一种自偏置CMOS电流模式积分器电路设计

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 近年来,电流模式电路在模拟信号处理中受到了广泛的关注,与传统的电压模式电路相比,电流模式电路具有速度高、频带宽、电源电压低和功耗小等特点。第二代电流传输器(CCII)就是典型的电流模式电路的代表。第二代电流传输器作为最基本、最重要的积木块被广泛应用在通信系统电子电路、有源滤波器、模拟信号处理、A/D和D/A转换器等许多方面。

RC积分器在集成电路系统中有重要的作用,经常运用于滤波器、信号发生器和各种控制电路中。模拟积分器的电路结构中多用运算放大器,由于级间电容和分布电容的客观存在,此类电路的工作速度不可能很高,工作电压及功耗也不可能很低。

电流传输器以电流作为输入、输出及信息传输的主要参数,工作速度很高(SR>2 000 V/μs),而电源电压很低(可达到1.5 V),具有动态范围宽、非线性失真小、温度稳定性好、抗干扰和噪声能力强等优点。
笔者介绍了一种基于CMOS第二代电流传输器(CCII)的电流模式积分器电路,其中的CCII模块具有自偏置、宽带、低功耗、电流和电压的传输误差小等优点,该电路的有较大的电流输入范围。

1 电路描述

1.1 第二代电流传输器模型

CCII是一个三端口的有源器件,拓扑结构如图1所示,它确保了端口的两大功能性:

1)Y和X端口间的电压跟随;
2)X和Z端口间的电流跟随。

CCII的输入输出特性可用下列矩阵方程描述:

在理想情况下,α=1和β=1分别代表电流传输器的电流和电压传输增益。

1.2 CMOS CCII电路的设计

本文采用的是标准CMOS技术的低压、宽带、轨对轨、自偏置CCII电路,如图2所示。

由于输入电压由MOS管的栅极输入,所以该电路具有很高的输入阻抗。该电路主要包括4个部分:
1)轨到轨输入级:包含两个差分对,其中一个是以NMOS管(M1和M2)为输入对管,其正向共模输入范围很大,可以达到正电源,另一个是以PMOS管(M3和M4)为输入对管,其负向共模能力很强,可以达到负电源。
2)缓冲级:是通过源随器M13和M14来实现的,作用是为了提高X端的电压跟随能力同时保证在X端有低阻抗。
3)电流镜:基本电流镜M11和M12是将M13的电流复制到M12流入Z端,M15和M18是将M14的电流复制到Z端。另外,两个电流镜M5、M6和M7、M8分别构成差分输入电路的有源负载。

4)偏置电路:M17~M20为MOS分压电阻,通过电流镜M17和M10给NMOS差对提供尾电流,电流镜M20和M9给PMOS差分对提供尾电流,整个电路从而不需加额外的偏置源。考虑到集成电路的隔离工艺,本电路中所有PMOS的衬底接VDD,所有NMOS的衬底接VSS。

电源电压为±1.65 V,当在Y端输入为高电平时,n型差分对M1和M2工作,由于MOS管的栅极不汲取电流,则有iY=0。设在Y端有小信号输入,产生的漏极电流通过电流镜M6和M5镜像到M2,即有,iD1=iD5,iD5=iD6,可得iD6=iD2=iD1。设图中M1、M2、M5、M6均工作在饱和状态,两个差分对的器件参数完全对称,由晶体管饱和区的漏极电流


1.3 电流积分器结构

由CCII和RC构成的电流积分器如图3所示。

假设电容C初始电压为零,根据CCII端口特性得到:

在对数坐标下,电流增益与输入信号频率成线性关系。

2 电路仿真

为了验证电路的性质,对上述电路进行Hspice模拟仿真。仿真参数采用0.18μm CMOS工艺参数。

2.1 CCH电路仿真

图2中各MOS管的尺寸如表1所示。图中电源电压VDD=1.65 V,VSS=-1.65 V。

图4和图5分别为CCII的电压跟随和电流跟随特性。由图可见,电压跟随的线性范围为-1.04~1.15 V,电流跟随的线性范围为-9.02~6.66 mA。

在X端加幅值为100 μA的正弦交流信号时,在曲线较平坦的范围内满足ix/iz=1.0022,-3 dB带宽为1.6 GHz,Z端输出电流IZ跟随IX交流传输频域特性曲线如图6所示。


2.2 电流积分器输出结果

按图3连接积分器电路,其中R=10 kΩ,C=10 nF。

当Ii输入频率为1 kHz、幅度为10μA的方波电流信号时,则输出信号I0如图7所示。

当Ii输入频率为1 kHz、幅度为10μA的正弦波电流信号时,则输出信号I0如图8所示。

积分器的频率特性如图9所示。可以看出,输出信号的幅度以20 dB/decade的斜率下降,在低于3 MHz的频段上保持在90°。


3 结论


文中介绍了一种基于电流传输器的电流模式积分器,讨论了积分器中电流传输器的传输特性,应用Hspice软件对其进行了仿真,结果表明:积分器的电流传输器模块的电压跟随的线性范围为-1.04~1.15 V,电流跟随的线性范围为-9.02~6.66 mA;该积分器能够对方波和正弦波进行积分,也就验证了电路的正确性;同时对积分器的频率特性进行了分析,输出信号的幅度以20 dB/decade的斜率下降,而相位在低于3 MHz的频段上保持在90°。这一积分器能应用于滤波器、信号发生器等各种电流模式电路中。

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