一种基于第二代电流传输器的积分器设计

摘要：介绍了一种基于低压、宽带、轨对轨、自偏置CMOS第二代电流传输器(CCII)的电流模式积分器电路，能广泛应用于无线通讯、射频等高频模拟电路中。通过采用0．18μm工艺参数，进行Hspice仿真，结果表明：电流传输器电压跟随的线性范围为-1．04～1．15 V，电流跟随的线性范围为-9．02～6．66 mA，iX／iZ的-3 dB带宽为1．6 GHz。输出信号的幅度以20dB／decade的斜率下降，相位在低于3 MHz的频段上保持在90°。
关键词：第二代电流传输器；电流模式积分器；低压；自偏置；轨对轨；宽带

近年来，电流模式电路在模拟信号处理中受到了广泛的关注，与传统的电压模式电路相比，电流模式电路具有速度高、频带宽、电源电压低和功耗小等特点。第二代电流传输器(CCII)就是典型的电流模式电路的代表。第二代电流传输器作为最基本、最重要的积木块被广泛应用在通信系统电子电路、有源滤波器、模拟信号处理、A／D和D／A转换器等许多方面。
RC积分器在集成电路系统中有重要的作用，经常运用于滤波器、信号发生器和各种控制电路中。模拟积分器的电路结构中多用运算放大器，由于级间电容和分布电容的客观存在，此类电路的工作速度不可能很高，工作电压及功耗也不可能很低。
电流传输器以电流作为输入、输出及信息传输的主要参数，工作速度很高(SR>2 000 V／μs)，而电源电压很低(可达到1．5 V)，具有动态范围宽、非线性失真小、温度稳定性好、抗干扰和噪声能力强等优点。
笔者介绍了一种基于CMOS第二代电流传输器(CCII)的电流模式积分器电路，其中的CCII模块具有自偏置、宽带、低功耗、电流和电压的传输误差小等优点，该电路的有较大的电流输入范围。

1 电路描述
1．1 第二代电流传输器模型
CCII是一个三端口的有源器件，拓扑结构如图1所示，它确保了端口的两大功能性：

1)Y和X端口间的电压跟随；
2)X和Z端口间的电流跟随。
CCII的输入输出特性可用下列矩阵方程描述：

在理想情况下，α=1和β=1分别代表电流传输器的电流和电压传输增益。
1．2 CMOS CCII电路的设计
本文采用的是标准CMOS技术的低压、宽带、轨对轨、自偏置CCII电路，如图2所示。

由于输入电压由MOS管的栅极输入，所以该电路具有很高的输入阻抗。该电路主要包括4个部分：
1)轨到轨输入级：包含两个差分对，其中一个是以NMOS管(M1和M2)为输入对管，其正向共模输入范围很大，可以达到正电源，另一个是以PMOS管(M3和M4)为输入对管，其负向共模能力很强，可以达到负电源。
2)缓冲级：是通过源随器M13和M14来实现的，作用是为了提高X端的电压跟随能力同时保证在X端有低阻抗。
3)电流镜：基本电流镜M11和M12是将M13的电流复制到M12流入Z端，M15和M18是将M14的电流复制到Z端。另外，两个电流镜M5、M6和M7、M8分别构成差分输入电路的有源负载。
4)偏置电路：M17～M20为MOS分压电阻，通过电流镜M17和M10给NMOS差对提供尾电流，电流镜M20和M9给PMOS差分对提供尾电流，整个电路从而不需加额外的偏置源。考虑到集成电路的隔离工艺，本电路中所有PMOS的衬底接VDD，所有NMOS的衬底接VSS。