跨導(dǎo)放大器實(shí)現(xiàn)電流模式積分單元

　　在集成電路系統(tǒng)中，各種模擬功能的電流單元都是由基本的電流模單元組成。跨導(dǎo)放大器是電流模電路的基本單元。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。

　　對于這個(gè)理想模型，2個(gè)電壓輸入之間開路，差分輸入電阻為無窮大;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：

　　無論同相或者反相電流模積分器始終滿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。

　　此電路在第一級采用共源共柵結(jié)構(gòu)M1～M11，相比基本的兩級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級共柵輸入端和和第2級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的開環(huán)增益為81.3 dB，無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)分別為輸入信號為正弦和三角波時(shí)所對應(yīng)的輸出信號。

　　4 結(jié)語

　　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。