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毕业论文《OTA-C有源滤波器的设计及仿真》.doc

发布:2018-09-06约3.83万字共81页下载文档
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绪论 在电子电路中,尤其是在模拟电子电路中,人们长久以来习惯于采用电压而不是电流作为信号变量,并通过处理电压信号来决定电路的功能。从而促成了大量电压信号处理电路或称电压模式电路的诞生和发展。 但是,随着被处理信号的频率越来越高,电压型运算放大器的固有缺点开始阻碍它在高频、高速环境中的应用。例如,它的-3分贝闭环宽带与闭环增益的乘积是常数,当宽带向高频区域扩展时,增益就会成比例下降;还有,它在大信号下输出电压的最高转换速率很低,一般只有0.2V/μs~20 V/μs[1]。 同时,以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优势却逐渐被认识并被挖掘出来,促进了一种新型电子电路——电流模式电路的发展。 本章结合近年来电子电路技术的新的发展情况,对电流模式电路与跨导型放大器的基础知识、发展前景作一下大致介绍。 1.1电流模式电路 近年来,模拟电路的电流模式设计方法得到了重视和发展,并把模拟集成电路推进到一个新阶段。当把电路中的信号由电压形式转变成电流形式,通过处理电流信号来实现电路功能时,就可以设计出一些精巧新颖的电路结构,在改善高频、高速信号处理能力和降低电源电压等方面取得奇迹般的好处,解决电压模式模拟电路和系统中的一些难以解决的问题。 电流模式电路因此逐渐发展起来。那么什么是电流模式电路呢?一般地,我们将电流模式电路定义为:当选用电流而不是电压作为电路的信号变量,并通过处理电流变量来决定电路的功能时,就是电流模式电路。 电流模式设计方法是现代模拟集成电路设计的重大突破,电流模式电路已经成为速度快、频带宽、线性好、电压低的新兴模拟集成电路的分支,并且具有广阔的发展前景。 与电压模式电路相比,电流模式电路主要有以下性能特点: 1. 阻抗水平有限 电压信号与电流信号的实际区别表现在其阻抗水平的高低,实现电压模式信号处理还是电流模式信号处理,关键要看对电路的阻抗水平的选择。总的来说,电流信号源具有高阻抗,电压信号源具有低阻抗;电流信号要求低阻抗的负载,电压信号要求高阻抗的负载。因此,在实践中,把内阻很小的电信号源作为电压源,把内阻很大的电信号源作为电流源。要求理想电压信号放大器应具有无穷大输入阻抗和零输出阻抗,理想电流信号放大器应具有零输入阻抗和无穷大输出阻抗。要求电压模式电路的关键节电具有高阻抗、在大摆幅电压信号下只有小摆幅电流,电流模式电路的关键节点具有低阻抗、在大摆幅电流信号下只有小摆幅电压。 2. 速度高,频带宽 在电流模式电路中,影响速度和宽带的晶体管极间电容工作在阻抗水平很低的节点上。 一方面,这些低阻抗节点上的电压摆幅很小,另一方面,这些节点上的阻容时间常数很小,在大摆幅电流信号作用下,晶体管极间电容的充、放电过程可以很快地完成。因此,电流模式电路大信号下的工作速度比电压模式电路快得多。同时,由这些电容和节点低电阻决定的极点频率很高,工作效率就可以接近晶体管的ft 。 3. 电源电压低,功耗小 为了提高集成电路的集成密度,减小功耗,降低电源电压将是一种必然趋势,一般要求将集成电路的电源电压降到3.3V,甚至1.5V。对于电压模式电路,降低电源电压将直接降低其信号电压的最大动态范围。同时,电源电压的降低,对于设计高速度的电压模式电路也会更加困难。电流模式电路则不然,它可以在0.7V~1.5V的低电源电压下正常工作,保持电流信号在nA~mA(甚至10pA~mA)数量级内变化。电流模式电路中的最大电流和最大动态范围受晶体管允许电流的限制,而不受电源电压降低的限制[2]。 电流模式电路可以解决电压模式电路所遇到的一些难题,在速度、宽带、动态范围等方面获得更加优良的性能。研究结果显示,在高频、高速信号处理领域,电流模式的电路设计方法正在取代电压模式的传统设计方法,电流模式电路的发展和应用将把现代模拟集成电路推进到一个新阶段。 1.2 跨导型放大器 跨导型放大器是一种电压输入、电流输出的电子放大器,它的增益是输出电流与输入电压的比值,量纲为电导,单位为西门子(S)。跨导型放大器包括跨导型运算放大器(Operational Transconductance Amplifier,简称OTA)和有源跨导元件(Transconductance Element, Transconductor,或称跨导放大器)。两者的主要区别是:跨导运算放大器由多级电路组成,均采用双边对称结构,且大多数具有增益可调节性能。有源跨导元件一般由单级电路构成,采用单边电路或对称式电路结构,不要求增益可调节性能[1]。 由于跨导型放大器的输入信号是电压,输出信号是电流,所以它既不是完全的电压模式电路也不是完全的电流模式电路,而是一种电压/电流模式混合电路。但是,由于跨导型放大器内部只有电压—电流变换级和电流传输级,没有电压增益级,因此没有大摆幅电压信号和密勒电容
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