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CCIII,CCIII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,在精度、带宽和转换速率等方面均优于传统电压型运算放大器(VOA)。CCIII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。CCIII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。
图列出4个选择源电路。图(a)的共源共栅电流镜在M4进入三极管区域之前需要较大的输入电压(VGS1+VGS3),图(b)的威尔逊电流镜[6]两端的最小允许电压与共源共栅电流镜两端的最小允许电压相近,比其小一个MOS管的开启电压。其他两个共源共栅电路需用较低的电源电压 ,其中输入电压等同于单晶体管(M1)的栅源电压。使用图(a)电路的弊端是它可能在晶体管进入三极管区域之前降低输出信号幅度的值,而图(b)威尔逊电路的缺点是它的输出电阻约为共源共栅电流镜的一半。由于这个原因,共源共栅电流镜一般比威尔逊电流镜更受欢迎。
图(c)的校准共源共栅电流镜和图(d)的改进共源共栅电流镜很容易调节。电路的输入电压摆幅都很大,类似于最简单的双晶体管电流镜。图(c)中,M2的漏源电压VDS2基本保持不变,这是因为VGS3基本上保持不变。由于VGS1=VDS1,VDS1随Iin的增加而增加,反之亦然。由于VDS2不变,无法忽略的沟道长度调制效应使得Iout的变化小于Iin,故Iout/Iin的比率是Iin的单调递减函数。
在图(d)中,M3和M4之间的栅电压基本上保持不变是因为稳定电流Io驱动VGS2时保持稳定。当M4的宽长比比M3的宽长比大得多时,VGS4的变化远远小于VGS3的变化,而此时M3的耗尽层电压随M1的耗尽层电压的变化而变化。因此,该图中Iout/Iin的比率基本保持不变,即Iout变量接近Iin变量的各种值。为此,图(d)改进共源共栅电流镜中的电流传递函数比图(c)校准共源共栅电流镜中的电流传递函数更线性化。
理想双输出第三代电流传输器的电路符号如图1所示,式(1)为其理想端口特性矩阵。矩阵中的正号表示电流流进Z端,负号表示电流流出Z端口,用此来区分CCIII+和CCIII-。
由图1和式(1)可以看出,CCIII是一个四端口器件,端口X、Y均为电流输入端,且电流方向相反。X端口的电压跟随Y端口电压,Z+端口和Z-端口的电流均跟随X端口的电流。
CCIII的基本实现电路如图2所示,它由4个基本电流镜(M5,M6)(M7,M8)(M13,M14)(M15,M16)和晶体管(M1-M4,M9-M12)组成,输入端X,Y的电流分别经输出级晶体管M19-M20和M17-M18传输到Z+和Z-。两端口Z+和Z-的输出电阻如式(2):
可见,CCIII基本电路的输出阻抗是一个有限值,取决于输出级MOS管的输出电阻。CCIII的基本结构模型在10 MHz频率范围内虽然拥有很好的电压和电流跟随特性,但作为电流模式电路,其Z端口的输出阻抗偏低,只有几千欧,实际应用中需要外接高阻值电阻完成电流到电压的转换。这种现象可以通过改变CCIII电路结构提高输出电阻的方法加以改善。