??? 摘 要：設(shè)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(zhuǎn)換速率" title="轉(zhuǎn)換速率">轉(zhuǎn)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(guān)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(shù)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)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(shè)備,、儀器(筆記本電腦、IC卡,、手機)等的背景下，對CMOS電路結(jié)構(gòu)的研究就顯得意義重大,。近年來隨著MOS器件應(yīng)用的廣泛,，基于互補CMOS電路結(jié)構(gòu)的CFOA由于理論上具有無限制的轉(zhuǎn)換速率和閉環(huán)工作時具有與增益無關(guān)的帶寬，在高速A/D和D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速率,；同時,，其閉環(huán)帶寬與增益無關(guān)，不存在增益帶寬積的限制,。對轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)計采用CCⅡ－作為CFOA的輸入級，它由跨導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)線性回路,。這使得V_x跟隨V_y,，即X端口的電壓跟隨Y端口電壓。反相輸入端的電流i_x＝i_d3－i_d4,，其中i_d3,、i_d4分別為M3、M4的漏極電流,，當反相輸入端信號電流為零時, i_d3=i_d4,。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，I_b1和I_b2提供10μA的偏置電流,。

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1.2 電流反饋運算放大器分析
??? 本文所設(shè)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(jié)構(gòu),。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r_x,，運放的輸出電阻為r_o，Z端內(nèi)部電容和電阻為C_Z和R_Z,；反饋電阻為R_f,。分析可得其增益函數(shù)以及-3dB帶寬為:

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??? 式(2)和式(3)表明，對于CFOA，其閉環(huán)帶寬可用反饋電阻R_f調(diào)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(shè)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(shè)計的關(guān)鍵之一。本文所設(shè)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(nèi)部高阻抗C_Z和R_Z將X端傳送到Z端的不平衡電流轉(zhuǎn)換為電壓,。電容CZ與反饋電阻R_f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V_DD=1.5V,，V_SS＝-1.5V，V_BIAS=0.7V,，V_b=0.6V,。將CFOA連接成反相閉環(huán)結(jié)構(gòu)，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R_f=10kΩ，R1分別取1kΩ,、3.3kΩ,、10kΩ時,由結(jié)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(zhuǎn)換速率SR的提高,。本文設(shè)計的CFOA，采用了由跨導(dǎo)線性回路構(gòu)成的CCⅡ－，將電流作為信號的傳輸量,，因此轉(zhuǎn)換速率SR得到了很大的提高,。將CFOA連接成電壓跟隨器的結(jié)構(gòu)，輸入1MHz的方波,，其瞬態(tài)響應(yīng)曲線如圖8所示,。

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??? 由圖8可以看出，本文設(shè)計的CFOA具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)特性,。其轉(zhuǎn)換速率SR為28.57V/μs,，高于參考文獻[1-2]中的轉(zhuǎn)換速率8.75V/μs和11V/μs。
??? 在低壓低功耗應(yīng)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(jié)果得到該運放的靜態(tài)功耗為0.64mW,。
??? 本文設(shè)計的一種超低功耗電流反饋運算放大器，采用跨導(dǎo)線型回路構(gòu)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(zhuǎn)換效率，從而也提高了整個電路的電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)計中,。

參考文獻
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