一種多輸出壓控電流差分跨導(dǎo)放大器的設(shè)計(jì)

劉晨光，王衛(wèi)東，胡許光

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

一種多輸出壓控電流差分跨導(dǎo)放大器的設(shè)計(jì)

劉晨光，王衛(wèi)東*，胡許光

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

提出了一種具有Z端復(fù)制輸出、跨導(dǎo)可由電壓調(diào)節(jié)的電流差分跨導(dǎo)放大器（MO-VCCDTA）。該電路采用低壓高性能電流鏡作為電流輸入級(jí)，降低了消耗的電壓余度、輸入阻抗與傳輸誤差；利用MOS管的線性組合，實(shí)現(xiàn)了可由電壓控制跨導(dǎo)的跨導(dǎo)放大級(jí)。采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：在±0.9 V電源電壓下，電路的線性輸入范圍為-100 μA～100 μA，輸入電阻約為10 Ω；跨導(dǎo)值可在0.34 mS～1.56 mS內(nèi)線性變化，iz/ii、ix/ii的-3 dB帶寬分別為131 MHz、88 MHz；電路總功耗為2.8 mW。最后，僅采用兩個(gè)該模塊和兩個(gè)接地電容得到了電流模式通用二階濾波器。

電流差分跨導(dǎo)放大器；低壓高性能電流鏡；電壓控制；電流模式通用二階濾波器

作為電流模有源器件發(fā)展的新成果，電流差分跨導(dǎo)放大器的提出雖然只有十多年的歷史，但由于其結(jié)合了CCⅡ與OTA的優(yōu)點(diǎn)，并且其輸入和輸出均為電流信號(hào)，是真正意義上的電流模式器件，因此，對(duì)它的研究得尤其是對(duì)參數(shù)可控的CDTA的研究引起了學(xué)者們極大的興趣［1-2］。

文獻(xiàn)［3-5］提出了采用跨導(dǎo)環(huán)路構(gòu)成的CDTA，實(shí)現(xiàn)了器件的輸入阻抗可調(diào)，但輸入阻抗的調(diào)節(jié)會(huì)使得輸入阻抗變大，不利于電流信號(hào)傳輸，同時(shí)輸入可控電阻受溫度影響大，電路參數(shù)調(diào)諧不易控制。文獻(xiàn)［3-6］中采用偏置電流控制跨導(dǎo)級(jí)尾電流的方法控制CDTA的跨導(dǎo)，然而，跨導(dǎo)級(jí)的輸入電壓范圍由尾電流決定，這會(huì)導(dǎo)致跨導(dǎo)級(jí)的輸入范圍變小。為此，提出了一種新型多輸出壓控電流差分跨導(dǎo)放大器（MO-VCCDTA），通過(guò)采用低壓電流鏡作為輸入級(jí)，得到了極低的輸入阻抗、電壓消耗余度和傳輸誤差；同時(shí)采用對(duì)稱(chēng)的MOS管線性組合，實(shí)現(xiàn)了跨導(dǎo)值可由片外電壓線性調(diào)節(jié)，電路簡(jiǎn)單，且跨導(dǎo)值具有較大的可調(diào)范圍。將提出的模塊應(yīng)用于電流模式濾波器的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了電路的實(shí)用性。

1　電路結(jié)構(gòu)描述

文獻(xiàn)［2］中已提出了CDTA的電路符號(hào)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在其差分輸入級(jí)后接入電流鏡與交叉耦合電流鏡，可得到Z端電流的復(fù)制輸出，從而構(gòu)成多輸出端口，電路符號(hào)如圖1所示，其端口特性可由下列方程表示：

其中，電流大寫(xiě)代表大信號(hào)特性，小寫(xiě)代表小信號(hào)特性，gm為MO-VCCDTA的跨導(dǎo)：

式中，K為調(diào)節(jié)系數(shù)，VB為偏置電壓。

圖1　MO-VCCDTA的電路符號(hào)

1.1基于低壓電流鏡的電流輸入級(jí)

電流輸入級(jí)采用高性能低管耗的電流鏡［7］實(shí)現(xiàn)，通過(guò)加入M4管，如圖2所示，得到了更精確的電流傳輸。通過(guò)小信號(hào)模型分析可得到輸入端電阻為：

式中，rb為電流源輸出電阻，roi、gmi為晶體管Mi的輸出電阻和跨導(dǎo)。

圖2　電流輸入級(jí)

從式（3）可以看出，當(dāng)rb=roi時(shí)，輸入電阻可簡(jiǎn)化為：

使得輸入阻抗可以很低。

同時(shí)，當(dāng)晶體管M3、M4參數(shù)相同時(shí)，A、B兩點(diǎn)的電位近似相同，減小了M1、M2因漏源電壓的失配所產(chǎn)生的電流傳輸誤差。此外，由圖2可以看出，晶體管M3的漏極電位較低，降低了電壓消耗余度。

1.2基于MOS管線性組合的壓控跨導(dǎo)放大級(jí)

跨導(dǎo)放大級(jí)是基于周躍慶［8］提出的二管線性組合單元得到的，將二管單元組合成對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，不僅可完成跨導(dǎo)值由外電壓線性調(diào)節(jié)，也可減少非線性誤差。

圖3　MOS管線性組合單元

忽略MOS管的溝道調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)MOS管工作在飽和區(qū)時(shí)，晶體管漏電流為：

式中，ii為MOS管Mi的漏電流，Ki為由溝道寬長(zhǎng)尺寸和工藝決定的參數(shù)，ugsi為柵源電壓，Vthi為閾值電壓。

從圖3可看出，

則對(duì)于MOS管M28、M29與M31、M32，聯(lián)立式（5）、式（6）可得到如下電流關(guān)系：

取輸出電流io1與io2的差值作為輸出電流io，則io可表示為：

當(dāng)MOS管M29與M32、M28與M31完全對(duì)稱(chēng)時(shí)，式（9）可以寫(xiě)為：

由上式看出，當(dāng)ugs29-ugs32作為差模電壓uid輸入時(shí)，跨導(dǎo)值可表示為：

式（11）表明，跨導(dǎo)值gm與電壓U成線性關(guān)系。當(dāng)MOS管M28、M29完全匹配時(shí)，跨導(dǎo)值可簡(jiǎn)化為：

1.3多輸出壓控電流差分跨導(dǎo)放大器

利用上述提出的電流鏡和對(duì)稱(chēng)的MOS管線性組合單元，可設(shè)計(jì)出新型多輸出壓控電流差分跨導(dǎo)放大器，電路原理圖如圖4所示。電路主要由4個(gè)模塊組成，分別為差分電流輸入級(jí)、跨導(dǎo)可由電壓控制的跨導(dǎo)放大級(jí)、z端電流擴(kuò)展輸出電路和偏置電路。

圖4　新型多輸出壓控電流差分跨導(dǎo)放大器（MO-VCCDTA）原理圖

1.3.1差分電流輸入級(jí)

電路中NMOS管M1～M8作為電流輸入級(jí)，提供低輸入阻抗和較高的傳輸精度。改進(jìn)威爾遜電流鏡M9～M12與偏置電流源M49、M50構(gòu)成電流反相單元，替代了簡(jiǎn)單的PMOS負(fù)極性電流反相單元，從而擴(kuò)大了帶寬與輸出電阻，而且靜態(tài)誤差較低［9］。

1.3.2壓控跨導(dǎo)放大級(jí)

基于MOS管線性組合單元原理的分析，電路中的跨導(dǎo)放大級(jí)采用基本源級(jí)耦合差分對(duì)跨導(dǎo)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［10］，如圖4中的M27、M30、M33～M38所示，并插入對(duì)稱(chēng)MOS管線性組合，構(gòu)成壓控跨導(dǎo)放大級(jí)。當(dāng)晶體管M27、M29、M30、M32完全匹配時(shí)，可得到如下關(guān)系：

同時(shí)，將晶體管M29、M32柵極與VDD相連，只保留一個(gè)控制端口VB，即

由式（12）～式（15）可得：

晶體管M33～M42完成X端電流的同相和反相輸出。

1.3.3Z端電流擴(kuò)展輸出電路

要滿足設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)通用性器件的要求，Z端電流的多路輸出至關(guān)重要，例如在設(shè)計(jì)通用濾波器時(shí)，Z端電流的復(fù)制輸出可以很好地解決高通問(wèn)題［1］。晶體管M13～M26構(gòu)成電流鏡與交叉耦合電流鏡，擴(kuò)展Z端輸出端口。

1.3.4偏置電路

晶體管M43～M53為電路提供偏置，其中M45、M46為M13、M14提供柵極電位。

2　電路仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的實(shí)際性能，對(duì)圖4中的MO-VCCDTA電路用Spectre進(jìn)行模擬仿真。采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝參數(shù)，取電源電壓VDD= -VSS=0.9 V，VB=-600 mV，得到電路的靜態(tài)功耗為2.8 mW。

首先仿真驗(yàn)證靜態(tài)特性，掃描P端輸入電流，得到圖5所示的輸出電流的特性曲線，其中Z端負(fù)載取0.5 kΩ，X端負(fù)載取1 kΩ。從圖5可以看出，在-100 μA～100 μA的范圍內(nèi)，輸出端Z、X具有良好的跟隨特性。

圖5　輸出電流隨p端電流變化曲線

當(dāng)偏置電壓VB分別取-600 mV，-660 mV，-720mV，-780 mV，-840 mV，-900 mV時(shí)，得到X+端電流的特性曲線如圖6（a）所示。

當(dāng)取P端輸入電流為定值-80 μA時(shí)，掃描跨導(dǎo)值隨偏置電壓的變化曲線如圖6（b）所示，由圖6（b）可知，在一定的偏置電壓范圍內(nèi)，跨導(dǎo)值可以隨偏置電壓線性變化，變化范圍可達(dá)0.34 mS～1.56 mS。

圖6　跨導(dǎo)值隨偏置電壓變化關(guān)系

再分析電路中信號(hào)傳輸?shù)慕涣魈匦?，在曲線平坦范圍內(nèi)iz+/ip≈iz+/in=1.008，-3 dB帶寬為131 MHz，iz-/ip≈iz-/in=1.013，-3 dB帶寬為133 MHz，ix+/ip≈ix+/ in≈ix-/ip≈ix-/in=0.180，-3 dB帶寬為88 MHz，如圖7所示。

圖7　輸出端交流特性曲線

電路阻抗特性如圖8所示，可以看到P端、N端的輸入電阻在曲線平坦范圍內(nèi)很小，僅為10 Ω；而輸出端的電阻較高。

電路版圖核心面積約為69 μm×45 μm，如圖9所示。

表1列出了圖4電路參數(shù)及文獻(xiàn)［3-4］的相關(guān)參數(shù)，可看到該電路輸入電阻較小、線性度較高，跨導(dǎo)值可調(diào)范圍大。

圖8　

圖9　MO-VCCDTA電路版圖

表1　圖4與相關(guān)參考文獻(xiàn)電路參數(shù)

3　提出電路應(yīng)用于濾波器的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證所提出器件的性能，對(duì)文獻(xiàn)［1，11-12］中所提出的濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，得到圖10所示濾波器，該結(jié)構(gòu)僅用兩個(gè)所提出模塊與兩個(gè)接地電容構(gòu)成，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通、帶阻、全通五種濾波功能，且特征頻率可調(diào)。由圖10可知：

同時(shí)，iBS和iAP可由如下關(guān)系得到：

所以，

式中g(shù)mi是MO-VCCDTA的跨導(dǎo)值，特征頻率ω0和品質(zhì)因子Q的表達(dá)式如下：

圖10　利用MO-VCCDTA構(gòu)成的濾波電路

通過(guò)以上分析，取偏置電壓VB1=VB2=VB=-600 mV，且令，則品質(zhì)因數(shù)Q=0.707，特征頻率f0=383 kHz。對(duì)圖10電路進(jìn)行仿真，可得濾波器的低通、高通、帶通、帶阻和全通曲線，如圖11所示，測(cè)得實(shí)際的特征頻率為398 kHz，與理論值十分接近。在不改變其他參數(shù)的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)VB改變?yōu)V波器的特征頻率，如圖12所示，在帶通濾波器中驗(yàn)證了頻率的可調(diào)性。

圖11　濾波器增益曲線

圖12　帶通濾波器的頻率可調(diào)特性曲線

4　結(jié)論

本文提出了一種多輸出壓控電流差分跨導(dǎo)放大器（MO-VCCDTA），采用對(duì)稱(chēng)的MOS管線性組合單元，實(shí)現(xiàn)跨導(dǎo)值的線性調(diào)節(jié)，電流鏡與交叉耦合電流鏡的使用擴(kuò)展了輸出端口。采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝參數(shù)，在±0.9 V的供電電源條件下對(duì)電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與理論分析符合。經(jīng)驗(yàn)證，提出的電路可用于設(shè)計(jì)電流模式可調(diào)諧連續(xù)時(shí)間濾波器，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

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劉晨光（1990-），男，漢族，山東青島人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槟M集成電路設(shè)計(jì)，liuchenguang@foxmail.com；

王衛(wèi)東（1956-），男，漢族，桂林電子科技大學(xué)碩士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向?yàn)槟M集成電路及電流模技術(shù)方面的研究；

胡許光（1989-），男，漢族，安徽安慶人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)閷?zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)。

The Design of a New Multiple Output Voltage Control CDTA

LIU Chenguang，WANG Weidong*，HU Xuguang
（School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

A new Z-copy current differencing transconductance amplifier（CDTA）with variable transconductance ad?justed by voltage is presented.Adopted a low voltage-high performance current mirror in the current input stage，the consumption of the voltage redundancy，input impedance and transmission error of this circuit are reduced；Based on the MOS linear composite cell，transconductance amplifier stage with voltage control transconductance is achieved.The circuit is designed by using SMIC 0.18 μm CMOS technology，the Spectre simulation results show that the current linear input range is from-100 μA to 100 μA in±0.9 V voltage source condition，the input imped?ance is 10 Ω.The transconductance can be regulated from 0.34 mS to 1.56 mS，and the-3 dB bandwidths of iz/iiand ix/iiare 131 MHz and 88 MHz.The total power consumption is 2.8 mW.In addition，a current-mode universal bi?quad filter is acquired occupying only two MO-VCCDTA and two capacitors.

CDTA；low voltage-high performance current mirror；voltage control；current-mode universal biquad filter EEACC：1270

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.021

TN432

A

1005-9490（2016）02-0350-06

2015-05-06修改日期：2015-06-05