信號與系統(tǒng)課程設(shè)計-通用濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)-華中科技大學

.信號與系統(tǒng)課程設(shè)計報告設(shè)計題目：通用濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)完成人：班號：姓名：學號：一、設(shè)計簡介 本文參考了一篇2007年9月發(fā)表在《通信與信息技術(shù)》上的一篇論文《一種新穎的電壓模式通用二階CFA濾波器設(shè)計》。該文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單，思想新穎的通用二階濾波器的設(shè)計方法。在本文中，筆者借鑒該方法，利用matlab理論仿真和multisim9.0電路仿真對設(shè)計方法進行了較全面的仿真與檢驗。 本文首先介紹了該設(shè)計方法的原理，然后在該原理的基礎(chǔ)上，對其原理進行matlab仿真，并得出低通，高通，帶通三種濾波器的仿真結(jié)果。之后，筆者選用ADI公司的AD844高速電流反饋運算放大器對該方法進行電路仿真，也得出相應(yīng)的仿真結(jié)果，用于論證該設(shè)計方法的有效性。二、設(shè)計要求要求設(shè)計出濾波器，并利用仿真工具完成對設(shè)計出濾波器進行的仿真。設(shè)計出通用的二階有源濾波器使其能夠完成二階有源高通、有源低通濾波器、有源帶通濾波器。并且使用相關(guān)的電路設(shè)計軟件與仿真軟件畫出電路圖及仿真結(jié)果。三、設(shè)計線路 對于形形色色的電路要求，濾波電路的應(yīng)用以其能夠突出用戶關(guān)心的頻譜特性而得到了廣泛的普及。但是濾波電路的低通，高通，帶通電路因為其不同的電路要求有著不同的電路設(shè)計，這就給那些要得到不同頻域的用戶帶來了麻煩。經(jīng)常變換電路費時費力?；诖耍P者翻看近年文獻，希望從中能夠得到啟發(fā)，設(shè)計出一種通用的二階濾波器，滿足不同人的需求。 《一種新穎的電壓模式通用二階CFA濾波器設(shè)計》以其獨到的設(shè)計理念和設(shè)計方法滿足了這個條件。但原文中對該問題闡述不明，且缺乏仿真過程和角度。 故本文基于該文獻，提出設(shè)計方法，并通過matlab理論仿真和multisim電路仿真雙方向來論證該問題。因為理論與實踐之間是有誤差的，只有從雙方面來論證，才能具有說服力。四、設(shè)計內(nèi)容 這種設(shè)計方法的核心是使用了電流反饋運算放大器(CurrentFeedbackAmplifier，CFA)，下面對CFA進行個簡要介紹。4.1.CFA電路結(jié)構(gòu)與原理：世紀之交，隨著通信和多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展，對高速集成電路的要求不斷提高。用電流模技術(shù)制造的電流反饋運算放大器(CFA)應(yīng)運而生，以其獨特的性能，贏得了電子工程師們的極大關(guān)注。CFA與傳統(tǒng)的電壓反饋運算放大器(VFA)相比具有許多優(yōu)點，最主要的特點是CFA的輸入級拋棄了差動電路，而采用互補跟隨電路，提高了輸入級轉(zhuǎn)換速率；CFA的閉環(huán)帶寬與增益無關(guān)，不存在增益帶寬積的限制。除了結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮之外，制造工藝的改進也是十分重要的。目前高速CFA和VFA一般都采用流行的互補雙極型(CB)工藝。近年來美國ADI公司推出了最新專利技術(shù)——介質(zhì)隔離超高速互補雙極型(XFCB)工藝，促使CFA器件和應(yīng)用發(fā)展到一個新階段。XFCB與CB工藝相比，器件速度更快，是CB工藝的5倍，供電電源低。CFA是一種四端口器件，如下圖所示：即=0,,,。電壓運算放大器是模擬電路設(shè)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。電流反饋放大器是一種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換速率。由他組成的電路，在頻率特性、動態(tài)范圍等方面具有比由OTA組成的電路更加優(yōu)良的性能。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(yīng)用。而采用電流反饋放大器(CFA)構(gòu)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:一種為單輸人多輸出型濾波器;另一種為三輸人單輸出型濾波器。但從文獻看，多數(shù)電路使用的CFA器件數(shù)目較多。本文提出了一種三輸人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(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)二階低通、帶通、高通濾波。本文采用參考文獻中提供的CFA通用濾波電路進行分析仿真，從另一方面證實了該方法的有效性和簡便性。4.2電路原理及分析：4.2.1電路原理： 本文采用參考文獻中提供的電路原理圖，如下圖所示，該電路由2個電流反饋放大運算，2個電容，3個電阻組成。 電路分析如下：可得電路電流傳輸函數(shù)：該電路為通用濾波器，即只需要改變電路原理圖中電壓的輸入位置，即可以改變電路特性，完成低通，高通，帶通三種濾波特性。三種濾波實現(xiàn)的條件：電路極點參數(shù)如下：4.3.仿真實現(xiàn)： 設(shè)置,,代入仿真環(huán)境。在本文中，使用了matlab理論仿真和mulisim9.0電路仿真兩個方向?qū)σ陨蠁栴}進行闡述和論證。4.3.1matlab理論仿真 在這一部分中，本文主要是通過上述推出的公式從理論上對該通用濾波器進行仿真，以驗證其理論的可靠性。4.3.1.1低通情況： 仿真代碼如下：num=[0,0,10];den=[1,10,100];w=logspace(-1,2);[m,p]=bode(num,den,w);subplot(2,1,1),semilogx(w,20*log10(m))gridsubplot(2,1,2),semilogx(w,p)grid仿真結(jié)果：幅頻特性：相頻特性：4.3.1.2高通情況： 仿真代碼如下：num=[10,0,0];den=[1,10,100];w=logspace(-1,2);[m,p]=bode(num,den,w);subplot(2,1,1),semilogx(w,20*log10(m))gridsubplot(2,1,2),semilogx(w,p)grid仿真結(jié)果：幅頻特性： 相頻特性：4.3.1.3帶通情況： 仿真代碼如下：num=[0,10,0];den=[1,10,100];w=logspace(-1,2);[m,p]=bode(num,den,w);subplot(2,1,1),semilogx(w,20*log10(m))gridsubplot(2,1,2),semilogx(w,p)grid仿真結(jié)果：幅頻特性：相頻特性：從上面的仿真結(jié)果中，我們可以發(fā)現(xiàn)，我們僅僅通過改變了電路中電壓輸入的位置，就使通用濾波器達到了不同的濾波效果，并且低通，高通，帶通濾波表現(xiàn)良好。4.3.2multisim9.0仿真。 由于時間和篇幅原因，這里只對其中的低通濾波器進行了multisim仿真，另外兩種情況與低通濾波器原理一致，這里就不展開。4.3.2.1低通情況： 電路圖如下所示：仿真結(jié)果如下所示：4.3.2.2高通電路圖：4.3.2.3帶通電路圖：4.4兩種仿真結(jié)果的比較。 從matlab的理論仿真圖和multisim9的電路仿真中看，可以看出兩者還是很有些區(qū)別的。分析兩者不同的原因在于：multisim電路中的電源部分是脈沖信號，并且CFA選用的ADI公司的AD844.由此可看出，在電路設(shè)計的過程中，理論與實踐往往是存在的誤差的，但是可以看到的是，結(jié)果的大致趨勢是一致的。五、參考文獻[1].吳先明，孟凡斌，譚子尤等，一種新穎的電壓模式通用二階CFA濾波器設(shè)計，通信與信息技，2007年9月[2].ADI公司，AD84460MHz,2000V/μsMonoli