1、 译文 应用于高 Q跨导一电容带通滤波器的 线性跨导运放设计 王 斌 杨华中 (清华大学电子工程系，北京 100084) 摘 要： 设计了一种具有高的直流增益的宽带线性全差分跨导运放。一方面，并联一个工作在线性区的场效应管来补偿 直流三阶系数，得到了一种应用于连续时间滤波器、增加跨导器饱和区输入信号幅度的简单方法。另一方面，结合负电阻电路提高了输出阻抗，实现高的直流增益而不需要额外的内部结点，并减小了因有限直流增益和寄生电容引起的相位偏差。将此全差分跨导运放应用于 0 18um CMOS工艺二阶带通滤波器，在 3 3V电源电压、输入峰峰值 1V时， HSPICE仿真结果的总谐波失真小于 40d
2、B，中心频率为 20MHz， 3dB带宽为 0 18MHz，即 Q为 110。 关键词： 线性跨导运放；高直流增益；高品质因数；带通滤波器 1、 引言 近年来 ，随着 模拟和数字 集成 电路的 高度 发展 ， 混合模 /数 混合系统得以实现。现行的滤波器 已实 现了各种 不同 程度 的 集成，并可将多种设计技术运用于完全连续 时间 滤波器的实现。 高频应用 中，跨导 电容 (gm C)方式 是 众所周知 的连续时间 的 积分基本 块。 积分中的 相 位 转移过剩将影响 高频滤波器的 频率响应 ，而 运算跨导放大器 (OTA)单元的优化设计可以消除 相位误差 。 为获得高输出阻抗并提高运算跨导放
3、大器电压，可采用负阻抗消除它的正向输出电阻，同时也能补偿运算跨导放大器通过连续时间滤波器时因有限输出阻抗引入的损失，提高 Q值。负电阻电路 (NRL)实现了高直流增益运算跨导放大器的大增益宽带，并避免了积分器相位偏差。与其它广泛运用的增强技术相比，负电阻电路极点少，消耗的电能少。本文介绍一种线性 高直流增益 的简单运算跨导放大器。 2、 高直流增益的负电阻电路运算跨导放大器 图 1、带 负电阻电路 的 运算跨导放大 器 模拟信号处理设计越来越 多的运用 运算跨导放大器 ， 因为 相对于 传统的低输出阻抗的运算放大器 (opamp)来说其 速度 较快 ， 并且有合适的 偏 置跨导。然而运算跨导放
4、大器工作的线性范围 受到 严格限制 ， 在 近年的 文献 中 已 有阐述。 本文结合 参考文献 11， 12中的 一种新型技 术把输入微分偶线性化，同时采用负电阻电路来减少由运算跨导放大器 内部低阻 抗和寄生 电容引起的 非零积分相移 。 图 1显示了运算跨导放大器的 结构 ，其中包括 负电阻电路 (M 5， M 6， M 7， M 8)和微分 跨导单元 (M 1， M 2， M 3， M 4， M 33， M 44)，用以 改善低噪音 放大器的 线性 。 电路 的 非线性主要来自 场效应管的非线性区， 可以 由一定区域的 泰勒 展开来定 义： 这里 x(t)和 y(t)分别是场效应管的 输入
5、电压 Vg和输入电流 Ids。当 x很小时， Y(t)glx， 即 gi是 小信号 增益 。 g2， g3是 直流 I V特性的 连续导数。由于 微分结构 消除了 所有 偶数阶谐波， 三阶系数 g3成了微分运算跨导放大器 谐波失真的 主要来 源 。 m33和 M 44起到 消除g3的作用 。 图 2是简单级联电路 输出漏源电流 与级联电路 三阶系数 g3的曲线。 场效应管 i v曲线 (图 2)表现出三阶系数在放大区和 饱和区的不对称 性 。根据 级联电 路的这一特点，我们可以添加 一个工作在 放大 区 的场效应管来 消 除原场效应管的非线性 特性。与 M1并联的 支路 (M3和 M33)起到
6、对原级联电路 非线性 进行 补偿的 作用。当输入信号幅度很小时， M33工作在饱和区 ， M3工作在 放大 区 。 M2， M44和 M4 分别与 M1， M33以及 M 3对称。 图 3分别显示了 M1和 M3的 三阶系数， M1首先进 入 饱和区 ， 然后 M3接着进入 饱和 区 。 然而 ，当输入大信号 时 ， M3进入 放大 区 ， M1仍处于饱和 区 。 在共模输入电压 (cmiv)下， M1和 M3的 三阶系数能 相互抵消 ，因此， 随 三阶系数 减小运算跨导放大器的 线性 特性 得到改善 。图 4为负电阻电路的线性运算跨导放大器跨导 (gm)的 仿真 结果 。随着 vq从 0升
7、至 0.3v， gm在 3.3v单电源 驱动下 从 30.8 s变 到 22.2 s。 理想的 跨导 放大器是无限频宽的压控流源 ，其输入 输出阻抗 都 是个 无穷大。然而，实际 的gm单元的输出阻抗 总是有限的， 并且 是一个 主图 2、 M1直流电流电压曲线和三阶系数曲线 图 3、 M1 和 M3 的三阶系数 图 4、运算跨导放大器输出电流和 gm 随 Vq 的变化 图 5、图 1 电路的小信号等价电路 极点不 为 0的两极系统 。同时， 内部低阻抗引起 的 非零积分相移 ， 寄生电容将使实际频响偏离理想的情况，尤其是 在过剩相 移 不减少的情况下 对高 Q系统就会变得不稳定 。最近，一些
8、有研究者 研究出一种基于负电阻电路的 技术 。由 小信号宏模型 我们能重现图 1的积木电路 包括寄生输出电阻 Rp及图 5中 并联 的 负电阻 。 从宏模型可以求得 运算跨导放大器的 传递函数 ， lC 、 Cp分别为负载电容和寄生电容 ， Rn、 Rp用右图 描述 。 在 图 1 中的负电阻电路支路中 使用标准的平方律模型 MOS 器件，差分输出电流可以 描述为 (3) 其中 是运算跨导放大器的参数。 等价输出跨导为 这样，负阻抗 Rn 可写作 5mg、8mg分别 是 M8 的跨导 和 M5。 如果输出端的输出 阻抗 总和接近 负阻抗 ，在理论上 将获得 无 穷大的 输出电阻和电压增益。 从图 1 电路 可看出， 当四 个场效应管都 工作在饱和区 且 M3 的 工 作在 放大区时， 输出 跨导 总和 接近 M1、 M33、 M5、与 M8 的总和。因此， 运算跨导放大器 的 输出 电导 可以近似为 ： 由 (2)式可知 ， 在 条件下 ， 可以 获 得 运算跨导放大器的 无限直流增益 。 但是，如果，该系统 由于 右半平面 存在极点而 不稳定 ，形成 过补偿 。 从 (4)式 和 (5)式 可看出 ， 当图 6、运算跨导放大器的输出增益和相位 图 7、运算跨导放大器的输出增益和相位随 Va 的变化 (5) 图 8、运算跨导放大器总的谐波失真随 VCM 的变化
