電流控制傳送器研究進展

李亨王麗萍王明磊

（1.機械工業第六設計研究院，河南鄭州450007；2.河南科技大學電子信息工程學院，河南洛陽471003）

1.引言

隨著超大規模集成電路理論和工藝的發展，電流模式電路以其高頻性能好、高速、低功耗、適合并行運算等特點，引起了人們廣泛的關注。電流傳送器尤以其獨特的電流傳輸特性、良好的高頻性能、很強的通用性和靈活性而廣泛應用于各種有源網絡的實現和VLSI中[1]。

2.電流傳送器

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

2.1 理想電流傳送器特性

電流傳送器(Current Conveyor；簡稱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。其一般表達式如式(1)。a的取值代表Y端和X端電流的比例關系；b的取值表示在輸入電流IX不變的基礎上X端與Y端的電壓差；c的正負不同可定義Z端電流的方向，表達式如（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，對應的a=0，b=0。

2.2 電流傳送器的實際特性

實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端有一個寄生電阻（約為幾十歐至一百多歐）而傳輸特性并沒有考慮這個電阻，此缺點使得X與Y端的電壓跟隨無法達到理想要求，這就導致了基于CCII的傳輸函數出現誤差。

1995年法國學者Fabre等人利用雙極型晶體管的線性互導（Translinear Loop）特性，使得X端寄生電阻RX的大小可以通過偏置電流I0調節，實現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用擴展到了電調諧功能領域。具體關系如式（2），其中VT是熱電壓。

3.1 混合跨導線性回路實現CCCII內部的電壓跟隨器

靜態跨導線性回路是CCII乃至CCCII中最為關鍵的基本單元之一，CCCII的特點也是由靜態跨導線性回路的特性所決定的。當在單片集成電路上設計圖2所示PNP與NPN混合跨導線性回路時，可認為對于Q1至Q4，其電流密度JSi和面積Ai都相同。當存在其它的電路使得Q2和Q4的CB端電壓為0V。易知當每個管時β＞＞1，利用跨導線性回路有：

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

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

3.2 基于BJT的CCCII的實現原理

基于雙極管跨導線性回路的正電流控制傳送器的電路實現，如圖3所示。混合跨導線性回路Q9至Q13組成了兩個鏡像電流源，提供電路所需的兩個直流偏置電流源I0。Z端則使用傳統的方法，通過由Q5至Q8組成的兩個互補電流鏡實現對X端電流的復制。

混合跨導線性回路Q1至Q4則組成了一個如圖2所示的電壓跟隨器，使得，顯然此時的X端寄生電阻這樣CCII原來的電壓傳輸誤差在CCCII中可以通過改變直流偏置電流I0實現調節。

4.基于CM O S的電流控制傳送器

利用MOS管在亞閾值區，短接基極與源極時IDS與VGS的指數關系可以構成跨導線性回路。并且可以利用此種工作狀態的MOS管完成對應的電壓跟隨器的設計，進而完成基于CMOS技術的電流控制傳送器的設計。

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，完成電壓跟隨器的功能。通過M16至M19充當的有源電阻，使得M1和M3工作在亞閾值區，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滿足對應條件時M2和M4也工作在亞閾值區。此時的寄生電阻為

5.基于Bi CM O S的CCCII實現

BiCMOS(Bipolar CMOS)是CMOS和雙極器件同時集成在同一塊芯片上的技術，其基本思想是以CMOS器件為主要單元電路，而在要求驅動大電容負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、低功耗的優點，又獲得了雙極電路高速、強電流驅動能力的優勢。

圖5電路中利用雙極型的跨導性好的特點，混合跨導線性回路的電壓跟隨器使用β＞＞1的Q1至Q4的雙極型三極管實現；利用CMOS鏡像電流源的電路輸出電阻大的特點，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，提供直流偏置電流I0來減小噪聲，電路中噪聲的主要來源是電流鏡。

6.結論

電流傳送器作為一種具有多種功能且與運算放大器相似的基本電路器件，其獨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。由電流傳送器構成有源器件的電路系統，在簡化結構、降低功耗、擴展頻域等方面有很好的作用，其構成的濾波器、放大器、振蕩器等電路開始在很多領域，特別是移動通訊、測量中受到重用。

[1]邱關源.現代電路理論[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，Fabre 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.