跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA，Operational TransconductanceAmplifier)是一種電壓控制的電流源器件，該器件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高頻性能好，很適合實(shí)現(xiàn)全集成連續(xù)時(shí)間濾波器。關(guān)于雙二階多功能濾波器不斷見諸報(bào)道，而在報(bào)道的三輸入單輸出的雙二階濾波器電路中，有的采用OTA數(shù)目過多而使電路變得很復(fù)雜，有的盡管只用三個(gè)OTA，也不使用電阻元件，但需要采用浮地電容，不適合集成。筆者提出由三個(gè)OTA和兩個(gè)電容構(gòu)成三輸入單輸出電流模式雙二階濾波器電路，適當(dāng)選擇輸入電壓信號(hào)可實(shí)現(xiàn)五種濾波器功能。理論分析和MOS管級(jí)的SPICE仿真結(jié)果表明所提電路方案正確。

1 OTA單元電路

　　跨導(dǎo)運(yùn)算放大器是通用性很強(qiáng)的器件。在自動(dòng)增益控制、連續(xù)時(shí)間濾波器和模擬信號(hào)處理系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。OTA有雙極型的，也有MOS型的，市售的商品OTA都是雙極型的，而在集成系統(tǒng)中用于模擬信號(hào)處理的OTA則主要是MOS型的。

　　理想的OTA的傳輸特性是：

　　式中：I0是輸出電流(A)；Vd是差模輸入電壓(V)；Gm是開環(huán)增益(S)，稱為跨導(dǎo)增益，它是外部控制電流IB的函數(shù)。圖2是一種基本MOS型跨導(dǎo)運(yùn)算放大器電路圖。圖中M9提供直流偏置，M1和M2組成源極耦合對(duì)，它們的漏極電流由三對(duì)源漏極聯(lián)電流鏡M2和M6、M4和M8及M5和M7映射出去。設(shè)圖2中每對(duì)電流鏡管的增益系數(shù)均為b，則輸出電流為：

式中：β=μCox(W／L)；B為電流鏡系數(shù)；I為直流工作電流。

2 三輸入單輸出雙二階濾波器

　　一種新穎的電流模式的三輸入、單輸出的雙二階濾波器，其中V_i1、V_i2、V_i3為輸入電壓，V₀為輸出電壓。

　　由基爾霍夫定律和式(1)，可得電路的傳輸函數(shù)為：

　　由式(3)可知，其極點(diǎn)固有角頻率ωp和極點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)Qp分別為：

　　并且適當(dāng)選擇輸入電壓，可得二階低通、高通、帶通、帶阻和全通濾波器。

3 靈敏度分析

　　根據(jù)靈敏度定義：，由式(4)可求出極點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)與極點(diǎn)頻率的靈敏度分別為：

　　由式(5)和式(6)可知該電路的靈敏度與參數(shù)無關(guān)，且在數(shù)值上等于0.5，因此該電路具有較好的靈敏度特性。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例及仿真

　　設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為1 kHz的Butterworth低通濾波器，則歸一化傳輸函數(shù)為：

　　并比較公式(7)和(3)可知：

　　令所有的跨導(dǎo)值相等，電容值也相等，則可得：

　　G_m1=G_m2=G_m3=0.2 ms，C₁=C₂=0.03μF，將參數(shù)和相應(yīng)結(jié)構(gòu)代入到圖3進(jìn)行SPICE仿真，其幅頻特性曲線如圖4所示，同理可得到高通、帶通、帶阻類型的幅頻特性曲線如圖4，仿真結(jié)果滿足濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，表明所給出的電路方案正確可行。

5 結(jié)論

　　提出了一種僅用三個(gè)OTA和兩個(gè)電容構(gòu)成的電流模式雙二階濾波器。由于沒有使用電阻，便于實(shí)現(xiàn)集成。對(duì)該電路進(jìn)行了電路分析，得到了電壓傳輸函數(shù)，并對(duì)其靈敏度分析。用SPICE對(duì)該濾波器電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，該濾波器電路設(shè)計(jì)正確，理論分析與仿真結(jié)果相吻合。電路具有如下特點(diǎn)：(1)能實(shí)現(xiàn)二階低通、帶通、高通、帶阻、全通濾波函數(shù)；(2)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；(3)具有的元器件較少；(4)靈敏度較低；(5)ω_p，Q_p可調(diào)。運(yùn)用雙二階濾波電路，很容易實(shí)現(xiàn)高階的任意功能的濾波器，具有理論和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

　?。ㄗT子尤，劉 慧，唐圣學(xué)，尹新，何怡剛）