（通信与信息系统专业论文）新型cmos第二代电流控制电流传输器.pdf

硕士学位论文 摘要 本文主要研究c m o s 电流控制电流传输器的原理、设计及应用。首先介绍 了电流模式电路的发展现状及其特点，并把电流模式电路与电压模式电路做了简 单的比较；然后介绍了电流传输器发展历程及基于双极型晶体管( b j t ) 和c m o s 管的模型结构的几种电流传输器和电流控制电流传输器的原理及性能：最后，以 第二代电流控制电流传输器为基本单元，较系统的概述了第二代电流控制电流传 输器在模拟电路中的应用。本文的主要创新工作如下： ( 1 ) 设计了三种不同结构的新型c m o s 第二代电流控制电流传输器( c m o s c c c i i ) 。三种结构如下：1 ) x 端与y 端都是串行结构的新型c m o sc c c i i ；2 ) x 端串行、y 端并行结构的新型c m o sc c c i i ；3 ) x 端与y 端都是并行结构的新 型c m o sc c c i i 。这三种c m o sc c c i i 电路中的m o s 管都工作在饱和区，并且 m o s 管的长宽比不受限制。为了验证这三种电路的正确性，对这三种电路的端 口特性进行了理论分析和p s p i c e 软件分析，仿真结果表明所提出的这三种电路 是正确的。通过对这三种电路的电路结构和仿真结果进行比较，可以知道这三种 电路具有不同的特点。这三种c m o sc c c i l 电路在电流控制电流传输器及其应 用电路的设计及工艺制造中具有重要的意义。 ( 2 ) 在所设计的新型c m o sc c c i i 电路的基础上提出了数字可编程电压模式 双二次通用滤波器电路，此电路由四个c c c i i 基本模块、两个电容和三个开关 构成，通过对开关的控制，可以同时实现高通、带通、低通、带阻和全通滤波器， 而且结构简单，输入阻抗高，无源器件仅含有接地电容，同时具有固有频率o 和品质因素q 可以调节、数字可编程、灵敏度很低等特点，并用p s p i c e 软件对 该滤波器电路进行了计算机仿真，仿真结果与理论分析是相吻合的。该滤波器电 路可应用于模数混合集成电路。 关键词：模拟集成电路；电流模式；电流传输器；第二代电流控制电流传输器； 滤波器 新型c m o s 第二代电流控制电流传输器 a b s t r a c t t h ep a p e rs t u d i e st h e p f i n c i p l e ，d e s i g na n da p p l i c a t i o n 0 fc m o sc u r f e n t c o n t r o l l e dc o n v e y o r f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r so ft h e c u r f e n t - m o d ec i r c u i t ，a n dc o m p a r e sc u r r e n t - m o d ec i r c u i tw i t hv o l t a g e - m o d ec i r c u i t s i m p ly a f t e r w a r d s ，t h ed e v e l o p m e n to fc u r r e n tc o n v e y o ra n dt h ep r i n c i p l ea n d f e a t u r e0 fc u r r e n tc o n v e y o ra n dc u f r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o rb a s e do nt h em o d e l0 f b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ( b j t ) a n dc m o st r a n s i s t o ra r ei n t r o d u c e d f i n a l l y i t s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o n so fs e c o n dg e n e r a t i o nc u r f e n tc o n t r o l l e d c o n v e y o ri nt h ea n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t t h em a i na c h i e v e m e n t sc o n s i s to fa s f o l l o w i n ga s p e c t s ( 1 ) t h r e en e wc o n f i g u r a t i o n sf o rr e a l i z i n gc m o ss e c o n dg e n e r a t i o n c u r r e n t c o n t f o l l e dc o n v e y o ra r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，w h i c ha f ed e s c f i b e da sf o n o w i n g ：1 ) t e r m i n a lxa n dt e r m i n a lya f ea ns e r i a lc o n f i g u r a t i o n s ；2 ) t e r m i n a lxi ss e r i a l c o n f i g u r a t i o na n dt e f m i n a ly i sp a r a l l e lc o n f i g u r a t i o n ；3 ) t e r m i n a lxa n dt e r m i n a l a r ea l lp a r a l l e lc o n f i g u r a t i o n s i no r d e rt 0v e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e d c i r c u i t s ，t h e o r ya n a l y s e sa n dp s p i c es i m u l a t i o n so ft h ec i r c u i t sh a v eb e e nd o n e a l l t h er e s u l t sv e r i f i e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec i r c u i t sm e e t si d e a lp e r f o r m a n c e t h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h ep r o p o s e dt h r e ec i r c u i t sc a nb eo b t a i n e db yc o m p a r i n gt h e c i r c u i tc o n f i g u r a t i o na n ds i m u l a t i o nr e s u l t so fe v e r yn e wc i r c u i t t h e s et h r e ec m o s c c c i i m o d e sa r ep r o v i d e dw i t h i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nc i r c u i td e s i g na n d f a b r i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yo fc u r r e n tc o n t r o l l e dc o n v e y o ra n di t sa p p l i c a t i o n ( 2 ) ac o n f i g u r a t i o nf o rr e a l i z i n gd i g i t a l l yp r o g r a m m a b l ev o l t a g e - m o d eu n i v e r s a l b i q u a df i l t e rb a s e do np r o p o s e dc m o sc c c i ic i r c u i ti sp f e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e c i r c u i ti s c o m p o s e do ff o u rc c c i ib a s i cm o d u l e s ， t w oc a p a c i t a n c ea n dt h r e e s w i t c h e s t h ef i v e f i l t e r i n go u t p u t w h i c ha r e l o w p a s s ，b a n d - p a s s ，h i g h p a s s ， b a n d s t o pa n da l l - p a s sc a nb er e a l i z e db yc o n t r o l l i n gt h es w i t c h e s t h ec i r c u i to w n s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hi n p u ti m p e d a n c e ，s i m p l ec i r c u i ts l r u c t u r e ，t h ep a s s i v e e l e m e n t s o n l yh a v i n g t h ee a r t h e dc a p a c i t a n c e s ， a d j u s t i n g t h en a t u r a l a n g u l a r f r e q u e n c y oa n dq u a l i t y - f a c t o rq ，d i g i t a l l yp r o g r a m m a b l ec h a r a c t e r i s t i ca n dl o w s e n s i t i v i t i e sa n ds oo n a tt h es a m et i m e ，p s p i c es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yi t s p e r f o f m a n c e t h ep r o p o s e dc i r c u i tc a nb e a p p l i e d t o a n a l o g u e d i g i t a lm i x e d i n t e g r a t e dc i r c u i t s 硕士学位论文 k e yw o r d s ：a n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t ； c u r r e n t m o d e ； c u r r e n tc o n v e y o r ； s e c o n dg e n e r a t i o nc u r r e n tc o n t r o u e dc o n v e y o r ；f i l t e r 硕士学位论文 插图索引 图2 1c c i 的电路符号与零极子表示方法9 图2 2c c i 的分立晶体管实现电路9 图2 3c c i 的双极性甲乙类实现9 图2 4c c i i 的电路符号与零极子表示方法1 1 图2 5 等效“理想晶体管”c c i i 1 1 图2 6c c i i + 电路结构1 1 图2 7c c i i 的双极型晶体管实现电路1 2 图2 8c c i i 的c m o s 实现电路1 2 图2 9m o c c i i 的电路符号1 3 图2 1 0d v c c i i 的电路符号1 3 图2 1 1f b c c i i 的电路符号1 4 图2 1 2c c i i i 的电路符号与零极子表示方法1 4 图2 1 3 理想c c i i i 的等效电路1 5 图2 1 4 由双c c i i 实现的c c i i i 1 5 图2 1 5c c i i i 的双极性实现电路1 5 图2 1 6c c i i i 的c m o s 实现电路1 5 图2 1 7 简化t l 环路一1 7 图2 1 8c c c i i 的电路符号和零极子表示方法一1 8 图2 1 9c c c i i 的双极型实现电路2 0 图2 2 0c c c i i 的b i c m o s 实现电路2 0 图2 2 1c c c i i 的c m o s 实现电路2 0 图3 1m o s 复合管电路2 3 图3 2c c c i i 的电路符号一2 4 图3 3x 端与y 端都是串行结构的新型c m o sc c c i i 电路2 5 图3 4 寄生电阻r x 2 7 图3 5x 端与z 端的电流关系2 7 图3 6x 端与y 端电压d c 转移特性2 7 图3 7x 端串行、y 端并行结构的新型c m o sc c c i i 电路2 8 图3 8 寄生电阻r x 3 0 图3 9x 端与z 端的电流关系3 0 图3 1 0 x 端与y 端电压d c 转移特性3 0 v m 新型c m o s 第二代电流控制电流传输器 图3 1 1x 端与y 端都是并行结构的c m o c c c i i 电路3 1 图3 1 2 寄生电阻r x 3 3 图3 1 3x 端与z 端的电流关系3 3 图3 1 4 电源电压为1 5 v 时x 端与y 端电压d c 转移特性3 3 图3 1 5 电源电压为2 5 v 时x 端与y 端电压d c 转移特性3 3 图4 1 负电阻变换器3 6 图4 2 接地式通用阻抗变换器3 6 图4 3 浮地式通用阻抗变换器3 7 图4 4 电流放大器一3 9 图4 5 电压放大器3 9 图4 6 电流积分器4 0 图4 7 电压积分器一4 0 图4 8 电流微分器一4 1 图4 9 电压微分器一4 1 图5 1c m o s 传输门的电路图和逻辑符号一4 4 图5 2 式( 5 6 ) 的电路实现4 6 图5 3 式( 5 6 ) 、( 5 8 ) 的电路实现4 6 图5 4 等电容数字可编程电压模式双二次滤波器电路4 7 图5 5 等电阻数字可编程电压模式双二次滤波器电路4 7 图5 6 基于c c c i i 的数字可编程电压模式通用二阶滤波器电路4 8 图5 7 滤波器的可编程实现电路4 9 图5 8 图5 7 所示滤波器电路的仿真结果5 0 硕士学位论文 附表索引 表3 1 图3 3 中的m o s 管的沟道尺寸一2 6 表3 2p s p i c e 仿真所用的0 5 “mc m o s 工艺2 6 表3 3 图3 1 1 中的m o s 管的沟道尺寸3 2 表3 4 三种新型c m o sc c c i i 电路的性能比较3 4 表5 1 开关状态与滤波器种类的关系4 6 表5 2 各传输门控制电平的高低与滤波器种类关系4 9 x 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：彳密、乡日期：d 留年中月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：瑚年垆月夕日 日期：“盹曾年f 月夕 日 幺哆 玄男 幺小q 名名签签 者师 怍导 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 在当今的信息时代，信息技术已渗透到国民经济的各个领域，人们在日常生 活中无处不体会到信息技术带来的冲击。信息技术的基础是微电子技术，而集成 电路是微电子技术的核心，是整个信息产业和信息社会最根本的技术基础。在社 会的信息化程度快速提高的过程中，集成电路芯片的作用也越来越明显，从家用 电器到b 超、雷达、互联网和人造卫星等，集成电路芯片都被广泛应用。集成 电路设计和制造水平已成为衡量一个国家技术水平的一个重要标准，同时成为一 个国家经济实力和国防实力的一个重要标志。 1 9 4 7 年，美国贝尔实验室的w i l l i a mb s h o c k l e y 、w a l t e rh b r a t t a i n 和j o h n b a f d e e n 发明了晶体管，1 9 5 8 年，美国德克萨斯公司试制了世界上第一块集成电 路，1 9 6 0 年，小规模集成电路开始批量生产。作为微电子技术的集成电路行业。 经过四十多年的发展，集成电路技术不仅实现了产业化，而且经历了小规模、中 规模、大规模、超大规模和特大规模集成电路的发展阶段。集成电路技术的进步 及电子系统集成的迫切需要( 即希望在单个芯片上集成尽可能多的信号处理功 能) ，为模拟集成电路设计开辟了广阔的天地。近二十年来，以电流为信号变量 的电流模式电路的巨大潜在优势逐渐被认识并被挖掘出来，促进了模拟集成电路 在低电压、低功耗等方面的发展。电流传输器是目前电流模式电路中使用最广泛、 功能最强的标准模块。 1 9 9 6 年，a f a b r e 在电流传输器的基础上提出了电流控制电流传输器的基本 理论。电流传输器不仅有电压输入端，而且有电流输入端，因此它能实现电压模 式电路也能实现电流模式电路。电流传输器无论在信号大小的情况下，都能比相 应运算放大器提供更大带宽下更高的电压增益，而电流控制电流传输器还具有电 可调的特性。c m o s 工艺由于具有输入阻抗高、功耗低、集成度高、占有芯片面 积小、抗辐射能力强等特点，正日益成为最广泛应用的集成电路设计工艺。因此， 应用c m o s 工艺设计电流传输器及电流控制电流传输器引起了越来越多的关注。 同时，基于电流传输器的优点和易于和其他电子元件组合构成应用电路的特点， 因此电流传输器被广泛的应用于各种模拟滤波器的设计。 1 2 电流模式电路 1 2 1 基本概念 在电子电路中，尤其是在模拟电子电路中，人们长久以来习惯于采用电压而 新型c m o s 第二代电流控制电流传输器 不是电流作为信号变量，并通过处理电压信号来实现电路的功能。依此促成了大 量电压信号处理电路或称电压模式电路的诞生和发展。自从1 9 6 5 年第一片商用 电压模式集成运算放大器问世以来，更加确定了以电压模式运算放大器为标准部 件的模拟网络在模拟信号处理中的主宰地位。 但是，随着被处理信号的频率要求不断提高，电压运算放大器的固有缺点开 始阻碍它在高频、高速环境中的应用。电压型运算放大器的缺点之一是，它的3 分贝闭环带宽与闭环增益的乘积是常数，当带宽向高频区域扩展时，增益成比例 地下降；缺点之二是，它在大信号下输出电压的最高转换速率很低，一般只有 0 2 v p s 一2 0 v p s 。 近二十年来，以电流为信号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优点逐渐被 认识并被挖掘出来，促进了一种新型电子电路一一电流模式电路的发展。人们发 现，电流模式电路可以解决电压模式电路所遇到的一些难题，在速度、带宽、动 态范围等方面获得更加优良的性能。研究结果表明，在高频、高速信号处理领域 中，电流模式的电路设计方法正在取代电压模式的传统设计方法。电流模式电路 的发展和应用将把现代模拟集成电路推向到一个新阶段。 迄今为止，对电流模式电路这个术语还没有形成一个统一的、严格的定义。 一般地讲，电流模式电路可以定义为：当选用电流而不是电压作为电路中的信号 变量，并通过处理电流变量来决定电路的功能时，称为电流模式电路。 应该了解到，电路中的电压信号和电流信号总是彼此关联、相互作用的，任 何处理电流信号的电路必然会产生内部电压信号摆幅。但是，作为电流模式电路， 电路的功能取决于电流信号的处理结果，而那些内部电压信号摆幅尽量减小， 因为它们对电路的功能不起决定性作用。相反，当用电压而不是电流作为电路中 的信号变量，并通过处理电压信号决定电路功能时，称为电压模式电路。电压模 式电路中同样存在一定摆幅的电流信号，但是电路的功能取决于电压信号而不是 电流信号。 这些关于电流模式电路和电压模式电路的定义通常适用于通用性强的基本 集成单元，或称为标准集成部件，例如运算放大器、电流传输器等。 除此之外，“电流模式 和“电压模式这两个术语还常用来划分具有不同 类型传输函数的电子系统( 或子系统) ，即把用电流传输函数描述的系统称作电 流模式系统，用电压传输函数描述的系统称作电压模式系统。例如电流模式滤波 器、电流模式运算器；电压模式滤波器、电压模式运算器等。应该指出，电子系 统( 或子系统) 是由标准集成部件适当组合而成的。电流模式系统可以用电流模 式标准部件构成，也可以用电压模式标准部件构成。同理，电压模式系统可以用 电压模式标准部件构成，也可以用电流模式标准部件构成。但是，用不同模式的 标准部件组成的同一模式的电子系统，在速度、带宽等性能上会有一些不同的特 2 硕士学位论文 点，尽管它们具有完全相同的传输函数。 1 2 2 电流模式电路的性能特点 与传统的电压模式电路相比较，电流模式电路主要具有以下性能特点： 1 阻抗水平有别 电压信号与电流信号的实际区别表现在其阻抗水平的高低，实现电压模式信 号处理还是电流模式信号处理，关键要看电路的阻抗水平。总的来说，电流信号 源具有高阻抗，电压信号源具有低阻抗，电流信号要求低阻抗的负载，电压信号 要求高阻抗的负载。因此，在实际应用中，把内阻很小的电信号源作为电压源， 把内阻很大的电信号源作为电流源。要求理想电压信号放大器具有无穷大的输入 阻抗和零输出阻抗，而理想电流信号放大器应具有零输入阻抗和无穷大输出阻 抗。要求电压模式电路的关键节点具有高阻抗和在大摆幅电压信号下只有小摆幅 电流；电流模式电路的关键节点具有低阻抗和在大摆幅电流信号下只有小摆幅电 压。 2 速度快，频带宽 在电流模式电路中，影响速度和带宽的晶体管极间电容工作在阻抗水平很低 的节点上。一方面，这些低阻抗节点上的电压摆幅很小，另一方面，这些节点上 的阻容时间常数很小，在大摆幅电流信号作用下，晶体管极间电容的充、放电过 程可以很快地完成。因此，电流模式电路在大信号下的工作速度比电压模式电路 快得多。同时，由这些电容和节点低电阻决定的极点频率很高，工作频率可以接 近晶体管的f t 。 3 电源电压低，功耗小 为了提高集成电路的集成密度，减小功耗，降低电源电压将是一种必然趋势， 一般要求将集成电路的电源电压降低到3 3 v ，甚至1 5 v 。对于电压模式电路， 降低电源电压将直接降低其信号电压的最大动态范围。同时，电源电压的降低， 对于设计高速度的电压模式电路也会更加困难。电流模式电路则不然，它可以在 o 7 v 一1 5 v 的低电源电压下正常工作，保持电流信号在n a m a ( 甚至1 0 p a m a ) 数量级内变化。电流模式电路中的最大电流和最大动态范围受晶体管允许电流的 限制，而不受电流电压降低的限制。 4 非线性失真小 在电流模式电路中，因成功采用了匹配技术，在满足电流传输的基本要求下， 尽量使电路对称。即使是大信号时，电路也具有较高的匹配精度，使得晶体管的 非线性失真互相抵消，其结果使非线性失真大大减小。 5 采用跨导线性原理简化电路运算 跨导线性( t r a n s l i n e a f ) 原理描述了在一个电路中，一旦出现跨导线性环路， 则环路中各晶体管的电流存在一种约束关系。利用这种约束关系，可将复杂电路 3 新型c m o s 第二代电流控制电流传输器 的计算变得简单，而且这一原理适用于线性与非线性电路，即小信号和大信号电 路都适用。 6 动态范围大 输入信号的最小值受噪声的限制，对于电压和电流都是如此。输出信号的最 大值，对于电压模式电路受限于电源电压，而电流模式电路受限于管子或电源的 容量。在这方面，电流模式电路并没有占优势，然而，在要求低电源电压供电时， 电流模式电路的最大输出电流，可以只受管子的限制，只要管子能给出大电流， 其动态范围就可以很宽。与电压模式电路相比，就显示出很大。 1 2 3 电流模式电路发展概况 电流模式信号处理方法和电路设计原理早在二、三十年前就已经被提出，例 如，k c s m i t h 和a s s e d r a 在1 9 6 8 年提出电流传输器原理瞄1 ；b g i l b e r t 在 1 9 7 5 年提出跨导线性电路原理乜0 1 。但是，随着近十几年来集成工艺的进步，电 流模式电路才得到集成实现和迅速发展。 近年来，电流模式电路的发展主要集中在模拟电路领域，同时在电流模式接 口电路( a d 、d a ) 和数字电路( 逻辑门电路、触发器、存储器) 方面也有一 些研究成果。与电压模式电路一样，电流模式模拟电路也有两种类型。一种是连 续时间的模拟信号处理电路，另一种是离散时间采样的模拟信号处理电路。电流 模式连续时间模拟电路主要包括静态电流镜、跨导线性电路、电流传输器、电流 反馈运算放大器( 跨阻放大器) 、跨导放大器等。电流模式离散时间模拟电路主 要有动态电流镜和开关电流电路。 上述电流模式电路都是标准集成部件，用它们可以进一步设计并集成为电流 模式子系统和电流模式系统，例如连续时间滤波器、采样数据滤波器、a d 和 d a 数据变换器以及电流模式神经网络等。 促进电流模式电路迅速发展的基本因素有两个，即电路设计思想的革新和集 成工艺技术的进步。 首先是电路设计思想的革新，用电流模式设计方法取代了传统的电压模式设 计方法，或者说用处理电流信号代替了处理电压信号。两种设计方法相比，电流 模式方法具有明显的优越性。第一，现有主要电子器件( 双极型晶体管和场效应 晶体管) 都是电流输出器件，它们的被控制量都是电流。如果用电压变量进行信 号处理，必须在电路内部设置高阻抗节点，进行电流一电压变换。相反，如果以 电流作为信息载体，则无需进行电流一电压变换，不仅减少了元件数目、简化了 电路结构，而且避免了因引入高值电阻对电路工作速度和高频特性的损害。第二， 用电流变量可以便捷地完成多种信号运算功能。模拟技术中几种最基本的信号处 理，如加减、积分、倍乘等，用电流信号实现比用电压信号简便得多。例如， 多个电流信号的加减可以在一个低阻抗节点上直接并联实现，电流信号的积分 4 硕士学位论文 可以利用一个电容实现。因此，用电流作为信号变量来设计实现模拟电路和系统， 在提高速度、扩展频带、简化电路、减小功耗、降低电源电压等方面有巨大的潜 力。 其次，电流模式电路的发展还依赖于集成工艺技术盼进步。很多基于第二代 电流传输器电流模式电路的原理性设计在多年以前已经被提出，但只是在最近十 几年随着集成工艺技术的发展，这些电路才得到集成实现。集成工艺技术的进步 主要表现在以下几方面：1 ) 真正互补双极型工艺的发展使得集成速度极快，使 得良好对称的硅双极互补电路成为可能，从而促进了一系列电流模式电路的发 展；2 1 成熟的c m o s 工艺能提供高品质的电容、性能良好的开关，且功耗极 小，在离散时间模拟集成电路的制造中是必不可少的；3 l 先进的b i c m o s 工 艺( 即混合硅双极和互补金属、氧化物、半导体工艺) 将双极型工艺的优点( 高 跨导、高速度) 和c m o s 工艺的优点( 低功耗) 结合起来，提供了适合实现电 流模式电路高速度和低功耗的工艺技术。有了真正互补双极型工艺和成熟的 c m o s 、b i c m o s 等工艺技术的发展，很多早年所提出的电流模式电路得到实现， 同时有更多的新一代电流模式电路和系统正在研制中。 1 3 本文研究的目的和意义 自从加拿大学者k c s m i t h 和a s e d r a 于1 9 6 8 年提出电流传输器( c u r r e n t c o n v e y o r ，简称c c ) 以来。电流传输器被确认为具有多种功能且与运算放大器相 当的一种基本电路器件。在电流传输器刚被提出时，人们还不清楚它能提供优于 通用运算放大器的那些性能。加之当时电子工业刚开始致力于第一代单片运算放 大器的开发和应用。由于没有明显指出优越性，电子工业界缺乏推动实现单片电 流传输器的积极性。自从2 0 世纪4 0 年代末起，运算放大器的概念始终牢固的树 立在许多模拟市场电路设计者的思想中，同时集成电路制造商关心己经开辟且正 在扩展的运算放大器市场。2 0 世纪8 0 年代末出现了高性能的实际可用的电流传 输器，它在滤波、振荡、放大等方面开始获得应用，并且可以与运算放大器相抗 衡。时至今日，模拟电路的设计者们发现了电流传输器能提供若干优于通用运算 放大器的优点，特别是电流传输器电路，在无论信号大小的情况下，都能比相应 的运算放大器提供很大的带宽下的更高的电压增益，亦即更大的增益带宽积。其 独特的电流传输特性，使它成了电流模式v l s i 电路中最基本的积木块。由电流 传输器构成有源器件的电路系统，在简化结构、降低功耗，扩展频域等方面有很 好的作用，其构成的滤波器、放大器、振荡器等电路开始在移动通讯、测量领域 受到重用。 电流传输器是一种功能很强的标准部件，将电流传输器与其他电子元件组合 可以十分简单地构成各种特定的电路结构，实现多种模拟信号的处理功能。电流 传输器作为一种电流模式电路可以方便地实现模拟电子技术中的几种最基本的 5 新型c m o s 第二代电流控制电流传输器 信号处理功能( 加减、积分等) 。而且，电流传输器具有电压输入端和电流输入 端，因此，利用电流传输器可以方便地实现电压模式信号处理电路，也可以方便 地实现电流模式信号处理电路。 第二代电流传输器( c c i i ) 以其通用性强精度高外接元件少等特点，已成为 电流模式v l s i 电路中最基本的单元电路之一。作为设计有源电路特别是有源滤 波器的基本器件和基本积木块，第二代电流传输器得到了非常广泛的应用，许多 最新研究成果均是以c c i i 为核心展开的。国内外学者对c c i i 电流模式信号处理电 路，尤其是电流模式滤波器的应用作了大量研究。 第二代电流控制电流传输器( c c c i i ) 的提出起源于第二代电流传输器。由 于第二代电流传送器x 端寄生电阻的存在( 约为几十欧至一百多欧) ，使x 与y 端的电压跟随无法达到理想要求，从而对电流传送器的传递函数造成误差，给模 拟集成电路设计带来了很大的不便。而c c c i i 就是利用x 端的寄生电阻受内部直 流偏压控制的特性以达到电可调的特性。这样的特性使c c c i i 跟o t a ( 跨导运算 放大器 一样，元件本身能够产生电阻效应，使设计者在电路设计过程中减少无 源元件的使用，简化电路结构。再加上x 端口的输入电阻受偏置电流的控制，从 而使c c c i i 的应用延伸到电调节领域。 自从电流控制传送器( c c c i i ) 概念提出后，国外很多专家学者对其进行了 研究，利用现代集成电路技术不断改进内部电路结构，完善其传输特性，降低功 耗。在电流控制传送器( c c c i i ) 应用上也充分利用其x 端电阻可调的特性完成 了一般功能电路和多种滤波器和振荡器的设计。电流控制传送器作为一个经典的 器件，其被广泛的运用到了很多模拟集成电路的设计，国内外研究的重点是电流 控制传送器的原理及其运用，特别是在滤波器中的运用，如：二阶和高阶滤波器， 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等，以及所设计的滤波器的物理性质。 1 4 本论文的主要研究内容 1 4 1 新型c m o s 第二代电流控制电流传输器的设计 在参阅了大量电流传输器和电流控制电流传输器电路的基础上，基于m o s 复合管构成的跨导线性环和c m o s 电流镜，提出了三种结构的新型c m o s 第二 代电流控制电流传输器( c m o sc c c i i ) 电路，这三种c m o sc c c i i 电路都能消 除以前采用c m o s 实现的c c c i i 电路存在的m o s 管长宽比限制条件丑生业， l 1七 l 2 盟生盥，如文献 2 4 ，2 8 】所示。并分别对这三种电路结构进行理论分析以及对 l 3七l 4 这三种电路的端口特性进行了p s p i c e 仿真，所有的仿真结果都表明设计的这三 6 硕士学位论文 种电路正确。 1 4 2 数字可编程电压模式双二次通用滤波器的设计 在参阅了大量电流模式与电压模式滤波电路的基础上，利用等电容法和等电 阻法，提出了一种数字可编程电压模式双二次通用滤波器，通过采用可编程逻辑 或d s p 编程控制电路中的开关的变换就能实现五种滤波功能的电流模式电路。并 用p s p i c e 软件对该电路进行了计算机仿真，仿真结果与理论分析是相吻合的， 从而验证了所设计的数字可编程电压模式双二次通用滤波器电路的正确性。 1 5 本论文的结构安排 本论文内容总体上共分为五章： 第1 章本章分为五节。简要地介绍了本课题研究的现状、电流模式电路及其 性能特点与发展状况、本论文研究的目的及本论文研究的主要内容。 第2 章本章分为五节。详细地概述了第一代电流传输器( c c i ) 、第二代电 流传输器( c c i i ) 、第三代电流传输器( c c i i i ) 、第二代电流控制电流传输器 ( c c c i i ) 的原理及基本电路实现，同时简要的介绍了跨导线性原理，为以后章 节的研究提供了理论指导。 第3 章本章分为七节。简要的介绍了m o s 复合管的基本原理，同时基于 m o s 复合管构成的跨导线性环和c m o s 电流镜，提出了三种新型的c m o s 电流 控制电流传输器，并对这三种电路进行了仿真试验验证，并对三种电路的性能进 行了比较。 第4 章本章分为四节。比较全面的归纳了基于电流控制电流传输器的有源网 络元件模拟电路、模拟信号运算电路等基本的应用电路，为以后章节的滤波器研 究铺垫了理论基础。 第5 章本章分为六节。简要地介绍了多功能电压模式滤波器的发展状况及 c m o s 传输门的基本原理，提出一种新的基于电流控制电流传输器双二次电压模 式滤波器的综合方法一数字可编程电压模式滤波器分析综合法，同时按照这个方 法设计出了一种基于电流控制电流传输器双二次电压模式滤波器，并对该电路进 行了灵敏度分析及仿真试验验证。 最后给出了全文的总结，并指出了进一步的研究工作。 7 新型c m o s 第二代电流控制电流传输器 第2 章电流传输器 1 9 6 8 年，加拿大学者k c s m i t h 和a s e d r a 提出了一个新的模拟标准部件一 电流传输器( c u f r e n tc o n v e y o r ，简称c c ) 。电流传输器是功能很强的基本模块， 将电流传输器与其他电子元件组合可以十分简单地构成各种特定的电路结构，实 现多种模拟信号的处理功能。电流传输器是一种电流模式电路，模拟电子技术中 的几种最基本的信号处理功能( 加减、比例、积分等) 用电流传输器都能方便 的实现。而且，电流传输器具有电压输入端和电流输入端，因此，利用电流传输 器可以方便地实现电压模式信号处理电路，也可以方便地实现电流模式信号处理 电路。无论信号大小，基于电流传输器的电路都能比相应的基于电压运算放大器 的电路提供更大带宽下的更高电压增益，即更大的增益带宽积。 按照其发展先后及端口的电流、电压特性，电流传输器可以分为第一代电流 传输器( c u r f e n tc o n v e y o r ，简称c c i ) 、第二代电流传输器( s e c o n d g e n e r a t i o n c u r r e n tc o n v e v o r ，简称c c i i ) 、第三代电流传输器( t h i r d g e n e r a t i o nc u r r e n t c o n v e y o r ，简称c c i i i ) 及第二代电流控制电流传输器( s e c o n dg e n e r a t i o nc u r r e n t c o n t r o l l e dc o n v e v o r ，简称c c c i i ) 。对每一种电流传输器来讲，根据其端口电流 的方向，又可以分为正极型与负极型两种类型。 2 1 第一代电流传输器( c c i ) 2 1 1c c i 的电路符号及端口特性 k c s m i t h 和a s e d r a 在1 9 6 8 年提出了第一代电流传输器( c c i ) 乜1 。第一 代电流传输器是一个三端口器件，其元件符号和零极子表示如图2 1 所示。它 有两个电流输入端和一个电流输出端，分别用x 、y 、z 表示。c c i 的输入与输 出端口特性可用矩阵式( 2 1 ) 所示。 槲 亿1 ， 若i z = + i x ，则称该电流传输器为c c i + ；若i z = i x ，则称该电流传输器为c c i 。 在电路符号图2 1 ( a ) 中，若i z 和i x 都向里流或都向外流，则代表c c i + ，若一个 向里流，一个向外流，则代表c c i 。图2 1 ( b ) 是用零子( n u l l a t o r ) 、极子( n o r a t t o r ) 和两个电流控制电流源表示的等效电路口1 ，零子和极子属于单端对理想有源器 件，它们单独存在时不能物理实现，只有把它们组合在一起成为零极子( n u l l o r ) 方能实现，构成一种二端有源器件。零子的电特性为：流过的电流为零，两端的 8 硕士学位论文 电压相等；极子的电特性为：流过的电流为任意值，两端的电压为任意值，也称 为“任意子”。显然，零子表示v y = v x ，即x 端和y 端存在“虚短 的关系， 它们的电位相等，但不能进行电学的短路连接。两个受控源用来表示把x 端电 流复制到y 端口和z 端口，而流过零子的电流为零，所以i y = i x ，另一个电流 控制电流源则表示i z = i x 。 v y v x y c c lz x ( a c c l 的电路符号( b ) c c i 的零极子表示法 图2 1c c i 的电路符号与零极子表示方法 2 1 2c c i 的基本电路实现 1 9 6 8 年，加拿大学者k c s m i t h 和a s e d r a 提出了由分立元件实现的第一代 电流传输器电路，如图2 2 所示。假设图中的电阻r 1 、r 2 和r 3 匹配，晶体管t