基于跨導(dǎo)放大器的電流模式積分單元的設(shè)計(jì)

0 引言

相對(duì)于傳統(tǒng)的電壓模電路，電流模電路具有頻帶寬、速度高、不受增益帶寬積常數(shù)的限制等特點(diǎn)。因此在高頻領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。

同時(shí)作為模擬電子計(jì)算機(jī)基本組成單元的積分器電路在控制測(cè)量系統(tǒng)中被常常用到。而且在各種波形(矩形波、鋸齒波等)發(fā)生電路中，積分電路也是重要的組成部分。而OTA積分器具有突出的優(yōu)點(diǎn)，外接元件只需電容，電路簡(jiǎn)單，容易集成，積分時(shí)間常數(shù)可調(diào)，高頻性能好，這些都是它的突出優(yōu)點(diǎn)，在有源濾波器、正弦振蕩器等電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。

本文基于0．18μm CMOS工藝仿真設(shè)計(jì)一個(gè)基于OTA的低功耗，高增益的電流模式積分單元。并采用HSpice軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真。

1 電流模積分器原理

運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(Operat-ional Transconductance Amplitier，OTA)是通用性很強(qiáng)的器件。它在增益可控放大器、濾波器和電流模式的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。

跨導(dǎo)運(yùn)算放大器分為雙極型和MOS型2種，相對(duì)于雙極型跨導(dǎo)運(yùn)算放大器而言，CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的增益值較低，增益可調(diào)范圍小，但是它的輸入阻抗高，功耗低，容易與其他電路結(jié)合實(shí)現(xiàn)全CMOS集成系統(tǒng)。因此在COMS電路中一直被采用。其電路符號(hào)如圖1所示：

其傳輸特性是：

Io=gmVd=gm(V+-V-) (1)

跨導(dǎo)是ID的函數(shù)等效電路如圖2所示。

對(duì)于這個(gè)理想模型，2個(gè)電壓輸入之間開(kāi)路，差分輸入電阻為無(wú)窮大；輸出端是一個(gè)受差模輸入電壓控制的電流源，輸出電阻為無(wú)窮大。同時(shí)，理想跨導(dǎo)放大器的共模輸入電阻、共模抑制比、頻帶寬帶等參數(shù)均為無(wú)窮大，輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流等參數(shù)均為零。

由以上OTA的原理，很容易實(shí)現(xiàn)電流模積分器的設(shè)計(jì)。電路如圖3(a)，(b)所示：

無(wú)論同相或者反相電流模積分器始終滿(mǎn)足輸出電流與輸入電流的積分成正比且積分時(shí)間常數(shù)為gm／C。

2 積分器設(shè)計(jì)

由以上分析可知要設(shè)計(jì)一個(gè)電流模式的積分器首先需要設(shè)計(jì)一款高性能OTA。本文設(shè)計(jì)了一款低電壓的CMOS兩級(jí)OTA，并將其應(yīng)用于積分電路的仿真設(shè)計(jì)。OTA的核心電路如圖4所示。

此電路在第一級(jí)采用共源共柵結(jié)構(gòu)M1～M11，相比基本的兩級(jí)放大器可以提高增益，并克服了套筒式結(jié)構(gòu)的輸入范圍窄的缺點(diǎn)。輸入采用PMOS折疊式差分輸入結(jié)構(gòu)，輸入共模范圍可以非常寬，甚至可以低于底電壓。同時(shí)第2級(jí)放大結(jié)構(gòu)的存在，輸出范圍可以達(dá)到全擺幅。設(shè)計(jì)中此電路采用差轉(zhuǎn)單的結(jié)構(gòu)將輸出轉(zhuǎn)換為單端輸出，這樣給電路增加了一個(gè)鏡像極點(diǎn)，但是與此同時(shí)帶來(lái)的零點(diǎn)共同作用使得其極點(diǎn)的影響可以忽略。并且電路中為了增加電路穩(wěn)定性，提高相位裕度，減小非零主極點(diǎn)的影響，還進(jìn)行了米勒電容的頻率補(bǔ)償。將米勒電容Cc接在第1級(jí)共柵輸入端和和第2級(jí)輸出段之間這樣在反饋通路上存在一個(gè)共柵結(jié)構(gòu)，消除了頻率補(bǔ)償原本因前饋同路而帶來(lái)的零點(diǎn)。

電路采用PTAT基準(zhǔn)電流源，電路如圖5所示。整個(gè)電路通過(guò)手工計(jì)算推導(dǎo)，然后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，微調(diào)電路參數(shù)。最終所得到的OTA放大器在負(fù)載為5 pF的開(kāi)環(huán)增益為81．3 dB，無(wú)偏置情況下的功耗僅為607μW。輸出電壓范圍為0．2～1．6 V，基本實(shí)現(xiàn)全擺幅的輸出。輸出電壓為SR>5V／μs。

電路的設(shè)計(jì)過(guò)程主要推導(dǎo)公式如下：


由以上公式可得到OTA核心單元電路中的各個(gè)MOS管的參數(shù)如表1所示根據(jù)圖3(b)可在圖4輸入端加入電容C構(gòu)成反相電流模積分器。

3 仿真結(jié)果

采用COMS 0．18μm工藝庫(kù)及表1中的參數(shù)，使用HSpice軟件進(jìn)行功能仿真。圖6(a)，(b)分別為輸入信號(hào)為正弦和三角波時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上仿真可以看出，此電路實(shí)現(xiàn)了電流的反相積分功能。此電路可應(yīng)用于集成電路內(nèi)部作為積分電路單元使用。并且在此基礎(chǔ)上根據(jù)應(yīng)用，重新調(diào)整參數(shù)即可獲得不同性能的電路單元。