??? 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，并且在閉環工作狀態下具有恒定的帶寬。
??? 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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??? 隨著電子技術的發展以及快速采集和處理數據的需要，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、高速數據采集系統、視頻和射頻等高頻高速電子系統中被廣泛采用[1-2]。
??? CFOA與傳統的VFOA相比具有許多優點，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到Z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。
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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以及-3dB帶寬為:
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??? 式(2)和式(3)表明，對于CFOA，其閉環帶寬可用反饋電阻Rf調節，閉環增益可用R1控制，從而實現增益與帶寬的獨立控制。這是傳統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在閉環工作時的頻帶寬度。從X端到Z端，中間線性傳輸的物理量是電流，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連接成反相閉環結構，如圖６所示，對其進行交流分析。圖7是CFOA的反相閉環幅頻特性,當固定Rf=10kΩ，R1分別取1kΩ、3.3kΩ、10kΩ時,由結果可看出,反相閉環增益分別為20dB、10dB、0dB，此時-3dB帶寬恒定。同相閉環增益與此類似，這體現了CFOA的主要特性：增益與帶寬獨立。
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??? 傳統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,運放的靜態功耗是一項非常重要的指標。該運放的靜態功耗為：
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??? 由實際仿真結果得到該運放的靜態功耗為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，僅產生0.64mW功耗，閉環帶寬恒定，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，該運算放大器已經用于一種二階濾波器的設計中。
參考文獻
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