一种多输出压控电流差分跨导放大器的设计

刘晨光，王卫东，胡许光

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

一种多输出压控电流差分跨导放大器的设计

刘晨光，王卫东*，胡许光

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

提出了一种具有Z端复制输出、跨导可由电压调节的电流差分跨导放大器（MO-VCCDTA）。该电路采用低压高性能电流镜作为电流输入级，降低了消耗的电压余度、输入阻抗与传输误差；利用MOS管的线性组合，实现了可由电压控制跨导的跨导放大级。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺进行仿真，结果表明：在±0.9 V电源电压下，电路的线性输入范围为-100 μA～100 μA，输入电阻约为10 Ω；跨导值可在0.34 mS～1.56 mS内线性变化，iz/ii、ix/ii的-3 dB带宽分别为131 MHz、88 MHz；电路总功耗为2.8 mW。最后，仅采用两个该模块和两个接地电容得到了电流模式通用二阶滤波器。

电流差分跨导放大器；低压高性能电流镜；电压控制；电流模式通用二阶滤波器

作为电流模有源器件发展的新成果，电流差分跨导放大器的提出虽然只有十多年的历史，但由于其结合了CCⅡ与OTA的优点，并且其输入和输出均为电流信号，是真正意义上的电流模式器件，因此，对它的研究得尤其是对参数可控的CDTA的研究引起了学者们极大的兴趣［1-2］。

文献［3-5］提出了采用跨导环路构成的CDTA，实现了器件的输入阻抗可调，但输入阻抗的调节会使得输入阻抗变大，不利于电流信号传输，同时输入可控电阻受温度影响大，电路参数调谐不易控制。文献［3-6］中采用偏置电流控制跨导级尾电流的方法控制CDTA的跨导，然而，跨导级的输入电压范围由尾电流决定，这会导致跨导级的输入范围变小。为此，提出了一种新型多输出压控电流差分跨导放大器（MO-VCCDTA），通过采用低压电流镜作为输入级，得到了极低的输入阻抗、电压消耗余度和传输误差；同时采用对称的MOS管线性组合，实现了跨导值可由片外电压线性调节，电路简单，且跨导值具有较大的可调范围。将提出的模块应用于电流模式滤波器的设计，验证了电路的实用性。

1　电路结构描述

文献［2］中已提出了CDTA的电路符号和内部结构，在其差分输入级后接入电流镜与交叉耦合电流镜，可得到Z端电流的复制输出，从而构成多输出端口，电路符号如图1所示，其端口特性可由下列方程表示：

其中，电流大写代表大信号特性，小写代表小信号特性，gm为MO-VCCDTA的跨导：

式中，K为调节系数，VB为偏置电压。

图1　MO-VCCDTA的电路符号

1.1基于低压电流镜的电流输入级

电流输入级采用高性能低管耗的电流镜［7］实现，通过加入M4管，如图2所示，得到了更精确的电流传输。通过小信号模型分析可得到输入端电阻为：

式中，rb为电流源输出电阻，roi、gmi为晶体管Mi的输出电阻和跨导。

图2　电流输入级

从式（3）可以看出，当rb=roi时，输入电阻可简化为：

使得输入阻抗可以很低。

同时，当晶体管M3、M4参数相同时，A、B两点的电位近似相同，减小了M1、M2因漏源电压的失配所产生的电流传输误差。此外，由图2可以看出，晶体管M3的漏极电位较低，降低了电压消耗余度。

1.2基于MOS管线性组合的压控跨导放大级

跨导放大级是基于周跃庆［8］提出的二管线性组合单元得到的，将二管单元组合成对称结构，如图3所示，不仅可完成跨导值由外电压线性调节，也可减少非线性误差。

图3　MOS管线性组合单元

忽略MOS管的沟道调制效应，当MOS管工作在饱和区时，晶体管漏电流为：

式中，ii为MOS管Mi的漏电流，Ki为由沟道宽长尺寸和工艺决定的参数，ugsi为栅源电压，Vthi为阈值电压。

从图3可看出，

则对于MOS管M28、M29与M31、M32，联立式（5）、式（6）可得到如下电流关系：

取输出电流io1与io2的差值作为输出电流io，则io可表示为：

当MOS管M29与M32、M28与M31完全对称时，式（9）可以写为：

由上式看出，当ugs29-ugs32作为差模电压uid输入时，跨导值可表示为：

式（11）表明，跨导值gm与电压U成线性关系。当MOS管M28、M29完全匹配时，跨导值可简化为：

1.3多输出压控电流差分跨导放大器

利用上述提出的电流镜和对称的MOS管线性组合单元，可设计出新型多输出压控电流差分跨导放大器，电路原理图如图4所示。电路主要由4个模块组成，分别为差分电流输入级、跨导可由电压控制的跨导放大级、z端电流扩展输出电路和偏置电路。

图4　新型多输出压控电流差分跨导放大器（MO-VCCDTA）原理图

1.3.1差分电流输入级

电路中NMOS管M1～M8作为电流输入级，提供低输入阻抗和较高的传输精度。改进威尔逊电流镜M9～M12与偏置电流源M49、M50构成电流反相单元，替代了简单的PMOS负极性电流反相单元，从而扩大了带宽与输出电阻，而且静态误差较低［9］。

1.3.2压控跨导放大级

基于MOS管线性组合单元原理的分析，电路中的跨导放大级采用基本源级耦合差分对跨导器的拓扑结构［10］，如图4中的M27、M30、M33～M38所示，并插入对称MOS管线性组合，构成压控跨导放大级。当晶体管M27、M29、M30、M32完全匹配时，可得到如下关系：

同时，将晶体管M29、M32栅极与VDD相连，只保留一个控制端口VB，即

由式（12）～式（15）可得：

晶体管M33～M42完成X端电流的同相和反相输出。

1.3.3Z端电流扩展输出电路

要满足设计具有更强通用性器件的要求，Z端电流的多路输出至关重要，例如在设计通用滤波器时，Z端电流的复制输出可以很好地解决高通问题［1］。晶体管M13～M26构成电流镜与交叉耦合电流镜，扩展Z端输出端口。

1.3.4偏置电路

晶体管M43～M53为电路提供偏置，其中M45、M46为M13、M14提供栅极电位。

2　电路仿真结果与分析

为了验证设计电路的实际性能，对图4中的MO-VCCDTA电路用Spectre进行模拟仿真。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺参数，取电源电压VDD= -VSS=0.9 V，VB=-600 mV，得到电路的静态功耗为2.8 mW。

首先仿真验证静态特性，扫描P端输入电流，得到图5所示的输出电流的特性曲线，其中Z端负载取0.5 kΩ，X端负载取1 kΩ。从图5可以看出，在-100 μA～100 μA的范围内，输出端Z、X具有良好的跟随特性。

图5　输出电流随p端电流变化曲线

当偏置电压VB分别取-600 mV，-660 mV，-720mV，-780 mV，-840 mV，-900 mV时，得到X+端电流的特性曲线如图6（a）所示。

当取P端输入电流为定值-80 μA时，扫描跨导值随偏置电压的变化曲线如图6（b）所示，由图6（b）可知，在一定的偏置电压范围内，跨导值可以随偏置电压线性变化，变化范围可达0.34 mS～1.56 mS。

图6　跨导值随偏置电压变化关系

再分析电路中信号传输的交流特性，在曲线平坦范围内iz+/ip≈iz+/in=1.008，-3 dB带宽为131 MHz，iz-/ip≈iz-/in=1.013，-3 dB带宽为133 MHz，ix+/ip≈ix+/ in≈ix-/ip≈ix-/in=0.180，-3 dB带宽为88 MHz，如图7所示。

图7　输出端交流特性曲线

电路阻抗特性如图8所示，可以看到P端、N端的输入电阻在曲线平坦范围内很小，仅为10 Ω；而输出端的电阻较高。

电路版图核心面积约为69 μm×45 μm，如图9所示。

表1列出了图4电路参数及文献［3-4］的相关参数，可看到该电路输入电阻较小、线性度较高，跨导值可调范围大。

图8　

图9　MO-VCCDTA电路版图

表1　图4与相关参考文献电路参数

3　提出电路应用于滤波器的设计

为了验证所提出器件的性能，对文献［1，11-12］中所提出的滤波器结构进行改进，得到图10所示滤波器，该结构仅用两个所提出模块与两个接地电容构成，可同时实现低通、高通、带通、带阻、全通五种滤波功能，且特征频率可调。由图10可知：

同时，iBS和iAP可由如下关系得到：

所以，

式中gmi是MO-VCCDTA的跨导值，特征频率ω0和品质因子Q的表达式如下：

图10　利用MO-VCCDTA构成的滤波电路

通过以上分析，取偏置电压VB1=VB2=VB=-600 mV，且令，则品质因数Q=0.707，特征频率f0=383 kHz。对图10电路进行仿真，可得滤波器的低通、高通、带通、带阻和全通曲线，如图11所示，测得实际的特征频率为398 kHz，与理论值十分接近。在不改变其他参数的情况下，可以通过调节VB改变滤波器的特征频率，如图12所示，在带通滤波器中验证了频率的可调性。

图11　滤波器增益曲线

图12　带通滤波器的频率可调特性曲线

4　结论

本文提出了一种多输出压控电流差分跨导放大器（MO-VCCDTA），采用对称的MOS管线性组合单元，实现跨导值的线性调节，电流镜与交叉耦合电流镜的使用扩展了输出端口。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺参数，在±0.9 V的供电电源条件下对电路进行仿真，仿真结果与理论分析符合。经验证，提出的电路可用于设计电流模式可调谐连续时间滤波器，且结构简单。

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刘晨光（1990-），男，汉族，山东青岛人，桂林电子科技大学信息与通信学院硕士研究生，研究方向为模拟集成电路设计，liuchenguang@foxmail.com；

王卫东（1956-），男，汉族，桂林电子科技大学硕士生导师，教授，主要研究方向为模拟集成电路及电流模技术方面的研究；

胡许光（1989-），男，汉族，安徽安庆人，桂林电子科技大学信息与通信学院硕士研究生，研究方向为专用集成电路设计。

The Design of a New Multiple Output Voltage Control CDTA

LIU Chenguang，WANG Weidong*，HU Xuguang
（School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

A new Z-copy current differencing transconductance amplifier（CDTA）with variable transconductance ad⁃justed by voltage is presented.Adopted a low voltage-high performance current mirror in the current input stage，the consumption of the voltage redundancy，input impedance and transmission error of this circuit are reduced；Based on the MOS linear composite cell，transconductance amplifier stage with voltage control transconductance is achieved.The circuit is designed by using SMIC 0.18 μm CMOS technology，the Spectre simulation results show that the current linear input range is from-100 μA to 100 μA in±0.9 V voltage source condition，the input imped⁃ance is 10 Ω.The transconductance can be regulated from 0.34 mS to 1.56 mS，and the-3 dB bandwidths of iz/iiand ix/iiare 131 MHz and 88 MHz.The total power consumption is 2.8 mW.In addition，a current-mode universal bi⁃quad filter is acquired occupying only two MO-VCCDTA and two capacitors.

CDTA；low voltage-high performance current mirror；voltage control；current-mode universal biquad filter EEACC：1270

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.021

TN432

A

1005-9490（2016）02-0350-06

2015-05-06修改日期：2015-06-05