一種基于第二代電流傳輸器的積分器設(shè)計(jì)

鄧盼盼

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129）

近年來(lái)，電流模式電路在模擬信號(hào)處理中受到了廣泛的關(guān)注[1－3]，與傳統(tǒng)的電壓模式電路相比，電流模式電路具有速度高、頻帶寬、電源電壓低和功耗小等特點(diǎn)。第二代電流傳輸器（CCII）就是典型的電流模式電路的代表。第二代電流傳輸器作為最基本、最重要的積木塊被廣泛應(yīng)用在通信系統(tǒng)電子電路、有源濾波器、模擬信號(hào)處理、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器等許多方面。

RC積分器在集成電路系統(tǒng)中有重要的作用，經(jīng)常運(yùn)用于濾波器、信號(hào)發(fā)生器和各種控制電路中。模擬積分器的電路結(jié)構(gòu)中多用運(yùn)算放大器，由于級(jí)間電容和分布電容的客觀(guān)存在，此類(lèi)電路的工作速度不可能很高，工作電壓及功耗也不可能很低。

電流傳輸器以電流作為輸入、輸出及信息傳輸?shù)闹饕獏?shù)，工作速度很高（SR＞2 000 V/μs），而電源電壓很低（可達(dá)到1.5 V），具有動(dòng)態(tài)范圍寬、非線(xiàn)性失真小、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾和噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]。

筆者介紹了一種基于CMOS第二代電流傳輸器（CCII）的電流模式積分器電路，其中的CCII模塊具有自偏置、寬帶、低功耗、電流和電壓的傳輸誤差小等優(yōu)點(diǎn)，該電路的有較大的電流輸入范圍。

1 電路描述

1.1 第二代電流傳輸器模型

CCII是一個(gè)三端口的有源器件，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，它確保了端口的兩大功能性:

1）Y和X端口間的電壓跟隨；

2）X和Z端口間的電流跟隨。

圖1 CCII電路符號(hào)Fig.1 Block representation of CCII

CCII的輸入輸出特性可用下列矩陣方程描述：

在理想情況下，α=1和β=1分別代表電流傳輸器的電流和電壓傳輸增益。

1.2 CMOS CCII 電路的設(shè)計(jì)

本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)的低壓、寬帶、軌對(duì)軌、自偏置CCII電路[5]，如圖 2所示。

圖2 CMOS CCII電路圖Fig.2 CMOS CCII circuit

由于輸入電壓由MOS管的柵極輸入，所以該電路具有很高的輸入阻抗。該電路主要包括4個(gè)部分：

1）軌到軌輸入級(jí)：包含兩個(gè)差分對(duì)，其中一個(gè)是以NMOS管（M1和M2）為輸入對(duì)管，其正向共模輸入范圍很大，可以達(dá)到正電源，另一個(gè)是以PMOS管（M3和M4）為輸入對(duì)管，其負(fù)向共模能力很強(qiáng)，可以達(dá)到負(fù)電源。

2）緩沖級(jí)：是通過(guò)源隨器M13和M14來(lái)實(shí)現(xiàn)的，作用是為了提高X端的電壓跟隨能力同時(shí)保證在X端有低阻抗。

3）電流鏡：基本電流鏡M11和M 12是將 M13的電流復(fù)制到M12流入Z端，M15和M18是將M14的電流復(fù)制到Z端。另外，兩個(gè)電流鏡M5、M6和M7、M 8分別構(gòu)成差分輸入電路的有源負(fù)載。

4）偏置電路：M 17～M 20為MOS分壓電阻，通過(guò)電流鏡M17和M10給NM OS差對(duì)提供尾電流，電流鏡M20和M9給PMOS差分對(duì)提供尾電流，整個(gè)電路從而不需加額外的偏置源。考慮到集成電路的隔離工藝，本電路中所有PMOS的襯底接VDD，所有NMOS的襯底接VSS。

電源電壓為±1.65 V，當(dāng)在Y端輸入為高電平時(shí)，n型差分對(duì)M1和M2工作，由于MOS管的柵極不汲取電流，則有iY=0。設(shè)在Y端有小信號(hào)輸入，產(chǎn)生的漏極電流通過(guò)電流鏡M6 和 M5 鏡像到 M2，即有，iD1=iD5，iD5=iD6，可得 iD6=iD2=iD1。 設(shè)圖中M1、M2、M5、M6均工作在飽和狀態(tài)，兩個(gè)差分對(duì)的器件參數(shù)完全對(duì)稱(chēng)，由晶體管飽和區(qū)的漏極電流

可知，uGS1=uGS2。因?yàn)镸1和M2的源級(jí)相連，所以u(píng)S1=uS2，則可推出

同理，當(dāng)Y端輸入為低電平時(shí)，有uX=uY。通過(guò)電流鏡M11、M12 和 M17、M18，可得：

1.3 電流積分器結(jié)構(gòu)

由CCII和RC構(gòu)成的電流積分器[4]如圖3所示。

假設(shè)電容C初始電壓為零，根據(jù)CCII端口特性得到：

圖3 RC積分器電路Fig.3 RC integrator circuit

上式表明，輸出電流I0為輸入電流Ii對(duì)時(shí)間的積分。積分器的電流增益為:

在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，電流增益與輸入信號(hào)頻率成線(xiàn)性關(guān)系。

2 電路仿真

為了驗(yàn)證電路的性質(zhì)，對(duì)上述電路進(jìn)行Hspice模擬仿真。仿真參數(shù)采用0.18 μm CMOS工藝參數(shù)。

2.1 CCII電路仿真

圖2中各MOS管的尺寸如表1所示。圖中電源電壓VDD=1.65 V，VSS= －1.65 V。

表1 晶體管寬長(zhǎng)比Tab.1 Transistors aspects ratios

圖4和圖5分別為CCII的電壓跟隨和電流跟隨特性。由圖可見(jiàn)，電壓跟隨的線(xiàn)性范圍為－1.04～1.15 V，電流跟隨的線(xiàn)性范圍為－9.02～6.66 mA。

圖4 電壓傳輸特性Fig.4 Voltage transfer characteristics

圖5 電流傳輸特性Fig.5 Current transfer characteristics

在X端加幅值為100 μA的正弦交流信號(hào)時(shí)，在曲線(xiàn)較平坦的范圍內(nèi)滿(mǎn)足 ix/iz=1.0022，－3 dB帶寬為 1.6 GHz，Z端輸出電流IZ跟隨IX交流傳輸頻域特性曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 CCII頻率特性Fig.6 CCII frequency characteristics

2.2 電流積分器輸出結(jié)果

按圖3連接積分器電路，其中R=10 kΩ，C=10 nF。

當(dāng)Ii輸入頻率為1 kHz、幅度為10 μA的方波電流信號(hào)時(shí)，則輸出信號(hào)I0如圖7所示。

當(dāng)Ii輸入頻率為1 kHz、幅度為10 μA的正弦波電流信號(hào)時(shí)，則輸出信號(hào)I0如圖8所示。

圖7 方波的積分Fig.7 Integration of square wave

積分器的頻率特性如圖9所示?？梢钥闯?，輸出信號(hào)的幅度以20 dB/decade的斜率下降，在低于3 MHz的頻段上保持在 90°。

圖8 正弦波的積分Fig.8 Integration of sine wave

圖9 積分器的頻率特性Fig.9 Integrator of frequency characteristics

3 結(jié) 論

文中介紹了一種基于電流傳輸器的電流模式積分器，討論了積分器中電流傳輸器的傳輸特性，應(yīng)用Hspice軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：積分器的電流傳輸器模塊的電壓跟隨的線(xiàn)性范圍為－1.04～1.15 V，電流跟隨的線(xiàn)性范圍為－9.02～6.66 mA；該積分器能夠?qū)Ψ讲ê驼也ㄟM(jìn)行積分，也就驗(yàn)證了電路的正確性；同時(shí)對(duì)積分器的頻率特性進(jìn)行了分析，輸出信號(hào)的幅度以20 dB/decade的斜率下降，而相位在低于3 MHz的頻段上保持在90°。這一積分器能應(yīng)用于濾波器、信號(hào)發(fā)生器等各種電流模式電路中。

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