基于CDTA的多功能滤波器的研究与设计

林 愿，周细凤

(湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104)

基于CDTA的多功能滤波器的研究与设计

林 愿，周细凤

(湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104)

设计了一种新的基于电流差分跨导放大器(CDTA)的多功能滤波器.所设计的滤波器电路只含一片CDTA和少量无源元件，单路结构简单，在不改变整个电路的拓扑结构的前提下，能够实现双二阶低通、高通、带通、带阻、全通等多种滤波器功能.采用PSPICE 对该多功能滤波器进行电路仿真，仿真结果与理论分析基本一致，结果表明基于CDTA的多功能滤波器具有工作电压低、功耗小、频率范围大、可集成化程度高等优势.

电流差分跨导放大器；多功能；滤波器；PSPICE

0 引言

在信息技术高速发展的今天，信号处理技术显得尤为重要.滤波器作为信号处理系统中的重要组成部分，能够起到将有用信号与噪声信号有效分离，从而提高信号的抗干扰性及信噪比；也可以滤除掉不感兴趣的频率成分，从而提高分析的精度；也可以从复杂频率成分中分离出某个单一的频率分量[1-2].滤波器设计的好坏至关重要，一个信号处理系统中的滤波器性能往往直接决定了整个信号处理系统的好坏[3-5].滤波器可根据幅频特性和相频特性来分为以下几类：

低通滤波器：通带0-ωc，上截止频率：ωc；

高通滤波器：通带ωc-∞，下截止频率：ωc；

目前来说，高性能的滤波器的研究与设计非常热门，而通用双二阶滤波器是一种较典型的模拟滤波器，可以提供多个功能[6].

电流差分跨导放大器(Current Differencing Transconductance Amplifier，CDTA)是一个电流输入、电流输出的电流模式器件，采用CDTA构成电流模式滤波器时，其输入阻抗和输出阻抗均与频率无关[7-8].另外，由于CDTA的输入端为虚地，高频寄生参数小，带宽大.CDTA与电压运算放大器 (VOA, Voltage operational amplifier) 相比，具有输入阻抗极低、输出阻抗高、转换速率更高、频率范围更宽.而CDTA与其它电流模式器件相比则更能抑制共模输入信号，且其输出的信号可调谐.所以CDTA适合用于设计各种模拟滤波器[9-12].

1 CDTA电路

本设计采用经典的CDTA电路，图1所示为CDTA的电路符号，其中p、n是CDTA的差分式电流输入端，z是辅助端，x端是电流输出端，IB被称为外接偏置电流.

CDTA的端口特性如下：

vp=vn=0,iz=ip-in,ix=gmvz=gmZziz

(1)

其中gm为外接偏置电流IB的函数，有gm=f(IB).

图1 CDTA电路符号

2 基于CDTA的双二阶滤波器电路

二阶滤波器是一种重要的滤波器结构，既能直接应用，又能级联起来构成高阶滤波器，应用十分广泛.人们常把分子分母为S变量二阶形式的传输函数称作双二阶函数，表述如下：

(2)

将其转换成频域后得到：

(3)

计算其幅频特性得：

(4)

因此，通过适当选择系数ai(i=0,1,2),H(s)可以表示各种类型的二阶滤波器的传输函数：

当a2=a1=0,a0≠0时为二阶低通滤波器，其传输函数为：

(5)

当a0=a1=0,a2≠0时为二阶高通滤波器，其传输函数为：

(6)

当a2=a0=0,a1≠0时为二阶带通滤波器，其传输函数为：

(7)

当a2≠0,a0≠0,a1=0时为二阶带阻滤波器，其传输函数为：

(8)

当a2=1,a1=b1,a0=b0时为二阶全通滤波器，其传输函数为：

H(s)=1

(9)

显然，如果能设计出一个电路，其传输函数具有式(2)的形式，则为双二阶滤波器电路，通过改变输入信号接入点和接地点，可以获得低通、高通、带通或带阻、全通滤波器.

设计的基于CDTA的双二阶滤波器电路如图2所示，整个电路仅含一片CDTA及少量无源元件：两个电容、两个电阻.

图2 单片CDTA实现的双二阶滤波器

对图2所示电路进行分析，得出如下的电压输出方程方程式，如下式所示.

(10)

通过适当选取输入信号，可以分别实现低通、带通、高通、带阻和全通滤波功能.

①当V1=Vin,V2=V3=0，实现低通滤波器；

②当V2=Vin,V1=V3=0，实现带通滤波器；

③当V3=Vin,V1=V2=0，实现高通滤波器；

④当V1=Vin,V3=V2=0，实现带阻滤波器；

⑤当V3=V1=-V2=Vin，实现全通滤波器.

由式(3)可得到滤波器的固有频率和品质因素的表达式如下：

(11)

由式(4)可知，可以通过调节外接偏置电流来改变滤波器的固有频率和品质因素.

3 PSPICE电路仿真

为了实现式(2)所设计的网络应该满足：Vi有三个输入端，三个通道之输出端的传输函数分别为a2,a1/s,a0/s2，Vi从不同通道接入，可实现高通、低通、带通、带阻、全通滤波器.

①低通滤波器滤波仿真，当V1=1 V，V2=V3=0时

图3 低通滤波幅频特性曲线

从图中我们了解到，-3 dB对应低通截止频率约为67 kHz，与计算结果相符，也就是说截止频率大约是67 kHz，通频大致为0～67 kHz.

②带通滤波器仿真，当V1=V3=0,V2=1 V时

图4 带通滤波幅频特性曲线

测得-3 dB带宽约为200 kHz，在50～250 Hz之间通频效果良好.

③高通滤波器仿真，当V1=V2=0,V3=1 V时

图5 高通滤波幅频特性曲线

从图中测得其-3 dB对应的频率即通带下频率约为187 kHz.

④带阻滤波器仿真，当V1=V3=1 V,V2=0时

图6 带阻滤波幅频特性曲线

通过测得-3 dB，从图6中，我们发现阻带的范围约44 kHz～178 kHz,其他频率段能够通过本滤波器.

⑤全通滤波器仿真，当V1=V3=-V2=1 V时

图7 全通滤波幅频特性曲线

4 小结

本文提出一种基于单片CDTA的多功能模拟滤波器，该滤波器所用有源器件和无源器件少，电路结构简单，PSPICE仿真结果显示该滤波器能同时实现各种滤波响应，滤波性能优良.

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StudyandDesignofMulti-functionFilterBasedonCDTA

LIN Yuan, ZHOU Xi-feng

(College of Electrical & Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

In this paper, we present a new multi-function filter by using single-chip current differential transconductance amplifier (CDTA). The filter circuit designed contains only a CDTA and a small number of passive components. The circuit structure is simple, and can not change the topology at the same time to achieve the filter function of double second-order low-pass, high-pass and band pass. The simulation results are in good agreement with the theoretical analysis. The simulation results also indicate that the filter based on CDTA has a series of advantages such as a low voltage, low power consumption, large dynamic frequency range, and high degree of integration.

CDTA; multi-function; filter; PSPICE

TP309.7

A

1671-119X(2017)03-0001-04

2017-03-30

湖南省教育厅一般项目(15C0328)；湖南工程学院青年科研重点项目(XJ1501)；湖南工程学院新进博士基金项目(16RC008).

林 愿(1977-)，女，博士，讲师，研究方向：混沌电路设计与应用.