OTA-C二階有源濾波器設(shè)計

1、3.1 Multisim 元件庫中 OTA 模塊的創(chuàng)建 3.1.1 Multisim 簡介 Multisim 10 是加拿大 Interactive Image Technologies公司推出的 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。 Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和 儀表，實現(xiàn) 軟件即元器件”和 軟件即儀器”。Multisim 10是一個原理電路設(shè)計、 電路功能測試的虛擬仿真軟件。 Multisim 10的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器

2、，如 萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；還有一般實驗室少有或沒有 的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換器、失真儀、頻譜 分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀。 Multisim 10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 10可以設(shè)計、測試和演示各種電子電路，包括電工電路、模擬電 路、數(shù)字電路、射頻電路、及部分微機(jī)接口電路等?？梢詫Ρ环抡娴碾娐分械脑?器件設(shè)置各種故障，如開路、

3、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。在進(jìn)行仿真的同時，軟件還可以存儲測試點的所有數(shù)據(jù)， 列 出被仿真電路的所有元器件活單，以及存儲測試儀器的工作狀態(tài)、顯示波形和具 體數(shù)據(jù)等。 利用Multisim 10可以實現(xiàn)計算機(jī)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

4、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28。 本設(shè)計結(jié)合Multisim 10對二階有源濾波器進(jìn)行了電路的設(shè)計和仿真，加深 了對電子電路設(shè)計的理解，方便了應(yīng)用。 3.1.2 OTA模塊的創(chuàng)建 Multisim為設(shè)計、仿真和布局完整的印刷電路板提供了一個集成的平臺。 高 度靈活的數(shù)據(jù)庫管理程序，使得為自定義原理圖符號添加新的 Spice仿真模型變 得十分方便，該原理圖符號可用丁將精確的封裝轉(zhuǎn)換為布局。在 Multisim中將 上述改進(jìn)型大線性范圍的寬帶 CMOS OTA電路創(chuàng)建為自定義元器件，命名為 OTA_2，如圖3.1所示。 OTA_2 VC2 VDD

5、1 VIP Io VIN VSS1 圖 3.1 Multisim 中創(chuàng)建的 OTA 模塊 Fig.3.1 OTA module establishing in Multisim 3.2 OTA-C 雙二次節(jié)電壓轉(zhuǎn)移函數(shù) 濾波器的傳輸函數(shù)可以寫成下面的有理多項式形式: H （S sn bn*n bs b。 （）一 sn ansn as a。 (3.1) 其中， s是復(fù)頻率變量，n是濾波器的階數(shù)。 上式中多項式的系數(shù)a。，a1，和b , b，決定了濾波器的類型，如低 通、高通、帶通、帶阻等，也決定了同類濾波器(如低通)的幅頻與相頻特性曲 線的形狀。 傳輸函數(shù)的分子、分母都是s的二次多項式的濾波器叫

6、雙二次濾波器傳輸 函數(shù)可以寫成下面的形式: ,22. . H(SbS blS b0 s ais ao (3.2) 低通、高通、帶通、帶阻濾波器的傳輸函數(shù)只是上式的特例 14,29-33。 階低通濾波器傳輸函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為: 2 H 0 0 H (S)= - 2 S ( o /Q)s 0 (3.3) 二階高通濾波器傳輸函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為: 2 -H os H (S)=乙 - 0 - 2 s ( 0/Q)s ，0 (3.4) 二階帶通濾波器傳輸函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為: -H(，/Q)s 2 77 2 s ( 0 /Q)s ，0 (3.5) 二階帶阻濾波器傳輸函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為: (3.6) 二階全通濾波器傳

7、輸函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為: 2 2 s -(，/Q)s 0 2 . _ 2 s ( M/Q)S 0 (3.7) 雙二次OTA-C濾波器的結(jié)構(gòu)之一如圖3.2所示。它由三個通路(分別加輸 入信號VA、VB、VC)和兩個環(huán)路組成。 H(S)二 H(S) = -H0 2 2 s ( 0 /Q)s H(S) = -H0 圖 3.2 雙二次 OTA-C 濾波器結(jié)構(gòu) Fig.3.2 Two repeated OTA-C filter structure 利用Mason法則，可以寫出 /VA 金 VB VC VO =廠 K2 K1K2 1 - - 2 s s 這是一個雙二次濾波器的特性公式。 改變輸入節(jié)點和接地點，

8、可以實現(xiàn)不同 (3.8) 的濾波功能: 令VB =VC =0，信號自 KKVA A點輸入，代入式3.8,可得：Vo(s)= s K2s K1K2 是二階低通濾波器函數(shù); 令VA =VC =0，信號自 K2sVB B點輸入，代入式3.8,可得：Vo(s) s2 K2s K1K2 是二階帶通濾波器函數(shù); 令VA =VB =。，信號自 s2Vc C點輸入，代入式3.8,可得：Vo(s)= s2 K2s K1K2 是二階高通濾波器函數(shù); 令VB =。，將A , C兩端相連作輸入端，代入式3.8,可得： 2 s2VC K1K2VA Vo(s)= 一,是二階帶阻濾波器函數(shù)。 s2 K2s K1K2 3.3

9、 雙 OTA 二階濾波器設(shè)計 3.3.1雙OTA二階濾波器應(yīng)用原理 2 s2VC K2sVB K1K2VA s2 K2s K1K2 圖 3.3 雙 OTA 二階濾波器電路原理圖 Fig.3.3 Pair of OTA second order filter circuit 一種典型的雙OTA二階濾波器電路原理圖如圖3.3所示14。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(fù)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)。 對圖3.1所示電路，可以寫出一

10、下方程式： Io1 =(VA -V)gm1 (3.9) , 八 1 . I o2 (Io1 cc VB Vo)gm2 SCI (3.10) 1 Vo =Io2 “ Vc SC2 (3.11) 兩個積分器的傳輸函數(shù)分別為 強(qiáng)和也 2,與圖3.2相比較可知: sC1 sC2 gm1 E (3.12) K2 =塞 C2 (3.13) 代入式3.8,得: 2 g m1 gm2VA sC1 gm2VB S C1C2VC Vo(s) =-2TT7；= - - S C1C2 sC1g m2 gm1g m2 (3.14) 此雙OTA二階濾波器的極點頻率和極點 Q值分別為: g m1g m2 C 1C2 (3.

11、15) (3.16) 當(dāng)滿足條件gm1=gm2=gm時，Wp、Qp分別為: gm C1C2 (3.17) Qp (3.18) 極點頻率 如正比丁 gm值，因此，改變gm可對仲作線性調(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。 當(dāng)輸入電壓Vi分別作用丁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。輸入信號接入點位置及接地點位置與傳輸函數(shù)類型的對應(yīng)關(guān)系 如表3.1所小。 表 3.1 輸入條件與濾波特性表 Table3.1 Import condition and the filtering characteristic property form

12、功能 輸入端接法 傳輸函數(shù) Qp CLp Qp 9 m1C2 9 m2C1 C2 圖 3.5 雙 OTA 二階低通濾波器幅頻特性曲線 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：H(j0) =i , |H (j8)|=0 帶通：H(jp)=i , |H(j0) = H(j) =0 高通：H(j0)=0 , H(j*)=i 帶阻：H(jcOp)=0 , H(j0) = H(j8) =i 3.3.2雙OTA二階濾波器電路仿真 3.3.2.1雙OTA二階低通濾波器 雙OTA二階低通濾波器的電路圖如圖 3.4所示。低通濾波 Vi =VA VB =VC =0 9ml9m2 GC g2 $ gm

13、2 , 9 ml 9 m2 C2 Cl C2 C2 C _gm_ -.J CiC2 帶通濾波 高通濾波 Vi =VB VA =VC =0 Vi =VC VA =VB =0 S gm2 C2 $2 $ 也.gml9m2 cT C2 Ci gm CiC2 C1C2 S2 S2 Sgm2 9ml9m2 C2 C1C2 C2 Ci gm CiC2 帶阻濾 VB = 波 Vi =VA =VC S2 gmigm2 C1C2 S2 . S gm2 . g mi gm2 C2 C1C2 C2 gm CiC2 圖 3.4 雙 OTA 二階低通濾波器電路圖 Fig.3.4 Pair of OTA second o

14、rder low pass filter circuit 取偏置電壓VC2為固定值-2.5V,調(diào)節(jié)C1、C2參數(shù)，觀察波特圖變化情況。 當(dāng)C1=C2=1pF時，截止頻率高達(dá) 1GHz。調(diào)整電容 C1=C2=1uF,截止頻率為 15.8kHZ,觀察波特圖如圖3.5所示。因此，在VC2為定值時，電容越大，截止 頻率越低。 取電容為固定值C1=C2=1uF，調(diào)節(jié)偏置電壓VC2大小，觀察波特圖變化情 況。當(dāng)VC2=-5V時，截止頻率為29KHz，減小 VC2至-0.4V時，截止頻率為 2.84KHz,再減小報錯，為最小值。VC2可增大至-7V,此時截止頻率為37kHzc 因此，在電容固定的情況下， V

15、C2絕對值越大，截止頻率越高。 VC2可以在 -0.4V-7V之間調(diào)節(jié)。 三V1 :VC2 VIP VDD1 Io .VIN VSS1 X1 OTA2 VIP VIN VDD1 Io VSS1 12V -12V VIP 1 VIN V2 0 C2 2- -VC2 VIP VDD1 Io VIN VSS1 X2 OTA2 VC VDD1 Io VSS1 XSC1 R3 AAAr 10kQ IN XBP1 OUT 圖 3.5 雙 OTA 二階低通濾波器幅頻特性曲線 Fig.3.5 Pair of OTA second order low pass filter amplitude-frequenc

16、y characteristic curve 3.3.2.2雙OTA二階帶通濾波器 雙OTA二階帶通濾波器的電路圖如圖 3.6所示。 XSC1 圖 3.6 雙 OTA 二階帶通濾波器電路圖 Fig.3.6 Pair of OTA second order band pass filter circuit diagram 取偏置電壓VC2為固定值-5V,調(diào)節(jié)C1、C2參數(shù)，觀察波特圖變化情況。 發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)C1時，帶通濾波器的下限截止頻率隨之變化，C1增大，曲線左 移；當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)C2時，帶通濾波器的上限截止頻率隨之變化，C2增大，曲線右 移。當(dāng)C1=C2時無通帶。 圖 3.7 雙 OTA 二階

17、帶通濾波器幅頻特性曲線 Fig.3.7 Pair of OTA second order band pass filter amplitude-frequency characteristic curve 取電容為固定值C1= 1uF, C2=10nF時，調(diào)節(jié)偏置電壓 VC2大小，觀察波 特圖變化情況。VC2的可調(diào)范圍在-2V-7V之間，通帶中心頻率范圍為幾十kHz 到幾MHz。 3.3.2.3雙OTA二階高通濾波器 雙OTA二階高通濾波器的電路圖如圖 3.8所示。 圖 3.8 雙 OTA 二階高通濾波器電路圖 Fig.3.8 Pair of OTA second order high pas

18、s filters circuit diagram 取偏置電壓VC2為-7V，調(diào)節(jié)C1、C2參數(shù)，當(dāng)C1=C2=1uF時，觀察波特 圖變化情況，截止頻率為20kHz。 :VC2 VDD1 VIP Io VIN VSS1 2 VC2 VDD1 VIP Io VIN VSS1 OTA 2 4 OUT w XSC1 12V -12V V1 OTA2 R3 10kQ w C1 二 C2 VIP VIN VIP VIN VDD1 Io . VSS1 VDD1 Io VSS1 X1 X2 XBP1 IN 圖 3.9 雙 OTA 二階高通濾波器幅頻特性曲線 Fig.3.9 Pair of OTA second order high pass filters amplitude-frequency characteristic curve 取電容為固定值C1=C2=10nF,調(diào)節(jié)偏置電壓 VC2大小，觀察波特圖變化 情況。當(dāng)VC2=-2V時，截止頻率為806kHz,增大VC2至-7V時，截止頻率為 3.1MHz。因此，在電容固定的情況下，VC2值越大，截止頻率越高。VC2可以 在-2V-7V之間調(diào)節(jié)。 3.3.2.3雙OTA二階帶阻濾波器 雙OTA二