一種新穎的電壓模式通用二階CFA濾波器設計

1 引言

電壓運算放大器是模擬電路設計中的基本有源器件，由普通電壓運算放大器組成的電路，其工作頻率較低。電流反饋放大器(Current Feedback Amplifier，CFA)是一種結構全新的運算放大器，他不但能提供近乎常值的帶寬，而且還具有高的轉換速率。由他組成的電路，在頻率特性、動態范圍等方面具有比由OTA組成的電路更加優良
的性能[1-30]。近年來，電流反饋放大器在二階濾波器電路中得到了一些應用[6-10]，而采用電流反饋放大器(CFA)構成的電壓模式或電流模式雙二次濾波器的文獻不斷見諸報道，其中主要的形式有兩種：一種為單輸入多輸出型濾波器；另一種為三輸入單輸出型濾波器。但從文獻看，多數電路使用的CFA器件數目較多。本文提出了一種三輸入單輸出電壓模式通用二階濾波器電路，該電路僅用2個電流反饋放大器(CFA)、2個電容、3個電阻來構成，電路結構簡單，能實現二階低通、帶通、高通、陷波、全通濾波函數。并用PSpice對該電路進行了仿真，仿真結果表明，該電路設計正確，理論分析與仿真結果相吻合。

2 CFA電路結構及原理

電流反饋放大器(CFA)是一種四端口器件如圖1所示，他的電路傳輸特性為：

即Iy=0，Vx=Vy，Ix=±Iz，Vo=Vz，公式(1)中"+"對應CFA+，"－"對應CFA－，由此可知x端電壓跟隨y端電壓，z端電流跟隨x端電流，y端是高阻輸入，Iy=O，z端電壓跟隨o端電壓[6-9]變化。

3 二階濾波器原理

本文采用如圖2所示濾波器電路，該電路是由2個CFA2個電容和3個電阻來構成。對圖2電路進行電路分析得：

由上述方程，可得電路電流傳輸函數：

有式（6）可知，改變輸入信號V1，V2，V3，可以分別實現低通、帶通、高通、陷波、全通濾波函數。實現條件與濾波器類型的對應關系如表1所示。

電路極點參數為：

由式(7)，式(9)可知，極點角頻率和極點品質因素能實現獨立調節。

根據靈敏度的定義得到特征頻率ωP，QP相對電阻元件和電容元件的變化靈敏度，ωp，QP，的無源靈敏度為：



由式（10），式（11）可知，ωp，QP的無源靈敏度是較小的。
考慮CFA的非理想特性，其端口特性為：

其中：a=1－ε1，︱ε1︱＜＜《1，ε1表示電流反饋放大器的電流跟蹤誤差，β=1－ε2，︱ε2︱＜＜1，ε2表示電流反饋放大器的輸入電壓跟蹤誤差，γ1=1-ε3，︱ε3 ︱＜＜1，ε3表示電流反饋放大器的輸出電壓跟蹤誤差，通過分析，可求得輸出電壓為：


由式(18)，式(19)可知，ωP，QP有源靈敏度也是較小的。

4 電路仿真

為了驗證設計濾波器電路的正確性，作者用PSpice對該電路進行了電路仿真。當R1=R2=R3=1 kΩ，C1=C2=0．1 μF，由式(8)得：fp=1．59 kHz，在PSpice9．1下，對圖2所示電路進行仿真，得到幅頻特性(如圖3所示)與要求的技術參數相吻合。

5結 語

本文提出了一種僅用2個電流反饋放大器(CFA)、2個電容和3個電阻構成的電壓模式通用二階濾波器電路，能實現二階低通、帶通、高通、帶阻、全通濾波函數。對該電路進行了電路分析，得到了電壓傳輸函數及電路參數。并用PSpice對該濾波器電路進行了仿真，仿真結果表明，該濾波器電路設計正確，理論分析與仿真結果相吻合。電路具有如下特點：

(1)能實現電壓模式二階低通、帶通、高通、陷波、全通濾波函數；

(2)電路結構簡單；

(3)具有的元器件較少；

(4)無源、有源靈敏度較小；

(5)ωP ，QP可調

(6)電路易于實現。