（信号与信息处理专业论文）cdba及其构成的滤波器研究.pdf

i 摘 要 本文首先简单地介绍了电流模式电路现状及其特点， 并把电流模式电路与 电压模式电路做了简单的比较； 然后较系统地概述了电流差分缓冲放大器和电 流控制电流差分缓冲放大器的原理及其在模拟电路中的应用。 本文的主要创新 工作如下： 1) 设计了一种新颖的 cmos 电流差分缓冲放大器(cdba)， 其电路设计中 mos 管的宽长比不受限制，同时比现有的 cdba 电路模块在频率特性中的频 带宽度方面有了明显的改善。为了验证该电路的正确性，对该电路的端口特性 进行了理论分析和 pspice 软件仿真分析，并运用该模块搭建了一个多功能的 二阶滤波电路，仿真结果表明提出的电路是正确。这种 cdba 的高频模型在 电路设计中具有重要的意义； 2) 在已有的电流控制电流差分缓冲放大器(ccdba)电路的基础上提出了 n 阶电流模式通用滤波器电路，此电路结构简单，所有无源器件均接地且仅含 有电容，便于集成，同时具有固有频率 0和 q 独立调节、低灵敏度、低功耗、 多滤波功能等特点，并用 pspice 软件对此电路进行了计算机仿真，仿真结果 与理论分析是相吻合的； 3) 在已有的电流控制电流差分缓冲放大器(ccdba)电路的基础上提出了 n 阶电压模式多功能滤波器电路，此电路能实现高通、带通、低通和带阻滤波 器，而且结构简单，无源器件仅含有接地电容，同时具有固有频率 0和 q 独 立调节、很低的无源与有源灵敏度等特点，并用 pspice 软件对此电路进行了 计算机仿真，仿真结果与理论分析是相吻合的。 关键词：电流模式；电流差分缓冲放大器；电流控制电流差分缓冲放大器；滤 波器 ii abstract firstly，this paper simply introduces the development and characters of the current-mode circuit, and compares current-mode circuit with voltage-mode circuit; afterwards, it systematically introduces the principle of current differential buffered amplifiers (cdba) and current control current differential buffered amplifiers (ccdba) and their applications in the analog integrated circuit. the main achievements consist of as following aspects: 1) a new configuration for realizing cmos high frequency current differential buffered amplifiers is presented in this paper，compared with the existing cdba circuits, the proposed circuit in this paper has better frequency characters in bandwidth， and has not limit in the ratio of mos transistor width and length. in order to verify the circuit performance, theory analyzing and pspice simulating of the circuits port character have been done. a second order multifunctional filter is presented; all the results verified the circuits are right. this cdba model is provided with important significance in circuit design. 2) a configuration for realizing n-order current-mode universal filters based on existing ccdba circuit is presented in this paper. these filters proposed in this paper own many advantages, such as realizing multiple functions simultaneously, adjusting the natural angular frequency 0 and quality-factor q independently, lower sensitivities, lower power consumption，and all passive components only having capacitances are earthed, which is convenient for integration. at the same time, pspice simulation results verify their performance. 3) the paper proposes a configuration for realizing n-order voltage-mode multifunctional filters based on existing ccdba circuit. these filters not only possess low-pass, band-pass, high-pass and band-stop simultaneously, but also own many advantages, such as adjusting the natural angular frequency 0 and quality-factor q independently, lower passive and active sensitivities, and the passive components only have the earthed capacitances. at the same time, pspice simulation results verify their performance. key words: current-mode; current differential buffered amplifier; current differential buffered amplifier; filters 湘潭大学湘潭大学 学位论文原创性声明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： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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。本人授权湘潭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。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 1 页共 48 页 第一章 绪 论 1.1 引言 在当今信息社会中，集成电路工业作为战略性的基础工业，其技术水平和产 业规模已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。集成电路 工业在整个国民经济中具有战略性的地位。 集成电路工业对一个国家的综合国力有深远 影响和巨大推动作用。在知识经济时代，这种作用将特别突出。可以说谁把握了微电子 技术，谁就把握了未来，谁就能在未来世界的竞争中处于领先地位。正因为如此，使得 各国竞相发展，均将集成电路产业的发展作为重点。集成电路作为信息产业的核心，将 是中国未来经济发展的重要推动力。 自从 1958 年，美国德克萨斯公司试制了世界上第一块集成电路，1960 年， 小规模集成电路开始批量生产。作为微电子技术的集成电路行业，经过四十多年 的发展，集成电路技术不仅实现了产业化，而且经历了小规模、中规模、超大规 模和特大规模集成电路的发展阶段。 集成电路技术的进步以及电子系统集成的迫 切需求（即希望在单个芯片上集成尽可能多的信号处理功能） ，为模拟集成电路 设计开辟了广阔的天地。目前大部分商用集成电路芯片主要采用电压模式，但近 二十年来，电流模式电路的逐渐兴起更拓展了模拟集成电路在低电压、低功耗等 方面的发展空间。对于基本器件来说，滤波器设计是其在信号处理领域最基本和 最广泛的应用。 随着信息技术的不断发展和信息时代的步步逼近， 信号处理在现实生活中的 地位不断提高。 从某种意义上来说， 一个民族的经济发展程度、 一个国家的兴衰， 在很大程度上取决于它的信息处理能力。而在各种信号处理系统的设计中，滤波 器的设计乃重要之一环。一个信号处理系统性能的好坏，在很大程度上往往取决 于系统中滤波器的性能。因而，高性能滤波器的研究成为广大学者的热门话题。 尽管随着现代化的逐渐实现，数字化系统在各个领域中的比重将不断提高，而且 可以断定有着一日，它将占住统治地位。但是，绝大部分数字化系统在信号的获 取过程中， 及在进行了数字信号处理后， 都要涉及到相关的模拟信号处理。 因此， 模拟信号处理也是大多数数字系统中不可缺少的一部分。 可以说它们离不开模拟 滤波器的设计。 1.2 本文研究的目的和意义 在电流传输器出现之前的电子电路中，特别是模拟电子电路中，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，因此电压模式设计方法在模拟电子电路设计中占据主要地位。特别是在 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 2 页共 48 页 1965 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电路在模拟信号处理中的主宰地位。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。电压型运算放大器在有源网络和信号处理方面有两个缺 点：其一为它的3 分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；其二为它在大信号下输出电压的最高转换速率很低， 一般只有 0.2v/s20v/s1。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人们认识并被挖掘出来， 促进了新型电子电路电 流模式电路的发展。学者们发现，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31。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设计推进到一 个新阶段2。 到目前为止，各国的学者们提出了大量的电流模式有源器件：第二代电流传 输 器ccii(second generation current conveyors)31、 电 流 反 馈 运 算 放 大 器 cfoa(current-feedback opamps)32、电子可调的电流传输器 eccii (electronically controlled current-conveyor)、差分电压电流传输器 dvcc (differential voltage current conveyor)、差分差动电流传输器 ddcc (differential difference current conveyor)、第三代电流传输器 cciii (third generation current conveyor)、双输出 ota (dual output operational transconductance amplifier)、四端浮点零子 ftfn (four terminal floating nullor)等33-39，它们都有各自存在的优点，并在模拟滤波器 设计领域发挥了很重要的作用。在 1999 年 cevdet acar，serdar ozoguz 首次提出 了差分电流缓冲放大器(cdba)的电路模型，它综合了 ccii 与 cfa 的优点，非 常适合于电流模式方式以及连续时间滤波器的设计，同时因其输入为差分形式， 差分式电路能有效地抑制偶次谐波和共模干扰、 拓宽信号的动态范围使用其制成 的滤波器具有较好的失真特性， 而且这一电路模块同时具备了电流模式和电压模 式两种信号处理能力，是一个比 ccii 和 cfa 更灵活、更通用的积木块5。因此， 越来越多的学者开始关注这一新的有源器件。 与此同时在 2003 年 dalibor biolek 基于 cdba 的基础上提出了 cdta(差分 电 流 跨 导 放 大 器 )42， 它 是 四 端 口 的 电 流 输 入 电 流 输 出 器 件 。 它 是 cdba (current-differencing buffered amplifier) and ota (operational transconductance amplifier)的综合体。它比较适合设计阶梯状的模拟滤波器，但与 cdba 相比， cdta 的应用范围没有 cdba 广泛与通用，电流-电压-电流的转换它不可能通过 简单的改变外接 r 与 c 来实现，并且因为后段电路为类似 ota 模块的结构使得 它的驱动范围受到限制42-47。 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 3 页共 48 页 虽然电流差分缓冲放大器只有十多年的历史， 但是它引起了人们越来越广泛 的注意， 相信不久的将来会有更多性能更优越的基于电流差分缓冲放大器及其电 流控制电流差分缓冲放大器的集成电路产生。 人们预计电流模式模拟信号处理与 ic 设计技术的发展将会改变目前电压模式模拟信号处理统治 vlsi 的局面， 形成 与其共同发展、互为补充、互相兼容的新格局。 1.3 本论文的主要研究内容 1.3.1 cmos 高频电流差分缓冲放大器的设计 在参阅了大量 cmos 电流模式电路的基础上，提出了一个频率较高的 cmos 电流差分缓冲放大器，并对该器件的端口特性进行了理论分析和仿真，并 运用该电路设计出了一个电流模式二阶多功能滤波器并对这个滤波器电路进行 了计算机仿真，所有的仿真表明设计的电路正确。 1.3.2 基于 ccdba 的 n 阶电流模式多功能滤波器的设计 在参阅了大量电流模式与电压模式滤波电路的基础上， 提出了一种在不改变 电路结构，只控制输入端数目的基础上就能实现四种滤波功能的电流模式电路。 1.3.3 基于 ccdba 的 n 阶电压模式多功能滤波器的设计 提出了一种在不改变电路结构，只控制输入端数目的基础上就能实现四种 滤波功能的多输入单输出电压模式电路。 1.4 本论文的结构安排 本论文内容总体上分为四章： 第一章本章分为四节。 简要地介绍了本课题研究的现状及本论文研究的目的 和意义及本论文研究的主要工作等。 第二章本章分为两节。简要地介绍了电流模式电路及其性能特点与发展状 况，同时概述了电流差分缓冲放大器 cdba 及电流控制电流差分缓冲放大器 ccdba 的原理及应用，为后续章节的研究提供了理论指导。 第三章本章分为四节。提出了一种新颖的 cmos 高频电流差分缓冲放大器， 并对其进行了仿真试验验证，并利用该模块电路设计了一种二阶多功能滤波电 路。 第四章本章分为五节。 提出了一种基于 ccdba 的 n 阶电压模式多功能滤波 器和一种基于 ccdba 的 n 阶电流模式多功能滤波器，并进行了仿真试验验证。 最后给出全文的总结，并指出进一步的研究工作。 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 4 页共 48 页 第二章 电流模式电路与电流差分缓冲放大器 2.1 电流模式电路 2.1.1 引言 在模拟电子电路中，人们一直习惯采用电压作为信号变量，并通过处理电压 信号来决定电路的功能，由此促进了电压模式电路的诞生和发展。自从 1965 年 第一片商用集成运算放大器问世以来， 更加确定了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。但是随着处理信号的频率越来越 高，电压型运算放大器的两个固有缺点（即：-3 分贝闭环增益的乘积为常数； 在大信号下输出电压的最高转换速率很低） 阻碍了它在高频、 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，增益成比例地下降；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 0.2v/s20v/s1。 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，促进了电流模式电路的发展。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集成电路推进到 一个新阶段2。 对于什么是电流模式电路，迄今为止还没有一个统一的、严格的定义。因为 电网络的性能总是电压和电流相互作用、相互转换的结果。不过输入与输出信号均 是电流，整个电路中除含有晶体管节电压之外，再无其他电压参量的电路，称之为“严 格的”电流模式电路。一般地讲，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。在这里我们应该了解，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 摆幅应该尽量减小，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。 除此之外，“电流模式”与“电压模式”这两个术语还常用来划分具有不同类型 传输函数的电子系统（或子系统） ，即把电流传输函数描述的系统称作电流模式 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 5 页共 48 页 系统，电压传输函数描述的系统称作电压模式系统。 2.1.2 电流模式电路的性能特点 与电压模式电路相比，电流模式电路主要有如下特点： 1）阻抗水平有别 在各种实际电路中，电流和电压并非两个完全独立的变量，他们往往是相互 作用和转换的。 用电流模式方法和电压模式方法处理电路的实际区别仅表现在阻 抗电平的高低上。内阻很小的信号源被视为电压源，内阻很大的信号源被视为电 流源；理想电压放大器应具有无穷大的输入阻抗和零数出阻抗，理想电流放大器 应具有零输入阻抗和无穷大输出阻抗； 在低阻抗节点上的各电量之间的关系主要 表现为各电流量的代数相加。 2) 高频性能好 晶体管的高频性能取决于晶体管极间电容的大小。 电压放大器的高频性能除 了与晶体管的极间电容相关外， 还与放大器的电路结构有关。 例如， 运算放大器， 其开环-3db 带宽一般决定于电压增益高的放大级，这是因为其放大管的极间电 容 cgd和 cbc的米勒倍增效应非常严重。电流放大器则不同，理想电流放大器的 输入阻抗为零，所以不论电流放大器内部级与级之间的连接点，还是电流模式电 路系统中单元与单元之间的连接点都是低阻抗节点，不会产生大的时间常数，所 以电流模式电路的高频能力比电压模式电路优越。 3) 电源电压低，功耗小 为了提高集成电路的集成密度， 减小功耗， 降低电源电压将是一种必然趋势， 一般要求将集成电路的电源电压降低到 3.3v，甚至 1.5v。对于电压模式电路， 降低电源电压将直接降低其信号电压的动态范围。同时，电源电压降低，对于设 计高速度的电压模式电路也会更加困难。电流模式电路则不然，它可以在 0.7v1.5v 的低电源电压下正常工作， 保持电流信号在 nama （甚至 10pama） 数量级内变化。电流模式电路中最大电流和动态范围受晶体管允许电流的限制， 而不受电源电压降低的限制。 4) 速度高，频带宽 在电流模式电路中， 影响速度和带宽的晶体管极间电容工作在阻抗水平很低 的节点上。一方面，这些低阻抗节点上的电压摆幅很小；另一方面，这些节点上 的阻容时间常数很小，在大摆幅电流信号作用下，晶体管极间电容的充、放电过 程可以很快地完成。因此，电流模式电路大信号下的工作速度比电压模式电路快 得多。同时，由这些电容和节点低电阻决定得极点频率很高，工作频率可以接近 晶体管的 t f。 5) 适于并行运算 人工神经网络或神经计算机，是人们试图模仿人类大脑功能的新一代计算 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 6 页共 48 页 机。神经计算机实现有两种方式：一是从神经网络模型出发，用可编程处理器阵 列实现；一是用专业的硬件实现。后者要比前者快了一个数量级，所以人们便集 中于专用神经计算机硬件的研究与开发。然而，所有这些都要求用 vlsi 进行大 规模的并行处理。对神经网络来说，电流模式电路远比电压模式电路优越。这一 方面是由于许多神经功能自然涉及电流而不是电压，另一方面是在电路中，电流 的求和非常简单，只需把待加的电流源连接到一起即可，因而电流模式电路更加 适合于大规模的并行处理。 2.1.3 电流模式电路发展概况 电流模式信号处理方法和电路设计原理早在二、三十年前就已经被提出，例 如，k c smith 和 a s sedra 在 1968 年提出电流传输器原理；b gilbert 在 1975 年提出跨导线性电路原理。但是，随着近十年来集成工艺技术的进步，电流模式 电路才得到集成实现和迅速发展。 电流模式电路的发展近年来组要集中在模拟电 路领域，同时在电流模式接口电路（a/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。 与电压模式电路一样，电流模式电路也有两种类型：连续时间模拟信号处理 电路和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、电流传输器、电流反馈运算放大器（跨阻放大器） 、 跨导放大器等； 电流模式离散时间采样模拟电路主要有动态电流镜和开关电流电 路。 上述电流模式电路都是标准集成部件， 用它们可以进一步设计集成为电流模 式子系统和电流模式系统。例如连续时间滤波器、采样数据滤波器、a/d 和 d/a 数据变换器以及电流模式神经网络等。 促进电流模式电路发展的基本因素有两个， 即电路设计思想的革新和集成工 艺的进步。 首先是电路设计思想的革新， 用电流模式设计方法取代了传统的电压模式设 计方法。电流模式设计方法具有明显的优越性。第一，现有的主要电子器件（双 极型晶体管和场效应管）都是电流输出器件，它们的被控制量都是电流。如果用 电压变量进行信号处理， 必须在电路内部设置高阻抗节点， 进行电流电压变换。 相反如果以电流信号作为信息载体，则无须进行电流电压变换。不仅减小了元 件数目、简化了电路结构，而且避免了因引入高值电阻对电路工作速度和高频特 性的损害。第二，用电流变量可以方便地完成多种信号的运算功能。模拟电子技 术中的几种最基本的信号处理，如加/减、积分、倍乘等，用电流信号实现比用 电压信号实现要简单得多。例如，多个电流的加、减可以在一个低阻抗节点上直 接并联实现，电流信号的积分可以利用一个电容实现。因此，用电流作为信号变 量来设计模拟电路和系统，在提高速度、扩展频带、简化电路、减小功耗、减低 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 7 页共 48 页 电源电压等方面有巨大的潜力。 其次，电流模式电路的发展还依赖于集成工艺技术的进步。很多电流模式电 路的原理性设计在多年前就已经提出， 但只是在最近十几年随着集成工艺技术的 进步， 这些电路才得以集成实现。 集成工艺技术的进步主要体现在以下几个方面： 1) 真正互补电路成为可能，从而促进一系列电流模式电路的发展； 2) 成熟的 cmos 工艺能提供高品质的电容、 性能良好的开关， 且功耗极小， 在离散时间模拟集成电路的制造中是必不可少的； 3) 先进的 bicmos 工艺（即混合硅双极和互补金属、氧化物、半导体工艺） 将双极工艺的优点（高跨导、高速度）和 cmos 工艺的优点（低功耗）结合起 来，提供合适实现电流模式电路高速度和低功耗的工艺技术。有了真正互补工艺 很成熟的 cmos、bicmos 等工艺技术的发展，很多早年提出的电流模式电路得 到了实现，同时有更多的新一代电流模式电路和系统正在研制中。 2.2 电流差分缓冲放大器 2.2.1 引言 相比于电压模式信号处理技术，电流模式信号处理技术因它自身的宽带宽、 低电压、低功耗、简单实现方式的特点而受到国内外很多学者的关注。第二代电 流传输器(ccii)、电流反馈运算放大器(cfa)、基于电流镜的电路等是电流模式 电路基本的积木块。 其中第二代电流传输器(ccii)作为一个灵活、 通用的积木块， 在电流模式电路中一直占据着主导地位。1999年cevdet acar，serdar ozoguz提出 了一新的积木块电流差分缓冲放大器(cdba)，它综合了ccii与cfa的优点， 非常适合于电流模式方式以及连续时间滤波器的设计，同时因其输入为差分形 式，差分式电路能有效地抑制偶次谐波和共模干扰、拓宽信号的动态范围使用其 制成的滤波器具有较好的失真特性， 而且这一电路模块同时具备了电流模式和电 压模式两种信号处理能力，是一个比ccii和cfa更灵活、更通用的积木块。正是 由于电流差分缓冲放大器的这些优点， 电流差分缓冲放大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。 由电流差分缓冲放大器构成有源器件 的电路系统，在简化结构、降低功耗等方面有很好的作用，其构成的滤波器、放 大器、振荡器等电路受到越来越多的重视3-20。 电流差分缓冲发大器的端口特性可以看作是第二代电流传输器（ccii）和电 流反馈运算放大器（cfa）的综合，因此，在本章中首先了解一下ccii与cfa各 自的原理与优点，再对目前已提出的cdba电路及其应用进行一个总的概述。 2.2.2 第二代电流传输器和电流反馈运算放大器原理及应用 2.2.2.1 ccii原理及应用 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 8 页共 48 页 电流传输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。 将电流传输器与其他电子元件组合可以十分简单地构成各种具有特定功能的 电路结构，从而实现各种模拟信号处理。第二代电流传输器 ccii 是电流传输器 中最基本的一种有源器件，它的电路符号及零极子等效模型分别见图 2.1a)和图 2.1b)。 a) ccii 的电路符号 b) ccii 的等效模型 图 2.1 ccii 的电路符号及等效模型 第二代电流传输器的输入-输出特性在数学上可表示为如下混合矩阵方程： (2.1) 该方程表明：y 是电压输入端，y 端呈现的输入阻抗为无穷大(实际为 m 级)；x 端是电流输入端，而且 x 端电压跟随加于 y 端的电压，因而 x 端呈现零 输入阻抗(实际为几十)z 端输出的电流跟随 x 端的电流， 且具有高输出阻抗(实 际为 m级)。 由于 ccii 具有优越的特性和灵活的功能，因而很受国内外学者的青睐。已 广泛应用于放大电路、振荡电路、阻抗变换电路、滤波电路21-25等各种应用电路。 2.2.2.2 cfa 原理及应用 电流反馈运算放大器(current feedback operational amplifier，简称 cfa)又 称跨阻运算放大器，它是 20 世纪 90 年代初期迅速发展的新型超高速运放。与传 统的电压模式运算放大器，即电压反馈运算放大器(voltage feedback operational amplifier，简称 vfa)相比，它具有完全不同的拓扑结构和工作原理，是集成运 算放大器的新成果。基于日趋成熟的双极互补集成工艺及电流模式设计技术， cfa 具有极佳的动态特性，它线性地处理大幅度，高频率信号的能力远优于传 统的 vfa，而且，cfa 没有“增益-带宽积为常数”的限制。它的简化拓扑结构可 用图 2.2 表示，它主要由输入缓冲放大级，跨阻放大级和输出缓冲级组成。图 2.3 给出了 cfa 的代表符号，其中反相输入端(电流输入端)用“-”号表示，同相输入 端(电压输入端)用“+”号表示1。 0 1 0 0 0 1 0 0 0 = z x z x y v i v i v i y vz y x z ccii vx vy iy ix iz y z ix iz +：ccii+ -：ccii- 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 9 页共 48 页 图 2.2 cfa 简化拓扑结构图 图 2.3 cfa 代表符号 cfa符号中各电压，电流量之间的关系为 (2.2) 及 nzzo zizivv= (2.3) 电流反馈运算放大器在高性能视频系统，通信系统，高速精密a/d及d/a 领域有较高的应用价值26-28。 2.2.3 电流差分缓冲放大器(cdba) 2.2.3.1 cdba电路符号及其端口特性 cdba是一种四端口有源器件，图2.4为cdba的电路符号。p端与n端为 两个差分电流输入端；z端为电流输出端；w为电压输出跟随端。cdba的端口 特性的矩阵描述如式(2.4)所示： 1 0 0 0 0 0 0 0 1 = n z p z p n i v v i i v vp vn + - z i vz vo cfa 1 v v zi + - + - in vp vn 1 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 10 页共 48 页 = w z n p w z p i v i i v i n v v . 0100 0011 0000 0000 (2.4) 2.2.3.2 cdba电路实现方式 到目前为止，各国学者分别提出了各种不同的cdba模块的电路结构，总 体来说，根据所用元件类型主要可以分成以下三种方式：a)器件组合电路， b)cmos型电路，c)双极型电路。 a) 器件组合电路 1999年由cevdet acar，serdar ozoguz提出了cdba的第一个模块，由两个 集成cfa标准电流器件组成，它的实现方式如图2.5所示。其实现方法非常简 单，只需将两片cfa按照图2.5所示连接起来就能实现cdba的端口特性。此 种方法只是满足cdba的端口特性，它并不是一个独立的器件，因此不利于集 成5。 图 2.5 两 cfa 实现的 cdba b) cmos型电路 2000年，cevdet acar，serdar ozoguz又提出了一种新的cmos型电路实现 方式，即由差分电流控制电流源（dcccs）与电压缓冲放大器组成的cdba6， 它的实现方式如图2.6所示。随后，不少学者对此电路进行了一系列的简化，例 如省略mos管m3a，m4a，m5a，m6a和两个电流源，将得到一种简单的目前使 用的比较多的cmos型电路结构，它的实现方式如图2.7所示9，由图可知，它 完全由mos管组成，便于单片集成设计。有的学者还对电压缓冲部分的电路进 行一定的变化，但提出电路的基本结构还是不变。 iz iw + - z vw vp vn + - z cfa vz in ip n w z ip in vw vz p 图 2.4 cdba 的电路符号 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 11 页共 48 页 cmos型是目前相关cdba文献中引用最多的模块电路，它的仿真图如图 2.8所示， 其中“”表示 znp iii/ )(，“”表示 wz vv /，“”表示 p v，“” 表示 n v，“” 表示 z v。 根据图2.8可以看出此cmos型cdba电路的电流端口特性仅在1mhz 内满足式(2.4)，且因np,端寄生电阻产生的端口电压 p v， n v相对于 z v并不为零， 而且其值比较大。此电路设计的思想主要是利用cmos的近似跨导线性环原理 来实现两输入端电压为零，但此种近似方法的误差实际上比较大，而且其沟道宽 io io m2 m16 m1 m8 m10 m11 m132 m14 m15 m12 m5 m7 m9 m3 m17 m6 m4 m18 m20 m19 z n p w -vg2 vg2 -vg1 vg1 -vg1 vg1 m3a m4a m5a m6a 图 2.6 dcccs 构成的 cdba 实现电路 io io m2 m16 m1 m8 m10 m11 m132 m14 m15 m12 m5 m7 m9 m3 m17 m6 m4 m18 m20 m19 z n p w -vg2 vg2 图 2.7 简化 cmos 型 cdba 实现电路 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 12 页共 48 页 度必须满足一定的关系式，此电路结构还存在一定的缺陷。 c) 双极型电路 2002年，worapong tangsrirat等提出了用电流减法器与电压缓冲放大器 来实现cdba模块14，如图2.9所示，但它采用的是bicmos工艺参数，其工 艺较cmos工艺复杂些。 图 2.9 双极型 cdba 实现电路 2 1.5 1.0 0.5 1.0kh10khz 100khz1.0mh10mhz 频率(f/hz) 图 2.8 cdba 端口特性仿真图 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 13 页共 48 页 2.2.3.3 电流差分缓冲放大器的应用概述 由于电流差分缓冲放大器具有优越的特性和灵活的功能， 因而很受国内外学 者的青睐。在模拟信号处理电路的应用与运算放大器类似，包括电流/电压放大 器、电流/电压积分器、电流/电压加法器、电流/电压微分器等。电流差分缓冲放 大器还能够实现正弦振荡器。 电流传输器在模拟滤波器中的应用是现在国内外学 者们研究最多的，它与其他元件组合能实现许多不同功能的滤波器。以下列举一 些cdba电路的简单应用4。 表 2.1 cdba 常见运算电路 功能元件 框 图 数学表达式 电流跟随器 iout = iin 电压控制 电 流 源 r v i in out = 电压控制 电 压 源 = w z w z i u u i 01 00 电流控制 电 压 源 inout ivr= iin n w z p iout n w z p n w z p r iout vin vw n w z p vz n w z p iin vout r 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 14 页共 48 页 电压放大器 inz v r r v 1 2 = 电流控制 电 流 源 = 2 1 2 1 01 00 u i i u 负阻抗 转换器 = 2 1 2 1 01 10 u i i u 电流微分器 = 2 1 2 1 0 0 u u g g i i 电流积分器 =dt) t (i rc 1 i inout 电压积分器 =dttv rc v inout )( 1 n w z p r1 r2 vin n w z p 1 2 n z w p n z w p 1 2 n w z p n w z p g g 1 2 c n w z p vout vin n w z p iin iout r c 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 15 页共 48 页 电流加法器 iout=(iin1+iin2) 2.2.4 电流控制电流差分缓冲放大器 自从cevdet acar和serdar ozoguz在1999年提出cdba以来，cdba就被 广泛地应用于模拟电路的设计中。但是值得注意的是电流差分缓冲放大器 (cdba)的p端和n端存在寄生电阻而传输特性并没有考虑这个电阻，这就导致 了基于cdba的系统的传输函数产生误差。同时提出的电流差分缓冲放大器 cdba电路不具有电控性，即不能通过外加的偏置电流或电压来调整cdba的 参数，从而使得滤波器不具有电控性。 2004年worapong tangsrirat等 人 利 用 双 极 型 晶 体 管 的 跨 导 线 性 环 (translinear loop)特性实现了电流控制电流差分缓冲放大器(current controlled current differential buffered amplifiers)从而使电流差分缓冲放大器的应用扩展到 了电调谐功能领域29。ccdba的电调谐是因为p，n两端的存在的寄生电阻， 所以可以通过控制偏置电流从而达到控制ccdba标准器件的目的。在本节中， 首先介绍一下跨导线性原理。 2.2.4.1 跨导线性原理 “跨导线性”40(translinear)英国学者barri gelbert在1975年创造的一个新术 语， 这个术语给双极型集成工艺实现的一类电路一个新的命名， 即跨导线性电路。 对于双极型晶体管(bjt)，集电极电流ic与基射结电压vbe之间的关系是 它的核心关系。这种关系可以用两种方式来表达。第一种表达方式，用vbe作驱 动信号，ic作响应信号，则ic是vbe的指数函数，即 tbe vv sc eii / = (2.5) 式中：vt是热电压，在300k时其值约为26mv；is是饱和电流，它对温度 敏感，每提高1摄氏度is增加越9.5%，同时，is近似与放射区面积成正比。 第二种表达方式，用ic作驱动信号，vbe作响应信号，则vbe是ic的对数 函数，即 s c tbe i i vvln= (2.6) 对式(2.5)求微分，可以得到： n w z p iin1 iin2 iout 湘潭大学硕士学位论文 cdba 及其构成的滤波器研究 第 16 页共 48 页 t c t v v sm be c v i v eig dv di t be = 1 (2.7) 式(2.7)表明，理想bjt的跨导gm是集电极静态工作电流ic的线性函数， 这是由于ic与vbe之间具有对数关系的结果。在ic的pa数量级至ma数量级的 变化范围内，ic与vbe有严格的对数关系， 使得在同样大的工作电流变化范围内， gm与ic具有准确的线性关系。 在一个包含n个bjt基射结的闭合环路(简称tl环路)中，采用某种方法 使结正向偏置而导通，则结电压之和应等于零，即 = = n j bej v 1 0 (2.8) 图2.10给出了一个简化tl环路，它包含了四个pn结，每个pn结实际代