毕业设计--基于ORCAD的模拟滤波器设计--论文.doc

河南科技大学本科毕业设计 论文 IV 基于 ORCAD 的模拟滤波器设计 摘 要 随着现代电子电路技术的发展 模拟滤波器已成为高精度大规模集成电路中 的一个基本模块 滤波器参数选择的好坏将在一定程度上影响整个系统的工作稳 定性和噪声指标的好坏 电流模式滤波器的出现于电压模式滤波器之后 它与传 统模式的电压模式滤波器相比具有低输入阻抗 高输出阻抗 波动范围大 功耗 低 速度快 频带宽 非线性失真小等优点 因此 本文选择对基于电流控制传 送器的模拟滤波器设计 由于滤波器参数 种类繁多 计算和设计都有一定困难 近年来随着 CAD 和 EDA 技术的不断发展 为我们分析和设计有源滤波器提供了简单 快捷的方 法 ORCAD 正是这样一种电路分析软件 本文是基于 ORCAD 的电流模式的模 拟滤波器设计 首先 以二阶带通滤波器的分析优化为例 阐述了用 ORCAD 对 模拟滤波器电路进行分析和优化的过程 给出了具体的分析优化的操作步骤 性 能分析曲线 优化结果 然后 应用电流模式模拟滤波器的设计方法设计出适用 于单片集成的滤波器电路 最后 采用 ORCAD 进行分析 仿真和优化调整 关键词 滤波器 电流控制传送器 ORCAD 仿真 ORCAD 优化 河南科技大学本科毕业设计 论文 V The design of Analog Filters Based on ORCAD ABSTRACT With the development of modern electronic circuit technology Analog Filter has become a basic module in high precision VLSI The choice of filter parameters will greatly affect the stability and noise indicators quality of the whole system Current mode filters turn up after the voltage mode filters Current mode filters comparing with voltage mode filters have following advantages Low input impedance and high output impedance big fluctuation range low power consumption quick speed long frequency bandwidth little non linear error propagation properties small non linear distortion Therefore the present paper chooses to design current pattern filter The calculation and design of filters is every difficult because of numerous parameters and kinds In recent years with the CAD and EDA technology developed the various circuit analysis software functions become more powerful A simple and quick method was provided for anglicizing and designing APF ORCAD is such circuit analysis software This paper is the design of simulation filter based on ORCAD Firstly taking the optimization analysis of a second order band pass filter for example the procedure of Optimization by using ORCAD software was demonstrated Analysis steps of optimize operating the curve of performance analysis and optimization results were presented in the paper Then filters circuits which are used the single chip integrated were designed by the design methods of current mode filters Finally by ORCAD software their performances were analyzed simulated and optimized KEY WORDS Filters Current controlled conveyor Simulation using ORCAD Optimizing by ORCAD 河南科技大学本科毕业设计 论文 IV 目 录 前 言 1 1 第一章 滤波器与 ORCAD 电路优化过程 3 1 1 滤波器的分类与传输函数 3 1 1 1 滤波器的分类 3 1 1 2 滤波器的传输函数 3 1 2 滤波器的主要主要参数 5 1 3 ORCAD 对滤波器电路的分析与优化 5 1 3 1 ORCAD 对滤波器电路分析 6 1 3 2 ORCAD 对电路参数的优化 8 第二章 滤波器的设计方法 13 2 1 2 1 元件替代法设计可调谐电流低通滤波器 13 2 2 多环反馈电流模式N阶滤波器设计 16 2 2 1 2 2 1 系统结构图实现 16 2 2 2 2 2 2 N 阶低通滤波器的生成 17 2 2 3 N 阶高通滤波器的生成 18 2 3 设计实例说明 20 2 4 电流模式线性组合法 24 2 4 1 系统结构框图实现 25 2 4 2 滤波器分析 25 第三章 滤波器的仿真与调整 28 3 1 各种通用滤波器的实现 28 3 2 各种通用滤波器的仿真 28 3 3 滤波器的逼近与调整 29 3 3 1 滤波器的逼近 29 3 3 2 滤波器的调整 31 河南科技大学本科毕业设计 论文 V 结 论 33 参考文献 34 致 谢 36 附 录 37 河南科技大学本科毕业设计 论文 1 前 言 滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制或衰减 的电子装置 工程上常用它来做信号处理 数据传送和抑制干扰等 滤波器作为 一种基本的功能电路 被广泛应用与航空航天 天线以及电力系统载波通信电路 电子测量系统等领域中 在这些系统中 不管是数字电子系统还是模拟电子系统 模拟滤波器在预处理电路几乎是必不可少的 从1915年瓦格纳和贝尔发明滤波器 的概念以来 滤波器经历了分立RLC元件 集成线性元件 混合集成电路和单片全集 成电路的发展历程 取得了长足的发展 随着航空航天 现代通信技术和控制技术的发展 对系统的集成化要求越来 越高 由于电流模式滤波器的众多优点 自九十年代以来 连续时间电流模式滤 波器的研究一直是国内外学术界研究的重点前沿热门课题 研究的内容从电流模 式电流传送器 跨导运算放大器电流模式滤波器发展到最近的电流镜滤波器 由于有源滤波器处理的信号是频变信号 常用频域法和复频域法讨论 电路 的传递函数较复杂 涉及到的电路参数较多 再加之有源滤波器的种类繁多 分 析和设计都有一定的困难 随着计算机技术的迅速发展 计算机辅助设计技术己 经渗透到电路设计的各个领域 CAD 技术已经成为提高电路和系统设计的性能和 质量的必备工具 现在可以毫不夸张地说 离开 CAD 技术 电路与系统的设计 将寸步难行 ORCAD 软件和 Pspice 软件是电路设计最常用的软件之一 随着 ORCAD 公司和 MicroSim 的合并 这两个软件也取长补短并集成在一起成为功能 更加强大 ORCAD Pspice9 软件包 它在性能分析和优化设计方面比以前有很大扩 展 1 本文要做的工作 主要是要是用ORCAD Pspice9软件分析有源滤波器的电路 性能 并进行优化 使电路性能达到最佳 本论文的目的有三个 一是完成对滤 波器的性能分析 二是探讨ORCAD Pspice9软件包在滤波器性能分析及优化设计 中的应用技术和方法 包括如何用Pspice的性能分析功能得到带通滤波器特性曲 线 如频率响应曲线 并在分析带通滤波器性能的基础上对电路进行优化 三是 优化设计 调整元器件的参数值 改善提高滤波器的性能 使之特性与理想状况 河南科技大学本科毕业设计 论文 2 最接近 本文包括 前言 概述滤波器研究状况 研究意义和ORCAD电路分析软件 第一章主要介绍滤波器和ORCAD电路优化过程 第二章模拟滤波器设计 主要介绍基于电流控制传送器的模拟滤波器的一些 设计方法 第三章模拟滤波器的仿真与调整 本章是在第二章的基础上对电路进行优化 使电路的性能更佳 最后为结论 河南科技大学本科毕业设计 论文 3 第一章 滤波器与 ORCAD 电路优化过程 1 1 滤波器的分类与传输函数 1 1 1 滤波器的分类 滤波器是一种按照规定方式让某些频率的信号通过而阻止另一些频率的信号 通过的电路 根据所处理的信号不同可以分为模拟滤波器和数字滤波器两大类 本章只讨论模拟滤波器 它所处理的是时间连续的模拟信号 根据对不同频率信号的通 阻特性 滤波器可以分为低通滤波器 高通滤波 器 带通滤波器 带阻滤波器和全通滤波器五大类 1 1 2 滤波器的传输函数 理想滤波器的幅频特性曲线从通带到阻带的过度是阶跃式的 既不存在过度 区 这种滤波器在工程上是不可能实现的 只能是用某种传输函数取逼近它 而 后通过网络综合用电子元器件去实现它 所以 设计滤波器的第一个问题是近似 问题 即寻找某种传输函数 使其幅频特性逼近理想滤波器的特性 第二个问题 是综合问题 即寻求一种网络结构 用元器件去实现上述的传输函数 滤波器的 传输函数可以写成下面的有理多项式的形式 1 1 1 110 1 110 nn n nn n sbsbsb H s sasa sa A A A A A A 其中 是复频率变量 是滤波器的阶数 上式中的和决定了滤波sn 10 a a A A A 10 b b A A A 器的类型如低通 高通 带通 带阻 全通等 也决定了同类滤波器的幅频与相 频特性曲线的形 常用的的滤波器有巴特沃思滤波器 切比雪夫滤波器 和椭圆 滤波器 椭圆滤波器有叫考尔滤波器 巴特沃思滤波器在通带和阻带内的幅度都 是平坦的 而且是幅度平坦的前提下 带宽最宽的滤波器 所以又叫最大平坦幅 度滤波器 切比雪夫滤波器的幅频曲线在通带内有等波纹波动 而在阻带是平坦 的 所以又叫通带内等波纹波动滤波器 椭圆滤波器在通带和阻带内都有波动 所以又称通带阻带等波纹滤波器 2 河南科技大学本科毕业设计 论文 4 1 巴特沃斯 Butterworth 滤波器 巴特沃斯滤波器的特点是通带内的频率响应曲线最大限度平坦 没有起伏 而在阻带内逐渐下降为零 一个 n 阶归一化低通巴特沃斯滤波器的幅度函数为 1 2 n n H 2 1 1 2 1 n 2 切比雪夫 Chebyshev 滤波器 切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快 但频率响应的幅频特 性不如后者平坦 切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小 但是在通带内存在幅度波动 一个 n 阶归一化低通切比雪夫滤波器的幅度函数为 1 3 1 1 2 2 2 n n T jH 切比雪夫多项式为 1 4 1 coshcosh 1 coscos 1 1 n n Tn 2 1 n 3 椭圆函数 Elliptic 滤波器 椭圆函数则具有有限频率传输零点 大大提高了阻带陡峭度 该类响应函数 滤波器阻带不像全极点滤波器那样单调下降而是有波动 但在靠近通带的阻带内 具有全极点滤波器不可比拟的陡降度 一个 n 阶归一化低通椭圆滤波器的幅度函 数为 1 5 1 1 2 2 2 n n R jH 当 n 为奇数时 1 6 1 2 2 1 2 2 i k i i n R 2 1 nk 当 n 为偶数时 河南科技大学本科毕业设计 论文 5 1 7 1 2 2 1 2 2 i k i i n R 2 nk 1 2 滤波器的主要主要参数 1 中心频率 滤波器通带的中心频率 一般取 为通带或带阻滤波器 0 f 12 0 2 ff f f 2 f 左 右相对下降 1的频点 带通滤波器常以插入损耗最小点为中心频率计算带dB 通宽度 2 截止频率 截止频率指低通滤波器的通带右边频率点和高通滤波器的通带左边频率点 通常以 1或 3相对损耗点来标准定义 相对损耗的参考基准为 低通以 DCdBdB 处插入损耗为基准高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插入损耗为基准 3 通带宽度 通带宽度 为以中心频率处插入损耗为基准 下降 12 xdB BWff 1 f 2 f 0 f 处对应的左 右边频率点 通常用 3 1 0 即 X dBX 3dB BW 1dB BW 表征滤波器通带带宽参数 分数带宽 也常用来表征滤波器 0 5dB BW 3 0 dB BW f 100 通带带宽 4 带内波动 通带内插入损耗随频率的变化量 1带宽内的带内波动是 1 dBdB 5 带内相位线形度 该指标表征滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小 按线性相位响应 函数设计的滤波器具有良好的相位线性度 但频率选择性很差 限于脉冲 或调 相信号传输系统应用 5 1 3 ORCAD 对滤波器电路的分析与优化 河南科技大学本科毕业设计 论文 6 1 3 1 ORCAD 对滤波器电路分析 二阶带通滤波器的电路如图 1 1 所示 图 1 1 二阶带通滤波器电路 针对滤波器的截止频率 给出对关键元器件 R1 R4 C1 C2 进行分析如下 1 交流分析 用 ORCAD 的 PSPICE 仿真模块进行交流分析设置如下图 1 2 所示 图 1 2 交流分析设置框图 河南科技大学本科毕业设计 论文 7 2 带内波动 图 1 3 滤波器带内波动曲线 3 幅频特性分析 图 1 4 R1 与幅频特性变化曲线 图 1 5 R4 与幅频特性变化曲线 河南科技大学本科毕业设计 论文 8 4 R1 R4 与带宽的关系 图 1 6 R1 与带宽的关系变化曲线 图 1 7 R4 与带宽的关系变化曲线 1 3 2 ORCAD 对电路参数的优化 电路优化模块 可以同时调整电路中的 8 个元器件参数 满足最多 8 个目标 参数和约束条件的要求 最多 8 个目标参数和约束条件的要求 下面就以二阶带 通滤波器电路的优化过程为例 说明用 ORCAD 对电路优化的过程 二阶带通滤 波器的电路图 1 1 所示 要求它的下限截至频率为 500Hz 上限截至频率为 1200Hz 在 针对滤波器的截止频率 给出对关键元器件 R1 R4 C1 C2 进行优 化分析的过程如下 1 绘制原理图 对该滤波器电路来说 原理图已经绘制好了 这里要做的唯一工作是放置 Optimizer Parameters 符号 Optimizer Parameters 符号是用来设置待调整的参数的 河南科技大学本科毕业设计 论文 9 用鼠标点 Pspice 菜单下的 Place Optimizer parameters 命令 就可以放置 Optimizer Parameters 符号了 2 设置待调整的参数 选择 Optimizer parameters 符号 按鼠标右键 从其弹出的快捷菜单中执行 Edit Properties 屏幕上弹出如图 1 8 所示的优化参数设置框 图 1 8 优化参数设置框 在优化的过程中 哪些参数需要调整以及调整的上下限 就是通过这个对话 框来设置的 3 启动 Optimizer 在 Pspice 下拉菜单中 执行 Run Optimizer 启动优化模块 就会出现下图 1 9 所示的 Optimizer 窗口结构 河南科技大学本科毕业设计 论文 10 图 1 9 Optimizer 窗口结构 4 优化指标设置 这是最重要的一步 单击 Optimizer 主画面上 Edit 下拉菜单的 Specifications 命令 弹出下图所示的优化指标设置框 如图 1 10 所示 这儿的优化指标是下限 截止频率 它的指标值是 500Hz 变化范围为0 1Hz Evaluate 用来设置这个优 化指标的计算表达式 HPBW 是 Goal Functions 中的一个目标函数是用来计 算下限截止频率的 用同样的方法也可以对上限截止频率进行指标设置 优化指 标一共也可以设置 8 个 在这儿只用截止频率来说明 Optimizer 的功能 对于其 他指标我们也可以用同样的方法进行优化 优化指标设置完成后 选择执行 Tune Auto Start 即启动电路优化设计的进程 程序的工作进程是 从每一个待调整的元器件参数的初值出发 分别计算每个优 化指标对元器件参数的导数 根据优化指标的要求 确定每个元器件参数调整的 方向 调用电路模拟程序 通过模拟迭代选定元器件参数的调整幅度 得到元器 件参数的当前值 使优化指标得到改善 然后再从元器件参数的当前值出发 重 复上述迭代过程 直到各项优化指标均满足优化目标值的要求 优化过程结束 河南科技大学本科毕业设计 论文 11 当然也可能出现各项优化指标没有完全达到要求优化过程结束的情况 当元器件 参数初值设置不合理 与要求的优化指标偏离太大造成优化过程不收敛 可能出 现这种情况 图 1 10 优化指标设置窗口 优化过程结束后得到图 1 11 所示的优化结果 河南科技大学本科毕业设计 论文 12 图 1 11 优化结果 图中 hpbw lpbw 名称下方的第一行显示的是 优化过程中该指标的当前值 R4Val R1Val cv1 cv2 名称的下一行是元器件的优化值 而第二行是最初给定的初 值 图中还显示了优化过程共进行了 12 次迭代 调用了 33 次 Pspice 分析 综上所述 介绍了滤波器的分类及主要参数 并以二阶带通滤波器的分析优 化为例 阐述了用 ORCAD 对模拟滤波器电路进行分析和优化的过程 给出了具 体的分析优化的操作步骤 性能分析曲线 优化结果 河南科技大学本科毕业设计 论文 13 第二章 滤波器的设计方法 2 1 元件替代法设计可调谐电流低通滤波器 在高阶滤波器设计时 可将滤波器的转化成所需的能被电流控制传送器所能 模拟的有源网络元件 然后根据各有源网络元件设计出相应的由电流控制传送器 组成的电路 其设计步骤如下 1 设计出电流模式的滤波器电路 2 根据电流控制传送器所能模拟的元件 将电流模式电路的元件替换 3 根据对应的计算公式算出偏置电流的大小 以利用电流控制传送器实现 R 等效电路 多输出电流控制传送器 MOCCCII 可 以 FDNR R 等效电路为例 可以设计出符合要求的且滤波参数可调谐的电流模式 高阶椭圆低通滤波器 设计出的电路适于集成实现 其设计步骤如下 1 设计出合理的电流模式的电容 电阻二极管网络形式的电路模型 2 使用 CCCII 实现各电路 并计算出各自得偏置电流大小 以电压模式五阶椭圆低通滤波器电路设计为例 若其归一化原型电路如图 2 1 a 所示 则按步骤 1 先用 K S 变换法把电感变成电阻 把接地电容变成接地 FDNR 组件 把电阻变成电容 得电流模式归一化电容 电阻低通滤波器电路如图 2 1 b 所示 再将其反归一化 a 电压模式归一化无源低通原型 b 电流模式归一化电容 电阻二极管模型 图 2 1 椭圆滤波器电路图 河南科技大学本科毕业设计 论文 14 反归一化时 若取 fp 105Hz R0 103 则 2 1 sradfp P 1028 6 2 5 0 2 2 nFF R C p 59 1 10159 0 1 8 0 0 2 3 nFCcC SS 59 1 0 2 4 nFCcC LL 59 1 0 利用可得 0 RrR ii 2 5 KR KR KR KR KR 7764 0 5044 0 595 1 1702 0 011 1 5 4 3 2 1 2 6 10256 2 10 1028 6 8899 0 10035 3 101028 6 197 1 15 325 0 2 4 4 15 3 2 5 0 2 2 2 SF R D D SF R D D p p 电路如图 2 2 所示 图 2 2 电流模式反归一化电容 电阻二极管低通滤波器 图 2 3 中一共使用了 7 个电流控制传送器 内部电路结构如图 2 4 负型电流 控制传送器 M1 至 M4 多输出电流控制传送器 M5 以及正型电流控制传送器 M6 至 M7 串臂电阻 R1 R3通过分别使 M1 和 M3 的与 X 端短接实现 考虑到 R5Z 还要有输出电流 IO 故 M5 采用 MOCCCII 的与 X 端短接实现 而 Z 作为信号Z 输出端 并且 R2 D2和 R4 D4分别用 M2 M6 和 M4 和 M7 组成的等效 FDNR R 电路实现 河南科技大学本科毕业设计 论文 15 图 2 3 基于 CCCII 的电流模式五阶椭圆低通滤波器 图 2 4 CCCII 内部电路结构 利用 可依次求得 i T Bi R V I 2 5 3 1 i 2 7 AI AI AI B B B 74 16 15 8 86 12 5 3 1 下面来考虑 FDNR R 等效电路 对于 M2 和 M4 利用 可得 i T Bi R V I 2 4 2 i 河南科技大学本科毕业设计 论文 16 2 8 AI AI B B 77 25 38 76 4 2 对于 M6 和 M7 选取 KRR1 7621 CC 43 CC 则 2 9 A R II BB 13 12 26 2 26 6 76 2 10 nF R D CC nF R D CC 5 1 10 10256 2 742 1 10 10035 3 3 15 7 4 43 3 15 6 2 21 2 2 多环反馈电流模式 n 阶滤波器设计 多环反馈法是一种非常优秀的电路设计方法 用该方法可以设计多种结构的 n 阶多环反馈低通和高通滤波器 特别是高阶滤波器 2003 年彭良玉等人提出了 基于多环反馈的电流控制滤波器设计 9 每个滤波电路只需 n 个 CCCII 和 n 个 接地电容或电感元件 无需接任何电阻元件 利用电流控制传送器电可调谐的特 性 滤波器的极点角频率可通过调节偏置电流的大小实现电调谐 电路具有设计 简单 灵敏度低和模块化的优点 而且可以根据环路的变化衍生出多种不同的滤 波器 2 2 1 系统结构图实现 基于 CCCII 的电流模式 n 阶低通滤波器总体结构框图如图 2 5 所示 它 由前馈网络和反馈网络两部分组成 前馈网络由 n 个依次相连的 CCCII 积分器 组成 反馈网络由各 CCCII 的反相端连接至包含本 CCCII 在内和它前部的 各 CCCII 的 Y 输入端的连线组成 n 阶滤波器的生成步骤如下 1 确定 n 阶滤波器的系数矩阵 A S 2 确定 A S 的行列式 A S 从而求得电流传输函数 H S 1 A S 3 选择不同的反馈系数 fij 得出不同结构形式的多环反馈 n 阶低通或高通滤波 河南科技大学本科毕业设计 论文 17 电路 反馈网络方程为 2 11 0f FII 其中 I0 I01 I02 I0n T If If1 If2 Ifn T 图 2 5 基于 CCCII 的电流模式 n 阶低通 高通滤波器结构框图 当 i j 时 f ij 0 所以 F 为一上三角阵 即 2 12 nn n n f ff ff f ff ff n 000 00 0 F 333 22322 1131211 2 2 2 N 阶低通滤波器的生成 对于图 2 5 当 Yi SCi i 1 n 时 图 2 5 变成图 2 6 该图能实现任意阶低 通滤波器的设计 图 2 6 基于 CCCII 的电流模式 n 阶低通滤波器结构框图 河南科技大学本科毕业设计 论文 18 根据图 2 6 可列出如下电流方程 2 13 010 022201 0111 nnfnn f fin ISII ISII ISII 其中 i R xi Ci R xi VT 2IBi i 1 2 n 2 14 in nnnn n n nn n n I I I I I f S f f f S f f ff S f f f ffS 0 0 0 1 1000 10 1 0 03 02 01 313333 21223222 1111312111 其中 T ini II 0 0 0 2 15 nnn n n nn n n f S f f f S f f ff S ff f ffS S 1000 10 1 313333 21223222 1111312111 A 2 2 3 N 阶高通滤波器的生成 当 Yi 1 SLi i 1 n 时 图 2 5 转换为图 2 7 该图可实现任意阶高通滤波器 的设计 图 2 7 基于 CCCII 的电流模式 n 阶高通滤波器结构框图 根据图 2 7 可列出如下电流方程 河南科技大学本科毕业设计 论文 19 2 16 n n fnn f fin I S II I S II I S II 010 02 2 201 01 1 1 1 1 1 其中 i Li R xi R xi VT 2IBi i 1 2 n 2 17 0 0 0 1 1 1 000 1 10 1 1 1 0 03 02 01 31333 3 2122322 2 1 11131211 1 in n nn n n n nn n n I I I I I f S f f f S f f ff S f f f ff S 其中 T ini II 0 0 0 2 18 nn n n n nn n n f S f f f S f f ff S f f f ff S 1 1 000 1 10 1 1 1 A S 31333 3 2122322 2 1 11131211 1 A S 为滤波器的系统矩阵 图 2 5 的系统结构电路方程为 2 19 IA S I i 1 0 河南科技大学本科毕业设计 论文 20 2 3 设计实例说明 图 2 5 电路结构的电流传输函数为 2 20 1 SAIIIISH inoninout 其中 A S 为系数矩阵 A S 的系数行列式 以三阶滤波器的设计为例进行说明 1 三阶低通滤波器系统矩阵为 2 21 10 1 333 23222 13 12 111 f S f f S fffS S A 由式 2 20 和式 2 21 得三阶低通滤波器的传输函数 2 22 1 132311331233221112323122113 3311233221223111323321 2 321 3 ffffffffffff ffffSfffSSSH 选择不同的 fij 可综合出不同结构形式的三阶低通滤波器 结构 1 f11 f12 f13 1 f22 f23 f33 0 2 23 1 1 332 2 321 3 SSS SH 结构 2 f11 f12 f23 1 f22 f33 f13 0 2 24 1 1 3132 2 321 3 SSS SH 结构 3 f11 f12 f33 1 f13 f22 f23 0 2 25 1 1 323221 2 321 3 SSS SH 结构 4 f11 f22 f13 1 f12 f23 f33 0 2 26 1 1 33231 2 321 3 SSS SH 结构 5 f11 f22 f23 1 f12 f13 f33 0 2 27 1 1 313221 2 321 3 SSS SH 结构 6 f11 f22 f33 1 f12 f13 f23 0 河南科技大学本科毕业设计 论文 21 2 28 1 1 321313221 2 321 3 SSS SH 六种不同结构的三阶电流模式低通滤波电路如图 2 8 所示 a 结构 1 b 结构 2 c 结构 3 d 结构 4 f 结构 6 e 结构 5 f 结构 6 图 2 8 六种不同结构的三阶电流模式低通滤波器 从图 2 8 中可以看出 三阶低通滤波器由三个 CCCII 和三个接地电容组 成 可进一步推断 n 阶电流模式低通滤波器由 n 个 CCCII 和 n 个接地电容组成 2 得三阶高通滤波器系统矩阵为 河南科技大学本科毕业设计 论文 22 2 29 33 3 2322 2 13 12 11 1 1 1 0 1 1 1 f S f f S fff S S A 由以上得三阶高通滤波器的传输函数 1 3332221113311313322322332 2211211221 2 1323113312332211321 3 321 3 fffSfffff fffSffffffffSSSH 2 30 选择不同的 fij 可综合出不同结构形式的三阶高通滤波器 结构 1 f11 f12 f13 1 f22 f23 f33 0 2 31 1 121 2 321 3 321 3 SSS S SH 结构 2 f11 f12 f23 1 f22 f33 f13 0 2 32 1 1321 2 321 3 321 3 SSS S SH 结构 3 f11 f12 f33 1 f13 f22 f23 0 2 33 1 313121 2 321 3 321 3 SSS S SH 结构 4 f11 f22 f13 1 f12 f23 f33 0 2 34 1 2121 2 321 3 321 3 SSS S SH 结构 5 f11 f22 f23 1 f12 f13 f33 0 2 35 1 213221 2 321 3 321 3 SSS S SH 结构 6 f11 f22 f33 1 f12 f13 f23 0 2 36 1 321313221 2 321 3 321 3 SSS S SH 六种不同结构的三阶电流模式高通滤波电路如图 2 9 所示 河南科技大学本科毕业设计 论文 23 a 结构1 b 结构2 c 结构3 d 结构4 e e 结构5 f 结构6 图 2 9 六种不同结构的三阶电流模式高通滤波器 为了证实电路的可行性 对图 2 8 中结构 1 电路进行管子级的 Pspice 仿真模 拟 图中 CCCII 所用的 PNP 管和 NPN 管参数如表 2 1 所示 电源电压取 2 5V 令 CCCII 的偏置电流均为 13 A C1 C2 1 592nF 输入电流为 1mA 仿真结果如图 2 10 所示 图 2 10 证实了所设计电路的可行性 河南科技大学本科毕业设计 论文 24 图 2 10 结构 1 仿真频响 表 2 1 PNP Q2N722 管和 NPN Q2N696 管仿真参数 PNP 晶体管 Is 650 6E 18 Xti 3 Eg 1 11 Vaf 115 7 Bf 70 35 Ne 1 829 Ise 180 5f Ikf 1 079 Xtb 1 5 Br 4 146 Nc 2 Isc 0 Ikr 0 Rc 715 Cjc 29 52p Mjc 5383 Vjc 75 Fc 5 Cje 19 82p Mje 3357 Vje 75 Tr 119 9n Tf 757 7p Itf 65 Vtf 5 Xtf 1 7 Rb 10 NPN 晶体管 Is 14 34f Xti 3 Eg 1 11 Vaf 74 03 Bf 118 6 Ne 1 236 Ise 14 34f Ikf 2524 Xtb 1 5 Br 7 134 Nc 2 Isc 0 Ikr 0 Rc 1 Cjc 9 393p Mjc 3416 Vjc 75 Fc 5 Cje 22 01p Mje 377 Vje 75 Tr 50 96n Tf 409 2p Itf 6 Vtf 1 7 Xtf 3 Rb 10 2 4 电流模式线性组合法 电流模式线性组合法的中心思想是 通过电流控制传送器与电容组成的模块 将不同阶次的信号提取出来 再通过电流网络调整各阶电流的加权系数 最后进 行求和运算得到所需的信号 该方法的优点在于可以根据所需的多项式表达式设 计出合理的滤波器 而且可以利用电流控制传送器电可调谐的特性 根据不同的 要求在不改变物理结构的情况下 通过改变加权系数和电流控制传送器的偏置电 河南科技大学本科毕业设计 论文 25 流完成不同的滤波器之间的变化 2 4 1 系统结构框图实现 基于CCCII 的电流模式n阶低通滤波器总体结构框图如图2 11所示 它 由n个CCCII n个电容C和电流网络组成 通过将上一级电流控制传送器的端和下一级电流控制传送器的电压输入端 Z 端依次相连 电容C与X端和Y端并联 反相端作为输出端 输出的各阶电流信 YZ 号 电流网络通过将和各电流加权组合得到输出 令为电流网络 zi I 1y I zi I out I i a 控制各阶电流在输出电流中所占比例的加权系数 可得 2 37 n i ziiyout IaIaI 1 10 图2 11滤波器实现原理图 2 4 2 滤波器分析 先考虑图 2 12 a 的对应的单元电路 其对应的 Nullator Norator 等效电路如图 2 12 b a 单元电路 河南科技大学本科毕业设计 论文 26 b 等效单元电路 图2 12 单元模块及等价模型 可知 Iy Vx Vy SC 且 Ix Iy Vx Vy Rx Iz Ix Iy 归纳 得式 2 38 1 1 1 CSR CSR I I I I x x x z z y 令 i RxiCi 则对于第 i 个 CCCII 2 39 1 1 1 i i xi zi zi yi S S I I I I 可以得到如下的关系 1 1 1 2 1 1 11 n n n n n zn z nz nz zn z s s s s s I I I I I I 2 40 2 41 1 1 1 1 1 2 1 1 2 1 1 2 1 s s s s I I I I I I I I I n n n z nz nz zn x nx nx xn x 其中 i ii s sF 1 2 42 河南科技大学本科毕业设计 论文 27 从而 2 43 1 2 1 1 1 01 1 n k k i in k n i i n zn n i ixznin ssIIII 2 44 out I n i ziiy IaIa 1 10 n i zii n i i n zn IasIa 1 1 0 最后 可得电流传输函数为 2 45 1 2 1 1 1 01 1 1 0 n k k i in k n i i n zn n i zii n i i n zn in out ssI IasIa I I 河南科技大学本科毕业设计 论文 28 第三章 滤波器的仿真与调整 3 1 各种通用滤波器的实现 根据式 2 27 我们只需要调整取 i 0 1 2 n 1 使其满足所需的滤波 i a 器传输函数即可 1 实现低通滤波器 例如当 0 i 0 1 n 1 即可得到所需低通滤波器 对 i a 应滤波器传输函数为 3 1 1 2 1 1 1 01 n k k i in k n i i n n in out ss a I I sH 2 实现高通滤波器 例如取 0 i 1 n 即可得到所需的高通滤波器 对应 i a 滤波器传输函数为 3 2 1 2 1 1 1 01 1 0 n k k i in k n i i n n i i n in out ss sa I I SH 3 带通滤波器 例如取 0 即可得到所需的带通滤波器 对应滤波器传输 0 a n a 函数为 3 3 1 2 1 1 1 01 1 1 n k k i in k n i i n zn n i zii in out ssI Ia I I SH 4 全通滤波器 取 i 0 1 n 1 1 即可得到所需全通滤波器 对 2 i a 0 a 应滤波器传输函数为 3 4 1 2 22 1 1 1 01 1 111 n i k j jn i n i i n n i n ij j in n i i n in out ss ss I I 河南科技大学本科毕业设计 论文 29 3 2 各种通用滤波器的仿真 对本文中使用的电流控制传送器的模型是建立在 BJT 的结构之上 其具体的 仿真是通过在 Pspice 完成的 其中 NPN 管为 Q2N696 PNP 管为 Q2N722 V 为 2 5V V 为 2 5V 1uA in I 我们以 n 3 时 我们来分析三种情况 情况 1 有取 2 C1 10nF 222 323 2 123 3 3 sss a I I in out 3 a C2 0 8uF C3 1uF 所得低通滤波器如图 3 1 a 情况 2 有取 1 C1 10nF 222 323 2 123 3 123 3 0 sss sa I I in out 0 a C2 0 8uF C3 1uF 所得高通滤波器如图 3 1 b 情况 3 有取 2 C1 1nF C2 8nF C3 100nF 222 323 2 123 3 3223 2 1 sss sasa I I in out 1 a 2 a 所得带通滤波器如图 3 1 c a 低通滤波器 b 高通滤波器 c 带通滤波器 图3 1 仿真结果 3 3 滤波器的逼近与调整 3 3 1 滤波器的逼近 使用N阶电流组合法还可完成对应的滤波器逼近 完成Butterworth低通滤波 器 Chebyshev低通滤波器 椭圆低通滤波器设计 并且还可以充分利用利用 河南科技大学本科毕业设计 论文 30 CCCII 的X端寄生电阻可调性 可以通过改变的大小 使发生变化 从而 oi I Xi R 达到调节极点角频率等参数的目的 利用此方法可以在不改变滤波器物理结构和 各个Ci 的情况下 完成从已知滤波器向同类型或不同类型滤波器的设计 1 Butterworth 低通滤波器设计 要求设计一 Butterworth 低通滤波器 要求 3db 截至频率为 1000rad s 500 rad s 时 通带衰减小于 0 5db 当 4000rad s 时 阻带衰减最少为 c c 30db 可知所求为 3 阶 Butterworth 低通滤波器 传递函数为 96233 9 10102102 10 sss sH C3 2uF C2 1uF C1 1uF 仿真结果如图 3 2 a 所示 2 3 a 2 Chebyshev 低通滤波器设计 要求设计满足带宽为 1000rad s 最大通带波纹衰减 1dB 的三阶切比雪夫滤波 器 计算得归一化参数 5088 0110 1 0 4942 0 9660 02471 0 32 1 sjs 故满足设计要求的传递函数为 96233 9 104913 0 102384 1 109883 0 104913 0 sss sH 比较可得优化后取 C3 1 8uF C2 0 6uF C1 1 6uF 仿真结果如图 3 2 b 2 3 a 3 椭圆低通滤波器设计 设计 1000rad s 1100 rad s 通带波纹为 1 4dB 阻带波纹 13dB 的 0 SB 椭圆滤波器 经过计算可知为三阶椭圆滤波器 其传递函数为 96233 923 106984 0 101354 1 108744 0 1037031 1 10 509696 0 sss s sH 通过优化后得 C3 1 1uF C2 0 6uF C1 1 7uF 仿真结果 2 2 3 a3 1 1 a 如图 3 2 c 所示 河南科技大学本科毕业设计 论文 31 a Chebyshev 低通滤波 b Butterworth 低通滤波器 c 椭圆低通滤波器 图3 2 各低通滤波器仿真结果 3 3 2 滤波器的调整 1 同类滤波器的调整 若需完成 3db 截至频率为 500rad s 的三阶 Butterworth 低通滤波器设计 则需 在 3 3 1 所设计的滤波器的结构上调整使 6 5uA 即可 结果如图 3 1o I 2o I 3o I 3 a 2 不同类滤波器的调整 若需在 3 3 1 Btterworth 低通滤波器的设计基础上完成 3 3 1 所要求的 Chebyshev 滤波器设计 只需结合 3 3 1 中 Chebyshev 传递函数 利用 即可求出各的理论值 再经过优化可得对应值 i iT Xi T oi CV R V I 22 oi I 1o I 7 2uA 21uA 13uA 结果如图 3 3 b 2o I 3o I a 调整后的Butterworth低通滤波器 b 调整后的Chebyshev低通滤波器 图3 3 调整后的结果 河南科技大学本科毕业设计 论文 32 综上所述 使用该方法完成基于电流传送器的 n 阶低通 高通和带通滤波器 设计 简单明了 实用性强 而且能产生多种通用滤波器 通过对低通 Butterworth Chebyshev 椭圆滤波器设计的示例进行仿真 验证了该方法正确性 使用该方法设计的滤波器电路结构简单只需 n 个 CCCII 和 n 个电容组成 有很 大的实际意义 河南科技大学本科毕业设计 论文 33 结 论 本论文首先介绍滤波器的一些基础知识 包括滤波器的分类 传输函数 接 着借助ORCAD电路分析软件 对二阶带通滤波器电路进行优化 说明了用 ORCAD对电路进行优化的一般过程 通过上述工作探讨了Pspice的性能分析功能 和优化模块 Optimizer 在带通滤波器优化设计中的使用方法和步骤 接下来介绍 了模拟滤波器设计的方法 最后是对模拟滤波器电路的仿真和优化调整 ORCAD Pspice9软件包 是做电路设计的一个非常好的工具 它对电路模拟 的结果是基本可靠的 一般说来 用Pspice模拟通过的电路 在实际中也是可行 的 它使电路设计变得更简单 设计周期更短 成本更低 精度更高 电路设计 过程中经常需要买器件 搭线路 用示波器观察波形等过程 一个电路的设计往 往要经过反复修改 有ORCAD Pspice软件就可以减少很多不必要的实验 在电路 设计中有些数据的计算比较复杂 手工计算费时费力 而且计算精度也不高 用 ORCAD Pspice9软件去做这些工作 就可以大大提高电路设计的精度 ORCAD Pspice9软件的使用具有很强的技巧性和灵活性 对于不同类型的电 路 它的使用技巧是不一样的 现在经常能看到介绍Pspice在某类电路中的使用 方法和技巧的文章 在某种程度上可以说 Pspice的使用技巧和Pspice本身一样重 要 不懂得使用技巧与没有Pspice一样都不能开展工作 Pspice提供了丰富的函数 Probe也提供了许多特征值函数 这些函数的使用是非常灵活的 它是体现Pspice 灵活性的一个重要方面 河南科技