高线性度低功耗OTA的实现.pdf

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1、云南大学学报(自然科学版)。20l4。36(5l：661—666DOI：10．7s4o／j．ynu．20130714JournalofyonnanUniversity高线性度低功耗OTA的实现陈婷，李志军，曾以成(1．湘潭大学材料与光电物理学院，湖南湘潭411105；2．湘潭大学信息工程学院，湖南湘潭411105)摘要：采用衰减器技术和负反馈设计了一种新的高线性度低功耗的跨导运算放大器(OTA)．提出的OTA能有效地抑制3次谐波分量(HD)从而使其线性度得到很大改善，同时它可以通过改变衰减器因子a

2、实现跨导可调．电路采用TSMC0．18ttm工艺在Cadence的Spectre中进行设计与仿真，结果表明它的线性范围为一0．65—0．65V。功耗仅为0．73mW．最后通过一个四阶OTA—C滤波器验证了该OTA的性能．关键词：运算跨导放大器(OTA)；谐波分量；线性度；滤波器中圈分类号：TN713文献标志码：A文章编号：o258—7971(2o14)o5—0661—06运算跨导放大器(OTA)作为一种新型的电流模式器件，具有结构简单、线性度高、易于调整等优点而被广泛应用于各种模拟信号处理电路中L

3、1-3]．随着数模混合集成电路的发展，作为可编程模拟阵列(FPAA)核心单元的OTA必须具有高线性度、低功耗、跨导可调、带宽宽等特点，然而研究¨I9表明，要同时获得这些最佳性能是比较困难的．如文献[6]中采用基本OTA电路与平方电路组合的方式提出了一个跨导线性可调的OTA，虽然提高了线性度，但电路结构复杂，不易集成．文献[7]中采用衰减器技术对输入信号进行衰减，虽然改善了OTA的线性度但致使电路带宽变窄．为了提高OTA的带宽，最近王春华，Tien—YuLo等采用负反馈技术提出了一种新型OTA，但引

4、入负反馈致使电路的输入范围变窄，不宜在线性范围要求较高的电路中使用．在上述文献的基础上，本文结合衰减器和负反馈技术实现了一种新的源衰减OTA．与同类电路相比，本文提出的OTA具有如下优点：①跨导可以通过改变衰减因子实现调节；②电路具有宽的输入电压动态范围；③采用负反馈技术能更好地抑制谐波分量从而提高了电路的线性度；④电路结构简单，非常便于集成．为了验证电路的性能，采用提出的OTA实现了一个四阶巴特沃斯低通滤波器¨．该滤波器可以很好地实现低通滤波的功能，并且具有电可调的特点．最后采用Cadence软

5、件对提出的OTA及滤波电路进行了仿真测试．1提出的OTA电路OTA的整体电路和电路符号如图1所示，其中，晶体管M3和M4构成了二极管连接形式的衰减器，可以对输入信号进行衰减来提高电路的线性度．M5一M12构成了一个负反馈电路，根据负反馈的基本原理可知，该OTA的谐波分量能够得到有效抑制从而使得线性度得到提高，同时带宽也能有效地展宽．M19工作在线性区构成一个常见的源衰减电路，它的主要作用是进一步提高电路的线性度．M20和M21～M24构成增益为2：1的电流镜，M5和M6，M13和M14，M15和M

6、I6，M17和M18分别构成单位增益电流镜．，b为偏置电流，。为供电电压．除M19外，其他MOS管均工作在饱和区．+收稿日期：2013—12一l1基金项目：国家自然科学基金(61176032，61233010)．作者简介：陈婷(1989一)，女，湖南人，硕士生，主要研究方向为集成电路设计与应用．E—mail：tingehen149@163．COrn．通信作者：李志军(1973一)，男，湖南人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电流模式电路和数模混合集成电路．E—mail：lizhijun@xtu．

7、edu．cn．662云南大学学报(自然科学版)http：／／www．yndxxb．ynu．edu．cn第36卷(a)设计的0TA原理图(b)电路符号图1设计的OTA原理图及其符号Fig．1ThecircuitofproposedOTAanditssymbol在图1中，M1和M2的漏极电流ID和Im可以分别表示为，Dl：，b+1／2K．(1~,2)ibVi一1蕊()，，m一1~v／2K．(1(2),2)IbVi+÷丽()·其中，为相对应NMOS管的跨导参数；输入电压=+一一．由于M3和M4实现二极管

8、连接，其栅极电压和分别为：VD。一"D1一V(3)：。一√一I,h，l，==VD。。一一√一，1．(4)其中，K为相对应PMOS管的跨导参数；为相对应PMOS管的阈值电压．将式(1)、式(2)分别代入式(3)、式(4)并整理可得△=一=一一gin(5)Kp(3．4)(3．4)，＼／Kp(3．4)“√’～=惫⋯⋯一⋯⋯⋯一；詈，D5：+gin(5,6)(一)，(6)li=b+gin(5,6)(一)，(7)第5期陈婷等：高线性度低功耗OTA的实现663其中，g为相对应MOS管的跨导值，