電流傳輸器和單增益放大器被模擬設(shè)計(jì)人員大量使用，特別是在信號(hào)處理應(yīng)用和有源網(wǎng)絡(luò)結(jié)合方面[1]。電流傳輸器是繼運(yùn)算放大器之后出現(xiàn)的一種功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)部件，將其與其他電子元器件組合起來可以十分簡(jiǎn)便地構(gòu)成各種特定的電路結(jié)構(gòu)。FABRE A在1995年，提出了基于CCII結(jié)構(gòu)的CCIII[2，3]，CCIII可以被視為一個(gè)單增益的電流控制電流源電路。
    由于第三代電流傳輸器是一種電流模式電路，在精度、帶寬和轉(zhuǎn)換速率等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)電壓型運(yùn)算放大器（VOA）。CCIII由此應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)多種多功能濾波器及電感模擬和全通部件方面。CCIII采用基本電流鏡，由于基本電流鏡的線性度有限且輸出阻抗較低，使得DC和AC性能偏低。優(yōu)點(diǎn)是低增益誤差，高線性度和較寬的頻率響應(yīng)，而且Z端口的輸出阻抗較高。
    本文在原有CCIII電路的基礎(chǔ)上，改進(jìn)電流鏡結(jié)構(gòu)，應(yīng)用共源共柵電流鏡和改進(jìn)共源共柵電路組成的電流鏡，后一種電流鏡具有較大的輸出阻抗和良好的線性，基于這兩種電流鏡結(jié)構(gòu)提出了一種新型的CCIII雙輸出CMOS實(shí)現(xiàn)電路，仿真結(jié)果顯示該電路具有良好的線性，Z端口有很高的輸出阻抗和較好的輸入輸出電流增益。
1 電路設(shè)計(jì)
1.1 第三代電流傳輸器基本電路
    理想雙輸出第三代電流傳輸器的電路符號(hào)如圖1所示，式（1）為其理想端口特性矩陣[4]。矩陣中的正號(hào)表示電流流進(jìn)Z端，負(fù)號(hào)表示電流流出Z端口，用此來區(qū)分CCIII+和CCIII-。
 
    由圖1和式(1)可以看出，CCIII是一個(gè)四端口器件，端口X、Y均為電流輸入端，且電流方向相反。X端口的電壓跟隨Y端口電壓，Z+端口和Z-端口的電流均跟隨X端口的電流。

    CCIII的基本實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示，它由4個(gè)基本電流鏡(M5，M6)(M7，M8)(M13，M14)(M15，M16)和晶體管（M1-M4，M9-M12）組成，輸入端X，Y的電流分別經(jīng)輸出級(jí)晶體管M19-M20和M17-M18傳輸?shù)絑+和Z-。兩端口Z+和Z-的輸出電阻如式（2）：

    可見，CCIII基本電路的輸出阻抗是一個(gè)有限值，取決于輸出級(jí)MOS管的輸出電阻。CCIII的基本結(jié)構(gòu)模型在10 MHz頻率范圍內(nèi)雖然擁有很好的電壓和電流跟隨特性，但作為電流模式電路，其Z端口的輸出阻抗偏低，只有幾千歐，實(shí)際應(yīng)用中需要外接高阻值電阻完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換。這種現(xiàn)象可以通過改變CCIII電路結(jié)構(gòu)提高輸出電阻的方法加以改善。
1.2 高輸出阻抗電流鏡
    圖3列出4個(gè)選擇源電路。圖3（a）的共源共柵電流鏡在M4進(jìn)入三極管區(qū)域之前需要較大的輸入電壓（VGS1+VGS3）[5]，圖3（b）的威爾遜電流鏡[6]兩端的最小允許電壓與共源共柵電流鏡兩端的最小允許電壓相近，比其小一個(gè)MOS管的開啟電壓。其他兩個(gè)共源共柵電路需用較低的電源電壓 ，其中輸入電壓等同于單晶體管（M1）的柵源電壓。使用圖3（a）電路的弊端是它可能在晶體管進(jìn)入三極管區(qū)域之前降低輸出信號(hào)幅度的最大值，而圖3（b）威爾遜電路的缺點(diǎn)是它的輸出電阻約為共源共柵電流鏡的一半。由于這個(gè)原因，共源共柵電流鏡一般比威爾遜電流鏡更受歡迎。

    圖3（c）的校準(zhǔn)共源共柵電流鏡[7]和圖3（d）的改進(jìn)共源共柵電流鏡很容易調(diào)節(jié)。電路的輸入電壓擺幅都很大，類似于最簡(jiǎn)單的雙晶體管電流鏡。圖3（c）中，M2的漏源電壓VDS2基本保持不變，這是因?yàn)閂GS3基本上保持不變。由于VGS1=VDS1，VDS1隨Iin的增加而增加，反之亦然。由于VDS2不變，無法忽略的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)使得Iout的變化小于Iin，故Iout/Iin的比率是Iin的單調(diào)遞減函數(shù)。
    在圖3（d）中，M3和M4之間的柵電壓基本上保持不變是因?yàn)榉€(wěn)定電流Io驅(qū)動(dòng)VGS2時(shí)保持穩(wěn)定。當(dāng)M4的寬長(zhǎng)比比M3的寬長(zhǎng)比大得多時(shí)，VGS4的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VGS3的變化，而此時(shí)M3的耗盡層電壓隨M1的耗盡層電壓的變化而變化。因此，該圖中Iout/Iin的比率基本保持不變，即Iout變量接近Iin變量的各種值。為此，圖3（d）改進(jìn)共源共柵電流鏡中的電流傳遞函數(shù)比圖3（c）校準(zhǔn)共源共柵電流鏡中的電流傳遞函數(shù)更線性化。
1.3 基于改進(jìn)共源共柵電流鏡的CCIII
    為了進(jìn)一步提高電路的性能，在基于基本電流鏡的CCIII電路的基礎(chǔ)上提出了基于共源共柵電流鏡和改進(jìn)共源共柵電流鏡的CCIII電路。具體電路如圖4所示。

    該傳輸器基于共源共柵電流傳輸器和4個(gè)改進(jìn)共源共柵電流鏡(M18，M27，M34，M29，IREF1)和(M20，M32，M36，M30，IREF2)(M17，M21，M33，M23，IREF1)以及（M19，M26，M35，M24，IREF2）組成，輸入端X、Y的電流分別經(jīng)輸出級(jí)晶體管(M19，M20，M26，M32)和(M17，M18，M21，M27)傳輸?shù)絑+和Z-。
    圖4中晶體管M33、M34、M35、M36扮演的角色和圖3（d）中的M2是一樣的，從圖4可以看出，傳輸器電路的電流鏡傳輸信號(hào)只沿一個(gè)方向，傳輸器也沒有內(nèi)部頻率補(bǔ)償電容，故電路中的電容比普通傳輸器電路的電容小得多。
2 電路仿真
    本文采用TMSC 0.35 ?滋m CMOS工藝，電源電壓VDD=2.5 V，VSS＝-2.5 V，應(yīng)用Hspice在LEVEL49模型參數(shù)下對(duì)圖4中的電路的主要特性參數(shù)Vx/Vy和Iz/Ix，輸出電阻等都進(jìn)行仿真。
    電壓和電流的直流傳輸特性分別如圖5(a)和圖5(b)所示。圖5(a)中從端口Y輸入電壓，從端口X輸出電壓。X端帶有負(fù)載電阻，輸出端Z接地。仿真結(jié)果顯示在-1.5 V～1.3 V范圍內(nèi)Vx和Vy線性度較好。圖5(b)中端口X和Z短路。從仿真結(jié)果可以看出，Iz+max=1.5 mA，Iz+min=-1.5 mA，Iz-max＝1.3 mA，Iz-min=-1.4 mA。

    電壓和電流的頻率響應(yīng)分別如圖6(a)和圖6(b)所示，電壓Vx/Vy，Iz+/Ix，Iz-/Ix的f-3 db的截止頻率分別為183.2 MHz、103.4 MHz、93.4 MHz。

    由于在實(shí)際中CCIII的阻抗Zz+、Zz-和Zy不可能為無窮大，而Zx不可能為零，因此，考慮到電流電壓量相對(duì)于理想值的偏移，各端口偏差系數(shù)為α=Iy/Ix，β=Vx/Vy，γ=Iz+/Ix，δ=Iz-/Ix。所有仿真結(jié)果見表1。

    目前電流傳輸器已發(fā)展到第三代。本文在CCIII基本電路的基礎(chǔ)上，提出了一種基于共源共柵電流鏡和改進(jìn)共源共柵電流鏡的新型電流傳輸器，該電流鏡能明顯增大Z端口的輸出電阻，提高電流線性。本文采用TMSC 0.35 μm工藝，應(yīng)用HSPICE對(duì)改進(jìn)后的電路進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示電路的輸出電阻明顯增大，電壓和電流線性度和增益精度也有很大改善。
參考文獻(xiàn)
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