低壓低功耗CMOS電流反饋運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)

　　放大器作為集成電路的一種重要的組成部分是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。電壓模式放大器有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)就是隨著被處理信號(hào)的頻率越來(lái)越高,電壓模式電路的固有缺點(diǎn)開(kāi)始阻礙它在高頻高速環(huán)境中的應(yīng)用。主要由于閉環(huán)增益和閉環(huán)帶寬的乘積是常數(shù),當(dāng)帶寬向高頻區(qū)擴(kuò)展時(shí)增益按比例下降，而且在大信號(hào)下它的輸出電壓轉(zhuǎn)換速率也很低。為克服這些缺點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了低壓狀態(tài)下的電流反饋運(yùn)算放大器。電流反饋運(yùn)算放大器(CFOA)被廣泛應(yīng)用在模擬信號(hào)處理中,比如模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC),濾波器以及許多其他通信系統(tǒng)中。電流反饋運(yùn)算放大器相對(duì)于電壓反饋運(yùn)算放大器的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是有較快的轉(zhuǎn)換速率和與增益設(shè)置無(wú)關(guān)的帶寬, 80年代末期,基于互補(bǔ)雙極工藝發(fā)展起來(lái)的電流負(fù)反饋運(yùn)算放大器,從根本上改變了傳統(tǒng)電壓反饋運(yùn)算放大器的電路結(jié)構(gòu),得到了極大的發(fā)展 ;但電源電壓一般都是5V,功耗也比較大,筆者設(shè)計(jì)了基于雙電源±0.9V供電,功耗僅為3.5mW的電流反饋運(yùn)算放大器。

　　電路描述

　　CFOA簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用圖1表示，它主要由輸入緩沖級(jí)、跨組放大級(jí)和輸出緩沖級(jí)組成。輸出緩沖級(jí)接在兩個(gè)輸入端之間，具有單位電壓增益。其作用有三個(gè)：強(qiáng)制un 跟隨up;使同相輸入端為高阻抗(理想為無(wú)窮大)的電壓輸入端;使反相輸入端為低阻抗(理想為零)的電流輸入端，信號(hào)電流在反相輸入端流進(jìn)或流出。

　　跨組放大級(jí)將反相輸入端的電流信號(hào)in 傳送到內(nèi)部增益節(jié)點(diǎn)，并將它轉(zhuǎn)化為一個(gè)電壓信號(hào)uz 。圖1中的Aro代表開(kāi)環(huán)增益，Aro的值通常很大(類似電壓運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益)，跨組放大級(jí)的輸出電壓表達(dá)式為uz=Aroin式中，Aro為開(kāi)環(huán)跨阻增益值，量綱為V/A或， in為反相輸入端電流。輸出緩沖級(jí)具有單位電壓增益，將uz傳送到輸出端uo，并實(shí)現(xiàn)低輸出阻抗。

　　圖1 電流反饋運(yùn)算放大器的簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

　　之所以用CCII+作為電壓緩沖器，是因?yàn)镃CII+具有如下的功能特點(diǎn)：

　　圖 2 第二代電流傳輸器

　　該方程表明，CCII+的Y端口電流為零，X端口的電壓跟隨Y端口的電壓，因而X端口呈現(xiàn)零輸入阻抗;低阻抗X輸入端的電流傳輸?shù)礁咦杩沟腪輸出端，即在Z輸出端口相當(dāng)一個(gè)可控制輸出電壓。實(shí)際上CCII+可以看做一個(gè)電壓緩沖器，因此基于這一思想，在參考文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，并參考圖1 CFOA的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，用CCII+做輸入，中間級(jí)利用文獻(xiàn)[2]圖7.6-17，加以改進(jìn)，構(gòu)成低壓低功耗的兩級(jí)電壓運(yùn)算放大器，外加輸出緩沖，就構(gòu)造出一新型的CFOA電路(圖3，圖4)。

　　圖3 低壓低功耗CFA的電路模型圖

　　圖3為低壓低功耗電流反饋運(yùn)算放大器電路模型圖。