OTA-C二阶有源滤波器设计.doc

OTA-C二阶有源滤波器设计 作者： 日期：14 个人收集整理 勿做商业用途3.1 Multisim元件库中OTA模块的创建3.1。1 Multisim简介Multisim 10是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Multisim版本,是该公司电子线路仿真软件EWB（Electronics Workbench,虚拟电子工作台)的升级版.Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件,虚拟电子与电工仪器和仪表，实现“软件即元器件和“软件即仪器”。Multisim 10是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件.Multisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全,有一般实验用的通用仪器,如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器,如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪。Multisim 10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅立叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim 10可以设计、测试和演示各种电子电路,包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路、及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障,如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况.在进行仿真的同时,软件还可以存储测试点的所有数据,列出被仿真电路的所有元器件清单,以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等.利用Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟试验，与传统的电子电路设计与实验方法相比,具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边试验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便的对电路参数进行测试和分析;可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图;实验中不消耗实际的元器件,实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快,效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用28。本设计结合Multisim 10对二阶有源滤波器进行了电路的设计和仿真，加深了对电子电路设计的理解，方便了应用。3.1。2 OTA模块的创建 Multisim为设计、仿真和布局完整的印刷电路板提供了一个集成的平台。高度灵活的数据库管理程序，使得为自定义原理图符号添加新的Spice仿真模型变得十分方便,该原理图符号可用于将精确的封装转换为布局。在Multisim中将上述改进型大线性范围的宽带CMOS OTA电路创建为自定义元器件，命名为OTA_2，如图3.1所示.OTA_2图3.1 Multisim中创建的OTA模块Fig.3。1 OTA module establishing in Multisim3.2 OTAC双二次节电压转移函数滤波器的传输函数可以写成下面的有理多项式形式： （3。1）其中，s是复频率变量，n是滤波器的阶数。上式中多项式的系数，和,决定了滤波器的类型,如低通、高通、带通、带阻等，也决定了同类滤波器（如低通）的幅频与相频特性曲线的形状。传输函数的分子、分母都是s的二次多项式的滤波器叫双二次滤波器.传输函数可以写成下面的形式： (3。2）低通、高通、带通、带阻滤波器的传输函数只是上式的特例14,29-33。二阶低通滤波器传输函数的标准形式为： (3。3)二阶高通滤波器传输函数的标准形式为： （3。4)二阶带通滤波器传输函数的标准形式为： (3.5）二阶带阻滤波器传输函数的标准形式为： （3。6)二阶全通滤波器传输函数的标准形式为： (3。7）双二次OTAC滤波器的结构之一如图3.2所示.它由三个通路（分别加输入信号VA、VB、VC）和两个环路组成。VAVBVCVO图3.2 双二次OTA-C滤波器结构Fig。3.2 Two repeated OTAC filter structure利用Mason法则，可以写出 (3。8)这是一个双二次滤波器的特性公式。改变输入节点和接地点，可以实现不同的滤波功能：令，信号自A点输入,代入式3。8，可得：，是二阶低通滤波器函数;令，信号自B点输入,代入式3。8，可得：,是二阶带通滤波器函数；令，信号自C点输入，代入式3。8，可得：,是二阶高通滤波器函数；令，将A，C两端相连作输入端,代入式3。8，可得：，是二阶带阻滤波器函数。3.3 双OTA二阶滤波器设计3.3.1双OTA二阶滤波器应用原理 图3.3 双OTA二阶滤波器电路原理图Fig.3。3 Pair of OTA second order filter circuit 一种典型的双OTA二阶滤波器电路原理图如图3。3所示14。这个电路中包含两个OTA和两个电容，其中第一个OTA和电容组成理想积分器,第二个OTA和电容组成有损耗积分器。输入信号有三个接人点，分别用VA、VB、VC表示；输出信号有两个负反馈环路.该电路的性能特点是极点频率值可以独立调节。对图3。1所示电路，可以写出一下方程式： (3。9） (3.10) (3。11)两个积分器的传输函数分别为和,与图3.2相比较可知： （3.12） （3。13）代入式3.8，得: （3。14)此双OTA二阶滤波器的极点频率和极点Q值分别为： （3.15） (3.16)当满足条件gm1=gm2=gm时，p、Qp分别为： （3.17) (3.18)极点频率p正比于gm值，因此，改变gm可对p作线性调节；极点Q值为常数，其值由C1与C2的比值决定，不能用外部电信号调节Q值.当输入电压Vi分别作用于一个或几个输入端时，传输函数将分别具有不同类型的滤波特性。输入信号接入点位置及接地点位置与传输函数类型的对应关系如表3。1所示。表3.1输入条件与滤波特性表Table3.1 Import condition and the filtering characteristic property form功能输入端接法传输函数Qpp低通滤波带通滤波高通滤波带阻滤波根据表中内容，可得不同特性幅频响应的幅值如下：低通：,带通:，高通：，带阻:，3。3.2双OTA二阶滤波器电路仿真3。3。2。1 双OTA二阶低通滤波器 双OTA二阶低通滤波器的电路图如图3。4所示.图3.4 双OTA二阶低通滤波器电路图Fig。3。4 Pair of OTA second order low pass filter circuit 取偏置电压VC2为固定值2.5V，调节C1、C2参数，观察波特图变化情况。当C1=C2=1pF时，截止频率高达1GHz。调整电容C1=C2=1uF，截止频率为15.8kHZ，观察波特图如图3。5所示。因此,在VC2为定值时，电容越大，截止频率越低.取电容为固定值C1=C2=1uF，调节偏置电压VC2大小，观察波特图变化情况。当VC2=5V时，截止频率为29KHz，减小VC2至0。4V时，截止频率为2。84KHz，再减小报错,为最小值。VC2可增大至7V，此时截止频率为37kHz。因此,在电容固定的情况下，VC2绝对值越大，截止频率越高。VC2可以在-0.4V7V之间调节。图3.5 双OTA二阶低通滤波器幅频特性曲线Fig.3。5 Pair of OTA second order low pass filter amplitudefrequency characteristic curve3.3.2。2 双OTA二阶带通滤波器双OTA二阶带通滤波器的电路图如图3.6所示。图3.6 双OTA二阶带通滤波器电路图Fig.3.6 Pair of OTA second order band pass filter circuit diagram取偏置电压VC2为固定值-5V，调节C1、C2参数,观察波特图变化情况。发现当调节参数C1时,带通滤波器的下限截止频率随之变化,C1增大,曲线左移；当调节参数C2时，带通滤波器的上限截止频率随之变化，C2增大，曲线右移。当C1=C2时无通带。图3.7 双OTA二阶带通滤波器幅频特性曲线Fig。3.7 Pair of OTA second order band pass filter amplitude-frequency characteristic curve取电容为固定值C1= 1uF，C2=10nF时，调节偏置电压VC2大小,观察波特图变化情况。VC2的可调范围在-2V7V之间，通带中心频率范围为几十kHz到几MHz。3。3。2.3 双OTA二阶高通滤波器双OTA二阶高通滤波器的电路图如图3.8所示。图3.8 双OTA二阶高通滤波器电路图Fig.3。8 Pair of OTA second order high pass filters circuit diagram取偏置电压VC2为-7V，调节C1、C2参数,当C1=C2=1uF时，观察波特图变化情况，截止频率为20kHz.图3.9 双OTA二阶高通滤波器幅频特性曲线Fig。3.9 Pair of OTA second order high pass filters amplitudefrequency characteristic curve取电容为固定值C1=C2=10nF，调节偏置电压VC2大小，观察波特图变化情况。当VC2=2V时，截止频率为806kHz，增大VC2至-7V时，截止频率为3.1MHz。因此,在电容固定的情况下,VC2值越大，截止频率越高.VC2可以在2V-7V之间调节.3。3。2。3 双OTA二阶带阻滤波器双OTA二阶带阻滤波器的电路图如图3.10所示.图3。10 双OTA二阶带阻滤波器电路图Fig.3。10 Pair of OTA second order band elimination filter circuit diagram在双OTA二阶带阻滤波器中,当C1=C2时，阻带很窄,C1、C2同时增大，阻带左移，若将C1、C2缩小三个数量级，则阻带中心频带频率扩大三个数量级.取VC2=-5V时,C1=C2=1nF时，阻带中心频率为25MHz。调节VC2=1V,阻带中心频率变为5MHz。与VC2呈线性关系.VC2可调范围-1V-7V。图3。11 双OTA二阶带阻滤波器幅频特性曲线Fig.3.11 Pair of OTA second order band elimination filters amplitude-frequency characteristic curve3.4 本章小结本章在Multisim元件库中创建自定义OTA模块的基础上，利用Multisim 10对双OTA二阶滤波器电路进行了设计与仿真。首先介绍了Multisim仿真软件以及在Multisim元件库中创建自定义OTA模块。然后介绍了OTAC滤波器的性能特点，分析了OTA-C双二次节电压转移函数。重点分析验证了二阶OTAC有源滤波器实现低通、高通、带通、带阻等不同滤波功能时的参数调节范围,为数控型OTA-C连续时间滤波器的设计做了良好的准备.