一种新型的CMOS电流反馈运算放大器

摘要：电流反馈运算放大器在高速高频电子领域有广泛的应用，但目前市场上流行的基于互补双极性结构的电流反馈运算放大器的电源电压和功耗都较高。文章主要在文献基础上设计了一种新型的CMOS电流反馈运算放大器，使用0.5μmCMOS工艺参数(阈值电压为0.7V)，模拟结果获得了与增益无关的带宽、极大的转换速率。电路参数为：81db的开环增益、87度的相位裕度、123db共模抑制比，以及在1.5V电源电压下产生了约6.2mW的功耗。

关键词：低压低功耗，共模抑制比，运算放大器，电流模电路

引言

近年来，人们越来越关注低电压状态下的集成电路，这主要是因为便携式电子产品需要尽可能低的功耗，以延长电池供电的时间，而放大器作为集成电路的一种重要的组成部分是国内外研究的热点。文献[1~3]描述了低电压状态下电压模式放大器的设计，但有一个明显的缺点就是随着被处理信号的频率越来越高，电压模式电路的固有缺点开始阻碍它在高频高速环境中的应用。主要由于闭环增益和闭环带宽的乘积是常数，当带宽向高频区扩展时增益按比例下，而且在大信号下它的输出电压转换速率也很低。

为克服这些缺点，本文设计了低压状态下的电流反馈运算放大器。电流反馈运算放大器(CFOA)被广泛应用在模拟信号处理中，比如模数转换(ADC)，滤波器以及许多其他通信系统中。电流反馈运算放大器相对于电压反馈运算放大器的一个显著的优点就是有无限制的转换速率和与增益设置无关的带宽。80年代末期，基于互补双极工艺发展起来的电流反馈运算放大器，从根本上改变了传统电压反馈运算放大器的电路结构，得到了极大的发展。但电源电压一般都是5V，功耗也比较大，但这一状况会随着CMOS工艺的成熟而得到解决。尽可能地降低模拟集成电路的电压和功耗是模拟集成电路的发展趋势，已经受到国际上的广泛关注。

电路的描述

图1为本文设计的电流反馈运算放大器，M₁、M₁₁与M₂、M₁₂组成差分跨阻放大器，M₅、M₆与M₇、M₈为两个互补的电流镜，作用是与差分跨阻放大器组成一个电流传输器，将反相输入端V–的信号电流传送到Z端，Z端为电流传输器的高阻抗输出端。同时，Z端还接有电容C₃，利用Z端的高阻抗将M₁₁、M₁₂的不平衡电流转变为电压。M₉、M₁₀是反相放大器，是基本的增益级。M₁₃、M₁₄起转换电平的功能以及隔离输出级与中间放大级，防止输出级影响中间放大级的放大。M₃、M₄和R组成输出级电路，R₁反馈主要起减小输出电阻的作用。M₁₅、M₁₆、M₁₇、M₁₈对差分跨阻放大器提供1μA的偏置电流，并在电路中用电容C₂、C₄进行相位补偿。

显然，从反向输入端到Z端，中间线性传输的物理量是电流，而且电流变化的幅值在理论上没有限制，因此，这就是电流反馈运算放大器能获得高速特性的根本原因。

小信号分析

图1输入级是跨阻型差分放大器，它的差模电路半电路等效模型如图2(a)所示，当差模信号v₁被输入时，输出电流i₁主要由两部分组成：由M11栅源电压改变以及M₁₁源极电压的改变而产生的电流。

i₁≈v₁×(g_m+1/r) (1)

式中：g_m代表M₁₁的跨导，R₁为M₁的源极电阻，r代表M₁₁源极电阻。

因此，全电路的差模跨阻增益为：

g_Td=i₁/v₁≈2g_m (2)

共模电路半电路等效模型如图2(b)所示，当共模信号v₁被输入时，输出电流i主要由两部分组成：由M₁漏极电流的改变以及M₁₁源极电阻的改变而产生的电流。

　因此：

i=-v₁(1/R₁+1/r) (3)

　因此，全电路的共模跨阻增益为：

g_TC="i/v₁|=2(1/R₁+1/r) (4)

　由式(2)和式(4)可得到：

CMRR=g_Td/g_Tc≈g_m/(1/R₁+1/r) (5)

　电流i通过电流镜传输到Z点，然后通过电容把电流转换为电压，反向器提高增益，反向器的小信号放大倍数为：

A₁=g_m9/(g_ds10+g_ds9) (6)

最后通过输出缓冲级输出信号，输出电路使用推挽反向放大器并用电阻反馈来减小输出电阻。结构如图1中M₃、M₄、R文献[9]所示。可推出小信号放大倍数为：

A₂=-(g_m3+g_m4+1/R₁)/(g_ds3+g_ds4+1/R₁) (7)

在PSPICE软件下，使用0.5μmCMOS工艺参数，利用MOS