【正文】 RC濾波器和0TAC濾波器參數(shù)分析對于圖61所示有源RC二階低通濾波器，其低頻（直流）增益|H(j0)|、極點頻率ωp、極點Q值Qp分別為： （68） （69） （610）當(dāng)電路中電阻、電容的數(shù)值選定后，濾波性能參數(shù)的數(shù)值就被確定下來，不能用外部信號加以調(diào)節(jié)。，GmGmC1組成模擬式（64）的有耗積分——求和電路，GmC2組成模擬式（65）的理想積分電路。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）考慮到運算放大器的反相輸入端“虛地”，即V2=0,則可求得V1,V2的表達(dá)式為： （64） （65）不難看出，式（65）為理想積分運算式，式（64）為有耗積分——求和運算式。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)。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(biāo)準(zhǔn)項的組合式。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(jìn)行了比較。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(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)計方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且有很多著名電路。 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(dāng)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。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。 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(dāng)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。該電路的性能特點是極點頻率值可以獨立調(diào)節(jié)。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。本章著重設(shè)計雙二階型OTAC濾波器。 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)。 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(dá)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。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(jìn)行電路設(shè)計，然后再進(jìn)行仿真。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(jìn)行仿真。在Multisim 2001中對該電路圖進(jìn)行仿真。 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。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。 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。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(yán)格，這些要求必須用高階濾波器來滿足。③ 利用方塊圖直接實現(xiàn)法，設(shè)計雙二階OTAC濾波器。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。 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?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(dāng)改進(jìn)后仍可用來設(shè)計OTAC濾波器。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。④需有片內(nèi)自動調(diào)諧環(huán)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。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)。②電路簡單、適于集成?；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(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。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。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。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?，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)。本次畢業(yè)設(shè)計結(jié)合Multisim 2001對一階、二階有源濾波器進(jìn)行了電路實例的設(shè)計和仿真，在學(xué)習(xí)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。 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(jìn)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(jìn)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?？梢詫Ρ环抡娴碾娐分械脑骷O(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路工作狀況。Multisim 2001具有較為詳細(xì)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。Multisim 2001是一個原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。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。本章中一階有源濾波器的設(shè)計和仿真也為后面二階有源濾波器的設(shè)計做好了準(zhǔn)備工作。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)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(jìn)行了仿真。分析表明，源耦差分輸入級能提供低噪聲、低漂移、良好的高頻特性和共模抑制能力，但它的大信號傳輸特性是非線性的，而且是構(gòu)成CMOS跨導(dǎo)器非線性的主要來源。為了使電路和系統(tǒng)有較大的動態(tài)范圍，要求CMOS跨導(dǎo)器具有大信號下的高線性度。CMOS跨導(dǎo)器在應(yīng)用中大多工作在開環(huán)或非深度負(fù)反饋狀態(tài)，以便用調(diào)節(jié)開環(huán)增益Gm值去控制電路和系統(tǒng)的性能參數(shù)。 CMOS跨導(dǎo)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(dǎo)器在近年來得到了重點研究和發(fā)展。 CA3080型OTA外引線功能輸入電壓輸出電流電源偏置電流Vi+ViIoV+VIB圓殼八線326745雙列直插八線3267452. LM13600跨導(dǎo)運算放大器13600型OTA是跨導(dǎo)運放的改進(jìn)型，國外的型號LM13600，XR13600，國內(nèi)的型號F13600，它是具有線性化輸入二極管和達(dá)林頓緩沖，輸出級的雙跨導(dǎo)放大器。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。1. CA3080跨導(dǎo)運算放大器CA3080是單跨導(dǎo)運算放大器，其跨導(dǎo)增益值的可調(diào)范圍大于3個數(shù)量級，偏置電流與跨導(dǎo)增益有良好線性關(guān)系；作電壓跟隨器的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)50V／us在177。雙極型跨導(dǎo)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?？鐚?dǎo)器通常分為雙極型和CMOS兩種，下面對在后面的電路設(shè)計和仿真中將要用到的幾種跨導(dǎo)型集成運放進(jìn)行簡要的介紹。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(dǎo)；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(jìn)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。對這個理想模型，兩個電壓輸入端之間開路，差模輸入電阻為無窮大，輸出端是一個受差模輸入電壓控制的電流源，輸出電阻為無窮大。（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(fù)載有關(guān)，有AVD=GmRL，當(dāng)運算放大器的輸出級連接MOS器件，可獲得很高的電壓增益。（3）性能控制：通過控制偏置電流的大小還可使電路的其他電參數(shù)按需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)減小偏置電流時，可降低電路功耗，提高輸入阻抗和減小失調(diào)電流，而當(dāng)增大電流時則可提高速度和增大輸出電流。（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(dāng)注入電流為零時，運算放大器截止。 OTA的符號 OTA的傳輸特性用下列方程描述： （31）式中，Io是輸出電流，Vid 是差模輸入電壓，Gm是開環(huán)增益，稱為跨導(dǎo)增益，量綱是西門子（S）。 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?？傊c常規(guī)電壓型運算放大器比較，跨導(dǎo)型運算放大器的主要性能特點是：輸出電阻高，輸出量是不隨負(fù)載電阻變化的電流；高頻性能好，通頻帶寬；新增加一個增益控制端，使增益連續(xù)可調(diào)；電路結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計、制造；放大能力較弱，主要應(yīng)用于開環(huán)或非深度負(fù)反饋狀態(tài)。借助改變偏置電流可以調(diào)節(jié)跨導(dǎo)增益值。4. 增益可控性比較 電壓型集成運算放大器的開環(huán)電壓增益值很高，在使用這種放大器一般工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，其閉環(huán)特性由反饋網(wǎng)絡(luò)特性決定，而與放大器本身的開環(huán)增益值基本無關(guān)，因此調(diào)節(jié)開環(huán)電壓增益值的大小并沒有意義。形成這一優(yōu)點不難理解，跨導(dǎo)型輸出量是電流，現(xiàn)主要電子器件（包括雙極型和場效應(yīng)晶體管）的輸出量也是電流，當(dāng)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