李亨王麗萍王明磊

（1.機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州450007；2.河南科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003）

1.引言

隨著超大規(guī)模集成電路理論和工藝的發(fā)展，電流模式電路以其高頻性能好、高速、低功耗、適合并行運(yùn)算等特點(diǎn)，引起了人們廣泛的關(guān)注。電流傳送器尤以其獨(dú)特的電流傳輸特性、良好的高頻性能、很強(qiáng)的通用性和靈活性而廣泛應(yīng)用于各種有源網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)和VLSI中[1]。

2.電流傳送器

電流傳送器被認(rèn)為是一種具有多種功能且與運(yùn)算放大器相似的基本電路器件，被廣泛應(yīng)用在濾波、振蕩、放大等方面的有源電路設(shè)計(jì)。

2.1 理想電流傳送器特性

電流傳送器(Current Conveyor；簡(jiǎn)稱(chēng)CC)為三端口電流模式器件，X和Y端表示電流輸入端，Z端為電流輸出端。其一般表達(dá)式如式(1)。a的取值代表Y端和X端電流的比例關(guān)系；b的取值表示在輸入電流IX不變的基礎(chǔ)上X端與Y端的電壓差；c的正負(fù)不同可定義Z端電流的方向，表達(dá)式如（1）：

第一代電流傳輸器(CCI)于1968年由Smith和Sedra共同提出，此時(shí)a=1，b=1；為了提高電流傳送器使用的靈活性，第二代電流傳輸器(CCII)于1970年由Smith和Sedra提出，對(duì)應(yīng)的a=0，b=0。

2.2 電流傳送器的實(shí)際特性

實(shí)際電流傳送器特別是在高頻下的特性不是很理想，輸入端Y的輸入阻抗ZY和輸出端Z的輸出阻抗ZZ并不是無(wú)窮大，輸入端X的輸入阻抗ZX也不為零。電壓與電流的增益也可能不為1。如圖1所示為廣泛使用的電流傳送器的高頻等效模型[2]。

3.基于BJT的電流控制傳送器

從圖1中可以看出，其X端有一個(gè)寄生電阻（約為幾十歐至一百多歐）而傳輸特性并沒(méi)有考慮這個(gè)電阻，此缺點(diǎn)使得X與Y端的電壓跟隨無(wú)法達(dá)到理想要求，這就導(dǎo)致了基于CCII的傳輸函數(shù)出現(xiàn)誤差。

1995年法國(guó)學(xué)者Fabre等人利用雙極型晶體管的線性互導(dǎo)（Translinear Loop）特性，使得X端寄生電阻RX的大小可以通過(guò)偏置電流I0調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了第二代電流控制傳送器CCCII(Second Generation Current Controlled Conveyor)[3]，從而使電流傳送器的應(yīng)用擴(kuò)展到了電調(diào)諧功能領(lǐng)域。具體關(guān)系如式（2），其中VT是熱電壓。

3.1 混合跨導(dǎo)線性回路實(shí)現(xiàn)CCCII內(nèi)部的電壓跟隨器

靜態(tài)跨導(dǎo)線性回路是CCII乃至CCCII中最為關(guān)鍵的基本單元之一，CCCII的特點(diǎn)也是由靜態(tài)跨導(dǎo)線性回路的特性所決定的。當(dāng)在單片集成電路上設(shè)計(jì)圖2所示PNP與NPN混合跨導(dǎo)線性回路時(shí)，可認(rèn)為對(duì)于Q1至Q4，其電流密度JSi和面積Ai都相同。當(dāng)存在其它的電路使得Q2和Q4的CB端電壓為0V。易知當(dāng)每個(gè)管時(shí)β＞＞1，利用跨導(dǎo)線性回路有：

此時(shí)若加電流源I0，則有I1=I3≈I0，此時(shí)電路為一電壓跟隨器。A、B端的電壓差：

而對(duì)于本電路圖有IC1就是I1，IC2就是I2，故有IC1≈I0，而且當(dāng)I0＞＞IX可得：

3.2 基于BJT的CCCII的實(shí)現(xiàn)原理

基于雙極管跨導(dǎo)線性回路的正電流控制傳送器的電路實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。混合跨導(dǎo)線性回路Q(chēng)9至Q13組成了兩個(gè)鏡像電流源，提供電路所需的兩個(gè)直流偏置電流源I0。Z端則使用傳統(tǒng)的方法，通過(guò)由Q5至Q8組成的兩個(gè)互補(bǔ)電流鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)X端電流的復(fù)制。

混合跨導(dǎo)線性回路Q(chēng)1至Q4則組成了一個(gè)如圖2所示的電壓跟隨器，使得，顯然此時(shí)的X端寄生電阻這樣CCII原來(lái)的電壓傳輸誤差在CCCII中可以通過(guò)改變直流偏置電流I0實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。

4.基于CM O S的電流控制傳送器

利用MOS管在亞閾值區(qū)，短接基極與源極時(shí)IDS與VGS的指數(shù)關(guān)系可以構(gòu)成跨導(dǎo)線性回路。并且可以利用此種工作狀態(tài)的MOS管完成對(duì)應(yīng)的電壓跟隨器的設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成基于CMOS技術(shù)的電流控制傳送器的設(shè)計(jì)。

如圖4所示為一CMOS電流控制傳送器電路。其中M1至M4工作在亞閾值狀態(tài)，完成電壓跟隨器的功能。通過(guò)M16至M19充當(dāng)?shù)挠性措娮?，使得M1和M3工作在亞閾值區(qū)，而又利用M2與M1，M3與M4電路連接分別使得V2GS=V1DS，V4GS=V3DS。這樣V1DS和V3DS滿足對(duì)應(yīng)條件時(shí)M2和M4也工作在亞閾值區(qū)。此時(shí)的寄生電阻為

5.基于Bi CM O S的CCCII實(shí)現(xiàn)

BiCMOS(Bipolar CMOS)是CMOS和雙極器件同時(shí)集成在同一塊芯片上的技術(shù)，其基本思想是以CMOS器件為主要單元電路，而在要求驅(qū)動(dòng)大電容負(fù)載之處加入雙極器件或電路。因此BiCMOS電路既具有CMOS電路高集成度、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，又獲得了雙極電路高速、強(qiáng)電流驅(qū)動(dòng)能力的優(yōu)勢(shì)。

圖5電路中利用雙極型的跨導(dǎo)性好的特點(diǎn)，混合跨導(dǎo)線性回路的電壓跟隨器使用β＞＞1的Q1至Q4的雙極型三極管實(shí)現(xiàn)；利用CMOS鏡像電流源的電路輸出電阻大的特點(diǎn)，Q5至Q7的鏡像電流源以及Q10和Q11的鏡像電流源使用了CMOS技術(shù)，提供直流偏置電流I0來(lái)減小噪聲，電路中噪聲的主要來(lái)源是電流鏡。

6.結(jié)論

電流傳送器作為一種具有多種功能且與運(yùn)算放大器相似的基本電路器件，其獨(dú)特的電流傳輸特性使它成了電流模式VLSI電路中最基本的積木塊。由電流傳送器構(gòu)成有源器件的電路系統(tǒng)，在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低功耗、擴(kuò)展頻域等方面有很好的作用，其構(gòu)成的濾波器、放大器、振蕩器等電路開(kāi)始在很多領(lǐng)域，特別是移動(dòng)通訊、測(cè)量中受到重用。

[1]邱關(guān)源.現(xiàn)代電路理論[M].北京：高教出版社，2000.

[2]Alain Fabre，Omar Saaid，Christophe Boucheron.Low Power Current-Mode Second-Order Band pass IF Filter.IEEE Trans CAS(II)，1997，44(6)：436-445.

[3]Alain Fabre，Omar Saaid，Christophe Boucheron.Current controlled bandpass filter based on translinearconveyors.Electronics Letters，1995，31(20)：1727-1728.

[4]Seguin F，Godara B，Alicalapa F，F(xiàn)abre A.2.2GHz All-n-p-n Second-Generation Controlled Conveyor in Pseudoclass AB Using 0.8-um BiCMOS Technology.IEEE Trans on2004，51(7)：369-373.