低压低功耗电流反馈运算放大器的研究与设计

论文摘要

近年来,电流反馈运算放大器（CFOA）因为其潜在的宽带、高转换速率和增益几乎与带宽独立的调节性能引起了模拟和混合信号集成电路应用领域专家学者的极大关注。典型的CFOA由一个电流传输器和一个电压缓冲器构成。第二代电流传输器（The Second Generation Current Conveyor,CCⅡ）作为最重要和最通用的有源积木块被广泛应用于仪器仪表和通信系统等电子电路中。现今,CCⅡ在诸如有源滤波器、模拟信号处理、A/D和D/A转换器等方面已逐渐取代了传统的电压运放。CCⅡ的性能优劣主要取决于电流传输精度、电压跟随能力和电流输出驱动能力,因此,实现CCⅡ的高精度与高驱动能力就必须采用合适的电路结构。本文在1.5V供电电压下,设计了一种功耗低、电压跟随能力强和电流传输精度高的第二代正向电流传输器（CCⅡ+）,并在此基础上构成了一种性能较高的CFOA。设计中,通过采用AB类推挽输出方式,达到了降低静态功耗和提高电流驱动能力的目的;采用轨对轨（Rail-to-Rail）的输入结构,有效地提高了共模输入范围和输出信号摆幅;应用密勒电容与调零电阻串联的补偿方式,有效地改善了CCⅡ+的频率响应特性,并分析了AB输出级晶体管对静态电流的影响作用。本文设计的电路采用CSMC 0.5μm CMOS工艺,利用HSPICE软件对整个电路进行了仿真,仿真结果表明,该CCⅡ+的电压跟随误差仅0.0534 dB,-3 dB带宽达到201 MHz,电流传输误差为0.007 dB,-3 dB带宽达到54.4 MHz,X端输入电阻低于28Ω,电流驱动能力为-0.62 mA～1.07 mA,电路功耗仅为105.68μW;CFOA获得了与增益关系不大的带宽特性,达到了77 dB的开环增益,116MHz的单位增益带宽,48°的相位裕度,307.7 V/μs的转换速率,以及不超过0.187 mW的静态功耗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本论文研究背景与意义
• 1.3 电流反馈运算放大器国内外研究现状
• 1.4 本论文的主要工作和内容安排
• 第2章 电流反馈运算放大器的原理
• 2.1 电流反馈运算放大器的电路和模型
• 2.1.1 CFOA的拓扑结构
• 2.1.2 CFOA代表符号
• 2.1.3 双极互补工艺的CFOA典型原理电路
• 2.1.4 CFOA电路模型及模型参数
• 2.2 电流反馈运算放大器的负反馈闭环特性
• 2.2.1 同相输入方式闭环直流特性
• 2.2.2 同相输入方式闭环频率特性
• 2.2.3 反相输入方式闭环直流特性
• 2.2.4 反相输入方式闭环频率特性
• 2.2.5 对CFOA负反馈闭环特性的讨论
• 2.3 电流反馈运放性能特点综述及其应用
• 第3章 电流传输器及其构成的电流反馈运算放大器的设计
• 3.1 电流传输器概念
• 3.1.1 第一代电流传输器（CCⅠ）
• 3.1.2 第二代电流传输器（CCⅡ）
• 3.2 高精度第二代正向电流传输器（CCⅡ+）的设计
• 3.3 AB类推挽输出的低功耗设计思想
• 3.4 商性能电流反馈运算放大器（CFOA）的设计
• 第4章 电流传输器及其构成的电流反馈运算放大器的仿真
• 4.1 仿真工具简介
• 4.2 高精度第二代正向电流传输器（CCⅡ+）的仿真
• 4.2.1 大信号电压跟随特性
• 4.2.2 小信号电压增益幅频响应
• 4.2.3 X输入端的大信号特性
• 4.2.4 大信号电流传输特性
• 4.2.5 小信号电流增益幅频响应
• 4.2.6 电流驱动能力
• 4.2.7 电流传输器应用
• 4.2.8 与其它电路的比较
• 4.3 高性能电流反馈运算放大器（CFOA）的仿真
• 4.3.1 小信号交流幅相特性
• 4.3.2 反向闭环幅频特性
• 4.3.3 共模输入特性
• 4.3.4 瞬态特性
• 第5章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文