基于OTRA的正弦波振荡器的设计

第 25卷　第 10 期 2005 年 10 月　　　 　　　 　　 物　理　实　验 　PHYSICS EXPERIMEN TATION　 　　　 　　　Vol. 25　No. 10　 Oct. , 2005 　收稿日期:2005-01-13 　基金项目:咸阳师范学院专项科研基金资助(03x syk203)　作者简介:李永安(1961 -), 男 ,陕西三原人 , 咸阳师范学院物理系副教授. 基于OTRA的正弦波振荡器的设计 李永安 (咸阳师范学院 物理学系 ,陕西 咸阳 712000) 　　摘　要:基于 OT RA , MOS 非平衡电阻(M RC)及电容 , 给出了 OTRA-MOSFET-C 无损积分器及有损积分器 ,该积 分器能减小寄生电容的影响 ,由此构造了理想正交正弦振荡器 ,最后给出了 OT RA 实用正交振荡器 , 该振荡器不仅能同 时得到 2 个相位互差 90°的正弦波 ,而且容易起振 ,振荡频率 、输出幅度可电控调谐 ,且互不影响 , 输出频率稳定. 关键词:运算跨阻放大器;MOS 电阻电路;正弦波振荡器 中图分类号:TN752　　　文献标识码:A　　　文章编号:1005-4642(2005)10-0028-02 1　引　言 基于集成运算放大器(V FA)、电流反馈运算 放大器(CFA)、电流传输器(CC Ⅱ)以及运算跨导 放大器(O TA)的正弦波振荡器设计技术已经逐 渐成熟[ 1] ,而用运算跨阻放大器(O TRA)构成的 正弦波振荡器还未见报道. 由于 OT RA 的 2个 输入端均虚地 ,以它为有源器件的积分器能减少 寄生电容的影响[ 2 , 3] ;且其有限跨阻增益也可以 通过电容补偿[ 4] ,因此 ,由 O TRA 组成的电路性 能应更为优良 ,文献[ 5] 、文献[ 6]报道的通用滤波 器已经很好地说明了这一点. 本文则利用 O TRA , MOS 非平衡结构电阻(M RC)及 2 个电 容构成了实用正交振荡器 ,该电路不仅能同时得 到2个相位互差 90°的正弦波 ,且振荡频率和输出 幅度可独立的电控调谐;振荡频率受寄生电容影 响小 ,输出频率稳定度高 , 电路简单 , 特别适合 VLSI 单片集成. 2　基本电路模块 由 OTRA , MRC 和 1 个电容构成的无损积 分器如图 1(a)所示. 当 Rm →∞时 ,其输出表达式为[ 5] V o = 1 S RC (V 1 - V 2) (1) 若 Rm 有限 ,采用自补偿[ 4] 仍可使式(1)成立. 　　与文献[ 5]不同 ,本文给出的有损积分器如图 1(b)所示 ,当 Rm →∞时 ,根据拆环法[ 7] 和叠加原 理容易得到 V o = 1 SR1C (V 1 - V 2)+ 1 SR2C V o 整理上式得 V o= R2 R 1(S R2C - 1)(V 1 - V 2) (2) 与无损积分器类似 ,当 Rm 有限时 ,采用自补偿 法[ 4]亦可使式(2)成立. (a) 无损积分器 (b)有损积分器 图 1　OTRA-MOSFET-C 积分器 3　OTRA理想正交振荡器 用 2个 OTRA 无损积分器作正反馈闭环连 接 ,可构成 O TRA 理想正交振荡器 ,其电路如图 2所示. 电路左半部分为同相输入的无损积分 器 ,右半部分为反相输入的无损积分器 ,V o ,V o′为 相位互差 90°的正弦波输出. 图 2　OT RA 理想正交振荡器 由图 2知 V o′= V o SR1C1 , V o =- V o′ S R 2C2 由上两式得 S 2 + 1 R1R2 C1 C2 =0 (3) 由式(3)知电路的振荡频率为 ωo= 1 R1 R2C1C2 (4) 根据信号理论 ,这种电路实际上不能振荡 ,因为当 参量有微弱变化时 ,它的极点位置容易进入 S 左 半平面 ,使振荡停止. 因此 ,一个实用正交振荡器 应该有如下形式的特征方程 ,即 S 2 - bS+ω2o =0 (5) 其中 b>0 , 确保极点位于 S 右半平面 ,电路的冲 击响应为增幅正弦振荡 ,振荡频率为 ωo ,而振幅 与 b 成指数关系 ,稳幅则是靠 OT RA内部的限幅 环节实现的 ,因此 ,改变 b 可调节振荡幅度 ,并影 响起振条件和输出波形的失真度. 4　OTRA实用正交振荡器 用 OTRA 无损积分器和 O TRA 有损积分器 作正反馈闭环连接 ,可构成 OTRA 实用正交振荡 器 ,如图 3所示 ,其左半部分为同向输入无损积分 器 ,右半部分为反相有损积分器 ,V o 和 V o′为相位 互差 90°的正弦波输出. 由图 3可列出下列方程式 V o = R3 R2(1 - SR3 C2)V o′= R 3 R2(1 - S R3C2) 1SR1C1 V o 图 3　OT RA 实用正交振荡器 整理上式可得 S 2 - 1 R3C2 S+ 1 R1 R2C1C2 =0 (6) 由式(6)知振荡频率为 ωo = 1 R1 R2C1C2 (7) 为保证电路起振 ,式(7)的特征根必须位于 S 右 半平面 ,则须满足 b2 - 4ac<0 ,即 R 2 3C2 R1 R2C1 >1 4 (8) 由式(7)看出 ,通过改变 MRC1和 MRC2的 控制电压 ,可改变 R1 和 R2 ,从而可连续调节 ωo . 由式(8)看出 ,通过改变 M RC3的控制电压 ,可改 变 R3 ,从而调节振荡幅度. 因此 ,该电路的振荡 频率和振荡幅度均可实现电控调谐 ,且互不影响. 5　结束语 本文用 OT RA 和 MOS 电阻及电容构成了 正弦波振荡器 ,该振荡器不仅能同时得到 2个相 位互差 90°的正弦波 ,而且振荡频率 、输出幅度可 电控调谐 ,且互不影响. 由于 O TRA 的 2个输入 端均为虚地 ,以它为有源器件的积分器能减小寄 生电容的影响 ,所以该振荡器输出频率稳定 ,电路 简单. 本文设计的电路为 V LSI单片集成提供了 一种可行技术手段. 参考文献: [ 1] 　赵玉山 , 周跃庆 ,王苹. 电流模式电子电路[ M] . 天 津:天津大学出版社 , 2001. [ 2] 　Chen J , Tsao H , Liu S I , et al. P arasitic-capaci- tance-insensitive current-mode filter s using opera- tio nal transresistance amplifier s [ J] . IEEE Proc. Cir c. Dev. Sy st. , 1995 , 142(3):186 ～ 192. (下转第 32 页) 29第 10 期 　　　　　　　　李永安:基于 OTRA 的正弦波振荡器的设计 5　结束语 优化物理实验教学 ,特别是优化学生日常生 活中难以见到的或者是与学生的相抵触的现 象和过程 ,可以使学生获得丰富的感性知识 ,形成 鲜明的表象 ,为学生建立正确的概念 、认识规律奠 定基础. 参考文献: [ 1] 　Zitzew itz P . Phy sics:P rinciples and P roblems 　 [ M] . N ew York:Glencoe /McGrawH ill Com pany , 1999. [ 2] 　阎金铎 , 田世昆. 中学物理教学概论[ M] . 北京:高 　　 等教育出版社 , 2003. Simulation experiment of photoelectric effect BI Lan 1 , CHEN Xian2 (1. Department o f Applied M athematics and Phy sics , Nanjing Universi ty of Posts and Telecommunications , Nanjing 210003 , China; 2. Schoo l of Phy sical Science and Techno logy , N anjing No rmal Univer sity , N anjing 210097 , China) Abstract:A simulation expe riment of pho toelectric ef fect in American phy sical teaching material of senior high school is int roduced. The experimental principle and points are analy zed. Key words:pho toelect ric effect;model;simulation experiment (上接第 29 页) [ 3] 　Chen J , Tsao H , Liu S. Voltage-mode MOSFET-C filter s using operationa l transresistance amplifie rs (OT RAs) with r educed parasitic capacitance effect [ J] . IEEE Proc. Circ. Dev. Syst. , 2001 , 148(5): 242～ 249. [ 4] 　Salama K N , So liman A M . CMOS ope rational tr ansre sistance amplifier fo r analog signal pr ocessing [ J] . M icroelectronics J , 1999 , 30(2):235 ～ 245. [ 5] 　马云辉 , 陈永海. 基于 OT RA 的电压模式全集成连 续时间滤波[ J] . 微电学 , 2003 , 33(4):187～ 189. [ 6] 　李永安. 基于 OTRA 通用双二阶滤波器的设计 [ J] . 电子工程师 , 2004 , 30(4):47 ～ 49. [ 7] 　王楚 , 余道衡. 电子线路[ M ] . 北京:北京大学出版 社 , 2003. Design of sinusoidal oscillator based on OTRA LI Yong-an (Department o f Physics , Xianyang Teacher’ s Co lleg e , Xianyang 712000 , China) Abstract:OT RA-MOSFET-C lo ss-less /lo ssy integ rato rs are proposed by using OT RA , MOS re- sistor s and tw o capacitors. The integ rators can reduce the ef fect of parasi tic capacitance. An ideal si- nusoidal oscillator based on these ci rcui ts is presented. At last , a pract ical O TRA osci llato r is given , which can no t only provide tw o sinusoidal signals w ho se phase dif ference is 90°, but also ge t oscilla- tion starting easi ly . The vibration f requency and amplitude can be tuned by controlling the voltag e , and the vibration f requency is stable. Key words:operational transresistance amplifier (O TRA);MOS resistive ci rcui t;sinusoidal os- cillato r 32 　　　　　　　　　物　理　实　验 第 25 卷