隨著集成電路技術的發(fā)展，低壓低功耗設計技術成為普遍關注的焦點，然而，低電壓給模擬集成電路設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構的代表之一。
第一代電流傳輸器通常用從X輸入端到Y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中。后來，人們不斷改進電路結構，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)應用于電抗器件的設計，以小的容抗實現大容抗等效，從而避免了集成模擬電路設計中大電容的使用以節(jié)省芯片面積；以容抗實現感抗等效變換，避免了制作片上螺旋電感復雜的工藝步驟。另外，將第二代電流傳輸器應用于頻率變換電路，大大提高模擬芯片的設計效率。
1 第二代電流傳輸器結構
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到2端，其圖形符號如圖2所示。
第二代電流傳輸器的關系式為：
2 第二代電流傳輸器的應用
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，通過有源網絡進行阻抗變換來獲得較大的電容，由跨導運算放大器、無源元件和CCII經過適當連接成兩種有源網絡(見圖3)，分別為浮地阻抗變換器和接地阻抗變換器。
所含跨導運算放大器(OTA)的輸入／輸出關系如下：
式中：iout為輸出電流；gm為跨導(受偏置控制)；vP，vN分別為正、負輸入端的輸入電壓。
由OTA和CCII的構成關系得到節(jié)點2的電壓為：
2．1．1 有源電容倍增器
當Z1與Z2分別選用電阻R、電容C時，
，有源網絡等效為一個容量為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?？紤]電容C的等效串聯電阻r，按上述步驟重新推導得等效輸入阻抗為：
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，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，品質因素并沒有改變。
2．1．2 有源電抗轉換倍增器
當Z1與Z2分別選用電容C、電阻R時，Zin(s)=s(RC)／gm，有源網絡等效為一個電感，電感量為Leq=RC／gm。適當調節(jié)跨導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換倍增器；考慮電容C的等效串聯電阻r，注意到實際電路中R>>r，按上述步驟重新推導可得等效輸入阻抗為：
所以，該有源電抗轉換倍增器可以實現電抗到感抗的變換，但其品質因素很小。
另外，由于跨導放大器的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與gm成比例關系，因此，即使該倍增電路的所有元件參數都確定下來，在實際應用中仍然可以通過調整跨導放大器的偏置來調節(jié)電抗的倍數，以達到對等效電抗的在系統調控，使得應用更具有靈活性。
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構(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，根據式(1)，有：vX=vY及iZ=-iX，則電壓的傳輸關系為：
式中：W／L為差分跨導輸入管的寬長比；常數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了兩個電壓差分信號的乘積輸出，且具有自動失調取消的功能。
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任意輸入兩個信號，輸出經高通濾波器或低通濾波器取出其中一個邊頻，便實現了兩信號的混頻。以上仿真表明，用一個四管差分跨導輸入級和兩個CCII組成乘積型電流傳輸器能夠在百兆級帶寬范圍內正確地施行頻譜的線性搬移。在混頻、倍頻和幅度調制電路系統中，有著廣闊的應用前景。
3 結語
本文分別結合OTA和四管差分跨導輸入電路，以CCII為核心設計了有源電容器、有源電感器以及倍頻、幅度調制器。特別是實現了容抗到感抗的轉換，為有源電感的設計提供了新的思路。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計，是電流模電路在通信芯片應用的有益嘗試。