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滤波器与跨导毕业论文
绪论
在电子电路中,尤其是在模拟电子电路中,人们长久以来习惯于采用电压而不是电流作为信号变量,并通过处理电压信号来决定电路的功能。从而促成了大量电压信号处理电路或称电压模式电路的诞生和发展。
但是,随着被处理信号的频率越来越高,电压型运算放大器的固有缺点开始阻碍它在高频、高速环境中的应用。例如,它的-3分贝闭环宽带与闭环增益的乘积是常数,当宽带向高频区域扩展时,增益就会成比例下降;还有,它在大信号下输出电压的最高转换速率很低,一般只有0.2V/μs~20 V/μs[1]。
同时,以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优势却逐渐被认识并被挖掘出来,促进了一种新型电子电路——电流模式电路的发展。
本章结合近年来电子电路技术的新的发展情况,对电流模式电路与跨导型放大器跨导型放大器是一种电压输入、电流输出的电子放大器,跨导型放大器包括跨导型运算放大器(Operational Transconductance Amplifier,简称OTA)和有源跨导元件(Transconductance Element, Transconductor,或称跨导放大器)。两者的主要区别是:跨导运算放大器由多级电路组成,均采用双边对称结构,且大多数具有增益可调节性能。有源跨导元件一般由单级电路构成,采用单边电路或对称式电路结构,不要求增益可调节性能。跨导型放大器型—电流变换级和电流传输级,没有电压增益级,因此没有大摆幅电压信号和密勒电容倍增效应,高频性能好,大信号下的转换速率也高,同时电路结构简单,电源电压和功耗都可以降低。这些高性能特点表明,在跨导型型型此次毕业设计选择跨导型运算放大器作为题目,目的在于通过OTA这一新型器件在电路设计中的具体应用,培养学习和掌握新知识的能力,强化实践能力和创新能力的培养。型
电压放大器将电压输入信号放大,提供电压输出信号,是一种电压控制电压源。电压放大器的增益是输出电压与输入电压的比值,是一个没有量纲的纯数。电压放大器在直流(或低频)信号下的电路模型如图2.l所示。
图1模型电路中包含一个增益为AVO的电压控制电压源,一个衡量从信号源吸取电流大小的输入电限RI,一个衡量向负载提供输出电流时输出电压稳定程度的输出电阻RO。具体应用中,电压放大器的输入端与具有内阻的信号源相连,输出端接有负载电阳R,这时,输出电压只是受控电压A的一部分其表达式为: (2-1)
电压增益的表达式为:
(2-2)
当RL=∞时,AV=AVO。所以,AVO称为开路电压增益,AV则称为负载电压增益。为了使AV尽可能接近AVO的数值,RO必须远小于RL。换句话说,对于给定的负载电阻RL,在设计电压放大器时,必须使其输出电阻远小于RL 。
另一方面,放大器有限的输入电阻也会使Rs在输入端引起分压作用,使得只是有电压信号VS的一部分到达放大器的输入端,即
(2-3)
为了使得耦合到放大器输入端的电压信号VI尽可能接近源电压信号VS,必须使放大器的输入电阻远大于信号源电阻。
理想电压放大器的条件是R0=0,RI=∞,在这种条件下,AV恒等于AV0,而其电流增益恒等于无穷大。
2.1.2 跨导型放大器
跨导型放大器将电压输入信号放大,提供电流输出信号,是一种电流控制的电流源。跨导放大器的增益是输出电流与输入电压的比值,具有电导的量纲西门子(S)。由于决定增益的输出电流和输入电压不是同一节点测量的,而是分别在输出端和输入端测量的,因此称其增益为跨导,称这种放大器为跨导型放大器。跨导放大器对直流信号的模型如图2.2:
在图2.2中,GmsVI是增益为Gms的电压控制电流源;Ro是输出电阻,它衡量随负载电阻变化输出电流的稳定程度,RI是输入电阻。
当在输入端连接具有内阻RS的电压源VS,而在输出端接连负载电阻RL时,跨导放大器输出电流和跨导增益的表达式分别为
(2-4)
(2-5)
当RL=0时,Gm=Gms。因此,Gms称作短路跨导增益,Gm则称作负载跨导增益。
考虑到信号源内阻对输入电压信号的分压作用,实际输入电压为:
(2-6)
为了减小由于输入电阻RI和输出电阻Ro对增益造成的损失,在设计跨导放大器时,应该满足条件:R0RL,R1RS。
理想跨导放大器的条件是Ro=∞,RI=∞。在理想条件下,Gm恒等于Gms,电流增益和功率增益均为无穷大,电压增益与RL值成正比例变化[4]。
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