一种新颖的电压模式通用二阶CFA滤波器设计

2007-07-11 14:42:24来源: 现代电子技术 关键字:带宽  速率  输出  全通

1 引言

电压运算放大器模拟电路设计中的基本有源器件,由普通电压运算放大器组成的电路,其工作频率较低。电流反馈放大器(Current Feedback Amplifier,CFA)是一种结构全新的运算放大器,他不但能提供近乎常值的带宽,而且还具有高的转换速率。由他组成的电路,在频率特性、动态范围等方面具有比由OTA组成的电路更加优良
的性能[1-30]。近年来,电流反馈放大器在二阶滤波器电路中得到了一些应用[6-10],而采用电流反馈放大器(CFA)构成的电压模式或电流模式双二次滤波器的文献不断见诸报道,其中主要的形式有两种:一种为单输入多输出型滤波器;另一种为三输入单输出型滤波器。但从文献看,多数电路使用的CFA器件数目较多。本文提出了一种三输入单输出电压模式通用二阶滤波器电路,该电路仅用2个电流反馈放大器(CFA)、2个电容、3个电阻来构成,电路结构简单,能实现二阶低通、带通、高通、陷波、全通滤波函数。并用PSpice对该电路进行了仿真,仿真结果表明,该电路设计正确,理论分析与仿真结果相吻合。

2 CFA电路结构及原理

电流反馈放大器(CFA)是一种四端口器件如图1所示,他的电路传输特性为:

即Iy=0,Vx=Vy,Ix=±Iz,Vo=Vz,公式(1)中"+"对应CFA+,"-"对应CFA-,由此可知x端电压跟随y端电压,z端电流跟随x端电流,y端是高阻输入,Iy=O,z端电压跟随o端电压[6-9]变化。

3 二阶滤波器原理

本文采用如图2所示滤波器电路,该电路是由2个CFA2个电容和3个电阻来构成。对图2电路进行电路分析得:

由上述方程,可得电路电流传输函数:

有式(6)可知,改变输入信号V1,V2,V3,可以分别实现低通、带通、高通、陷波、全通滤波函数。实现条件与滤波器类型的对应关系如表1所示。

电路极点参数为:


由式(7),式(9)可知,极点角频率和极点品质因素能实现独立调节。

根据灵敏度的定义得到特征频率ωP,QP相对电阻元件和电容元件的变化灵敏度,ωp,QP,的无源灵敏度为:



由式(10),式(11)可知,ωp,QP的无源灵敏度是较小的。
考虑CFA的非理想特性,其端口特性为:

其中:a=1-ε1,︱ε1︱<<《1,ε1表示电流反馈放大器的电流跟踪误差,β=1-ε2,︱ε2︱<<1,ε2表示电流反馈放大器的输入电压跟踪误差,γ1=1-ε3,︱ε3 ︱<<1,ε3表示电流反馈放大器的输出电压跟踪误差,通过分析,可求得输出电压为:


由式(18),式(19)可知,ωP,QP有源灵敏度也是较小的。

4 电路仿真

为了验证设计滤波器电路的正确性,作者用PSpice对该电路进行了电路仿真。当R1=R2=R3=1 kΩ,C1=C2=0.1 μF,由式(8)得:fp=1.59 kHz,在PSpice9.1下,对图2所示电路进行仿真,得到幅频特性(如图3所示)与要求的技术参数相吻合。

5结 语

本文提出了一种仅用2个电流反馈放大器(CFA)、2个电容和3个电阻构成的电压模式通用二阶滤波器电路,能实现二阶低通、带通、高通、带阻、全通滤波函数。对该电路进行了电路分析,得到了电压传输函数及电路参数。并用PSpice对该滤波器电路进行了仿真,仿真结果表明,该滤波器电路设计正确,理论分析与仿真结果相吻合。电路具有如下特点:

(1)能实现电压模式二阶低通、带通、高通、陷波、全通滤波函数;

(2)电路结构简单;

(3)具有的元器件较少;

(4)无源、有源灵敏度较小;

(5)ωP ,QP可调

(6)电路易于实现。

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