یک فیلتر دو منظوره دو منظوره ولتاژ مبتنی بر CFOA و یک نوسان ساز چهارگانه با استفاده از فیلتر بیکادراتیک مبتنی بر CFOA

در این مقاله یک تقویت کننده عملیاتی بازخورد جریان جدید مقاومت در برابر جریان بالا (CFOA) مبتنی بر ولتاژ حالت چند منظوره دو منظوره و یک نوسان ساز درجه یک ولتاژ با استفاده از فیلتر بیکادراتیک مبتنی بر CFOA با ورودی بالا پیشنهادی ارائه شده است. مقاومت در برابر مقاومت بالا با ولتاژ مبتنی بر CFOA ، فیلتر چند منظوره دو منظوره از سه CFOA ، سه مقاومت و دو خازن زمینی با دو ورودی و سه خروجی استفاده می کند. این فیلتر به طور همزمان می تواند توابع فیلتر باند باند پایین ، غیر معکوس و غیر معکوس باند را در ترمینال امپدانس با ورودی بالا تحقق بخشد در حالی که عملکردهای فیلتر با گذر بالا و غیر معکوس وارونههمچنین می توان با استفاده از ترمینال امپدانس با ورودی بالا دیگر به دست آورد. این فیلتر کنترل متعامد فرکانس زاویه ای رزونانس و فاکتور کیفیت را ارائه می دهد. از فیلتر چند منظوره دو منظوره مبتنی بر CFOA با ورودی بالا می توان برای اجرای یک نوسان ساز چهار ضلعی ولتاژ با یک فرکانس مستقل نوسان ساز و وضعیت نوسان استفاده کرد. از شبیه سازی PSPICE ORCAD و نتایج تجربی مدار یکپارچه تجاری موجود ، AD844AN ، برای تأیید ویژگی های فیلتر و نوسان ساز پیشنهادی استفاده می شود.

کلید واژه ها:

1. معرفی

فیلترهای فعال و نوسان سازها در سیستم های آنالوگ مورد توجه قابل توجهی قرار گرفته اند زیرا اغلب در کارهای مهندسی برقی و الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند [1،2،3،4،5،6،7]. تقویت کننده های عملیاتی بازخورد فعلی (CFOAS) عناصر بسیار جذاب هستند که برای تحقق فیلترهای فعال و نوسان ساز استفاده می شوند. CFOA ها دارای پهنای باند گسترده ای و امتیاز بالاتر از SLEW نسبت به تقویت کننده های عملیاتی ولتاژ معمولی هستند [8،9،10]. CFOA دارای ویژگی های ترمینال مانند تولید جریان فعلی نسل دوم (CCII+) و به دنبال آن یک بافر ولتاژ (VB) است [11،12]. تجاری ترین CFOA ، مانند AD844AN از دستگاه های آنالوگ ، پذیرش محققان را به عنوان یک بلوک ساختمان فعال در طراحی مدار آنالوگ بدست آورده است [13،14]. CFOA با تقویت کننده عملیاتی سنتی متفاوت است زیرا ولتاژ موجود در ترمینال ورودی غیر معکوس به ترمینال ورودی معکوس منتقل می شود و ترمینال ورودی معکوس از امپدانس ورودی کم است.

بسیاری از فیلترهای جهانی دوتایی مبتنی بر CFOA مبتنی بر CFOA در ادبیات ارائه شده است [14،15،16،17،18،19،20]. این تنظیمات مدار می توانند با انتخاب ولتاژهای ورودی مختلف ، تمام توابع انتقال استاندارد را تحقق بخشند. با این حال ، آنها به تزریق یک سیگنال تحریک از یک ترمینال خازن در هر طراحی مدار نیاز دارند و فقط یک/دو عملکرد فیلتر استاندارد حداکثر می توانند به طور همزمان در هر تحقق مدار بدست آورند. یک ورودی چندگانه و فیلتر جهانی خروجی تک با استفاده از چهار CFOA ، پنج مقاومت و دو خازن زمینی در ادبیات گزارش شده است [21]. این مدار ویژگی های کنترل متعامد فرکانس زاویه ای رزونانس را ارائه می دهد (ω_o) و فاکتور کیفیت (Q) ، با استفاده از فقط خازن های زمینی و همچنین امپدانس با ورودی بالا. با این حال ، این مدار گزارش شده نیاز به استفاده از چهار CFOA دارد و برای تحقق عملکرد فیلتر تمام گذر به یک شرط تطبیق جزء نیاز دارد. پیکربندی در ادبیات [22] یک فیلتر دوتایی مبتنی بر CFOA مبتنی بر CFOA تک ورودی دیگر را پیشنهاد کرد. این پیکربندی از سه CFOA ، پنج مقاومت و دو خازن زمینی استفاده می کند. مدار همچنین ویژگی های کنترل متعامد ω را ارائه می دهد_oو س ، با استفاده از فقط خازن های زمینی و همچنین امپدانس با ورودی بالا. با این حال ، این مدار هنوز برای تحقق عملکرد فیلتر تمام گذر به یک شرایط تطبیق مؤلفه نیاز دارد. مشخص شده است که یک ویژگی مفید فیلتر دو منظوره چند منظوره این است که خروجی های کم گذر ، باند ، گذر ، گذر بالا و/یا باند به طور همزمان در گره های مختلف مدار در دسترس هستند. این خروجی های اضافی را می توان در برخی از سیستم ها که بیش از یک عملکرد فیلتر به کار می گیرند استفاده شود [23]. از این رو ، چهار فیلتر دوتایی دوتایی جهانی مبتنی بر CFOA در ادبیات ارائه شد [24]. این پیکربندی های پیشنهادی می توانند به طور همزمان پاسخ های کم گذر ، باند عبور و گذر بالا را تحقق بخشند و چندین برنامه ممکن دیگر مانند در شبکه های متقاطع مورد استفاده در بلندگوهای با وفاداری سه طرفه ، و دموکولرهای استریو فرکانس حلقه قفل شده فاز [[25]مورد علاقه خاص در اینجا فیلترهای چند منظوره مبتنی بر CFOA مبتنی بر CFOA است [26،27،28،29]. بنابراین ، یک ولتاژ غیر معکوس کم گذر (LP) ، باند عبور وارونه (IBP) و فیلتر باند غیر معکوس (BR) با استفاده از سه CFOA ، سه مقاومت و دو خازن زمینی ارائه شده استادبیات [26] اما امپدانس با ورودی بالا را ارائه نمی دهد. یکی دیگر از LP های ولتاژ Mode ، باند غیر معکوس (BP) و فیلتر بالا و غیر معکوس (HP) با استفاده از سه CFOA ، چهار مقاومت و سه خازن زمینی در ادبیات ارائه شده است [27] اما رنج می برد. از اشکال استفاده از سه خازن. یک فیلتر ولتاژ امپدانس با ولتاژ با ورودی بالا ، فیلتر LP ، IBP ، HP و BR با استفاده از چهار CFOA ، چهار مقاومت و دو خازن زمینی در ادبیات ارائه شده است [28] اما از استفاده از چهار CFOA رنج می برد. فیلتر ولتاژ با ولتاژ با ولتاژ بالا ، و فیلتر HP با استفاده از سه CFOA ، چهار مقاومت و دو خازن زمینی در ادبیات پیشنهاد شده است [29] اما دارای یک خازن به صورت سری به بندر X CFOA است. بشرزیرا CFOA دارای مقاومت انگل خروجی غیر قابل اغماض در بندر X ، r است_X، هنگامی که پورت X CFOA توسط یک خازن بارگیری می شود ، منجر به انتقال نادرست توابع می شود.

در این مقاله ، یک پیکربندی فیلتر چند منظوره چند منظوره با ورودی بالا با دو ورودی و سه خروجی با استفاده از سه CFOA ، سه مقاومت و دو خازن زمینی ارائه شده است. مدار با استفاده از تنها یک سیگنال ورودی ولتاژ واحد ، پاسخ های ولتاژ LP ، BP و BR را تحقق می بخشد ، در حالی که می توان پاسخ های IBP و HP را با استفاده از امپدانس با ورودی بالا دیگر از سیگنال ولتاژ ورودی بدست آورد. این مدار امپدانس با ورودی بالا و کنترل متعامد Ω را نشان می دهد_oو Q. علاوه بر این ، فیلتر چند منظوره دو منظوره مبتنی بر CFOA مبتنی بر CFOA می تواند به راحتی به یک نوسان ساز درجه یک ولتاژ تبدیل شود. برخلاف فیلترهای دو منظوره دو منظوره ولتاژ مبتنی بر CFOA که قبلاً گزارش شده بود [26،27،28،29] ، فیلتر پیشنهادی تمام مزایای زیر را برآورده می کند-(i) فقط سه CFOA ، سه مقاومت و دو خازن زمینی ، استفاده می کند.(ii) می تواند به طور همزمان پاسخ های فیلتر LP ، BP و BR را با یک ورودی واحد و سه خروجی با استفاده از تنها یک سیگنال ورودی ولتاژ واحد داشته باشد در حالی که پاسخ های فیلتر IBP و HP با استفاده از سیگنال ولتاژ ورودی دیگر قابل تحقق است.(iii) امپدانس با ورودی بالا ، (IV) کنترل متعامد ω دارد_oو Q ، (v) هیچ خازنی ندارد که قطب های اضافی را که عملکرد فرکانس بالا آن را تخریب می کند ، وارد کند ، (VI) نیازی به سیگنال ورودی ولتاژ از نوع معکوس ندارد ، و (VII) می تواند به راحتی به یک نوسان ساز سینوسی درجه چهار ولتاژ منتقل شود. خواص فیلتر پیشنهادی و نوسان ساز توسط شبیه سازی PSPICE و علاوه بر این با اندازه گیری های تجربی تأیید شده است. مدار پیشنهادی با فیلترهای چند منظوره دو منظوره دو منظوره ولتاژ با استفاده از CFOAS در جدول 1 مقایسه شده است.

2. مدارهای پیشنهادی

2. 1فیلتر دو منظوره چند منظوره ولتاژ

CFOA یک بلوک ساختمان آنالوگ چهار ترمینال است که به صورت نمادین در شکل 1 [11] نشان داده شده است ، با یک معادله ماتریس توصیف شده از فرم زیر:

[i y v x i z v o] = [0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0] [v y i x v z i o]

CFOA با اتصال آبشار CCII+ و به دنبال آن یک VB تحقق می یابد ، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است [11،12]. این مزیت های CCII+ و VB مانند مقاومت در برابر ورودی (ترمینال Y) ، امپدانس ورودی کم (ترمینال X) ، امپدانس خروجی کم (ترمینال O) ، امپدانس خروجی بالا (ترمینال Z) ، دقت بالا و پهنای باند بزرگ را جمع می کند. بشرولتاژ در ترمینال X از ولتاژ در ترمینال Y در بزرگی پیروی می کند. جریان خروجی در ترمینال Z جریان را در ترمینال X در بزرگی دنبال می کند. افت ولتاژ در ترمینال Z با افزایش ولتاژ وحدت به ترمینال O ارسال می شود. فیلتر دوتایی مبتنی بر ولتاژ با ولتاژ با ولتاژ بالا با ورودی بالا با دو ورودی و سه خروجی در شکل 3 نشان داده شده است که شامل سه CFOA ، دو خازن زمینی و سه مقاومت است. استفاده از خازن های زمینی به ویژه برای اجرای مدار یکپارچه (IC) جذاب است. در شکل 3 ، سیگنال ولتاژ ورودی مستقیماً به ترمینال y CFOA متصل می شود و جریان ورودی به y ترمینال CFOA صفر است ، مدار دارای ویژگی امپدانس با ورودی بالا است. تجزیه و تحلیل روتین فیلتر در شکل 3 سه ولتاژ خروجی زیر را نشان می دهد:

V o 1 = V I 1 - S C 2 R 2 V I 2 S 2 C 1 C 2 R 2 R 3 + S C 1 R 1 + 1 V o 2 = S C 1 R 3 V I 1 + (S C 1 R 1 + 1) V I 2 S 2 C 1 C 2 R 2 R 3 + S C 1 R 1 + 1

V O 3 = (S 2 C 1 C 2 R 2 R 3 + 1) V I 1 + S 2 C 1 C 2 R 1 R 2 V I 2 S 2 C 1 C 2 R 2 R 3 + S C 1 R1 + 1

همانطور که توسط معادلات (2) - (4) نشان داده شده است._i2= 0 (زمینی) و V_i1 = V_inتوسط سیگنال ولتاژ ورودی داده می شود و سپس توابع فیلتر LP ، BP و BR توسط:

v o 1 v i n = v l p v i n = 1 s 2 c 1 c 2 r 2 r 3 + s c 1 r 1 + 1 v o 2 v i n = v b p v i n = s c 1 r 3 s 2 c 1 c 2 r 2 r 3 + s c 1 r 1 + 1 V O 3 V I N = V B R V I N = S 2 C 1 C 2 R 2 R 3 + 1 S 2 C 1 C 2 R 2 R 3 + S C 1 R 1 + 1

با اجازه دادن به V_i1= 0 (زمینی) و اثبات V_i2 = V_in، توابع فیلتر IBP و HP را می توان به راحتی از دو ولتاژ V به دست آورد_o1و v_o3به شرح زیر است:

v o 1 v i n = v i b p v i n = - s c 2 r 2 s 2 c 1 c 2 r 2 r 3 + s c 1 r 1 + 1 v o 3 v i n = v h p v i n = s 2 c 1 c 2 r 1 r 2 s 2 c 1 c 2 r 2 r 3 + s c 1 r 1 + 1

همانطور که در معادلات (5) - (9) نشان داده شده است ، فیلتر پیشنهادی به طور همزمان پاسخ های ولتاژ LP ، BP و BR را فراهم می کند در حالی که می توان پاسخ های IBP و HP را نیز بدست آورد. دستاوردهای باند پاس ، g_BP, G_IBP، و g_HP، برای پاسخ های BP ، IBP و HP توسط:

g bp = r 3 r 1 ، g ibp = - c 2 r 2 c 1 r 1 ، g hp = r 1 r 3

در جدول 2 دو ورودی و سه خروجی فیلتر چند منظوره دو منظوره مبتنی بر CFOA از توابع انتقال خلاصه می شود.

مقایسه عبارت برای مخرج با معادله مشخصه d (s) = s 2 + ω 0 q s + ω 0 2 ، پارامترهای ω_oو Q از فیلتر پیشنهادی توسط:

ω o = 1 c 1 c 2 r 2 r 3 q = 1 r 1 c 2 r 2 r 3 c 1

معادلات (11) و (12) نشان می دهد که پارامتر q را می توان با تنظیم مقاومت r تنظیم کرد₁بدون تأثیر ω_oبشربه عبارت دیگر ، q و ω_oاز نظر ارتوگون قابل تنظیم هستند. کنترل ارتوگونی یک ویژگی مطلوب برای طراحی و تنظیم انعطاف پذیری فیلترهای دوکادراتیک است.

2. 2نوسان ساز سینوسی درجه چهار ولتاژ

در شکل 3 ، با وارد کردن مقاومت بین ولتاژ V_o1و ترمینال X از CFOA سوم ، فیلتر دو منظوره دو منظوره ولتاژ مبتنی بر CFOA ارائه شده را می توان با ساخت V به یک نوسان ساز درجه یک ولتاژ تبدیل کرد_i1 = V_i2= 0. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است ، یک نوسان ساز سینوسی درجه یک ولتاژ جدید بر اساس فیلتر پیشنهادی در شکل 3 ارائه شده است.

معادله مشخصه اسیلاتور چهارگوش در شکل 4 می تواند به صورت زیر بیان شود: S 2 C 1 C 2 R 2 R 3 + S (C 1 R 1 - C 2 R 2 R 3 R 4) + 1 = 0

فراوانی نوسان ساز (FO) و وضعیت نوسان (CO) شکل 4 را می توان به دست آورد: