李 安

(陜西國際商貿學院電子與信息工程系,陜西咸陽 712046)

新型有源模擬電感及其應用

李 安

(陜西國際商貿學院電子與信息工程系,陜西咸陽 712046)

基于新型電流模式器件 CFTA,設計了一個接地模擬電感和一個浮地模擬電感,其電路的特點是:使用接地電容,有源元件及其輸入、輸出端數最少.為證實電路工作的可靠性,基于該模擬電感,利用元件替換法,分別設計了電流模式三階巴特沃斯低通和高通濾波器,其極點頻率為 100 kHz,通帶增益為 0.5,計算機仿真表明:所設計的電路正確有效.

三階巴特沃斯濾波器;電流模式電路;模擬電感;電流跟隨跨導放大器

在各種現代有源積木塊中,電流差分跨導放大器 (CurrentDifferencing Transconductance Amplifier,CDTA)是一個使用靈活、功能齊全的新型電流模式器件,已在模擬電感、模擬濾波器和正弦振蕩器設計中被大量使用[1-7].然而,在已報道的大多數電路中,使用了 2個以上的 CDTA,而且出現了無用的p端或n端,這不僅會造成功率的浪費,而且還可能引起噪聲干擾,為此,一個改進版本的 CDTA已經出現,人們稱其為電流跟隨跨導放大器(Current Follower Transconductance Amplifier,CFTA).基于 CFTA的通用濾波器已有報道[8-10],而基于 CFTA接地模擬電感和浮地模擬電感尚不多見.筆者受文獻[7]的啟發(fā),將其中模擬電感電路中的 CDTA換成 CFTA,分別實現了 CFTA接地模擬電感和浮地模擬電感.電路使用接地電容,有源器件最少,沒有懸空的輸入端和輸出端,是一個具有最少元件的模擬電感電路.為證實電路工作的可靠性,基于該浮地、接地模擬電感,利用元件替換法,分別設計了三階巴特沃斯低通和高通濾波器,其主要特點是極點頻率可被線性電調諧.計算機仿真表明:所設計的電路正確有效.

1 新型有源模擬電感

圖1給出了 CFTA的電路符號和等效電路.其端口特性可用下面的一組方程來描述:

圖1 (a)CFTA的電路符號,(b)CFTA的等效電路

式中

其中,gm是 CFTA的跨導增益,VT是熱電壓,IB是跨導放大器的偏置電流.由于 CFTA以跨導放大器的輸出端作為輸出端,因此,使用 CFTA時,根據需要x端和 -x端可隨意取舍.

圖2給出了新型有源模擬電感.圖 2(a)是基于 CFTA的接地模擬電感.由圖 2(a)可得

圖2 基于 CFTA的新型有源模擬電感

圖2(b)是基于 CFTA的浮地模擬電感.并選擇gm1=gm2=gm,由圖 2(b)可得:

2 新型有源模擬電感的應用

2.1 基于 CFTA的三階巴特沃斯低通濾波器圖 3為一個經典的LC梯形三階巴特沃斯低通濾波器,其中,RS和RL分別為信號源內阻和負載電阻,當C1=C3=1 F,L2=2 H,RS=RL=1Ω,即可實現三階無源電流模式低通濾波器.其傳輸函數為

圖3 梯形LC三階巴特沃斯低通濾波器

要實現實際的濾波器,需要對圖 3電路的各元件去歸一化,去歸一化公式為

其中,kz為阻抗歸一化因子,ωo為頻率歸一化因子;RN,LN,CN分別為歸一化的電阻、電感、電容值;R,L,C分別為去歸一化的電阻、電感、電容值.若要設計的低通濾波器的截止頻率為fo=100 kHz,則對圖 3電路去歸一化 ,可得RS=RL=103×1=1 kΩ,L2=103×2/(2π ×105)=3.185 mH,C1=C3=1/(103×2π ×105)=1.592 nF.

將圖 3電路中的L2用圖 2(b)的浮地模擬電感代替,即可得基于 CFTA的三階巴特沃斯低通濾波器,如圖 4所示.選C=10 nF,根據公式 (4)可知模擬電感L2中的偏置電流為IB1=IB2=IB3=92.133 2μA.根據式 (4)和式 (6)可得

若設IB=92.133 2μA,其余參數同前,IB3的單位用μA,則fo與IB3成線性關系,說明低通濾波器的極點頻率可被偏置電流IB3線性電控調諧.

圖4 基于 CFTA的三階巴特沃斯低通濾波器

2.2 基于 CFTA的三階巴特沃斯高通濾波器圖 5為一個經典的LC梯形三階巴特沃斯高通濾波器,其中RS和RL分別為信號源內阻和負載電阻,當C2=0.5 F,L1=L3=1 H,RS=RL=1Ω,即可實現三階無源電流模式高通濾波器.其傳輸函數為

圖5 梯形LC三階巴特沃斯高通濾波器

圖6 基于 CFTA的三階巴特沃斯高通濾波器

若要設計的高通濾波器的截止頻率為fo=100 kHz,則對圖 5電路去歸一化,可得RS=RL=103×1=1 kΩ,L1=L3=103×1/(2π ×105)=1.593 mH,C2=0.5/(103×2π ×105)=0.796 0 nF.

將圖 5電路中的L1,L3分別用圖 2(a)的接地模擬電感代替,即可得基于 CFTA的三階巴特沃斯高通濾波器,如圖 6所示.選C=10 nF,根據公式 (4)可知,模擬電感L1,L3中的偏置電流均為IB1=IB2=130.285 3μA.

類似地,三階巴特沃斯高通濾波器的極點頻率也滿足式 (7),因此,其極點頻率亦可被偏置電流線性電控調諧.

3 計算機仿真

為了驗證電路的正確性,先按文獻 [8]中給出的 CFTA,在 EWB5.0平臺上創(chuàng)建一個 CFTA子電路模型,NPN管選用 QNL,PNP管選用 QPL,2種管子的 BF均選擇 100,其余參數選用典型值.限于篇幅,僅介紹仿真圖 4電路.當選擇RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,C=10 nF,各 CFTA偏置電流為IB1=IB2=IB3=92.133 2μA,理論給出fo=100 kHz,Aup=0.5,仿真結果如圖 7所示.用 EWB5.0提供的指針可測得fo=95.219 kHz,Aup=0.4982.

圖7 基于 CFTA三階巴特沃斯低通濾波器的仿真結果

圖8 當 C=10 nF,RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,IB1=IB2=92.133 2μA,IB3=23μA,46μA,69μA,92μA,低通濾波器的仿真結果

為了說明電路的極點頻率受偏置電流控制 ,仍取RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,C=10 nF,各CFTA偏置電流為IB1=IB2=92.133 2μA.IB3=23μA,46μA,69μA,92μA,理論給出fo=25 kHz,50 kHz,75 kHz,100 kHz.仿真結果如圖 8所示.用 EWB5.0提供的指針可測得:fo=26.569 kHz,53.722 kHz,76.568 kHz,95.219 kHz.可見,計算機仿真結果與理論設計基本一致,說明所設計電路正確有效.

4 結 論

利用 CFTA,設計了一個接地模擬電感和一個浮地模擬電感,并把它用于電流模式三階巴特沃斯低通和高通濾波器的設計.與相關文獻相比,該模擬電感的特點是:無論是接地還是浮地模擬電感,都是無損的,因而使用靈活;使用接地電容,因而適宜集成;有源元件最少,輸入、輸出端數目最少,因而電路穩(wěn)定性高,功耗小.通過對三階巴特沃斯低通濾波器的計算機仿真,表明所設計的模擬電感正確有效,因此可用于各種模擬信號處理電路中.

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New Active S imulation I nductance and Its Applications

L IAn

(Department of Electronics and Information Engineering,Shanxi Institute of International Trade&Commerce,Xianyang 712046,China)

Based on CFTA,a grounded and a floating s imulated inductance circuitswere proposed.The circuits employed grounded capacitor,minimum number of active components and its input and output terminals.To confirm the reliability of the circuits,based on inductance circuits,component substitution method was used to design Butter worth third-order low-pass and high-pass filter respectively,its Pole frequencyfo=100 kHz and pass-band gainAup=0.5.The computer simulation results indicated that the proposed circuitswere valid and effective.

Butterworth third-order filter;current-mode circuit;simulation inductance;current follower transconductance amplifier

TN 722.7+7 < class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

1004-1729(2010)04-0327-05

2010-10-01

陜西省教育廳自然科學研究基金資助項目(2010JK889);陜西國際商貿學院自然科學研究基金資助項目;陜西國際商貿學院教學改革研究資助項目

李安 (1961-),男,陜西三原人,陜西國際商貿學院電子與信息工程系教授.