电压模式振荡器中的新CDBA应用：实用性和可行性的验证

工程科学与技术，国际期刊21（2018）43完整文章一种新的接地电容电压模式正交振荡器：CDBA的应用Tajinder Singh AroraSunday，Soumya GuptaMaharaja Surajmal Institute of Technology，Janakpuri，新德里，印度阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年10月29日收到2018年1月10日修订2018年1月13日接受在线提供2018年保留字：单电阻控制振荡器正交输出电流差分缓冲放大器电压模式振荡器A B S T R A C T本文采用电流差分缓冲放大器作为有源器件，虚接地电阻和虚接地电容作为无源器件，实现了一种单阻控振荡器。工作在电压模式下，所设计的电路能够产生正交输出，以及振荡频率和振荡条件的明确控制。首先，使用PSPICE仿真软件得到的结果证明了设计的实用性和可行性仿真结果包括时间响应和频率响应输出产生的使用市售的I.C.的CFOA，即AD844，以及通过使用所采用的有源器件的CMOS结构。随后，还包括设计的硬件实验，其中采用了AD844和标准元件在这两种情况下都得到了验证结果©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍模拟信号处理遇到广泛使用的滤波器和振荡器[1，2，3]。在文献中，经常可以看到使用各种不同的有源器件，如电流反馈运算放大器（CFOA）[4，5]、电流传送器（CC）[6，7]、差分电压电流传送器（DVCC）[8，9]、电压差分电流传送器（VDCC）[10，11]、运算跨导放大器（OTA）[12，13]1999年，Acar和Ozoguz[14]提出了一种新的有源构建模块，称为电流差分缓冲放大器（CDBA）。这款多功能器件具有宽频率范围，适用于电流和电压模式操作。这些特性促使CDBA广泛用于实现滤波器、振荡器和转换器等电路[15，16]以及其中引用的参考文献单电阻控制振荡器（SRCO）是指产生连续周期性振荡电子信号的块和振荡条件（C.O.）可由单独的单个电阻元件控制正交正弦振荡器是一种可产生90°相移输出的振荡器，为了评估SRCO配置的效率，考虑了几个因素，例如*通讯作者。电子邮件地址：tajarora@msit.in（T.S. Arora）。由Karabuk大学负责进行同行审查如：（a）使用最少的有源和无源元件，(b)F.O.的有效可调性还有狱警(c)设计的振荡器的工作频率，（d）更容易级联，和（e）有效的集成电路实现等。为了进一步研究CDBA器件的多功能性，作者设计了一种用作振荡器的网络，它具有以下特点：（a）两个有源元件，（b）低无源元件数，（c）F.O.还有狱警(d)接地电容器和因此更容易的IC实现，（e）高振荡频率和（f）正交输出的产生基于上述特征，表1提供了详细的比较。根据表格，CDBA所做的工作之一[23]这是一个类似的工作。然而，其他有价值的因素，成为比较的基础是振荡频率，IC就业人数和模拟结果。在设计的SRCO中实现的振荡频率为500 kHz，而在先前的工作[23]中实现的振荡频率为15.91kHz。此外，仿真结果显示仅使用AD 844，但本工作中的仿真使用CMOS和AD 844。在模拟建议的SRCO[23]时，使用了4个AD844，但此处仅使用了3个。因此，与先前设计的SRCO相比，本手稿的拟议配置具有其他几个优点根据进行的文献调查，有许多电路在文献中提供的一些提到的功能，但没有电路有能力支持所有的功能和模拟在这项工作中提出的。因此，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.01.0062215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch44T.S. 阿罗拉，S.Gupta/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）43表1以前的工作和提出的工作之间的比较参考编号CDBA数量无源元件所有接地电容器独立指挥官。和FO。[17个]25没有是的[18个国家]26是的是的[19个]26是的是的[20个]26没有是的[21日]15没有是的[22日]28没有没有[23日]25是的是的[24]第二十四话26是的是的[24]第24话26没有是的[25日]25没有是的[26日]25没有是的提出的电路25是的是的通过这份手稿，成功地弥合了以前电路与设计电路之间的差距。分为不同的部分，本节介绍了模拟信号处理，正交振荡器和以前的工作和提出的工作之间的比较。 而下一节，即第2节，将介绍本手稿的活动构建块（CDBA）。第三部分是所设计的电路及其理想分析。非理想和敏感性分析见第4节。第5节是考虑寄生效应时的结构分析。THD结果的列表见第6节。第七节是理论分析部分，给出了用PSPICE进行仿真的结果.实验结果，电路设计和相关的理论讨论，在第8节。最后，在第9节中给出了结论。完整手稿中使用的术语定义见附录（A-1），见末尾。2. 电流差分缓冲放大器CDBA是一种双输入双输出终端设备，如图1所示。在可用端口中，P和N是低阻抗输入端口，而Z端子是高阻抗输出端口，W是低阻抗输出端口。在忽略所用器件的非理想性的情况下，导出了CDBA的理想特性方程，如（1）所示。这些基本上是通过分析图1所示器件的理想结构得到的。 二、使用CDBA作为有源器件产生的电路的理想分析使用下面给出的这些方程进行。VP<$VN<$0图二、通过电压源和电流源获得了CDBA的理想结构图3.第三章。使用AD844实现CDBAVW¼VZIZ¼IP-INð1Þ如文献中所定义，CDBA可以通过使用市售的I.C. CFOA，即AD844[1]，或使用采用适当技术的MOSFET[27]。CDBA的这两种实现都示于图1A和1B中。分别为3和4。见图4。 所用CDBA的CMOS排列[27]。实际上，CDBA的特征在于（2）中给出的方程，该方程也在使用CDBA作为有源构建块生成的电路的非理想分析期间使用。VP<$VN<$0VW¼dVZIZ¼aIP-bINð2ÞFig. 1. CDBA的标志其中a、b和d分别是P、N和Z端的端口传输比。T.S. 阿罗拉，S.Gupta/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）43451/41/4¼ þ ¼ þ ¼ þ ¼þC1R3R2R1R 2C 1C2s2=sCEURR Z1-右 一 CQCBRZ2CACBRZ1RZ2RBRZ2RARZ2RC RB萨尔河- R R萨尔河一CARBRZ1RACBRZ2Sx0x0x0x0S-0-0-0-.-3. 提出的电路SRCO电路的设计考虑到更容易和有效的集成电路的实现，因此，电路只包含两个电容器，都接地的性质，和三个电阻，其中两个是虚拟接地。仅使用两个CDBA，通过保持F.O.和C.O.彼此独立1R1 ¼SR2公司简介公司简介1R1 ¼SR2公司简介 公司简介S-0 公司简介 公司简介 ¼1ð9Þð10Þð11Þ已经设计了配置，其在图5中给出。分析图中所示的电路。 5使用特征方程，d1d2b22在（1）中给出的条件下，得到了（3）中所述的振荡器的理想特性方程。为了在任何振荡器网络中启动和维持等幅振荡，必须满足一个条件，称为振荡条件。获得这些振荡的频率被称为振荡频率频率和振荡条件的推导如图所示。（4）、（5）。5.寄生效应图6描绘了当涉及所有端子的寄生阻抗时非理想CDBA的符号。包括这些寄生阻抗并考虑所有端口的非理想性为一，图5所示的电路被重新绘制并提供在图7.第一次会议。电压模式振荡器的特征方程电路，在（12）中给出。s2-s。1-1小时1¼0小时3小时2001年。 1 1一BR1比1。 1ΣΣs1R R C Cþ1 .一、1þ1-1þ1Σ121 2CO：R36R2250上述导出的方程表明，F.O.可以从虚拟接地电阻R1控制，而C.O.可以改变另一个虚拟接地电阻器，即，R3. 因此，设计的电路-振荡器能够充当单电阻控制振荡器。¼0 ð12ÞF.O.的表达式在寄生阻抗的情况下，在（13）中给出，而C.O.如（14）中给出的那样获得。s1。ffiffiffiffiffiffiffiffi1ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1ffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffiffi1ffiffiffiffiffiffiΣffiffi ffiC CRZ1RB4.非理想和敏感性考虑考虑到CDBA的非理想性，对图5的设计进行分析，得到振荡器同样地，通过（7）和（8）分别显示了对振荡频率和振荡条件的影响CO1。1001-1001. 1Σ60 ð14Þ其中假设CA1/4C1/2CZ1，C BC2C Z2、R AR3R P1、R B R2R O2和R CR1R N2。从以上导出的方程中可以明显看出，寄生元素的存在影响振荡的条件和频率然而，如果外部的值s2sa1d11R3C 1R 2C 1d1d2b2R1R2C1C2 ¼0ð6Þ当串联存在时，无源元件保持高于这些，而当并联存在时，保持低于这些。与Fig跳舞。 7，C1C Z1的值，类似地，FO：-0¼sd1d2b2R1R 2C 1C2ð7ÞC2CZ2。此外，P、N和W端子处的寄生电阻的值，即，当与R3、R1和R2相比时，RP1、RN2和RW2应分别非常小。因此，所有这些寄生电阻和电容将被吸收，并且不会有任何影响CO：R36d1a1R2288其中a1、b1和d1表示CDBA 1的非理想端口传输比，而a2、b2和d2表示CDBA 2的非理想性。网络对不同无源元件的敏感性。在理想和非理想情况下以及朝向非理想传递比的nent值分别包括在（9）-（11）中。显然，已经获得了非常低的灵敏度值，即0.5，这表明所设计的配置的有效性能相同的频率和振荡条件。6. 总谐波失真（THD）分析通过THD分析评估了振荡频率以外频率处的谐波存在，THD分析在Cadence PSPICE软件中执行。总结THD结果，当采用CDBA的CMOS结构时，已经准备了表2图五. 建议SRCO电路。图六、非理想的CDBA，每个终端都有寄生效应[16]。FO：x0¼ð4ÞFO：x●0¼ð13ÞZ2BZ2一 Z2CBΣþ46T.S. 阿罗拉，S.Gupta/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）43¼¼表4晶体管的纵横比如图所示。 四、晶体管W（mm）/L（mm）M1150/1M11、 M124/2M13、M 14、M 17、M 185/1M15、M 16100/1男性19例20/1M20200/1见图7。 建议SRCO电路与寄生元件参与。采用AD844进行仿真时获得的THD结果，如图所示。 2，列于表3中。从上表中可以明显看出，CMOS和AD844这两种情况下的THD值分别为3.7%和0.72%。这些低值支持所设计的SRCO的有效功能。7. 仿真结果利用Cadence PSPICE仿真软件，得到了所有规律性的仿真图，验证了设计的可行性。如前所述，市售的I.C.采用CFOA的AD844和CDBA的CMOS结构，通过仿真验证了所设计的振荡器网络的实用性图图4示出了CDBA的CMOS结构，其中具有30 mA幅度的电流已经用于IB1、IB2和IB3，并且已经施加了幅度为±2.5 V的电源电压（VDD和VSS）。表4[27]中提供了所有所用MOSFET的纵横比，并使用了0.5m m MIETEC技术真实晶体管工艺参数[28]。使用CDBA的CMOS结构作为有源器件进行分析为500 kHz，元件值调整为R1R2= 25KO，R3= 22KO，C1C2= 12.7 pF。该频率的百分比误差报告为4.02。支持为新型SRCO电路提供的理论数据，其瞬态响应以及稳态响应已被包括在图1和图2中。分 别 为 8和9。两个正交图8.第八条。利用CDBA的CMOS结构作为有源器件的瞬态响应图9.第九条。稳态响应采用CMOS结构的CDBA。图10显示了设计产生的输出。输出电压的FFT响应表示在所需频率下存在振荡，如图所示。 十一岁最后表2CMOS结构CDBA的THD结果Harmonic编号频率傅里叶分量规格化组件相位（°）归一化相位123455.000E+051.000E+061.500E+062.000E+062.500E+066.931E-012.427E-027.626E-034.469E-032.692E-031.000E+003.502E-021.100E-026.448E-033.885E-03-9.441E+01-9.507E+01-1.515E+02-1.166E+02-1.085E+020.000E+009.375E+011.317 E +022.610E+023.636E+02直流分量=3.228251E-02总谐波失真= 3.747226E +00%表3AD844实现CDBA的THD结果。2 2.892E+05 1.776E-02 2.122E-03-2.039E+01 2. 868E +023 4.338E+05 3.426E-02 4.093E-03-1.759E+02 2. 850E +024 5.784E+05 1.914E-02 2.286E-03-3.806E+01 5. 764E +025 7.230 E +05 4.298 E-02 5.134 E-03 5.901 E +01 8.271 E +02直流分量=-9.599857E-03总谐波失真=7.269179E- 01%Harmonic编号频率傅里叶分量规格化组件相位（°）归一化相位11.446E+058.371E+001.000E+00-1.536E+020.000E+00T.S. 阿罗拉，S.Gupta/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）4347¼见图10。采用CMOS结构的CDBA设计的振荡器的正交波形。图十三.使用AD844仿真获得瞬态响应。图十一岁使用CDBA的CMOS布置的稳态输出的FFT响应图14. 通过使用AD844仿真获得稳态响应。在图12中提供了相对于电阻器R1的振荡频率的变化，图12还描述了理想频率和模拟频率之间的偏差。市售的AD844，±12 V电源，已被用于生成模拟以及硬件实验结果。在这种情况下，中心频率为144.62 kHz，这是通过将分量值调整为R1R2=10KO，R3=9.7KO，C1= 103pF和C2= 104pF。模拟频率和实验频率之间的百分误差报告为0.25。图13给出了通过模拟获得的瞬态分析，图14显示了稳态响应。图5中标记的两个输出电压，即VB和VA，产生图15中描绘的正交波形。快速傅立叶变换（FFT）响应如图所示。 十六岁8. 实验结果单CDBA的实际实现需要使用两个AD844 IC，如图所示。3.第三章。设计的SRCO，尽管见图12。 振荡频率相对于R1的变化.图15.利用AD844仿真得到的正交波形。图十六岁通过使用AD844仿真获得FFT响应采用两个CDBA，总共只需要使用三个AD844 IC，因为CDBA 2的P端子是开路的。给出了利用离散元件实现所提出的配置的示意图48T.S. 阿罗拉，S.Gupta/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）43图17a.硬件实现原理图。图19.利用AD844实验获得正交波形。图17 b. 设计的SRCO的实验安排图18.通过使用AD844的实验获得稳态响应。在图17 a中示出了这些元件，并且在图17 b中示出了实际的硬件布置。图中显示了AD844在以CDBA为有源器件的网络设计中的应用。为了产生硬件结果，该电路在±12 V电平下使用双电源（AgilentE3631A）操作。实验中使用的无源元件值与通过AD844进行仿真时使用的值相同。保持相似性，以便可以理解模拟和硬件结果之间的比较。为了观察振荡，并获得相位和增益信息，安捷伦科技数字示波器MSO6014 A已被使用。图20. 振荡频率相对于R1的变化.下图是在145 kHz频率下进行的硬件实验结果振荡器的稳态分析已在图1中示出。 十八岁 如前所述，该配置能够产生正交波形，这在图1中已经证明是合理的。 十九岁此外，该图显示了获得的相位和频率，这清楚地表明两种波形的相位相差91°。为了集中进行仿真之间的比较研究理论值和实验值，虚拟接地电阻R1的变化值和振荡频率之间的曲线已被绘制并在图20中示出。该图显示了在电阻R1的固定值的所有三种情况下获得的频率值之间的偏差。9. 结论本文介绍了一种单阻控振荡器，该振荡器具有可调谐性好、电压模式和高频工作等特点，可产生正交输出。采用了最少的有源和无源元件，所有电容器都接地，从而更容易进行I. C。实施.在使用的三个电阻器中，有两个实际接地。所有必要的理论结果和相应的实际结果。设计的振荡器的测试，通过模拟，使用两种不同的实现，一个商业上可用的I.C.（AD844）以及CDBA的CMOS硬件实验也证实了设计的有效性，实验中采用了三个AD844T.S. 阿罗拉，S.Gupta/Engineering Science and Technology，an International Journal 21（2018）4349附录A-1.命名法希腊符号aP码头bN终端dZ端子通用符号R Resistor（O）C电容器（F）I Current（A）V Voltage（V）x0理想角频率-0包括非理想的含寄生项的x·0M MegamMicro缩写CDBA电流差分缓冲放大器SRCO单阻控制振荡器IC集成电路VM电压模式FFT快速傅立叶变换CO振荡条件FO振荡频率电流反馈运算放大器CMOS互补金属氧化物半导体MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管总谐波失真引用[1] R. Senani，A.K.辛格<英>来华传教士。Singh，Current Feedback OperationalAmplifiers andtheir Applications，Springer Science &Business Media，2013。[2] R. Senani ， D.R. Bhaskar ， A.K. Singh ， Current Conveyors ： Variants ，Applicationsand Hardware Implementations，Springer，2014.[3] R. Senani ， D.R. Bhaskar ， V.K. 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