额外的高输入低输出阻抗模拟网络

摘要

本文介绍了一些附加的高输入低输出阻抗模拟网络，使用最近引入的带有缓冲输出的单双x电流输送器实现。新电路包括几个一阶和二阶全通部分。电压模式建议得益于高输入阻抗和低输出阻抗。并进行了非理想性和敏感性分析。通过PSPICE仿真描述了电路的性能，与理论分析结果吻合较好。

1.介绍

最近，可配置模拟网络的实现对现代模拟信号处理应用具有特殊意义。该特性非常适合设计易于配置的模拟块，以便用于现场可编程模拟阵列(FPAAs)。具有这一特性的简单模拟块已被较早地报道过，并在最近的工作中进行了进一步的研究[1- - - - - -3.］．可组态性使单一拓扑具有多个电子功能的可能性，而级联性则使模拟块在设计更复杂的网络时具有实际效用，而不需要额外的缓冲形式的耦合元件[4- - - - - -6］．最新的模拟电路拓扑从这些特性中受益，它适用于许多一阶电子功能，并提供高输入阻抗和低输出阻抗[5］．这两个特性结合在一起是减少电路元件的又一个步骤，使便携式高性能系统易于FPAA实现[7，8］．值得注意的是，模拟滤波器继续作为大型子系统的潜在模拟块出现在公开文献中[2- - - - - -6，9- - - - - -12］．

本文提出了一阶和二阶全通滤波器，具有高输入低输出阻抗的特点。采用最先进的浮动模拟器来克服无源电感器的缺点[13］．可以注意到，使用电流输送机的浮动电感模拟器已经在文献中进行了很好的研究[14- - - - - -17］．进一步采用变换技术来实现更简单、电路复杂度更低的方案。通过大量的仿真验证了所提出的理论，不仅证明了所提出的理论，而且对现有的知识进行了改进。

2.附加的一阶全通滤波器

新开发的具有缓冲输出的第二代双x电流输送器(DXCC-II)的符号和CMOS实现如图所示1．新开发的DXCC-II以矩阵形式表示，其关系如下: 新的附加电压模式一阶全通滤波器拓扑如图所示2．可以注意到，…的位置互换和生成[5，其中未提及的事实。中连续信号的一般传递函数是给定拓扑的特征。“域

图中阻抗的专门化2产生电压模式一阶全通滤波器的缺失电路，如表所示1．滤波器1和滤波器2的电路采用两个无源元件。在滤波1电路中，和保留与作为电阻器作为开路时的电容器和．在滤波器2的电路中，和保留与作为电容器和作为开路时的电阻和．Filter 1和Filter 2的电路都不需要匹配条件。在最后两个滤波器3和滤波器4的电路中，每个情况下使用三个组件。在滤波器3的电路中，，,保留与，电容和作为开路时的电阻．在滤波器4的电路中，，,保留与，电阻和作为开路时的电容器．滤波器1和滤波器2的电路具有单电阻控制的优点。滤波器3的电路也具有单电阻控制的特点，但是非典型的。它还采用了两种接地形式的电容器。滤波器4的电路是典型的使用单个电容，但需要匹配的接地电阻。还需要注意的是，其他有用的一阶模拟函数(例如，有损和损耗少的积分器，高通滤波器等)也可以从图的修改一般拓扑实现2．

3.二阶滤波器

图中阻抗的选择2通过保留所有阻抗产生一个二阶电压模式全通滤波器电路，，,．阻抗的选择是和作为容抗 电阻,为感抗．众所周知，由于电感体积庞大，在集成模拟系统中并没有使用真正的电感，这也成为了有源rc网络引入的一个重要因素。在本文提出的电路中，模拟了浮动电感[13]是用来代替真正的电感。基于DXCC-II的电路[13实现无电阻浮动电感。提出了一种基于模拟电感的电压型二阶全通滤波器如图所示3(一个)．另一电路是通过交换位置得到的和如图所示3 (b)．所提电路的传递函数图3(一个)和3 (b)给药 在哪里为电路图3(一个)和为电路图3 (b)．

极点-的表达式和交于(4)和(5),分别为: 从(4)和(5)，我们发现可以独立调谐吗通过调整的值．

杆的灵敏度数字和的资料如下: 从(6)时，所提出电路的灵敏度数值小于或等于单位值，这意味着良好的灵敏度性能。

现在要强调的是，电感模拟器的值为,在那里和是用于模拟电感器的晶体管的跨导，可由这些晶体管的门电压控制[13］．在这里,跨导是的MOS晶体管，为 代入的值在(3.)，则传递函数为 极点-的表达式和也在(9)和(10),分别为: 杆的灵敏度数字和现予如下: (11)在量级上仍小于或等于单一性，表明灵敏度性能良好。

另一种可能的电路设计是使用频率变换方法[18］．在频率变换中，所有的阻抗都按频率相关因子进行缩放．这样的阻抗级缩放操作是相当合适的，因为这个操作不影响传递函数。这种缩放操作背后的动机是缩放感应阻抗通过以相同的电阻器离开电路，，电感被消除。但是，为了在缩放操作中不改变传递函数，所有组件必须按相同的因子进行缩放。因此，这三种被动要素是: 转换后生成新组件 这样的缩放实际上导致了元件的变换:电阻器成为有价值的电容器"”,一个电感变成一个有值的电阻和电容器为频率相关负电阻(FDNR)，表示为并象征为四条平行线。频率变换后的电路如图所示4(一)．另一电路是通过交换位置得到的和如图所示4 (b)．这里，可以使用DXCC-II的FDNR主动实现[19］．FDNR的主动实现具有单一有源元件和控制电压可调的优点。阻抗函数[19为理想情况给出的为．

所提电路的传递函数图4(一)和4 (b)给药 在哪里为电路图4(一)和为电路图4 (b)．

极点-的表达式和交于(15)和(16),分别为: 杆的灵敏度数字和的资料如下: 从(17)，所提出电路的灵敏度数字均小于或等于单位量级，这意味着良好的灵敏度性能。

作为二阶电压模式全通滤波器的应用，本文给出了产生两相信号的正弦振荡器。电路如图所示5；它由一个电压型二阶全通滤波器和一个单位增益逆变器组成，逆变器的输出被反馈到第一级的输入。可以注意到，逆变器是用DXCC-II本身实现的，输入和输出在和,分别。系统环路增益(定义为,图5)是由 如果环路增益设为单位为，电路如图所示5可以设置为两相正弦振荡，振荡频率为 该电路提供两个电压输出和．电压输出如图所示5是相关的．

4.不理想的分析

非理想的DXCC-II具有以下端口关系: 在这里,和当前的转移收益来自哪里和终端,和终端,分别和电压转移收益来自哪里输入终端和终端,分别电压转移增益是多少终端,终端(缓冲输出)。然而，在非常高的频率下，这些转移增益接近统一[20.］．使用(20.)，提出了采用模拟电感的电压型二阶全通滤波器电路，如图所示3(一个)和3 (b)，得到如下电压传递函数: 在哪里为电路图3(一个)和为电路图3 (b)．

极点-的表达式和的资料如下: 杆的主动和被动灵敏度数字和给出了作为 使用(20.)，所提出的电压模式二阶全通滤波器的频率变换电路如图所示4(一)和4 (b)，得到如下电压传递函数: 在哪里为电路图4(一)和为电路图4 (b)．

极点-的表达式和的资料如下: 杆的主动和被动灵敏度数字和Q为 方程(22)和(26)，表明灵敏度数值均小于或等于量级，表明灵敏度性能良好。当电流转移增益的理想值等于单位时，滤波器参数对电流转移增益的灵敏度仍然小于单位。

5.寄生的考虑

对所提出的电路进行的下一步研究是关于与使用的电流传送带有关的寄生效应。它对于评估任何模拟电路的实际性能具有特殊的意义。典型电流传送带所涉及的各种寄生物[21]为潜在读者所熟知，下文只作简要回顾。所提出的电路中使用的DXCC-II的各种寄生器件是端口寄生虫的形式、港口寄生的以…的形式寄生的和端口寄生。通过考虑上述寄生效应，对所提出的电路进行了重新分析。用仿真电感对电压型二阶全通滤波器电路进行重新分析，如图所示3(一个)收益率: 在哪里，,．

从(27)，很明显寄生电阻/电容与外部值合并。这种合并确实会引起电路参数的轻微偏差。可以从(27)，二阶全通滤波器传递函数的阶数不变。极点-的修正表达式和具有寄生效应的也给出为 其次，从(28)，极点频率将轻微偏移(赤字)，因为这些寄生。该表达式显示了寄生对极点的影响也给出于(29）.极-也会因为寄生而略有偏离。对于集成的DXCC-II，偏差预计会很小。

6.仿真结果

通过PSPICE仿真验证了所提出的新电路。模拟是基于0.5m, TSMC, CMOS参数。表格2图中显示了用于CMOS实现DXCC-II的MOS参数的尺寸1 (b)．电源电压为±2.5 V，，,．在15.92 MHz极点频率下，设计了采用模拟电感的电压型二阶全通滤波器电路。为电压型二阶全通滤波器电路(图3(一个))使用的电阻为，所使用的电容器是有值的，对于无电阻浮动模拟电感，NMOS晶体管的尺寸为．选择偏置电压为0.78 V，以便在每个MOS晶体管上获得20kΩ的电阻。的电容为2 pF，实现0.2 mH的浮动电感。图中电路的增益和相位响应3(一个)如图所示6，极点频率为15.85 MHz，百分比误差为0.44%。在考虑到设计频率相当高的情况下，新电路的有用性尤其值得强调。电压型二阶全通滤波器的输入输出波形如图所示7．输出的傅里叶频谱如图所示8．THD为1.5%，也属中等低水平。输出时THD随输入电压幅值的变化曲线如图所示9．此外，使用FDNR的二阶电压模式全通滤波器电路(图4(一))也是模拟的。图中电路的增益和相位响应4(一)如图所示10．图的电路4(一)设计使用，，为了实现无电阻FDNR, NMOS晶体管的尺寸被选择为= 4米/ 1m.选择偏置电压为1.2 V，以便在MOS晶体管上获得1.6 kΩ的电阻。电容设为和实现FDNR1和FDNR3,分别。本设计中使用的理论极频为25.18 MHz。仿真极点频率为25 MHz，与理论值非常接近，误差仅为0.71%。

二阶电压模式全通滤波器的蒙特卡罗分析(图3(一个))，每个无源组件的高斯偏差为5% (，，,）.分析进行了5次。用蒙特卡罗分析得到的增益和相位响应如图所示11蒙特卡罗分析的时域结果如图所示12．蒙特卡罗分析结果表明，该滤波器具有良好的灵敏度性能。

7.结论

该工作提出了四个附加的电压模式一阶全通滤波器和高输入低输出阻抗的二阶全通滤波器。该电路是基于最近引进的有源元件，即带有缓冲输出的双x电流输送机。作为二阶电压模全通滤波器的应用，给出了电压模振荡器的结构。对提出的电路进行了非理想分析，并讨论了寄生问题。所提出的电路具有良好的主动和被动灵敏度。仿真结果验证了理论的正确性。

致谢

作者感谢学术编辑推荐本文。在提交论文时，《华尔街日报》的文章处理费用被免除。

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