電流控制差分電壓輸入電流傳輸器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘要 設(shè)計(jì)了一種電流控制差分電壓輸入電流傳輸器的結(jié)構(gòu)。較之前的相關(guān)文獻(xiàn)，文中設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)具有較高的電路性能，在具有功耗低的同時(shí)，X端寄生電阻范圍大。除此之外，跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)只使用NMOS構(gòu)成，無PMOS處理交流信號(hào)使得電路帶寬性能得到提高；電路采用軌對(duì)軌輸入，使得輸入電壓范圍得到擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞 電流模式；電流控制差分電壓輸入電流傳輸器；模擬集成電路

電流模式的分析方法由于它在速度、功耗、帶寬等方面的優(yōu)勢(shì)吸引著眾多的模擬集成電路設(shè)計(jì)者。文獻(xiàn)中介紹了電流傳輸器的應(yīng)用，例如：濾波器、振蕩器以及模擬信號(hào)處理模塊等。為克服電流傳輸器中只有一個(gè)電壓輸入端的缺點(diǎn)，引入了差分電壓輸入電流傳輸器(DVCC)DVCC可以使用在許多需要處理差分信號(hào)的應(yīng)用中，例如：模擬信號(hào)處理、自動(dòng)控制和測(cè)量放大器等。因此，DVCC也是一個(gè)重要的萬用功能模塊，尤其是它在處理差分信號(hào)和浮地輸入信號(hào)時(shí)優(yōu)點(diǎn)更加突出。
電流控制差分電壓輸入電流傳輸器(CCDVCC)是DVCC的一種重要的改進(jìn)電路模塊。它的X端寄生電阻RX是可調(diào)的，RX的阻值是通過外接輸入偏置電流控制的，因此RX可以作為電路應(yīng)用中的有源電阻。所以使用了CCDVCC模塊的電路可以實(shí)現(xiàn)傳輸函數(shù)的可電調(diào)諧功能。文獻(xiàn)中X端可調(diào)電阻RX是通過一對(duì)NMOS管(或NPN)和一對(duì)PMOS管(或PNP)組成的跨導(dǎo)線性環(huán)電路實(shí)現(xiàn)的；而本文是利用一對(duì)NMOS管組成的跨導(dǎo)線性環(huán)取代4個(gè)MOS構(gòu)成的跨導(dǎo)線性環(huán)。在CMOS工藝中，由于PMOS管相比NMOS管，PMOS管處理交流信號(hào)的性能較差，在跨導(dǎo)線性環(huán)電路中使用PMOS管會(huì)使得電路的輸出跟隨信號(hào)精確度和可以處理的最高頻率等性能會(huì)有所降低。文中提出的跨導(dǎo)線性環(huán)電路只使用NMOS管構(gòu)成，在跨導(dǎo)線性環(huán)中避免了PMOS管處理交流信號(hào)，處理交流信號(hào)的只有NMOS管，因此電路中輸出信號(hào)的跟隨精度以及系統(tǒng)函數(shù)的帶寬會(huì)有所提高。

CCDVCC的符號(hào)圖如圖1所示。它具有兩個(gè)高輸入阻抗的差分電壓輸入端：Y+和Y-端；具有一個(gè)低輸入阻抗的X端，可以作為電流輸入端或者電壓輸出端。X端的寄生電阻RX通過外接輸入偏置電流IB實(shí)現(xiàn)電阻值的可控


1 CCDVCC的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的CCDVCC如圖2所示。電路的第一級(jí)為一個(gè)軌對(duì)軌輸入的DVCC。電路的第二級(jí)為一個(gè)僅由兩個(gè)NMOS管組成的跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)，作為電流控制RX電阻值的結(jié)構(gòu)。第一級(jí)電路包括3部分：第一，由N型和P型MOS管并聯(lián)組成的差分電壓輸入結(jié)構(gòu)——軌對(duì)軌電壓輸入結(jié)構(gòu)；第二，電流鏡結(jié)構(gòu)；第三，AB推挽輸出結(jié)構(gòu)。晶體管PM11，PM12和NM9，NM10構(gòu)成電流鏡具有電壓閾值相消的作用。晶體管NM13和PM13構(gòu)成了AB推挽輸出級(jí)。N型MOS管的差分電壓輸入結(jié)構(gòu)和P型MOS管的差分電壓輸入結(jié)構(gòu)并聯(lián)是為了得到軌對(duì)軌電壓輸入以便擴(kuò)大電壓輸入范圍。軌對(duì)軌的差分電壓輸入結(jié)構(gòu)有4個(gè)工作區(qū)域：只有P型MOS管差分對(duì)工作；P型MOS管差分對(duì)和N型MOS管差分對(duì)同時(shí)工作；只有N型MOS管差分對(duì)工作。

第二級(jí)由一個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)組成，跨導(dǎo)線性環(huán)的作用是通過外接的偏置電流控制X端的寄生電阻值。文獻(xiàn)提出的跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)是由一對(duì)NMOS管和一對(duì)PMOS管共同構(gòu)成的，而文中設(shè)計(jì)的跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)僅由一對(duì)NMOS管構(gòu)成。由于集成電路中PMOS管會(huì)降低電路的性能。相較于參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)的電路可以在較高的頻率上正常工作并且可以將信號(hào)更加精確的傳輸?shù)捷敵龆耍灰驗(yàn)槲闹性O(shè)計(jì)的電路中，跨導(dǎo)線性環(huán)電路結(jié)構(gòu)中處理交流信號(hào)的只有NMOS管，避免PMOS管處理交流信號(hào)以致降低電路性能。圖2中晶體管M5和M6構(gòu)成一個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)。根據(jù)跨導(dǎo)線性環(huán)的原理可以得到
i2=iX+iB (3)
圖2中所有晶體管都工作在飽和區(qū)。因此，有

由式(4)可知，RX可以通過IB調(diào)節(jié)。M7是一個(gè)MOS開關(guān)，可以通過改變MOS開關(guān)的狀態(tài)得到X端的負(fù)寄生阻抗-RX或正寄生阻抗+RX。控制MOS開關(guān)的信號(hào)是低電平時(shí)，RX為負(fù)阻抗；控制MOS開關(guān)的信號(hào)是高電平時(shí)，RX為正阻抗。