趙 怡

(景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西景德鎮(zhèn) 333001)

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)［1～3］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)［4～5］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

圖1 CCDVCC的電路符號(hào)

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［6］: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。

圖2 設(shè)計(jì)的CCDVCC的電路結(jié)構(gòu)

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)［7］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?因?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［8－10］。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

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?？刂芃OS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［11－12］。

2 仿真結(jié)果

使用CMOS 0.18μm工藝對(duì)文中設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。電路的電源電壓為1.8 V，工作電壓為0.9 V。電路中所有MOS晶體管的寬長(zhǎng)比如表1所示。圖3為文中設(shè)計(jì)集成電路的版圖結(jié)構(gòu)。圖4～圖6顯示的仿真結(jié)果曲線與文獻(xiàn)［5］相比較列于表2中。

表1 CCDVCC中晶體管的寬長(zhǎng)比

表2 設(shè)計(jì)CDVCC的性能與參考文獻(xiàn)性能比較

圖7 RX隨IB變化的曲線

為證明設(shè)計(jì)的電路應(yīng)用能力，提出了CCDVCC的兩種應(yīng)用。第一種為應(yīng)用CCDVCC構(gòu)成電流模式測(cè)量放大器，電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。測(cè)量放大器的增益可通過改變電路中CCDVCC的輸入偏置電流IB的值來進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖9顯示了電流模式測(cè)量放大器增益隨輸入偏置電流IB變化的曲線，測(cè)量放大器的增益如式(5)所示

由圖7可知，曲線變化符合式(5)中所示函數(shù)

第二種為應(yīng)用CCDVCC構(gòu)成電壓模式多功能濾波器，如圖10所示。濾波器的中心頻率和品質(zhì)因素可以通過改變CCDVCC輸入偏置電流IB的值調(diào)節(jié)

圖11(a)顯示了電路實(shí)現(xiàn)低通和帶通濾波器時(shí)，濾波器的頻率響應(yīng)。利用CDVCC的偏置電流IB改變?yōu)V波器的中心頻率fo以及品質(zhì)因數(shù)的曲線如圖11(b)所示。

圖10 CCDVCC電壓模式濾波器

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的集成電路功能模塊的優(yōu)勢(shì)為:有更大的帶寬、更寬的RX電阻可控范圍以及軌對(duì)軌的電壓輸入范圍，唯一不足的是電壓跟隨增益有所下降。綜上所述，設(shè)計(jì)的CCDVCC集成電路模塊適用于構(gòu)建高性能電流模式電路。

圖11 濾波器的頻率響應(yīng)

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