基于跨导放大器的电流模式积分单元的设计

摘要：在集成电路系统中，各种模拟功能的电流单元都是由基本的电流模单元组成。跨导放大器是电流模电路的基本单元。基于跨导放大器的电流模积分器可以实现电流到电流的积分转换。同时可应用于各种集成滤波电路的设计。在此采用0．18μm CMOS仿真工艺，使用共源共栅结构设计一款供电电压为1．8 V的高增益低功耗的跨导放大器，采用具有PTAT基准电流源的偏置电路，使用HSpice进行优化设计，并将此放大器应用于电流模式积分单元的电路仿真。
关键词：电流模；积分器；跨到放大器；共源共栅；HSpice

0 引言
    相对于传统的电压模电路，电流模电路具有频带宽、速度高、不受增益带宽积常数的限制等特点。因此在高频领域受到广泛的应用。
    同时作为模拟电子计算机基本组成单元的积分器电路在控制测量系统中被常常用到。而且在各种波形(矩形波、锯齿波等)发生电路中，积分电路也是重要的组成部分。而OTA积分器具有突出的优点，外接元件只需电容，电路简单，容易集成，积分时间常数可调，高频性能好，这些都是它的突出优点，在有源滤波器、正弦振荡器等电路中获得了广泛的应用。
    本文基于0．18μm CMOS工艺仿真设计一个基于OTA的低功耗，高增益的电流模式积分单元。并采用HSpice软件对电路进行仿真。

1 电流模积分器原理
    运算跨导放大器(Operat-ional Transconductance Amplitier，OTA)是通用性很强的器件。它在增益可控放大器、滤波器和电流模式的模拟信号处理系统中应用非常广泛。
    跨导运算放大器分为双极型和MOS型2种，相对于双极型跨导运算放大器而言，CMOS跨导运算放大器的增益值较低，增益可调范围小，但是它的输入阻抗高，功耗低，容易与其他电路结合实现全CMOS集成系统。因此在COMS电路中一直被采用。其电路符号如图1所示：

    其传输特性是：
    Io=gmVd=gm(V+-V-)     (1)
    跨导是ID的函数等效电路如图2所示。
    对于这个理想模型，2个电压输入之间开路，差分输入电阻为无穷大；输出端是一个受差模输入电压控制的电流源，输出电阻为无穷大。同时，理想跨导放大器的共模输入电阻、共模抑制比、频带宽带等参数均为无穷大，输入失调电压，输入失调电流等参数均为零。
    由以上OTA的原理，很容易实现电流模积分器的设计。电路如图3(a)，(b)所示：

   
    无论同相或者反相电流模积分器始终满足输出电流与输入电流的积分成正比且积分时间常数为gm／C。

2 积分器设计
    由以上分析可知要设计一个电流模式的积分器首先需要设计一款高性能OTA。本文设计了一款低电压的CMOS两级OTA，并将其应用于积分电路的仿真设计。OTA的核心电路如图4所示。

    此电路在第一级采用共源共栅结构M1～M11，相比基本的两级放大器可以提高增益，并克服了套筒式结构的输入范围窄的缺点。输入采用PMOS折叠式差分输入结构，输入共模范围可以非常宽，甚至可以低于底电压。同时第2级放大结构的存在，输出范围可以达到全摆幅。设计中此电路采用差转单的结构将输出转换为单端输出，这样给电路增加了一个镜像极点，但是与此同时带来的零点共同作用使得其极点的影响可以忽略。并且电路中为了增加电路稳定性，提高相位裕度，减小非零主极点的影响，还进行了米勒电容的频率补偿。将米勒电容Cc接在第1级共栅输入端和和第2级输出段之间这样在反馈通路上存在一个共栅结构，消除了频率补偿原本因前馈同路而带来的零点。
    电路采用PTAT基准电流源，电路如图5所示。整个电路通过手工计算推导，然后采用计算机进行仿真，微调电路参数。最终所得到的OTA放大器在负载为5 pF的开环增益为81．3 dB，无偏置情况下的功耗仅为607μW。输出电压范围为0．2～1．6 V，基本实现全摆幅的输出。输出电压为SR>5V／μs。

    电路的设计过程主要推导公式如下：
   
    由以上公式可得到OTA核心单元电路中的各个MOS管的参数如表1所示根据图3(b)可在图4输入端加入电容C构成反相电流模积分器。

3 仿真结果
    采用COMS 0．18μm工艺库及表1中的参数，使用HSpice软件进行功能仿真。图6(a)，(b)分别为输入信号为正弦和三角波时所对应的输出信号。

4 结语
    由以上仿真可以看出，此电路实现了电流的反相积分功能。此电路可应用于集成电路内部作为积分电路单元使用。并且在此基础上根据应用，重新调整参数即可获得不同性能的电路单元。