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文檔簡介
1、<p><b> 譯 文</b></p><p> 應(yīng)用于高Q跨導(dǎo)一電容帶通濾波器的</p><p><b> 線性跨導(dǎo)運放設(shè)計</b></p><p><b> 王 斌 楊華中</b></p><p> (清華大學(xué)電子工程系,北京 100084)<
2、/p><p><b> 摘 要:</b></p><p> 設(shè)計了一種具有高的直流增益的寬帶線性全差分跨導(dǎo)運放。一方面,并聯(lián)一個工作在線性區(qū)的場效應(yīng)管來補(bǔ)償直流三階系數(shù),得到了一種應(yīng)用于連續(xù)時間濾波器、增加跨導(dǎo)器飽和區(qū)輸入信號幅度的簡單方法。另一方面,結(jié)合負(fù)電阻電路提高了輸出阻抗,實現(xiàn)高的直流增益而不需要額外的內(nèi)部結(jié)點,并減小了因有限直流增益和寄生電容引起的相位偏差
3、。將此全差分跨導(dǎo)運放應(yīng)用于0.18um CMOS工藝二階帶通濾波器,在3.3V電源電壓、輸入峰峰值1V時,HSPICE仿真結(jié)果的總諧波失真小于40dB,中心頻率為20MHz,3dB帶寬為0.18MHz,即Q為110。</p><p> 關(guān)鍵詞:線性跨導(dǎo)運放;高直流增益;高品質(zhì)因數(shù);帶通濾波器</p><p><b> 引言</b></p><p
4、> 近年來,隨著模擬和數(shù)字集成電路的高度發(fā)展,混合模/數(shù)混合系統(tǒng)得以實現(xiàn)。現(xiàn)行的濾波器已實現(xiàn)了各種不同程度的集成,并可將多種設(shè)計技術(shù)運用于完全連續(xù)時間濾波器的實現(xiàn)。高頻應(yīng)用中,跨導(dǎo)-電容(—C)方式是眾所周知的連續(xù)時間的積分基本塊。積分中的相位轉(zhuǎn)移過剩將影響高頻濾波器的頻率響應(yīng),而運算跨導(dǎo)放大器(OTA)單元的優(yōu)化設(shè)計可以消除相位誤差。</p><p> 為獲得高輸出阻抗并提高運算跨導(dǎo)放大器電壓,可采用
5、負(fù)阻抗消除它的正向輸出電阻,同時也能補(bǔ)償運算跨導(dǎo)放大器通過連續(xù)時間濾波器時因有限輸出阻抗引入的損失,提高Q值。負(fù)電阻電路(NRL)實現(xiàn)了高直流增益運算跨導(dǎo)放大器的大增益寬帶,并避免了積分器相位偏差。與其它廣泛運用的增強(qiáng)技術(shù)相比,負(fù)電阻電路極點少,消耗的電能少。本文介紹一種線性高直流增益的簡單運算跨導(dǎo)放大器。</p><p> 高直流增益的負(fù)電阻電路運算跨導(dǎo)放大器</p><p> 模擬
6、信號處理設(shè)計越來越多的運用運算跨導(dǎo)放大器,因為相對于傳統(tǒng)的低輸出阻抗的運算放大器(opamp)來說其速度較快,并且有合適的偏置跨導(dǎo)。然而運算跨導(dǎo)放大器工作的線性范圍受到嚴(yán)格限制,在近年的文獻(xiàn)中已有闡述。本文結(jié)合參考文獻(xiàn)[11,12]中的一種新型技術(shù)把輸入微分偶線性化,同時采用負(fù)電阻電路來減少由運算跨導(dǎo)放大器內(nèi)部低阻抗和寄生電容引起的非零積分相移。圖1顯示了運算跨導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu),其中包括負(fù)電阻電路(M 5,M 6,M 7,M 8)和微分跨
7、導(dǎo)單元(M 1,M 2,M 3,M 4,M 33,M 44),用以改善低噪音放大器的線性。電路的非線性主要來自場效應(yīng)管的非線性區(qū),可以由一定區(qū)域的泰勒展開來定義: </p><p> 這里x(t)和y(t)分別是場效應(yīng)管的輸入電壓Vg和輸入電流Ids。當(dāng)x很小時,Y(t)≈glx,即gi是小信號增益。g2,g3是直流I-V特性的連續(xù)導(dǎo)數(shù)。。由于微分結(jié)構(gòu)消除了所有偶數(shù)階諧波,三階系數(shù)g3成了微分運算跨導(dǎo)放大器諧波
8、失真的主要來源。m33和M 44起到消除g3的作用。 </p><p> 圖2是簡單級聯(lián)電路輸出漏源電流與級聯(lián)電路三階系數(shù)g3的曲線。場效應(yīng)管i-v曲線(圖2)表現(xiàn)出三階系數(shù)在放大區(qū)和飽和區(qū)的不對稱性。根據(jù)級聯(lián)電路的這一特點,我們可以添加一個工作在放大區(qū)的場效應(yīng)管來消除原場效應(yīng)管的非線性特性。與M1并聯(lián)的支路(M3和M33)起到對原級聯(lián)電路非線性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖饔?。?dāng)輸入信號幅度很小時,M33工作在飽和區(qū),M3工作
9、在放大區(qū)。M2,M44和M4 分別與 M1,M33以及M 3對稱。</p><p> 圖3分別顯示了M1和M3的三階系數(shù),M1首先進(jìn)入飽和區(qū),然后M3接著進(jìn)入飽和區(qū)。然而,當(dāng)輸入大信號時,M3進(jìn)入放大區(qū),M1仍處于飽和區(qū)。在共模輸入電壓(cmiv)下,M1和M3的三階系數(shù)能相互抵消,因此,隨三階系數(shù)減小運算跨導(dǎo)放大器的線性特性得到改善。圖4為負(fù)電阻電路的線性運算跨導(dǎo)放大器跨導(dǎo)(gm)的仿真結(jié)果。隨著vq從0升至
10、0.3v,gm在3.3v單電源驅(qū)動下從30.8μs變到22.2μs 。</p><p> 理想的跨導(dǎo)放大器是無限頻寬的壓控流源,其輸入輸出阻抗都是個無窮大。然而,實際的gm單元的輸出阻抗總是有限的,并且是一個主極點不為0的兩極系統(tǒng)。同時,內(nèi)部低阻抗引起的非零積分相移,寄生電容將使實際頻響偏離理想的情況,尤其是在過剩相移不減少的情況下對高Q系統(tǒng)就會變得不穩(wěn)定。最近,一些有研究者研究出一種基于負(fù)電阻電路的技術(shù)。由小
11、信號宏模型我們能重現(xiàn)圖1的積木電路包括寄生輸出電阻Rp及圖5中并聯(lián)的負(fù)電阻。從宏模型可以求得運算跨導(dǎo)放大器的傳遞函數(shù),</p><p> 、Cp分別為負(fù)載電容和寄生電容,Rn、Rp用右圖描述。</p><p> 在圖1中的負(fù)電阻電路支路中使用標(biāo)準(zhǔn)的平方律模型MOS器件,差分輸出電流可以描述為</p><p> (3)
12、 </p><p> 其中是運算跨導(dǎo)放大器的參數(shù)。</p><p><b> 等價輸出跨導(dǎo)為</b></p><p> 這樣,負(fù)阻抗Rn可寫作</p><p> 、分別是M8的跨導(dǎo)和M5。如果輸出端的輸出阻抗總和接近負(fù)阻抗,在理論上將獲得無窮大的輸出電阻和電壓增益。從圖1電路可看出,當(dāng)
13、四個場效應(yīng)管都工作在飽和區(qū)且M3的工作在放大區(qū)時,輸出跨導(dǎo)總和接近M1、M33、 M5、與M8的總和。因此,運算跨導(dǎo)放大器的輸出電導(dǎo)可以近似為:</p><p> 由(2)式可知, 在條件下,可以獲得運算跨導(dǎo)放大器的無限直流增益。 但是,如果,該系統(tǒng)由于右半平面存在極點而不穩(wěn)定,形成"過補(bǔ)償"。從(4) 式和(5) 式可看出,當(dāng)且僅當(dāng)滿足以下不等式時,不穩(wěn)定的狀態(tài)是可以避免的。</p&
14、gt;<p> 圖6顯示了該運算跨導(dǎo)放大器電路的交流響應(yīng),其掃描電壓Va的范圍為3.25至3.3v。簡單起見,增益和相位曲線在不同電壓V下的變化情況見圖7。根據(jù)eqs。(4)和(7),負(fù)跨導(dǎo)與電源電壓和Va的差值成線性關(guān)系。根據(jù)圖7可見該曲線在V=3.28V處對稱。當(dāng)Va>3.28V時,該系統(tǒng)由于負(fù)相坡將繼續(xù)保持穩(wěn)定。HSPICE 仿真顯示在CMIV=1.65V和V=3.28V處輸出電阻為171mΩ和增益為83db
15、。</p><p> 圖1電路總諧波失真(THD)仿真結(jié)果為圖8。HSPICE仿真結(jié)果表明當(dāng)輸入電壓為1Vp-p,CMIV在1.65V至2.65V范圍內(nèi)時thd 小于1%。圓圈,實線,虛線,加號分別代表CMIV為1.65,2,2.35和2.65時的thd曲線。</p><p> 高Q值帶通濾波器設(shè)計</p><p> 圖9是一個二階帶通濾波器,而運算跨導(dǎo)放大器
16、作為活躍回轉(zhuǎn)體的g2與g3和g1,C1和C2,形成一個積分器。其等效電感為:</p><p><b> 中心頻率為:</b></p><p> 為了使運算跨導(dǎo)放大器的輸出阻抗近似為無窮大,可以將G單元并聯(lián)一個負(fù)G 單元。這時輸出阻抗就為:</p><p> 其中g(shù)oi是I-th 運算跨導(dǎo)放大器,的輸出阻抗,gm是負(fù)G單元的輸出阻抗。傳遞函
17、數(shù)可以近似為</p><p><b> Q值為</b></p><p> 圖10為采用線性負(fù)電阻電路 運算跨導(dǎo)放大器的帶通濾波器幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)的HSPICE仿真結(jié)果。該仿真是在20mhz中心頻率和Q值為110,C1、C2等于 0.29pf的條件下進(jìn)行的。</p><p><b> 結(jié)論</b></p>
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