跨导放大器实现电流模式积分单元

　　引言

　　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。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。