1 电路设计

1.1 第二代电流传输器

Smith和Sedra在1970年提出了第二代电流传输器。其符号如图1所示。式(1)是CCⅡ的端口特性矩阵。

CCⅡ是一个三端器件。X端是低阻抗电流输入端，Y端是高阻抗电压输入端，Z端是高阻抗电流输出端。由其端口特性矩阵可知，CCⅡ的Y端口电流为零，X端口的电压跟随Y端口电压，Z端口的电流跟随X端口的电流。矩阵中±符号表示电流是流进Z端口还是流出Z端口，用此区分CCⅡ＋和CCⅡ－。

本设计采用CCⅡ－作为CFOA的输入级，它由跨导线性回路与交叉耦合电流镜两部分组成，其电路图如图2所示。Y端是同相输入端（电压输入端），它与M1、M2的栅极相连，具有高输入阻抗。X端是反相输入端（电流输入端），它与M3、M4的源极相连，具有低输入阻抗，同时M3、M4的推挽结构也形成低输出阻抗，便于电流信号的流进或流出。M1～M4组成了跨导线性回路。这使得Vx跟随Vy，即X端口的电压跟随Y端口电压。反相输入端的电流ix＝id3－id4，其中id3、id4分别为M3、M4的漏极电流，当反相输入端信号电流为零时, id3=id4。M5～M12组成交叉耦合电流镜，将流入X端口的不平衡电流传输到Z端口，使得Z端口的电流跟随X端口的电流。图中，Ib1和Ib2提供10μA的偏置电流。

1.2 电流反馈运算放大器分析

本文所设计的CFOA电路由两部分组成，其原理框图如图3所示。第一级是输入级，采用CCⅡ。第二级采用传统的两级运算放大器。电路各级均采用互补对称结构。图4是图3的交流小信号等效电路。

对图4的小信号等效电路进行分析，记第二级运放的放大系数为A，X端口的输入电阻为rx，运放的输出电阻为ro，Z端内部电容和电阻为CZ和RZ；反馈电阻为Rf。分析可得其增益函数以及-3dB带宽为:

式(2)和式(3)表明，对于CFOA，其闭环带宽可用反馈电阻Rf调节，闭环增益可用R1控制，从而实现增益与带宽的独立控制。这是传统的电压模式运放所不具备的特性。

2 CFOA电路设计

运算放大器是模拟集成电路和混合集成电路的基本单元，是模拟集成电路设计的关键之一。本文所设计的CFOA具体电路如图5所示，M1～M12组成CCⅡ－，Z为增益节点，在该点处利用内部高阻抗CZ和RZ将X端传送到Z端的不平衡电流转换为电压。电容CZ与反馈电阻Rf共同决定CFOA在闭环工作时的频带宽度。从X端到Z端，中间线性传输的物理量是电流，而电流变化的幅值在理论上没有限制，这正是CFOA获得超高速特性的根本原因。M13～M21是采用互补输出的两级运放。

本文基于TSMC 0.6μm CMOS工艺，采用Hspice对 图5所示电路进行了仿真。电源电压VDD=1.5V，VSS＝-1.5V，VBIAS=0.7V，Vb=0.6V。将CFOA连接成反相闭环结构，如图６所示，对其进行交流分析。图7是CFOA的反相闭环幅频特性,当固定Rf=10kΩ，R1分别取1kΩ、3.3kΩ、10kΩ时,由结果可看出,反相闭环增益分别为20dB、10dB、0dB，此时-3dB带宽恒定。同相闭环增益与此类似，这体现了CFOA的主要特性：增益与带宽独立。

传统电压模式运算放大器采用共源差分对输入级，而差分对的限幅作用影响了补偿电容的充放电电流，这就限制了转换速率SR的提高。本文设计的CFOA，采用了由跨导线性回路构成的CCⅡ－，将电流作为信号的传输量，因此转换速率SR得到了很大的提高。将CFOA连接成电压跟随器的结构，输入1MHz的方波，其瞬态响应曲线如图8所示。

由图8可以看出，本文设计的CFOA具有良好的瞬态响应特性。其转换速率SR为28.57V/μs，高于转换速率8.75V/μs和11V/μs。

在低压低功耗应用中,运放的静态功耗是一项非常重要的指标。该运放的静态功耗为：

由实际仿真结果得到该运放的静态功耗为0.64mW。

本文设计的一种超低功耗电流反馈运算放大器，采用跨导线型回路构成的电流传输器作为输入级，采用电流信号作为中间信号传输，提高了输入级的转换效率，从而也提高了整个电路的电压转换速率。输出级采用基于互补输出的传统两级运放，并利用Hspice对其进行模拟。在±1.5V的低电源电压下，仅产生0.64mW功耗，闭环带宽恒定，转换速率SR为28.57V/μs，获得了较好的性能指标，适合低压低功耗及带宽要求恒定的应用场合。目前，该运算放大器已经用于一种二阶滤波器的设计中。