畢業(yè)設計----無源梯形高階高通濾波器的模擬設計

1、<p>　　2006屆 畢 業(yè) 設 計（論 文）</p><p>　　題目： 無源梯形高階高通</p><p><b>　　濾波器的模擬設計</b></p><p>　　無源梯形高階高通濾波器的模擬設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>

2、　　運算放大器作為有源器件的濾波電路，人們已經十分熟悉。但是電流傳送器的使用還不被人們了解，電流傳送器構成的濾波器就更為陌生?？呻娏鱾魉推鞯碾娏鱾鬏斕匦允顾闪穗娏髂Ｊ絍LSI電路中最基本的積木塊。</p><p>　　該文介紹了電流傳送器的特性和實現(xiàn)。文章歸納了以電流傳送器為有源器件的有源網絡元件模擬電感電路，并對模擬電感進行了分析.接著介紹LC梯形高通濾波器的原理和設計方法。然后用模擬電感電路來代替LC梯形高

3、通濾波器中的電感，并用五階高通濾波器來做例子說明。通過用PSPICE軟件仿真，仿真結果與理論分析完全吻合。文章最后簡單介紹了PSPICE軟件。</p><p>　　關鍵詞： 電流傳送器，梯形濾波器，電流模式，有源濾波器</p><p>　　simulation design of The passive trapezoidal higher order highpass filter

4、s </p><p>　　ABSTRACT </p><p>　　The operational amplifier took active device filter circuit is well knowed by people, but how to use the electric current conveyer is still a complex problem. The

5、 filter using the electric current conveyer is more stranger. But electric current transmission characteristic of the electric current conveyer has caused it to be the most basic product log in the electric current patte

6、rn VLSI electric circuit. </p><p>　　Electric current conveyer characteristic and the realization is explained in this article, The article has induced take the electric current conveyer as the active device

7、active network part simulation inductance electric circuit, and has carried on the analysis to the simulation inductance. Then the principle and design method of LC trapezoid high-pass filter is introduced. After that th

8、e LC trapezoid high-pass filter’s inductance is replaced with the analogous circuit and we take high-pass fil</p><p>　　Key Words: current conveyor; ladder-type filter; current mode; active filter </p&g

9、t;<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　緒論-----------------------------------------------------------------------------------------------------1</p><p>　　引言------------------------------

10、---------------------------------------------------------------1</p><p>　　濾波器的介紹-----------------------------------------------------------------------------------2 </p><p>　　本文的重要意義與發(fā)展狀況-------

11、----------------------------------------------------------2</p><p>　　本文的內容安排----------------------------------------------------------------------------3</p><p>　　電流傳輸器--------------------------

12、-----------------------------------------------------------5</p><p>　　2.1 電流傳輸器的概念------------------------------------------------------------------------5</p><p>　　2.2 電流傳輸器的結構與特性--------------

13、-------------------------------------------------6</p><p>　　第三章 模擬電感-----------------------------------------------------------------------------------9</p><p>　　3.1 基于AD844模擬電感的實現(xiàn)電路------------

14、------------------------------------------9</p><p>　　3.1.1 接地電感的實現(xiàn)與模擬---------------------------------------------------------9</p><p>　　3.1.2 浮地電感的實現(xiàn)與模擬-----------------------------------------

15、---------------11</p><p>　　3.2 常用模擬電感電路的分析--------------------------------------------------------------15</p><p>　　第四章 無源五階梯形濾波器的設計---------------------------------------------------------19<

16、;/p><p>　　4.1 高階濾波器的實現(xiàn)方法-----------------------------------------------------------------19</p><p>　　4.2 CCII濾波器設計方法--------------------------------------------------------------------19</p>

17、<p>　　4.3 設計濾波器需考慮的因數--------------------------------------------------------------21</p><p>　　4.4 電流模式梯形濾波器的設計-----------------------------------------------------------22</p><p>　　4.4.1

18、n階梯形濾波器的設計---------------------------------------------------------22</p><p>　　4.4.2 舉例說明——CCII五階梯形濾波器-----------------------------------------24</p><p>　　第五章 仿真軟件簡介-----------------------------

19、----------------------------------------------28</p><p>　　5.1 OrCAD軟件包的基本構成及功能------------------------------------------------------28</p><p>　　5.2 OrCAD/Capture CIS軟件的構成------------------------

20、------------------------------29</p><p>　　5.3 OrCAD/Capture CIS軟件的功能特點------------------------------------------------30</p><p>　　5.4 OrCAD/Capture CIS軟件的運行要求------------------------------------

21、------------32</p><p>　　第六章 結論-------------------------------------------------------------------------------------- 34</p><p>　　參考文獻-------------------------------------------------------------

22、-------------------------------35</p><p>　　致謝--------------------------------------------------------------------------------------------------36</p><p>　　附錄-------------------------------------

23、-------------------------------------------------------------37</p><p>　　附錄A CCII+模擬電感的仿真程序------------------------------------------------------37</p><p>　　附錄B CCII+和CCII-模擬電感的仿真程序-------------

24、------------------------------38</p><p><b>　　附件：</b></p><p><b>　　論文開題報告</b></p><p><b>　　英文譯文</b></p><p><b>　　英文原文</b><

25、;/p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　在現(xiàn)代社會中，信息是我們這個社會的特點，在社會的信息化程度快速提高的過程中，集成電路（IC）芯片的應用也越來越廣泛。從家用電器到透視儀、雷達、互聯(lián)網和人造衛(wèi)星等，芯片都被應用到了，甚至植入人體的芯片也進入了

26、實驗階段。集成電路的設計規(guī)模已從數萬門上升到數十萬門至上千萬門。從1959年設計出來的第一個集成電路只有4個晶體管，到現(xiàn)在，一個如芝麻般大小的集成電路芯片上不僅集成了成千上萬個甚至上億個晶體管，而且有著十分強大的功能，是現(xiàn)代高科技的結晶。40多年來集成電路技術經歷了小規(guī)模階段（SSI）、中規(guī)模階段（MSI）、大規(guī)模階段（LSI）、超大規(guī)模階段，目前已進入特大規(guī)模階段（ULSI）。集成電路產業(yè)將是世界未來經濟的重要支柱產業(yè)，目前我國的芯片

27、產業(yè)還不是十分的發(fā)達，國內芯片的年需求量的百分之八十依靠進口，芯片的設計也僅占整個行業(yè)的百分之一。因此，為了振興我國的芯片產業(yè)，必須開發(fā)一批擁有自主知識產權的各種應用集成電路。為我們國家在將來不在依靠進口來維持整個行業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　現(xiàn)在一個芯片上集成的元件數可多達數億個，在超大規(guī)?；蛱卮笠?guī)模集成電路中，模擬電路和數字電路共存于一塊芯片上很普通。出于集成了大量的門電路，因此減少電路的功耗就成為一個重

28、要的課題。對于數字電路部分，降低電源電壓就意味著降低功耗，而對于模擬電路，并沒有那么簡單，這樣就給模擬電路的設計提出了新的挑戰(zhàn)。</p><p>　　在模擬電路中，人們一直習慣于采用電壓而不是電流作為信號變量，并通過處理電壓信號來決定電路的功能。依次促成了大量電壓信號處理電路或稱電壓模式電路的誕生和發(fā)展。自從第一片商用電壓模式集成運算放大器問世以來，確定了電壓模式運算放大器標準部件的模擬網絡在模擬信號處理中的地位

29、。</p><p>　　但是，隨著被處理信號的頻率越來越高，電壓型運算放大器的缺點開始妨礙它在高頻、高速環(huán)境中的應用。電壓型運算放大器的缺點一是，它的-3分貝閉環(huán)帶寬與閉環(huán)增益的乘積是常數，當帶寬向高頻區(qū)域擴展時，增益成比例下降；缺點二是，它在大信號下輸出電壓的最高轉換速率很低。</p><p>　　近年來，以電流為信號變量的電路在信號處理中的巨大潛在優(yōu)勢逐漸被認識并被挖掘出來，促進了一種

30、新型電子電路-電流模式電路的發(fā)展。人們發(fā)現(xiàn)，電流模式電路可以解決電壓模式電路所遇到的一些難題，在深度、帶寬、動態(tài)范圍等方面獲得更加優(yōu)良的性能。研究結果顯示，在高頻、低壓、高速信號處理領域，電流模式電路設計方法正在取代電壓模式的傳統(tǒng)設計方法，電流模式電路的發(fā)展應用將把現(xiàn)代模擬集成電路推進到一個新階段。引起了學術界的極大關注，并迅速成為國際電路與系統(tǒng)、微電子學、計算機科學和信息科學等領域的前沿課題和研究熱點?，F(xiàn)在電流模式電路已經發(fā)展到第三代

31、了，其發(fā)展勢頭快不可當。</p><p>　　1.2 濾波器的介紹</p><p>　　濾波器理論的起源，濾波器的歷史及發(fā)展現(xiàn)狀最早可追溯到1915年瓦格(Wagner)和坎貝爾(Campell)，提出無源濾波器的概念。之后，濾波器理論和技術不斷地發(fā)展，己經出現(xiàn)了各種各樣的新濾波方法。理論上，濾波器的定義為:對己知激勵信號進行選擇，并具有規(guī)定響應的網絡。所要求的響應可以在時間域和頻率域中給

32、定，在頻率域中通常意味著選擇性。而在實際電路結構中，只要含有電感、電容等電抗元件的電路，都具有濾波的功能。從這方面來看，如果沒有濾波理論滲入電子技術，很難想象，能有現(xiàn)代的電子世界。濾波器理論發(fā)展至今己有八十多年的歷史。根據實際的不同需要，創(chuàng)造出各種不同的濾波器種類：集總無源LC濾波器、晶體和陶瓷濾波器、機械濾波器、微波濾波器、集總和分布有源濾波器、開關濾波器、N通道濾波器和數字濾波器。這些電路本質上具有相同的目的，但又各具特點。無源濾波

33、器理論，就是通常所說的經典濾波器理論，在五十年代以前受到極大的關注，得到廣泛的研究。最初是影象參數理論，后來，考爾(Cauer).達林頓(Darlington)和皮洛蒂(Piloty)提出的插入衰減理論，更具普遍性，更有效。無源濾波器理論不僅具有靈敏度低、</p><p>　　1.3 本文的重要意義與發(fā)展狀況</p><p>　　多年來，電子工程師似乎總是認為世界是由電壓所支配的，安培總是

34、從屬于伏特.微電子技術和VLSI的飛速發(fā)展，使得像算放大器這樣的壓控IC基本積木塊及其電路得到廣泛的研究和使用，從而加強了人們電壓主宰世界的認識，以致認為像跨導放大器這樣的電流控器件用處不大。然而，令人們驚異的是在電子電路中，雙極型晶體管和MOS場效應管本質上都是控制電流輸出器件?，F(xiàn)有的IC基本積木塊和壓控技術可很方便地實現(xiàn)電壓控制信號處理，如VCVS和CCVS電路，但并不容易構成電流放大器及其有關電路實現(xiàn)，如VCCS和CCCS。<

35、;/p><p>　　電流模式電路的發(fā)展近年來主要集中在模擬電路領域，同時在電流式接口電路（A/D，D/A變換器）和數字電路（邏輯門電路、觸發(fā)器、存儲器）方面也有一些研究成果，如電壓模式電路一樣，電流模式標準集成部件主要有兩種類型，一種是連續(xù)時間的模擬信號處理電路，另一種是離散時間采樣的模擬信號處理電路。電流模式連續(xù)時間模擬電路主要包括靜態(tài)電流鏡、跨導線性電路、電流傳送器、電流反饋運算放大器（跨阻運算放大器）、跨導放大

36、器等。電流模式離散時間模擬電路主要有動態(tài)電流鏡和開關電路。其中電流傳送器、電流反饋運算放大器和跨導放大器，嚴格地講應該屬于電流模式/電壓模式混合電路，但是，其中的電流模式部分是主要的，對電流性能起主要作用，故把它們歸入電流模式電路。</p><p>　　電流傳送器是目前電流模式電路中使用最廣泛、功能最強的標準模塊，它能和其它電子元件組合成各種特定的電路結構，實現(xiàn)多種模擬信號的處理。同時，由于電流傳送器不但有電壓輸

37、入端，而且有電流輸入端，因此它能實現(xiàn)電壓模式電路也能實現(xiàn)電流模式電路。電流傳送器無論在信號大小的情況下，都能比相應的運算放大器提供更大帶寬下更高的電壓增益，因此有些學者預言它將會取代運算放大器而成為最重要的電路設計模塊。CMOS工藝由于具有輸入阻抗高、功耗低、集成度高、占有芯片面積小、抗輻射能力強等特點，正日益成為最廣泛應用的集成電路設計工藝。目前，應用CMOS工藝設計電流傳送器引起了越來越多研究者的關注，現(xiàn)在已經有許多性能優(yōu)越的電流傳

38、送器用于濾波器、振蕩器、測量儀器等設計中。</p><p>　　在對電流模式電路不斷學習和廣泛收集資料的基礎上。目的在于：闡明電流傳送器的基本概念、性能和應用原理，揭示其廣泛的應用潛力和巨大發(fā)展前景。</p><p>　　1.4 本文內容安排</p><p>　　該文研究電流傳送器的特性和實現(xiàn)。文章歸納了以電流傳送器為有源器件的有源網絡元件模擬電感電路，并對模擬電

39、感進行了分析.接著介紹LC梯形高通濾波器的原理和設計方法。然后用模擬電感電路來代替LC梯形高通濾波器中的電感，并用五階高通濾波器來做例子說明。通過用PSPICE軟件仿真，仿真結果與理論分析完全吻合。文章最后簡單介紹了PSPICE軟件。</p><p>　　本文分為五個部分，分別用五個章節(jié)進行介紹。第一章緒論部分介紹了電流傳送器發(fā)展概況和在電子行業(yè)中的重要意義；第二章從電流傳送器的發(fā)展和結構入手，給出了其電路模型電

40、路，介紹了電流傳送器電路的工作原理，并對其端口特性進行了介紹，然后對CMOS電流傳送器電流進行了分析；第三章歸納了以電流傳送器為有源器件的有源網絡元件模擬電感電路，并對模擬電感進行了分析，然后得出了電感參數；第四章依照據高階濾波器的設計步驟和方法，在借鑒國內外的研究成果的基礎上，利用已經有的經典五階模擬濾波器模型，然后利用自己設計的模擬電感來代替原來電路中的電感，隨后利用PSPICE軟件來模擬其結果?？词欠駶M足設計的要求。如果不太理想的

41、話，可以通過調整電路中的電阻電容來調節(jié)性能，所有的設計實例都經過了PSPICE仿真，仿真結果與理論分析完全吻合。</p><p><b>　　第二章 電流傳輸器</b></p><p>　　電流模式濾波器與電壓模式濾波器相比，電流模式濾波器在信號處理方面具有獨特的優(yōu)點，如具有頻帶寬、動態(tài)范圍大、電源電壓低和良好的線性等優(yōu)點。因而最近幾年來，國內外學者都在致力于該領域的

42、研究。該領域的研究一般與傳統(tǒng)的方法相結合，如由阻抗、電容和晶體管構成的有源RC濾波器：由MOS管代替阻抗的MOSFET-C集成的濾波器；和由第二代電流傳輸器(CCII)和跨導運算放大(OTA)構成的濾波器電路等。目前二階電流模式濾波器的設計已取得了很大的進展，而高階電流模式濾波器的設計有待深入。高階電流模式濾波器的實現(xiàn)方法有：(1) 傳遞函數直接綜合法；(2) 無源梯形結構實現(xiàn)法，用無源梯形結構實現(xiàn)的有源濾波器保持了無源梯形濾波器的靈敏

43、度低的優(yōu)點而更值得研究。用信號流圖實現(xiàn)的梯形結構的電流模式(CCII)濾波器，Wu與Masry用MOCCII(多輸出的第二代電流傳輸器)實現(xiàn)的梯形結構的電流模式濾波器，MOCCII的電路結構一般比CCII復雜,隨著現(xiàn)代集成電路制造工藝的不斷進步，在集成濾波器中已不再使用電感，在最近幾年的文獻中己有文獻報道，在濾波器中也可不使用電容。這種即不使用電感又不使用電容的濾波器的研究顯得</p><p>　　2.1 電流傳

44、輸器的概念</p><p>　　電流傳輸器是一種四端(可能五端)器件，將它與其它電子元件組合構成各種特定的電路結構，就能實現(xiàn)許多有用的模擬信號處理功能。在大多數情況下，電流傳輸器與通用運算放大器(op-amp)十分相似，可以簡化電路的設計。這主要由于電流傳輸器為復雜電路功能的抽象化提供了另一種方法，從而有助于開發(fā)一些新的和有用的電路。與此相關，還由于電流傳輸器的實際端口特性象運算放大器一樣，與其理想端口特性十分接

45、近。正如許多集成運算放大器設計者所熟悉的那樣，意味著人們可以設計出工作在非常接近預計的理論性能水平的電流傳輸器電路。因此，只要了解電流傳輸器的功能，就能很容易的利用電流傳輸器來設計復雜的模擬電路。</p><p>　　直到1968年,電流傳輸器才被提出，當時人們還不十分清楚它能提供優(yōu)于通用運算放大器的那些性能。加之當時的電子工業(yè)剛開始致力于第一代單片運算放大器的開發(fā)和應用。由于沒有明顯的指出其優(yōu)越性，電子工業(yè)界缺

46、乏推動實現(xiàn)單片電流傳輸器的積極性。自從20世紀40年代末起，運算放大器的概念終于牢固地樹立在許多模擬電路設計者的思想中，同時集成電路制造商已經開辟且正在擴展運算放大器市場。直至現(xiàn)在，模擬電路的設計者才發(fā)現(xiàn)電流傳輸器能提供優(yōu)于通用運算放大器的優(yōu)點；特別是電流傳輸器電路，在無論信號大小的情況下，都能比相應的通用運算放大器提供更大帶寬下更高的電壓增益，也即更大的增益帶寬積。另外，電流傳輸器在開發(fā)儀用放大器方面也取得了很大的成功，這種儀用放大器

47、可與外部的匹配截然無關，僅與某一元件的絕對值有關。</p><p>　　2.2 電流傳輸器結構與特性</p><p>　　流傳輸器在剛開始出現(xiàn)時是一種三端口器件，稱之為第一代電流傳輸器(CCI)。由于CCI電流傳輸器的使用范圍受到了限制，為了使這種器件的使用范圍更大，科研工作者提出了沒有電流流入Y端的第二代電流傳輸器。第二代電流傳輸器(the second generation curre

48、nt conveyor，簡稱CCII，如2-6圖所示)因具有很寬的頻率范圍、良好的高頻性能和動態(tài)范圍，很強的通用性和靈活性、且可工作在電壓模式或電流模式，以及較大的線性度而受到國內外專家學者的高度重視，使其成了電流模式VLSI電路中最基本的積木塊。這個標準器件己被證明比CCI更為有用。CCII可以矩陣描述為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p&

49、gt;　　因此，Y端口呈現(xiàn)的輸入阻抗為無窮大，X端口的電壓跟隨加于Y端口的電壓，因而X端口呈現(xiàn)零輸入阻抗。供至X端口的電流被傳輸到高阻抗的輸出端Z，Z端的極性非正(在CCII+中)即負(在CCII-中)。用零任偶表示，第二代電流傳輸器(正或負)的端口特性可用圖2-1(a)表示。在CCII-的情況下無須受控電流源，因為流入X端的電流必然流出Z端。因此，CCII-的等效電路可單由零任偶表示，如圖2-1(b)表示。</p>&l

50、t;p>　　圖2-1（a）CCII的零子一任意子表示法，Z端受控電流源中的箭頭向下表示CCII+，箭頭向上表示CCII-；（b）CCII-的簡化表示法</p><p>　　在大量的文獻中己廣泛的運用CCII實現(xiàn)受控源、阻抗變換器、阻抗逆變器以及回轉器以及各種模擬計算元件。實踐證明在兩種類型的電流傳輸器中CCII更為有用。在己發(fā)表文獻中表明，對于所有的已知的有源網絡組件幾乎都可以用CCII實現(xiàn)。用CCII設

51、計有源RC濾波器的大量工作己見諸報導。電流傳輸器的發(fā)明者深知，雖然他們擁有了一種功能很強的標準器件，但是如果不把它制成實用的集成電路，它就無法具有競爭力。在當時他們一度期望由加拿大唯一的一家半導體制造廠商生產電流傳輸器，但未獲成功。他們就從另一方面著手，把注意力集中于直接利用當時出現(xiàn)的集成運算放大器來實現(xiàn)CCII方法的報導。然而他們有一個觀點，認為集成運算放大器并非實現(xiàn)CCII最合適的組件，因而從根本上說，運算放大器是電壓摸器件，而電流

52、傳輸器是電流模器件。從好些年以后所提出的一些具有獨創(chuàng)性的方案來看，這種看法并非完全正確。直到90年代初，還只見到為數不多的CCII電路實現(xiàn)的報導?？墒?，隨著許多優(yōu)良電路實現(xiàn)的出現(xiàn)，這種狀態(tài)己發(fā)生了戲劇性的變化。在這些實現(xiàn)中，有些僅利用集成運算放大器，有些利用集成運算放大器和集成BJT集成陣列，還有一些是利用CMOS技術實現(xiàn)</p><p>　　圖2-2 CCII–和NMOS晶體管的比較 圖2-3 采用“超晶體

53、管”的負電流輸器</p><p>　　圖2-3所示，在運算放大器的負反饋環(huán)路中放一只NMOS晶體管就構成了一只較為理想的晶體管，結果便可以實現(xiàn)具有較好性能的CCII-電路。然而，在這種CCII-電路實現(xiàn)中，電流只限于從X端流出。如果在運算放大器的反饋環(huán)路中放一只PMOS晶體管，則可以實現(xiàn)另一種CCII-，在這種電路實現(xiàn)中，電流只限于從X端流入。由此可知，若將一對互補的MOS晶體管置于運算放大器的反饋環(huán)路中，就可以

54、實現(xiàn)X端有雙向電流流動的CCII電路，如圖2-4(a)所示.接著這個電流經由互補對電流鏡傳輸到輸出節(jié)點。顯然這是一個CCII+實現(xiàn)。如圖2-4(b)所示那樣再加上兩個互補的電流鏡，就可以得到CCII-電路。</p><p>　　在圖2-8兩個電路中，對管M1和M2可被視為集成運算放大器的一個B類輸出級。因此，這個電路與圖2-5所示電路并無多大的差別，不同的僅是讀出商用運算放大器總電源電流，因為他沒有利用運算放大器

55、的輸出級，而這在全集成的傳輸器的實現(xiàn)中正是可行的。</p><p>　　圖2-4（a）正電流傳輸器 （b）負電流傳輸器</p><p>　　圖2-5 正電流傳輸器 圖2-6 CCII符號</p><p><b>　　第三章 模擬電感</b></p><p>

56、;　　在集成電路中，由于工藝的原因，不允許有電感的出現(xiàn)，因此，以有源電路來模擬電感的功能一直是電路設計的一個重點.電流傳送器這種新器件被提出后，很多人就一直在研究怎么用電流傳送器為有源器件模擬電感，現(xiàn)在還不斷有新型的模擬電感問世。它們從不同的角度，如元器件的最少化、可集成性、可調節(jié)性和靈敏度，來優(yōu)化電路性能。另外，還有的電流傳送器有源電路通過模擬阻抗或導納函數來實現(xiàn)電感的功能。本章將來討論一些模擬電感的性能。</p>&l

57、t;p>　　3.1 基于AD844模擬電感的實現(xiàn)電路</p><p>　　3.1.1接地電感的實現(xiàn)與模擬</p><p>　　對于接地電感的模擬，我們根據AD844端口特性，可以構造如圖3-1電路實現(xiàn)：</p><p>　　圖3-1 模擬接地電感</p><p>　　其傳輸阻抗Z=，當Z1、Z3為電阻，Z2為電容時，Z表現(xiàn)為感性阻抗。&

58、lt;/p><p>　　接下來用AD844模型來具體推導并模擬起阻抗特性。</p><p>　　在通常情況下，Z1＞＞Rin、Z2＞＞C0，起等效電路為：</p><p>　　圖3-2 模擬等效電路</p><p>　　在圖3-2中 （3-1）

59、</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　因此 （3-5）</p>

60、<p>　　在上面的推導中，我們設定了R0為無窮大。但是當頻率且時，我們不能忽略R0因此該模擬電感的適用頻率，下面我們用PSPICE模擬的方法驗證其電感特性，設濾波電路如下圖所示：</p><p>　　圖3-3 RLC濾波電路</p><p>　　其中R1=1k?，R2=1k?，C1=0.541nF，C2=1.3065nF，L1＝1.3065mH，L2=0.541mH</

61、p><p><b>　　電壓輸出特性為：</b></p><p>　　圖3-4 電壓輸出曲線</p><p>　　采用AD844模擬接地電感，電路圖3-5如下所示：</p><p>　　圖3-5 模擬接地電感</p><p>　　其中，R1=l k ?，R2=1 k ?，C1=0.541nF，C2=1

62、.3065nF，</p><p>　　R3=l k ?，R4=l k ?，C3=1nF</p><p>　　R5=1.3kQ，R6=0.54ko，C4=1nF</p><p><b>　　電壓輸出特性為：</b></p><p>　　圖3-6 電壓輸出曲線</p><p>　　由圖3-4與圖3-6

63、所示，此模擬電感在特性上接近實際電感。</p><p>　　說明：此設計雖然可以很接近實際的電感，但是其結構太復雜，在我們實際的應用當中還時不容易實現(xiàn)。</p><p>　　3.1.2 浮地電感的實現(xiàn)與模擬</p><p>　　對于浮地電感的模擬，我們可借助基于運算放大器的模擬接地電感電路實現(xiàn).下面是基于運算放大器的模擬電感電路[4]：</p>&l

64、t;p>　　圖3-7 運放模擬電感電路</p><p>　　其實現(xiàn)阻抗為： （3-6）</p><p>　　利用增加冗余法，我們得到基于CCII–的電路如下所示：</p><p>　　圖3-8 CCII-模擬電感電路</p><p>　　其阻抗不變。我們可以從理論上推導其阻抗公式：&l

65、t;/p><p><b>　　圖3-9 等效電路</b></p><p>　　由圖3-9可以看出： (3-7)</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9)</b&

66、gt;</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　由方程（3-8）、（3-10）我們得到 (3-11)</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　由此得

67、 (3-13)</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p>　　因為，所以找到 （a為系數）</p><p>　　從方程（3-13）、（3-14）的得到 (3-15)</p><p>　　所以

68、 (3-16)</p><p>　　又因 ，最后得到 (3-17)</p><p>　　由前面的模型，可以推導出實際模擬電感L及D元件值。</p><p>　　假設Z1=Z3=Z4=Z5=R </p><p>　　其中R<<或者因此與 可視為

69、開路。對于中頻阻抗很小，因此可以視為開路。</p><p>　　由此我們得出： (3-18)</p><p><b>　　其中S= 當時</b></p><p><b>　　(3-19)</b></p><p>　　又因為<<所以

70、 (3-20)</p><p>　　模擬電感如下圖示： </p><p>　　圖3-10 模擬電感</p><p>　　同理，當Z2=Z3=Z4= R且時，</p><p>　　得到模擬D元件下圖所示：</p><p>　　圖3-11 模擬D元件</p><p&g

71、t;　　我們采用PSPICE的方法驗證其電感特性。</p><p>　　設一串聯(lián)諧振回路如下圖所示：</p><p>　　圖3-12 諧振回路</p><p>　　其中R＝1k?,，L=1mH，C＝1nF 電流輸出曲線如下圖所示。</p><p>　　圖3-13 理論電流曲線</p><p>　　采用基于AD844

72、的電感模擬電路代替實際電感。</p><p>　　其電流輸出曲線如下所示：</p><p>　　圖3-14 模擬電流輸出曲線</p><p>　　圖3-14由圖3-13與圖3-14所示，此模擬浮地電感在特性上接近實際電感。</p><p>　　說明：此電路在特性上時可以很接近實際的電感，但是它的電路很復雜，理論推導也很復雜，不適合在實際當中來

73、操作。</p><p>　　3.2 常用模擬電感電路的分析</p><p>　　下面介紹幾種實際當中常用的模擬電感電路；</p><p>　　第一種：其結構仿造放大器的結構。</p><p>　　圖3-15 模擬電感</p><p><b>　　(3-21)</b></p><

74、p>　　其導納分別為 ，，若，</p><p>　　則可實現(xiàn)R—L阻抗 (3-22)</p><p><b>　　若導納為 ，，</b></p><p>　　則可實現(xiàn)C—D阻抗 (3-23)</p&

75、gt;<p>　　此電路可用于實現(xiàn)接地電感及接地D元件。</p><p><b>　　第二種：</b></p><p>　　如圖3-16所示它以第二代正電流傳送器(CCII+)為有源器件，用三個正電流傳送器設計模擬電感，它模擬電感的優(yōu)點有：a、所有的無源元件都接地；b、電感值可獨立調節(jié)；且不用大電容就可容易實現(xiàn)大電感；c、無須特別的元件匹配條件。<

76、/p><p>　　圖3-16 CCII+模擬電感</p><p>　　各端電壓的設置如圖3-16所示：由圖可以知道第三個傳輸器的Z端的電流為Ii，第一個傳輸器的X端電壓為Vi，那么電流IY3=ViY3。由此流進第一個傳輸器Z端的電流也是ViY3。由于電流傳輸器性質得到：流進第三個傳輸器Z端的電流為Ii，那么流進第三個傳輸器X端的電流為Ii，則,所以，.</p><p>

77、;　　那么流進第二個傳輸器Z端的電流為V1Y1，所以流進X端的電流也是V1Y1。</p><p>　　所以，代入得： （3-24） </p><p><b>　　經過移項處理：</b></p><p>　　故此得到該電路得輸入阻抗： （3-

78、25）</p><p><b>　　如果選擇，，，，則</b></p><p><b>　　（3-26）</b></p><p>　　另外，當取不同的值，可以獲得電感，負電感和電阻的串并聯(lián)組合。</p><p>　　說明：該設計能滿足我們的實際要求，并且滿足接地的要求，只用了電阻和電容就實現(xiàn)了，但是

79、我門可以看到的是這個電路太復雜了，不夠簡單，功耗大，經濟不合算，制作要難一些，尺寸大，只是在理論上可行，但在實際的制作當中是不值得推廣的。</p><p><b>　　第三種：</b></p><p>　　由于第二中方法復雜了，改進后得到圖3-17所示電路，它用兩個正電流傳輸器實現(xiàn)模擬電感，它模擬電感的優(yōu)點：a、無源元件都接地：b、電感值可獨立調節(jié)；c、無須特別的元件

80、匹配條件、d、這個比圖3-16的電路更加簡單，而且實現(xiàn)的功能是一樣的。</p><p>　　圖3-17 CCII+和CCII-模擬電感</p><p>　　對該電路進行分析其特性：</p><p>　　首先設輸入電壓是Vin，電流為Iin，那么CCII＋的X端電流也為Iin ，電壓為－IinR21，由電流傳輸器的性質得到CCII+的Y端電壓為－IinR21，由電路圖

81、得到CCII–的Z端的電壓為－IinR21，則CCII–的Z端的電流：</p><p><b>　?。?-27）</b></p><p>　　由CCII–的X端的電流是： IX= （3-28）</p><p>　　根據傳輸器的特性得到：

82、 （3-29）于是 IinR21CS= (3-30) </p><p>　　由此可推導出： (3-31)于是得到了L=R12R21C

83、 (3-32)</p><p>　　可見該電路可實現(xiàn)接地電感，并且沒有附加電阻。</p><p>　　其實現(xiàn)的電感如圖所示：</p><p>　　圖3-18 等效電感</p><p>　　經測量L=CR12R21</p><p>　　說明：這個電路比較簡單，功耗低，體積小，容易

84、調節(jié)，制作較容易，推導很容易看懂，便于在實際當中操作調節(jié)，滿足我們的設計要求，即要求可實現(xiàn)接地電感[13]。</p><p>　　第四章 無源梯形濾波器的設計</p><p>　　在前面我們討論了電感模擬的是實現(xiàn)方法，這一章我們將討論高階濾波器的實現(xiàn)方法及設計電路。</p><p>　　4.1 高階濾波器的實現(xiàn)方法</p><p>　　所謂的

85、高階濾波器是指階次大于或者等于4的濾波器。其實現(xiàn)的方法有五種。</p><p>　　1、直接綜合法：它用一個或者多個有源元件和一些無援RC網絡所組成的特定結構來實現(xiàn)高階濾波器。</p><p>　　2、級聯(lián)實現(xiàn)法：它用兩個或者多個有源雙二次節(jié)的級聯(lián)來實現(xiàn)高階濾波器。因為級聯(lián)濾波器便于設計和調整，這種方法在工業(yè)上被廣泛采用。</p><p>　　3、電感模擬法：它用一

86、個像電容負載回轉器那樣的有源RC網絡模擬一個電感；這樣經典的無源梯形濾波器可直接轉換成有源濾波器實現(xiàn)，這種轉換后的有源濾波器保留了無源實現(xiàn)的許多優(yōu)點。</p><p>　　4、廣義導抗法：它和電感模擬法十分類似，即經典的RLC綜合再加上頻變阻抗轉換。這個轉換給每個阻抗乘上一個不影響轉移函數的比例因子，該比例因子引入一個新的有源元件，即頻變阻抗器。它很容易用有源網絡實現(xiàn)，廣義導抗法的主要優(yōu)點是，它所用的運放的數目比

87、相應的電感模擬法所需的運放的數目少。</p><p>　　5、多環(huán)反饋法：它通過把一階或者二階濾波節(jié)連接成一個給定的多環(huán)反饋拓撲結構來實現(xiàn)高階濾波器。這種方法既能保持級聯(lián)法所具有的積木化性質，而實現(xiàn)的濾波器又能達到由電感模擬法和廣義導抗法實現(xiàn)的濾波器所具有的多有的特性[5]。</p><p>　　4.2 CCII濾波器設計方法</p><p>　　濾波器設計方法是實

88、現(xiàn)濾波器的重要手段。目前，濾波器設計方法概括起來有兩大類:一是以濾波器的傳遞函數為對象的直接設計方法，具有代表性的是級聯(lián)設計和多環(huán)路反饋法:二是以無源網絡LC梯形為對象的間接模擬設計，其代表是信號模擬法等。至于這些方法的具體內容及優(yōu)缺點，可參閱文中所附的參考文獻，此處恕不一一列舉。由于電流傳輸器在濾波器設計中具有功能靈活、通用性強、高頻性能好、速度快等的優(yōu)勢，使CC11濾波器設計成為目前流行的課題，在上述兩種設計方法的基礎上，又提出了許

89、多CC11濾波器設計?，F(xiàn)分述如下:</p><p><b>　?。?）等效實現(xiàn)</b></p><p>　　由于SAB電路的設計發(fā)展己較成熟，因此人們自然想到通過等效變換來獲得CC11濾波器電路。而且實驗證明，通過等效變換獲得的CC11濾波器電路的性能確比原型電路的性能好得多。一種變換是，電壓運放和CC11的等價關系可以通過與零泛器的變換而得到。另一種變換是共軛網絡變

90、換，元件間的變換如圖4-1。</p><p>　　圖4-1電子元件和相應的共扼元件</p><p>　　圖4-1電子元件和相應的共扼元件</p><p>　　通過等效變換即可完成電壓模式電路向電流模式電路變換的過程，其傳遞函數和靈敏度不發(fā)生變化，此設計方法與原型電路息息相關。</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)設計</b&

91、gt;</p><p>　　設計的核心是電容濾波單元和電壓變換單元，如圖4-2然后根據所總結的兩個設計步驟可設計出任意階的濾波器。此設計方法系統(tǒng)化，方式為電壓模式。</p><p>　　圖4-2(a)電容濾波單元 圖4-2(b)電壓變換單元</p><p>　?。?）電流模式梯形濾波器</p><p>　　

92、以無源RLC梯形電路為原型，以電流作為變量，得到無源電路的電流模式信號流圖，然后將由多輸出電流傳輸器所構成的電流模式一階積木塊，如理想積分器、理想微分器、一階低通、一階高通、減法器等，代入信號流圖中，即可得到電流傳輸器梯形濾波器。幾階濾波器就需要幾個多輸出電流傳輸器。</p><p>　　（4）輸入電壓加權法</p><p>　　提出了一種基于CCII，以電壓為變量設計連續(xù)時間波器的方法，

93、該方法的核心是將加權輸入電壓信號Vin。引入靜網絡，則可獲得各種濾波器結構，其設計步驟是:首先用基本積木塊(放大器、無損積分器、加法器)建立起靜網絡，它決定CCII濾波器的極點，然后對靜網絡注入加權輸入信號Vin，由此產生CCII濾波器的零點.在此基礎上，進一步選擇參數及元件，就完成了CC11濾波器的設計。此方法在設計靜網絡時，沒有指出設計原則，因此技巧性很強，且為電壓模式設計方法。</p><p>　?。?）指

94、數狀態(tài)空間濾波器</p><p>　　這種濾波器不要求有源增益積木塊是線性的，而得到的整個傳遞函數卻是線性的，它克服了有源器件的頻率限制，因為所有的有源器件都是非線形的，因此可獲得更高的頻率特性、速度和精確度等。因為濾波器狀態(tài)空間的映射是指數形式，因此這類濾波器稱為指數狀態(tài)空間濾波器(ESS).這種設計方法理論性強，所獲得的濾波器性能好。</p><p><b>　　（6）信號流

95、圖法</b></p><p>　　這種方法是線形系統(tǒng)分析中常用的方法，圖法(SFG)來設計CCII電流模式濾波器，首先是假設出傳輸函數，然后根據階數畫信號流程圖，此法簡捷、直觀、易于了解與掌握，電路的意義和參數一目了然，只要掌握傳遞函數的SFG，就能得心應手地設計所需的各種濾波器[7]。</p><p>　　4.3設計濾波器需考慮的因數</p><p>

96、<b>　?。?）頻率限制</b></p><p>　　在亞音頻頻率范圍，LC濾波器的設計需要大電容和大電感，連同它們的輔助部分，體積很大。此時有源濾波器很實用，因為有源濾波器可設計較高的阻抗，致使電容的數值較小。在50kHz以上，大多數集成運算放大器的開環(huán)增益不夠,不能滿足一般有源濾波器的需要。然而，增加成本可擴展放大器的頻帶，使得有源濾波器的工作頻率達到500 kHz。另一方面，LC濾波

97、器可用到幾百兆赫頻率范圍。超過此頻率范圍，濾波器制作成集中參數形式無法應用，而要采用分布參數形式。</p><p><b>　?。?）尺寸考慮</b></p><p>　　由于不需要電感，有源濾波器與相同性能的LC濾波器比較，尺寸一般較小。采用微電子技術后，進一步減小尺寸是可能的。采用淀積RC網絡和單片集成運算放大器或混合工藝，有源濾波器可以作得很小。</p&g

98、t;<p>　　（3）制造的經濟性和制作的難易</p><p>　　由于使用電感，LC濾波器的成本通常比有源濾波器高，高質量的線圈要求高質量的磁芯，有時還需要高質量的繞制方法，這些因數導致了LC濾波器成本的增加。有源濾波器具有顯著的優(yōu)點，即采用流行的標準器件容易安裝有源濾波器。而LC濾波器需要繞制線圈和安裝線圈工藝。</p><p><b>　?。?）調整的難易&l

99、t;/b></p><p>　　在要求嚴 格的LC濾波器中，例如，調諧電路要求調到規(guī)定的諧振點。除非電容量低于幾百個微微法，否則不能作到可變。由于大多數線圈有可調的磁芯，調整電感方便。許多有源濾波器的電路不易調整，它們包括一些RC節(jié)，每節(jié)要有兩個或更多的電阻可變，才能調諧。這樣的電路通過一定的設計方法是可以避免的。</p><p><b>　　（5）功率耗散</b&g

100、t;</p><p>　　濾波器的功耗不僅是決定能量消耗的一個重要因數，而且也是影響濾波器版圖布局的重要因數。因為在版圖布局時必須考慮溫度的分布，如果溫度分布不均可能導致整個芯片局部溫度過高，從而使芯片燒毀，嚴重的將會使芯片完全喪失其功能。因而在濾波器的設計過程中盡可能的降低功耗，并在版圖布局時盡可能的使溫度分布均勻。通常采用的是使用盡可能低的電源電壓。</p><p><b>

101、　　（6）抗干擾能力</b></p><p>　　濾波器的最主要的功能就是使有用信號通過并放大，而使無用信號得到有效的抑制和衰減。如果在濾波器本身的濾波過程中受到干擾，那么濾波器就失去了存在的意義，所以在濾波器的設計過程中盡可能的提高其抗干擾能力，以免受到濾波器本身的噪聲和外界信號干擾。一般可在濾波器的結構和外圍封裝、以及實現(xiàn)器件的材料上進行著重考慮[10][11]。</p><p

102、>　　4.4 電流模式梯形濾波器的設計</p><p>　　4.4.1 n階梯形濾波器的設計</p><p>　　我們根據經典的模擬濾波器的設計，得到n階高通歸一化Butterworth濾波器傳輸函數為</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　把分母進行分解，然后查表得到n階梯形濾波器的

103、電路圖如下：</p><p>　　圖4-3 n階梯形濾波器電路</p><p>　　1.第一種模擬電感的辦法：</p><p>　　我們從前面一章的分析結果來看，我們用常用電感的第二種模擬電感來代替圖4-3中的電感。得到圖4-4雙端接的電流模式n階高通有源濾波電路：</p><p>　　圖4-4 CCII+模擬電感的n階梯形濾波電路</

104、p><p>　　2.第二種模擬電感的辦法</p><p>　　我從前面一章的分析結果來說，現(xiàn)用常用電感的第三種模擬電感來代替4-3圖中的電感，得到圖4-5雙端接地的電流模式n階高通有源濾波電路。</p><p>　　圖4-5 CCII+和CCII―模擬電感的n階梯形濾波電路</p><p>　　4.4.2 舉例說明——CCII五階梯形濾波器[8]

105、[9]</p><p>　　我們首先選擇好自己的設計參數，即設計的技術指標，然后查詢模擬濾波器的數據表，在本文當中我選擇五階Butterworth 濾波器作為設計對象，那么其歸一化的傳輸函數為：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　把上式分解得到得到如下電路圖[6]：</p><p>　　

106、圖4-6 梯形濾波器</p><p>　　從前一章我們討論了模擬電感的設計，在這里將具體用他們分別來代替上圖中的電感，然后用軟件來仿真其效果，看是否達到設計的要求。</p><p><b>　　第一種方案：</b></p><p>　　我們從前面一章的結果來看，我們用常用電感的第二種模擬電感來代替圖4-6中的電感。得到圖4-8雙端接的電流模式五

107、階高通有源濾波電路。設計的梯形濾波器的截止頻率為10 kHz ,接地電阻為800Ω。</p><p>　　圖4-8基于CCII+仿真電感的電流模式五階高通濾波電路</p><p>　　從前面的分析，設圖4-8的參數為：</p><p><b>　　Ω</b></p><p>　　把上面的參數確當后，我們對圖4-8進行仿真

108、分析，首先寫出程序，見附錄A程序。</p><p>　　把程序放在PSPICE中運行得到仿真結果圖，如下所示：</p><p>　　圖4-9 CCII+仿真結果</p><p>　　說明：從上面的仿真圖來看，基本上滿足了我們的設計要求。但是就電路過于的復雜，不夠簡潔，在實際的使用當中是不值得的，提高了成本。增加體積和功耗。</p><p>&

109、lt;b>　　第二種方案：</b></p><p>　　鑒于前章的分析，用常用電感中的第三種來代替圖4-6中的電感L1和L2，得到CCII+，CCII-和無源R，C元件實現(xiàn)的電流模式五階高通歸一化有源濾波電路，如圖4-10所示。設計的梯形濾波器的截止頻率為10 kHz ,接地電阻為500Ω。</p><p><b>　　圖4-5中, Ω</b><

110、;/p><p>　　圖4-10　基于CCII仿真電感的電流模式五階高通濾波電路</p><p>　　圖4-10的仿真程序見附錄B。</p><p>　　用PSPICE軟件仿真得到仿真結果圖：</p><p>　　圖4-11 仿真結果</p><p>　　通過上面的仿真圖可以看出，所設計的電路是可行的，也是達到了我們設計的要