摘 要：设计了一种新型的基于第二代电流传输器" title="传输器">传输器CCⅡ－的超低功耗电流反馈" title="电流反馈">电流反馈运算放大器，并采用TSMC 0.6μm CMOS工艺，利用Hspice对整个电路进行了仿真。在±1.5V电源电压工作条件下，该放大器的转换速率" title="转换速率">转换速率达到28.57V/μs，并且在闭环工作状态下具有恒定的带宽。
    关键词：低压低功耗  电流传输器  电流反馈运算放大器  CMOS

    随着电子技术的发展以及快速采集和处理数据的需要，对运算放大器的转换速率要求越来越高。20世纪80年代末期，基于互补双极工艺发展起来的电流反馈运算放大器CFOA(Current Feedback Operational Amplifier)，从根本上改变了传统电压反馈运算放大器VFOA(Voltage Feedback Operational Amplifier)的电路结构。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, 因此对基于CMOS的电路结构的研究很有必要。 在对电源电压以及功耗要求比较严格的条件下,如在任何携带能源的有线设备、仪器(笔记本电脑、IC卡、手机)等的背景下，对CMOS电路结构的研究就显得意义重大。近年来随着MOS器件应用的广泛，基于互补CMOS电路结构的CFOA由于理论上具有无限制的转换速率和闭环工作时具有与增益无关的带宽，在高速A/D和D/A转换器、高速数据采集系统、视频和射频等高频高速电子系统中被广泛采用^[1-2]。
    CFOA与传统的VFOA相比具有许多优点，最主要的特点是CFOA的输入级" title="输入级">输入级抛弃了差动电路，而采用互补跟随电路，提高了输入级转换速率；同时，其闭环带宽与增益无关，不存在增益带宽积的限制。对转换速率、大信号带宽要求较高的场合，通常用CFOA代替VFOA。本文设计一种基于第二代电流传输器CCⅡ（Second-generation Current Conveyor）的电流反馈运算放大器，并采用TSMC 0.6μm CMOS工艺，利用Hspice对电路进行仿真。
1 电路设计
1.1 第二代电流传输器
    Smith和Sedra在1970年提出了第二代电流传输器[3]。其符号如图1所示。式(1)是CCⅡ的端口特性矩阵。
   

    CCⅡ是一个三端器件。X端是低阻抗电流输入端，Y端是高阻抗电压输入端，Z端是高阻抗电流输出端。由其端口特性矩阵可知，CCⅡ的Y端口电流为零，X端口的电压跟随Y端口电压，Z端口的电流跟随X端口的电流。矩阵中±符号表示电流是流进Z端口还是流出Z端口，用此区分CCⅡ＋和CCⅡ－。
    本设计采用CCⅡ－作为CFOA的输入级，它由跨导线性回路与交叉耦合电流镜两部分组成，其电路图如图2所示。Y端是同相输入端（电压输入端），它与M1、M2的栅极相连，具有高输入阻抗。X端是反相输入端（电流输入端），它与M3、M4的源极相连，具有低输入阻抗，同时M3、M4的推挽结构也形成低输出阻抗，便于电流信号的流进或流出。M1～M4组成了跨导线性回路。这使得V_x跟随V_y，即X端口的电压跟随Y端口电压。反相输入端的电流i_x＝i_d3－i_d4，其中i_d3、i_d4分别为M3、M4的漏极电流，当反相输入端信号电流为零时, i_d3=i_d4。M5～M12组成交叉耦合电流镜，将流入X端口的不平衡电流传输到Z端口，使得Z端口的电流跟随X端口的电流。图中，I_b1和I_b2提供10μA的偏置电流。

1.2 电流反馈运算放大器分析
    本文所设计的CFOA电路由两部分组成，其原理框图如图3所示。第一级是输入级，采用CCⅡ。第二级采用传统的两级运算放大器。电路各级均采用互补对称结构。图4是图3的交流小信号等效电路。

                     
    对图4的小信号等效电路进行分析，记第二级运放" title="运放">运放的放大系数为A，X端口的输入电阻为r_x，运放的输出电阻为r_o，Z端内部电容和电阻为C_Z和R_Z；反馈电阻为R_f。分析可得其增益函数以及-3dB带宽为:

    式(2)和式(3)表明，对于CFOA，其闭环带宽可用反馈电阻R_f调节，闭环增益可用R1控制，从而实现增益与带宽的独立控制。这是传统的电压模式运放所不具备的特性。
2 CFOA电路设计
    运算放大器是模拟集成电路和混合集成电路的基本单元，是模拟集成电路设计的关键之一。本文所设计的CFOA具体电路如图5所示，M1～M12组成CCⅡ－，Z为增益节点，在该点处利用内部高阻抗C_Z和R_Z将X端传送到Z端的不平衡电流转换为电压。电容CZ与反馈电阻R_f共同决定CFOA在闭环工作时的频带宽度。从X端到Z端，中间线性传输的物理量是电流，而电流变化的幅值在理论上没有限制，这正是CFOA获得超高速特性的根本原因。M13～M21是采用互补输出的两级运放。

                       
    本文基于TSMC 0.6μm CMOS工艺，采用Hspice对 图5所示电路进行了仿真。电源电压V_DD=1.5V，V_SS＝-1.5V，V_BIAS=0.7V，V_b=0.6V。将CFOA连接成反相闭环结构，如图６所示，对其进行交流分析。图7是CFOA的反相闭环幅频特性,当固定R_f=10kΩ，R1分别取1kΩ、3.3kΩ、10kΩ时,由结果可看出,反相闭环增益分别为20dB、10dB、0dB，此时-3dB带宽恒定。同相闭环增益与此类似，这体现了CFOA的主要特性：增益与带宽独立。

                       
    传统电压模式运算放大器采用共源差分对输入级，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SR的提高。本文设计的CFOA，采用了由跨导线性回路构成的CCⅡ－，将电流作为信号的传输量，因此转换速率SR得到了很大的提高。将CFOA连接成电压跟随器的结构，输入1MHz的方波，其瞬态响应曲线如图8所示。

                        
    由图8可以看出，本文设计的CFOA具有良好的瞬态响应特性。其转换速率SR为28.57V/μs，高于参考文献[1-2]中的转换速率8.75V/μs和11V/μs。
    在低压低功耗应用中,运放的静态功耗是一项非常重要的指标。该运放的静态功耗为：
   

    由实际仿真结果得到该运放的静态功耗为0.64mW。
    本文设计的一种超低功耗电流反馈运算放大器，采用跨导线型回路构成的电流传输器作为输入级，采用电流信号作为中间信号传输，提高了输入级的转换效率，从而也提高了整个电路的电压转换速率。输出级采用基于互补输出的传统两级运放，并利用Hspice对其进行模拟。在±1.5V的低电源电压下，仅产生0.64mW功耗，闭环带宽恒定，转换速率SR为28.57V/μs，获得了较好的性能指标，适合低压低功耗及带宽要求恒定的应用场合。目前，该运算放大器已经用于一种二阶滤波器的设计中。

参考文献
[1] MAUNDY B J, SARKAR A R, GIFT S J. A new design topology for low-voltage CMOS current feedback amplifiers[J].IEEE Transactions on.Circuits and Systems II, 2006,53(1):34-38.
[2] SARKAR A R, MAUNDY B J, GIFT S J.On the new design of CMOS current feedback amplifiers[C]. Circuits and Systems, 2003: MWSCAS ′03. Proceedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Vol 1. 2003:47-50.
[3] 赵玉山,周跃庆,王萍. 电流模式电子电路[M].天津: 天津大学出版社,2001:88-90.
[4] GIUSTOLISI G, PALMISANO G, SEGRETO T. A 1.2-V CMOS op-amp with a dynamically biased output stage[J].IEEE J Sol Sta Circ, 2000, 35(4):632-636.
[5] PENNISI S. High-performance CMOS Current Feedback Operational Amplifier. Kobe, Japan: IEEE Int Symp Circ and Syst, 2005:1573-1576.