一種基于第二代電流傳輸器的積分器設計

鄧盼盼

（西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129）

近年來，電流模式電路在模擬信號處理中受到了廣泛的關注[1－3]，與傳統的電壓模式電路相比，電流模式電路具有速度高、頻帶寬、電源電壓低和功耗小等特點。第二代電流傳輸器（CCII）就是典型的電流模式電路的代表。第二代電流傳輸器作為最基本、最重要的積木塊被廣泛應用在通信系統電子電路、有源濾波器、模擬信號處理、A/D和D/A轉換器等許多方面。

RC積分器在集成電路系統中有重要的作用，經常運用于濾波器、信號發生器和各種控制電路中。模擬積分器的電路結構中多用運算放大器，由于級間電容和分布電容的客觀存在，此類電路的工作速度不可能很高，工作電壓及功耗也不可能很低。

電流傳輸器以電流作為輸入、輸出及信息傳輸的主要參數，工作速度很高（SR＞2 000 V/μs），而電源電壓很低（可達到1.5 V），具有動態范圍寬、非線性失真小、溫度穩定性好、抗干擾和噪聲能力強等優點[4]。

筆者介紹了一種基于CMOS第二代電流傳輸器（CCII）的電流模式積分器電路，其中的CCII模塊具有自偏置、寬帶、低功耗、電流和電壓的傳輸誤差小等優點，該電路的有較大的電流輸入范圍。

1 電路描述

1.1 第二代電流傳輸器模型

CCII是一個三端口的有源器件，拓撲結構如圖1所示，它確保了端口的兩大功能性:

1）Y和X端口間的電壓跟隨；

2）X和Z端口間的電流跟隨。

圖1 CCII電路符號Fig.1 Block representation of CCII

CCII的輸入輸出特性可用下列矩陣方程描述：

在理想情況下，α=1和β=1分別代表電流傳輸器的電流和電壓傳輸增益。

1.2 CMOS CCII 電路的設計

本文采用的是標準CMOS技術的低壓、寬帶、軌對軌、自偏置CCII電路[5]，如圖 2所示。

圖2 CMOS CCII電路圖Fig.2 CMOS CCII circuit

由于輸入電壓由MOS管的柵極輸入，所以該電路具有很高的輸入阻抗。該電路主要包括4個部分：

1）軌到軌輸入級：包含兩個差分對，其中一個是以NMOS管（M1和M2）為輸入對管，其正向共模輸入范圍很大，可以達到正電源，另一個是以PMOS管（M3和M4）為輸入對管，其負向共模能力很強，可以達到負電源。

2）緩沖級：是通過源隨器M13和M14來實現的，作用是為了提高X端的電壓跟隨能力同時保證在X端有低阻抗。

3）電流鏡：基本電流鏡M11和M 12是將 M13的電流復制到M12流入Z端，M15和M18是將M14的電流復制到Z端。另外，兩個電流鏡M5、M6和M7、M 8分別構成差分輸入電路的有源負載。

4）偏置電路：M 17～M 20為MOS分壓電阻，通過電流鏡M17和M10給NM OS差對提供尾電流，電流鏡M20和M9給PMOS差分對提供尾電流，整個電路從而不需加額外的偏置源。考慮到集成電路的隔離工藝，本電路中所有PMOS的襯底接VDD，所有NMOS的襯底接VSS。

電源電壓為±1.65 V，當在Y端輸入為高電平時，n型差分對M1和M2工作，由于MOS管的柵極不汲取電流，則有iY=0。設在Y端有小信號輸入，產生的漏極電流通過電流鏡M6 和 M5 鏡像到 M2，即有，iD1=iD5，iD5=iD6，可得 iD6=iD2=iD1。 設圖中M1、M2、M5、M6均工作在飽和狀態，兩個差分對的器件參數完全對稱，由晶體管飽和區的漏極電流

可知，uGS1=uGS2。因為M1和M2的源級相連，所以uS1=uS2，則可推出

同理，當Y端輸入為低電平時，有uX=uY。通過電流鏡M11、M12 和 M17、M18，可得：

1.3 電流積分器結構

由CCII和RC構成的電流積分器[4]如圖3所示。

假設電容C初始電壓為零，根據CCII端口特性得到：

圖3 RC積分器電路Fig.3 RC integrator circuit

上式表明，輸出電流I0為輸入電流Ii對時間的積分。積分器的電流增益為:

在對數坐標下，電流增益與輸入信號頻率成線性關系。

2 電路仿真

為了驗證電路的性質，對上述電路進行Hspice模擬仿真。仿真參數采用0.18 μm CMOS工藝參數。

2.1 CCII電路仿真

圖2中各MOS管的尺寸如表1所示。圖中電源電壓VDD=1.65 V，VSS= －1.65 V。

表1 晶體管寬長比Tab.1 Transistors aspects ratios

圖4和圖5分別為CCII的電壓跟隨和電流跟隨特性。由圖可見，電壓跟隨的線性范圍為－1.04～1.15 V，電流跟隨的線性范圍為－9.02～6.66 mA。

圖4 電壓傳輸特性Fig.4 Voltage transfer characteristics

圖5 電流傳輸特性Fig.5 Current transfer characteristics

在X端加幅值為100 μA的正弦交流信號時，在曲線較平坦的范圍內滿足 ix/iz=1.0022，－3 dB帶寬為 1.6 GHz，Z端輸出電流IZ跟隨IX交流傳輸頻域特性曲線如圖6所示。

圖6 CCII頻率特性Fig.6 CCII frequency characteristics

2.2 電流積分器輸出結果

按圖3連接積分器電路，其中R=10 kΩ，C=10 nF。

當Ii輸入頻率為1 kHz、幅度為10 μA的方波電流信號時，則輸出信號I0如圖7所示。

當Ii輸入頻率為1 kHz、幅度為10 μA的正弦波電流信號時，則輸出信號I0如圖8所示。

圖7 方波的積分Fig.7 Integration of square wave

積分器的頻率特性如圖9所示。可以看出，輸出信號的幅度以20 dB/decade的斜率下降，在低于3 MHz的頻段上保持在 90°。

圖8 正弦波的積分Fig.8 Integration of sine wave

圖9 積分器的頻率特性Fig.9 Integrator of frequency characteristics

3 結 論

文中介紹了一種基于電流傳輸器的電流模式積分器，討論了積分器中電流傳輸器的傳輸特性，應用Hspice軟件對其進行了仿真，結果表明：積分器的電流傳輸器模塊的電壓跟隨的線性范圍為－1.04～1.15 V，電流跟隨的線性范圍為－9.02～6.66 mA；該積分器能夠對方波和正弦波進行積分，也就驗證了電路的正確性；同時對積分器的頻率特性進行了分析，輸出信號的幅度以20 dB/decade的斜率下降，而相位在低于3 MHz的頻段上保持在90°。這一積分器能應用于濾波器、信號發生器等各種電流模式電路中。

[1]Ibrahim M A，Kuntman H，Cicekoglu O.A very highfrequency CMOS self-biasing complementary folded cascode differentialdifferencecurrentconveyorwith application examples[J].Midwest Symposium on Circuits and Systems，2002（1）:279－282.

[2]Falconi C，Ferri G，Stornelli V.Current-mode high-accuracy high-precision CMOS amplifers[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems，2008，5（5）:394-398.

[3]Emre Arslan，Avni Morgul.Wideband Self-Biased CMOS CCII[J].IEEE，2008:217-220.

[4]趙玉山，周躍慶，王萍.電流模式電子電路[M].天津:天津大學出版社，2001.

[5]曾翠平，王衛東.一種寬帶自偏置CMOS CCII的設計[J].桂林電子科技大學學報，2009（10）:390-392.ZENG Cui-ping，WANG Wei-dong.Design of a wideband self-biased CMOS CCII[J].Journal of Guilin University of Electronic Technology，2009（10）:390-392.

[6]孫肖子，張企民.模擬電子技術基礎[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001.