连续时间电流模式电流镜积分器非理想特性研究

　　1　引言

　　连续时间电流模式滤波器是进入90年代以来发展起来的一种全新概念的滤波器[1],因其具有频率范围宽、低失真、低噪声、大的动态范围、容易实现各种运算等明显的优越性而受到学术界的广泛关注[2～4],成为通信技术、信号与信息处理、电路系统、微电子学界研究的热点前沿课题。基于电流镜技术的连续时间电流模式滤波器是各种电流模式滤波器方案中最有优越性的一种方案。Sang Soon Lee等人于1991年提出连续时间电流模式差分输入、单端输出无耗积分器[5],之后,设计了42MHz的5阶梯型电流模式低通滤波器[6];1994年,凌燮亭教授等人对上述电流模式积分器及其所构成的滤波器进行了分析与模拟[7]。1996年,郭静波等人在上述国内外研究的基础上,提出了全差分式电流模式有耗积分器与无耗积分器[8],并用该积分器构成了全差分式电流模式双积分器滤波器与跳耦结构低通滤波器[9,10]。

　　以往对电流镜积分器或滤波器的研究都侧重于电路基本功能的实现,而忽视了其非理想特性的研究。实际上,电流镜积分器的非理想特性恰恰是制约电流模式电流镜滤波器性能的重要根源。本文对电流模式电流镜积分器的非理想特性进行理论分析,包括典型电路的高频特性、噪声特性与失真特性,推导出了相应的公式,并应用计算机仿真给予验证。该研究工作属连续时间电流模式滤波器理论研究的基础工作,对连续时间电流模式滤波器理论等的深入研究具有重要意义。

　　2　电流模式电流镜积分器组成原理

　　2.1　单端式电流模式积分器

　　2.2.1　单端式电流模式无耗积分器[5]

　　图1是单端式电流模式无耗积分器工作原理图,这里管参数的选择满足gm1=gm2,gm3=gm4。对该电路作简化小信号等效电路分析,有

　　2.2.2　单端式电流模式有耗积分器[8]

　　基本电流镜电路与栅源之间外接电容C便构成了有耗积分器,见图2。这是一个反相有耗积分器。设(W/L)2=A(W/L)1并且I2=AI1,gm2=Agm1。对图2电路进行简化小信号等效电路分析有

　　2.2　差分式电流模式积分器[9]

　　差分式电流模式有耗与无耗积分器原理如图3所示,其中τ= 1/ωc为积分器的时间常数,其输入输出关系分别为

　　3　电流模式电流镜积分器非理想特性分析

　　这里对具有代表性的单端式电流模式有耗积分器和差分式电流模式无耗积分器的非理想特性进行分析。

　　3.1　单端式电流模式有耗积分器的非理想特性

　　考虑了MOS管各种高频参数的反相有耗积分器的等效电路如图4a。这里的输入节点等效电容

　　Cin=C+Cgs1+Cds1+Cgs2