一种采用退化电流传输结构的35.2 kHz、75.4 dB的体驱动OTA（Over-The-Air）技术

《IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems》：A 35.2-kHz, 75.4-dB Bulk-Driven OTA Using Degenerative Current Tram Structure

本文基于退化电流传输与镜像（DI-Tram）电路设计了一种高性能体驱动OTA，在180nm CMOS工艺下实现39.1nW超低功耗，驱动20pF电容负载时达到35.2kHz GBW和75.4dB直流增益，同时CMRR超过117dB。

　　

摘要：

本文报道了一种基于退化电流转换与镜像（DI-Tram）电路的高性能运算跨导放大器（OTA）的设计。DI-Tram是高性能、体驱动（BD）型电压-电流（V/I）转换器的核心。所提出的OTA采用电流模式间接米勒补偿技术，提高了稳定性以及增益-带宽（GBW）产品的性能。该OTA采用180纳米CMOS工艺制造，在±0.2伏的电源电压下工作时功耗低至39.1纳瓦。该电路在驱动2×20皮法电容负载时，可实现35.2千赫的带宽、75.4分贝的直流增益以及超过117分贝的共模抑制比（CMRR）。

引言

运算跨导放大器（OTAs）在超低电压和低功耗模拟设计中具有重要意义，尤其是在传感器读出电路、医疗设备、可穿戴设备和植入式设备中[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。由于信号摆幅、线性以及固有增益和带宽的限制，设计能够在低于1伏的电源电压下有效工作的OTA一直是一个挑战。为了实现低功耗运行，文献中常见的方法是亚阈值偏置[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。在弱反相状态下，由于指数特性，晶体管能够获得较高的跨导比。这种方法在体驱动（BD）型OTA中已被证明是有效的，其中输入晶体管的栅极被偏置以在导电通道中形成反相层，而漏极电流则通过体效应调节体电压来控制[4]。设计用于超低电源电压（<0.5伏）的BD级可以实现宽输入范围的操作，包括轨到轨电压范围内的变化。这是因为当电源电压低于0.5伏时，体-源结的正向偏置不超过0.4伏，从而确保正向体电流保持在皮安级别。然而，与传统尾随式栅极驱动结构相比，BD电路的跨导通常较低[8]、[9]。这种限制是由于体跨导通常仅为栅极跨导的10%–20%[10]。较低的跨导比导致BD OTA的功率效率低于栅极输入OTA。这使得设计同时具有高增益-带宽（GBW）产品和高共模抑制比（CMRR）的BD OTA变得具有挑战性，这些性能指标需要与尾随式栅极驱动OTA相当。