??? 摘 要：設(shè)計了一種新型的基于第二代電流傳輸器" title="傳輸器">傳輸器CCⅡ－的超低功耗電流反饋" title="電流反饋">電流反饋運算放大器，并采用TSMC 0.6μm CMOS工藝，利用Hspice對整個電路進行了仿真。在±1.5V電源電壓工作條件下，該放大器的轉(zhuǎn)換速率" title="轉(zhuǎn)換速率">轉(zhuǎn)換速率達到28.57V/μs，并且在閉環(huán)工作狀態(tài)下具有恒定的帶寬。
??? 關(guān)鍵詞：低壓低功耗? 電流傳輸器? 電流反饋運算放大器? CMOS
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??? 隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及快速采集和處理數(shù)據(jù)的需要，對運算放大器的轉(zhuǎn)換速率要求越來越高。20世紀80年代末期，基于互補雙極工藝發(fā)展起來的電流反饋運算放大器CFOA(Current Feedback Operational Amplifier)，從根本上改變了傳統(tǒng)電壓反饋運算放大器VFOA(Voltage Feedback Operational Amplifier)的電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)前, 電流反饋運算放大器主要是基于雙極性工藝的, 由于電源電壓一般都是5V, 功耗也較大, 因此對基于CMOS的電路結(jié)構(gòu)的研究很有必要。 在對電源電壓以及功耗要求比較嚴格的條件下,如在任何攜帶能源的有線設(shè)備、儀器(筆記本電腦、IC卡、手機)等的背景下，對CMOS電路結(jié)構(gòu)的研究就顯得意義重大。近年來隨著MOS器件應(yīng)用的廣泛，基于互補CMOS電路結(jié)構(gòu)的CFOA由于理論上具有無限制的轉(zhuǎn)換速率和閉環(huán)工作時具有與增益無關(guān)的帶寬，在高速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、視頻和射頻等高頻高速電子系統(tǒng)中被廣泛采用[1-2]。
??? CFOA與傳統(tǒng)的VFOA相比具有許多優(yōu)點，最主要的特點是CFOA的輸入級" title="輸入級">輸入級拋棄了差動電路，而采用互補跟隨電路，提高了輸入級轉(zhuǎn)換速率；同時，其閉環(huán)帶寬與增益無關(guān)，不存在增益帶寬積的限制。對轉(zhuǎn)換速率、大信號帶寬要求較高的場合，通常用CFOA代替VFOA。本文設(shè)計一種基于第二代電流傳輸器CCⅡ（Second-generation Current Conveyor）的電流反饋運算放大器，并采用TSMC 0.6μm CMOS工藝，利用Hspice對電路進行仿真。
1 電路設(shè)計
1.1 第二代電流傳輸器
??? Smith和Sedra在1970年提出了第二代電流傳輸器[3]。其符號如圖1所示。式(1)是CCⅡ的端口特性矩陣。
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??? CCⅡ是一個三端器件。X端是低阻抗電流輸入端，Y端是高阻抗電壓輸入端，Z端是高阻抗電流輸出端。由其端口特性矩陣可知，CCⅡ的Y端口電流為零，X端口的電壓跟隨Y端口電壓，Z端口的電流跟隨X端口的電流。矩陣中±符號表示電流是流進Z端口還是流出Z端口，用此區(qū)分CCⅡ＋和CCⅡ－。
??? 本設(shè)計采用CCⅡ－作為CFOA的輸入級，它由跨導(dǎo)線性回路與交叉耦合電流鏡兩部分組成，其電路圖如圖2所示。Y端是同相輸入端（電壓輸入端），它與M1、M2的柵極相連，具有高輸入阻抗。X端是反相輸入端（電流輸入端），它與M3、M4的源極相連，具有低輸入阻抗，同時M3、M4的推挽結(jié)構(gòu)也形成低輸出阻抗，便于電流信號的流進或流出。M1～M4組成了跨導(dǎo)線性回路。這使得Vx跟隨Vy，即X端口的電壓跟隨Y端口電壓。反相輸入端的電流ix＝id3－id4，其中id3、id4分別為M3、M4的漏極電流，當(dāng)反相輸入端信號電流為零時, id3=id4。M5～M12組成交叉耦合電流鏡，將流入X端口的不平衡電流傳輸?shù)絑端口，使得Z端口的電流跟隨X端口的電流。圖中，Ib1和Ib2提供10μA的偏置電流。
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1.2 電流反饋運算放大器分析
??? 本文所設(shè)計的CFOA電路由兩部分組成，其原理框圖如圖3所示。第一級是輸入級，采用CCⅡ。第二級采用傳統(tǒng)的兩級運算放大器。電路各級均采用互補對稱結(jié)構(gòu)。圖4是圖3的交流小信號等效電路。
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??? 對圖4的小信號等效電路進行分析，記第二級運放" title="運放">運放的放大系數(shù)為A，X端口的輸入電阻為rx，運放的輸出電阻為ro，Z端內(nèi)部電容和電阻為CZ和RZ；反饋電阻為Rf。分析可得其增益函數(shù)以及-3dB帶寬為:
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??? 式(2)和式(3)表明，對于CFOA，其閉環(huán)帶寬可用反饋電阻Rf調(diào)節(jié)，閉環(huán)增益可用R1控制，從而實現(xiàn)增益與帶寬的獨立控制。這是傳統(tǒng)的電壓模式運放所不具備的特性。
2 CFOA電路設(shè)計
??? 運算放大器是模擬集成電路和混合集成電路的基本單元，是模擬集成電路設(shè)計的關(guān)鍵之一。本文所設(shè)計的CFOA具體電路如圖5所示，M1～M12組成CCⅡ－，Z為增益節(jié)點，在該點處利用內(nèi)部高阻抗CZ和RZ將X端傳送到Z端的不平衡電流轉(zhuǎn)換為電壓。電容CZ與反饋電阻Rf共同決定CFOA在閉環(huán)工作時的頻帶寬度。從X端到Z端，中間線性傳輸?shù)奈锢砹渴请娏鳎娏髯兓姆翟诶碚撋蠜]有限制，這正是CFOA獲得超高速特性的根本原因。M13～M21是采用互補輸出的兩級運放。
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??? 本文基于TSMC 0.6μm CMOS工藝，采用Hspice對 圖5所示電路進行了仿真。電源電壓VDD=1.5V，VSS＝-1.5V，VBIAS=0.7V，Vb=0.6V。將CFOA連接成反相閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖６所示，對其進行交流分析。圖7是CFOA的反相閉環(huán)幅頻特性,當(dāng)固定Rf=10kΩ，R1分別取1kΩ、3.3kΩ、10kΩ時,由結(jié)果可看出,反相閉環(huán)增益分別為20dB、10dB、0dB，此時-3dB帶寬恒定。同相閉環(huán)增益與此類似，這體現(xiàn)了CFOA的主要特性：增益與帶寬獨立。
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??? 傳統(tǒng)電壓模式運算放大器采用共源差分對輸入級，而差分對的限幅作用影響了補償電容的充放電電流，這就限制了轉(zhuǎn)換速率SR的提高。本文設(shè)計的CFOA，采用了由跨導(dǎo)線性回路構(gòu)成的CCⅡ－，將電流作為信號的傳輸量，因此轉(zhuǎn)換速率SR得到了很大的提高。將CFOA連接成電壓跟隨器的結(jié)構(gòu)，輸入1MHz的方波，其瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖8所示。
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??? 由圖8可以看出，本文設(shè)計的CFOA具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。其轉(zhuǎn)換速率SR為28.57V/μs，高于參考文獻[1-2]中的轉(zhuǎn)換速率8.75V/μs和11V/μs。
??? 在低壓低功耗應(yīng)用中,運放的靜態(tài)功耗是一項非常重要的指標(biāo)。該運放的靜態(tài)功耗為：
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??? 由實際仿真結(jié)果得到該運放的靜態(tài)功耗為0.64mW。
??? 本文設(shè)計的一種超低功耗電流反饋運算放大器，采用跨導(dǎo)線型回路構(gòu)成的電流傳輸器作為輸入級，采用電流信號作為中間信號傳輸，提高了輸入級的轉(zhuǎn)換效率，從而也提高了整個電路的電壓轉(zhuǎn)換速率。輸出級采用基于互補輸出的傳統(tǒng)兩級運放，并利用Hspice對其進行模擬。在±1.5V的低電源電壓下，僅產(chǎn)生0.64mW功耗，閉環(huán)帶寬恒定，轉(zhuǎn)換速率SR為28.57V/μs，獲得了較好的性能指標(biāo)，適合低壓低功耗及帶寬要求恒定的應(yīng)用場合。目前，該運算放大器已經(jīng)用于一種二階濾波器的設(shè)計中。
參考文獻
[1]?MAUNDY B J, SARKAR A R, GIFT S J. A new design?topology for low-voltage CMOS current feedback amplifiers[J].IEEE Transactions on.Circuits and Systems II, 2006,53(1):34-38.
[2]?SARKAR A R, MAUNDY B J, GIFT S J.On the new?design of CMOS current feedback amplifiers[C]. Circuits?and Systems, 2003: MWSCAS ′03. Proceedings of the?46th IEEE International Midwest Symposium on Vol 1.?2003:47-50.
[3]?趙玉山,周躍慶,王萍. 電流模式電子電路[M].天津: 天津大學(xué)出版社,2001:88-90.
[4]?GIUSTOLISI G, PALMISANO G, SEGRETO T. A 1.2-V CMOS op-amp with a dynamically biased output stage[J].IEEE J Sol Sta Circ, 2000, 35(4):632-636.
[5]?PENNISI S. High-performance CMOS Current Feedback?Operational Amplifier. Kobe, Japan: IEEE Int Symp Circ?and Syst, 2005:1573-1576.