（电路与系统专业论文）电流控制传送器在滤波器设计中的应用.pdf

摘要 本文主要研究基于电流控制传送器的集成电路设计及其应用，首 先综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及双极型b j t 管和c m o s 管 、 。” 的模型结构的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。尽量的全面归纳以电流控 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，借鉴 国内外最新研究成果，提出两种基于c c c i i 的双二阶滤波器，这些电 路在不需要改变电路结构的情况下，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；其中一种基于c c c i i 的双二阶滤波器，首次提出将 c c c i i 应用于可编程助听器领域；最后设计了两种高阶滤波器，电压 模式和电流模式各一种，这两种滤波电路均能实现多种滤波功能，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完全吻合。 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； a b s t r a c t t h et h e s i ss 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 t b a s e do nc c c i i f i r s t l yi ti n t r o d u c e st h ep r e s e n ts t a t eo 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 t w i t ht h et o p o l o g y a n dm o d e lc i r c u i t ，t h e p r i n c i p l ea n df e a t u r eo ft 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 e c c c i ii nt h ef i e l d so ft h ea c t i v en e t w o r ka n ds i g n a l p r o c e s sa r e s 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 no fa n a l o g u ed i v i d e ra n do s c i l l a t o r u s i n gc c c i ii si n t r o d u c e d w i t hi 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 r a l s op r o p o s e ss o m e b i q u a d r a t ef i l t e r sw 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 wp 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 l p a s sf i l t e r i n gb ys e l e c t i n g o n eo ft h et h r e e i n p u t s o rt h e i r p r o p e r c o m b i n a t i o n sf r o mt h es a m ec o n f i g u r a t i o n ，f u r t h e r m o r ew h o s en a t u r a l 仔e q u e n c y a n dt h eq u a l i t yf a c t o rc a nb et u n e di n d e p e n d e n t l y t h e na c o n t i n u o u s t i m eb i q u a d r a t i cf i l t e ru s i n gc c c i ii sp r o p o s e d ，w h i c hc a nb e u s e di nh e a r i n ga i d sa n di no t h e ra n a l o gs i g n a lp r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n s l a s t l yac u r r e n tm o d ea n dav o l t a g em o d en o v e ln o r d e r f i l t e r so f m u l t i f u n c t i o na r ep r e s e n t e d n o ta l lb o t ho ft h en o r d e rf i l t e r sa r e e l e c t r o n i ct u n a b l e ，b u ta l s o t h e y a r e i n t e g r a t e dc o n v e n i e n t l y a n d c o m p a t i b l ew 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 d f i l t e rc i r c u i t sa r eg i v e nt oc o n f i r mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s 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 ；c u r r e n tc o n v e y o r ； a n a l o gi 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 ； 电流控制传送器在滤波器设计中的应用 1 1引言 第一章绪论弟一早三百。y 匕 1 9 5 8 年，美国德克萨斯公司试制了世界上第一块集成电路，1 9 6 0 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 术的进步及电子系统集成的迫切需要( 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，以集成电路为核心的电子信息产业超过了以汽车、石油、 钢铁为代表的传统工业成为第一大产业，成为改造和推动传统产业迈 向数字时代的强大引擎和雄厚基石。世界集成龟路产业发展迅速， 1 9 9 9 年全球集成电路的销售额为1 2 5 0 亿美元，而以集成电路为核心 的电子信息产业的世界贸易总额约占世界g n p 的3 ，现代经济发展 的数据表明，每l 2 元的集成电路产值，带动了1 0 元左右电子工业产 值的形成，进而带动了1 0 0 元g d p 的增长。目前，发达国家国民经济总 产值增长部分的6 5 与集成电路相关；美国国防预算中的电子含量已 占据了半壁江山( 2 0 0 1 年为4 3 6 ) 。预计未来1 0 年内，世界集成电路 销售额将以年平均1 5 的速度增长，2 0 1 0 年将达到6 0 0 0 一- - 8 0 0 0 亿美 元，它将支持4 5 万美元的电子装备市场n 叫3 3 j 。 模拟集成电路近2 0 年经历了稳健快速的发展，数字化时代为模拟 i c 提供了更广阔的应用空间，模拟与数字工c 水乳交融一起向更深入 更具挑战性的空间渗透，作为其三大主要市场的p c 、通信、消费电 子( 3 c ) 产品对模拟器件的依赖程度不是减弱了而是增强了。经过2 0 0 5 年的微弱增长之后，模拟i c 市场在2 0 0 6 年将迎来1 5 的跳跃式增长， 大大超过数字市场的增长速度。中国半导体市场自从2 0 0 2 年复苏以 来，模拟i c 的市场规模及其增长率都在逐年发展。2 0 0 5 年，宽带网 络和无线通信网络迅猛发展，导致市场对高端模拟i c 的需求大大增 加，此外，高端消费类电子产品在中国的普及也为模拟i c 提供了广 阔的市场。相信在未来几年内，在3 g 通信的拉动下，移动通信终端 硕士学位论文 用模拟i c 将持续增长，同时，无线局域网等小型无线网络用模拟i c 市场也有潜力可挖。 中国是全球模拟i c 的需求大国，其所占的全球市场比重正不断 上升。目前，在中国内地市场上，模拟i c 的主要提供商来自欧美、 曰本和中国台湾，他们占据了绝大部分市场份额。而中国工c 产业的 主要问题是表现在i c 企业规模普遍偏小和集成电路设计技术跟不上 工艺制造技术。如果中国厂商能在技术上进行突破并充分发挥本地化 优势，占领中国模拟i c 的市场份额应有很大潜力。集成电路( i c ) 做为信息产业的核心，将是中国未来经济发展的重要推动力，拥有自 主版权的集成电路已目益成为经济发展的命脉、社会进步的基础j 、国 际竞争的筹码和国家安全的保障。 运算放大器和各种模拟集成电路是应用最为广泛的一类模拟器 件。随着集成度的提高、性能的改善，愈来愈受到人们的青睐；在工 业控制、遥控遥测、仪表仪器等领域成为不可或缺的器件，由运算放 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、 电流控制传送器构成的滤波器则比较陌生。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。h 。0 3 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( 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。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 电流控制传送器在滤波器设计中的应用 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。但电流传 送器也有其不完善的地方：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 cr 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。 ， 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。 作者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及高阶滤波电路。 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，提出了几种基于电流控制传送器的双二阶滤 波器，这些电路不需要改变电路结构就能同时实现低通、高通、带通、 硕士学位论文 带阻和全通五种基本滤波功能，并且滤波器的特征频率和品质因数 q 可实现独立调节；其中一种是首次提出将电流控制传送器应用于助 。听器领域的设计，具有一定的创新性。最后还设计出了电压模式和电 流模式的任意多功能滤波电路各一种，其设计方法简单明了，电路采 用无源器件较少，易于集成，均能实现多种滤波功能。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完全吻合。 本文分为四个部分，分别用四个章节进行介绍。第一章绪论部分 介绍了电流传送器发展概况和在电子行业中的重要意义；第二章从各 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；第三章全面归纳了以电流控制传送器为有源器件的有源网络元件 模拟电路、模拟信号运算电路等基本的应用电路；第四章在借鉴国内 外的最新研究成果的基础上，提出了基于各种电流控制传送器的双二 阶滤波器和任意多功能的电压模式及电流模式滤波电路各一种，这些 电路不需要改变电路结构就能同时实现低通、高通、带通、带阻和全 通五种基本滤波功能，并且滤波器的特征频率缈。和品质因数q 可实现 独立调节；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 分析完全吻合。 电流控制传送器在滤波器设计中的应用 2 1 引言 第二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 tc o n v e y o r ，简称c c ) h 3 。5 妇以来。电流传送器被确认为具 。甫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。 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。口3 ， 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。 硕士学位论文 2 2n ui ia 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。旧3 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 “= o ， f = 0( 2 一1 ) 换而言之，零器支路既是短路i 又是开路。零器的元件符号如图 2 - 1 ( a ) 所示。 + 厂+ _ 一讹9 卜 扣j = h h ：( 卜“l 【1 “j + “ i + “ 1 _v 一一l 一。 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，汪也( 毛，如为任意值) ( 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： 纠 协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； 电流控制传送器在滤波器设计中的应川 ( 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。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3 | ，一般来讲，电流传送器都满足式( 2 - 4 ) 的矩阵，其中圪：k 代表x 端和y 端的电压跟随关系；，：= ，r 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；矗等于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。 h 0 口o 巧 i 吆f _ l1 0 0 忆l ( 2 4 ) l 厶j1 0 1o 儿吃j 根据其发展的先后顺序以及元件的端口特性，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 n c 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 c1 ) 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，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 的输入一输出 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 端口电压，y 端口电流 硕士学位论文 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“一”号则表示x 端与z 端电流极性相反，用 c c i - 表示。 乡 。珞 t c c iz x 、 绣 参 = 三三0 菱 一 c 2 5 ， 图2 - 2c c i 符号 为了直观描述混合矩阵表示的意义，用单端对理想有源器件一零 器( n u l l a t o r ) 和泛器( n o r a t t o r ) 来表示c c i 。由零泛器的特性及 式( 2 - 5 ) 得到c c i 的零泛器表示法，如图2 3 所示。其中，在z 端， 受控源的箭头向下表示c c l ，箭头 向上表示c c i 一。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。 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 端口具有虚开路的输入特 性。 2 3 2 第二代电流传送器( o 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。 电流控制传送器在滤波器设计中的应用 c c i i 的端口特性可用下列矩阵( 2 - 6 ) 方程描述。 隆h 三 图2 4 c cn 符号 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，因而x 端口呈现零输入阻抗；低阻抗x 输入端的电流传输到高 阻抗的z 输出端，即在z 端口产生一个可控输出电流，该电流仅取决 于x 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 一 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 c i i ) 端口的零泛器表 示如图2 - 5 ( a ) 、( b ) 所示。 z ( a ) c c i i 的零泛器表示 ( b ) c c i i 的简化零泛器表示 图2 - 5 c 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 c i 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z j 6 一 。厶 k 1j 巧t 咯 p。l 1j o 0 0 o 0 干i 硕士学位论文 是两个互补的电流输出端。d o c c i 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 c i i 同时包含了c c i i + 和c c i i 一 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 、三组成c c i i 。，三端输出电流与x 端电流极性相反。 i y 圪 i z i z 巧 岛 圪 矿 2 ( 2 - 7 ) x z d o c c y 丢 v z 毪 图2 - 6d o c c i i 符号 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 ci i 一相同，它能等比例的输出多个正电流j z 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 和负输出端乏，其端口特性可用如下的矩阵式( 2 - 8 ) 来表示。 0 ix 圪 圪 ( 2 - 8 ) y z m o c c x 艺 i z l 工z m i 五 i 五 图2 7m o c c 符号 2 ) 差动电压输入c c i i ( d v c c i i ) 差动电压输入c ci 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 c i i 符号中的y 。、y ：和x 是三个输入端，其中y ，、 y ：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 。、z ：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。 o 0 0 o 0 0 0 0 o o 1 ，1 o 0 0 ；0 0 ；0 o o o ；0 0 ；0o伊，；，o；o l匕厶；乙岛；岛 电流控制传送器在滤波器设计中的应用 1 2 之。 i z 2 0 0 o 1 - 1 1 o 0 0 0 lx ， 巧2 圪。 圪2 ( 2 - 9 ) y l z l x d v 。c i t z 2 图2 8d v c c i i 符号 该方程表明，输出电流i ：。、i 毖跟随x 端输入电流，其中i ：。与i 。 极性相同，i ：与i 。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，即寻巧，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 。、y ： 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 ci 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。 v x v x i z i 。 z ix i x 巧。 巧： 巧， 巧。 ( 2 - 1 0 ) 胃 x y 2 f d c c i i x 1 2 f d c c i i b z k 乏 图2 - 9f d c c i i 符号 用c m o s 实现的m c ci i 已有大量报道h 8 娟钊，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n 引。m c c i 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。 2 3 4 第三代电流传送器( c c ) 第一代电流传送器和第二代电流传送器，由s m it h 和s e d r a 两位 学者分别于1 9 6 8 年和1 9 7 0 共同提出，它的主要特定是：增益误差低， 线性特性好、宽频率响应、高输出阻抗。其构成的滤波器、放大器及 振荡器等电路，能实现高性能的信号处理电路，己开始在移动通讯、 0 1 0 0 1 o o o ，l o o ，上 1一0 o o o 0 0 n u d l d 硕士学位论文 测量领域受到重用。而新的电流传送器即第三代电流传遴器( c c m ) 由f a b r e 等学者于1 9 9 5 年提出其主要特点是：增益误差率低、线性 特性好、宽攫毒晌应、高输出阻抗。c c 的端口特性可用矩阵( 2 1 1 ) 方程描述，始符号如图2 - 1 0 所示。 i h 蠢0 蔼紫i ，一， 图2 1 0c c 符号 由式( 2 - 11 ) 可以看出，在c c 的输入端x 、y 之间，有屹= 、 ，v _ 一，。；在输出端z + 和z 一，有i + = ，。、+ = 一，。后一特性使得 c c 可以作为集成的浮接电流元件- ，在不i 影z 响电流结构节点电压和电 流的情况下，从元件内部电路的浮接分支取出电路，这在电路设计中 是非常有用的。邸i 理想的等效电路如图2 一1 1 所示。这个元件可由 两个双输出的ci i + 来实现，如图2 1 2 所示，由图可以看出，c c i i l 具有两个相位相差1 8 0 d 的输出端z + 和z 一。 气 x 气w i z + z - y 图2 一1 1 理想c c 的等效电路图2 - 1 2 由双c c 实现的c c x 2 3 5 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 i 也流控制传送器在滤波器设计中的应用 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 i 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 3 所示，其混合参 数矩阵为式( 2 1 2 ) 。 刚圈 、y v x 图2 - 1 3c c c i i 符号 在式( 2 1 2 ) 中，尺，为x 端的寄生电阻，其值为： 尺，：生 1 2 1 8 ( 2 - 1 3 ) 在式( 2 1 3 ) 中，巧，为热电压，在常温下，巧，2 6 m v ，i s 为偏置电流， 控制寄生电阻疋。c c ci i 包括c c ci i + 和c o gi i 一两类，对于一对正反相 输出的c c ci i ，在单输出c c ci i 电路基础上加一个交叉耦合的电流 镜即可，其端口特性和电路符号分别如式( 2 - 1 4 ) 和图2 1 4 所示。 i z i 艺 00 r x 0 01 o一1 ( 2 - 1 4 ) x z 0 c c 士 y 三 图2 1 4c c c i 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r ，电调谐性是通过偏置电流 ，b 控制寄生电阻r ，来实现，其零泛器表示如 图2 1 5 所示。 2 ：4 电流传送器电路实现 z 图2 1 5c c c i i 的零泛器表示 2 4 1c ci 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 6 ) 所示。假设图中的电阻 r 。、r 。与r 3 匹配，晶体管t 。与t 。匹配以及t 。、t 。与t 。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 。t 。 硕+ 学位论文 的电流均相等。这就迫使电路流过晶体管t 。和t 2 的发射极电流及发 射结电压v 眦分别相等。因此x 端口和y 端口的电流和电压均相互跟 踪。如果y 端口作为基准电压，那么x 端口变为虚地端或低阻抗输入 端，来自该端口的电流不变地传输到高阻抗输出端口z 。只要保证晶 体管在整个工作蔼围内鄣是线性工作，则电路的工作与各电阻的阻值 图2 1 6c c i 晶体管实现幽2 1 7c c i 双极性电路 和电源电压的绝对值均无关。仔细观察图2 1 6 可知，由于共基电流 增益不为1 ，各个晶体管传送的电流就会略有不同。然而这些差异可 减小，例如采用更精密的电流镜。此外，z 端输出电流极性可用附加 一级的电流镜反向输出。当然，如果用p n p 管代替n p n 管，用n p n 管 代替p n p 管，用正电源代替负电源，则可得到极性相反的c c i 电路， 即极性互补的电路。将两个极性互补的电流传送器c c i 电路连接起 来，就能构成用于双极性输入信号的甲乙类c c i ，图2 1 7 所示为一 种基于双极互补集成工艺的实现电路。其中t 。t 4 可看作t l ( 线性跨 导) 回路；t 。t ，是p n p 管基本电流镜；t 。t 。o 是n p n 管基本电流镜。 需要指出，为了使图2 1 7 所示c c l 实现电路的上下两部分不仅极性 互补，而且性能对称，需要用先进的双极互补集成工艺实现，而不能 用传统的双极型集成工艺实现。因为在传统的双极型集成工艺中，n p n 管适宜采用纵向结构，其电流增益( p ) 和带宽( 厶) 的典型值分别 为1 0 0 和3 5 0 m h z ；p n p 管则要求采用横向结构，其和厅的典型值不 超过2 0 和5 m h z ，这种传统工艺中的横向p n p 管将成为实现高性能电 流传送器的主要限制因素。幸好，近年来成功开发了先进的互补双极 集成工艺，这种工艺将n p n 管与p n p 管两者的纵向结构组合起来，适 电流控制传送器在滤波器设计中的应用 用于制造典型值为1 0 0 和带宽为2 5 g h z 的n p n 和p n p 两种晶体管。 因此，利用双极互补工艺使得生产高性能集成电流传送器成为现实。 2 4 2c ci i 的基本实现方法 不难发现，图2 5 ( b ) 所示的c c i i 一零泛器表示法就是晶体管的 零泛器的表示。在某种意义上，“c ci i 一可被看作一个理想的双极型或 m o s 型晶体管。现以图2 1 8 所示的n m o s 晶体管为例为说明，假设晶 体管是理想的，则作用在栅极上的电压将导致源极上有一个与之相等 的电压。由于栅极电流近似为零，则栅极可近似视为开路( 与电流传 送器的y 端相似) 。源极电压跟随栅极，与源极电流无关，因此，源 极端具有零输入阻抗( 与电流传送器的x 端相似) 。注入源极的电流 传输到漏极，而漏极端的阻抗为无穷大( 与电流传送器的z 端相似) 。 可见，一个理想晶体管可以看作为负电流传送器( c ci i 一) ，这个晶体 管应具有栅极( 或基极) 电流为零以及栅一源( 或基一射) 正向电压降 为零的理想条件。 v y v x y c c - z x v z 图2 1 8c c i i 一和n m o s 晶体管的比较 实际的双极型或m o s 型晶体管都 不是理想的晶体管，但是，如果将一个 n m o s 晶体管放在运算放大器的负反馈 环路中，就能构成一个较为理想的晶体 管，如图2 1 9 所示。在这个电路中， ，k a 、j v i ： i ：f i x ：i z 运算放大器a 与m o s 管m 的栅、图2 - 1 9 等效理想晶体管 源极形成深度并联负反馈连接，迫使x 端输入阻抗降低且近似为零， c c i i x 端电压精确地跟随y 端电压( 运放两输入端虚短路) ，同时x 端的电流被传送到高阻抗的z 端，结果y 、x 、z 三端构成一个等效“理 想晶体管”，这就实现了具有较好性能的c c i i 一电路。显然，在图2 - 1 9 这种c c i i 电路的实现中，电流只限于从x 端流出。如果在运算放大 器负反馈环路中放一对互补的m o s 管，就可实现在x 输入端有双向电 弘州b d 一一一 sj 嗽 硕士学位论文 流的c c i i 电路。为了将两个互补m o s 管的漏极电流传输到z 端，还 需要增加两个极性互补的电流镜，构成双极性c ci i 电路结构，如图 2 2 0 所示，这时j z 与j j 极性相同，因此是c c i i + 电路。如果在这个电 路中再增加互补的两个电流镜，即可得到c ci i 一电路。 图2 - 2 0c c i i + 电路结构 电流传送器的实现一直是电路设计者们的热门课题。1 9 8 0 年， h u e r t a s 提出了用二运放和六电阻实现的c c i i + 电路，如图所示： 图2 2 l一个实际的c c i i + 电路 此电路带宽窄，带负载能力不强，但电路结构简单。1 9 8 1 年， f u k a s a w a 和f u jii 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。1 9 9 1 年，a l a m i 和f a b r e 提出了跨导线性( t r a n s l i n e a r ) 电流传送器的实现电路，如图2 2 2 所示。 1 9 9 2 年，f a b r e 和h o u l e 提出了另一种跨导线性电流传送器 ( c c i i + ) 实现电路，该器件带宽可达2 4 m h z 。近年来，随着c m o s 技 术的成熟与发展，用它设计高性能的电流传送器已大量见诸报道。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； 电流控制传送器在滤波器设计中的应用 x i ( a ) c c i i +( b ) c c i i - 图2 - 2 2跨导线性电流传送器实现 需增加二个交叉耦合的电流镜。这种c c i i - 结构会受到频率响应 的限制和晶体管失配的影响。1 9 9 9 年，a w a d 和s o l i m a n 提出了一个 用c m o s 实现c c i i 一电路和两种具有补偿功能的c c i i - 电路，仿真结 果表明：电压跟随误差在2 以下，电流跟随误差在5 以下，3 d b 开路电压增益带宽大于2 0 0 m h z ，3 d b 短路电流增益带宽大于1 0 0 1 1 z 。 随着人们对电子设备小型化，经济实用型的需要，生产厂商尽量 把整个电子系统做成一个芯片。当今把模拟电路和数字电路集成在同 一个芯片中是很普遍的现象。这就要求模拟单元部分尽可能满足低电 压，低功耗的要求。主要的理由是大量的门电路需要集成在同一个芯 片中，所用的门越多，降低功耗就越重要。第二代电流传送器作为电 流模式处理信号的一个通用积木块，研究它的低电压、低功耗实现对 整个电子设备的全集成具有积极的现实 意义。近几年来，已有一些学者设计出 了此类器件。t 第一个商用单片电流传送器 c c i i o i ，是由l i pe l e c t r o n i c s 公司研 制，由e l a n t e ci n c 公司生产的。简单 结构框图如图2 2 3 所示。电路是全对称 图2 - 2 3c c i i o i 内部框图 的，晶体管t r l 到t r 4 组成输入级。y 端为高阻抗输入端，y 端的输 入电压被低阻输入端x 端跟随。t r 2 、t r 3 的集电极电流流过电流镜 c m l 、c m 2 的作用，在高阻抗输出z 端重组输出。这个器件所用的电 源电压为5 v 到1 5 v 。转换速率为2 0 0 0 v 。u s ，带宽1 0 0 m h z ，最大输 出电流为1 0 m a 。c c i i o i 首次出现在1 9 9 3 年，不幸的是电子工业界 对这个新型的模拟积木块产生了某些怀疑，最终导致了该器件的停 硕士学位论文 产。 目前的研究表明，第二代电流传送器是一个功能十分灵活，通用 性强且具有电压、电流综合能力的积木块，已广泛的应用在高性能信 号处理电路与系统中，如电压型模拟设计、电流型模拟设计、仿真电 感实现、频变负阻实现、振荡器设计以及其他非线性应用领域。 2 4 3c m o s 集成差动式电流传输器( d v c ci i ) d v c ci i 的特点在于它具有两个差动电压输入端，因此在输入端应 该具有相应的差分对结构，使其具有优异的差模输入特性和较高的共 模信号抑制能力；另外，为提高x 端电压跟随能力，在电路结构中引 入负反馈，降低x 端