Multisim元件库中OTA_C二阶有源滤波器设计

1、3.1 Multisim元件库中 OTA模块的创建简介Multisim 10是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Multisim版本，是该公司电子线路仿真软件EWB（ElectronicsWorkbench,虚拟电子工作台）的升级版。Multisim10 用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现“软件即元器件”和“软件即仪器”。Multisim10 是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；还有一般实验

2、室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪。Multisim10 具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、 器件的线性和非线性分析、 电路的噪声分析和失真分析、离散傅立叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim10 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路、及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障， 如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。 在进行仿真的

3、同时， 软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。利用 Multisim10 可以实现计算机仿真设计与虚拟试验，与传统的电子电路设计与实验方法相比， 具有如下特点： 设计与实验可以同步进行，可以边设计边试验，修改调试方便； 设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验； 可方便的对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用28 。

4、本设计结合 Multisim10 对二阶有源滤波器进行了电路的设计和仿真，加深了对电子电路设计的理解，方便了应用。模块的创建Multisim为设计、仿真和布局完整的印刷电路板提供了一个集成的平台。高度灵活的数据库管理程序， 使得为自定义原理图符号添加新的Spice 仿真模型变得十分方便，该原理图符号可用于将精确的封装转换为布局。在Multisim中将上述改进型大线性围的宽带CMOS OTA电路创建为自定义元器件，命名为OTA_2，如图 3.1 所示。OTA_2图 3.1 Multisim 中创建的 OTA模块3.2 OTA-C 双二次节电压转移函数滤波器的传输函数可以写成下面的有理多项式形式：

5、s nbn 1 sn 1b1s b0H (S)an 1 sn 1a1s a0sn(3.1)其中， s 是复频率变量， n 是滤波器的阶数。上式中多项式的系数a0 ， a1 ， 和 b0 ， b1 ， 决定了滤波器的类型，如低通、高通、带通、带阻等，也决定了同类滤波器（如低通）的幅频与相频特性曲线的形状。传输函数的分子、 分母都是 s 的二次多项式的滤波器叫双二次滤波器。传输函数可以写成下面的形式：22b sb1 sb0(3.2)低通、高通、带通、带阻滤波器的传输函数只是上式的特例14,29-33 。二阶低通滤波器传输函数的标准形式为：2H (S)H 0 02( 0 / Q) s2s0(3.3)

6、二阶高通滤波器传输函数的标准形式为：H (S)H 0 s22( 0 / Q) s2s0(3.4)二阶带通滤波器传输函数的标准形式为：H (S)H 0 ( / Q)s22s( 0 / Q) s 0(3.5)二阶带阻滤波器传输函数的标准形式为：s22H(S)H0n2( 02s/ Q )s0(3.6)二阶全通滤波器传输函数的标准形式为：s2(/ Q )s20H(S)H02(0 / Q) s2s0(3.7)双二次 OTA-C滤波器的结构之一如图3.2 所示。它由三个通路（分别加输入信号 VA、VB、VC）和两个环路组成。K 1K 2VOVAssVBVC图 3.2 双二次 OTA-C滤波器结构利用 Ma

7、son法则，可以写出K1K2VAK 2VBVCs2VCK 2 sVB K 1 K 2VAVO (s)s2sK 2K1K 2s2K 2 s K1 K 21ss2(3.8)这是一个双二次滤波器的特性公式。改变输入节点和接地点， 可以实现不同的滤波功能：令VB VC0 ，信号自 A点输入，代入式 3.8 ，可得：VO (s)K 1 K2VA，2K 2 sK1K2s是二阶低通滤波器函数；令 VAVC0，信号自 B点输入，代入式 3.8 ，可得：VO (s)s2K2 sVB，K 2 sK1K 2是二阶带通滤波器函数；令 VAVB0 ，信号自 C点输入，代入式 3.8 ，可得：VO (s)s2VC，s2K

8、 2 sK1K2是二阶高通滤波器函数；令 VB0 ，将 A，C 两端相连作输入端，代入式 3.8，可得：VO (s)s2VCK1 K 2VA ，是二阶带阻滤波器函数。s2K 2 sK1K 23.3 双 OTA二阶滤波器设计双 OTA二阶滤波器应用原理图 3.3双 OTA二阶滤波器电路原理图一种典型的双 OTA二阶滤波器电路原理图如图3.3 所示 14 。这个电路中包含两个 OTA和两个电容，其中第一个 OTA和电容组成理想积分器， 第二个 OTA和电容组成有损耗积分器。输入信号有三个接人点，分别用VA、VB、 VC 表示；输出信号有两个负反馈环路。该电路的性能特点是极点频率值可以独立调节。对图

9、 3.1 所示电路，可以写出一下方程式：I o1(VA VO ) g m1(3.9)1I o2( I o1 SC1VBVo )g m 2(3.10)1VoI o 2 SC2Vc(3.11)两个积分器的传输函数分别为gm1和 g m2 ，与图 3.2 相比较可知：sC1sC2gm1K1C1(3.12)g m2K 2C 2(3.13)代入式 3.8 ，得：g m1 gm 2VAsC1 gm 2VBs2C1C2VCVO ( s)s2 C1 C2sC1g m 2gm1 g m2(3.14)此双 OTA二阶滤波器的极点频率和极点Q值分别为：g m1 gm2p(3.15)C1C2g m1C2Q pg m2

10、C1(3.16)当满足条件 gm1=gm2=gm时， p、Qp 分别为：gmpC1C2(3.17)C2QpC1(3.18)极点频率p 正比于 gm值，因此，改变 gm可对 p 作线性调节；极点Q值为常数，其值由 C1 与 C2 的比值决定，不能用外部电信号调节Q值。当输入电压Vi 分别作用于一个或几个输入端时，传输函数将分别具有不同类型的滤波特性。输入信号接入点位置及接地点位置与传输函数类型的对应关系如表 3.1 所示。表 3.1 输入条件与滤波特性表Table3.1 Import condition and the filtering characteristic property form

11、功能输入端接法传输函数QppViVAg m1 g m 2C1C2C2g m低通滤波gm 2g m1 g m2C1C1C2VBVC 0S2SC2C1 C2ViVBS gm2带通滤波C2S gm 2gm1 g m2VAVC0S2C2C1C2ViVCS2S2gm1 g m2高通滤波S gm 2VAVB0C2C1C2带阻滤VB0S2g m1 gm2C1 C2波ViVAVCS2gm2g m1 gm2SC1C2C2根据表中容，可得不同特性幅频响应的幅值如下：低通： H ( j 0)1 ， H ( j )0带通： H ( jp )1 ， H ( j 0)H ( j)0高通： H ( j 0)0 ， H (

12、j )1带阻： H ( jp )0 ， H ( j 0)H ( j)1双 OTA二阶滤波器电路仿真双 OTA二阶低通滤波器双 OTA二阶低通滤波器的电路图如图3.4 所示。C2C1C2C1C2C1g mC1C2g mC1C2g mC1C2XSC112V-12VExt Trig+_AB+_+_V1VC2X1VDD1VC2X2VDD1VC2VDD1VC2VDD1VIPVIPIoIoVIPVIPIoIoVINVINVSS1VSS1VINVINVSS1VSS1V2R310k OTA_2OTA_2C1C21mVpkXBP11kHz0°INOUT图 3.4双 OTA二阶低通滤波器电路图取偏置电压

13、 VC2为固定值 -2.5V ，调节 C1、C2 参数，观察波特图变化情况。当 C1=C2=1pF时，截止频率高达 1GHz。调整电容 C1=C2=1uF，截止频率为 15.8kHZ，观察波特图如图 3.5 所示。因此，在 VC2为定值时，电容越大，截止频率越低。取电容为固定值 C1=C2=1uF，调节偏置电压 VC2大小，观察波特图变化情况。当 VC2=-5V时，截止频率为 29KHz，减小 VC2至-0.4V 时，截止频率为 2.84KHz，再减小报错，为最小值。 VC2可增大至 -7V，此时截止频率为 37kHz。因此，在电容固定的情况下， VC2绝对值越大，截止频率越高。 VC2 可以

14、在 -0.4V-7V 之间调节。图 3.5双 OTA二阶低通滤波器幅频特性曲线amplitude-frequencycharacteristiccurve双 OTA二阶带通滤波器双 OTA二阶带通滤波器的电路图如图3.6 所示。XSC112V-12VExt Trig+_AB_+V1VC2X1VDD1VC2X2VDD1R3VC2VDD1VC2VDD1VIPIoVIPIoVINVIPIoVSS1VINVIPIoVSS1VINVSS1VINVSS110k V2OTA_2OTA_2C1C21mVpkXBP1270kHz0°INOUT图 3.6双 OTA二阶带通滤波器电路图取偏置电压 VC2为

15、固定值 -5V，调节 C1、C2参数，观察波特图变化情况。发现当调节参数 C1 时，带通滤波器的下限截止频率随之变化，C1 增大，曲线左移；当调节参数 C2 时，带通滤波器的上限截止频率随之变化，C2增大，曲线右移。当 C1=C2时无通带。图 3.7双 OTA二阶带通滤波器幅频特性曲线amplitude-frequencycharacteristiccurve取电容为固定值C1= 1uF，C2=10nF时，调节偏置电压VC2大小，观察波特图变化情况。VC2的可调围在 -2V-7V 之间，通带中心频率围为几十kHz 到几 MHz。双 OTA二阶高通滤波器双 OTA二阶高通滤波器的电路图如图3.8

16、 所示。XSC112V-12VExt Trig+_A B+ _+_V1X1X2VC2VC2VDD1VDD1VC2VC2VDD1VDD1VIPVIPIoIoVIPVIPIoIoVINVINVSS1VSS1VINVINVSS1VSS1R310k V2OTA_2OTA_2C1C21mVpkXBP1100MHz0°INOUT图 3.8双 OTA二阶高通滤波器电路图取偏置电压 VC2为-7V，调节 C1、C2 参数，当 C1=C2=1uF时，观察波特图变化情况，截止频率为20kHz。图 3.9双 OTA二阶高通滤波器幅频特性曲线characteristic curve取电容为固定值C1=C2=

17、10nF，调节偏置电压VC2大小，观察波特图变化情况。当 VC2=-2V时，截止频率为 806kHz，增大 VC2至 -7V 时，截止频率为 3.1MHz。因此，在电容固定的情况下，VC2 值越大，截止频率越高。VC2 可以在 -2V-7V之间调节。双 OTA二阶带阻滤波器双 OTA二阶带阻滤波器的电路图如图3.10 所示。XSC112V -12VExt Trig+_AB+_+_V1VC2X1VDD1VC2X2VDD1VC2VDD1VC2VDD1VIPVIPIoIoVIPVIPIoIoVINVINVSS1VSS1VINVINVSS1VSS1V2R310k OTA_2OTA_2C1C21mVpk

18、XBP11kHz0°INOUT图 3.10双 OTA二阶带阻滤波器电路图在双 OTA二阶带阻滤波器中，当C1=C2时，阻带很窄， C1、C2 同时增大，阻带左移，若将 C1、C2 缩小三个数量级， 则阻带中心频带频率扩大三个数量级。取 VC2=-5V时， C1=C2=1nF时，阻带中心频率为 25MHz。调节 VC2=-1V，阻带中心频率变为 5MHz。与 VC2呈线性关系。 VC2可调围 -1V-7V。图 3.11双 OTA二阶带阻滤波器幅频特性曲线characteristic curve3.4 本章小结本章在 Multisim元件库中创建自定义OTA模块的基础上，利用 Multi

19、sim10对双 OTA二阶滤波器电路进行了设计与仿真。首先介绍了Multisim仿真软件以及在Multisim模块。然后介绍了 OTA-C滤波器的性能特点， 分析了元件库中创建自定义OTAOTA-C双二次节电压转移函数。重点分析验证了二阶OTA-C有源滤波器实现低通、高通、带通、带阻等不同滤波功能时的参数调节围， 为数控型OTA-C连续时间滤波器的设计做了良好的准备。蒂蚃衿膆袀肄膃莄莈蚂 羁罿芄 螁蚁膄羂艿 蒂莃蚂 肂莈蒂膀螁螃 羇葿螀 袅膃 蒅蝿肈 羆莁螈 螇芁芇 莄袀螄芈芄 蒁袆肀 膀蒀 罿袃薈 葿螈聿 蒄葿袁 羁莀肄膃莄 羂艿蒂 莃蚂肂蒈羃膇 芆蒇蚃 羀膂蒆莈蒂螄 芈芄 蒁袆肀螅膅蒁 薅

20、袇 羈莇薄膀蒀罿 袃薈葿 螈聿 蒄葿袁 羁莀蒈 羃膇芆 蒇蚃 羀膂蒆 螅膅蒁 薅袇羈罿膄芃 薃虿羆 艿薃 袁节膅 薂羄肅 蒃薁蚃 芀荿 薀螆肃 芅蕿袈 芈膁蚈莇薄罿 膄芃 薃虿羆 艿薃袁 节膅薂 羄肅 蒃薁蚃羀肁蒀 蚇蚀 袄莆蚇 螂肀莂 蚆羅袂 芈蚅 蚄膈膄芀荿薀 螆肃芅 蕿袈芈 膁蚈 羀肁蒀 蚇蚀袄 莆蚇螂 肀莂 蚆羅袂 芈蚅蚄蚄螇羁 蒂蚃衿 膆莈蚂 羁罿 芄螁蚁 膄膀螁 螃羇葿 螀袅 膃蒅蝿 肈羆莁膈膄蚄 螇羁 蒂蚃衿螈螇芁 芇莄 袀肄膃膆莈蚂 羁罿芄 螁蚁膄 膀螁 螃羇葿 螀袅膃 蒅蝿肈莄羂艿 蒂莃蚂 肂莈蒂 螄芈 芄蒁袆 肀膀蒀 罿袃薈羆莁 螈螇芁 芇莄袀葿螈 聿蒄葿 袁羁莀肄膃莄 羂

21、艿蒂 莃蚂 肂莈蒂 螄芈芄 蒁袆肀蒈羃膇 芆蒇蚃 羀膂 蒆螅膅 蒁薅袇 羈莇薄膀蒀 罿袃薈 葿螈聿 蒄葿袁 羁莀 蒈羃膇 芆蒇蚃 羀膂蒆 螅膅蒁 薅袇 羈莇薄 罿膄芃 薃虿羆罿膄 芃薃虿 羆艿薃 袁节膅 薂羄 肅蒃薁 蚃芀荿 薀螆肃 芅蕿袈 芈膁 蚈羀肁 蒀蚇蚀 袄莆蚇艿薃 袁节膅 薂羄肅 蒃薁蚃 芀荿薀 螆肃 芅蕿袈 芈膁蚈 羀肁蒀 蚇蚀 袄莆蚇螂肀 莂蚆羅 袂芈蚅 蚄膈膄 蚄螇羁 蒂蚃 衿膆莈 蚂羁罿 芄螁蚁 膄膀 螁螃羇螂肀莂 蚆羅袂 芈蚅 蚄膈膄 蚄螇羁 蒂蚃衿 膆莈蚂 羁罿 芄螁蚁葿螀袅 膃螈聿 蒄葿 袁羁莀 蒈羃膇 芆蒇蚃 羀膂蒆 螅膅 蒁薅袇膄膀螁 螃羇葿 螀袅 膃蒅蝿 肈羆莁 螈螇芁 芇莄袀羈莇薄 罿膄芃 薃虿 羆艿薃 袁节膅 薂羄肅 蒃薁蚃肄膃 莄羂艿 蒂莃蚂芀荿 薀螆肃 芅蕿袈肂莈蒂 螄芈 芄蒁袆芈膁蚈 羀肁 蒀蚇蚀肀膀蒀 罿袃薈 葿螈 聿蒄葿 袁羁莀 蒈羃膇 芆蒇蚃袄莆蚇 螂肀莂 蚆羅 袂芈蚅 蚄膈膄 蚄螈螇 芁芇莄羀膂 蒆螅膅 蒁薅袇袀肄 膃莄羂 艿蒂莃羈莇薄 罿膄 芃薃虿 羆艿薃 袁节膅 薂羄肅 蒃薁 蚃芀荿 薀螆肃 芅蕿袈蚂肂莈 蒂螄 芈芄蒁 袆肀膀 蒀罿袃 薈葿螈 聿蒄 葿袁羁 莀蒈羃 膇芆蒇芈膁 蚈羀肁 蒀蚇蚀 袄莆蚇蚃羀