一种新颖的电流模式双二阶OTA-C滤波器设计

liyf

                    　　跨导运算放大器(OTA，OperatiONal TransconductanceAmplifier)是一种电压控制的电流源器件，该器件电路结构简单，高频性能好，很适合实现全集成连续时间滤波器。关于双二阶多功能滤波器不断见诸报道，而在报道的三输入单输出的双二阶滤波器电路中，有的采用OTA数目过多而使电路变得很复杂，有的尽管只用三个OTA，也不使用电阻元件，但需要采用浮地电容，不适合集成。笔者提出由三个OTA和两个电容构成三输入单输出电流模式双二阶滤波器电路，适当选择输入电压信号可实现五种滤波器功能。理论分析和MOS管级的SPICE仿真结果表明所提电路方案正确。
1 OTA单元电路
　　跨导运算放大器是通用性很强的器件。在自动增益控制、连续时间滤波器和模拟信号处理系统中应用非常广泛。OTA有双极型的，也有MOS型的，市售的商品OTA都是双极型的，而在集成系统中用于模拟信号处理的OTA则主要是MOS型的。
　　理想的OTA的传输特性是：

　　式中：I0是输出电流(A)；Vd是差模输入电压(V)；Gm是开环增益(S)，称为跨导增益，它是外部控制电流IB的函数。图2是一种基本MOS型跨导运算放大器电路图。图中M9提供直流偏置，M1和M2组成源极耦合对，它们的漏极电流由三对源漏极联电流镜M2和M6、M4和M8及M5和M7映射出去。设图2中每对电流镜管的增益系数均为b，则输出电流为：

式中：β=μCox(W／L)；B为电流镜系数；I为直流工作电流。
2 三输入单输出双二阶滤波器
　　一种新颖的电流模式的三输入、单输出的双二阶滤波器，其中Vi1、Vi2、Vi3为输入电压，V0为输出电压。
　　由基尔霍夫定律和式(1)，可得电路的传输函数为：

　　由式(3)可知，其极点固有角频率ωp和极点品质因数Qp分别为：

　　并且适当选择输入电压，可得二阶低通、高通、带通、带阻和全通滤波器。
3 灵敏度分析
　　根据灵敏度定义：

，由式(4)可求出极点品质因数与极点频率的灵敏度分别为：

　　由式(5)和式(6)可知该电路的灵敏度与参数无关，且在数值上等于0.5，因此该电路具有较好的灵敏度特性。
4 设计实例及仿真
　　设计一个截止频率为1 kHz的Butterworth低通滤波器，则归一化传输函数为：

　　并比较公式(7)和(3)可知：


　　令所有的跨导值相等，电容值也相等，则可得：
　　Gm1=Gm2=Gm3=0.2 ms，C1=C2=0.03μF，将参数和相应结构代入到图3进行SPICE仿真，其幅频特性曲线如图4所示，同理可得到高通、带通、带阻类型的幅频特性曲线如图4，仿真结果满足滤波器设计指标要求，表明所给出的电路方案正确可行。
5 结论
　　提出了一种仅用三个OTA和两个电容构成的电流模式双二阶滤波器。由于没有使用电阻，便于实现集成。对该电路进行了电路分析，得到了电压传输函数，并对其灵敏度分析。最后用SPICE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)能实现二阶低通、带通、高通、带阻、全通滤波函数；(2)电路结构简单；(3)具有的元器件较少；(4)灵敏度较低；(5)ωp，Qp可调。运用双二阶滤波电路，很容易实现高阶的任意功能的滤波器，具有理论和实践指导意义。
　　（谭子尤，刘 慧，唐圣学，尹新，何怡刚）

?