文章导读

电压跟随器和电流镜是模拟集成电路设计的核心模块，其性能直接影响信号处理系统的精度与能效。传统电压跟随器 (如共漏放大器) 存在输出阻抗高、带宽有限等问题，而翻转电压跟随器 (Flipped Voltage Follower, FVF) 通过引入局部负反馈显著降低了输出阻抗，但仍受限于输出摆幅小、转换速率低等挑战。在电流镜领域，传统结构常面临输入/输出阻抗不匹配、线性度不足等问题，尤其在低压场景下性能受限。

针对上述问题，来自墨西哥波萨里卡高等技术学院的Jaime Ramírez-Angulo教授等联合团队在 Journal of Low Power Electronics and Applications 上发表题为“Class AB Voltage Follower and Low-Voltage Current Mirror with Very High Figures of Merit Based on the Flipped Voltage Follower”的研究论文，提出了两种基于FVF的创新电路设计，旨在突破现有性能瓶颈，实现高效率、低功耗与高精度特性。

研究内容

高性能AB类级联翻转电压跟随器 (HP_CSCFVF)

• 动态电流增强：Msource在静态时仅消耗微小电流 (7 μA)，但在输出正电压瞬变时，通过电容耦合快速响应，注入大电流 (峰值达2.6 mA)，显著提升正摆率 (SR+达34.47 V/μs)，同时Msink管负责负向大电流输出 (峰值2.47 mA)，实现对称的转换速率。
• 带宽与输出阻抗优化：通过级联结构和RC补偿网络，输出阻抗低至2.11 Ω，带宽提升至14.6 MHz (较传统FVF提高4.2倍)，且输出摆幅扩展至接近电源电压范围。
• 能效指标突破：小信号性能指标FOMSS达46 MHz·pF/μW，电流效率FOMCE为118，综合指标FOMGlobal达73，均优于同类设计。

基于180 nm CMOS工艺的仿真结果显示，该电路在1.5 V电源下总静态功耗仅31.5 μW，且蒙特卡洛分析表明其对工艺偏差和温度波动具有强鲁棒性。

低压高性能电流镜像电路 (HP_CS_CM)

该电流镜通过辅助放大器与电平移位器的协同设计，解决了传统镜像电路输入阻抗高、输出阻抗低、线性度不足等问题：

• 输入/输出特性优化：输入阻抗低至0.212 Ω (较传统镜像降低105倍)，输出阻抗高达112 GΩ，输入/输出合规电压分别仅为0.15 V和0.2 V，适用于1 V超低压供电场景。
• 线性度与精度提升：通过辅助放大器 (增益Aaux=A2)强制匹配输入与输出管的漏源电压，将增益误差控制在0.01%以内，总谐波失真 (THD) 低至-60 dB (200 μA@1 MHz)。
• 带宽与功耗平衡：在5 μW静态功耗下实现144 MHz带宽，性能指标FOMCM (带宽/功耗) 达28.8 MHz/μW，优于现有文献方案。

瞬态响应与频率特性分析显示，该电路在10 MHz脉冲输入下无过冲，且蒙特卡洛分析验证了其参数稳定性。

研究总结

本文提出的两种电路基于翻转电压跟随器架构，分别针对电压缓冲与电流镜像场景实现了性能突破。AB类电压跟随器HP_CSCFVF通过动态电流增强和级联优化，在能效、带宽与输出范围上达到领先水平；低压电流镜像电路HP_CS_CM则通过辅助放大器与电平移位技术，显著降低了输入阻抗并提升了输出阻抗与线性度。两者均通过180 nm CMOS工艺仿真验证，展现出对工艺偏差的强鲁棒性，为低功耗、高精度模拟集成电路设计提供了创新解决方案。

原文出自 JLPEA 期刊

Ramírez-Angulo, J.; Paul, A.; Gangineni, M.; Hinojo-Montero, J.M.; Huerta-Chua, J. Class AB Voltage Follower and Low-Voltage Current Mirror with Very High Figures of Merit Based on the Flipped Voltage Follower. J. Low Power Electron. Appl. 2023, 13, 28. https://doi.org/10.3390/jlpea13020028

JLPEA 期刊介绍

期刊旨在发表低功耗电子方向的创新研究和重要成果。期刊范围涵盖的主题包括但不限于新兴电子器件和工艺技术、模拟、数字和混合信号 VLSI 电路、架构和系统设计、SoC 和嵌入式系统、能量采集和无电池系统、综合和优化工具，以及用于低功耗设计的 CAD 工具和方法。目前被 Scopus、ESCI 等数据库收录。

• 2024 Impact Factor: 1.8
• 2024 CiteScore: 4.3