（电工理论与新技术专业论文）电流控制传送器及应用研究.pdf

a b s t r a c t c u r r e n tc o n v e y o r ，a sac i r c u i tc o n l p o n e n tw h i c hh a sl o t so fc h a r a c t e f sa n dw o r k s a so p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，h a sb e e nw i d e l yu s e di na n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i tt h e s 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 d c o n v e y o r ， w h i c hi sd e r i v e df o mc u r r e n t c o n v e y o r ，h a sn o to n l yt h ec h a r a c t e r so fc u r r e n tc o n v e y o r ，b u ta l s ot h ec h a r a c t e r so f o t a t h ep a p e ra n a l y z e st h ef u n d a m e n t a lp a r tc i r c u i to fc u r r e n tc o n v e y o r ， t h ec u r r e n t m i r r o ra n dt h ev o l t a g ef b l l o w er a f t e ri n t r o d u c t i o no ft h et r a n l i n e a rl o o pp r i n c i p a l ，t h e b j tc u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o rh a sb e e nd e s i g n e db yu s i n gm i x e dt r a n l i n e a rl o o p v o l t a g ef o l l o w e r a sf o rm o d e mi n t e g r a t e dc i r c u i t ，t h em o d e lo fm o st r a n s i s t o r t h e a c t i v er e s i s t a n c ea n dt h ec u r r e n tm i r r o ri n t e g r a t e dc i r c u i tf o r m e db ym o st r a n s i s t o r a r ei n t r o d u c e d t h ec m o sc u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o rh a sb e e nd e “v e df r o mm i x e d t r a n l j n e a rl o o pc m o sv 0 1 t a g ef o l l o w e rb a s e do nw e a ki n v e r s i o no p e r a t i o n a f t e ra b “e fi n t r o d u c t i o na b o u tb i c m o st e c h n o l o g y ，t h ea d v a n t a g e so fb i c m o sc u r r e n t m i r r o rh a v eb e e na n a l y z e d a n dt h eb i c m o sc u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o rh a sb e e n d i s c u s s e d u s i n gc u r r e n tc o n t r 0 1 l e dc o n v e y o r s ，t h ed e s i g n so fa c t i v ec o m p o n e n t s ，f h n c t i o n c i r c u i t s ，n i t e r sa n do s c j l l a t o r sh a v eb e e ns y s t e m a t i c a yp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e c i r c u i t sa r en o to n l ye a s yt oi n t e g r a t e d ，b u ta l s oa d a p t a b l e i nt h el a s ts e c t i o n ，a st h e d e s i g nm e t h o d so fh i g h o r d e r c u r f e n t m o d ei n t e g r a t e df i l t e r s ，t h ee q u i v a l e n tc i r c u i t s a n dt h em u l t i l o o pf e e d b a c k s a r e s y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e d a n dan o v e l s y s t e m a t i c a l l ym e t h o d ，u s i n gl i n e a rc o m b i n a t i o na p p r o a c ht od e s i g nh i g ho r d e rf i l t e r ， h a sb e e np r o p o s e d t h ed e s i g n e df i l t e r sc a nb ea d a p t e db ya d j u s t i n gt h eb i a sc u r r e n t s ， w i t h o u tc h a n g i n gt h ep h y s i c a ls t r u c t u r e t h er e s u l t so ft h ee x 锄p l e sa n dp s p i c e s i m u i a t o rs h o wt h ea d v a n t a g e sa n da v a i l a b i i i t i e so ft h i sm e t h o d k e y w 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 ；t r a n l i n e a rl o o p ；c u r r e n tf i l t e r l l 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 他个人或集体己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： 日期细睁9 断 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 日吆矿咖 锄雠场州醐嘶 甄| 喈 只f 铲 硕士学位论文 第1 章绪论 自从s m i t h 和s e d r a 于1 9 6 8 年提出电流传送器( c c ：c u r r e mc o n v e y o r ) 以来， 电流传送器被认为具有多种功能且与运算放大器相似的种基本电路器件得到了 广泛的应用。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。 随着超大规模集成电路及其神经网络理论的发展，模拟电流模式信号处理电 路豹连续时间滤波器的研究得到了学术界豹高度认识。其主要原因是电流模式电 路比电压模式的电路有高速、宽带、高精度等一系列的优点，适于超大规模集成 电路技术实现，能获得更好的性能。其实，早在1 9 8 9 年，“电流模式信号处理” 专题就已经列入了i e e e 电路与系统国际会议的议题，成为模拟信号处理的重要研 究方向之一。毋庸置疑，在不久的将来，电流模电路必将改变目前电压模统治模 拟信号处理领域的局面，形成电流模与电压模优势互补、共存共荣的新局面。 1 1 模拟集成电路的发展 1 9 4 7 年美国物理学家肖克利和两位同事沃尔特布兰坦和约翰巴丁制作了一 个简单的器件，实现电流的控制与放大，这就是后来引发电子革命的“晶体管”。 1 9 5 9 年2 月，美国德州仪器公司的工程师基尔比将四个晶体管通过金属线连接在 了一起，这就是集成电路的雏形。在过去的几十年里，集成电路惊人地按照摩尔 定律指数发展，经历了从小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、 超大规模集成电路、甚大规模集成电路到目前片上系统芯片的发展过程。2 0 0 0 年 基尔比因发明世界上第一块集成电路，而获诺贝尔奖。 近几年，凭借巨大的市场需求、较低的生产成本、丰富的人力资源，以及稳 定的经济发展和优越的政策扶持等众多优势条件，中国集成电路产业取得了飞速 发展。中国成为了集成电路市场规模增长最快的国家之一，其增长率超过全球平 均增长率。在2 0 0 0 年到2 0 0 4 年的4 年间，我国集成电路产量和销售收入的年均 增长速度超过3 0 ，是同期全球最高的。2 0 0 4 年集成电路产量达2 l l 亿块，提前 一年达到“十五”计划的目标，销售额达到5 4 5 3 亿元，比2 0 0 3 年大幅增长 5 5 2 ，增幅比前一年提高了2 4 个百分点。中国集成电路产业规模在这4 年间扩 大了3 倍，其在全球集成电路产业中所占份额也由2 0 0 0 年的1 2 提高到3 7 。 与此同时i c 设计业在近几年取得了长足的发展。2 0 0 4 年设计业销售收入比2 0 0 3 年增长8 1 5 ，达8 1 5 亿元。由集成电路产业带动下的计算机、通信、消费类电 子、数字化3 c 技术的融合发展以及计算机国际互联网的广泛应用孕育了大量的 新兴产业，为我国国民经济的持续、快速发展注入了新的活力。 2 0 世纪6 0 年代初，用双极型工艺制成了第一个简单的集成放大器，成为模 拟集成电路发展的起点。6 0 年代后期，集成运算放大器、集成模拟相乘器和集成 锁相环路等处理模拟信号的主要功能电路相继达到实用要求并获得广泛应用。7 0 年代中期，制成高精度数模和模数变换器，为广泛利用数字技术处理模拟信号 创造了条件。随着信息技术及其产业的迅速发展，当今社会进入到了一个崭新的 信息化时代。微电子技术是信息技术的核心技术，模拟集成电路又是微电子技术 的核心技术之一，因而模拟集成电路成为信息时代的重要技术发展目标。 近几年来，模拟集成电路得到了飞速发展，其表现之一是使用m o s 器件的模拟 集成电路逐渐成为主流，改变了模拟集成电路主要使用双极型器件的局面。m 0 s 器件具有尺寸小、功耗低等优点，特别是它与数字电路的主流工艺兼容，这对系 统级芯片( s o c ) 的实现有重要意义。而m o s 器件的噪声大，工作频率低的缺点， 随着集成电路工艺和电路技术的进步，已有很大改观，完全可以满足一般电子系 统对性能的要求。 用有源电路替代电感在减小体积和降低成本方面具有潜在的优势，用电阻、 电容和晶体管构成的电路也可实现无源网络的频率特性。滤波器技术飞速发展， 出现了多种形式的全集成滤波器，代表性的有m o s f e t c 滤波器，跨导电容滤 波器、开关电流滤波器、基于电流传输器的滤波器、连续时间电流模式滤波器等。 目前，全集成滤波器朝着高频、低电压和低功耗的方向发展i l j 。 1 2 电流模式模拟电路 电压模式是以电压作为变量，在电压域处理信号。而所谓电流模式是指以电 流作为变量，在电流域处理信号。两种模式的电路对应的阻抗不相同，一般而言， 电流信号源具有高阻抗，电压信号源具有低阻抗；电流信号要求低阻抗的负载， 电压信号要求高阻抗的负载。在进行电路设计时，电压模式电路的关键节点应具 有高阻抗、在大摆幅电压信号下只有小摆幅的电流；而电流模式电路的关键节点 则应具有低阻抗、在大摆幅电流信号下只有小摆幅的电压。 在电子学发展史上，以电压为参数的电压模式电路一直占据统治地位，而从 事电子技术的广大科技入员也习惯于用电压模式电路去处理各种模拟信号。然而 电路中的电压信号和电流信号总是彼此关联、相互作用的，任何对电流信号进行 处理的电路必然会产生内部电压信号的摆幅变化。其实，电子运动的赢接结果是 形成电流，而电流流过电阻才形成电压，所以自然界的电流量并不少见，连构成 电子学基础的真空电子管、场效应晶体管和双极晶体管也都是电流输出器件。在 电流模式电路中，多个信号的输入可以直接施加于输入端进行相加，比处理电压 硕士学位论文 信号方便。然而对于信号的多个输出来说，由于负载分流的影响，将不如处理电 压信号来得方便。在许多情况下，由于信号的输出与反馈的要求，特别是在多回 路反馈拓扑的设计方案中，由于信号的输出与反馈，要求多个输出端是非常必要 的。 电流模式电路的高频性能好。以电压放大器为例，其高频性能主要由晶体管 极间电容大小以及其内部电路决定。运算放大器，其开环3 d b 带宽一般决定于电 压增高的放大极，这是因为其放大管的极问电容c 和c 的米勒倍增效应非常严重 之故。电流放大器则不然，理想的电流放大器的输入阻抗等于零，所以无论电流 放大器内部极与极之间的连接，还是在电流模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，所以电流模电路的高频能力比电压 模电路优越。 高速和低功耗是电流模式信号的最大特点。在电流模式电路中，晶体管极间 电容工作在阻抗水平很低的节点上，其阻容时间常数很小，在大摆幅电流信号作 用下，晶体管极间电容的充电和放电过程可以很快地完成。故电流模式电路在大 信号下的工作速度比电压模式电路快得多。此外由于电流模式电路中的最大电流 和最大动态范围仅受晶体管允许电流的限制，电流模式的电路可以在o 7 v - 1 5 v 的低压下正常工作。利用这一特性可以降低对应电路功耗。 适合并行运算。在使用v l s i 进行大规模的并行处理时，以神经网络为例， 许多神经功能自然地涉及电流而不是电压；而求和电路更加简单，只需把待加的 电流源接到一起即可。因此在大规模并行运算上，电流模式远比电压模式优越。 电流模式信号处理电路在速度、带宽、精度和功耗等方面比电压模式电路具 有更优越的性能，引起了人们广泛的关注。大量有关电流传送器( c u “e n t c o n v e y o r ) 、跨导运算放大器( o t a ) 、开关电流( s i ) 以及电流镜电路的文献， 不断见诸报道，在这些技术中，电流传送器尤以其独特的电流传输特性、良好的 高频性能、很强的通用性和灵活性而广泛应用于各种有源网络的实现和v l s i 中。 研究结果表明，在高频、高速信号处理领域中，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f 2 】。 1 3 电流控制传送器 1 9 6 8 年，加拿大学者s e d r a 和s m i t h 推出了第一代电流传送器( c c i ) j 。 之后于1 9 7 0 年他们又提出了第二代电流传送器( c c i i ) ，并提出改进后的双输出 的四端口c c i i + 。由第二代电流传送器c c i i + 综合实现的电流模式电路比电压 模式电路在带宽、线性度和动态范围方面具有更大的优越性。特别是电流传送器 电路，在无论信号大小的情况下，都能比相应的电压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。近年来，在为数众多的电流模式技 术中，第二代电流传送器( c c i i ) 以其通用性强精度高外接元件少等特点，已成 为电流模式v l s i 电路中最基本的单元电路之一。作为设计有源电路特别是有源 滤波器的基本器件和基本积木块，第二代电流传送器得到了非常广泛的应用，许 多最新研究成果均是以c c i i 为核心展开的。国内外学者对c c i i 电流模式信号处 理电路，尤其是电流模式滤波器的应用作了大量研究。对电流传送器的电路实现 的研究重点在于提高c c i i 的性能、功能扩展以及c m 0 s 实现等方面垆。随着 c c i i 广泛应用于电子工业、仪器仪表、航空航天、半导体工业、集成电路工业、 邮电通信、计算机、电气工程、机械工程等现代工业，并大大推动现代工业的发 展，推动电子工业和集成电路工业的发展，人们对c c i i 的传输特性有了新的要求。 作为基本的部件之一的电流传送器，其面临着许多急于改进和完善的问题。 1 9 8 9 年k p a l 提出的改进型电流传送器m o c c i i 有两个输出端，已被用于电流模 式电路综合等领域，但其电路较为复杂。1 9 9 4 年m 0 s c h y t z 等提出了可变增益 c c i i ，使电流具有放大功能。1 9 9 8 年何怡刚教授等人又提出了基于改进型的c c i i 的电流模式多功能二阶滤波器，其结构简单，且具有良好的性能。 由于第二代电流传送器( c c i i ) x 端寄生电阻的存在( 约为几十欧至一百多 欧) ，使x 与y 端的电压跟随无法达到理想要求，从而对电流传送器的传递函数 造成误差，给模拟集成电路设计带来了很大的不便。1 9 9 5 年af a b r e 等学者利用 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 c c i i ： c u r r e n t c o n t r 0 1 l e d c o n v e v o n 【1 4 l5 1 ，且电路结构简单，从而提高了频响，降低了功 耗。 自从电流控制传送器( c c c i i ) 概念提出后，国外很多专家学者对其进行了 研究，利用现代集成电路技术不断改进内部电路结构，完善其传输特性，降低功 耗。在电流控制传送器( c c c i i ) 应用上也充分利用其x 端电阻可调的特性完成 了一般功能电路和多种滤波器和振荡器的设计。电流控制传送器作为一个经典的 器件，其被广泛的运用到了很多模拟集成电路的设计，国内外研究的重点是电流 控制传送器的原理及其运用，特别是在滤波器中的运用，如：二阶和高阶滤波嚣， 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等，以及所设计的滤波器的物理性质。 1 4 本文内容安排 本论文是针对高速模拟集成电路的基本部件，电流控制传送器展开研究的。 阐述了电流模式集成电路的重要性，电流控制传送器电路设计研究的必要性和重 要性；介绍了电流传送器电路的发展状况；针对第二代电流传送器的内部结构的 电路原理进行了分析；通过跨导线性回路的原理改进第二电流传送器并引入了电 流控制传送器。并且讨论了如何利用c m 0 s 和b i c m 0 s 技术完成电流控制传送器 的设计。全面归纳了电流传送器作为通用性很强的积木部件，完成有源网络元件 硕士学位论文 模拟和模拟信号运算的应用，简单滤波器电路和振荡器电路的设计；介绍了等效 电路替代法和多环反馈法，提出了多项式线性组合法来设计高阶电流模式滤波器 的方法。 本文的内容主要分为五个部分，分别用五个章节进行论： 第一章绪论部分通过具体的数据介绍了本研究在电子行业中的重要意义；电 流模式模拟电路的优点和研究热点；电流传送器方面的运用概况及其缺陷：介绍 了电流控制传送器。 第二章，对电流传送器的发展进行了简要的叙述：分析了电流传送器的基本 电路模块；通过对模块的分析，引入了跨导线性原理完成了基于双极管的电流控 制传送器设计。 第三章，对m o s 晶体管的工作原理进行了简要的叙述，在讨论了有源电阻、 电流镜的实现方法以及利用m o s 晶体管的亚阈值特性完成混合跨导线性回路的 设计之后，介绍了基于c m o s 技术的电流控制传送器的设计；简单介绍了b i c m o s 技术，分析和比较了b i c m o s 镜像电流源的优点以及基于b i c m 0 s 技术的电流控 制传送器的设计。 第四章全面归纳了电流控制传送器为积木部件设计有源器件、各种运算器件、 滤波器和振荡器的方法，这些电路都适合单片集成。 第五章归纳和提出了基于电流控制传送器的高阶有源滤波器设计方法。详细 介绍了高阶电流模式滤波器，阐述了等效电路替代法和多环反馈法，给出了设计 的具体步骤；提出了多项式线性组合法，举例说明了采用该方法能在不改变物理 结构的情况下，实现滤波器的电调谐；采用p s p i c e 仿真结果表明在设计是完全符 合要求。 第2 章电流控制传送器( c c c i i ) 理论基础 电流传送器是电流模式模拟信号处理领域中很有用的部件之一，无论信号大 小，都能比相应的运算放大器提供在更大带宽下的更高电压增益，亦即更大的增 益带宽积【1 6 】。电流传送器被认为一种具有多种功能且与运算放大器相似的基本电 路器件，被广泛的应用在滤波、振荡、放大等方面的有源电路设计。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很多领域，特别是移动通讯，测 量中受到重用。 自从1 9 6 8 年加拿大多伦多大学学者s m i t h 和s e d r a 等人提出电流传送器( c c ： c u r r e n tc o n v e y o r ) 以来经过国内外学者的不断改进，出现了第一代电流传送器 ( 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( c c c i i ) 。 2 1n u l l o r 模型 t e l l e g a n 先生在1 9 5 4 提出理想放大器( i d e a la m p l i f i e r ) ，j h c a r l i n 在1 9 6 4 年用n u l l o r 这个名称代表理想放大器。n u l l o r 在许多方面，特别是线性与非线性 电路的分析与综合上有着广泛地应用。使用n u l l o r 模型分析电路，能使电路简化 为等效电路，更易于分析，进而使设计更为精简。n u l l o r 模型包含了零予( n u l l a t o r ) 和任意子( n o r a t o r ) 两种模型元件。 n u l l a t o r 模型用一个椭圆表示，其电气特性为对电流开路，而对电压短路， 即电压为零且电流也为零。显然n u l l a t o r 类似电压跟随器( v o l t a g ef o l l o w e r ) ，在 电路设计中，可用于表示复制电压并且隔绝电流的电路模块，模型如图2 1 中a ) 所示。 a ) n u l l a t o r 模型 图2 1n u l l o r 模型元件 坎士学位论文 n o r a t o r 模型用两个椭圆表示，其电气特性为对电流短路，而对电压开路，即 电压为零且电流也为零，此时电压与电流大小由元件所接入的网络决定。显然 n o r a t o r 类似电流跟随器( c u r r e n tf o i l o w e r ) ，在电路设计中，可用于表示复制电流 并且隔绝电压的电路模块，模型如图2 1 中b ) 所示。 根据电流的方向不同，可将n o r a t o r 分为正型( + ) 和负型( - ) 两种。正型 是指两端点电流同时流进或同时流出元件。负型则是指两端点一端流入电流，一 端流出电流。 n u l l a t o r 与n o r a t o r 两个模型一起组成了n u l l o r 模型，如图2 2 所示。从图2 2 可知= ，。= o ，输入与输出无关。 图2 2 n u l l o r 模型 n u l l o r 各端口变量关系如( 2 ，1 ) 式所示： 州- ， t ， 2 2 电流传送器 电流传送器( c u r r e n tc o n v e y o r ；简称c c ) 为三端口电流模式器件，x 和y 端 表示电流输入端，而z 端则为高阻抗电流输出端，z 端可以将输入电流不变的输 出。电流传送器相比电压模式的运算放大器，具有增益高、频宽大和精确度好等 优点，其一般表达式如式( 2 2 ) 。 阱 i | ； 斟 ( 1 ) j ，= 4 0 ，口的取值代表y 端和x 端电流的比例关系， ( 2 2 ) 根据的取值不 ( 2 ) = 巧+ m 。，而在输入电流不变的基础上，6 的取值表示x 端与y 端的电压差： ( 3 ) ，。= 叮，c 的取值代表z 端复制电流与输入电流的比例关系，根据c 的正负不同可定义z 端电流的方向。 电流控制传送器及应用研究 2 2 1 第一代电流传送器( c c i ) 第一代电流传输器( c c i ) 于1 9 6 8 年由s m i t h 和s e d r a 共同提出，其理想输入 与输出特性如式( 2 3 ) ，矩阵中各变量均表示总瞬时量，且c = 1 。当c = + 1 时表 示z 端和x 端电流同时流入或流出电流传送器，得到c c i + 。c = 一1 则表示z 端电 流流入和x 端电流流出，或者x 端电流流入和z 端电流流出电流传送器，得到 c c i 一。c c i 的电路符号及理想的零子一任意子模型，分别见图2 3 中a ) 与b ) 。 1 x a ) c e i 电路符号b ) c c i 的零子任意子模型 图2 3c c i 电路符号及等效模型 若一电压作用于输入端y ，则输入端x 呈现一相等电位( 可视x 和y 端虚 短) ，x 端和y 端的输入阻抗很小。同样，若有一输入电流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 x 的电流源特性。 i ，y o1o0 l 1 l = ll o ol l 以l ( 2 3 ) l ，zjl o c o 业j 1 9 6 8 年，s m i t h 等人用晶体管和电阻实现了多个c c i ，电路如图2 4 中a ) 为 c c i + ，b ) 为c c i 一。当图中晶体管q 1 、q 2 相匹配，q 3 、q 4 、q 5 相匹配和电阻 r 1 、r 2 、r 3 相匹配且所有晶体管都具有高的电流增益。则可证明，流过晶体管 q 3 、q 4 、q 5 的电流均相等。由于q l 、q 2 相匹配，且基极相连，故q 1 与q 2 对 应端的电流，这就迫使晶体管q l 和q 2 的电流相等，电压降为零，因此x 端口 和y 端口的电流和电压均相互跟踪。比较图2 4 中a ) 与b ) 可知，c c i 一可在图示 原c c i + 的电路上，通过在对应的q 5 的输出端口上增加一个由p n p 管q 6 与q 7 组成的反向电流镜获得。 使用两个互补c c l + 可以组成a b 类电流传送器，它的输入和输出电流不是单 极性的而是双极性的，既可以使用交流信号。而且在，= ，= 0 时，m 5 和m 6 的电流相等，输出电流为零，如图2 4 中c ) 所示。 电流传送器早期的一种应用是替代基于h a l l 效应的示波器电流探针，作为宽 带电流量测器件。它可用来测出输入阻抗低于l q 且工作频率范围从直流到 l o o m h z 的电流，所得结果是令人满意的。 硕士学位论文 z 2 2 2 第二代电流传送器( c c i i ) s m i t h 和s e d r a 提出f 10 1 ，它与第一代电流传输器( c c i ) 之不同在于y 端没有电流流 川；嘲 眨4 ， i x a ) c c i i 的电路符号 z b ) c c i i 的零子一任意子模型 图2 5 第二代电流传送器 1 9 8 0 年，h u e n a s 提出了用二运放和六电阻实现的c c i i + 电路【17 1 ，如图2 6 所示。此电路带宽窄，负载能力不强，但电路结构简单。从图中可以看出其运放 a l 使得x 端与y 端电压相等，而利用运放对电流虚断的特性使得z 端输出电流 与x 端输入电流相等。 f 一一：= ：= ：皇堡堡型篁耋兰垒皇里竺室 ：= ： 图2 6 一个实际的c c i i + 电路 1 9 8 1 年，f u k a s a w a 等人提出了一个用运放、晶体管和电阻组成的c c i i + 电 路”】，h i g a s h i m u r a 和f u k u i 用它作为有源器件，实现了三阶低通和三阶高通滤波 器，获得了良好的幅频特性。 实际上c c i i 是由电压跟随器和电流跟随器组合而成的，在c c i i + 中，实现电 流跟随器最直接的方法是采用简单的电流镜，而在c c i i 一中，需增加二个交叉耦 合的电流镜。其优异的性能在实现受控源、阻抗变换器、阻抗逆变器、回转器以 及各种模拟计算元件中广泛的应用。第一个商用单片电流传送器是c c l l o l ，是由 l t pe l e c t r o n i c s 公司研制，由e 1 a n t e ci n c 公司生产的。 第二代电流传送器( c c i i ) 只有一个输出端，难以在实现电流反馈的同时获 得高阻抗输出电流。1 9 8 9 年k p a l 提出了改进型的多输出电流传送器( m o c c i i ) i 挣1 ，符号如图2 7 所示。混合参数矩阵由式( 2 5 ) 描述。 iy v x z 如 00 1o 01 01 yz c e 哟 xz 图2 7 多输出电流传送器 它实际上包含了c c i i + 和c c i i 一两种器件，令三端接地，则为c c i i + ，若令 z 端接地，则为c c i i 一。用c m o s 实现的m o c c i i 已有大量报道。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 0 j 。m 0 c c i i 在电压型或电流型滤波器设计和振荡器设计等领域获得了广泛应用。 2 2 3 第三代电流传送器( c c i i i ) 1 9 9 5 年法国学者f a b r c 提出了第三代电流传送器( c c i i i ) i ”i 。第三代电流 传送器的特点是：增益误差低、线形特性好、宽频律响应、高输出阻抗。c c i i i 的x 端和y 端电压一样，但是电流方向相反，同时输出正反两个方向的电流，和 )52( h 0 l 们l叫副 硕士学位论文 ，i ac c i l i 电路符号如图2 8 中a ) 所示，其可通过两个双输出c c i i + 元件按图2 8 中b ) 所示连接后实现，理想的c c i i i 输入输出特性矩阵为式( 2 6 ) 。 砖 壤 i y i z i j o lo o 以 l oo o0o oloo8 匕+ o lo o j l 一 y ( 2 6 ) a ) c c i i i 电路符号b ) c c i i i 的c c 儿实现电路 图2 8 第三代电流传送器 2 3 电流控制传送器( c c c i i ) 自从1 9 7 0 年c c i i 问世后，作为电流模式处理信号中的一个通用积木块，其被 广泛的运用于各种模拟集成电路设计中，但由于其x 端有一个寄生电阻( 约为几 十欧至一百多欧) 而传输特性并没有考虑这个电阻，此缺点使得x 与y 端的电压 跟随无法达到理想要求，这就导致了基于c c i i 的传输函数出现误差。针对此缺陷， 1 9 9 5 年法国学者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 性实现了第二代电流控制传送器c c c i i ( s 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 d c o n v e y o r ) 【1 ，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 i i 是从c c i i 改进而来的，从表达式( 2 7 ) 可以看出其输入与输出特性 与c c i i 的输入与输出特性类似。但内部其实多了个可调电阻r ，这样的特性 使c c c i i 有了与0 t a 相同的特性即元件本身自行产生一电阻效应，使设计者在设 计电路时可以减少无源元件的使用。其思想是利用x 端寄生电阻的大小是由电流 传送器内部偏置电流决定这一原理，使用一内部直流l 偏压控制x 端寄生电阻， 达到电子可调的特性。c c c i i 对应的元件符号如图2 9 a ) ，n u l l o r 理想模型如图 2 9 b ) ，x 端与y 端的电气特性等效电路如图2 9 c ) 所示。c c c i i 各个端对应的关 系式为： ，r o o o r l i ：i1 r j ol 以i( 2 7 ) l zjl o c o j l j 若c = 一l 则为c c c i i 一，若c = + 1 则为c c c h + 。 电流控制传送器及应用研究 x 端寄生电阻即为如，其值可通过改变偏置电流l 的大小进行调整，其具体 的的对应关系如式( 2 8 ) ，其中v t 是热电压。 半= 每 s ， 6 l ，2 i ? 从输入输出特性来说y 端是没有电流流入，x 端与y 端的电压是相互追踪的， 而x 端的电压较y 端大了以如，x 端与z 端的电流是相等。可以认为c c c i i 是在 理想的c c i i 的基础上通过在x 端连接一可调电阻r ，实现的，其等效模型如图2 9 中d ) 所示。 a ) c c c i i 元件符号b ) c c c i i 的n u l l o r 理想模型 ，每x c ) c c c t i 的x 端与y 端的电气特性d ) c c c i i 的等效模型 图2 9 电流控制传送器 近几年来，为了满足信号处理电路的需要，学者们提出了多种满足不同特性 的电流控制传送器的实现电路，并将其广泛的运用到了各种模拟电路设计之中。 多输出第二代电流控制传送器( m o c c c i i ：c u r r e n tc o n t r o l l e ds e c o n dg e n e r a t i o n c u r r e n t c o n v e y o r w i t h m u l t i p l e o u t p u t s ) ，可以简单的认为是在第二代电流控制传 送器电路基础上引入了具有多端输出的电路【2 2 1 。2 0 0 2 年a 1 a i nf a b r e 等人提出了 寄生电阻为负的电流控制传送器【2 。 随着人们对电流模式电路研究的进一步深入，适合于高频低功耗的电流控制 传送器已在电流放大器、滤波器、振荡器、模拟乘法器( 除法器) 和a d 转换器的 设计等领域获得了许多应用。 2 4c c i i 基本电路单元 c c c 是从c c i i 改进而来的，讨论c c i i 内部电路对认识c c c i i 的内部电路 是十分必要的，也是我们讨论c c c i i 内部电路的前提。 其实自从c c i i 提出之后，各国学者提出了很多新颖的电路实现，但无外乎是 对各功能结构块的提高与改进。c c i i 的内部电路结构按其各个部分功能可分为通 硕士学位论文 过镜像电流源实现的电流传送模块和电压跟随器完成的电压复制模块。 2 4 1 镜像电流源 电流源电路是提供恒定电流的一类电子线路，它广泛应用于各种功能电路中。 电流源电路不仅在有源负载和位流偏置等电路中不可或缺，还可为模数和数模变 换电路中提供基准电流，在信号处理电路中实现电流存储和转移等功能。根据输 出信号的取向来分类，若输出电流的变化与输入电流的变化有相同取向，则认为 电流镜是同相的，即正极性；若输出电流的变化与输入电流的变化的取向相反， 则电流镜是反相的，即负极性。一般对电流源电路的要求是：提供电流i o ，且其 值在外界环境因素( 温度等) 变化时力求维持稳定不变；当其两端电压变化时具有 保持电流i o 恒定不变的恒流特性，或者说，电流源电路的交流内阻r o 趋于无穷。 镜像电流源及其改进型电路是日前应用最广的电流源电路，在集成电路中广 泛采用镜像电流源电路作为各级的恒流偏置。如图2 1 0 中a ) 所示为一镜像电流 源，其由两只特性完全相同的t l 与t 2 构成，由于t l 的管压降。与其b - e 间 电压u 。相等，从而保证t 1 0 工作在放大状态，因而它的集电极电流如。= 届，。 由于t 1 与t 2 的b e 间电压相等，所以它们的基极电流，。：= j 。= j 。而由于电流 放大系数厦= 属= 卢，集电极电流七：= ，。= k = 风l 。可见这种连接方法使得七：和 。呈镜像关系，故称为镜像电流源。不考虑e a r l y 效应时输出电阻r o = m ，然而 实际中应当考虑e a r l y 效应，此时输出电阻为引：， a ) 基本镜像电流源b ) 威尔逊电流源c ) 共射- 共基电流源 图2 1 0 电流镜 威尔逊电流源电路利用电流负反馈原理来进一步提高镜像输出电流的温度稳 定性和增大动态输出电阻。为了获得更好的输出恒流特性，希望输出电阻越大越 好可以使用威尔逊流镜来达到目的。如图2 1 0 中b ) 所示，当温度或负载变化使 ，。，增大时，。：随之增大，屯及其镜像电流t 。亦随之增大，促使( ：) 减小、厶： 电漉控制传送器及应用母f 究 减小，乇减小，稳定了毛。其输入电流与输出电流之比z 1 一素，考虑e a r l y 1 d p m 效应，此时输出电阻为“华。 2 共射一共基电流源既增加了输出电阻，也使偏置电流稳定。如图2 1 0 中c ) 所 示为一个双极型的共射一共基结构，它的输入电阻是r 。= 8 r 。4 。在输出电压发生变 化的情况下，该电路的偏置电流比基本的双晶体管电流源更稳定。 2 4 2 电压跟随器 电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是提同的，就是说，电压 跟随器的电压放大倍数恒小于且接近l 。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗 高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易徽到的。输出 阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及 隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧， 如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻 中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲，起到承上启下的作用。一 般可以通过使用一运放实现电压跟随器，通过将输出电压的全部反馈到反相输入 端实现。输出端电压与输入端电压相等，即，= 。如图2 1 1 中a ) 是使用运放 实现电压跟随器的原理图，图2 1 1 中b ) 是使用三极管构成的共集电路实现电压 跟随器的原理图。丽图2 i l 中e ) 所示为一用晶体管回路实现的电压跟随器。由 于在同一块集成电路上q l 至q 4 相互匹配，故q 1 和q 2 的b e 端电压相等，故 可得矿。= 。 a ) 运放实现电压跟随器b ) 共集电路实现电压跟随器c ) 晶体管回路实现电压跟随器 囝2 ”电压跟随器 可以看出设计c c i i 电路最为关键的是设计出误差小，性能优异的镜像电流源 和电压跟随器。 2 4 3c c i i 的实际模型 实际电流传送器特别是在高频下的特性不是很理想，输入端y 的输入阻抗 z y 和输出端z 的输出阻抗z z 并不是无穷大，输入端x 的输入阻抗z x 也不为零。 电压与电流的增益也可能不为一。如图2 1 2 所示为广泛使用的电流传送器的高频 等效模型【2 钔。 r 一一一一一一“一4 。”“”“”一”1 ii 。长僻 掣 图2 1 2c c i i 的实际模型 2 5 电流控制传送器的实现 电流控制传送器的设计是在电流传送器的基础上，利用跨导线性回路的电流 与电压特性完成的。 2 5 1 跨导线性回路 从二十世纪六十以来，出现了一种新类型的电路，这类电路因为需要等温工 作及器件几何结构、掺杂分布的紧密匹配，只能采用单片的双极管工艺精确的实 现。这类电路是建立在双极管的跨导m - a n s c o n d u c t a n c e ) 与它的集电极电流成线性 ( 1 i n e a r l y ) 比例的基础上，由此得到跨导线性( t r a n s l i n e a r ) 这个术语。在实际中，跨 导线性概念除了在乘法器和其它非线性电路中的人所共知的应用外，这一概念还 隐含在许多现代线性集成电路当中，最常见的例子是电流镜，还有几乎任何运算 放大器的典型四管a b 类输出级都可运用跨导线性这一概念，甚至于在分析电流 反馈放大器的电流传输器中。 跨导线性电路是接近真正电流模式工作的电路。但必须指出的是对于“电流 模式电路”并没有严格的定义，任何电网络的工作状况总是电压和电流之间相互 作用的结果。在采用双极型晶体管进行设计时，偏置对设置阻抗大小起重要作用。 传统的电路设计的小信号观点要求用线性化模型来描述非线性器件，而b j t 常被 看作是电流控制的电流源，共射电流增益b 被看作决定电路工