電流控制差分電壓輸入電流傳輸器設計及應用

摘要 設計了一種電流控制差分電壓輸入電流傳輸器的結構。較之前的相關文獻，文中設計的電路結構具有較高的電路性能，在具有功耗低的同時，X端寄生電阻范圍大。除此之外，跨導線性環(huán)結構只使用NMOS構成，無PMOS處理交流信號使得電路帶寬性能得到提高；電路采用軌對軌輸入，使得輸入電壓范圍得到擴展。
關鍵詞 電流模式；電流控制差分電壓輸入電流傳輸器；模擬集成電路

電流模式的分析方法由于它在速度、功耗、帶寬等方面的優(yōu)勢吸引著眾多的模擬集成電路設計者。文獻中介紹了電流傳輸器的應用，例如：濾波器、振蕩器以及模擬信號處理模塊等。為克服電流傳輸器中只有一個電壓輸入端的缺點，引入了差分電壓輸入電流傳輸器(DVCC)DVCC可以使用在許多需要處理差分信號的應用中，例如：模擬信號處理、自動控制和測量放大器等。因此，DVCC也是一個重要的萬用功能模塊，尤其是它在處理差分信號和浮地輸入信號時優(yōu)點更加突出。
電流控制差分電壓輸入電流傳輸器(CCDVCC)是DVCC的一種重要的改進電路模塊。它的X端寄生電阻RX是可調(diào)的，RX的阻值是通過外接輸入偏置電流控制的，因此RX可以作為電路應用中的有源電阻。所以使用了CCDVCC模塊的電路可以實現(xiàn)傳輸函數(shù)的可電調(diào)諧功能。文獻中X端可調(diào)電阻RX是通過一對NMOS管(或NPN)和一對PMOS管(或PNP)組成的跨導線性環(huán)電路實現(xiàn)的；而本文是利用一對NMOS管組成的跨導線性環(huán)取代4個MOS構成的跨導線性環(huán)。在CMOS工藝中，由于PMOS管相比NMOS管，PMOS管處理交流信號的性能較差，在跨導線性環(huán)電路中使用PMOS管會使得電路的輸出跟隨信號精確度和可以處理的最高頻率等性能會有所降低。文中提出的跨導線性環(huán)電路只使用NMOS管構成，在跨導線性環(huán)中避免了PMOS管處理交流信號，處理交流信號的只有NMOS管，因此電路中輸出信號的跟隨精度以及系統(tǒng)函數(shù)的帶寬會有所提高。

CCDVCC的符號圖如圖1所示。它具有兩個高輸入阻抗的差分電壓輸入端：Y+和Y-端；具有一個低輸入阻抗的X端，可以作為電流輸入端或者電壓輸出端。X端的寄生電阻RX通過外接輸入偏置電流IB實現(xiàn)電阻值的可控


1 CCDVCC的設計
設計的CCDVCC如圖2所示。電路的第一級為一個軌對軌輸入的DVCC。電路的第二級為一個僅由兩個NMOS管組成的跨導線性環(huán)結構，作為電流控制RX電阻值的結構。第一級電路包括3部分：第一，由N型和P型MOS管并聯(lián)組成的差分電壓輸入結構——軌對軌電壓輸入結構；第二，電流鏡結構；第三，AB推挽輸出結構。晶體管PM11，PM12和NM9，NM10構成電流鏡具有電壓閾值相消的作用。晶體管NM13和PM13構成了AB推挽輸出級。N型MOS管的差分電壓輸入結構和P型MOS管的差分電壓輸入結構并聯(lián)是為了得到軌對軌電壓輸入以便擴大電壓輸入范圍。軌對軌的差分電壓輸入結構有4個工作區(qū)域：只有P型MOS管差分對工作；P型MOS管差分對和N型MOS管差分對同時工作；只有N型MOS管差分對工作。

第二級由一個跨導線性環(huán)結構組成，跨導線性環(huán)的作用是通過外接的偏置電流控制X端的寄生電阻值。文獻提出的跨導線性環(huán)結構是由一對NMOS管和一對PMOS管共同構成的，而文中設計的跨導線性環(huán)結構僅由一對NMOS管構成。由于集成電路中PMOS管會降低電路的性能。相較于參考文獻，設計的電路可以在較高的頻率上正常工作并且可以將信號更加精確的傳輸?shù)捷敵龆?；因為文中設計的電路中，跨導線性環(huán)電路結構中處理交流信號的只有NMOS管，避免PMOS管處理交流信號以致降低電路性能。圖2中晶體管M5和M6構成一個跨導線性環(huán)結構。根據(jù)跨導線性環(huán)的原理可以得到
i2=iX+iB (3)
圖2中所有晶體管都工作在飽和區(qū)。因此，有

由式(4)可知，RX可以通過IB調(diào)節(jié)。M7是一個MOS開關，可以通過改變MOS開關的狀態(tài)得到X端的負寄生阻抗-RX或正寄生阻抗+RX。控制MOS開關的信號是低電平時，RX為負阻抗；控制MOS開關的信號是高電平時，RX為正阻抗。