低压低功耗CMOS电流反馈运算放大器设计

　　放大器作为集成电路的一种重要的组成部分是国内外研究的热点。电压模式放大器有一个明显的缺点就是随着被处理信号的频率越来越高,电压模式电路的固有缺点开始阻碍它在高频高速环境中的应用。主要由于闭环增益和闭环带宽的乘积是常数,当带宽向高频区扩展时增益按比例下降，而且在大信号下它的输出电压转换速率也很低。为克服这些缺点,本文设计了低压状态下的电流反馈运算放大器。电流反馈运算放大器(CFOA)被广泛应用在模拟信号处理中,比如模数转换(ADC),滤波器以及许多其他通信系统中。电流反馈运算放大器相对于电压反馈运算放大器的一个显著的优点就是有较快的转换速率和与增益设置无关的带宽, 80年代末期,基于互补双极工艺发展起来的电流负反馈运算放大器,从根本上改变了传统电压反馈运算放大器的电路结构,得到了极大的发展 ;但电源电压一般都是5V,功耗也比较大,笔者设计了基于双电源±0.9V供电,功耗仅为3.5mW的电流反馈运算放大器。

　　电路描述

　　CFOA简化拓扑结构可用图1表示，它主要由输入缓冲级、跨组放大级和输出缓冲级组成。输出缓冲级接在两个输入端之间，具有单位电压增益。其作用有三个：强制un 跟随up;使同相输入端为高阻抗(理想为无穷大)的电压输入端;使反相输入端为低阻抗(理想为零)的电流输入端，信号电流在反相输入端流进或流出。

　　跨组放大级将反相输入端的电流信号in 传送到内部增益节点，并将它转化为一个电压信号uz 。图1中的Aro代表开环增益，Aro的值通常很大(类似电压运算放大器的开环增益)，跨组放大级的输出电压表达式为uz=Aroin式中，Aro为开环跨阻增益值，量纲为V/A或， in为反相输入端电流。输出缓冲级具有单位电压增益，将uz传送到输出端uo，并实现低输出阻抗。

　　图1 电流反馈运算放大器的简化拓扑结构图

　　之所以用CCII+作为电压缓冲器，是因为CCII+具有如下的功能特点：

　　图 2 第二代电流传输器

　　该方程表明，CCII+的Y端口电流为零，X端口的电压跟随Y端口的电压，因而X端口呈现零输入阻抗;低阻抗X输入端的电流传输到高阻抗的Z输出端，即在Z输出端口相当一个可控制输出电压。实际上CCII+可以看做一个电压缓冲器，因此基于这一思想，在参考文献[1]的基础上，并参考图1 CFOA的拓扑结构图，用CCII+做输入，中间级利用文献[2]图7.6-17，加以改进，构成低压低功耗的两级电压运算放大器，外加输出缓冲，就构造出一新型的CFOA电路(图3，图4)。

　　图3 低压低功耗CFA的电路模型图

　　图3为低压低功耗电流反馈运算放大器电路模型图。