關(guān)鍵詞： 共源共柵；電流鏡；電流控制；電流傳輸器
自從1970年CCII問(wèn)世后，其作為電流模式處理信號(hào)中的一個(gè)不可或缺的組成部分，被廣泛運(yùn)用于各種模擬集成電路設(shè)計(jì)中，但由于其X端有一個(gè)寄生電阻（約為10歐姆到100多歐姆)而傳輸特性并沒(méi)有考慮這個(gè)電阻，此缺點(diǎn)使得X與Y端的電壓跟隨無(wú)法達(dá)到理想要求，從而就導(dǎo)致了基于CCII的傳輸函數(shù)出現(xiàn)誤差。針對(duì)此缺陷，1996年法國(guó)學(xué)者Fabre在CCII電路基礎(chǔ)上提出CCCII[1]。它除了具有CCII動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好、功耗低、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)外，還具備了CCII所不具備的2個(gè)特點(diǎn)：(1)電控性。即可以通過(guò)外接電流控制X端的內(nèi)部電阻，進(jìn)而控制CCCII的端口特性；(2)CCCII把X端的寄生電阻納入到端口特性中，從而減小了CCII中X端寄生電阻導(dǎo)致的電壓跟隨誤差。
但到目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者所采用的電路均為Fabre提出的CCCII，該電路由跨導(dǎo)線性環(huán)電路和基本電流鏡構(gòu)成。而共源共柵電流鏡相對(duì)于基本電流鏡而言，存在2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)電流傳輸精度較高；(2)輸出阻抗較高，所以對(duì)基于共源共柵電流鏡的CCCII進(jìn)行研究非常有意義。本文介紹了共源共柵電流鏡，并用共源共柵電流鏡實(shí)現(xiàn)了CCCII電路。
1 CCCII端口特性及基于基本電流鏡的CMOS CCCII電路
圖1為CCCII的電路符號(hào)[2]，圖中IB為外加偏置電流，Y端為電壓信號(hào)輸入端，X端為電壓跟隨端，Z端為電流輸出端，理想端口特性可表示為：
從而CCCII具有可電控性。由式(1)可知，由于將RX納入端口特性，所以對(duì)于CCCII而言，減小了電壓跟隨誤差。
圖2為基于基本電流鏡的CCCII電路，它包括M1～M4組成的跨導(dǎo)線性環(huán)電路，而M5～M7、M8～M9、M10～M11、M12～M13為基本電流鏡[3]。由圖可知，輸出端Z與基本電流鏡輸出M11、M13相連，其輸出阻抗較低；基本電流鏡M5～M7、M8～M9向跨導(dǎo)線性環(huán)電路傳輸偏置電流IB，由于基本電流鏡輸出阻抗較低，使得偏置電流IB傳輸?shù)娇鐚?dǎo)線性環(huán)電路中的比例較少。文中將圖2中基本電流鏡全部換成共源共柵電流鏡，不僅能增大輸出阻抗，而且還能增大傳輸精度。
2 基本電流鏡與共源共柵電流鏡
電流型結(jié)構(gòu)的電路性能很大程度上取決于其使用的電流鏡性能[4]。通常期望一個(gè)電流鏡能夠擁有較高的電流傳輸精度、較高的輸出電阻、較低的輸入電壓以及最小輸出電壓。
圖3中所示的基本電流鏡由于自身存在的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，很難達(dá)到較高的電流傳輸精度以及較高的輸出電阻。而圖4中所示的共源共柵電流鏡則能夠獲得比普通電流鏡更高的電流傳輸精度和輸出電阻。
首先，圖3中所示的基本電流鏡和圖4中所示的共源共柵電流鏡的小信號(hào)輸出電阻分別表示如下：
通過(guò)對(duì)共源共柵電流鏡進(jìn)行小信號(hào)模型分析，很容易得到共源共柵電流鏡的輸出電阻比基本電流鏡的輸出電阻大的多。
其次，對(duì)于圖3中的基本電流鏡可以得出：
雖然VDS1=VGS1=VGS2，但由于M2輸出端負(fù)載的影響，VDS2卻可能不等于VGS2。因此Iout與Iin之間存在較大的誤差。
而共源共柵電流鏡可以很好地抑制溝道長(zhǎng)度調(diào)制的影響，通過(guò)使(W/L)3/(W/L)0=(W/L)2/(W/L)1則可以使Iout非常接近Iin。也就是說(shuō)共源共柵電流鏡相對(duì)于基本電流鏡而言，具有更高的電流傳輸精度[5]。
3 提出的基于共源共柵電流鏡的CMOS CCCII
用共源共柵電流鏡實(shí)現(xiàn)圖2中的電流鏡，可得出基于共源共柵電流鏡的CMOS CCCII電路，如圖5所示。M1～M4構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)路實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器，M5～M8，M13～M15組成同相傳送電路，將X端電流Ix鏡像耦合到Iz。而M9～M12以及M17～M20構(gòu)成放大倍數(shù)為1的電流鏡，為跨導(dǎo)線性環(huán)提供直流偏置。
4 仿真
基于CSMC 0.5 μm CMOS工藝參數(shù)，運(yùn)用HSPICE仿真軟件[6]，對(duì)本文提出的CCCII進(jìn)行電路仿真，電路采用1.5 V電源供電。圖6是CCCII Y端和X端之間的大信號(hào)電壓傳輸特性，圖中各測(cè)試點(diǎn)是在X端接10 MΩ負(fù)載電阻，Z端接地的條件下取得的。在這種開(kāi)路測(cè)試條件下，只要保證M1～M4工作在亞閾值區(qū)，其他晶體管工作在飽和區(qū)，Vx就能很好地跟隨Vy。從圖6可以看出，基于共源共柵電流鏡的CCCII具有優(yōu)良的跟隨能力。對(duì)于X端加載的情況，只要由X端提供的電流不超過(guò)輸出級(jí)的電流提供能力，則大信號(hào)電壓增益保持不變。因此，在電路線性工作時(shí)，Y端和X端之間的大信號(hào)電壓增益是1.0 V/V。
圖7顯示了在上述大信號(hào)電壓傳輸特性相同的開(kāi)路測(cè)試條件下，從Y端到X端電壓增益的小信號(hào)頻率響應(yīng)。從圖7可以看出，直流跟隨誤差大約為0.03 dB，-3 dB帶寬為21.6 MHz。與輸入端有關(guān)的其他大信號(hào)參數(shù)：X端的輸入端電阻值為0.42 Ω，Y端的輸入電阻值大于10 MΩ，Z端輸出阻抗近似為327.6 kΩ。
為了觀察X端與Z端的電流傳輸精度，在X端和Z端分別連接400 Ω的接地阻抗，對(duì)Y端進(jìn)行-1.5 V~1.5 V掃描，得到的大信號(hào)電流傳輸曲線如圖8所示。如果不計(jì)任何失調(diào)電流誤差，則傳輸精度高達(dá)100%，有-0.3 mA~1.3 mA的電流驅(qū)動(dòng)能力。
圖9是從X端到Z端電流增益的小信號(hào)幅頻特性曲線。從圖中可以看出，幾乎沒(méi)有電流傳輸誤差，-3 dB帶寬為23.5 MHz。
電流控制電流傳輸器(CCCII)在電流模式信號(hào)處理電路中已成為最靈活和最通用的有源積木塊。本文提出的基于共源共柵電流鏡的CCCII，取代了傳統(tǒng)的基于基本電流鏡CCCII，有效提高了電流傳輸精度、輸出阻抗和電壓傳輸與控制。采用CSMC 0.5 μm CMOS工藝進(jìn)行HSPICE仿真，結(jié)果顯示設(shè)計(jì)的CCCII電路獲得了良好的整體性能：電壓跟隨誤差僅為0.03 dB，-3 dB帶寬為21.6 MHz；電流傳輸誤差幾乎為0 dB，-3 dB帶寬為23.5 MHz，X端的輸入端電阻值為0.42 Ω。Z輸出阻抗為472.5 kΩ；全電路功耗僅為1.648 mW。該CCCII可在很多應(yīng)用中替換傳統(tǒng)電壓運(yùn)放，應(yīng)用于D/A、A/D轉(zhuǎn)換器電路、有源濾波電路和各種運(yùn)算電路，具有廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1] FABRE A，SAAID O，BOUCHERRON C.High frequency applications based on a new current controlled conveyor[J]. IEEE transactions on circuits and system sI:Fundamental theory and applications，1996，43(2)：82291.
[2] MINAEI S，KAYMAK D，IBRAHIM M，et al.New CMOS configuration for current controlled conveyor(CCCIIs).In：1st IEEE international conference circuits and systems for communications，ICCSC.2002：62-65.
[3] Zouaoui-Abouda，F(xiàn)ABRE A.New high-value floating controlled resistor in CMOS technology.IEEE transactions on instrumentation and measurement，2006，55(3)：1017-1020.
[4] ALLEN P E，DOUGLAS R.CMOS 模擬集成電路設(shè)計(jì)[M]. 馮軍，李智群譯(第二版).北京：電子工業(yè)出版社，2005.
[5] Behzad Razavi.模擬CMOS 模擬集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，程軍，譯(第二版).西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.
[6] 鐘文耀，鄭美珠.CMOS電路模擬與設(shè)計(jì)—基于Hspice. 北京：科學(xué)出版社，2007.(收稿日期：2009-03-05)