一種增益提升和擺率增強的運算跨導放大器
2020年電子技術應用第7期
吳鋒霖，李思臻，余 凱，章國豪
廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州510006
摘要： 為了解決傳統電流鏡運算跨導放大器(OTA)在低壓、低功耗條件下增益和擺率嚴重受限的問題，提出了一種基于互補翻轉電壓跟隨器(FVF)的運算跨導放大器，有效提升跨導和最大輸出電流，從而達到增益提升和擺率增強的目的。采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝進行設計和驗證。仿真結果表明，在1.8 V電源電壓下，與同等靜態功耗的傳統電流鏡OTA相比，提出的互補FVF型OTA增益提高了11 dB，單位增益帶寬提升了2倍，正、負擺率分別提升了6.7倍和6.1倍，比單FVF型OTA有更好的性能提升效果。
中圖分類號： TN432
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200079
中文引用格式： 吳鋒霖，李思臻，余凱，等. 一種增益提升和擺率增強的運算跨導放大器[J].電子技術應用，2020，46(7)：65-69.
英文引用格式： Wu Fenglin，Li Sizhen，Yu Kai，et al. An operational transconductance amplifier with gain boosting and slew rate enhancement[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(7)：65-69.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200079
中文引用格式： 吳鋒霖，李思臻，余凱，等. 一種增益提升和擺率增強的運算跨導放大器[J].電子技術應用，2020，46(7)：65-69.
英文引用格式： Wu Fenglin，Li Sizhen，Yu Kai，et al. An operational transconductance amplifier with gain boosting and slew rate enhancement[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(7)：65-69.
An operational transconductance amplifier with gain boosting and slew rate enhancement
Wu Fenglin，Li Sizhen，Yu Kai，Zhang Guohao
School of Information Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China
Abstract： The gain and the slew rate of conventional current-mirror operational transconductance amplifiers(OTAs) are seriously limited under low voltage and low power consumption conditions. To solve the problem, an OTA based on complementary flipped voltage follower(FVF) is proposed. By effectively increasing the transconductance and the output current, the proposed OTA improves the gain and the slew rate. The design and verification is performed under SMIC 0.18 μm CMOS process. The simulation results show that, at 1.8 V supply voltage, compared with the conventional current-mirror OTA which has the same static power consumption, the proposed OTA with complementary FVF improves the gain by 11 dB, enhances the unit gain bandwidth by 2 times, boosts the positive and negative slew rates by 6.7 and 6.1 times, respectively. The proposed OTA achieves a better performance than the OTA with single FVF.
Key words : operational transconductance amplifier；gain boosting；slew rate enhancement；low voltage；low power
0 引言
隨著集成工藝特征尺寸的減小和電池供電便攜式設備的普及，要求系統能在低壓、低功耗條件下工作。運算跨導放大器(OTA)作為模擬與混合集成電路中重要的基本模塊，廣泛應用于電源管理、數據轉換、開關電容電路等領域[1]。在多數應用中，高增益、寬帶寬、大擺率已成為各類OTA的共性追求[2-5]。
共源共柵結構能提高增益，但不適合低壓低功耗應用。多級放大器能實現增益、帶寬、擺幅等性能參數的折中，但存在結構復雜，穩定性差的問題[3]。傳統電流鏡OTA具有結構簡單，無需頻率補償，適合低壓環境等優點，但增益較低，且帶寬和擺率受限于偏置電流。盡管增大偏置電流可以提高帶寬和擺率，卻增加了靜態功耗和輸出噪聲，同時降低了增益導致精度下降[6]，因此如何在低壓低功耗條件下提升傳統電流鏡OTA的性能成為研究熱點。
本文首先分析了傳統電流鏡OTA的特性，研究限制其增益和擺率的因素；再討論文獻[7]和[8]提出的FVF型OTA，指出其優點和可改進之處；接著闡述本文提出的互補FVF型OTA的性能提升原理和設計考慮要點；最后對電路的仿真結果進行討論。
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作者信息:
吳鋒霖，李思臻，余 凱，章國豪
(廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州510006)
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