基于CFOA的快速响应滤波器的设计与实现

摘要

在多路数据采集系统系统中，提取的是老鼠大脑皮层的信号，这是一种电信号，医学上通过研究这种电压信号的波动来研究老鼠脑部出现的病理变化，为进一步研究人的大脑皮层变化提供坚实可靠的素材，为治疗癫痫导致的病理变化做出伟大的贡献，可以提前预防癫痫等疾病的发生。但是脑电信号是电压幅值特别小的信号，模拟仿真时由于老鼠脑电的频带范围特别窄，它特别容易受到噪声的干扰而采集不到，因此滤波电路非常重要。滤波器是一种能过滤信号中混有的噪声的电子设备，即过滤掉我们不需要的频带，留下需要的频带。滤波器的研究逐渐发展，但是现在的滤波器通常使用的是电压反馈型运算放大器（voltage Feedback operational Amplifier,简称VFOA）。虽然VFOA有很多优点，但它存在电压模式放大器的共同缺点：实际电路中为了减小大量高阻抗节点造成的影响，通常用降低电流消耗，和提升电压摆幅的方法，同样造成了在处理高频和高速信号等方面的能力明显降低了。可以使用电流模式放大器代替电压模式放大器来解决出现的问题，在电流模式放大器中我们常使用电流型运算放大器（Current Feedback operational Amplifier,简称CFOA）；它具有：同相端为高阻抗,反相端基本为零,改变增益时带宽基本没有变化,压摆率非常快,波形产生波动和失真会更低,在取反馈电阻时会限制它的取值。这里提到的在滤波电路中将会使用的CFOA是跨阻型的运算放大器,在闭环系统中，若系统中存在反馈时，它的反馈量是电流,电流通过反相端输入电压跟谁器进入CFOA的内部，并且在开环系统时，增益的量纲是通过跨阻表达的。与常见的传统的电压模式运算放大器VFOA相比,不同的拓扑结构与工作原理带来了明显的优势，解决了传统电压模式电路的难题，具有明显的动态特性，优良的的压摆率和快速的响应，极具实用优点。可以理论证明它的优越的电路结构，不仅在滤波电路中占据重要位置，在一些基本电路中也优于VFOA电路，因此在集成电子中占有越来越重要的比重，是现在集成运放中关注的重点。
　　本文重点研究了CFOA应用于滤波电路，设计出了二阶滤波电路，并且给出了n节滤波电路的一般电路结构，突破了一些传统VFOA滤波电路的缺点即对高速信号的处理能力弱和信号容易失真，它具有极佳的性能优点和良好的动态特性，设计出的滤波器压摆率优良，延迟时间低，波形不易失真，抗噪声性能优于VFOA电路，在试验室的多路数据采集系统和病理组织处理系统中得到广泛的应用。文章提出了一种基于CFOA的快速响应低通滤波器的设计方法，使多路数据采集系统中的多路模拟信号通过模拟开关可共用一路低通滤波器，从而简化了电路设计，本设计经仿真验证和搭板测试，均达到了设计要求。
　　在滤除噪声的过程中，低通滤波器往往是影响采集精度和速率的关键，本文提出了一种基于电流反馈放大器的快速响应低通滤波器设计方法，经Multisim仿真验证和实际搭板测试，其脉冲响应延迟时间比基于电压运算放大器设计的低通滤波器减少了约1-2个数量级，从而证明了该方法的有效性，类似的方法亦可用来实现其他种类滤波器的设计。
　　本文第二部分从CFOA内部拓扑开始,描述了内部基本结构模型和实现的具体功能，讲述CFOA的工作参数，通过对比CFOA和VFOA的功能，利用CFOA的优点，避免VFOA电路的缺点，通过求出传递函数网络结构图,给出理论n阶滤波器设计，通过在实验室操作获得设计电路结构图，通过仿真软件的测量和搭板测试实验，获取实验结果，同测得的结果相互比对分析，验证本论文滤波器的优势，并且经过滤波电路的理论验证分析得到的数据的准确性。通过学习传统电压型滤波器和引用论文滤波器，文章的第三部分对三种电路得到的实验数据相互比较分析,即通过这种滤波器与传统的滤波电路和一种新型滤波电路进行数据比较,发现本论文电路优点,最后一部分对本论文进行总结。