（电路与系统专业论文）基于cccⅡ的电流模式滤波器的研究及设计.pdf

幕于c c c i i 的电流模式滤波器的研究 摘要 运算放大器作为有源器件的滤波电路，人们已经十分熟悉，而由电 流传送器构成的滤波器却较为陌生。电流传送器电路，在无论大小信号 的情况下，都能比相应的运算放大器提供在更大带宽下更高的电压增益， 亦即更大的增益带宽积。其独特的电流传输特性使它成了电流模式v l s i 电路中最基本的积木块。由电流传送器构成有源器件的电路系统，在简 化结构、降低功耗、扩展频域等方面有很好的作用，其构成的滤波器、 放大器、振荡器等电路开始在移动通讯，测量领域受到重用。 电流模式设计方法在近十几年来得到了重视和发展，并把模拟集成 电路推进到了一个新的阶段。电流模式电路已经成为速度快、频带宽、 线性好、电压低的新兴模拟集成电路的分支，具有广阔的发展前景。 本文主要研究基于电流控制传送器的电流模式滤波器集成电路设计 及其应用，首先阐述模拟集成电路在当代社会中的重要性和集成电路研 究的必要性，然后介绍电流控制传送器的发展历程，深入分析双极型b j t 管和c m o s 管的模型结构以及几种电流控制传送器的原理及性能；从电 流控制传送器的拓扑结构入手，以应用双极型b j t 管工艺的典型原理电 路图为基础，仿真分析电流控制传送器的工作原理。尽量地全面归纳以 电流控制传送器为有源器件的有源网络模拟电路、模拟信号处理电路， 在借鉴国内外最新研究成果的基础上，提出并设计了两种电流模式滤波 器：一种是基于c c c i i 的双二阶滤波器，该电路在不改变电路拓扑结构 的情况下，选择不同的电抗，能实现八种不同的全通滤波电路：另一种 是基于c c c i i 的三输入三输出电流模式滤波器，该电路在不需要改变电 路拓扑结构的情况下，能同时实现低通、高通、带通、带阻或全通多种 滤波功能，并且滤波器的特征频率c o o 和品质因数q 可实现独立调节、很 低的无源灵敏度、低功耗。这两种滤波电路均能实现滤波器参数的电调 谐，具有易于集成等优点。本文中所有的设计实例都经过了p s p i c e 仿真， 仿真结果与理论分析基本吻合。最后做了全文的总结和展望。 关键词：电流控制传送器：电流传送器；模拟集成电路；有源滤波器 i i 高校教师硕j ：学位论文 a bs t r a c t a sa c t i v ec o m p o n e n t so ff i l t e rc i r c u i t s ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r sh a v e b e e nf a m i l i a rt ou s ，b u tt h ef i l t e r sc o m p o s e db yc u r r e n tc o n v e y o r sa r e r e l a t i v e l ys t r a n g e c o m p a r e dw i t hc o r r e s p o n d i n go p e r a t i o n a la m p l i f i e r ， r e g a r d l e s s o fs i z es i g n a l ，c u r r e n tc o n v e y o rc i r c u i t sc a no f f e r ah i g h e r v o l t a g eg a i nu n d e rl a r g e rb a n d w i d t h ，t h a t st os a y ，l a r g e rg a i nb a n d w i d t h p r o d u c t b e c a u s eo fi t su n i q u ec u r r e n tt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c ，c u r r e n t c o n v e y o rc i r c u i t sh a v eb e e nt h eb a s i cb l o c ka m o n gt h ec u r r e n t - m o d ev l s i c i r c u i t t h ec u r r e n tc o n v e y o rc o n s i s t e do fa c t i v ec o m p o n e n t sc i r c u i ts y s t e m h a sp l a y e dav e r yg o o dr o l ei ns i m p l i f y i n gs t r u c t u r e ，r e d u c i n gp o w e r c o n s u m p t i o na n dd e v e l o p i n gf r e q u e n c yd o m a i ne t c t h ec i r c u i t se m b r a c i n g f i l t e r s ，a m p l i f i e r sa n do s c i l l a t o r sb a s e do nc u r r e n tc o n v e y o r sh a v eb e e np u t i nav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dm e a s u r ef i e l d i nr e c e n t l yt e ny e a r s ，d e s i g nm e t h o do fc u r r e n tm o d ec i r c u i th a sg o t m o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dd e v e l o p m e n t ，w h i c hh a sp r o m o t e da n a l o g i n t e g r a t e dc i r c u i ti n t oan e ws t a g e c u r r e n tm o d ec i r c u i th a sb e c o m et h e b r a n c ho ft h en e wa n a l o g u ei n t e g r a t e dc i r c u i tw i t hr a p i ds p e e d ，w i d e f r e q u e n c y ，g o o dl i n e a ra n dl o wv o l t a g e ，a n dh a saw i d ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fi n t e g r a t ec i r c u i tb a s e d o nt h es e c o n dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o r ( c c c i i ) f i r s t l yi t g i v e sa no v e r v i e w o ft h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo ft h er e s e a r c ho f a n a l o g yi n t e g r a t e dc i r c u i ti np r e s e n ts t a t e t h e n ，t h ed e v e l o p m e n to fc c c i i ， t h em o d e lo fb i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ( b j t ) a n dc m o st r a n s i s t o r ，t h e b a s i cc i r c u i tu n i t ss u c ha sc u r r e n tm o d e sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d w i t ht h e t o p o l o g ya n dc i r c u i t ，d i a g r a mo ft y p i c a lt h e o r y ，t h ep r i n c i p l ea n df e a t u r eo f t h ec c c i ia r ea n a l y z e d t h ea p p l i c a t i o n so ft h ec c c i ii nt h ef i e l d so ft h e a c t i v en e t w o r ka n ds i g n a lp r o c e s sa r es y n t h e s i z e d i na d d i t i o n ，r e a l i z a t i o n o f a n a l o g u e d i v i d e ra n do s c i l l a t o ru s i n gc c c i ii si n t r o d u c e d w i t h i n t e r n a t i o n a l l yl a t e s ts t u d i e s ，t h ep a p e ra l s op r o p o s e st h ed e s i g no ft h et w o c u r r e n t m o d ef i l t e r s ：o n ei ss e c o n d o r d e ra l lp a s sf i l t e rb a s e do nc c c i i ， w h i c hc a nr e a l i z ee i g h td i f f e r e n tt r a n s f e rf u n c t i o n gb ys e l e c t i n gr e a c t a n c e w i t h o u tc h a n g ei t st o p o l o g y t h eo t h e ri sac u r r e n tf i l t e rb a s e do nc c c i i i l l 基于c c c l l 的电流模式滤波器的研究 w i t ht h r e e i n p u t sa n dt h r e eo u t p u t s ，w h i c ha r ec a p a b l et op e r f o r mt h e f u n c t i o n so fs e c o n d o r d e rl o w p a s s ，h i g hp a s s ，b a n dp a s s ，b a n ds t o p ，a l lp a s s f i l t e r i n gw i t h o u tc h a n g i n gt o p o l o g yo fc i r c u i t s t h en a t u r a lf r e q u e n c ya n d t h eq u a l i t yf a c t o ro ft h ef i l t e rc a nb et u n e di n d e p e n d e n t l y b o t ho ft h e f i l t e r sa r ee l e c t r o n i ct u n a b l ea n di n t e g r a t e dc o n v e n i e n t l ya n dc o m p a t i b l e w i t hv l s it e c h n o l o g y p s p i c es i m u l a t i o nr e s u l t so fp r o p o s e df i l t e rc i r c u i t s a r ea l m o s ti d e n t i c a lw i t ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s f i n a l l yt h e r ei s a c o n c l u s i o na n dp r o s p e c tf o rt h i sp a p e r k e yw o r d s ：c u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o r ；c u r r e n tc o n v e y o r ；a n a l o g i n t e g r a t e dc i r c u i t ；a c t i v ef i l t e r i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：铷1 日期：m 肿r 年肛月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口o ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：笮知 导师签名：锄 日期：加一年俗月9 日 日期：纱妒i 胡尹日 高校教师硕l - 学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 在当代社会，信息这个词高度概括了我们这个社会的现代化特点，在社会的 信息化程度快速提高的过程中，集成电路( i c ) 芯片不可代替的作用也越来越明 显。从家用电器到b 超、雷达、互联网和人造卫星等，芯片都被广泛应用，其应 用几乎无处不在，甚至植入人体的芯片也进入了实验阶段。集成电路的设计规模 已从数万门上升到数十万门至上千万门。在1 9 5 9 年设计出来的第一个集成电路只 有4 个晶体管，而现在，一个如芝麻般大小的集成电路芯片上不仅集成了成千上 万个甚至上亿个晶体管，而且有着十分强大的功能，是现代高科技的结晶。4 0 多 年来集成电路技术经历了小规模阶段( s s i ) 、中规模阶段( m s i ) 、大规模阶段( l s i ) 、 超大规模阶段，目前已进入特大规模阶段( u l s i ) 。集成电路产业将是世界未来经 济的重要支柱产业，目前，全球的集成电路的市场规模约在一千三百亿到一千五 百亿美元。目前我国的芯片产业还不是十分的发达，国内芯片的年需求量的百分 之八十依靠进口，芯片的设计也仅占整个行业的百分之一。因此，为了振兴我国 的芯片产业，必须开发一批拥有自主知识产权的各种应用集成电路。 由于一个芯片上集成的元件数可多达数亿个，在超大规模或特大规模集成电 路中，模拟电路和数字电路共存于一块芯片上很普通。出于集成了大量的门电路， 因此减少电路的功耗就成为一个重要的课题。对于数字电路部分，降低电源电压 就意味着降低功耗，而对于模拟电路，并没有那么简单，这样就给模拟电路的设 计提出了新的挑战。 在电子电路中，尤其是在模拟电路中，人们长久以来习惯于采用电压而不是 电流作为信号变量，并通过处理电压信号来决定电路的功能。依次促成了大量电 压信号处理电路或称电压模式电路的诞生和发展。自从1 9 6 5 年第一片商用电压模 式集成运算放大器问世以来，更加确定了以电压模式运算放大器为标准部件的模 拟网络在模拟信号处理中的主宰地位，并获得了广泛应用。然而，在电压模式电 路中人为地设置了多个高阻抗节点，虽然限制了总的电流消耗和提高摆幅，但严 重影响了电路对高频和高速信号的处理能力，成为电压模式模拟电路发展中的一 个难题。虽然以电压模式运算放大器为标准部件的模拟网络在模拟信号处理中一 直处于主宰地位。 但是，随着被处理信号的频率越来越高，电压型运算放大器的固有缺点开始 阻碍它在高频、高速环境中的应用。电压型运算放大器的缺点之一是，它的3 分 基于c c c i i 的电流模式滤波器的研究与设计 贝闭环带宽与闭环增益的乘积是常数，当带宽向高频区域扩展时，增益成比例下 降( 即增益带宽积为常数) ：缺点之二是，它在大信号下输出电压的最高转换速率 很低，一般只有0 2 v u s - - - 2 0 v u s 1 1 ，【2 1 【3 1 。这些固有缺点阻碍了电压型运算放大器 在高频、高速环境中的应用。 近二十年来，以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优势逐渐被 认识并被挖掘出来，促成了一种新型电子电路一一电流模式电路的发展。人们发 现，电流模式电路可以解决电压模式电路所遇到的一些难题，在速度、带宽、动 态范围等方面获得更加优良的性能。研究结果显示，在高频、高速信号处理领域， 电流模式的电路设计方法正在取代电压模式的传统设计方法，电流模式电路的发 展和应用将把现代模拟集成电路推进到一个新的阶段。而且，随着通信、计算机 特别是超大规模集成电路技术的飞速发展，电流模式电路技术作为一种重要的， 具有很大发展潜力的模拟信号处理技术，引起了国际学术界的极大关注，并迅速 成为国际电路与系统、微电子学、计算机科学和信息科学等领域的前沿课题和研 究热点之一。 与通常的电压模式电路相区别，所谓电流模式电路是指电路的主要变量是以 电流而不是以电压形式来表述。电流模式电路作为一种重要的模拟电路在许多年 以前就已出现，但是长期以来，人们似乎总是喜欢从电压而不是从电流的角度来 考虑问题。微电子技术的发展，使得象电压运放等压控i c 基本积木块及其电路得 到广泛地研究和使用，从而加强了人们头脑中电压主宰世界的认识。然而在实际 问题中，却常常要求模拟电路系统具有良好的电流信号处理能力，许多宽带电路 即是把电流而不是电压作为有源参量【7 l 【钔。此外，在长期的实践中，人们发现对 于某些电路问题，以电流模式技术进行处理比用传统的电压模式技术具有更多的 优点。另外，近年来随着v l s i 技术的突飞猛进，整个电子系统的数模混合集成已 成必然。随着v l s i 工艺尺寸进入( 深) 亚微米区，高集成度导致高功耗，小尺寸 将使得器件内电场强度增加，影响m o s f e t 工作，为适应这一变化和绿色环保工程 的发展趋势，工业界提出了将电源标准从5 v 降到3 3 v 甚至更低。这样一来，v l s i 系统模拟电路中的电压动态范围、电压运放等都将受到影响。而电流模式电路， 由于工作在电流域，因此v l s i 电源标准的降低对其信号动态范围影响不大。此外， 电流模式电路还具有电路结构简单、频带宽和寄生电容影响小等特点，从而为高 速度、高密度和低功耗数模混合集成电路系统的v l s i 实现提供了一条新的途径。 迄今为止，对电流模式电路这个术语还没有形成一个统一的、严格的定义。 一般来讲，电流模式电路可以定义为：当选用电流而不是电压作为电路中的信号 高校教师硕十学位论文 变量，并通过处理电流变量来决定电路的功能时，称为电流模式电路。而电路中 的电压信号和电流信号总是彼此关联、相互作用的，任何处理电流信号的电路必 然会产生内部电压信号摆幅。但是，作为电流模式电路，电路的功能取决于电流 信号的处理结果，而那些内部电压信号摆幅应尽量减小，因为它们对电路的功能 不起决定性作用。相反，当选用电压而不是电流作为电路中的信号变量，并通过 处理电压信号决定电路的功能时，称为电压模式电路。电压模式电路中同样存在 一定摆幅的电流信号，但是电路的功能取决于电压信号而不是电流信号n 们。 电流控制传送器是由f a b r e 在1 9 9 5 年提出的。由于它结合了电压和电流模式 两者的长处具有比运放更通用、更灵活的特性，所以能使高性能的i c 实现成为可 能，从而向传统的电压运算放大电压技术提出了新的挑战。由电流控制传送器构 成的电流型有源器件通常有四端浮地零器，电流反馈放大器等。用电流输出型有 源器件构成的电路和系统，在简化结构，降低功耗，扩展频域等方面具有明显优 势，m o s 集成电路技术的发展，推动着新型电流输出型器件的研究进展1 6 j 。 1 2 国内外研究状况 电流模式电路的发展近年来主要集中在模拟电路领域，同时在电流式接口电 路( 刖d ，d a 变换器) 和数字电路( 逻辑门电路、触发器、存储器) 方面也有一 些研究成果，如电压模式电路一样，电流模式标准集成部件主要有两种类型，一 种是连续时间的模拟信号处理电路，另一种是离散时间采样的模拟信号处理电路。 电流模式连续时间模拟电路主要包括静态电流镜、跨导线性电路、电流传送器、 电流反馈运算放大器( 跨阻运算放大器) 、跨导放大器等。电流模式离散时间模拟 电路主要有动态电流镜和开关电路。其中电流传送器、电流反馈运算放大器和跨 导放大器，严格地讲应该属于电流模式电压模式混合电路，但是，其中的电流模 式部分是主要的，对电流性能起主要作用，故把它们归入电流模式电路。 电流传送器是目前电流模式电路中使用最广泛、功能最强的标准模块，它能 和其它电子元件组合成各种特定的电路结构，实现多种模拟信号的处理。同时， 由于电流传送器不但有电压输入端，而且有电流输入端，因此它能实现电压模式 电路也能实现电流模式电路。电流传送器无论在信号大小的情况下，都能比相应 的运算放大器提供更大带宽下更高的电压增益，因此有些学者预言它将会取代运 算放大器而成为最重要的电路设计模块。c m o s 工艺由于具有输入阻抗高、功耗 低、集成度高、占有芯片面积小、抗辐射能力强等特点，正日益成为最广泛应用 的集成电路设计工艺。目前，应用c m o s 工艺设计电流传送器引起了越来越多研 究者的关注，现在已经有许多性能优越的电流传送器( 如p a 6 3 0 p a 6 3 0 a 、a d 8 4 4 等) 实际应用于滤波器、振荡器、测量仪器等设计中。但电流传送器也有其不完 基于c c c l i 的电流模式滤波器的研究与设计 善的地方：不同形式的c c i i 内部电路在x 端产生不同大小的寄生电阻( p a r a s i t i c r e s i s t a n c e ) ，这就大大的影响了传输特性。而第二代电流控制传送器( c c c i i ) ，则 有效的利用了其x 端的寄生电阻值，用偏置电流控制x 端的寄生电阻值，有效的 提高了频响，降低了功耗1 9 】1 3 2 1 。 虽然电流传送器已有2 0 多年的历史，然而在商业应用方面，电流模没有像其 理论的发展一样得到优越的发展。纵观现行通用放大器领域，能够发掘电流模技 术潜力的芯片少得可怜。有学者认为，早在电流模电路刚被发现出来时，电压模 电路是普遍运用的，这就必然导致了电流模电路一问世就面临着兼容的问题，给 电流模技术的发展提出了很大的挑战。时至今日这个挑战甚至变成了无法向前逾 越的鸿沟，这不得不使我们重新对电流模电路进行认识和研究。 本人在近年对电流模式电路不断学习和研究的基础上，广泛收集国内外最新 资料。了解了电流模式电路发展的大致动态。故在本文中主要阐明了各种电流传 送器、电流控制传送器的基本概念、性能特色和应用原理，推荐国内外在该领域 的优秀研究成果；揭示其广泛的应用潜力和巨大发展前景：同时提出了电流控制 传送器作为有源器件的有源网络元件模拟电路、模拟信号运算电路，设计了几种 电流控制传送器的双二阶滤波器。 1 3 本文的内容安排 本文研究电流控制传送器及其滤波电路的原理和设计。首先介绍了模拟集成 电路在当代社会中的重要性和集成电路研究的必要性；从电流传送器的拓扑结构 入手，在给出其模型电路的基础上，分析了电流传送器、电流控制传送器的工作 原理。全面归纳和提出了电流控制传送器作为有源器件的有源网络元件模拟电路、 模拟信号运算电路，并重点分析了一种基于电流控制传送器的振荡器电路；在借 鉴国内外最新研究成果的基础上，提出并设计了两种电流模式滤波器：一种是一 种基于c c c i i 的双二阶滤波器，该电路在不改变电路拓扑结构的情况下，选择不 同的电抗，能实现八种不同的全通滤波电路；另一种是基于c c c i i 的三输入三输 出电流模式滤波器，该电路在不需要改变电路拓扑结构的情况下，能同时实现低 通、高通、带通、带阻或全通多种滤波功能，并且滤波器的特征频率o 和品质因 数q 可实现独立调节：这两种滤波电路均能实现滤波器参数的电调谐，具有易于 集成等优点。本文中所有的设计实例都经过了p s p i c e 仿真，仿真结果与理论分析 基本吻合。 本文分为四个部分，分别用四个章节进行介绍。第1 章绪论部分介绍了电流 传送器发展概况和在电子行业中的重要意义：第2 章从各种电流传送器的拓扑结 构入手，说明了电流控制传送器的发展由来，并对双极型电流控制传送器和c m o s 电流控制传送器电路进行了分析；第3 章全面归纳了以电流控制传送器为有源器 商校教师硕士学位论文 件的有源网络元件模拟电路、模拟信号运算电路等基本的应用电路：第4 章在借 鉴国内外的最新研究成果的基础上，提出并设计了两种电流模式滤波器：一种是 基于c c c i i 的双二阶滤波器，该电路在不改变电路拓扑结构的情况下，选择不同 的电抗，能实现八种不同的全通滤波电路；另一种是基于c c c i i 的三输入三输出 电流模式滤波器，该电路在不需要改变电路拓扑结构的情况下，能同时实现低通、 高通、带通、带阻或全通多种滤波功能，并且滤波器的特征频率o 和品质因数q 可实现独立调节；这两种滤波电路均能实现滤波器参数的电调谐，具有易于集成 等优点。本文中所有的设计实例都经过了p s p i c e 仿真，仿真结果与理论分析基本 吻合。 基于c c c i i 的电流模式滤波器的研究与设计 2 1 引言 第2 章电流传送器的原理和应用 自从加拿大学者k c s m i t h 和a s e d r a 于1 9 6 8 年提出电流传送器( c u r r e n t c o n v e y o r ，简称c c ) 4 1 】，【4 2 】，【4 8 】以来。电流传送器被确认为具有多种功能且与运算 放大器相似的一种基本电路器件。在电流传送器刚被提出时，人们还不清楚它能 提供优于通用运算放大器的那些性能。加之当时电子工业刚开始致力于第一代单 片运算放大器的开发和应用。由于没有明显指出优越性，电子工业界缺乏推动实 现单片电流传送器的积极性。自从2 0 世纪4 0 年代末起，运算放大器的概念始终 牢固的树立在许多模拟市场电路设计者的思想中，同时集成电路制造商关心已经 开辟且正在扩展的运算放大器市场。2 0 世纪8 0 年代末出现了高性能的实际可用的 电流传送器，它在滤波、振荡、放大等方面开始获得应用，并且可以与运算放大 器相抗衡。时至今日，模拟电路的设计者们发现了电流传送器能提供若干优于通 用运算放大器的优点，特别是电流传送器电路，在无论信号大小的情况下，都能 比相应的运算放大器提供很大的带宽下的更高的电压增益，亦即更大的增益带宽 积。其独特的电流传输特性，使它成了电流模式v l s i 电路中最基本的积木块。由 电流传送器构成有源器件的电路系统，在简化结构、降低功耗，扩展频域等方面 有很好的作用，其构成的滤波器、放大器、振荡器等电路开始在移动通讯、测量 领域受到重用【l 。 目前电流传送器及其应用电路的开发研究引起集成电路设计者越来越多的注 意，现在市场上已出现了一系列电流传送器集成器件( 如a d 8 4 4 ，p a 6 3 0 ) 。有学 者预言，电流传送器这种器件将来会取代运算放大器成为最通用的标准器件p 引。 本章先介绍了零器和泛器的基本概念，接着归纳了电流控制传送器的发展由 来，介绍了电流传送器的基本概念及多种型式，阐明其在各方面的应用。主要内 容包括：介绍零器和泛器的基本概念，分析各种电流传送器、电流控制传送器的 端口特性和工作原理；重点分析了电流控制传送器的几种实现电路。 2 2n u l l a t o r 和n o r a t o r 模型 零器( n u l l a t o r ) 和泛器( n o r a t o r ) 是两个奇异网络元件，或称病态网络元件， 他们可用以近似的描述某些有源器件【1 6 1 。 零器是一个二端元件，其电压和电流均为零，即可用下式定义 “= 0 ，待0 ( 2 1 ) 高校教师硕1 ：学位论文 换而言之，零器支路既是短路，又是开路。零器的元件符号如图2 1 ( a ) 所 不o ( a )( b )( c ) 图2 1 零器，泛器，零泛器符号 泛器是一个二端元件，其电压和电流均可为任意值，故用下式定义。 “= 毛， j = k 2( 毛，k 2 为任意值) ( 2 2 ) 连接在电路中的一个泛器，其电压、电流由泛器之外的电路部分根据电路的约束 关系确定。泛器的符号如图2 1 ( b ) 所示。 单个的零器或者泛器，不能作为电路器件的模型，也不能等效表示电路模型 中的任何元件。然而，零器和泛器按一定方式结合，则可构成常用有源器件的模 型。在这些模型中，零器和泛器总是成对出现的，称为零器一泛器对，或者称为 零泛器( n u l l o r ) 。图2 1 ( c ) 为由零泛器形成的一个二端口网络，其端口电压， 电流关系完全由全零元的传输参数矩阵表示，即： 刳 ( 2 3 ) 零泛器有5 种有用的恒等关系，这些关系用文字表达为： ( 1 ) 零器和泛器的串联组合等同于一个开路： ( 2 ) 零器和泛器的并联组合等同于一个短路； ( 3 ) 零器与若干个阻抗的任意串并联组合等同于一个零器； ( 4 ) 泛器与若干个阻抗的任意串并联组合等同与一个泛器； ( 5 ) 两对零泛器的星形连接等同于一对( 四端) 零泛器； 零泛器模型在有源网络的分析和综合中是很有用的h 3 l h 5 1 。在以下的分析中， 将给出每一个积木块的零泛器等效模型。 2 3 电流传送器端口特性 电流传送器( c u r r e n tc o n v e y o r ，简称c c ) 是一个三端口的电流模式有源网 络，其x 端和y 端为输入端，z 端为高阻抗的电流输出端。另外一端为公共接地 端。不管其输出端外接任何元件，它都能把输入电流复制到输出端，故是以电流 摹于c c c l l 的电流模式滤波器的研究与设计 为控制变量的有源器件。相对于传统的电压模式的运算放大器来讲，电流传送器 具有较高的增益，较大的频宽和较高的精确度等优点【2 8 】，【3 4 1 ，一般来讲，电流传送 器都满足式( 2 4 ) 的矩阵，其中= 巧代表x 端和y 端的电压跟随关系；t = l 表示z 端电流和x 端电流的跟随关系，正负号用来区分正极型与负极型的电流传 送器；口等于0 或者l ，代表了y 端和x 端电流的比例关系。用来定义不同的电 流传送器。 川：口0 删 i - 易ji - 0 lo j l v z j ( 24 ) 根据其发展的先后顺序以及元件的端1 3 特性，电流传送器可分为第一代电流 传送器( c c i ) 、第二代电流传送器( c c i i ) 、第三代电流传送器( c c i i i ) ，以及第 二代电流控制传送器( s e c o n d - g e n e r a t i o nc u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o r ，简称c c c i i ) 。 对每一种电流传送器而言，根据其端口电流的流向，又可以分为正极型和负极型 两种类型。 2 3 1 第一代电流传送器( c c i ) s m i t h 和s e d r a 在1 9 6 8 年提出的第一代电流传送器是接地的三端口网络，即 四端器件【1 们，其符号表示如图2 2 所示。符号中的x 端和y 端是输入端，z 是输 出端，另一端是公共接地端。c c i 的输入输出特性可用如下式( 2 5 ) 混合矩阵方 程表示。式中各变量均表示总瞬时值。该方程表明，c c i 的x 端口电压跟随y 端 1 2 1 电压，y 端口电流跟随x 端口电流，z 端口电流也是跟随x 端口电流。方程中“+ ” 号表示电流在c c i 的x 输入端和z 端输出端都是流进传送器，两者极性相同，用 c c i + 表示：而“”号则表示x 端与z 端电流极性相反，用c c i 表示。 攻 y c c i z x 槲矿+ - - oolin纠+ 汜5 ， 高校教师硕1 二学位论文 示法，如图2 3 所示。其中，在z 端，受控源的箭头向下表示c c i + ，箭头向上表 示c c i 。显然，零器元件是用来表示在x 端和y 端之间所呈现的虚短路。在这种 表示法中，还包含了两个受控电流源，它们用来表明把x 端电流换到y 端口和z 端口 y z 图2 3c c i 的零泛器表示法 由以上分析可以看出，该器件的基本作用如下： ( 1 ) 如果有一电压作用于输入端y ，则在输入端x 呈现一相等的电压。如果 有一输入电流i 流进x 端，则有等量的电流流进y 端，同时，电流i 将被传送到 输出端z 。这样，使得z 端具有高输出阻抗和电流值为i 的电流源特性。 ( 2 ) 由y 端电压确定的x 端电压与流进x 端的电流无关；而由x 端电流确 定的流经y 端的电流也与作用于y 端的电压无关。因此，这种器件在x 端口具有 虚短路的输入特性，在y 端1 ：3 具有虚开路的输入特性【1 2 】，【13 1 。 2 3 2 第二代电流传送器( c c i i ) 为增加电流传送器的通用性，s m i t h 和s e d r a 在1 9 7 0 年对c c i 的特性加以改 进，提出了没有电流流入y 输入端口的第二代电流传送器，这个标准部件已被证 明比c c i 更为有用。其符号如图2 4 所示。c ci i 的端口特性可用下列矩阵( 2 6 ) 方程描述【2 3 1 。 巧 攻 l ， c c i i z x 刚嘲纠 ( 2 6 ) 该方程表明，c ci i 的y 端口的电流为零，x 端口的电压跟随y 端口电压，z 端口 基于c c c l l 的电流模式滤波器的研究j 设计 的电流跟随x 端口的电流。c ci i 与c c i 的区别是消除了y 端口的电流。由此可 见，y 是电压输入端，y 端口呈现的输入阻抗为无穷大：x 端是电流输入端，而 且x 端口电压跟随加于y 端口的电压， 输入端的电流传输到高阻抗的z 输出端， 因而x 端口呈现零输入阻抗；低阻抗x 即在z 端口产生一个可控输出电流，该 电流仅取决于艾端的输入电流，电流方向可相同也可相反，并以c ci i + 或c ci i 区分。显然，传输到z 端的电流可以直接由x 端注入，也可以由y 端的输入电压 变换产生。第二代电流传送器( c ci i 士) 端口的零泛器表示如图2 5 ( a ) 、( b ) 所 示。 y z y z ( a ) c c i i 的零泛器表示 ( b ) c c i i4 - 的简化零泛器表示 图2 5c c i i 的零泛器表示 2 3 3 改进的电流传送器 上述电流传送器( c c i 、c c i i ) 只有一个电流输出端，难以在实现电流反馈 的同时又获得高阻抗电流输出，因而不利于级联。同时，c c i 和c c1 1 只有一个电 压输入端，当需要用电流传送器对两个电压信号进行比较处理，即处理差动电压 信号时，单输入端就难以胜任了。为此，近年来一些研究者提出了多种改进型的 电流传送器。 ( 1 ) 双输出端c ci i ( d o c ci i ) 和多端输出电流传送器( m o c c ) 双输出端c ci i 是一个接地四端口器件，即五端器件。其电路符号如图2 6 所 示。符号中的x 、y 端分别是电流和电压输入端，z 和之是两个互补的电流输出端。 d o c ci i 的输入、输出端口特性可用混合矩阵方程( 2 7 ) 描述。该方程表明，d o c ci i 同时包含了c ci i + 和c ci i 的作用，其中x 、y 、z 三端组成c ci i + ，z 端输出电 流与x 端电流极性相同：x 、y 、之组成c ci i ，z 端输出电流与x 端电流极性相 反。 匕 攻 l ， z d o c c n x z 图2 6d o c ci i 符号 吃 哆 高校教师硕士学位论文 00 lo 01 o一1 o o 0 0 0o o 0 咋 l x 屹 矿 z ( 2 7 ) 在c ci i 的基础上通过改进得到了多端输出电流传送器m o c c ，其工作原理同 单c ci i + 和c c i i - 相同，它能等比例的输出多个正电流易和负电流毛。m o c c 的 电路符号如图2 7 所示，它含两类输出端：正输出端z 和负输出端z ，其端口特性 可用如下的矩阵式( 2 8 ) 来表示。 匕 攻 yz m o c c x z 图2 7i i o c c 符号 00 1 o 0l ol 0一l 01 0 o 0 o 0 0 ： o o o o ： 0 o 0 i l 屹 屹 ( 2 8 ) ( 2 ) 差动电压输入c c i i ( d v c c l i ) 差动电压输入c c i i 是一种接地五端口器件，即六端器件，其符号如图2 8 所 示。d v c ci i 符号中的y 1 、y 2 和x 是三个输入端，其中y i 、y 2 为两个差动电压 输入端，具有高输入阻抗；x 端是电流输入端，具有低输入阻抗，电流可以流进 或流出。z l 、z 2 是两个极性互补的电流输出端，都具有高输出阻抗。d v c ci i 的端 口特性可由矩阵方程( 2 9 ) 来描述。 攻 x z l x d v c c i i e z z 图2 8d v c c i i 符号 匕厶；岛；岛 基于c c c i i 的电流模式滤波器的研究与设计 0l oo 00 l0 一l0 一lo 0 00 0 00 0 00 0 00 o lx k l 巧2 匕。 吃2 ( 2 9 ) 该方程表明，输出电流i z l 、i z 2 跟随x 端输入电流，其中如l 与i x 极性相同， i z 2 与i x 极性相反；三个输入端的关系特性是：x 端电压跟随y 端差动电压，即 圪= 一巧：。由此，产生的输出电流有两种方式，第一种是直接向x 端输入电流， 传送到输出端。第二种是在y l 、y 2 端输入差动电压，此电压经外接在x 端的阻抗 产生相应的电流，再传送到输出端。 ( 3 ) 全差分电流传送器( f d c c i i ) 最近，为了改进混合模式电路的动态范围，发明了一种新的电流传送器，即 全差分电流传送器全差分电流传送器不仅输入阻抗高，而且具有很强的算术运 算能力。其端口特性和电路符号分别如式( 2 1 0 ) 和图2 9 所表示。 用c m o s 实现的m c ci i 已有大量报道【3 8 】，【4 6 1 ，1 9 9 9 年，c h a n g 和l e e 用n p n 和p n p 型晶体管实现了跨导线性改进型电流传送器1 2 1 1 。m c ci i 在电压型和电流 型滤波器设计和振荡器设计等领域获得了广泛应用。 l t 匕s 略 旷 上 i z i z 00 0o 1 0 0一l lll0 一llol o00 o o00 o k j e i r 3 f d c c u z 匕 一z ( 2 1 0 ) 图2 9f d c ci i 符号 2 3 4 电流控制传送器( c c c i i ) c c i i 自从1 9 7 0 年被提出以后，就被广泛的用来设计各种电流模式电路和电压 模式电路，例如电压放大器、滤波器以及信号处理电路等，但是在c c i i 的内部输 入电路的x 端有一个寄生电阻，其阻值约为几十至一百多欧姆，而传输特性并没 有考虑这个电阻，这样就导致了c c i i 的x 端电压与y 端的电压跟随无法达到理 l 2 3 4 r r j r 2 r z l f x 攻咚吃吩 高校教师硕- ：学位论文 想的程度，从而引起了基于c c i i 的传输函数产生误差，尤其在x 端外接电容时误 差较大；故f a b r e 等人利用双极型晶体管的线性互导( t r a n s l i n e a rl o o p ) 特性实现 了电流控制传送器( c u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o r ) ，其电路结构简单，提高了频响， 降低了功耗，从而使电流传送器的应用扩展到了电调谐功能领域，c c c l i 的电调 谐功能是由于x 端的寄生电阻由偏置电流控制而产生，c c ci i 的端口特性如图2 1 0 所示，其混合参数矩阵为式( 2 1 1 ) 。 巧 k 刚嘲纠 他 0000 1 r x 0 0 0 l 0o 0一l0 o k i x 屹 圪 屹 吃 ( 2 1 3 ) 图2 1 1c c ci i 的电路符号 理想c c ci i 的y 端和z 端阻抗为无穷大，x 端的阻抗为足，电调谐性是通过 偏置电流i b 控制寄生电阻尺，来实现，其零泛器表示如图2 1 2 所示。 基于c c c i i 的电流模式滤波器的研究与设计 y x 图2 1 2c c c i i 的零泛器表示 2 4 电流传送器电路实现 z 2 4 1c c i 的实现电路 由分立元件实现的第一代电流传送器( c c i ) 电路由s m i t h 和s e d r a 在1 9 6 8 年提出，其电路如图2 1 3 所示。假设图中的电阻r l 、r 2 与r 3 匹配，晶体管t l 与t 2 匹配以及t 3 、t 4 与t 5 匹配，且所有的晶体管都具有高的电流增益( 直流和 交流) ，则流过晶体管t l t 5 的电流均相等。这就迫使电路流过晶体管t i 和t 2 的