一种新型CMOS电流控制电流传输器的设计

 

　　近年来， 电流模式电路在模拟信号处理中受到了广泛的关注， 与传统的电压模式电路相比， 电流模式电路具有速度高、频带宽、电源电源、电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。电压低和功耗小等特点。电流传输器是继运算放大器之后出现的一种功能强大的标准部件，将其与其他电子元器件组合起来可以十分简便地构成各种特定的电路结构。FABRE A在1995年，提出了基于CCII结构的 CCII, CCII可以被视为一个单增益的电流控制电流源电路。电流传输器是一种电流模式电路，在、带宽和转换速率等方面均优于传统电压型运算放大器（VOA）。CCII由此应用于实现多种多功能滤波器及电感模拟和全通部件方面。 CCII采用基本电流镜，由于基本电流镜的线性度有限且输出阻抗较低，使得DC和AC性能偏低。优点是低增益误差，高线性度和较宽的频率响应，而且Z端口的输出阻抗较高。通信系统是为把用户非电形式的消息传送到远方，现代通信技术在发送端以用户终端设备将作为信源的消息转换成电信号，并令其经信道传送到远方的接收端，接收端用户终端设备再从所接收信号中还原出受信消息（信宿）。

　　但到目前为止，国内外学者所采用的电路均为Fabre提出的CCCII,该电路由跨导线性环电路和基本电流镜构成。而共源共栅电流镜相对于基本电流镜而言，存在2个优点：（1）电流传输较高；（2）输出阻抗较高，所以对基于共源共栅电流镜的CCCII进行研究非常有意义。本文介绍了共源共栅电流镜，并用共源共栅电流镜实现了CCCII电路。

　　1 CCCII端口特性及基于基本电流镜的CMOS CCCII电路

　　图1为CCCII的电路符号[2],图中IB为外加偏置电流，Y端为电压信号输入端，X端为电压跟随端，Z端为电流输出端，理想端口特性可表示为：

 　　

 

　　从而CCCII具有可电控性。由式（1）可知，由于将RX纳入端口特性，所以对于CCCII而言，减小了电压跟随误差。

　　图2为基于基本电流镜的CCCII电路，它包括M1~M4组成的跨导线性环电路，而M5~M7、M8~M9、M10~M11、M12~M13为基本电流镜[3].由图可知，输出端Z与基本电流镜输出M11、M13相连，其输出阻抗较低；基本电流镜M5~M7、M8~M9向跨导线性环电路传输偏置电流IB,由于基本电流镜输出阻抗较低，使得偏置电流IB传输到跨导线性环电路中的比例较少。文中将图2中基本电流镜全部换成共源共栅电流镜，不仅能增大输出阻抗，而且还能增大传输。

　　2 基本电流镜与共源共栅电流镜

　　许多现代集成CMOS运算放大器被设计成只驱动电容负载。有了这样只有电容的负载，对于运放放大器，就没有必要使用电压缓存器来获得低输出阻抗，因此，有可能设计出比那些需要驱动电阻负载的运算放大器具有更高速度和更大的信号幅度的运算放大器。通过在一个只驱动电容负载的运算放大器输出端只有一个高阻抗节点，可以获得这些提高，这些运算放大器在其他节点看到的导纳与MOS管的跨导在一个量级上，因此他们具有低阻抗。

　　电流型结构的电路性能很大程度上取决于其使用的电流镜性能[4].通常期望一个电流镜能够拥有较高的电流传输、较高的输出电阻、较低的输入电压以及输出电压。

　　图3中所示的基本电流镜由于自身存在的沟道长度调制效应，很难达到较高的电流传输以及较高的输出电阻。而图4中所示的共源共栅电流镜则能够获得比普通电流镜更高的电流传输和输出电阻。

　　首先，图3中所示的基本电流镜和图4中所示的共源共栅电流镜的小信号输出电阻分别表示如下：

　　 　　

     

　　

　　通过对共源共栅电流镜进行小信号模型分析，很容易得到共源共栅电流镜的输出电阻比基本电流镜的输出电阻大的多。

　　其次，对于图3中的基本电流镜可以得出：

　     

　　虽然VDS1=VGS1=VGS2,但由于M2输出端负载的影响，VDS2却可能不等于VGS2.因此Iout与Iin之间存在较大的误差。

　　而共源共栅电流镜可以很好地抑制沟道长度调制的影响，通过使（W/L）3/（W/L）0=（W/L）2/（W/L）1则可以使Iout非常接近Iin.也就是说共源共栅电流镜相对于基本电流镜而言，具有更高的电流传输[5].

　　3 提出的基于共源共栅电流镜的CMOS CCCII

　　用共源共栅电流镜实现图2中的电流镜，可得出基于共源共栅电流镜的CMOS CCCII电路，如图5所示。M1~M4构成跨导线性环路实现电压跟随器，M5~M8,M13~M15组成同相传送电路，将X端电流Ix镜像耦合到Iz.而M9~M12以及M17~M20构成放大倍数为1的电流镜，为跨导线性环提供直流偏置。

　　4 仿真

　　基于CSMC 0.5 μm CMOS工艺参数，运用HSPICE仿真软件[6],对本文提出的CCCII进行电路仿真，电路采用1.5 V电源供电。图6是CCCII Y端和X端之间的大信号电压传输特性，图中各测试点是在X端接10 MΩ负载电阻，Z端接地的条件下取得的。在这种开路测试条件下，只要保证M1~M4工作在亚阈值区，其他晶体管工作在饱和区，Vx就能很好地跟随Vy.从图6可以看出，基于共源共栅电流镜的CCCII具有优良的跟随能力。对于X端加载的情况，只要由X端提供的电流不超过输出级的电流提供能力，则大信号电压增益保持不变。因此，在电路线性工作时，Y端和X端之间的大信号电压增益是1.0 V/V.

　　图7显示了在上述大信号电压传输特性相同的开路测试条件下，从Y端到X端电压增益的小信号频率响应。从图7可以看出，直流跟随误差大约为0.03 dB,-3 dB带宽为21.6 MHz.与输入端有关的其他大信号参数：X端的输入端电阻值为0.42 Ω，Y端的输入电阻值大于10 MΩ，Z端输出阻抗近似为327.6 kΩ。

　　为了观察X端与Z端的电流传输，在X端和Z端分别连接400 Ω的接地阻抗，对Y端进行-1.5 V~1.5 V扫描，得到的大信号电流传输曲线如图8所示。如果不计任何失调电流误差，则传输高达100%,有-0.3 mA~1.3 mA的电流驱动能力。

　　图9是从X端到Z端电流增益的小信号幅频特性曲线。从图中可以看出，几乎没有电流传输误差，-3 dB带宽为23.5 MHz.

 

　　电流控制电流传输器（CCCII）在电流模式信号处理电路中已成为灵活和通用的有源积木块。本文提出的基于共源共栅电流镜的CCCII,取代了传统的基于基本电流镜CCCII,有效提高了电流传输、输出阻抗和电压传输与控制。采用CSMC 0.5 μm CMOS工艺进行HSPICE仿真，结果显示设计的CCCII电路获得了良好的整体性能：电压跟随误差仅为0.03 dB,-3 dB带宽为21.6 MHz;电流传输误差几乎为0 dB,-3 dB带宽为23.5 MHz,X端的输入端电阻值为0.42 Ω。Z输出阻抗为472.5 kΩ；全电路功耗仅为1.648 mW.该CCCII可在很多应用中替换传统电压运放，应用于D/A、A/D转换器电路、有源滤波电路和各种运算电路，具有广泛的应用前景。