電流控制差分電壓輸入電流傳輸器設計及應用

趙 怡

(景德鎮陶瓷學院機械電子工程學院，江西景德鎮 333001)

電流模式的分析方法由于它在速度、功耗、帶寬等方面的優勢吸引著眾多的模擬集成電路設計者。文獻［1～3］中介紹了電流傳輸器的應用，例如:濾波器、振蕩器以及模擬信號處理模塊等。為克服電流傳輸器中只有一個電壓輸入端的缺點，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的應用中，例如:模擬信號處理、自動控制和測量放大器等。因此，DVCC也是一個重要的萬用功能模塊，尤其是它在處理差分信號和浮地輸入信號時優點更加突出。

電流控制差分電壓輸入電流傳輸器(CCDVCC)是DVCC的一種重要的改進電路模塊。它的X端寄生電阻RX是可調的，RX的阻值是通過外接輸入偏置電流控制的，因此RX可以作為電路應用中的有源電阻。所以使用了CCDVCC模塊的電路可以實現傳輸函數的可電調諧功能。文獻［4～5］中X端可調電阻RX是通過一對NMOS管(或NPN)和一對PMOS管(或PNP)組成的跨導線性環電路實現的;而本文是利用一對NMOS管組成的跨導線性環取代4個MOS構成的跨導線性環。在 CMOS工藝中，由于 PMOS管相比NMOS管，PMOS管處理交流信號的性能較差，在跨導線性環電路中使用PMOS管會使得電路的輸出跟隨信號精確度和可以處理的最高頻率等性能會有所降低。文中提出的跨導線性環電路只使用NMOS管構成，在跨導線性環中避免了PMOS管處理交流信號，處理交流信號的只有NMOS管，因此電路中輸出信號的跟隨精度以及系統函數的帶寬會有所提高。

CCDVCC的符號圖如圖1所示。它具有兩個高輸入阻抗的差分電壓輸入端:Y+和Y－端;具有一個低輸入阻抗的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實現電阻值的可控

圖1 CCDVCC的電路符號

1 CCDVCC的設計

設計的CCDVCC如圖2所示。電路的第一級為一個軌對軌輸入的DVCC。電路的第二級為一個僅由兩個NMOS管組成的跨導線性環結構，作為電流控制RX電阻值的結構。第一級電路包括3部分［6］:第一，由N型和P型MOS管并聯組成的差分電壓輸入結構——軌對軌電壓輸入結構;第二，電流鏡結構;第三，AB 推挽輸出結構。晶體管 PM11，PM12和 NM9，NM10構成電流鏡具有電壓閾值相消的作用。晶體管NM13和PM13構成了AB推挽輸出級。N型MOS管的差分電壓輸入結構和P型MOS管的差分電壓輸入結構并聯是為了得到軌對軌電壓輸入以便擴大電壓輸入范圍。軌對軌的差分電壓輸入結構有4個工作區域:只有P型MOS管差分對工作;P型MOS管差分對和N型MOS管差分對同時工作;只有N型MOS管差分對工作。

圖2 設計的CCDVCC的電路結構

第二級由一個跨導線性環結構組成，跨導線性環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［7］提出的跨導線性環結構是由一對NMOS管和一對PMOS管共同構成的，而文中設計的跨導線性環結構僅由一對NMOS管構成。由于集成電路中PMOS管會降低電路的性能。相較于參考文獻，設計的電路可以在較高的頻率上正常工作并且可以將信號更加精確的傳輸到輸出端;因為文中設計的電路中，跨導線性環電路結構中處理交流信號的只有NMOS管，避免PMOS管處理交流信號以致降低電路性能［8－10］。圖2中晶體管M5和M6構成一個跨導線性環結構。根據跨導線性環的原理可以得到

由式(4)可知，RX可以通過IB調節。M7是一個MOS開關，可以通過改變MOS開關的狀態得到X端的負寄生阻抗－RX或正寄生阻抗+RX。控制MOS開關的信號是低電平時，RX為負阻抗;控制MOS開關的信號是高電平時，RX為正阻抗［11－12］。

2 仿真結果

使用CMOS 0.18μm工藝對文中設計的電路進行仿真。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晶體管的寬長比如表1所示。圖3為文中設計集成電路的版圖結構。圖4～圖6顯示的仿真結果曲線與文獻［5］相比較列于表2中。

表1 CCDVCC中晶體管的寬長比

表2 設計CDVCC的性能與參考文獻性能比較

圖7 RX隨IB變化的曲線

為證明設計的電路應用能力，提出了CCDVCC的兩種應用。第一種為應用CCDVCC構成電流模式測量放大器，電路結構如圖8所示。測量放大器的增益可通過改變電路中CCDVCC的輸入偏置電流IB的值來進行調節。圖9顯示了電流模式測量放大器增益隨輸入偏置電流IB變化的曲線，測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

第二種為應用CCDVCC構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因素可以通過改變CCDVCC輸入偏置電流IB的值調節

圖11(a)顯示了電路實現低通和帶通濾波器時，濾波器的頻率響應。利用CDVCC的偏置電流IB改變濾波器的中心頻率fo以及品質因數的曲線如圖11(b)所示。

圖10 CCDVCC電壓模式濾波器

3 結束語

設計的集成電路功能模塊的優勢為:有更大的帶寬、更寬的RX電阻可控范圍以及軌對軌的電壓輸入范圍，唯一不足的是電壓跟隨增益有所下降。綜上所述，設計的CCDVCC集成電路模塊適用于構建高性能電流模式電路。

圖11 濾波器的頻率響應

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