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。

    在模擬電子電路中，人們長久以來習(xí)慣于采用電壓作為信號變量，并通過處理電壓信號來決定電路的功能。因此促成了大量電壓信號處理電路，或者稱為電壓模式電路的誕生和發(fā)展。

    但是，隨著被處理信號的頻率越來越高，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，以電流為信號變量的電流在信號處理中的巨大潛在優(yōu)點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)被挖掘出來，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。

    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。跨導(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)針方向結(jié)的數(shù)目和反時(shí)針方向結(jié)的數(shù)目相等的閉環(huán)中，順時(shí)針方向發(fā)射電流密度之積等于反時(shí)針方向發(fā)射結(jié)電流密度之積。

    對于雙極性晶體管，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：