曹新亮，樊延虎，雷文禮

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安716000)

在“模擬電子電路”課程中，采用電壓作為信號變量，并通過處理電壓信號來決定功能的電路，此稱電壓模式電路。近年來，以電流為信號變量的電路在信號處理中的優(yōu)勢逐漸被認識，促成了電流模式電路的發(fā)展［1］。

電流模式電路是以電流作為變量來分析和定標的。它與傳統(tǒng)的電壓模式電路相比具有以下突出特點:①頻帶寬，速度高，可以突破電壓模式電路中增益帶寬積為常數(shù)的限制，從而容易實現(xiàn)寬頻帶與高增益的特性;②電流模式采用的匹配技術在電路結構上精確對稱，因此可抵消IC 自身的非線性，不需采用負反饋就能對信號實現(xiàn)線性處理;③由于采用跨導線性環(huán)路，這種電路結構變得簡單;④在低電壓供電時，電流模式電路可以獲得很寬的動態(tài)范圍。

然而，具體的電路總是通過電壓和電流相互作用來實現(xiàn)各種功能。面向不同的應用場合，出現(xiàn)了電流模式電路與電壓模式電路并行發(fā)展的格局。

我們在教學過程中認識到，幫助學生深入了解兩種模式電路實質及其相互轉換機理，是正確設計和選用不同模式電路的前提。

1 電流模式與電壓模式

1.1 恒流源和恒壓源

判斷一個實際直流電源是恒流源還是恒壓源，并沒有絕對的標準與界限，而是根據(jù)電源的內(nèi)阻與負載電阻的相對比值來決定采用哪種理想電源近似更為合理。

圖1所示為一種實際電源電路。圖中VS為實際電源，RS為實際電源的內(nèi)阻，RL是負載，IO與VO分別為電源輸出端的電流和電壓。

圖1 實際電壓源電路

根據(jù)歐姆定律得

當RSRL時，IO=VS/(RS+RL)≈VS/RS，認為實際電源可以近似為恒流源;當RLRS時，VO=RLVS/(RS+RL)≈VS，可把實際電源近似為恒壓源。

可見，對實際電源的理想等效形式是由實際電源的內(nèi)因和外因共同決定的。

1.2 運放分類的依據(jù)

通常，集成運算放大器分為電壓放大器、電流放大器、跨阻放大器和跨導放大器四種類型，分類標準是根據(jù)自身輸入、輸出阻抗的相對大小來區(qū)別和命名的［2］。

圖2為集成運算放大器OA 的端口簡圖。其中，Ri為OA 的輸入阻抗、RO為OA 的輸出阻抗;RS為信號源的內(nèi)阻或前級放大電路的輸出阻抗;RL為負載阻抗或者后級放大電路的輸出阻抗。

圖2 集成運算放大器的端口簡圖

當滿足RiRS且RLRO時，輸入和輸出都表現(xiàn)為電壓，信號的傳遞關系為電壓放大倍數(shù)，放大器輸出可等效為電壓控制的電壓源VCVS，此類OA 稱為電壓運算放大器;當RiRS且RLRO，輸入和輸出都表現(xiàn)為電流，信號的傳遞關系為電流放大倍數(shù)，輸出端口的等效源就是電流控制電流源CCCS，此類OA 稱為電流放大器;當RiRS且RLRO，輸入表現(xiàn)為電流和輸出表現(xiàn)為電壓，信號的傳遞關系為跨阻，輸出端口的等效源就是電流控制電壓源CCVS，此類OA 稱為跨阻放大器;當RiRS且RLRO，則輸入表現(xiàn)為電壓和輸出表現(xiàn)為電流，信號的傳遞關系為跨導，輸出端口等效為電壓控制電流源VCCS，此類OA 稱為跨導放大器OTA。

2 兩種模式區(qū)別與聯(lián)系

2.1 兩種電路的區(qū)別

電流模式與電壓模式電路主要表現(xiàn)在輸入和輸出變量的差別上，電路的功能決定著電路的結構?，F(xiàn)以放大器電路為例，電壓模式和電流模式放大器電路的結構迥然不同，如圖3所示。放大信號的機理也有明顯的區(qū)別［3］。

圖3 電壓模式和電流模式放大器電路

通過對圖3兩種放大電路進行分析，分別得出各自參量傳遞關系，有

式中，gm為電壓放大器中晶體管的跨導。

這兩種電路分別工作于電壓模式和電流模式，輸出變量受輸入變量控制?？梢岳肰CVS 和CCCS 來等效輸出變量受輸入變量控制關系。

盡管兩個放大器的電壓和電流存在著相互作用，但由于信號載體不同，它們的作用也不同。在電壓放大器中，信號表現(xiàn)為電壓的變化，漏極電流起中介作用。而在電流放大器中，信號表現(xiàn)為電流變化，柵源電壓起中介作用。

2.2 兩種電路的轉換

電流模式與電壓模式電路結構上具有互易性［4］，可以通過伴隨網(wǎng)絡將電壓模式電路轉換為電流模式電路，從而簡化了電流模式電路的設計。對任意網(wǎng)絡N 可以實現(xiàn)一個伴隨網(wǎng)絡Na。當網(wǎng)絡N的激勵和響應互換時，以網(wǎng)絡Na 代替網(wǎng)絡N，可以保持其傳輸函數(shù)不變，即Vi/VO=ii/iO，如圖4所示。

我們稱網(wǎng)絡Na 和網(wǎng)絡N 是彼此互易的，它們的重要特性是兩者的元件具有相同的靈敏度，并且可以是兩個不同的網(wǎng)絡。構成伴隨網(wǎng)絡中的電路元件與原網(wǎng)絡中的電路元件有一一對應關系。

圖4 網(wǎng)絡及其伴隨網(wǎng)絡示意圖

圖5(a)為由運算放大器構成的電壓模式電路。圖5(b)是由第二代電流傳輸器CCII 構成的電流模式電路，它們均可構成Sallen-key 二階濾波器電路。

圖5 互易對應關系的兩種模式電路

對于圖5(a)電壓模式電路，利用深度負反饋形成運算放大器正負輸入端虛短路特性，得到電壓傳輸函數(shù)為

對于圖5(b)電流模式電路，根據(jù)CCII 型的輸入輸出端口特性關系:

可以列寫電路方程解得電流傳輸函數(shù)為

由式(4)和上式可見，電壓模式和電流模式Sallen-key 二階濾波器電路具有相同的傳輸函數(shù)。

3 總結

比較法是人們認識事物的基本方法之一。本文從電源談起，通過對比的方法闡述了電壓模電路與電流模電路的區(qū)別與聯(lián)系，有利于幫助學生理解兩種模式電路本質在于輸入/輸出阻抗大小的區(qū)別上，這對學會正確選用電路和獨立設計電路均有一定的指導作用。

［1］ 王衛(wèi)東. 現(xiàn)代模擬集成電路原理及應用［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2008

［2］ 劉廣孚. 單管放大電路輸出電阻教學方法探討［J］. 南京:電氣電子教學學報，2011，33(01):111 ～112

［3］ 董在望，李冬梅，王志華 等. 高等模擬集成電路［J］. 北京:清華大學出版社，2006

［4］ 田社平，陳洪亮，張峰. 互易電路回路矩陣和節(jié)點矩陣的對稱性［J］. 南京:電氣電子教學學報，2010，32(01):22-23