新型拓扑结构跨导反馈放大器

新型拓扑结构跨导反馈放大器摘要：本文将提出一种新的拓扑结构的跨导反馈放大器（TFA）。

这种拓扑结构提供的优点在于，它能够实现负的是标准的反相增益表达式。

也就是，增益形式为：。

我们也将表明，它可以实现标准的反相和同相增益，而同时在每个配置保持接近恒定带宽增益变化。

第一个特征是使人们希望的拓扑结构滤波器有广泛的应用，因为TFA可以充当一个积分环节，从而使该放大器实现正面和负面的无损集成。

不像以前的TFA配置，这种放大器还可以产生在第一和第四象限内的对数输入。

通过实验证实这种放大器具有配置不同的增益，集成和对数的能力，设计的这种芯片采用台积电0.18umCMOS工艺的1.8 V单端电源。

该芯片占用面积752.6um*581.2um的新的拓扑结构跨导反馈放大器和常规TFA作组成。

这种新型TFA在单位增益配置是有15 MHz的频率带宽。

索引项：电流反馈放大器（CFA），运算放大器，跨导反馈放大器（TFA）1、引言在最近已经提出了跨导反馈放大器（TFA）是一个有吸引力的恒定带宽类放大器，如电流反馈放大器（CFAS）[1] - [6]。

威尔逊的研究[1]，[2]TFA可以认为由一个高增益环节，一个跨导环节和在两者间施加反馈回路组成。

跨导级的输出端处的电压缓冲很像一个CFA，如图1（a）所示。

需要注意的是有这种缓冲的存在，要确保有分压器作为负载的跨导元件，它产生的反馈电压成正比于跨导元件的输出电流。

通过对电流反馈放大器（CFA）的非常规设计证明，即使不采用缓冲结构[7]，[8]，也等解决在CFA中的低电压问题。

练习的重点是证明CFA不能通过常规设计实现。

然而，在TFA和CFA之间存在若干不同之处。

CFA结构如图1（b）所示。

首先，在CFA的恒定带宽的设定是通过调节R2到某个优值实现的，而TFA的恒定带宽是通过调整R1实现的。

在这两种情况下，改变R1和R2，TFA和CFA 的增益会分别变化。

这两种放大器如图1，配置同相增益。

其次，在CFA的闭环增益（LG）定义为[10]，而在TFA中，闭环增益定义为[1]，其中，，拓扑结构图如图1（a）所示。

在图1（b）中，Z是由高输出阻抗的电流控制电流源和节点寄生电容形成的阻抗。

第三，TFA的两个输入都是高阻抗，而CFA由于存在输入缓冲器，因此有一个高阻抗输入和一个低阻抗输入。

最后，CFA一般不能将R2更换成电容器构成积分环节，而TFA可以配置成一个积分器，使此配置在滤波中有用的应用。

注[11]表明，只有在某些限制条件下，CFA可以作为一个积分器。

另外，TFA不能用电容代替R1变成一个微分器，因此，闭环增益必须是常数，但CFA可以通过用电容代替R1变成微分器。

图1 （a）TFA (b) CFA因此，本文的目的不是要审查TFA 理论，其中大部分已经覆盖威尔逊的出色展示的反馈放大器[4]，而是引进的一个新型的TFA 拓扑设计，并证明它的可行性。

新的拓扑结构提供的优点是，放大器可以提供在三种与两个标准增益配置相反的可能的电压增益配置;所有的都具有保持接近恒定带宽的特性。

这些配置分别是：同相配置：反相配置:非典型同相配置：。

这最后的拓扑结构作者指为“非典型同相配置”提供一个高阻抗输入，单位增益配置（当时） 和放大或衰减。

这种结构可以很容易通过将2R 替换成电容1C 构成同相无损积分器，或通过将C1与R2并联构成同相有损积分器，在滤波领域的应用有特别的优势。

在本文中，我们将计算使用TFA 构成的无损积分器的品质因数，这先前未曾探索过。

我们还将探索利用这种新的拓扑结构电路产生对数的第一和第四象限输入。

此外，我们将证明新的拓扑结构，简称TFA ，本文提到的是经修改的TFA ，不同于原威尔逊TFA 的拓扑结构，且也有不变的频率带宽和不同的零极点。

因此，它们的时域响应可以预期是不同的。

在本文中，我们也提出三种修改后的TFA 机构和两种威尔逊TFA 结构的噪声模型，这一切在先前都没有研究过。

以下的部分给出了设计方法和方程，以及在0.18微米CMOS 工艺制造芯片的实验结果。

该芯片采用1.8 V 单端供电电源和电路设计包括两个：改性TFA 和威尔逊TFA ，用于两者作比较。

芯片面积为752.6um*581.2um ，通过制作台积电NWELL 过程。

本文的结构如下。

第二节对修改型拓扑结构进行描述，涉及所有的设计方程，并考虑二阶效应。

第三节着眼于编写TFA 作为一个积分器和一个对数放大器的应用程序。

第四部分提出改进型TFA 和威尔逊TFA 的噪声模型，并对它们进行比较。

第五节，集成电路的设计。

第六节讨论了测量的实验结果，第七节，结论。

二、电路描述这种改进型TFA 如图2（a ） - （c ）所示，每个电路都采用了电流串联反馈。

与威尔逊的TFA 相比，不同的是，其跨导模块有两个输出端，而威尔逊的TFA 只有一个输出。

由于这种改进型的TFA 具有多个可用的输出电流，因此，它的使用具有更多的灵活性。

对于一阶系统，如果我们将运算放大器具有的单极衰减模型定义为tt t o s GBP s A s A ωωω+=+=)( （1） 恒定频率带宽的特性将很容易理解。

其中o A 是开环增益，t ω是运放3-dB 处的低频极点，t o A ω是运放增益带宽积（GBP ）。

图2 改进型TFA 具有三种增益配置：（a ）12/1R R +; (b)12/R R -; (C)12/R R +此外，我们将假设的跨导模块的带宽要比运算放大器宽得多，因此其影响可以忽略不计。

如图2（b ）所示，为方便起见，在运算放大器的反相输入端-V 输入电压，然后直接进行节点分析得：))(1/()()(1R g s A s V s V m in +=-。

类似地，)()()(2s V R g s A s V m o --=。

求解改进型TFA 在反相配置时的传递函数)(/)(s V s V in o 得： 1112)(R g A s R g A R R s H m t o t m t o M I ωωω++-=1112R g A s R g A R R m t o m t o ωω+-≅ （2）其中，11>>R g A m o ，在这里，与传递函数相关联的上标（M ）表示这是修改后的TFA 放大器，表示（W ）威尔逊，下标（I ）表示的配置反相放大器，（NI ）表示同相，（A ）表示非典型同相。

由式子（2），低频增益12/)0(R R H M I -=和该单极放大器的带宽如下： LG R g A t m t o M I ⋅==ωωω1 (3)也就是说，放大器的带宽可通过调节电阻器R1设定，dc 增益课通过调节R2而改变，并且只要R1固定不变，直流增益调节便与带宽没有关系了。

方程（2）也表明乘积，1R g m 应该小于1，否则如果超过运算放大器的GBP 时，运算放大器的会具有二阶和更高的极点。

相比而言，威尔逊TFA 反相配置时的传递函数如下：)()(121112R g A s R R sR g A R R s H m t o m t o W I ωω+--≅ （4） 请注意，威尔逊反相TFA 共享（2）中相同的极。

然而，由于放大器零点的存在，将会产生相位滞后，将会降低放大器的相位裕度，改进型TFA 在同相配置时不存在零点。

稍后我们将介绍假设放大器在通常情况下存在确实其他极点的情况。

分别为重复同样的过程同相威尔逊TFA ，同相的改进型TFA 和非典型的同相配置得：1112)1(R g A s R g A R R H m t o m t o W NI ωω+⋅+≅ （5） 1121112)1()(R g A s R g A R R R sR R s H m t o m t o W NI ωω+++⋅+≅ （6） 1112)(R g A s R g A R R s H m t o m t o M A ωω++= （7） 显然，从式（5） - （7）得，这三个放大器的配置可以主导极点响应，而从（6）推测，其传递函数零的存在将产生超前相移，以降低整体系统的相位，因此增加了相位裕度。

然而，在任何相位裕度的增加，将由于式（6）中未示出的额外高频极点的存在而下抵消。

最后，应该提到的是，，可以使用威尔逊TFA ，用-1缓冲结构代替传统的+1的缓冲结构达到12/R R +的增益配置的目的，这很容易使用发射极或源极跟随器电路构建。

然而，高阻抗反相缓冲器在没有某种形式的负反馈结构时，不容易实现。

最简单的方法是构建一个反相运放[12]然后将其连接到现有的威尔逊TFA 的缓冲区，但这样的存在增加了额外的硬件，进一步增加了威尔逊TFA 的功耗，面积和噪声。

A.二阶效应在本节中，我们将研究由于跨导模块有限的输出阻抗o R 和寄生电容o C 对输出的影响。

其他的高阶效应可以归因于各种参数，如运算放大器的二阶极点，但为努力减少分析的复杂性，我们只考虑固有的跨导器的影响。

本文关注对于短通道低电压的过程的使用，因为输出阻抗低于1兆欧的共源共栅晶体管都没有使用。

提高输出阻抗，如[13}中描述的那些低振幅电流镜都可以使用。

考虑到输出阻抗与频率相关的，图1（a ）和图2中的跨导器可以分别用图3（a ）和（b ）替换。

让我们定义o R 与1R 的并联为1R 和类似o R 与2R 的并联作为2R 。

重复同样的的新的传递函数的极、零点位置分析,，如表Ⅰ所示。

在这里，表I 显示，在一般情况更多的极点与改进型的TFA 配置有关。

此结果并不意外，因为有两个的寄生电容与改进型TFA 相关，而不是威尔逊TFA 。

然而，正如前面提到的威尔逊反相TFA 在RHP 在具有零点。

在右半平面零点的效果是减少两极放大器相位裕量，可以导致在模拟结果中观察到过冲。

值得注意的是，对于一个给定的1R ，闭环增益增加，相位裕度也会增加。

表1还表明，改进型TFA 的极点和零点随1R 和2R 的改变而改变。

极点实际上出现在低频段，因为1R <1R 和2R <2R ，这作为非典型同相配置的例子，而不是威尔逊TFA 。

当然如果o R 为ΩM 级，但2,1R 只有数ΩK ，那么，11R R ≅，12R R ≅。

对于我们的电路，o R 为几百ΩK ，因此增益误差是可以预期的。

输出阻抗也影响由RR 改进型TFA 的直流增益，直流增益表达式如下：（8）（9）（10）式子（8）- （10）可知，我们改进型TFA的增益可以预期比那些威尔逊TFA还要不准确。

R足够大，增益误差可以减少。

但是，如果o图3 表示各放大器输出阻抗和寄生电容（a）威尔逊TFA （b）改进型TFA表I 各种放大器的零极点位置三、其他TFA应用的正如前面提到的，威尔逊TFA可以作为一个积分器，更确切应用是作为一个反相积分器。