一種基于第二代電流傳輸器的積分器設計

摘要：介紹了一種基于低壓、寬帶、軌對軌、自偏置CMOS第二代電流傳輸器(CCII)的電流模式積分器電路，能廣泛應用于無線通訊、射頻等高頻模擬電路中。通過采用0．18μm工藝參數(shù)，進行Hspice仿真，結(jié)果表明：電流傳輸器電壓跟隨的線性范圍為-1．04～1．15 V，電流跟隨的線性范圍為-9．02～6．66 mA，iX／iZ的-3 dB帶寬為1．6 GHz。輸出信號的幅度以20dB／decade的斜率下降，相位在低于3 MHz的頻段上保持在90°。
關鍵詞：第二代電流傳輸器；電流模式積分器；低壓；自偏置；軌對軌；寬帶

近年來，電流模式電路在模擬信號處理中受到了廣泛的關注，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。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用在通信系統(tǒng)電子電路、有源濾波器、模擬信號處理、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)常運用于濾波器、信號發(fā)生器和各種控制電路中。模擬積分器的電路結(jié)構(gòu)中多用運算放大器，由于級間電容和分布電容的客觀存在，此類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(可達到1．5 V)，具有動態(tài)范圍寬、非線性失真小、溫度穩(wěn)定性好、抗干擾和噪聲能力強等優(yōu)點。
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，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是一個三端口的有源器件，拓撲結(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。
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電路的設計
本文采用的是標準CMOS技術的低壓、寬帶、軌對軌、自偏置CCII電路，如圖2所示。

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個部分：
1)軌到軌輸入級：包含兩個差分對，其中一個是以NMOS管(M1和M2)為輸入對管，其正向共模輸入范圍很大，可以達到正電源，另一個是以PMOS管(M3和M4)為輸入對管，其負向共模能力很強，可以達到負電源。
2)緩沖級：是通過源隨器M13和M14來實現(xiàn)的，作用是為了提高X端的電壓跟隨能力同時保證在X端有低阻抗。
3)電流鏡：基本電流鏡M11和M12是將M13的電流復制到M12流入Z端，M15和M18是將M14的電流復制到Z端。另外，兩個電流鏡M5、M6和M7、M8分別構(gòu)成差分輸入電路的有源負載。
4)偏置電路：M17～M20為MOS分壓電阻，通過電流鏡M17和M10給NMOS差對提供尾電流，電流鏡M20和M9給PMOS差分對提供尾電流，整個電路從而不需加額外的偏置源?？紤]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。