??? 摘 要:設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,該放大器的轉換速率" title="轉換速率">轉換速率達到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)的電路結構。當前, 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的電路結構的研究很有必要。 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備、儀器(筆記本電腦、IC卡、手機)等的背景下,對CMOS電路結構的研究就顯得意義重大。近年來隨著MOS器件應用的廣泛,基于互補CMOS電路結構的CFOA由于理論上具有無限制的轉換速率和閉環(huán)工作時具有與增益無關的帶寬,在高速A/D和D/A轉換器、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,提高了輸入級轉換速率;同時,其閉環(huán)帶寬與增益無關,不存在增益帶寬積的限制。對轉換速率、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-。
??? 本設計采用CCⅡ-作為CFOA的輸入級,它由跨導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的推挽結構也形成低輸出阻抗,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。
1.2 電流反饋運算放大器分析
??? 本文所設計的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構。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:
??? 式(2)和式(3)表明,對于CFOA,其閉環(huán)帶寬可用反饋電阻Rf調節(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,是模擬集成電路設計的關鍵之一。本文所設計的CFOA具體電路如圖5所示,M1~M12組成CCⅡ-,Z為增益節(jié)點,在該點處利用內部高阻抗CZ和RZ將X端傳送到Z端的不平衡電流轉換為電壓。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?,而電流變化的幅值在理論上沒有限制,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)結構,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,當固定Rf=10kΩ,R1分別取1kΩ、3.3kΩ、10kΩ時,由結果可看出,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,這就限制了轉換速率SR的提高。本文設計的CFOA,采用了由跨導線性回路構成的CCⅡ-,將電流作為信號的傳輸量,因此轉換速率SR得到了很大的提高。將CFOA連接成電壓跟隨器的結構,輸入1MHz的方波,其瞬態(tài)響應曲線如圖8所示。
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??? 由圖8可以看出,本文設計的CFOA具有良好的瞬態(tài)響應特性。其轉換速率SR為28.57V/μs,高于參考文獻[1-2]中的轉換速率8.75V/μs和11V/μs。
??? 在低壓低功耗應用中,運放的靜態(tài)功耗是一項非常重要的指標。該運放的靜態(tài)功耗為:
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??? 由實際仿真結果得到該運放的靜態(tài)功耗為0.64mW。
??? 本文設計的一種超低功耗電流反饋運算放大器,采用跨導線型回路構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,提高了輸入級的轉換效率,從而也提高了整個電路的電壓轉換速率。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,轉換速率SR為28.57V/μs,獲得了較好的性能指標,適合低壓低功耗及帶寬要求恒定的應用場合。目前,該運算放大器已經(jīng)用于一種二階濾波器的設計中。
參考文獻
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