基于新型CCCII的電流模式積分電路

摘要：介紹了電流模式電路的基本概念和發(fā)展概況，與電壓模式電路相比較，電流模式電路的主要性能特點(diǎn)。并介紹了廣泛應(yīng)用于各種電流模式電路的第二代電流控制電流傳輸器原件的跨導(dǎo)線性環(huán)特性和端口特性，以及其基本組成共源共柵電流鏡，并提出了基于共源共柵電流鏡的新型COMS電流傳輸器。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于電流控制電流傳輸器的電流模式積分電路，并利用Hspice軟件進(jìn)行輸入為正弦波和方波時(shí)的輸出波形的仿真驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：電流控制電流傳輸器；電流模式；共源共柵；Hspice；積分電路

在模擬電子電路中，人們長(zhǎng)久以來(lái)習(xí)慣于采用電壓作為信號(hào)變量，并通過(guò)處理電壓信號(hào)來(lái)決定電路的功能。因此促成了大量電壓信號(hào)處理電路，或者稱為電壓模式電路的誕生和發(fā)展。
但是，隨著被處理信號(hào)的頻率越來(lái)越高，電壓型運(yùn)算放大器的固有缺點(diǎn)開始阻礙它在高頻、高速環(huán)境中的應(yīng)用。電壓型運(yùn)算放大器的缺點(diǎn)之一，它在-3 dB閉環(huán)寬帶與閉環(huán)增益的乘積是常數(shù)，當(dāng)寬帶向高頻區(qū)域擴(kuò)展時(shí)，增益成比例下降；缺點(diǎn)之二，它在大信號(hào)下輸出電壓的最高轉(zhuǎn)換速率很低，一般只有0．2～20 V／μs。
在近些年來(lái)，以電流為信號(hào)變量的電流在信號(hào)處理中的巨大潛在優(yōu)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)被挖掘出來(lái)，促成了一種新型電路——電流模式電路的發(fā)展。人們發(fā)現(xiàn)，電流模式電路可以解決電壓模式電路所遇到的一系列難題，在速度、帶寬、動(dòng)態(tài)范圍等方面獲得更加優(yōu)良的性能。

1 第二代電流控制電流傳輸器 CCCII
第二代電流控制電流傳輸器元件起源CCII，但是由于CCII內(nèi)部電路的輸入端X端與Y端存在一個(gè)寄生電阻，而傳輸特性并沒(méi)有考慮這個(gè)電阻，從而造成CCII的X端與Y端的電壓跟蹤無(wú)法達(dá)到理想的程度，而CCCII就是利用X端的寄生電阻受到內(nèi)部直流偏壓控制的特性以達(dá)到電壓可調(diào)的特性。
1996年，學(xué)者Alain Fabre等人基于跨導(dǎo)線性環(huán)特性提出了第二代電流控制電流傳輸器電路，而隨后的CCCII電路基本上也都是基于跨導(dǎo)線性環(huán)特性實(shí)現(xiàn)的。
1．1 線性跨導(dǎo)原理
跨導(dǎo)線性電路的主要性能是借助于雙極性晶體管的跨導(dǎo)參數(shù)與其集電極電流成正比關(guān)系得到的?？鐚?dǎo)參數(shù)與其集電極電流之間的比例關(guān)系為：在一個(gè)含有偶數(shù)個(gè)正向偏置發(fā)射結(jié)，且排列成順時(shí)針?lè)较蚪Y(jié)的數(shù)目和反時(shí)針?lè)较蚪Y(jié)的數(shù)目相等的閉環(huán)中，順時(shí)針?lè)较虬l(fā)射電流密度之積等于反時(shí)針?lè)较虬l(fā)射結(jié)電流密度之積。
對(duì)于雙極性晶體管，集電極電流Ic與基-射結(jié)電壓VBE之間的關(guān)系是它的核心關(guān)系。這種關(guān)系可以表示為：

式(1)中：VT是熱電壓，在常溫下其值約26 mV；反向飽和電流，它對(duì)溫度敏感，每提高1攝氏度增加約9．5％，同時(shí)，近似于發(fā)射區(qū)面積成正比。對(duì)式(1)求微分，可以得到：

式(2)表明，理想BJT的跨導(dǎo)gm是集電極靜態(tài)電流的線性數(shù)IC，這是由于IC與VBE之間具有對(duì)數(shù)關(guān)系的結(jié)果。在一個(gè)包含n個(gè)BJT基-射結(jié)的閉合環(huán)路中，采用某種方法使其正向偏置而導(dǎo)通，則結(jié)電壓之和應(yīng)等于零，即：

圖1給出了一個(gè)簡(jiǎn)化TL環(huán)路，它包含4個(gè)PN結(jié)，每個(gè)PN結(jié)實(shí)際代表環(huán)路中每個(gè)BJT的基一射結(jié)，每個(gè)結(jié)上標(biāo)出的電流過(guò)結(jié)的正向偏置電流，即BJT的集電極電流IC。

把式(2)代入式(3)，將VBE加以替換得：

式中：Isj代表每個(gè)結(jié)的反向飽和電流，由于每個(gè)結(jié)的發(fā)射區(qū)面積可能不同，也可以有不同極性的BJT組成，因圖簡(jiǎn)化TL環(huán)路，所以Isj可能是不相等的；Vtj代表每個(gè)結(jié)的熱電壓，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用電路，可以假定所有結(jié)的熱電壓相等。因此，式(4)可以表示為：

一系列對(duì)數(shù)之和為零可以改寫成一系列乘積項(xiàng)為1，因此式(5)可以寫成：

為實(shí)現(xiàn)式(5)的環(huán)路內(nèi)節(jié)點(diǎn)電壓值和為零及IC／IS電流比的對(duì)數(shù)和為零，在維持合理的工作電流的同時(shí)，TL環(huán)路必須是成對(duì)的，那么它滿足兩個(gè)基本條件，即：TL環(huán)路內(nèi)的結(jié)點(diǎn)數(shù)必須是偶數(shù)個(gè)；面向順時(shí)針排列和面向逆時(shí)針?lè)较蚺帕械慕Y(jié)數(shù)必須相等。設(shè)TL環(huán)路是對(duì)稱的，滿足上述兩個(gè)條件，則式(6)可以另外表示為：

公式左右雙方分別為順時(shí)針和逆時(shí)針排列的正偏發(fā)射結(jié)的IC／IS項(xiàng)的乘積。由于TL環(huán)路中的發(fā)射結(jié)反向飽和電流ISK與發(fā)射區(qū)的面積成正比，因此可將ISK表示為：ISK=AKJSK，AK是第K個(gè)結(jié)的發(fā)射區(qū)面積，JSK是與幾何結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的反向飽和電流密度，假設(shè)每個(gè)結(jié)JSK的是相等的，因此式(7)可以重寫為：