基于跨導(dǎo)放大器的電流模式積分單元的設(shè)計(jì)

摘要：在集成電路系統(tǒng)中，各種模擬功能的電流單元都是由基本的電流模單元組成。跨導(dǎo)放大器是電流模電路的基本單元。基于跨導(dǎo)放大器的電流模積分器可以實(shí)現(xiàn)電流到電流的積分轉(zhuǎn)換。同時(shí)可應(yīng)用于各種集成濾波電路的設(shè)計(jì)。在此采用0．18μm CMOS仿真工藝，使用共源共柵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一款供電電壓為1．8 V的高增益低功耗的跨導(dǎo)放大器，采用具有PTAT基準(zhǔn)電流源的偏置電路，使用HSpice進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并將此放大器應(yīng)用于電流模式積分單元的電路仿真。
關(guān)鍵詞：電流模；積分器；跨到放大器；共源共柵；HSpice

0 引言
相對(duì)于傳統(tǒng)的電壓模電路，電流模電路具有頻帶寬、速度高、不受增益帶寬積常數(shù)的限制等特點(diǎn)。因此在高頻領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用。
同時(shí)作為模擬電子計(jì)算機(jī)基本組成單元的積分器電路在控制測(cè)量系統(tǒng)中被常常用到。而且在各種波形(矩形波、鋸齒波等)發(fā)生電路中，積分電路也是重要的組成部分。而OTA積分器具有突出的優(yōu)點(diǎn)，外接元件只需電容，電路簡(jiǎn)單，容易集成，積分時(shí)間常數(shù)可調(diào)，高頻性能好，這些都是它的突出優(yōu)點(diǎn)，在有源濾波器、正弦振蕩器等電路中獲得了廣泛的應(yīng)用。
本文基于0．18μm CMOS工藝仿真設(shè)計(jì)一個(gè)基于OTA的低功耗，高增益的電流模式積分單元。并采用HSpice軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真。

1 電流模積分器原理
運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(Operat-ional Transconductance Amplitier，OTA)是通用性很強(qiáng)的器件。它在增益可控放大器、濾波器和電流模式的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。
跨導(dǎo)運(yùn)算放大器分為雙極型和MOS型2種，相對(duì)于雙極型跨導(dǎo)運(yùn)算放大器而言，CMOS跨導(dǎo)運(yùn)算放大器的增益值較低，增益可調(diào)范圍小，但是它的輸入阻抗高，功耗低，容易與其他電路結(jié)合實(shí)現(xiàn)全CMOS集成系統(tǒng)。因此在COMS電路中一直被采用。其電路符號(hào)如圖1所示：

其傳輸特性是：
Io=gmVd=gm(V+-V-) (1)
跨導(dǎo)是ID的函數(shù)等效電路如圖2所示。
對(duì)于這個(gè)理想模型，2個(gè)電壓輸入之間開(kāi)路，差分輸入電阻為無(wú)窮大；輸出端是一個(gè)受差模輸入電壓控制的電流源，輸出電阻為無(wú)窮大。同時(shí)，理想跨導(dǎo)放大器的共模輸入電阻、共模抑制比、頻帶寬帶等參數(shù)均為無(wú)窮大，輸入失調(diào)電壓，輸入失調(diào)電流等參數(shù)均為零。
由以上OTA的原理，很容易實(shí)現(xiàn)電流模積分器的設(shè)計(jì)。電路如圖3(a)，(b)所示：

無(wú)論同相或者反相電流模積分器始終滿足輸出電流與輸入電流的積分成正比且積分時(shí)間常數(shù)為gm／C。