信号与系统课程设计-通用滤波器的设计与实现-华中科技大学.doc

1、信号与系统课程设计报告设计题目：通用滤波器的设计与实现完 成 人： 班号： 姓名： 学号： 一、设计简介本文参考了一篇2007年9月发表在通信与信息技术上的一篇论文一种新颖的电压模式通用二阶CFA滤波器设计。该文提出了一种结构简单，思想新颖的通用二阶滤波器的设计方法。在本文中，笔者借鉴该方法，利用matlab理论仿真和multisim9.0电路仿真对设计方法进行了较全面的仿真与检验。本文首先介绍了该设计方法的原理，然后在该原理的基础上，对其原理进行matlab仿真，并得出低通，高通，带通三种滤波器的仿真结果。之后，笔者选用ADI公司的AD844高速电流反馈运算放大器对该方法进行电路仿真，也得出

2、相应的仿真结果，用于论证该设计方法的有效性。二、设计要求要求设计出滤波器，并利用仿真工具完成对设计出滤波器进行的仿真。设计出通用的二阶有源滤波器使其能够完成二阶有源高通、有源低通滤波器、有源带通滤波器。并且使用相关的电路设计软件与仿真软件画出电路图及仿真结果。三、设计线路对于形形色色的电路要求，滤波电路的应用以其能够突出用户关心的频谱特性而得到了广泛的普及。但是滤波电路的低通，高通，带通电路因为其不同的电路要求有着不同的电路设计，这就给那些要得到不同频域的用户带来了麻烦。经常变换电路费时费力。基于此，笔者翻看近年文献，希望从中能够得到启发，设计出一种通用的二阶滤波器，满足不同人的需求。一种新颖

3、的电压模式通用二阶CFA滤波器设计以其独到的设计理念和设计方法满足了这个条件。但原文中对该问题阐述不明，且缺乏仿真过程和角度。故本文基于该文献，提出设计方法，并通过matlab理论仿真和multisim电路仿真双方向来论证该问题。因为理论与实践之间是有误差的，只有从双方面来论证，才能具有说服力。四、设计内容这种设计方法的核心是使用了电流反馈运算放大器(CurrentFeedbackAmplifier，CFA)，下面对CFA进行个简要介绍。4.1. CFA电路结构与原理：世纪之交，随着通信和多媒体技术的迅猛发展，对高速集成电路的要求不断提高。用电流模技术制造的电流反馈运算放大器(CFA)应运而生

4、，以其独特的性能，赢得了电子工程师们的极大关注。CFA与传统的电压反馈运算放大器(VFA)相比具有许多优点，最主要的特点是CFA的输入级抛弃了差动电路，而采用互补 跟随电路，提高了输入级转换速率；CFA的闭环带宽与增益无关，不存在增益带宽积的限制。除了结构设计考虑之外，制造工艺的改进也是十分重要的。目前高速 CFA和VFA一般都采用流行的互补双极型(CB)工艺。近年来美国ADI公司推出了最新专利技术介质隔离超高速互补双极型(XFCB)工艺，促使 CFA器件和应用发展到一个新阶段。XFCB与CB工艺相比，器件速度更快，是CB工艺的5倍，供电电源低。CFA是一种四端口器件，如下图所示：即=0, ,

5、。电压运算放大器是模拟电路设计中的基本有源器件，由普通电压运算放大器组成的电路，其工作频率较低。电流反馈放大器是一种结构全新的运算放大器，他不但能提供近乎常值的带宽，而且还具有高的转换速率。由他组成的电路，在频率特性、动态范围等方面具有比由OTA组成的电路更加优良的性能。近年来，电流反馈放大器在二阶滤波器电路中得到了一些应用。而采用电流反馈放大器(CFA)构成的电压模式或电流模式双二次滤波器的文献不断见诸报道，其中主要的形式有两种:一种为单输人多输出型滤波器;另一种为三输人单输出型滤波器。但从文献看，多数电路使用的CFA器件数目较多。本文提出了一种三输人单输出电压模式通用二阶滤波器电路，该电路

6、仅用2个电流反馈放大器(CFA)、2个电容、3个电阻来构成，电路结构简单，能实现二阶低通、带通、高通滤波。本文采用参考文献中提供的CFA通用滤波电路进行分析仿真，从另一方面证实了该方法的有效性和简便性。4.2电路原理及分析：4.2.1电路原理：本文采用参考文献中提供的电路原理图，如下图所示，该电路由2个电流反馈放大运算，2个电容，3个电阻组成。电路分析如下：可得电路电流传输函数：该电路为通用滤波器，即只需要改变电路原理图中电压的输入位置，即可以改变电路特性，完成低通，高通，带通三种滤波特性。三种滤波实现的条件：电路极点参数如下：4.3.仿真实现：设置 , ,代入仿真环境。在本文中，使用了mat

7、lab理论仿真和mulisim9.0电路仿真两个方向对以上问题进行阐述和论证。4.3.1 matlab理论仿真在这一部分中，本文主要是通过上述推出的公式从理论上对该通用滤波器进行仿真，以验证其理论的可靠性。4.3.1.1低通情况： 仿真代码如下：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仿真结果： 幅频特性： 相频特性：4.3.1.2高通情况： 仿真代码如下：num=10

8、,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仿真结果： 幅频特性： 相频特性：4.3.1.3带通情况： 仿真代码如下：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

9、真结果： 幅频特性： 相频特性：从上面的仿真结果中，我们可以发现，我们仅仅通过改变了电路中电压输入的位置，就使通用滤波器达到了不同的滤波效果，并且低通，高通，带通滤波表现良好。4.3.2 multisim9.0 仿真。由于时间和篇幅原因，这里只对其中的低通滤波器进行了multisim仿真，另外两种情况与低通滤波器原理一致，这里就不展开。4.3.2.1低通情况：电路图如下所示：仿真结果如下所示：4.3.2.2 高通电路图：4.3.2.3 带通电路图：4.4 两种仿真结果的比较。从matlab的理论仿真图和multisim9的电路仿真中看，可以看出两者还是很有些区别的。分析两者不同的原因在于： m

10、ultisim电路中的电源部分是脉冲信号，并且CFA选用的ADI公司的AD844. 由此可看出，在电路设计的过程中，理论与实践往往是存在的误差的，但是可以看到的是，结果的大致趋势是一致的。五、参考文献1.吴先明，孟凡斌，谭子尤等，一种新颖的电压模式通用二阶CFA滤波器设计，通信与信息技，2007年9月2.ADI公司，AD844 60 MHz, 2000 V/s Monolithic Op Amp Datasheet3.陈大钦, 模拟电子技术基础, 机械工业出版社, 2006年4.陈大钦, 电子技术基础实验, 高等教育出版社, 2001年5.华中科技大学电气学院实验教学中心, 信号与控制综合实验指导书, 2006年6.邹云屏, 林桦, 信号与系统分析, 科学出版社, 2003年.