一种新颖的通用二阶CFA滤波器设计

只看该作者 · 2020-3-7 15:53

一种新颖的通用二阶CFA滤波器设计

1 引言

　　电压运算放大器是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。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，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。