隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，低壓低功耗設(shè)計技術(shù)成為普遍關(guān)注的焦點，然而，低電壓給模擬集成電路設(shè)計帶來了諸多的挑戰(zhàn)。為了解決輸入端閾值電壓的影響和輸出信號的電壓幅度問題，人們提出了以電流模電路取代電壓模電路的設(shè)計策略，并取得了良好的效果。其中，電流傳輸器就是電流模電路結(jié)構(gòu)的代表之一。
    第一代電流傳輸器通常用從X輸入端到Y(jié)輸入端的反饋獲得IY=IX，它具有減小X端輸入電阻的作用，當(dāng)VY=0時，該輸入電阻非常小，可以作為輸入級用于接口芯片和高速傳輸系統(tǒng)中。后來，人們不斷改進電路結(jié)構(gòu)，從電流傳輸器的動態(tài)范圍、跟隨特性等方面進行完善，以形成第二代電流傳輸器。
    本文首先把第二代電流傳輸器(CCTT)應(yīng)用于電抗器件的設(shè)計，以小的容抗實現(xiàn)大容抗等效，從而避免了集成模擬電路設(shè)計中大電容的使用以節(jié)省芯片面積；以容抗實現(xiàn)感抗等效變換，避免了制作片上螺旋電感復(fù)雜的工藝步驟。另外，將第二代電流傳輸器應(yīng)用于頻率變換電路，大大提高模擬芯片的設(shè)計效率。

1 第二代電流傳輸器結(jié)構(gòu)
    圖1是為了改善(CCII)低電壓工作時輸入電壓的線性范圍，而采用CMOS工藝實現(xiàn)的電路原理圖。輸入級完成X端和Y端之間的跟隨。為了有利于低功耗工作，輸出級由兩級AB類放大器組成。其中，第一級為一個簡單的反相放大器，執(zhí)行反饋動作以減小X端的輸入電阻；第二級完成由X端到1端的電流傳輸。利用附加的電流鏡把電流反相并傳輸?shù)?端，其圖形符號如圖2所示。

    第二代電流傳輸器的關(guān)系式為：
   
2 第二代電流傳輸器的應(yīng)用
2．1 基于第二代電流傳輸器的電抗倍增器
    為了用較小的電容，通過有源網(wǎng)絡(luò)進行阻抗變換來獲得較大的電容，由跨導(dǎo)運算放大器、無源元件和CCII經(jīng)過適當(dāng)連接成兩種有源網(wǎng)絡(luò)(見圖3)，分別為浮地阻抗變換器和接地阻抗變換器。

    所含跨導(dǎo)運算放大器(OTA)的輸入／輸出關(guān)系如下：
   
    式中：iout為輸出電流；gm為跨導(dǎo)(受偏置控制)；vP，vN分別為正、負(fù)輸入端的輸入電壓。
    由OTA和CCII的構(gòu)成關(guān)系得到節(jié)點2的電壓為：
   
2．1．1 有源電容倍增器
    當(dāng)Z1與Z2分別選用電阻R、電容C時，，有源網(wǎng)絡(luò)等效為一個容量為Ceq=gmRC的電容，該電容較原電容C，放大了gmR倍，大大提高了等效容量，稱該電路為有源電容倍增器。考慮電容C的等效串聯(lián)電阻r，按上述步驟重新推導(dǎo)得等效輸入阻抗為：
   
    可見，該有源電容倍增器等效成為一個電容和一個電阻串聯(lián)，其中電容容量為Ceq=gmRC，電阻阻值為，等效后電容是原電容gmR，而等效后電阻只有原電阻，品質(zhì)因素并沒有改變。
2．1．2 有源電抗轉(zhuǎn)換倍增器
    當(dāng)Z1與Z2分別選用電容C、電阻R時，Zin(s)=s(RC)／gm，有源網(wǎng)絡(luò)等效為一個電感，電感量為Leq=RC／gm。適當(dāng)調(diào)節(jié)跨導(dǎo)gm，改變與R的比值，可以得到較大電感，稱該電路為有源電抗轉(zhuǎn)換倍增器；考慮電容C的等效串聯(lián)電阻r，注意到實際電路中R>>r，按上述步驟重新推導(dǎo)可得等效輸入阻抗為：
   
    所以，該有源電抗轉(zhuǎn)換倍增器可以實現(xiàn)電抗到感抗的變換，但其品質(zhì)因素很小。
    另外，由于跨導(dǎo)放大器的gm值受偏置電流IB或偏置電壓VB的控制，電抗倍增器的放大倍數(shù)與gm成比例關(guān)系，因此，即使該倍增電路的所有元件參數(shù)都確定下來，在實際應(yīng)用中仍然可以通過調(diào)整跨導(dǎo)放大器的偏置來調(diào)節(jié)電抗的倍數(shù)，以達(dá)到對等效電抗的在系統(tǒng)調(diào)控，使得應(yīng)用更具有靈活性。
2．2 基于第二代電流傳輸器頻率變換電路的設(shè)計
2．2．1 第二代電流傳輸器頻率變換電路的原理
    用一個四管差分跨導(dǎo)輸入級和2個CCII組成乘積型電流傳輸器，如圖4所示。

    這是全差分的電路結(jié)構(gòu)(即輸入與輸出信號均為差分形式)，以獲得前置差分電阻的良好線性，根據(jù)式(1)，有：vX=vY及iZ=-iX，則電壓的傳輸關(guān)系為：
   
    式中：W／L為差分跨導(dǎo)輸入管的寬長比；常數(shù)K=μCox，μ，Cox分別為溝道中載流子的平均遷移率及單位面積柵氧化層的電容。這種全差分電流傳輸器實現(xiàn)了兩個電壓差分信號的乘積輸出，且具有自動失調(diào)取消的功能。
2．2．2 頻率變換電路的功能模擬
    在27℃和±2．5 V電源電壓下利用Candence Spectre對圖4電路的倍頻功能進行仿真。圖5是兩輸入信號均為40 MHz正弦波、輸出信號為80 MHz正弦波的仿真波形圖，其中上方為波形輸入信號，下方波形為輸出信號。

    圖6是兩輸入信號分別為100 kHz和10 MHz的正弦波、輸出信號為調(diào)幅波的仿真圖，上方和中間波形為輸入信號，下方波形為輸出的調(diào)幅信號。

    乘積型電流傳輸器利用兩輸入信號相乘，輸出邊帶信號的方法來實現(xiàn)倍頻(如圖5為上邊帶信號，頻率為輸入信號頻率的2倍)、抑制載波的平衡式調(diào)幅(圖6為雙邊帶信號，上邊頻兩輸入信號的和頻，下邊頻為兩輸入信號的差頻)，如果在百兆級頻率內(nèi)任意輸入兩個信號，輸出經(jīng)高通濾波器或低通濾波器取出其中一個邊頻，便實現(xiàn)了兩信號的混頻。以上仿真表明，用一個四管差分跨導(dǎo)輸入級和兩個CCII組成乘積型電流傳輸器能夠在百兆級帶寬范圍內(nèi)正確地施行頻譜的線性搬移。在混頻、倍頻和幅度調(diào)制電路系統(tǒng)中，有著廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié)語
    本文分別結(jié)合OTA和四管差分跨導(dǎo)輸入電路，以CCII為核心設(shè)計了有源電容器、有源電感器以及倍頻、幅度調(diào)制器。特別是實現(xiàn)了容抗到感抗的轉(zhuǎn)換，為有源電感的設(shè)計提供了新的思路。以上各部分的分析與仿真表明：第二代電流傳輸器在設(shè)計電抗器件和頻率變換電路具有通用性。把CCII用于模擬集成電路設(shè)計，是電流模電路在通信芯片應(yīng)用的有益嘗試。