一種新型的CMOS電流反饋運算放大器

關(guān)鍵詞： CMOS , 電流反饋 , 運算放大器

電流反饋運算放大器在高速高頻電子領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，但目前市場上流行的基于互補雙極性結(jié)構(gòu)的電流反饋運算放大器的電源電壓和功耗都較高。文章主要在文獻(xiàn)基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型的CMOS電流反饋運算放大器，使用0.5μmCMOS工藝參數(shù)(閾值電壓為0.7V)，模擬結(jié)果獲得了與增益無關(guān)的帶寬、極大的轉(zhuǎn)換速率。電路參數(shù)為：81db的開環(huán)增益、87度的相位裕度、123db共模抑制比，以及在1.5V電源電壓下產(chǎn)生了約6.2mW的功耗。
近年來，人們越來越關(guān)注低電壓狀態(tài)下的集成電路，這主要是因為便攜式電子產(chǎn)品需要盡可能低的功耗，以延長電池供電的時間，而放大器作為集成電路的一種重要的組成部分是國內(nèi)外研究的熱點。文獻(xiàn)描述了低電壓狀態(tài)下電壓模式放大器的設(shè)計，但有一個明顯的缺點就是隨著被處理信號的頻率越來越高，電壓模式電路的固有缺點開始阻礙它在高頻高速環(huán)境中的應(yīng)用。主要由于閉環(huán)增益和閉環(huán)帶寬的乘積是常數(shù)，當(dāng)帶寬向高頻區(qū)擴(kuò)展時增益按比例下，而且在大信號下它的輸出電壓轉(zhuǎn)換速率也很低。  
　　
為克服這些缺點，本文設(shè)計了低壓狀態(tài)下的電流反饋運算放大器。電流反饋運算放大器(CFOA)被廣泛應(yīng)用在模擬信號處理中，比如模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，濾波器以及許多其他通信系統(tǒng)中。電流反饋運算放大器相對于電壓反饋運算放大器的一個顯著的優(yōu)點就是有無限制的轉(zhuǎn)換速率和與增益設(shè)置無關(guān)的帶寬。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，從根本上改變了傳統(tǒng)電壓反饋運算放大器的電路結(jié)構(gòu)，得到了極大的發(fā)展。但電源電壓一般都是5V，功耗也比較大，但這一狀況會隨著CMOS工藝的成熟而得到解決。盡可能地降低模擬集成電路的電壓和功耗是模擬集成電路的發(fā)展趨勢，已經(jīng)受到國際上的廣泛關(guān)注。  

電路的描述  
　
圖1為本文設(shè)計的電流反饋運算放大器，M1、M11與M2、M12組成差分跨阻放大器，M5、M6與M7、M8為兩個互補的電流鏡，作用是與差分跨阻放大器組成一個電流傳輸器，將反相輸入端V–的信號電流傳送到Z端，Z端為電流傳輸器的高阻抗輸出端。同時，Z端還接有電容C3，利用Z端的高阻抗將M11、M12的不平衡電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?。M9、M10是反相放大器，是基本的增益級。M13、M14起轉(zhuǎn)換電平的功能以及隔離輸出級與中間放大級，防止輸出級影響中間放大級的放大。M3、M4和R組成輸出級電路，R1反饋主要起減小輸出電阻的作用。M15、M16、M17、M18對差分跨阻放大器提供1μA的偏置電流，并在電路中用電容C2、C4進(jìn)行相位補償。  

顯然，從反向輸入端到Z端，中間線性傳輸?shù)奈锢砹渴请娏?，而且電流變化的幅值在理論上沒有限制，因此，這就是電流反饋運算放大器能獲得高速特性的根本原因。  

小信號分析  
　
圖1輸入級是跨阻型差分放大器，它的差模電路半電路等效模型如圖2(a)所示，當(dāng)差模信號v1被輸入時，輸出電流i1主要由兩部分組成：由M11柵源電壓改變以及M11源極電壓的改變而產(chǎn)生的電流。  
i1≈v1×(gm+1/r) (1)  

式中：gm代表M11的跨導(dǎo)，R1為M1的源極電阻，r代表M11源極電阻。  
因此，全電路的差?？缱柙鲆鏋椋?nbsp; 
gTd=i1/v1≈2gm (2)  
　　
共模電路半電路等效模型如圖2(b)所示，當(dāng)共模信號v1被輸入時，輸出電流i主要由兩部分組成：由M1漏極電流的改變以及M11源極電阻的改變而產(chǎn)生的電流。  

  
因此：  
i=-v1(1/R1+1/r) (3)  
　
因此，全電路的共?？缱柙鲆鏋椋?nbsp; 
gTC=|i/v1|=2(1/R1+1/r) (4)  
　
由式(2)和式(4)可得到：  
CMRR=gTd/gTc≈gm/(1/R1+1/r) (5)  
　
電流i通過電流鏡傳輸?shù)絑點，然后通過電容把電流轉(zhuǎn)換為電壓，反向器提高增益，反向器的小信號放大倍數(shù)為：  
A1=gm9/(gds10+gds9) (6)  
　
最后通過輸出緩沖級輸出信號，輸出電路使用推挽反向放大器并用電阻反饋來減小輸出電阻。結(jié)構(gòu)如圖1中M3、M4、R文獻(xiàn)[9]所示?？赏瞥鲂⌒盘柗糯蟊稊?shù)為：  
A2=-(gm3+gm4+1/R1)/(gds3+gds4+1/R1) (7)  
　
在PSPICE軟件下，使用0.5μmCMOS工藝參數(shù)，利用MOS管二級模型參數(shù)可得出圖1的差模電路的增益與相位曲線如圖3所示。

從圖3可以看出差模電路開環(huán)增益為81db，相位裕度為87d，單位增益帶寬為95MHz，顯然電路滿足穩(wěn)定性要求。而文獻(xiàn)[1"3]中的單位增益帶寬分別為1MHz、2.2MHz、5MHz，文獻(xiàn)[8]中的電流反饋運算放大器單位增益帶寬為20MHz，可看出電路單位增益帶寬有極大的提高。  
　
共模電路的幅值曲線如圖4所示，由圖4可以看出共模電壓增益為–42db，由此可以得到CMRR為123db，而文獻(xiàn)[6]中電流反饋運算放大器的CMRR為105db，因此電路具有極好的共模抑制比。  

  
閉環(huán)特性分析  
　
由圖1可以得到CFOA的小信號模型如圖5所示，Vy為正向輸入端，x1為緩沖器，rx為負(fù)向端的電阻，通過輸入緩沖級強(qiáng)制Vx跟隨Vy，中間級接在輸入緩沖器之后，經(jīng)無源元件Cz、Rz把緩沖器輸出電流線性地轉(zhuǎn)換成為電壓。反相輸入方式下電路圖如圖6(a)所示，同相輸入方式下的電路圖如圖6(b)所示。  

  

  
由圖6(a)、圖6(b)、圖5可以得出反向輸入的增益為：  

  
正向輸入的增益為：  

  
當(dāng)rx遠(yuǎn)小于R1、Rz時，以及R2遠(yuǎn)小于Rz時(即圖1電路中V-端電阻盡可能小，增益盡可能大)，式(8)、式(9)可以分別化簡為：  

  

  
由上述分析可以得出閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬與電容以及R2有關(guān)而與增益無關(guān)。其閉環(huán)增益可以由R1來控制，實現(xiàn)增益和帶寬的獨立調(diào)節(jié)。  
　
根據(jù)上述理論，用本文設(shè)計的CMOS電路來驗證，因此根據(jù)圖1、圖6(a)的電路用PSPICE分析其反向閉環(huán)特性，得到如圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)所示的幅頻特性曲線。  

  

  
從圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)可以看出固定R2取值，R1分別取100KΩ、10KΩ、1KΩ時，反相閉環(huán)增益分別為0db、20db、40db，而帶寬約為8MHz，同相閉環(huán)增益與此類似，說明電路設(shè)計基本合理，體現(xiàn)了電流反饋運算放大器的主要特性：與增益設(shè)置無關(guān)的帶寬。因此，隨著增益的提高，而帶寬基本保持不變，可以通過調(diào)節(jié)電容以及R2而使電路向高頻區(qū)擴(kuò)展而增益保持不變，電路的這種特性可使電路廣泛應(yīng)用在音視頻電路以及有線電視傳輸中。  

大信號分析  
　
CFOA的大信號特性決定其轉(zhuǎn)換速率，在閉環(huán)應(yīng)用時，設(shè)圖1中輸入電壓為Vi,Z端引起不平衡電流i，產(chǎn)生輸出電壓V0，電壓放大倍數(shù)為A0，則：  
i=C1(dv0/dt) (12)  
　
由簡化模型圖5可知：  

  
令A(yù)0Vi-V0="V0  
　則：

  
dv0/dt由R2Cz乘積決定，與輸入級的靜態(tài)電流無關(guān)。將運算放大器接成電壓跟隨器，并在輸入端加一脈沖信號，輸出端加入同文獻(xiàn)[2]一樣的負(fù)載電容20pf。可得到如圖8所示的輸出信號，上升沿代表正轉(zhuǎn)換速率，下降沿代表負(fù)轉(zhuǎn)換速率。從圖8可看出上升沿和下降沿幾乎與輸入信號重合，因此轉(zhuǎn)換速率很高，而文獻(xiàn)[2]中電壓模式運算放大電路轉(zhuǎn)換速率才0.54V/μs，文獻(xiàn)[1]中電路的轉(zhuǎn)換速率為1V/μs，從圖8可明顯看出不是一個數(shù)量級的差別。主要因為電壓模式運算放大器具有共源差分對輸入級，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)換速率的提高。本文設(shè)計的電流反饋運算放大器，從根本上消除了電壓模式運算器對轉(zhuǎn)換速率的限制，轉(zhuǎn)換速率獲得了極大的提高。  

  
結(jié)束語  
　
本文在文獻(xiàn)基礎(chǔ)上設(shè)計個一種新型的低壓低功耗電流反饋運算放大器，它在只需1.5V電源電壓情況下，得到僅6.2mw功耗。以及開環(huán)增益能達(dá)81db，相位裕度大于60°，共模抑制比高達(dá)123db等優(yōu)點。與文獻(xiàn)[1"3]相比，圖1獲得了極大的轉(zhuǎn)換速率以及與增益無關(guān)的帶寬。如今模擬電路的典型電源電壓大約是2.5"3V，但是發(fā)展的趨勢表明未來將是1.5V，甚至更低。當(dāng)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CMOS型電路的研究是很有必要的，在對電源電壓以及功耗要求比較嚴(yán)格的條件下，比如任何攜帶能源有限的設(shè)備、儀器(筆記本電腦、IC卡、手機(jī))等的背景下就顯得意義重大。