摘  要： 提出了一種基于新型電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型CMOS電流控制電流傳輸器，電路由電流補(bǔ)償電流鏡和跨導(dǎo)線性環(huán)構(gòu)成。相對(duì)于以往提出的電流控制電流傳輸器，該電路具有更高的電流跟隨精度以及Z端輸出阻抗。采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝參數(shù)，在±1.2 V的供電電源條件下，用Spectre對(duì)電路進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：在50 μA的偏置電流下，電流的跟隨精度為1.004，-3 dB帶寬為200 MHz，Z端阻抗為2 MΩ。經(jīng)驗(yàn)證，該電路可用于設(shè)計(jì)可調(diào)諧連續(xù)時(shí)間電流模式濾波器。

　　關(guān)鍵詞： 電流補(bǔ)償電流鏡；跨導(dǎo)線性環(huán)；電流控制電流傳輸器；電流模式濾波器

0 引言

　　眾所周知，電流控制第二代電流傳輸器廣泛應(yīng)用于電流模式電路，但到現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用的多為傳統(tǒng)的CCCII，其傳輸精度以及輸出阻抗都不是很高[1]，限制了電路的應(yīng)用。一些文章針對(duì)傳統(tǒng)的CCCII做了一些改進(jìn)，例如參考文獻(xiàn)[2]采用共源共柵電流鏡提高電路的性能，但共源共柵電流鏡需要消耗較大的電壓余度。因此，本文針對(duì)以往CCCII的缺陷做了改進(jìn)，采用具有高精度、高輸出阻抗的電流補(bǔ)償電流鏡提高CCCII的性能，使改進(jìn)的CCCII在較低的電壓下具有更高的傳輸精度以及輸出阻抗，并將改進(jìn)電路應(yīng)用于可調(diào)電流模式濾波器設(shè)計(jì)。

　　1 新型電流補(bǔ)償電流鏡

　　圖1為基本電流鏡與新型電流補(bǔ)償電流鏡[3-5]的電路圖，對(duì)于新型電流鏡，當(dāng)輸出電壓增加時(shí)，由于溝道調(diào)制效應(yīng)，輸出電流會(huì)增加，這樣VGS3會(huì)增加，M3會(huì)吸收一部分誤差電流，導(dǎo)致M1的電流減小，從而減小M2管的電流誤差，同理當(dāng)輸出電壓比較小時(shí)，輸出電流會(huì)減小，M4的電流增大，M4的電流流入M1，M1電流增大，從而彌補(bǔ)了M2管由于溝道調(diào)制效應(yīng)減小了的那部分電流。正是由于這種對(duì)電流的調(diào)節(jié)作用，使得當(dāng)輸出電壓變化很大的時(shí)候，電流鏡依然能夠精確地傳輸電流，這也使得輸出端獲得了很高的輸出阻抗。

　　當(dāng)工作在較高頻率時(shí)，通過小信號(hào)模型分析兩種電流鏡傳輸特性，圖2給出新型電流鏡小信號(hào)模型。

　　對(duì)于基本電流鏡：

　　Cin1=Cgs1+Cgs2（1）

　　Iout/Iin=gm2/gm1（1+SCin1/gm1）（2）

　　對(duì)于電流補(bǔ)償電流鏡：

　　Iin=Vin[SCin2+gm1+gds1+gds3+gds4]+（gm3+gm4）Vout（3）

　　考慮M3、M4管對(duì)電路只進(jìn)行微調(diào)，（gm3+gm4）Vout忽略，另外Cgd對(duì)電路影響比較小可不計(jì)。

　　Iin≈Vin[SCin+gm1+gds1+gds3+gds4]（4）

　　Cin2=Cds1+Cgs1+Cds3+Cds4+Cgs2（5）

　　Iout≈gm2Vin（6）

　　Iout/Iin=gm2/（SCin2+gds1+gds3+gds4+gm1）（7）

　　在較低頻率下，基本電流鏡的輸出阻抗為：

　　Rout=ro2（8）

　　電流補(bǔ)償電流鏡的輸出阻抗為：

　　，Rout→∞，適當(dāng)調(diào)節(jié)M3，M4的寬長(zhǎng)比，即可得到很大的Rout。通過以上的理論分析及公示推導(dǎo)均可證明新型電流補(bǔ)償電流鏡具有更好性能。

　　2 CCCII端口特性及電路符號(hào)

　　圖3為CCCII電路符號(hào)，外加偏置電流IB可控制X端寄生電阻，Z、Z-分別表示同相輸出端和反向輸出端，理想端口特性可表示為：

3 基于新型電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型CCCII

　　改進(jìn)型的電流控制電流傳輸器[4-6]如圖4所示，M1~M4構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的CCCII，新型的CCCII加入了M5~M8，M9~M12，M13~M16，M17~M20四個(gè)新型的電流補(bǔ)償電流鏡。通過調(diào)節(jié)外接可調(diào)電阻R改變偏置電流IB的大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中電流的控制作用。由跨導(dǎo)線性環(huán)的原理可知，M1和M3漏極的電流誤差越小，電路的精度越高，但是由于溝道調(diào)制效應(yīng)，普通電流鏡往往達(dá)不到理想的傳輸精度，采用共源共柵電流鏡能提高精度卻要消耗過多的電壓余度。而圖4中的電流補(bǔ)償電流鏡利用電流補(bǔ)償?shù)脑肀苊饬藴系勒{(diào)制效應(yīng)的影響，且在較低電壓下就能工作，使電路獲得更高的傳輸精度。從圖1中又可知這種結(jié)構(gòu)電流鏡使其獲得了很高的輸出阻抗，將其應(yīng)用在圖4的輸出端，使Z端獲得了很高的輸出阻抗，由式（9）可知：

4 仿真結(jié)果及分析

　　基于SMIC 0.18 μm CMOS工藝，用Spectre對(duì)圖4中電路進(jìn)行模擬仿真。電源電壓采用±1.2 V。首先分析靜態(tài)特性，圖5給出了改進(jìn)型CCCII的直流跟隨特性曲線，X端電流范圍為±100 μA，圖5清楚顯示了改進(jìn)型的CCCII具有良好的電流跟隨精度。

　　然后分析交流傳輸特性，在IB=50 μA下，X端接    20 kΩ負(fù)載時(shí)，測(cè)得改進(jìn)型CCCII的電壓跟隨精度0.98，-3 dB帶寬分別為715 MHz。Z端接10 kΩ負(fù)載時(shí)，測(cè)得Z端跟隨X端的交流電流傳輸特性如圖6所示，傳統(tǒng)CCCII和改進(jìn)型CCCII的跟隨精度分別為0.97和1.004，  -3 dB帶寬分別為605 MHz和200 MHz。式（2）、（7）中傳輸函數(shù)構(gòu)成一階低通濾波器，式（7）中g(shù)m1>>gds1+gds3+

　　gds4，gm1+gds1+gds3+gds4≈gm1，特征頻率分別為o1=gm1/Cin1，o2=gm1/Cin2，采用電流補(bǔ)償電流鏡的CCCII具有更高的電流傳輸精度，但是電流傳輸?shù)?3 dB帶寬相對(duì)于傳統(tǒng)的CCCII有所減小，與理論分析相一致，iz1/ix1，iz2/ix2分別為傳統(tǒng)型和改進(jìn)型CCCII電流傳輸增益。

　　最后分析阻抗特性曲線，20 μA≤IB≤120 μA（10 kΩ≤R≤70 kΩ）時(shí)，電路正常工作，測(cè)試20 μA≤IB≤120 μA范圍內(nèi)Rx的變化，如圖7所示，電阻的可控范圍為441 Ω≤Rx≤1.17 kΩ。圖8給出了IB=50 μA時(shí)，Z端電壓在±200 mV范圍內(nèi)Z端電流的變化情況，可得傳統(tǒng)CCCII的Rz≈170 kΩ，改進(jìn)型CCCII的Rz≈2 MΩ，驗(yàn)證了前述的理論分析。

　　表1將圖4改進(jìn)型CCCII的性能參數(shù)與傳統(tǒng)CCCII、參考文獻(xiàn)[1]進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，在IB=50 μA條件下，改進(jìn)型電路的電流傳輸精度為1.004，Z端阻抗為     2 MΩ，優(yōu)于傳統(tǒng)CCCII及參考文獻(xiàn)[1]中的參數(shù)。

5 改進(jìn)型電路應(yīng)用于濾波器設(shè)計(jì)

　　參考文獻(xiàn)[7]中的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，將改進(jìn)型CCCII應(yīng)用于電流模式帶通濾波器[8]的設(shè)計(jì)驗(yàn)證了電路的性能。帶通濾波器的傳輸函數(shù)為：

　　式中Rx為CCCII X端寄生電阻，增益Ho=0.5，特征頻率品質(zhì)因子Q分別為：

　　令C1=100 pF，C2=400 pF，在IB分別為20 A（Rx= 1.17 kΩ）、45 A（Rx=688 Ω）、120 A（Rx=441 Ω）下測(cè)得f0的值為678 kHz、1.1 MHz、1.78 MHz，與理論值接近。帶通特性曲線如圖10所示。

6 結(jié)論

　　本文提出了基于新型電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型CCCII，相對(duì)于以往的CCCII，該電路具有更高的電流傳輸精度以及Z端輸出電阻。采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝參數(shù)，在供電電壓為±1.2 V下，用Spectre對(duì)電路進(jìn)行仿真，當(dāng)IB為50 μA時(shí)，vx/vy、iz/ix的-3 dB帶寬分別為715 MHz和200 MHz，跟隨精度分別為0.98和1.004，Z端阻抗為2 MΩ，功耗為0.495 mW。經(jīng)驗(yàn)證，提出的改進(jìn)型CCCII可用于設(shè)計(jì)可調(diào)諧連續(xù)時(shí)間電流模式濾波器。

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