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1、3.1 Multisim 元件库中元件库中 OTA 模块的创建模块的创建3.1.1 Multisim 简介简介Multisim 10 是加拿大 Interactive Image Technologies 公司推出的 Multisim 版本，是该公司电子线路仿真软件 EWB（Electronics Workbench,虚拟电子工作台）的升级版。Multisim 10 用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现“软件即元器件”和“软件即仪器”。Multisim 10 是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。Multisim 10 的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实
2、验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪。Multisim 10 具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅立叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。Multisim 10 可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路、及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短
3、路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。利用 Multisim 10 可以实现计算机仿真设计与虚拟试验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边试验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便的对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验
4、速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用28。本设计结合 Multisim 10 对二阶有源滤波器进行了电路的设计和仿真，加深了对电子电路设计的理解，方便了应用。3.1.2 OTA 模块的创建模块的创建 Multisim 为设计、仿真和布局完整的印刷电路板提供了一个集成的平台。高度灵活的数据库管理程序，使得为自定义原理图符号添加新的 Spice 仿真模型变得十分方便，该原理图符号可用于将精确的封装转换为布局。在 Multisim中将上述改进型大线性范围的宽带 CMOS OTA 电路创建为自定义元器件，命名为 OTA_2，如图 3.1 所示。OTA_2OTA_2VC2 VIP V
5、INIoVDD1VSS1图 3.1 Multisim 中创建的 OTA 模块Fig.3.1 OTA module establishing in Multisim3.2 OTA-C 双二次节电压转移函数双二次节电压转移函数滤波器的传输函数可以写成下面的有理多项式形式：011 1011 1)(asasasbsbsbsSHn nnn nn (3.1)其中，s 是复频率变量，n 是滤波器的阶数。上式中多项式的系数，和，决定了滤波器的类型，如低0a1a0b1b通、高通、带通、带阻等，也决定了同类滤波器（如低通）的幅频与相频特性曲线的形状。传输函数的分子、分母都是 s 的二次多项式的滤波器叫双二次滤波器
6、。传输函数可以写成下面的形式：0120122 )(asasbsbsbSH(3.2)低通、高通、带通、带阻滤波器的传输函数只是上式的特例14,29-33。二阶低通滤波器传输函数的标准形式为：2 0022 00 )/()(sQsHSH(3.3)二阶高通滤波器传输函数的标准形式为：2 0022 0 )/()(sQssHSH(3.4)二阶带通滤波器传输函数的标准形式为：2 0020 )/()/()(sQssQHSH(3.5)二阶带阻滤波器传输函数的标准形式为：2 002220)/()(sQssHSHn(3.6)二阶全通滤波器传输函数的标准形式为：2 0022 020)/()/()(sQssQsHSH(
7、3.7)双二次 OTA-C 滤波器的结构之一如图 3.2 所示。它由三个通路（分别加输入信号 VA、VB、VC）和两个环路组成。VAVBVCVOsK1 sK2图 3.2 双二次 OTA-C 滤波器结构Fig.3.2 Two repeated OTA-C filter structure利用 Mason 法则，可以写出2122212222122 2211)(KKsKsVKKsVKVssKK sKVVsKVsKKsVABCCBAO (3.8)这是一个双二次滤波器的特性公式。改变输入节点和接地点，可以实现不同的滤波功能：令，信号自 A 点输入，代入式 3.8，可得：0CBVV，是二阶低通滤波器函数；
8、212221)(KKsKsVKKsVA O令，信号自 B 点输入，代入式 3.8，可得：0CAVV，是二阶带通滤波器函数；21222)(KKsKssVKsVB O令，信号自 C 点输入，代入式 3.8，可得：0BAVV，是二阶高通滤波器函数；21222 )(KKsKsVssVC O令，将 A，C 两端相连作输入端，代入式 3.8，可得：0BV，是二阶带阻滤波器函数。2122212 )(KKsKsVKKVssVAC O3.3 双双 OTA 二阶滤波器设计二阶滤波器设计3.3.1 双双 OTA 二阶滤波器应用原理二阶滤波器应用原理 C1C2VOVAVBVCgm1 gm2Io1Io2图 3.3 双
9、OTA 二阶滤波器电路原理图Fig.3.3 Pair of OTA second order filter circuit 一种典型的双 OTA 二阶滤波器电路原理图如图 3.3 所示14。这个电路中包含两个 OTA 和两个电容，其中第一个 OTA 和电容组成理想积分器，第二个OTA 和电容组成有损耗积分器。输入信号有三个接人点，分别用 VA、VB、VC表示；输出信号有两个负反馈环路。该电路的性能特点是极点频率值可以独立调节。对图 3.1 所示电路，可以写出一下方程式：11)(mOAogVVI(3.9)2 112)1(moBoogVVSCII(3.10)cooVSCIV221(3.11)两个积
10、分器的传输函数分别为和，与图 3.2 相比较可知：11 sCgm22 sCgm11 1CgKm(3.12)22 2CgKm(3.13)代入式 3.8，得：2121212212 2121)(mmmCBmAmm OgggsCCCsVCCsVgsCVggsV(3.14)此双 OTA 二阶滤波器的极点频率和极点 Q 值分别为：2121 CCggmm p(3.15)1221 CgCgQmm p(3.16)当满足条件 gm1=gm2=gm时，p、Qp分别为：21CCgmp(3.17)12 CCQp(3.18)极点频率 p正比于 gm值，因此，改变 gm可对 p作线性调节；极点 Q 值为常数，其值由 C1与
11、 C2的比值决定，不能用外部电信号调节 Q 值。当输入电压 Vi分别作用于一个或几个输入端时，传输函数将分别具有不同类型的滤波特性。输入信号接入点位置及接地点位置与传输函数类型的对应关系如表 3.1 所示。表 3.1 输入条件与滤波特性表Table3.1 Import condition and the filtering characteristic property form功能输入端接法传输函数Qpp低通滤波AiVV 0CBVV21212222121CCgg CgSSCCggmmmmm12 CC21CCgm带通滤波BiVV 0CAVV212122222CCgg CgSSCgSmmmm12
12、 CC21CCgm高通滤波CiVV 0BAVV21212222CCgg CgSSSmmm12 CC21CCgm带阻滤波0BVCAiVVV212122221212CCgg CgSSCCggSmmmmm12 CC21CCgm根据表中内容，可得不同特性幅频响应的幅值如下：低通：，1)0(jH0)(jH带通：，1)(pjH0)()0(jHjH高通：，0)0(jH1)(jH带阻：，0)(pjH1)()0(jHjH3.3.2 双双 OTA 二阶滤波器电路仿真二阶滤波器电路仿真3.3.2.1 双双 OTA 二阶低通滤波器二阶低通滤波器双 OTA 二阶低通滤波器的电路图如图 3.4 所示。X2OTA_2VC2
13、VC2 VIPVIP VINVINIoIoVDD1VDD1VSS1VSS1X1OTA_2VC2VC2 VIPVIP VINVINIoIoVDD1VDD1VSS1VSS1C1R310kV112V-12VV21mVpk 1kHz 0 C2XSC1ABExt Trig +_+_XBP1INOUT图 3.4 双 OTA 二阶低通滤波器电路图Fig.3.4 Pair of OTA second order low pass filter circuit 取偏置电压 VC2 为固定值-2.5V，调节 C1、C2 参数，观察波特图变化情况。当 C1=C2=1pF 时，截止频率高达 1GHz。调整电容 C1=
14、C2=1uF，截止频率为15.8kHZ，观察波特图如图 3.5 所示。因此，在 VC2 为定值时，电容越大，截止频率越低。取电容为固定值 C1=C2=1uF，调节偏置电压 VC2 大小，观察波特图变化情况。当 VC2=-5V 时，截止频率为 29KHz，减小 VC2 至-0.4V 时，截止频率为2.84KHz，再减小报错，为最小值。VC2 可增大至-7V，此时截止频率为37kHz。因此，在电容固定的情况下，VC2 绝对值越大，截止频率越高。VC2可以在-0.4V-7V 之间调节。图 3.5 双 OTA 二阶低通滤波器幅频特性曲线Fig.3.5 Pair of OTA second order
15、low pass filter amplitude-frequency characteristic curve3.3.2.2 双双 OTA 二阶带通滤波器二阶带通滤波器双 OTA 二阶带通滤波器的电路图如图 3.6 所示。X2OTA_2VC2VC2 VIPVIP VINVINIoIoVDD1VDD1VSS1VSS1X1OTA_2VC2VC2 VIPVIP VINVINIoIoVDD1VDD1VSS1VSS1C1R310kV112V-12VV21mVpk 270kHz 0 C2XSC1ABExt Trig +_+_XBP1INOUT图 3.6 双 OTA 二阶带通滤波器电路图Fig.3.6 P
16、air of OTA second order band pass filter circuit diagram取偏置电压 VC2 为固定值-5V，调节 C1、C2 参数，观察波特图变化情况。发现当调节参数 C1 时，带通滤波器的下限截止频率随之变化，C1 增大，曲线左移；当调节参数 C2 时，带通滤波器的上限截止频率随之变化，C2 增大，曲线右移。当 C1=C2 时无通带。图 3.7 双 OTA 二阶带通滤波器幅频特性曲线Fig.3.7 Pair of OTA second order band pass filter amplitude-frequency characteristic curve取电容为
