基于單個CDCTA的低壓電控調(diào)諧電流模式多相位正弦振蕩器的設(shè)計

王春華，藺海榮，李毅，金杰，夏贊明

(湖南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410082)

1 引言

隨著模擬集成電路的快速發(fā)展，多相位正弦波振蕩器在通信電子，自動控制和信號處理等許多技術(shù)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，因而在過去的幾十年里，多相位正弦振蕩器電路的設(shè)計受到許多國內(nèi)外學者的親睞，基于OTA、CFOA、CCII、CDBA、CDTA等各種有源模塊的多相正弦振蕩器電路已經(jīng)被報道[1～7]。但它們都需要使用多個有源元件(至少n個)。本文采用一個有源器件和少量接地無源元件，設(shè)計了一種新的電流模式多相位正弦振蕩器電路。它不僅克服了過去被提出的多相正弦振蕩器的缺點，而且具有以下優(yōu)點:電路僅由一個有源器件 CDCTA[8]和少量無源元件構(gòu)成，并無任何浮點無源元件，也不需要額外的電流放大器，大大地縮小了芯片面積，非常適于集成；電路工作在純電流模式下，具有工作電壓低、轉(zhuǎn)速快、頻帶寬、動態(tài)范圍大等優(yōu)點；由于產(chǎn)生的n個電流信號都在高輸出阻抗端，因此，它在級聯(lián)或連接到其他電路中時并不需要額外的緩沖電路；振蕩條件和振蕩頻率能相互獨立地電控調(diào)諧，可方便快捷地輸出不同幅度不同頻率的電流信號，能滿足實際應(yīng)用中不同的需求。計算機仿真和流片測試結(jié)果表明，設(shè)計的電路正確可行。

2 CDCTA的端口特性和實現(xiàn)原理

電流差分級聯(lián)跨導放大器(CDCTA)是一種純電流模式有源器件，它綜合了CDTA與OTA的優(yōu)越性能，具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單、低壓低功耗、低輸入和高輸出阻抗、寬頻帶等優(yōu)點。CDCTA的元件符號和等效電路如圖1所示，理想情況下的輸入輸出端口特性可表示為

圖1 CDCTA的元件符號及有效電路

其中，p和n是低阻抗電流輸入端，Z、Xi和±Xic是高阻抗電流輸出端，gmi是第i級跨導增益，可由偏置電流IBi控制，Vz和Vxi是在輸出端口Z和Xi上的電壓降(假設(shè)有一個外部阻抗連接在端口上)。電路提供了大小相同方向相反的2種輸出電流端±Xic，Vz和Vxi通過跨導轉(zhuǎn)變成下一級的輸出電流Ix1c和Ixic。電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個電路分別由2個基本模塊組成，前部分是一個電流差分單元電路，后部分是級聯(lián)的n個交叉耦合跨導單元。由圖可知，CMOS晶體管M1～M15和一些偏置電路、電流鏡電路構(gòu)成了電流差分單元，這種結(jié)構(gòu)具有非常低的輸入阻抗。交叉耦合跨導電路由 M16～M23，M36～M43和一些電流源組成。多輸出電流鏡電路由M24～M35，M44～M55所構(gòu)成。跨導級gmi可以根據(jù)實際應(yīng)用需要增加，輸出端口±Xic也可以通過電流鏡擴展。

3 多相位正弦振蕩器的設(shè)計

圖3給出了基于CDCTA的多相位正弦振蕩器電路，它僅需一個CDCTA，一個接地電阻和n個接地電容，就可以輸出n(n是奇或偶)個等相位差的電流信號。因此，這種結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)多相位正弦振蕩器電路大大的被簡化，非常適合于集成。

圖2 基于CMOS的CDCTA電路

圖3 基于CDCTA的多相正弦振蕩器

根據(jù)圖3和式(1)～式(3)，電路輸出方程有

因此，可獲得電路開環(huán)增益為

假設(shè)gmi=gm(1≤i≤n)，Ci=C(1≤i≤n)，圖 3 的開環(huán)增益L(s)可表示為

根據(jù)巴克豪森準則，要使振蕩器保持穩(wěn)定的振蕩頻率ω0=2πf0，則L(s)必須滿足

即

通過替代0ω到式（10），即有

從式(12)可以看出，這個多相正弦振蕩器的振蕩條件可以獨立地由跨導gm(n+1)控制，即可通過調(diào)節(jié)IB(n+1)改變振蕩條件，且不影響振蕩頻率；與此同時，振蕩頻率可通過gm獨立地電控調(diào)節(jié)，并不會引起振蕩條件的變化。因此，它的振蕩條件和振蕩頻率可以相互獨立地電控調(diào)諧。此外，通過利用CDCTA的反相電流輸出端，多相正弦振蕩器可以獲得電流輸出-iIoi(i=1, 2, 3, …,n)，偶相位可以從同一電路中得到。因此，這個多相位正弦振蕩電路可同時獲得n相位輸出信號，n可為奇數(shù)或偶數(shù)。

4 計算機仿真及流片測試

為了驗證上述理論分析的正確性，該多相位正弦振蕩器在 CADENCE中使用 TSMC 0.18 μm CMOS工藝進行設(shè)計，CMOS管的參數(shù)設(shè)置如表1所示，對n=3六相位正弦振蕩器進行仿真，電路仿真參數(shù)設(shè)置為VDD=-VSS=1.0 V,I0=30 μA,IB4=110 μA,IB1= IB2= IB3=50 μA,R=16.4 kΩ,C1= C2=C3=9.3 pF，理論計算振蕩頻率f0=33.6 MHz。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，實測振蕩頻率為33.2 MHz。計算機仿真結(jié)果說明電路正確有效。與此同時，對于n=2四相位正弦振蕩器已經(jīng)采用 0.18 μm CMOS工藝流片實現(xiàn)，其芯片顯微照片如圖6所示，芯片總面積僅約為0.85 mm× 0.75 mm。圖7為四相正弦振蕩器電路芯片在實驗室的測試輸出圖像，測試結(jié)果表明本文提出的多相位正弦振蕩器電路是正確可行的，具有實際應(yīng)用意義的。

圖4 六相正弦振蕩器仿真波形

圖5 六相正弦振蕩器仿真頻譜

圖6 四相正弦振蕩器的芯片顯微照片

圖7 四相正弦振蕩器芯片的測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文提出了一個純電流模式模擬集成電路，它僅僅使用1個有源器件CDCTA和少量接地無源元件，實現(xiàn)了多相位正弦振蕩器，電路具有如下優(yōu)勢：1) 僅含一個有源器件，結(jié)構(gòu)簡單；2) 所有無源元件均接地，容易集成；3) 工作電壓低，功耗小；4) 振蕩頻率高，適用范圍寬；5) 振蕩條件和振蕩頻率可獨立電控調(diào)諧,應(yīng)用靈活；6) 輸出阻抗高，無需元件匹配。基于這些特點，該多相位正弦振蕩器具有極大的通用性，可以應(yīng)用于多種模擬信號處理系統(tǒng)中。通過對六相和四相正弦振蕩器的計算機仿真與流片測試，證明了理論分析與設(shè)計的正確有效性。

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