一种改进型电调谐电流差分跨导放大器的设计

李耀臻，王卫东，张普杰，刘晨光

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

一种改进型电调谐电流差分跨导放大器的设计

李耀臻，王卫东，张普杰，刘晨光

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

设计了一种电流增益和跨导均可线性调节的电调谐电流差分跨导放大器(ECDTA)。电路改变了电流单位增益传输的固有模式，采用工作于弱反型区的MOS管跨导线性环，得到了可电调谐的电流增益；跨导放大级采用CMOS对管和浮地电源交叉耦合放大器，在传输特性的非线性误差不大于1%时，电路的差动输入电压范围可达±2.8 V。采用SMIC 60 nm CMOS工艺进行设计，在±0.9 V电源电压下仿真表明，电流传输增益可在0.105～8.98范围内线性调节，跨导值可在0.056 mS～0.204 mS范围内线性调节；电路总功耗仅为0.31 mW。

电调谐电流差分跨导放大器；弱反型区；跨导线性环；浮地电压源

0 引言

电流差分跨导放大器(CDTA)作为电流模有源器件发展的新成果，因其输入输出均为电流信号，从而引起学者们极大的研究兴趣。

本文提出的具有电调谐功能的CDTA(ECDTA)电路不同于以往文献中提到的调节方式，将具有单位增益传输的电流差分单元改为电流传输增益可调谐的电流差分单元，同时，结合CMOS对管交叉耦合跨导放大级本身可调节跨导的特性，实现了电路的双调谐功能。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

本文所提出的ECDTA结构如图1所示。

图1 本文提出的具有电调谐功能的CDTA结构

不同于已有的电控制方法，该结构通过控制电流的传输增益引入控制端。采用具有可变电流增益的电流差分单元，实现了传输增益的电调谐。而且，该偏置电流只会影响电流传输增益，对输入端的电阻等参数并没有影响。

1.1 电调谐电流差分单元的实现电路

1.1.1具有可调电流增益的输入级

本文所提出的具有可调电流增益的输入级电路如图2所示。

图2 具有可调电流增益的输入级

将M1～M4管的衬底与源极短接以消除体效应，当MOS管满足VDS≥3VT时，弱反型区的MOS管可以采用类似于双极型晶体管的跨导线性原理分析，可得到这四个管子的电流满足：

IQ·(Ii+IR)=ID1·ID3=ID2·ID4=Io·IR

(1)

进而可得到如下电流的关系：

(2)

该结构的输入电阻为：

(3)

其中，roi、gmi为晶体管Mi的输出电阻和跨导。

1.1.2电流差分运算的实现

由式(2)可以看到，为了得到与偏置电流呈线性关系的增益，可以固定电流IR，通过调节IQ的值来得到线性调节的电流增益。

针对输出电流具有非常大的变化范围的需求，在本结构中采用如图3所示的电流镜电路[1-2]，该电路中MOS管可以在全工作区传输电流，传输的电流可以有很大的变化范围，而且该电路具有很大的输出电压摆幅和输出电阻。

图3 可在全工作区工作的电流镜电路

利用负反馈的方式，MOS管M15、M16、M18和M19得到输出电流并将其与输入电流进行比较，两电流的差值会进而调整M16的栅极电压，使输出电流和输入电流保持一致[1-2]。提出该结构的学者MINCH B A采用漏源极对称的EKV模型进行分析[2-3]，分析表明，不论MOS管是否处于强反型区，都可实现较精确的电流传输。

此外，该结构输出电压满足：

Vout≥2VDSsat

(4)

其中，VDSsat表示漏源极饱和压降，所以该结构可以有很大的输出电压摆幅。另外，该结构的输出电阻较大，类似于共源共栅电流镜，满足：

ro≈ro19gm19ro16

(5)

1.2 跨导放大级的实现电路

本文所采用的跨导放大级电路如图4所示，电路是基于文献[4]提出的CMOS浮地电源交叉偶合运算跨导放大结构得到的，在传输特性的非线性误差不大于1%时，电路的差动输入电压范围可达±2.8 V。

图4 CMOS对管交叉偶合跨导放大级电路

图4中，M56与M58、M57与M59是差动输入CMOS对管，M60与M61、M62与M63是辅助电压源的CMOS对管,端点1、2和3、4分别接入1∶1的电流镜。

其中，辅助电压源的电压值一般为一个常数，所以电流变化量不受输入差分的影响，而且差动输入级的传输特性可以在大范围内实现理想的线性关系。上下两个电流镜传输满足:

io1=iD1-iD2

(6)

io2=iD2-iD1=-io1

(7)

若电路中同极性晶体管具有相同的W/L值及参数，则电路的跨导增益为：

(8)

由式(8)可知，改变外偏置电流IB的大小，可实现Gm的调节。

图5所示为CMOS对管交叉耦合差动跨导放大器的直流传输特性曲线。由图可知，当io≤4IB，时，线性范围内具有理想的线性关系；当输入电压超过线性范围使电路一侧电流为0时，输出电压并未突然饱和，而是平滑地进入平方关系曲线[5]。

1.3 整体电路的实现

本文所提出的电调谐电流差分跨导放大器整体电路如图6所示。MOS管M1～M14构成了具有可调增益的电流输入单元，实现对p端和n端电流的放大传输，且该增益可由IQ进行线性调节，并通过MOS管M27～M32构成低压共源共栅电流镜引入该调节电流。M5、M7、M12和M14作为辅助管，将输出端与M2、M6、M11和M13隔离开，以减小输出端电压对MOS管漏源电压的影响，提高电流的传输精度。M15～M26构成两个如图3所示的电流镜，分别实现对p端电流和n端电流的反相处理，从而得到z端电流的同相和反向输出，其中IR由M33～M43和M52～M55构成的偏置电路引入，为一固定常数值，从而实现z端差分电流的增益可只由IQ线性调节。MOS管M44～M51作为图3电流镜中偏置电流IA的引入管。

图5 直流传输特性曲线

图6 电调谐电流差分跨导放大器整体电路

MOS管M56～M77构成具有双相电流输出的跨导放大级。为提高电路性能，采用低压共源共栅电流镜(M64～M77)完成电流信号的传输和跨导调节电流IB的引入[6]。

2 电路仿真结果与分析

为了验证所设计电路的实际性能，对图6电路用Spectre进行模拟仿真。采用SMIC 90 nm CMOS工艺参数，取电源电压VDD=-VSS=0.9 V,IQ=6 μA,IB=5 μA，得到电路的静态功耗为310.23 μW。在仿真信号传输过程中取z端和x端负载均为10 kΩ。

首先仿真验证静态特性，扫描p端输入电流，在-5 μA～5 μA的输入范围内，z输出端和x输出端具有良好的传输特性。

选取p端作为电流输入端，当增益控制电流IQ在0.6 μA～66 μA取值时，可知IQ可控制CDTA电流的传输，实现电流增益的调谐。

再分析电路中信号传输的交流特性，当p端输入时得到的交流传输特性仿真结果如图7所示。由图可知，当p端输入时，z+输出端的-3 dB带宽为14.8 MHz，z-输出端的-3 dB带宽为10.7 MHz，x输出端的-3 dB带宽为11.24 MHz。

图7 p端输入时的交流特性曲线

选取p端作为交流信号输入端，当IQ在0.6 μA～66 μA变化时，电流增益a可在0.105～8.98范围内随调谐电流IQ线性变化。

图8为在不同的IQ下，z+输出端电流跟随p输入端电流的交流特性曲线。由图知IQ电流可调节电流的交流增益，且对电路的带宽的影响不大。

图8 不同IQ下的z+端交流特性曲线

对输入输出电阻进行仿真，得到如图9所示的阻抗特性曲线。由图9(a)可看出，p端和n端的输入阻抗较低，仅为38.1 Ω，10 MHz时约为2.8 kΩ;输出端阻抗非常高,1 MHz时,Rz+=Rz-=10 MΩ, Rx+=Rx-=27.04 MΩ。

图9 电路阻抗特性曲线

将本结构的仿真结果列如表1所示，并给出了相关文献的参数值。从表中看到，该电路输入输出阻抗性能较好，电流增益和跨导均可线性调节且调节范围较大。此电路的功耗低，线性度好，但频带范围不高，适用于生物电信号处理电路、神经电路等中低频段、低功耗电路的应用。

表1 本结构主要参数与相关文献对比

3 本文电路应用于滤波器的设计

采用两个ECDTA电路和两个接地电容，即可构成具有可调谐功能的通用二阶滤波器。该电路使用的无源器件少，结构简单且该滤波器可对ω0和Q进行独立调节，同时也可对部分滤波功能的增益进行调节。从输入输出端口看，可将其称为单输入多输出滤波器，其电路如图10所示。

图10 基于ECDTA的可调谐滤波器电路

由图10及ECDTA的端口特性可得以下表达式：

(9)

(10)

(11)

为得到特征频率和品质因数独立可调的滤波器，当gm1=gm2且α1·α2=1时，特征频率ω0和品质因子Q的表达式如下：

(12)

(13)

通过以上分析取供电电压为±0.9 V，IQ1=IQ2=6 μA，IB1=IB2=5 μA，使得α1=α2=1，gm1=gm2=0.056 mS，取C1=100 pF，C2=200 pF。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79.85 kHz，仿真结果与理论分析基本一致。通过调节IB改变滤波器的特征频率 ，得到如图12所示的带通特性曲线，可看到该滤波器在不影响Q值的情况下，可独立调节ω0的值。且在不改变其他参数的情况下，可以通过调节IQ1改变滤波器的Q值 ，得到如图13所示的带通特性曲线，可看到该滤波器在不影响ω0值的情况下，可独立调节Q值。

图11 可调谐滤波器的幅频特性曲线

图12 不同f0的带通特性曲线

图13 不同Q值的带通特性曲线

4 结论

本文提出了一种具有电调谐功能的电流差分跨导放大器(ECDTA)。该电路改变了电流差分单元中单位电流增益的传输特性，利用工作于弱反型区的MOS管构成的跨导线性环路，实现了电流增益的可调谐功能；跨导放大级采用对管交叉耦合跨导运算放大结构实现，得到了跨导同样可由外偏置电流线性调节的特性。采用SMIC 90 nm CMOS工艺进行仿真，仿真结果验证了电流增益和跨导值可由偏置电流线性调节的特性，验证了所设计的改进型CDTA电路的正确性。

[1] MALCHER A. Modified current differencing transconductance amplifier-new versatile active element[J].Bulletin of the Polish Academy of Sciences:Technical Sciences,2012,60(4):739-750.

[2] RAGUVARAN E, DEEPAK PRASATH N, ALEXANDER J, et al. A very-high impedance current mirror for bio-medical applications[C]. IEEE Recent Advances in Intelligent Computational Systems (RAICS), 2011:828-830.

[3] MINCH B A. Low-Voltage wilson current mirrors in CMOS[C]. IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2007:2220-2223.

[4] 王萍,赵玉山.CMOS浮地电源交叉耦合运算跨导放大器[J].微电子学,1996,26(2):92-96.

[5] 王卫东. 现代模拟集成电路原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社, 2008.

[6] 周洪敏, 张瑛, 于映,等. 低功耗CMOS低噪声放大器的设计[J]. 微型机与应用, 2014,33(23):41-43.

[7] UYGUR A, KUNTMAN H. Design of a current differencing transconductance amplifier (CDTA) and its application on active filters[C]. Proceedings of the IEEE 13th Signal Processing and Communications Applications Conference, 2005: 340-343.

Design of an improved electronically tunable current differencing transconductance amplifier

Li Yaozhen, Wang Weidong, Zhang Pujie, Liu Chenguang

(School of Information and Communication Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

An electronically tunable current differencing transconductance amplifier(ECDTA) with linearly adjustable current gain and transconductance is designed. The tunable current gain instead of the unit gain is implemented by introducing the translinear loop in which the MOSFETs are worked in weak inversion. And CMOS cross-coupled amplifier and floating-bias voltage sources were adopted for the circuit. It has been shown that a ±2.8 V input signal range is achievable for a nonlinearity error of transfer characteristics less than 1%. The circuit is designed by using SMIC 60 nm CMOS technology. When the power supply voltage is ±0.9 V, the simulation results show that the current gain and transconductance can be tuned from 0.105 to 8.98 and 0.056 mS to 0.204 mS, respectively. The power consumption is only 0.31 mW.

ECDTA; weak inversion region; translinear loop; floating-bias voltage source

TN432

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.010

李耀臻，王卫东，张普杰，等. 一种改进型电调谐电流差分跨导放大器的设计[J].微型机与应用，2017,36(20)：34-38.

2017-04-22)

李耀臻(1989-)，男，硕士研究生，主要研究方向:模拟集成电路设计。

王卫东(1956-)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向：模拟集成电路及电流模技术。

张普杰(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：模拟集成电路设计。