一種改進型電調諧電流差分跨導放大器的設計

李耀臻，王衛東，張普杰，劉晨光

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

一種改進型電調諧電流差分跨導放大器的設計

李耀臻，王衛東，張普杰，劉晨光

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

設計了一種電流增益和跨導均可線性調節的電調諧電流差分跨導放大器(ECDTA)。電路改變了電流單位增益傳輸的固有模式，采用工作于弱反型區的MOS管跨導線性環，得到了可電調諧的電流增益；跨導放大級采用CMOS對管和浮地電源交叉耦合放大器，在傳輸特性的非線性誤差不大于1%時，電路的差動輸入電壓范圍可達±2.8 V。采用SMIC 60 nm CMOS工藝進行設計，在±0.9 V電源電壓下仿真表明，電流傳輸增益可在0.105～8.98范圍內線性調節，跨導值可在0.056 mS～0.204 mS范圍內線性調節；電路總功耗僅為0.31 mW。

電調諧電流差分跨導放大器；弱反型區；跨導線性環；浮地電壓源

0 引言

電流差分跨導放大器(CDTA)作為電流模有源器件發展的新成果，因其輸入輸出均為電流信號，從而引起學者們極大的研究興趣。

本文提出的具有電調諧功能的CDTA(ECDTA)電路不同于以往文獻中提到的調節方式，將具有單位增益傳輸的電流差分單元改為電流傳輸增益可調諧的電流差分單元，同時，結合CMOS對管交叉耦合跨導放大級本身可調節跨導的特性，實現了電路的雙調諧功能。將提出的模塊應用于電流模式濾波器的設計，驗證了電路的實用性。

1 電路結構描述

本文所提出的ECDTA結構如圖1所示。

圖1 本文提出的具有電調諧功能的CDTA結構

不同于已有的電控制方法，該結構通過控制電流的傳輸增益引入控制端。采用具有可變電流增益的電流差分單元，實現了傳輸增益的電調諧。而且，該偏置電流只會影響電流傳輸增益，對輸入端的電阻等參數并沒有影響。

1.1 電調諧電流差分單元的實現電路

1.1.1具有可調電流增益的輸入級

本文所提出的具有可調電流增益的輸入級電路如圖2所示。

圖2 具有可調電流增益的輸入級

將M1～M4管的襯底與源極短接以消除體效應，當MOS管滿足VDS≥3VT時，弱反型區的MOS管可以采用類似于雙極型晶體管的跨導線性原理分析，可得到這四個管子的電流滿足：

IQ·(Ii+IR)=ID1·ID3=ID2·ID4=Io·IR

(1)

進而可得到如下電流的關系：

(2)

該結構的輸入電阻為：

(3)

其中，roi、gmi為晶體管Mi的輸出電阻和跨導。

1.1.2電流差分運算的實現

由式(2)可以看到，為了得到與偏置電流呈線性關系的增益，可以固定電流IR，通過調節IQ的值來得到線性調節的電流增益。

針對輸出電流具有非常大的變化范圍的需求，在本結構中采用如圖3所示的電流鏡電路[1-2]，該電路中MOS管可以在全工作區傳輸電流，傳輸的電流可以有很大的變化范圍，而且該電路具有很大的輸出電壓擺幅和輸出電阻。

圖3 可在全工作區工作的電流鏡電路

利用負反饋的方式，MOS管M15、M16、M18和M19得到輸出電流并將其與輸入電流進行比較，兩電流的差值會進而調整M16的柵極電壓，使輸出電流和輸入電流保持一致[1-2]。提出該結構的學者MINCH B A采用漏源極對稱的EKV模型進行分析[2-3]，分析表明，不論MOS管是否處于強反型區，都可實現較精確的電流傳輸。

此外，該結構輸出電壓滿足：

Vout≥2VDSsat

(4)

其中，VDSsat表示漏源極飽和壓降，所以該結構可以有很大的輸出電壓擺幅。另外，該結構的輸出電阻較大，類似于共源共柵電流鏡，滿足：

ro≈ro19gm19ro16

(5)

1.2 跨導放大級的實現電路

本文所采用的跨導放大級電路如圖4所示，電路是基于文獻[4]提出的CMOS浮地電源交叉偶合運算跨導放大結構得到的，在傳輸特性的非線性誤差不大于1%時，電路的差動輸入電壓范圍可達±2.8 V。

圖4 CMOS對管交叉偶合跨導放大級電路

圖4中，M56與M58、M57與M59是差動輸入CMOS對管，M60與M61、M62與M63是輔助電壓源的CMOS對管,端點1、2和3、4分別接入1∶1的電流鏡。

其中，輔助電壓源的電壓值一般為一個常數，所以電流變化量不受輸入差分的影響，而且差動輸入級的傳輸特性可以在大范圍內實現理想的線性關系。上下兩個電流鏡傳輸滿足:

io1=iD1-iD2

(6)

io2=iD2-iD1=-io1

(7)

若電路中同極性晶體管具有相同的W/L值及參數，則電路的跨導增益為：

(8)

由式(8)可知，改變外偏置電流IB的大小，可實現Gm的調節。

圖5所示為CMOS對管交叉耦合差動跨導放大器的直流傳輸特性曲線。由圖可知，當io≤4IB，時，線性范圍內具有理想的線性關系；當輸入電壓超過線性范圍使電路一側電流為0時，輸出電壓并未突然飽和，而是平滑地進入平方關系曲線[5]。

1.3 整體電路的實現

本文所提出的電調諧電流差分跨導放大器整體電路如圖6所示。MOS管M1～M14構成了具有可調增益的電流輸入單元，實現對p端和n端電流的放大傳輸，且該增益可由IQ進行線性調節，并通過MOS管M27～M32構成低壓共源共柵電流鏡引入該調節電流。M5、M7、M12和M14作為輔助管，將輸出端與M2、M6、M11和M13隔離開，以減小輸出端電壓對MOS管漏源電壓的影響，提高電流的傳輸精度。M15～M26構成兩個如圖3所示的電流鏡，分別實現對p端電流和n端電流的反相處理，從而得到z端電流的同相和反向輸出，其中IR由M33～M43和M52～M55構成的偏置電路引入，為一固定常數值，從而實現z端差分電流的增益可只由IQ線性調節。MOS管M44～M51作為圖3電流鏡中偏置電流IA的引入管。

圖5 直流傳輸特性曲線

圖6 電調諧電流差分跨導放大器整體電路

MOS管M56～M77構成具有雙相電流輸出的跨導放大級。為提高電路性能，采用低壓共源共柵電流鏡(M64～M77)完成電流信號的傳輸和跨導調節電流IB的引入[6]。

2 電路仿真結果與分析

為了驗證所設計電路的實際性能，對圖6電路用Spectre進行模擬仿真。采用SMIC 90 nm CMOS工藝參數，取電源電壓VDD=-VSS=0.9 V,IQ=6 μA,IB=5 μA，得到電路的靜態功耗為310.23 μW。在仿真信號傳輸過程中取z端和x端負載均為10 kΩ。

首先仿真驗證靜態特性，掃描p端輸入電流，在-5 μA～5 μA的輸入范圍內，z輸出端和x輸出端具有良好的傳輸特性。

選取p端作為電流輸入端，當增益控制電流IQ在0.6 μA～66 μA取值時，可知IQ可控制CDTA電流的傳輸，實現電流增益的調諧。

再分析電路中信號傳輸的交流特性，當p端輸入時得到的交流傳輸特性仿真結果如圖7所示。由圖可知，當p端輸入時，z+輸出端的-3 dB帶寬為14.8 MHz，z-輸出端的-3 dB帶寬為10.7 MHz，x輸出端的-3 dB帶寬為11.24 MHz。

圖7 p端輸入時的交流特性曲線

選取p端作為交流信號輸入端，當IQ在0.6 μA～66 μA變化時，電流增益a可在0.105～8.98范圍內隨調諧電流IQ線性變化。

圖8為在不同的IQ下，z+輸出端電流跟隨p輸入端電流的交流特性曲線。由圖知IQ電流可調節電流的交流增益，且對電路的帶寬的影響不大。

圖8 不同IQ下的z+端交流特性曲線

對輸入輸出電阻進行仿真，得到如圖9所示的阻抗特性曲線。由圖9(a)可看出，p端和n端的輸入阻抗較低，僅為38.1 Ω，10 MHz時約為2.8 kΩ;輸出端阻抗非常高,1 MHz時,Rz+=Rz-=10 MΩ, Rx+=Rx-=27.04 MΩ。

圖9 電路阻抗特性曲線

將本結構的仿真結果列如表1所示，并給出了相關文獻的參數值。從表中看到，該電路輸入輸出阻抗性能較好，電流增益和跨導均可線性調節且調節范圍較大。此電路的功耗低，線性度好，但頻帶范圍不高，適用于生物電信號處理電路、神經電路等中低頻段、低功耗電路的應用。

表1 本結構主要參數與相關文獻對比

3 本文電路應用于濾波器的設計

采用兩個ECDTA電路和兩個接地電容，即可構成具有可調諧功能的通用二階濾波器。該電路使用的無源器件少，結構簡單且該濾波器可對ω0和Q進行獨立調節，同時也可對部分濾波功能的增益進行調節。從輸入輸出端口看，可將其稱為單輸入多輸出濾波器，其電路如圖10所示。

圖10 基于ECDTA的可調諧濾波器電路

由圖10及ECDTA的端口特性可得以下表達式：

(9)

(10)

(11)

為得到特征頻率和品質因數獨立可調的濾波器，當gm1=gm2且α1·α2=1時，特征頻率ω0和品質因子Q的表達式如下：

(12)

(13)

通過以上分析取供電電壓為±0.9 V，IQ1=IQ2=6 μA，IB1=IB2=5 μA，使得α1=α2=1，gm1=gm2=0.056 mS，取C1=100 pF，C2=200 pF。對圖10電路進行仿真，可得濾波器的低通、高通、帶通、帶阻和全通曲線如圖11所示，測得實際的特征頻率為79.85 kHz，仿真結果與理論分析基本一致。通過調節IB改變濾波器的特征頻率 ，得到如圖12所示的帶通特性曲線，可看到該濾波器在不影響Q值的情況下，可獨立調節ω0的值。且在不改變其他參數的情況下，可以通過調節IQ1改變濾波器的Q值 ，得到如圖13所示的帶通特性曲線，可看到該濾波器在不影響ω0值的情況下，可獨立調節Q值。

圖11 可調諧濾波器的幅頻特性曲線

圖12 不同f0的帶通特性曲線

圖13 不同Q值的帶通特性曲線

4 結論

本文提出了一種具有電調諧功能的電流差分跨導放大器(ECDTA)。該電路改變了電流差分單元中單位電流增益的傳輸特性，利用工作于弱反型區的MOS管構成的跨導線性環路，實現了電流增益的可調諧功能；跨導放大級采用對管交叉耦合跨導運算放大結構實現，得到了跨導同樣可由外偏置電流線性調節的特性。采用SMIC 90 nm CMOS工藝進行仿真，仿真結果驗證了電流增益和跨導值可由偏置電流線性調節的特性，驗證了所設計的改進型CDTA電路的正確性。

[1] MALCHER A. Modified current differencing transconductance amplifier-new versatile active element[J].Bulletin of the Polish Academy of Sciences:Technical Sciences,2012,60(4):739-750.

[2] RAGUVARAN E, DEEPAK PRASATH N, ALEXANDER J, et al. A very-high impedance current mirror for bio-medical applications[C]. IEEE Recent Advances in Intelligent Computational Systems (RAICS), 2011:828-830.

[3] MINCH B A. Low-Voltage wilson current mirrors in CMOS[C]. IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2007:2220-2223.

[4] 王萍,趙玉山.CMOS浮地電源交叉耦合運算跨導放大器[J].微電子學,1996,26(2):92-96.

[5] 王衛東. 現代模擬集成電路原理及應用[M]. 北京：電子工業出版社, 2008.

[6] 周洪敏, 張瑛, 于映,等. 低功耗CMOS低噪聲放大器的設計[J]. 微型機與應用, 2014,33(23):41-43.

[7] UYGUR A, KUNTMAN H. Design of a current differencing transconductance amplifier (CDTA) and its application on active filters[C]. Proceedings of the IEEE 13th Signal Processing and Communications Applications Conference, 2005: 340-343.

Design of an improved electronically tunable current differencing transconductance amplifier

Li Yaozhen, Wang Weidong, Zhang Pujie, Liu Chenguang

(School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

An electronically tunable current differencing transconductance amplifier(ECDTA) with linearly adjustable current gain and transconductance is designed. The tunable current gain instead of the unit gain is implemented by introducing the translinear loop in which the MOSFETs are worked in weak inversion. And CMOS cross-coupled amplifier and floating-bias voltage sources were adopted for the circuit. It has been shown that a ±2.8 V input signal range is achievable for a nonlinearity error of transfer characteristics less than 1%. The circuit is designed by using SMIC 60 nm CMOS technology. When the power supply voltage is ±0.9 V, the simulation results show that the current gain and transconductance can be tuned from 0.105 to 8.98 and 0.056 mS to 0.204 mS, respectively. The power consumption is only 0.31 mW.

ECDTA; weak inversion region; translinear loop; floating-bias voltage source

TN432

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.010

李耀臻，王衛東，張普杰，等. 一種改進型電調諧電流差分跨導放大器的設計[J].微型機與應用，2017,36(20)：34-38.

2017-04-22)

李耀臻(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向:模擬集成電路設計。

王衛東(1956-)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向：模擬集成電路及電流模技術。

張普杰(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：模擬集成電路設計。