一种基于CFA实现的n 阶滤波器

曾菊员

（罗定职业技术学院 电子信息系，广东 罗定 527200）

一种基于CFA实现的n 阶滤波器

曾菊员

（罗定职业技术学院 电子信息系，广东 罗定 527200）

本文提出了一种采用信号流图为基本原理，基于阻抗元件与电流反馈放大器实现的n阶电流模式滤波器。只需将阻抗元件进行变换无需改变滤波电路结构，就可以实现高通与低通滤波功能。设计了一个四阶滤波器，并对此电路进行PSPICE仿真，仿真结果与理论分析相一致，证明本文提出的方法是可行的。

电流反馈放大器；信号流图；n阶滤波器；电流模电路

在电子世界发展的历史长河中，电流模式电路越来越受到专家、学者以及电路爱好者的亲眯，电流反馈放大器（CFA）在模拟信号处理中也愈发起到越来越关键的作用。电流反馈放大器是一种不同以往的新型结构的运算放大器，它不仅具有很高的转换速率，而且可以提供可单独调节的带宽，并且它的带宽不受增益带宽积的限制，所以由电流反馈放大器构成的电路在动态范围和频率特性等方面具有更加优良的特性。与第二代电流传送器相比，电流反馈放大器内部增加了一个单位增益的电压缓冲器，所以采用电流反馈放大器实现的实际应用电路的结构更加简洁。目前基于电流反馈放大器二阶滤波器的研究已经较为成熟，如文献[1-3]提出了比较典型的电路。而以电流反馈放大器为模块构成高阶电流模式滤波器的文献也有一些，如文献[4-9]。文献[3,6-8]只能实现低通滤波功能，其中文献[6]设计了一个电流模式五阶CFA低通滤波器，该方法首先固定滤波器的阶数，然后再用无源网络进行有源的模拟设计，当滤波器的阶数需要改变时，需要重新设计所有的参数。笔者在以上研究的基础上，以电流反馈放大器为基本模块，采用信号流图设计了可实现任意阶的高通或低通滤波器结构，这种设计结构简单，元件少，在不改变基本结构的情况下，只调整阻抗元件的位置，即可实现高通或低通滤功能。

1　CFA的端口特性

电流反馈放大器是一个四端网络，其理想的端口特性为:

图1　CFA的符号

电流反馈放大器的代表符号如图1所示，其中反相输入端为“x”端，它是一个电流输入端，同相输入端为“y”端，它是一个电压输入端。在式（1）中，CFA+用“+”表示，CFA-用“-”表示，笔者设计的电路全部采用CFA+，记为CFA。

2　电路描述

设n阶低通滤波器的传输函数为:

其信号流图如下页图2所示，根据信号流图，有

由以上式子可得

图2　式（2）的信号流图

同理，设n阶高通滤波器的传输函数为:

其信号流图如图3所示，有

图3　式（6）的信号流图

根据n阶低通、高通滤波器的信号流图，可实现n阶基于CFA的电流模式滤波器，如图4所示。

图4　基于CFA的n阶滤波器

可得

联立式(7-1)～式(7-n)和式(1)，可得电路的传输函数为:

其中，

有

其中，

（2）当

可知

进而可得

使用笔者提出的方法设计实现n阶低通和高通滤波功能的优点在于，只需要n+2个电阻，n+1个电流反馈放大器，n个电容，而且电容和电阻元件全部接地。

3　设计举例及仿真分析

设计一个截止频率为500k赫兹的四阶巴特沃斯滤波器，由文献[10]查得四阶巴特沃斯滤波器的归一化传递函数的分母多项式为:

取截止频率为500k赫兹，结合式（12），令Gm1=Gm2=1kΩ，R1=R3=R5=R7=1kΩ，则归一化电容分别为:去归一化电容分别为:C2=609pF，C4=97pF，C6=356pF，C8= 122×10-3pF。

四阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性的PSPICE模拟仿真结果如图5所示。

同样，结合式(12)，令Gm1=Gm2=1kΩ，R2=R4= R6=R8=1kΩ，则归一化电容分别为:，去归一化电容分别为:C1=609pF， C3=97pF，C5=356pF，C7=122×10-3pF。

图6所示即四阶巴特沃斯高通滤波器的频响。

由图5和图6的曲线可以看出，笔者提出的新方案完全正确。

图5　四阶巴特沃斯滤低通滤波器的频响

图6　四阶巴特沃斯高通滤波器的频响

4　结语

采用信号流图法设计了一种基于电流反馈放大器的任意阶电流模式滤波电路。对一个四阶巴特沃斯滤波器进行了模拟、设计计算和软件实验仿真分析，结果显示，实验仿真分析结果与设计计算结果完全一致，证明笔者提出的设计电路是正确的。而且用此方法实现的滤波器与同类型滤波器电路相比较，它具有以下优点:第一，n阶滤波器只需n+1个电流反馈放大器，n个电容以及n+2个电阻，而且电容和电阻元件全部接地；第二，能实现二种滤波功能，即低通滤波和高通滤波功能；第三，设计方法简单明了。

[1]JIUN WEI HORNG，MAW HUEI LEE.High input impedance voltage-mode low pass，band pass and high pass filter using current-feedback amplifiers[J].Electronics Letters，1997，33（11）：947-948.

[2]彭良玉，何怡刚，黄满池，等.基于CFA的通用一阶电压模式滤波器[J].湖南师范大学学报，200l，24（1）：28-30.

[3]韩英，周细凤，彭良玉，等.一种基于电流反馈放大器的新的通用滤波器[J].电气电子教学学报，2006，28 （6）：31-34.

[4]GUNES E O， ANDAY F.CFA based fully integrated nth-order low pass filter[J].Electronics Letters，1997，33 （7）：571-573.

[5]TREJO GUERRA，RTLELO CUAUTLEE， SANCHEZ LOPEZ C，et a1.Realization of Multicore Chaotic Attractors by using current—Feedback 0perational Amplifiers[J].Rev. Mex.Fis，2010，56（4）：268-274.

[6]彭良玉，何怡刚，吴杰，等.基于电流反馈放大器的电压模式五阶低通滤波器实现[J].电路与系统学报，2003，8（6）：129-131.

[7]吴先明，刘慧，齐绍忠，等.一种新颖的电压模式N阶CFA低通滤波器的系统设计[J].电路与系统学报，2010，15（1）：45-48.

[8]吴先明，刘慧，齐绍忠，等.电压模式n阶CFA低通滤波器的设计[J].半导体技术，2007，32（4）：339-341.

[9]韩英，周细凤，彭良玉，等.一种用CFA实现的通用高阶滤波器[J].现代电子技术，2007，23（4）：168-170.

[10]曾菊员，彭良玉，韩英.一种基于MOCCCII和CCII一实现的n阶低通滤波器[J].江西师范大学学报（自然科学版），2006，30（6）：577-580.

【责任编校李林霞】

An Nth-order Filter Based on CFAs

ZENG Juyuan

In this paper，the configuration of nth-order current mode filter using CFA and impedances is presented based on the signal-flow graph.Under the condition that does not change the structure，theproposed circuit can realize the function of high-pass and low-pass respectively by only changing impedances.As an application of the proposed circuit，the realization of a four order filter is proved using PSPICE simulations，which verify the proposed configuration is applicable.

current feedback amplifier；signal-flow graph；nth-order filter；current mode circuit

TN713+.4

A

1674-0092（2016）03-0094-03

10.16858/j.issn.1674-0092.2016.03.020

2015-12-11

广东省教育厅基金项目（20120302042）

曾菊员，男，苗族，湖南洪江人，罗定职业技术学院电子信息系讲师，硕士，主要从事信号处理及有源滤波器设计与应用研究。