低压低功耗CMOS电流反馈运算放大器设计

　　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：


　　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为低压低功耗电流反馈运算放大器电路模型图。
 

　　图5为图4的交流小信号分析模型图5中rx(CCII+的 反相输入端电阻)ro (输出缓冲器的输出电阻)均非常小，可忽略不计。则有：

　　假设核心模块OPAMP为单极点且开环增益为 A(S)=(AOWt/S+Wt)，注意Wt是OPAMP的-3DB带宽。( 为了获得合适的相位裕度.利用调零电阻RZ和米勒电容CC进行相位补偿)AOWt是-3DB带宽和开环低频增益的乘积。带入(1)式可得：

　　合理的选择RL和 CZ 使二者产生的极点远大于GBP。那么(2)式可简化为：

　　又由于Ao=30.5K, A0RL≥Rf(3)式又可简化为：

　　又由于rX (反相端的输入电阻)很小 ，因此 Ii =Vi/Ri(4)式又可简化为：

　　由(5)可得CFOA的-3DB带宽为：

　　(6)式表明CFOA的-3DB带宽依赖于Rl和Rf。由(5)式可知CFOA的增益依赖于Rf 和Ri ,很明显对于一定的Rl , Rf 一旦确定，改变Ri可获得不同的增益，而-3DB带宽却不受影响。因此CFOA实现了增益和带宽的独立调节。为了避免运算放大器OPAMP的高频极点和确保闭环增益的稳定性，CFOA的-3DB带宽必须小于GBP,从(6)式知Rl必须满足RlRf。

利用HSPICE仿真

开环状态下交流小信号分析


　　CFOA的开环增益及相位图如图6，AV=-28.5K(89dB)，GB=52.5MHz,相位裕度为82°，由此可见开环相位裕度大于45°是稳定的。

闭环状态下交流小信号分析


　　闭环电路的增益和相位如图7所示，-3dB带宽约为23.3MHz而增益却分别为12dB，6dB，2.5dB，0dB，相位裕度均大于45°，由此可见增益和相位均是稳定的。

　　由此可见CFOA实现了增益和带宽的独立调节。同样也可以构成同相放大器(将Ri 接地.信号由Y端输入)。

　　转换速率测定(将CFOA接成电压跟随器)结果如图8所示。


结语

　　本设计在有关资料的基础上，提出了自己设计的低压低功耗电流反馈运算放大器。在输入级合理设置CCII+的W/L来提高其带宽，避免了输入级的迷勒补偿。在输出级使用了缓冲器，在开环时，将输出电阻减小到几欧姆左右，极大的提高了负载能力。-3DB带宽为23.3MHz，静态功耗降低为为3.5mW。当前，电流负反馈运算放大器主要是基于双极工艺的，但是随着电源电压的降低及芯片集成度的增加，对CMOS型电路的研究是很有必要的。