圖對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，當輸入電壓Vi分別作用于一個或幾個輸入端時，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頻率和極點Q值分別為： （513） （514）若保持Gm1=Gm2=Gm時，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: 極點頻率ωp與Gm(Gm1=Gm2=Gm)值成線性關(guān)系，因此，改變Gm可對ωp作線性調(diào)節(jié)；當Gm值選定或調(diào)節(jié)完畢之后，改變Gm3可獨立調(diào)節(jié)Qp；在帶通情況下，當改變Gm而保持Gm3為常數(shù)時，ωp和Qp作同步調(diào)節(jié)，這時可實現(xiàn)ωp連續(xù)變化而帶寬保持不變；當同步調(diào)節(jié)Gm和Gm3時，又可實現(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CA3080構(gòu)成的三OTA雙二階濾波器的三種濾波特性進行仿真，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 山東科技大學學士學位論文 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)計方法已經(jīng)相當成熟，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。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兩種濾波器的性能進行了比較。 有源RC網(wǎng)絡(luò)到二階OTAC濾波器的設(shè)計有源RC網(wǎng)絡(luò)生成二階OTAC濾波器的設(shè)計步驟基本如下：① 選取某有源RC濾波器電路作原型。② 列出節(jié)點方程，求解節(jié)點電壓，并整理成比例、加法、積分等標準項的組合式。③ 用OTAC比例、加法、積分等基本電路模塊實現(xiàn)上述節(jié)點電壓的標準項組合式。下面以單運放(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)計方法的實現(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)點外，尚有內(nèi)部節(jié)點2，可以分別寫出節(jié)點方程式： （62） （63）考慮到