李 安

(陕西国际商贸学院电子与信息工程系,陕西咸阳 712046)

新型有源模拟电感及其应用

李 安

(陕西国际商贸学院电子与信息工程系,陕西咸阳 712046)

基于新型电流模式器件 CFTA,设计了一个接地模拟电感和一个浮地模拟电感,其电路的特点是:使用接地电容,有源元件及其输入、输出端数最少.为证实电路工作的可靠性,基于该模拟电感,利用元件替换法,分别设计了电流模式三阶巴特沃斯低通和高通滤波器,其极点频率为 100 kHz,通带增益为 0.5,计算机仿真表明:所设计的电路正确有效.

三阶巴特沃斯滤波器;电流模式电路;模拟电感;电流跟随跨导放大器

在各种现代有源积木块中,电流差分跨导放大器 (CurrentDifferencing Transconductance Amplifier,CDTA)是一个使用灵活、功能齐全的新型电流模式器件,已在模拟电感、模拟滤波器和正弦振荡器设计中被大量使用[1-7].然而,在已报道的大多数电路中,使用了 2个以上的 CDTA,而且出现了无用的p端或n端,这不仅会造成功率的浪费,而且还可能引起噪声干扰,为此,一个改进版本的 CDTA已经出现,人们称其为电流跟随跨导放大器(Current Follower Transconductance Amplifier,CFTA).基于 CFTA的通用滤波器已有报道[8-10],而基于 CFTA接地模拟电感和浮地模拟电感尚不多见.笔者受文献[7]的启发,将其中模拟电感电路中的 CDTA换成 CFTA,分别实现了 CFTA接地模拟电感和浮地模拟电感.电路使用接地电容,有源器件最少,没有悬空的输入端和输出端,是一个具有最少元件的模拟电感电路.为证实电路工作的可靠性,基于该浮地、接地模拟电感,利用元件替换法,分别设计了三阶巴特沃斯低通和高通滤波器,其主要特点是极点频率可被线性电调谐.计算机仿真表明:所设计的电路正确有效.

1 新型有源模拟电感

图1给出了 CFTA的电路符号和等效电路.其端口特性可用下面的一组方程来描述:

图1 (a)CFTA的电路符号,(b)CFTA的等效电路

式中

其中,gm是 CFTA的跨导增益,VT是热电压,IB是跨导放大器的偏置电流.由于 CFTA以跨导放大器的输出端作为输出端,因此,使用 CFTA时,根据需要x端和 -x端可随意取舍.

图2给出了新型有源模拟电感.图 2(a)是基于 CFTA的接地模拟电感.由图 2(a)可得

图2 基于 CFTA的新型有源模拟电感

图2(b)是基于 CFTA的浮地模拟电感.并选择gm1=gm2=gm,由图 2(b)可得:

2 新型有源模拟电感的应用

2.1 基于 CFTA的三阶巴特沃斯低通滤波器图 3为一个经典的LC梯形三阶巴特沃斯低通滤波器,其中,RS和RL分别为信号源内阻和负载电阻,当C1=C3=1 F,L2=2 H,RS=RL=1Ω,即可实现三阶无源电流模式低通滤波器.其传输函数为

图3 梯形LC三阶巴特沃斯低通滤波器

要实现实际的滤波器,需要对图 3电路的各元件去归一化,去归一化公式为

其中,kz为阻抗归一化因子,ωo为频率归一化因子;RN,LN,CN分别为归一化的电阻、电感、电容值;R,L,C分别为去归一化的电阻、电感、电容值.若要设计的低通滤波器的截止频率为fo=100 kHz,则对图 3电路去归一化 ,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.

将图 3电路中的L2用图 2(b)的浮地模拟电感代替,即可得基于 CFTA的三阶巴特沃斯低通滤波器,如图 4所示.选C=10 nF,根据公式 (4)可知模拟电感L2中的偏置电流为IB1=IB2=IB3=92.133 2μA.根据式 (4)和式 (6)可得

若设IB=92.133 2μA,其余参数同前,IB3的单位用μA,则fo与IB3成线性关系,说明低通滤波器的极点频率可被偏置电流IB3线性电控调谐.

图4 基于 CFTA的三阶巴特沃斯低通滤波器

2.2 基于 CFTA的三阶巴特沃斯高通滤波器图 5为一个经典的LC梯形三阶巴特沃斯高通滤波器,其中RS和RL分别为信号源内阻和负载电阻,当C2=0.5 F,L1=L3=1 H,RS=RL=1Ω,即可实现三阶无源电流模式高通滤波器.其传输函数为

图5 梯形LC三阶巴特沃斯高通滤波器

图6 基于 CFTA的三阶巴特沃斯高通滤波器

若要设计的高通滤波器的截止频率为fo=100 kHz,则对图 5电路去归一化,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.

将图 5电路中的L1,L3分别用图 2(a)的接地模拟电感代替,即可得基于 CFTA的三阶巴特沃斯高通滤波器,如图 6所示.选C=10 nF,根据公式 (4)可知,模拟电感L1,L3中的偏置电流均为IB1=IB2=130.285 3μA.

类似地,三阶巴特沃斯高通滤波器的极点频率也满足式 (7),因此,其极点频率亦可被偏置电流线性电控调谐.

3 计算机仿真

为了验证电路的正确性,先按文献 [8]中给出的 CFTA,在 EWB5.0平台上创建一个 CFTA子电路模型,NPN管选用 QNL,PNP管选用 QPL,2种管子的 BF均选择 100,其余参数选用典型值.限于篇幅,仅介绍仿真图 4电路.当选择RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,C=10 nF,各 CFTA偏置电流为IB1=IB2=IB3=92.133 2μA,理论给出fo=100 kHz,Aup=0.5,仿真结果如图 7所示.用 EWB5.0提供的指针可测得fo=95.219 kHz,Aup=0.4982.

图7 基于 CFTA三阶巴特沃斯低通滤波器的仿真结果

图8 当 C=10 nF,RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,IB1=IB2=92.133 2μA,IB3=23μA,46μA,69μA,92μA,低通滤波器的仿真结果

为了说明电路的极点频率受偏置电流控制 ,仍取RS=RL=1 kΩ,C1=C3=1.592 nF,C=10 nF,各CFTA偏置电流为IB1=IB2=92.133 2μA.IB3=23μA,46μA,69μA,92μA,理论给出fo=25 kHz,50 kHz,75 kHz,100 kHz.仿真结果如图 8所示.用 EWB5.0提供的指针可测得:fo=26.569 kHz,53.722 kHz,76.568 kHz,95.219 kHz.可见,计算机仿真结果与理论设计基本一致,说明所设计电路正确有效.

4 结 论

利用 CFTA,设计了一个接地模拟电感和一个浮地模拟电感,并把它用于电流模式三阶巴特沃斯低通和高通滤波器的设计.与相关文献相比,该模拟电感的特点是:无论是接地还是浮地模拟电感,都是无损的,因而使用灵活;使用接地电容,因而适宜集成;有源元件最少,输入、输出端数目最少,因而电路稳定性高,功耗小.通过对三阶巴特沃斯低通滤波器的计算机仿真,表明所设计的模拟电感正确有效,因此可用于各种模拟信号处理电路中.

[1]B IOLEKD,SENAN IR,B IOLKOVA V,et al.Active elements for analog signal processing:classification,review,and new proposals[J].Radioengineeing,2008,17(4):15-32.

[2]KESK IN A U,B IOLEKD,HANC IOGLU E,et al.Current-mode KHN filter employing current differencing transconductance amplifier[J].AEU—International Journal of Electronics and Communications,2006,60(6):443-446.

[3]L I Yong-an.Forth order currentmode band pass filterwith coupled tuned by current usingCCCDTAs[J/OL].Journalof Electron Devices,2010,7(1):210-213[2010-01-10].Http:∥www.jeldev.org/library.htm.

[4]李永安.基于MO-CDTA的电控调谐多功能电流模式二阶滤波器 /振荡器[J].微电子学,2009,39(5):670-672.

[5]李永安.最少元件MO-CDTA通用二阶滤波器和振荡器[J].微电子学,2010,40(3):362-364.

[6]LAH I R IA.Resistor-lessmixed-mode quadrature sinusoidaloscillator[J].InternationalJournalof Computer and Electrical Engineering,2010,2(1):63-66.

[7]PRASAD D,BHASKAR D R,S INGH A K.New grounded and floating simulated inductance circuits using current differencing transconductance amplifiers[J].Radioengineeing,2010,19(1):194-198.

[8]HERENCSAR N,KOTON J,VRBA K.Generalized design method for voltage-controlled current-mode multifunction filters[J].Telfor Journal,2009,1(2):49-52.

[9]TANGSR IRATW.Novel current-mode and voltage-mode universal biquda filters using single CFTA[J].Indian Journalof Engineering&Materials Sciences.2010,17(4):90-104.

[10]HERENCSAR N,KOTON J,VRBA K,et al.A novel current-mode S IMO type universal filter using CFTAs[J].Contemporary Engineering Sciences,2009,2(2):59-66.

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">文献标志码:A

A

1004-1729(2010)04-0327-05

2010-10-01

陕西省教育厅自然科学研究基金资助项目(2010JK889);陕西国际商贸学院自然科学研究基金资助项目;陕西国际商贸学院教学改革研究资助项目

李安 (1961-),男,陕西三原人,陕西国际商贸学院电子与信息工程系教授.