一种新型的CMOS电流反馈运算放大器

在PSPICE软件下，使用0.5μmCMOS工艺参数，利用MOS管二级模型参数可得出图1的差模电路的增益与相位曲线如图3所示。

从图3可以看出差模电路开环增益为81db，相位裕度为87d，单位增益带宽为95MHZ，显然电路满足稳定性要求。而文献[1~3]中的单位增益带宽分别为1MHz、2.2MHz、5MHz，文献[8]中的电流反馈运算放大器单位增益带宽为20MHz，可看出电路单位增益带宽有极大的提高。

共模电路的幅值曲线如图4所示，由图4可以看出共模电压增益为–42db，由此可以得到CMRR为123db，而文献[6]中电流反馈运算放大器的CMRR为105db，因此电路具有极好的共模抑制比。

闭环特性分析

由图1可以得到CFOA的小信号模型如图5所示，Vy为正向输入端，x₁为缓冲器，r_x为负向端的电阻，通过输入缓冲级强制Vx跟随Vy，中间级接在输入缓冲器之后，经无源元件Cz、Rz把缓冲器输出电流线性地转换成为电压。反相输入方式下电路图如图6(a)所示，同相输入方式下的电路图如图6(b)所示。

由图6(a)、图6(b)、图5可以得出反向输入的增益为：

正向输入的增益为：

当r_x远小于R₁、R_z时，以及R₂远小于R_z时(即图1电路中V-端电阻尽可能小，增益尽可能大)，式(8)、式(9)可以分别化简为：

由上述分析可以得出闭环系统的带宽与电容以及R₂有关而与增益无关。其闭环增益可以由R1来控制，实现增益和带宽的独立调节。

根据上述理论，用本文设计的CMOS电路来验证，因此根据图1、图6(a)的电路用PSPICE分析其反向闭环特性，得到如图7(a)、图7(b)、图7(c)所示的幅频特性曲线。

从图7(a)、图7(b)、图7(c)可以看出固定R₂取值，R₁分别取100KΩ、10KΩ、1KΩ时，反相闭环增益分别为0db、20db、40db，而带宽约为8MHz，同相闭环增益与此类似，说明电路设计基本合理，体现了电流反馈运算放大器的主要特性：与增益设置无关的带宽。因此，随着增益的提高，而带宽基本保持不变，可以通过调节电容以及R2而使电路向高频区扩展而增益保持不变，电路的这种特性可使电路广泛应用在音视频电路以及有线电视传输中。

大信号分析

CFOA的大信号特性决定其转换速率，在闭环应用时，设图1中输入电压为V_i,Z端引起不平衡电流i，产生输出电压V₀，电压放大倍数为A₀，则：

i=C₁(d_v0/dt) (12)

由简化模型图5可知：

令A0Vi-V0="V0

　则：

dv0/dt由R₂C^_z乘积决定，与输入级的静态电流无关。将运算放大器接成电压跟随器，并在输入端加一脉冲信号，输出端加入同文献[2]一样的负载电容20pf。可得到如图8所示的输出信号，上升沿代表正转换速率，下降沿代表负转换速率。从图8可看出上升沿和下降沿几乎与输入信号重合，因此转换速率很高，而文献[2]中电压模式运算放大电路转换速率才0.54V/μs，文献[1]中电路的转换速率为1V/μs，从图8可明显看出不是一个数量级的差别。主要因为电压模式运算放大器具有共源差分对输入级，而差分对的限幅作用影响了补偿电容的充放电电流，这就限制了转换速率的提高。本文设计的电流反馈运算放大器，从根本上消除了电压模式运算器对转换速率的限制，转换速率获得了极大的提高。

结束语

本文在文献[1~3]基础上设计个一种新型的低压低功耗电流反馈运算放大器，它在只需1.5V电源电压情况下，得到仅6.2mw功耗。以及开环增益能达81db，相位裕度大于60°，共模抑制比高达123db等优点。与文献[1~3]相比，图1获得了极大的转换速率以及与增益无关的带宽。如今模拟电路的典型电源电压大约是2.5~3V，但是发展的趋势表明未来将是1.5V，甚至更低。当前，电流反馈运算放大器主要是基于双极性工艺的，由于电源电压一般都是5V，功耗也较大，因此对CMOS型电路的研究是很有必要的，在对电源电压以及功耗要求比较严格的条件下，比如任何携带能源有限的设备、仪器(笔记本电脑、IC卡、手机)等的背景下就显得意义重大。