基于单otra的正弦振荡器的新实现

摘要

本研究提出了三种基于操作转级放大器（OTRA）的新的正弦振荡器。每个提议的振荡器电路包括一个OTRA与少数无源元件组成。第一电路是基于OTRA的最小RC振荡器。第二电路能够在振荡条件下提供独立的控制而不影响振荡频率。第三电路通过电容器呈现独立控制振荡频率。本研究首先介绍了所提出的振荡器电路的OTRA和相关配方，然后讨论所呈现的电路的非抗性效应，灵敏度分析和频率稳定性。所提出的振荡器表现出低灵敏度和良好的频率稳定性。由于所提出的电路具有低阻抗输出，所以它们可以直接连接到下一个阶段，而无需级联附加电压缓冲器。HSPICE模拟和实验结果证实了新振荡器电路的可行性。

1.介绍

正弦振荡器在许多电子设备中构成一个重要的单元，包括电子仪器、测量系统、电信、功率转换控制电路和信号处理应用。1］.在过去的几年中，在广泛的电路系统中，正弦振荡器的典型配置是将运算放大器(运放)和附加的无源组件结合起来。使用运放作为有源器件的正弦振荡器有很多[2，3.］.然而，运算放大器有限的增益带宽乘积降低了振荡器电路的性能。为了克服这个问题，研究人员在过去的几十年里研究了用于信号处理的电流模式电路技术，因为它们比电压模式电路具有更高的精度、更宽的带宽和更高的转换速率的优势[4］.先前的研究提出了几种使用电流传输器(CCs)和电流反馈放大器(CFOAs)的正弦振荡器实现[5- - - - - -8]，文献中包含了许多由不同类型的现代有源器件构成的正弦振荡器[9- - - - - -12］.自1992年引入OTRA以来，它已成为模拟电路设计的重要组成部分[13］.随后的开发导致了两种高性能CMOS OTRA实现[14，15］.OTRA也可以使用商业上可用的集成电路来实施[16，并激发了人们对基于otra的模拟信号处理电路设计的兴趣。提出了几种基于OTRAs的振荡器电路[17- - - - - -21］.据我们所知，第一个使用OTRA作为有源器件的振荡器电路出现在[17］.该研究首先介绍了三个基于otra的单振荡器电路，然后介绍了使用两个otra的另外四个拓扑。然而，这些电路的主要缺点是它们需要过多的有源器件和无源器件。为了克服这个问题，一个改进的拓扑结构建立了一个单一的OTRA，三个电阻，和两个电容，随后报道，以减少组件计数[18］.最近的研究提出了一种基于otra的非交互控制振荡器[19］.然而，这种设计受到复杂电路的影响，包括两个ottra、三个电阻和三个电容。一篇文献综述介绍了其他类型的正弦振荡器，如正交振荡器和多相振荡器，它们使用OTRA作为有源器件[20.，21］.以前的研究表明，一种产生正交振荡器的有效方法是基于级联全通滤波器技术[20.，22，23］.虽然单一的基于otra的正弦振荡器出现在以前的报告中，但在文献中缺少一些有效的拓扑结构。因此，本文的主要目的是将三个未发表的方案添加到这个列表中。在本研究的三种拓扑结构中，需要一个具有少量无源组件的OTRA。由于基于OTRA的应用电路受到越来越多的关注，我们认为这些全新的电路结构可以很好地利用OTRA来设计正弦振荡器。为了说明提出的拓扑结构的新颖性，表中显示了各种解决方案的比较1．需要指出的是，在现有电路中，本文提出的振荡器具有以下优点:使用较少或相同数量的有源器件和无源器件;独立控制振荡条件(振荡频率)，不影响振荡频率(振荡条件);主动式和被动式灵敏度低;良好的频率稳定性;对寄生参数不敏感;和没有用于级联应用程序的额外缓冲区。本文组织如下。部分2首先介绍了有源超调阻抗器件，然后对所提出的电路进行了解释和分析。部分3.研究了所提电路的非理想效应、灵敏度分析和频率稳定性。部分4描述如何制作示例进行模拟和实验测试。部分5提出了结论。

2.电路的描述

OTRA的设计理念源自诺顿商用放大器[24，25］.然而，诺顿放大器没有得到相当多的关注，因为商业产品没有提供一个虚拟地在输入端子，他们只允许输入电流在一个方向流动。这些不利条件限制了它的应用。因此，提出了一种改进的设计，并重新命名为operational transresistance amplifier (OTRA) [13］.OTRA是一种跨阻抗型有源构建块，具有两个电流输入端子(和)及电压输出端()，这意味着输入电流通过跨电阻增益控制输出电压。数字1显示了本研究中使用的OTRA的电路图。其终端关系可定义为(1),表示跨电阻增益。在理想情况下，跨电阻增益趋近于无穷，两个输入电流必须相等。然而，这只会发生在当OTRA被用于闭环反馈环路和无限反馈环路增益确保这一点。由于OTRA的输入端子是内部接地的，因此该有源器件不受许多寄生效应的影响[26］.使用OTRA设计模拟电路的另一个优点是，在级联应用中可以获得非常精确的传递函数[20.]：

数字2描述了一种可行的CMOS OTRA，由差分电流控制电流源(DCCCS)和电压缓冲器组成[15］.图中的DCCCS单元是基于晶体管的来,来形成电压缓冲器。此外，OTRA可以很容易地使用商业可用的ic实现，其配置由两个AD844ANs组成[16)(图3.）.如果终端第二个AD844AN是一个开路电路，可以确定理想的OTRA的精确行为。由于AD844AN IC被广泛应用于各种模拟电路中，其实现如图所示3.提供了一种可行的方法来实现OTRA，即使这种装置目前还没有。

数字4显示了提出的新振子。每条电路由一个ottra和几个无源元件组成。由于最小无源分量正弦振荡器在文献中得到了广泛的关注[27，28，本研究首先介绍了a拓扑来实现最小RC组件设计(图4(一)）.假设理想的OTRA为(1)，常规电路分析得到的特征方程为2）.方程(3.)和(4)分别确定振荡条件和振荡频率。振荡条件和振荡频率不能在这个电路上独立控制，因为它是一个最小RC振荡器:

为了在不影响振荡频率的情况下实现对振荡条件的独立控制，第二种拓扑采用了一个带有三个电阻和两个电容的OTRA(图)4 (b)）.方程(5)(7)导出该电路的特征方程、振荡条件和振荡频率的表达式。其中,，,表示电阻的相应导纳，,,分别。方程(6)和(7)表示准入可以在不影响振荡频率的情况下控制振荡条件:

在不影响振荡条件的情况下，也可以实现对振荡频率的独立控制。在这种情况下，图4 (b)说明了改变电阻器成为电容器生成第三个拓扑，如图所示4 (c)．常规电路分析表明，该电路的特征方程、振荡条件和振荡频率表示为

该振荡器可以被认为是一个单电容控制振荡器(SCCO)，因为振荡频率可以被独立控制．本研究提出的方案提供了一个更紧凑的电路拓扑比以前的设计(单电容控制振荡器)报道在[17］.然而，典型的单电容控制振荡器不能提供优良的振荡频率调谐能力。为了获得振荡频率的高调谐能力，可以采用可调谐电容模拟电路来克服这一问题[29］.与[17][数据和，所提出的振荡器采用相对较少的无源元件来实现对振荡条件和振荡频率的独立控制拓扑。由于基于OTRA的应用电路近年来受到越来越多的关注，提出的振荡器电路可以作为应用于OTRA电路系统的实际设计。

3.拟议电路的非理想分析

本节考虑几个非理想特性，以确定非理想效应对所提出电路的影响。根据数据表[30.的研究结果表明，AD844AN集成电路可以被建模为正的第二代电流输送器(CCII+)，级联一个具有固有寄生电阻和有限跟踪误差的电压缓冲器。数字5揭示了一个更复杂的OTRA电路模型(图3.),和是终端寄生抗性。在这个设计中,是几十欧姆的量级，然而在几兆欧姆的范围内。表示来自终端的当前跟踪误差因子对于逆变终端。AD844AN datasheet表明这些参数的标准值为， ,米．数字5包括相关电流的结果表达式。由于每个CCII+的非反相端接地，非反相端寄生电阻和反相端与非反相端电压跟踪误差效应在电路模型中都消失了。

将非理想OTRA等效电路模型应用于图中所示的电路4，冗长的推导可得到下列修正特征方程、振荡条件和振荡频率。图的特征方程4(一)就变成了 在哪里和表示寄生电阻的相应导纳和,分别。给出了修正的振动条件和振动频率 的参数被定义为

方程(12)和(13)揭示了非理想电流跟踪误差和寄生虫另外和影响振荡条件和振荡频率。但是，参数的影响因为寄生导纳可以忽略吗比在大小。还要注意寄生导纳稍微改变一下这个电路的振荡频率。这种轻微的偏差可以通过选择来补偿以减少对电路的影响。利用(13)，电路的有源和无源灵敏度(图4(一)) 的条件，．电路表现出良好的灵敏度性能，因为所有的有源和无源灵敏度都小于一个量级。对图4 (b)电路中，改进的特征方程为 给出了修正的振动条件和振动频率

方程(17)和(18)显示参数分别稍微改变振荡条件和振荡频率。同样，这个微小的偏差可以被忽略，因为参数表示拟议电路中的一个非常小的值。该电路的有源和无源灵敏度由(19）.方程(19)表明，由于该参数的影响，主、被动灵敏度均较低几乎为零: 电路如图所示4 (c)有以下修正特征方程: 给出了修正的振动条件和振动频率

方程(21)和(22)显示参数分别影响振荡条件和振荡频率。然而，非理想效应的影响几乎可以忽略不计，因为参数是一个非常小的值，理想情况下接近于零。电路的有源和无源灵敏度为

方程(23)表明当是，值和不要超过50%。此外,，,趋近于零是因为导纳是非常小的值(，在理想情况下)。因此，主动和被动的灵敏度都很低。因此，为了消除非理想效应，减小灵敏度对所提出电路的影响，需要满足以下条件:，,．考虑到集成方面，所提出的振荡电路的顶板和底板寄生电容为和可使之改变振荡电路的顺序，并改变其振荡频率。为了减小顶板和底板寄生电容的影响和在提出的振子上，一种先进的布局技术可用于克服这一障碍[31］.表格2总结了所提出的振子的关键方程。

频率稳定性是正弦振荡器的一个重要性能指标[1］.频率稳定系数被定义为 在哪里和表示振荡器电路的开环传递函数的相位函数。使用(24),表2给出了所提出的振荡器的频率稳定因子。从表中可以看出，选择较大的值可以获得较好的频率稳定性用于建议的电路。

4.仿真与实验结果

为了验证所提电路的可行性，采用商业AD844AN ic来实现OTRA(图)3.)以执行实验测试。所有实验都是在±5v的电源电压下进行的。使用如图所示的CMOS OTRA实现的电路仿真程序HSPICE对所提出的电路进行了仿真2．所提振子的振荡条件和振荡频率的可行设计程序(图4)的安排如下。对图4(一)电路,，并指定振荡频率。因此,值和可使用(4）.的图4 (b)电路,和被选择。从(6)和(7)，当给定振荡频率时，可以确定。对于最后的振荡器(图4 (c))，是第一个分配的，因此是由(9）.随后，值可以从(10)，当指定振荡频率时。例如，图中的振荡器4(一)设计与k，k,nF。以及非理想参数， ,米，这导致了94.98 kHz的理论振荡频率。实验结果见图6(一)振荡频率为97.54 kHz，与理论预测接近。理论结果与实验结果的误差百分比为2.62%。数字6 (b)显示相应的频谱。总谐波失真百分比(THD)测量为2.52%。实验结果表明，由于图的原因，该电路有轻微的失真4(一)电路提出了具有最小RC设计的紧凑电路拓扑[9，27，28］.但是，可以使用附加的辅助幅度控制电路和技术，通过外部手段使产生的输出信号产生较低的失真[32］.图中的振子4 (b)设计与k，k,nF,和非理想参数， ,米．数字7给出了实验结果的输出波形和相应的频谱。在这种情况下，振荡频率的理论值为104.16 kHz，而实验结果(图7(一))显示的振荡频率为102.5千赫。理论结果与实验结果的百分比误差为1.59%。THD百分比为2.64%。

图中的振荡器4 (c)设计与k，k,nF,nF,nF。振荡频率的理论值确定为99.85 kHz。实验结果见图8(一个)显示出的振荡频率为101.3 kHz。理论结果与实验结果的百分比误差为1.43%。数字8 (b)表示对应的频谱和THD百分比为2.98%。

考虑到CMOS技术的成就，图2提出了模拟测试的OTRA的替代实现。为此，图中所示的所有电路4使用基于CMOS OTRA的HSPICE程序进行模拟(图2）.所有模拟均由TSMC 0.35进行μm MOS晶体管参数与[15］.CMOS OTRA(图2)偏置，电源为±2.5 V。偏置电流和电压μ一个,V,V是集。数字9(一个)仿真结果如图所示4(一)与k，k，nF,nF,被设计成比达到良好的频率稳定性。仿真结果表明，振荡频率为108.48 kHz(理论值为109.87 kHz)，理论值与仿真振荡频率结果的百分比误差仅为1.26%。这些电路振荡频率与理论值的微小偏差是由CMOS OTRA的非理想性引起的。数字9 (b)结果表明，仿真结果对频谱和百分比THD的分析为2.59%。图中电路4 (b)用以下值进行模拟:k，k，k，nF,nF。在这些设计值下，计算出振荡频率理论值为148.28 kHz。数字10给出了输出波形及其输出频谱的仿真结果。数字10 ()结果表明，输出波形的振荡频率为150.01 kHz。数字10 (b)结果表明，理论计算结果与仿真结果的误差为1.15%。

为图中的电路4 (c)时，无源元件被选择为k，k，nF,nF,nF。这种设计产生的理论振荡器频率为106.1 kHz。数字(11日)显示所选示例的HSPICE仿真得到的输出波形视图。仿真结果表明，振荡频率为105.08 kHz，与理论预测接近。理论计算结果与仿真结果的振荡频率百分比误差为0.96%。数字11 (b)显示相应的输出频谱，分析的百分比THD为0.56%。这些结果再次验证了HSPICE模拟与理论分析的良好一致性。仿真结果表明，基于otra的CMOS解决方案可以提供更好的输出波形，且信号失真小。关于建议电路的最高适用工作频率(图4 (c))，一种带有数值的实验测试k，k，nF,nF,执行nF是为了探索这个特性。数字12给出了电路输出波形的仿真结果(图4 (c))，振荡频率为260.35 kHz，接近理论值261.21 kHz。基于CMOS OTRA电路，所提出的振荡器的最高适用工作频率仅在大约几百kHz处得到证明(图)2）.在这种情况下，理论结果与实验结果的百分比误差为0.79%。为了演示使用电阻来控制振荡频率的特性，图4 (b)电路被用来研究这种现象。通过采用nF和nF,分配和变化从10k20 k在1 k步骤。数字13给出了振荡频率变化的理论和仿真结果。实验结果与理论预测相符。实验测试表明，所提出的振荡器可以使用市售的AD844AN ic或CMOS技术实现。

5.结论

本研究报告了三种在开放文献中未见过的新的正弦振荡器。每个电路由一个单独的ottra和一些外部无源元件组成。第一个电路具有最小RC元件设计。第二和第三电路分别提供对振荡条件和振荡频率的独立控制。所提出的电路对振荡频率也表现出较低的有源和无源灵敏度，并且由于OTRA内部的接地输入端子，所提出的电路中的大多数寄生参数消失了。本研究的HSPICE仿真和实验测量验证了所提电路的有效性。提出的拓扑结构为OTRA器件提供了全新的正弦振荡器。由于其简单性，这些新方案有望在现代模拟电路系统中得到广泛应用。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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