基于跨導(dǎo)放大器的電流模式積分單元的設(shè)計

摘要：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?；诳鐚?dǎo)放大器的電流模積分器可以實現(xiàn)電流到電流的積分轉(zhuǎn)換。同時可應(yīng)用于各種集成濾波電路的設(shè)計。在此采用0．18μm CMOS仿真工藝，使用共源共柵結(jié)構(gòu)設(shè)計一款供電電壓為1．8 V的高增益低功耗的跨導(dǎo)放大器，采用具有PTAT基準電流源的偏置電路，使用HSpice進行優(yōu)化設(shè)計，并將此放大器應(yīng)用于電流模式積分單元的電路仿真。
關(guān)鍵詞：電流模；積分器；跨到放大器；共源共柵；HSpice

0 引言
    相對于傳統(tǒng)的電壓模電路，電流模電路具有頻帶寬、速度高、不受增益帶寬積常數(shù)的限制等特點。因此在高頻領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。
    同時作為模擬電子計算機基本組成單元的積分器電路在控制測量系統(tǒng)中被常常用到。而且在各種波形(矩形波、鋸齒波等)發(fā)生電路中，積分電路也是重要的組成部分。而OTA積分器具有突出的優(yōu)點，外接元件只需電容，電路簡單，容易集成，積分時間常數(shù)可調(diào)，高頻性能好，這些都是它的突出優(yōu)點，在有源濾波器、正弦振蕩器等電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。
    本文基于0．18μm CMOS工藝仿真設(shè)計一個基于OTA的低功耗，高增益的電流模式積分單元。并采用HSpice軟件對電路進行仿真。

1 電流模積分器原理
    運算跨導(dǎo)放大器(Operat-ional Transconductance Amplitier，OTA)是通用性很強的器件。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)運算放大器分為雙極型和MOS型2種，相對于雙極型跨導(dǎo)運算放大器而言，CMOS跨導(dǎo)運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。
    對于這個理想模型，2個電壓輸入之間開路，差分輸入電阻為無窮大；輸出端是一個受差模輸入電壓控制的電流源，輸出電阻為無窮大。同時，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，很容易實現(xiàn)電流模積分器的設(shè)計。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間常數(shù)為gm／C。

2 積分器設(shè)計
    由以上分析可知要設(shè)計一個電流模式的積分器首先需要設(shè)計一款高性能OTA。本文設(shè)計了一款低電壓的CMOS兩級OTA，并將其應(yīng)用于積分電路的仿真設(shè)計。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。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。同時第2級放大結(jié)構(gòu)的存在，輸出范圍可以達到全擺幅。設(shè)計中此電路采用差轉(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鏡像極點，但是與此同時帶來的零點共同作用使得其極點的影響可以忽略。并且電路中為了增加電路穩(wěn)定性，提高相位裕度，減小非零主極點的影響，還進行了米勒電容的頻率補償。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共柵結(jié)構(gòu)，消除了頻率補償原本因前饋同路而帶來的零點。
    電路采用PTAT基準電流源，電路如圖5所示。整個電路通過手工計算推導(dǎo)，然后采用計算機進行仿真，微調(diào)電路參數(shù)。最終所得到的OTA放大器在負載為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，基本實現(xiàn)全擺幅的輸出。輸出電壓為SR>5V／μs。

    電路的設(shè)計過程主要推導(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軟件進行功能仿真。圖6(a)，(b)分別為輸入信號為正弦和三角波時所對應(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。