（电工理论与新技术专业论文）低电压低功耗cmos电流传送器及其应用研究.pdf

a b s t r a c t t h isp a p e r s ys t e i l l a t ic a l l yp r e s e n t st h ei m p o r t a n c eo ft h e r es e a r c ho f1o w v o l t a g ear l d1o w p o w e ra n a i o g u ei n t e g r a t e dc ir c u i t d es ig n ，a n di tin t r o d u c e st h e d e v e l o p m e d t 0 fc u r r e n t m o d e d e v ic e 一c u r r e n tc o n v e y o r ( c c ) a n ds y n t h e s iz e si t sa p p l i c a t i o n s int h ef i e ldso fa c t iv en e t w o r ka n ds i g n a lp r o c e s s i nt h isp a p e r b a s icc ir c u i tm o d e lso fc c 一一一一c u r r e n tm i r r o ra n da c t i v ei m p e d a n c e a r ea n a lys e da n dan e wa c t jv ef e e d b a c kc u r r e n tm i r r o risp r o p o s e d w h ic hc a na c h ie v ela r g e r o u t p u ti m p e d a n c e ，h i g h e rc u r r e n t t r a ns f e rp r e c is jo n 1 0 w e rp o w e fa n dw id e rs ig n a ld y n a m ics w in g o nt h eb a s iso fo t h e rc u r r e n tc o n v e y o r s d e s i g n an e wl o w v o l t a g e a n dl o w p o w e rc m o sc u r r e n tc o n y e y o risp r o p o s e da n ds i m u l a t e d t h e s i m 0 1 a t e dr e s u l tsp r es e n tt h a tt h ec i r c u i tc a l l0 f f e rs e v e r a i a d v a n t a g e ss u c ha slo ws t a ics t a rec u r r e n t ( 1 0 0p a ) 1 0 wp o w e r ( 3 0 0uw ) ，w id e rd y n a m ic s w i n ga n dh i g h e r s ig n a t r a ns f e r p r e c is i o e w h e n t h eo p e r a t i o nv 0 1 t a g eis1 5 v an e wc c i i iis d e s jg n e db yu s in gc c i ia n di t sw o r k in gc h a r a c t e r sa r ea n a iys e d t h ea p p lic a t i o n so fth ec c i ijnt h ef i e ldso ft h ea c t iv en e t w o r k a n ds ig n a lp r o c essa r esy n t h e s iz e d es p e c i a l1y t h es i u l al e d in d u c t o r a n dan e wc i r c u i to ft h es i m u l a t e din d u c t o risp r o p o s e d t h is p a p e rs u m m a r iz e st h ed e s ig nw a y so f a c t i v ef i l t e rb a s e do n t h ec u r r e n tc o n y e y o r si nd e t a i l a n dt h r e ew a y sw h i c hc a nd e d u c e c u r r e n t - m o d ec o n t i i l u o u st i m ef i l t o r sf r o mv o l t a g e m o d ea c t iv e f i i t e r s a tl a s t t h ed e s i g nw a y so fs e c o n d o r d e rf i l t e r sb a s e d o nc ca r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：c u r r e n tc o n v e y o r ：i 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 f i l te r ：l o w l o l ta g ea n dl o w p o w e r 湖南大学硕_ ：学位论文 第一章绪言 1 1引言 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、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以及电子系统集成的迫切需 求( 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。 随着l s i v l s i 技术的广泛应用，电子系统的技术装置面貌发生了根本变化。 电于设备在功能、速率、耗电、体积、成本和可靠性诸方面都取得了惊人的成就。 这是一次意义深远的技术革命。电子科学技术的发展进入了“微电子学”时代。 微电子学、计算机技术和通信工程的研究与应用相互依赖，构成当代“信息革命” 的技术基础。 在当今信息社会中，集成电路工业作为战略性的基础工业，其技术水平和产 业规模己成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。集成电 路工业在整个国民经济中具有战略性的地位。集成电路工业对一个国家的综合国 力有深远影响和巨大推动作用。在知识经济时代，这种作用将犹为突出。可以说 谁把握了微电子技术，谁就把握了未来，谁就能在未来世界的竞争中处于领先地 位。正因为如此，使得世界各国竞相发展，均将集成电路产业的发展作为重点。 进入九十年代以来，世界集成电路产量以平均1 5 以上的速度稳定增长。 1 9 9 4 年全世界集成电路工业产值突破1 0 0 0 亿美元，预计到2 0 0 3 年，将超过3 0 0 0 亿美元。1 9 9 4 年我国的集成电路市场规模为1 5 0 亿元，国内i c 产量约为2 5 亿 块。销售额为1 5 亿元，国产i c 仅能满足市场需求的1 5 左右。集成电路( i c ) 作为信息产业的核心，将是中国未来经济发展的重要推动力。就目前而言，中国 i c 产业的主要问题是表现在i c 企业规模普遍偏小和集成电路设计技术跟不上工 艺制造技术。 我国集成电路产业经过三十多年的发展，取得了很大的成就，特别是经过“七 五”的“5 3 1 工程”，“八五”的“9 0 8 工程”以及“九五”的“9 0 9 工程”，实力 得到了较大的加强。但是，与国外先进水平相比，差距甚大。如何振兴我国i c 湖南人学坝l j 学位论文 产业，成为当前各界关注的“焦点”。 1 2 本文研究的目的及必要性 1 9 6 8 年，加拿大学者k c s m it h 和a s e d r a 提出了一种新的模拟标准器 件一一电流传送器( c u r r e n tc o n y e y e r ，简称c o 。在这之前的电子电路中，特 别是在模拟电子电路中，人们长久以来习惯于采用电压而不是电流作为信号变 量，并通过处理电压信号来决定电路的功能，因此电压模式设计方法在模拟电子 电路设计中占据主要地位。特别是在1 9 6 5 年第一片商用电压模式集成运算变压 器问世以来，更加确定了阻电压模式运算变压器为标准部件的模拟网络电路在模 拟信号处理中的主宰地位。 但是，随着被处理信号的频率越来越高，电压型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。电压型运算放大器在有源网络和信号处理 方面有两个缺点：其一为它的一3 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t l f f , l 下降：其二为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 s 2 0 v j 【1 1 1 2 】i 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势逐渐 被人们认识并被挖掘出来，促进了新型电子电路一一电流模式电路的发展。学者 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。研究结果显示，在高频、高速信号处理领 域，电流模式的电路设计方法f 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设计推进到一个新阶段。 第二代电流传送器是目前电流模式电路设计中使用最广泛、功能最强的标 准模块，它能和其它电子元件组合成各种特定的电路结构，实现多种模拟信号的 处理。同时，由于第二代电流传送器不但有电压输入端，而且有电流输入端，因 此它既能实现电压模式电路也能实现电流模式电路。电流传送器在无论信号大小 的情况下，都能比相应的运算变压器提供更大带宽下更高的电压增益，因此有些 学者预言它将会取代运算放大器而成为最重要的电路设计模块。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， 萨同益成为最广泛应用的集成电路设计工艺。目前，应用c m o s 工艺设计电流 传送器引起了越来越多研究者的关注，现在已经有许多性能优越的电流传送器 ( 如p a 6 3 0 p a 6 3 0 a 、a d 8 4 4 等) 实际应用于滤波器、振荡器、测量仪器等设 计中。虽然电流传送器只有2 0 多年的历史，但是它引起了人们越来越广泛的注 湖南大学硕士学位论文 意，相信不久的将来会有更多、性能更优越的电流模式电路产生。 1 3 本文的内容安排及主要的研究工作 本文阐述了c m o s 低电压、低功耗模拟集成电路设计研究的必要性和重要性： 介绍了几代电流传送器原理及其应用。着重讨论了模拟集成电路模块一一电流镜 和有源电阻，对几种典型的电流镜和有源电阻电路进行了优劣比较，在此基础上， 提出了一种改进型有源反馈电流镜，并进行了电路推理和仿真。针对目前广泛使 用的第二代电流传送器电路，在分析其他学者电路设计的基础上提出了一种新型 的双输出电流传送器，并进行了电路仿真。仿真结果表明，该电路工作于1 5 v 电压时，信号转换精度高，静态电流小于1 0 0 a ，静态功耗小于3 0 0 w 电路的 信号动态范围大。对电流传送器在有源网络电路和信号处理电路的应用作了全面 的归纳。着重讨论了c c 在模拟电感方面的应用，使用新提出的c c i i 进行了模拟 电感的电路仿真，仿真结果证明了这种方法的可行性。研究了由电压模式有源 r c 滤波器导出使用电流传送器( c o ) 的电流模式连续时间滤波器的三种方式。 并对基于c c i i 的二阶滤波器的设计方法作了总结与归纳。 本文由五个部分组成，分别用五个章节进行论述。第一章绪言部分通过综述 i c 产业的概况和电流模式电路在模拟集成电路设计中的应用，特别阐述了电流 传送器在模拟集成电路设计中的发展前景；第二章讲述了m o s 晶体管的工作原 理，着重介绍了模拟集成电路中的两个重要模块一一电流镜和有源电阻，并提出 了一种改进型的有源反馈电流镜；第三章讲述了低电压低功耗电流传送器的设计 研究及其应用，并提出了一种新型的双输出电流传送器；第四章讨论了电流传送 器在有源网络和模拟信号处理中的应用研究，全面综述了电流传送器在有源网络 和信号处理中的应用：第五章讲述了电流传送器在有源滤波器设计中的应用，使 用提出的新型c c i i 设计滤波器电路并进行了电路仿真，仿真结果证明了这种方 法的可行性。 湖南人学硕上学位论文 第二章m o s 管及c m o s 模拟集成电路设计研究 在应用m o s 管设计集成电路中，首先是采用p m o s 管或n m o s 管来实现， 它们具有的优点离散性较大、跨导低、增益低等引起了人们研究的兴趣。随着人 们对电路低功耗、高集成度的要求越来越高，c m o s 电路的优点满足了人们的 要求，c m o s 电路中p m o s 和n m o s 管成对出现，它具有功耗低、抗干扰能力 强、输出电压动态范围大、输入阻抗高、集成度高、占有芯片面积小等特点。由 于这些原因，c m o s 电路在模拟集成电路设计中得到越来越广泛的应用。 本章首先简单介绍m o s 管的模型、工作原理和性能，在此基础上对c m o s 模拟电路中最常用的两个基本单元电路一电流镜和有源电阻进行详细论述和 分析。在此基础上，提出了一种改进型的有源反馈电流镜电路，该电路与目前广 泛使用的电流镜相比较而言，具有电流转换精度高、功耗低、更宽更良好的输出 电压动念范围的特点。 2 1m o s 管结构模型及基本工作原理 2 1 1m o s 管模型和电流一电压特性 本节将以p 阱工艺的m o s 管为例来说明【3 1 【4 】1 5 】【叫。c m o s 电路是在同一块 硅片衬底上成对生成n m o s 与p m o s 对而形成。p m o s 管与n m o s 管工作原理 基本相同，只是两者的工作条件不同。下图2 1 为p 阱c m o s 工艺中n m o s 和 p m o s 的结构。 图2 1p 阱c m o s 工艺中，n m o s 和p m o s 的结构 工芝的大致过程为：在轻掺杂n 一的砬衬底材料上，用掺杂的方法扩散或离 湖南 半碗卜学位论文 子注入的方法形成两个重掺杂的p + 区，即为图中p m o s 管的源区和漏区。其中 l 为沟道长度，w 为沟道宽度。中间区域的上方为栅极，在栅极与硅衬底之间 有一薄层介质材料( s i o ，) 。同样以p 一为衬底( 第二衬底) 即可制成n m o s 。 要分析m o s 管在不同信号下的特性参数，可以通过三个模型来实现：1 ) 大信 号模型，主要用于决定直流偏置的工作点。2 ) 小信号模型，可对电路进行交流 分析。3 ) 亚闽值模型。 下面以n m o s 管来进行分析。下图2 2 为n m o s 管的偏置条件结构图。在 图中假设源区和衬底都接地。设n m o s 管为增强型m o s 管，当= 0 时，由 于源区( n 十型) 、衬底( p 型) 和漏区( n + 型) 形成了两个背靠背的p n 结， 不管y 。的极性如何，其中总是有一个p n 结是反偏的，因此在漏源之间没有形 成导电沟道，在漏极基本没有电流通过( ，。= 0 ) 。当栅源偏置电压。大于m o s 管的阈值电压那么在p 型衬底的表面由于垂直强电场的作用产生大量的电 子，形成了导电沟道。在这种条件下，外加较小的。时，在器件内部的沟道中 就会产生漏源电流，。和三极管工作特性类似，m o s 管也会在不同的工作条件 下有三个不同的工作区域：非饱和区、饱和区、截止区。下面是它们的i - - v 特性分析。下图为n m o s 管模型。 耗鞫妻 图2 2n m o s 管的偏置条件 2 1 1m o s 管的大信号模型 2 1 1 1 非饱和区卜一矿特性( 0 一) 当偏置条件( 0 一_ 。) 满足时，n m o s 管工作于非饱和区，则它的 ，一v 特性可以用下式来表达： ，。：等孚【2 ( 一) 一2 】 ( 2 1 ) 湖南大学硕士学位论文 k = 卢，c 。= l l d n _ o 。o 占一o x ( 2 2 ) 删 其中k 。为器件的跨导参数，为电子迁移率，表示单位场强下电子的平均 漂移速度，单位为m ( v s ) 。c 。为s i o ：单位面积的电容，s 为真空电容率，占。 为s i o ：的相对介电常数tf 。为s i o ：的厚度。n m o s 管的电流由空穴传导，而 n m o s 管的电流由电子传导，由于硅材料中的电子的迁移率是空穴的2 3 倍， 因此k 。= ( 2 0 3 o ) k p 。由此可得知在相同的条件下n m o s 工艺比p m o s 工 艺可使电路实现更高的工作速度。式中w 与l 是几何参数或设计参数，在一定 的条件下可由设计者设定。k 。和为工艺参数，由生产工艺决定。 2 1 1 2 饱和区，一矿特性 ( o 。时，器件工 作在强反型区：当 时，器件工作在弱反型区( 即亚阈值区) 。m o s 管 在弱反型区工作的模型称为亚阂值模型。 在亚闽值工作条件下m o s 管的直流模型可表示为 ，。= ! ，。e x p 一v s s ( 1 一( 肘) ) 一( 1 ) 】) “1 - e x p ( 一矿赢v , ) e x p ( ，一) ( n v , ) ( 2 - - 8 ) 其中，。和常数n 是工艺参数，咋是阂值电压，= k t q ，k 为玻耳兹曼常 数( t = = = 1 3 8 1 x 1 0 2 3 ，k ) 。 湖南人学坝j ，学位论文 2 2 c m o s 模拟电路的基本模块 本文主要研究低电压、低功耗c m o s 电流传送器，而电流传送器可由c m o s 工艺组成的基本模块来构成。这些基本模块通常由一个或几个m o s 管组成，如 电流镜、m o s 开关、m o s 有源电阻、m o s 差分输入级等等。在本文的研究课 题中，主要用到电流镜和m o s 有源电阻模块。 2 2 1 有源电阻 在双极型模拟集成电路中，常利用双极型晶体管的高输出阻抗作为负载， 即有源负载。在m o s 模拟集成电路中，同样可以用m o s 管有源电阻作为电路 的有源负载，这不仅可以大大提高电路的放大倍数，还可以减小芯片面积，降 低功耗。m o s 有源电阻通常有三种构成法【7 1 【8 l 【9 j 训： ( a )( b ) 图2 4m o s 有源电阻 ( a ) 栅一漏连接有源电阻( b ) 栅一源连接有源电阻 2 2 1 1 栅一漏连接法 ( c ) ( c ) 浮动有源电阻 把m o s 管的栅极和漏极连接在一起就构成了m o s 有源电阻。其模型和等 效电路如图2 , 4 ( a ) 所示。 由图可得有源电阻值为 t o ：2 i 瓦l 2 9 2 2 1 2 栅一源连接法 把m o s 管的栅极和源极连接在一起就构成m o s 有源电阻。其模型和等效 电路如图2 4 ( b ) 所示。 由图可得有源电阻值为 ： ! !(2】0r ) o5 瓦瓦丽 “ 湖南大学硕士学位论文 2 2 1 3 浮动有源电阻 把m o s 管栅极“浮动”起来，既不接漏极也不接源极， 电压，这样源一漏之间就构成了所谓的“浮动”有源电阻。 路如图2 4 ( c ) 所示。 由图可得有源电阻值为 一l - b 2 。2 百 而是接一个偏置 其模型和等效电 ( 2 1 1 ) 2 2 2 电流镜 电流镜在模拟集成电路中是普遍存在的一种标准模块，在传统的电压模式 运算放大器设计中，它主要用来产生偏置电流和作为有源负载。现在在新型电 流模式模拟集成电路设计中，电流镜还被广泛用来实现电流信号的复制或倍乘。 电流镜是一种典型的电流模式电路，在一些电流模式系统( 如高频连续时间滤 波器、人工神经网络) 中得到了直接应用。经典的静态电流镜主要包括基本电 流镜、级联电流镜和w i l s o n 电流镜等 3 4 】 3 5 】【3 6 】【3 7 【3 8 】 3 9 1 。在本文中对它们进行 比较，以便在设计电路时选择使用，同时针对它们的优缺点，提出一种改进型 有源反馈c m o s 电流镜，并分析了它的性能。 下面为三种典型静态电流镜的电路图： ( a ) 1 。 n 2 m 2 i o r r t + m 4 吃 m 2 ( b ) 图2 5 静态电流镜电路图 ( a ) 基本电流镜( b ) 级联电流镜( c ) w i l s o n 电流镜 2 2 2 1 基本电流镜 i o t m 3 m 2 如果m o s 管m 和m ：完全匹配( 即k ，= k ：，嵋，= ：， = 兄：= ) ，则可从 湖南大学硕士学位论文 电路图2 5 ( a ) 得出 一i o ：兰当! ! 垒生2 1 ，月啊l 2 ( 1 + 五1 ) 吨2 击 = j 等川+ 圪。f 1 = y 。2 一= ，。一+ 矿瞩 ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) ( 2 一1 4 ) ：j 筹+ ( 2 - - 1 5 ) 。为电流镜输入电压，圪。) 为电流镜最小输出电压。由式( 2 1 2 ) 可 以看出，可以通过改变m o s 管m ，和m ：的宽长比和沟道调制效应来改变厶与 ，。之比。同时，即使m 和m2 完全匹配，但由于它们的漏极电压不同，与。 仍有一定的跟随误差。从式中可得，如果想提高输出电阻，。，就须加长m ：的沟 道长度，以便减少沟道长度调制效应，因为丑值一般与上值成反比。但是，若 加大沟道长度电流镜输出端的最小输出电压k 。、将受到影响。因为m o s 管的沟道越长，其临界饱和电压。就越高，使电流镜的最小输出电压升高， 这是它的一个缺点。 2 2 2 2 级联电流镜 级联电流镜的m o s 管电路如图2 5 ( b ) 所示，其交流小信号等效电路如 下图所示： + ) 图2 6级联电流镜的小信号等效电路 由图2 6 分析可得 i o ：竺兰! ! ! 墨竺坚! !( 2 1 6 ) ，月m 上2 ( 1 + y 赢】) 湖南人学硕_ j 学位论文 匕= 2 + 0 44 - 2 匕4 ( g 4 - g m 4 ) 2 2 9 卅4 仫4 ( 2 - - 1 7 ) 。= j 警c j 鲁+ j 告，砣+ ( 2 - - 1 8 ) 帅神叱一巧碱一巧= 悟( 悟+ 压m + ( 2 1 9 ) 由式( 2 - - 1 6 ) 显然可知，可以通过改变m o s 管m 。和m ：的宽长比和沟道 调制效应来改变，与，。之比。同基本电流镜一样，即使在m l 和m ：，m ，与m 。完 全匹配的条件下，由于它们的漏极电压不同，。与，。仍有一定的跟随误差。由 式( 2 1 7 ) 可得级联电流镜能够提供较高的输出电阻，比基本电流镜的输出电 阻高g 。倍。级联电流镜的输入电压和输出最小电压与基本电流镜相比都 较高，这是级联电流镜的一个缺陷。若在低电压放大器中用级联电流镜作偏置 或负载，其信号电压摆幅将受到很大影响。 2 , 2 2 3 w i l s o n 电流镜 w i l s o n 电流镜是基本电流镜的一种改进电路，其电路如图25 ( c ) 所示，它 利用电流负反馈的方法来稳定输出电流，提高输出电阻。它的电流传送关系同 式f 2 1 2 ) 。对电流传送的关系分析同基本电流镜和级联电流镜。其交流小信号等 效电路如图所示： 。 图2 7w i l s o n 电流镜交流小信号等效电路 由w i l s o n 电流镜交流小信号等效电路分析可得出其输出电阻为 卜 c 蜘m ，去。警， ( = 0 i r 川i i g 川2 ! ) ：j 警c 恪一抄：” ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 湖南大学硕士学位论文 圹分_ = 一_ = j 警( 倍+ j 钞_ + ( 2 - - 2 2 ) w i l s o n 电流镜的输出 n r o 与级联电流镜的输出电阻相近，相比基本电流 镜输出电阻则得到了大大的提高。与级联电流镜相同，w i l s o n 电流镜的输入电 压与最小输出电压都较高，因此用在低电压电路中，对输出端电压信号的摆幅 损失也较大。 综合上面的分析，这三种典型的电流镜各具有各的特点。一个好的电流源 的性能主要由两个方面体现：1 ) 电压工作范围要宽；2 ) 输出电阻要大。基本 电流镜的主要特点是结构简单，输入电压低，输出电压的动态范围比较大，因 此尽管它的输出电阻比较小，精度不高，但是在低电压、低功耗电路中仍得到 非常广泛的应用，而级联电流镜和w i l s o n 电流镜有很高的输出电阻，电流转换 精度比较高，但它的输入电压比较高，输出电压的动态范围较小，因此它主要 应用于对精度要求比较高的电路。 2 3 改进型有源反馈电流镜电路 为克服基本电流镜输出电阻小、精度不高的缺陷以及进一步提高输出电阻、 电流转换精度等不足之处，在分析其他学者在这方面研究的基础上，本文提出 一种改进型的有源反馈c m o s 电流镜电路能有效地解决了以上问题。该电流 镜电路与典型的电流镜电路比较而言，该电路应用于模拟集成电路设计时具有 更好的性能。该电路能大大提高输出电阻，同时能保持原电路的电流转换高精 度、低功耗、更宽更良好的输出电压动态范围。电路的p s p i c e 仿真证明了该 电路在模拟集成电路的设计中具有实际的推广意义。 下面为改进电路，如图( 2 8 ) 所示 、m d 图2 8m o s 有源反馈电流镜 】2 湖南人学颂l 学位论文 2 3 1 电路分析 首先来分析电路的转换精度，可以通过分析电路的转换错误率占来实现。 假设m 。与m ，匹配，。= ，( ) 。= ( w l ) 。，“= 崩、= ( 上) 以c 。 由高等数学可得出如下的近似式：如 工 l 助 1 ，男b 么( 1 + x ) ( 1 十，) ( 1 + x ) o y ) = 1 + x y + x y l + z y 在前面已经分析了m o s 电路在饱和时的i v 特性，则由式( 2 - - 3 ) 和式( 2 3 ) 可得 “。= 等丁w 形。一j 。 ( 2 2 3 ) ，：k ，w ，( 、v m 一_ w ) 2 ( 1 + 卫) ( 2 2 4 ) 则可得 量：竺2 兰l 21 竺二竺望：! 竺盘坠 1 , 1 冬孕( 。一) ：( 1 + 2 v s , s ，) 1 + 五w 1 。( 1 + 丑。厂。) ( 1 一五。，) ：1 + q 拶i 。s k v ：5 l 、+ 凳h v g s ( y g 吼 = 1 + 五( “一k h l ) = 1 + ( 2 2 5 ) 由式( 2 - - 2 ) 和式( 2 - - 3 ) 联立可得 k 。= ( ( 等尸2 + ) 一( ( 鲁) 2 + ) = ( 云) “2 ( 一”一1 1 2 d i ) ( 2 _ 2 6 ) 山式( 2 2 5 ) 和( 2 2 6 ) 联立可得 。巩( 云) 2 ”一2 砌“w ( 寿) “2 ( 【，“( 1 + e x ) 】l ”2 砌 咄( 瓷) 2 ( ( 1 + e k ) 2 叫( 2 - - 2 7 ) 式中的f 。表示电流，。到1 x 的电流转换错误率，由下式定义 塑堕查兰堕主兰垡笙苎 等i = 篙怨小缸1 + 五l 8 由近似公式：如果x 1 ，则( 1 + x ) “2 * 1 + x 2 可得 2 3 2 电路仿真 f= | 1 k sx 在此电路中采用3 t 。n 阱c m o s 工艺，工艺参数为表2 1 所示 表2 1 3 t 。n 阱c m o s 工艺参数 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) p m o s 管的模型参数 n m o s 管的模型参数 湖南_ 人学硕：i 二学位论文 下面为电路在3 。n 阱c m o s 工艺下的电路仿真 口m 1 i d l 6 0 0 0 “a r l l _ j 5 0 0 0 u a 0 0 0 0 u a 0 0 彩 彩 | | 。 7 图2 9 有源反馈电流镜电流传递关系的直流扫描分析 3 0 船。i 。i 五击i 4 0 0 0 u a6 0 0 0 u a 图2 1 0 有源反馈电流镜电流传递误差分析 2 3 3 仿真分析 由图2 9 分析可得，在3 0 0 a 范围内，电流镜输入电流曲线与输出电流曲 线几乎重合，大信号电流增益约为1 0 a a 。当输入电流大于3 0 0 , u a 时，电流 传递误差增大，并且误差与输入电流的大小成比例。 由图21 0 分析可得，在输入电流小于4 0 0 a 时，传递误差值小于千分之 三，随着输入电流的增大，误差值进一步增大。 从上述的数据分析可得，此有源反馈电流镜具有电流转换精度高、功耗低、 湖南大学硕l 学位论文 更宽更良好的输出电压动态范围的特点，具有一定的实际应用价值。 湖南人学硕士学位论文 第三章低电压低功耗电流传送器实现研究 在电子电路设计中，尤其是在模拟电子电路设计中，人们长久以来习惯于 采用电压而不是电流作为信号变量，并通过处理电压信号来决定电路的功能， 依此促成了大量电压信号处理电路或称为电压模式电路的诞生和发展。然而电 压信号处理电路在高频、高速环境的固有缺点阻碍了它的应用。在1 9 6 8 年，加 拿大学者k c s m i t h 和as e d r a 提出了一种新的模拟标准部件一一电流传送器 ( c u r r e n tc o n v e y o r , 简称c c ) ，它是最早被提出的电流模式万用功能块。电流传 送器是一种功能很强的标准部件，将它与其它的电子元件组合可以十分简便地 构成各种特定的电路结构，实现多种模拟信号处理功能，在这一点上电流传送 器与通用电压模式运算放大器是相似的。在近二十年来，以电流为信号变量的 电路在信号处理中的巨大潜在优势逐渐被认识并被挖掘出来，电流传送器电路 能够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。研究结果显示，在高频、高速信号处理领域，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进到一个新阶段。在模拟技术中的几种最基本的信号 处理功能( 如加减、比例、积分等) 能很方便地用电流传送器实现。而且，由 于电流传送器具有电压输入端( y ) 和电流输入端( x ) ，因此，利用电流传送 器既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。电流传送器电路，无论信号大小，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j 。 正是由于电流传送器的这些优点，电流传送器及其应用电路的开发研究引 起集成电路设计者越来越多的注意，现在市场上已出现了一系列电流传送器集 成器件( 如a d 8 4 4 ，p a 6 3 0 ) 。有学者预言，电流传送器这种器件将来会取代运算 放大器成为最通用的标准器件。 本章将对几代电流传送器的基本原理和典型电路作简要的概述，并对第三 代电流传送器( c c i i i ) 的典型电路进行深入分析，在分析c c i i 的基础上，利 用已广泛应用的c c i i 一电路设计出新的c c i i i 电路，并对工作过程进行分析。 在本章末提出一种高性能、高精度的低电压、低功耗的双输出电流传送器电路， p s p i c e 仿真结果证明该电路设计正确。 湖南大学硕士学位论文 3 1 电流传送器的端口特性 在介绍几代电流传送器的端口特性之前，首先介绍几个简化模型的符号和 代表意义：零子、极子、零极子 为了直观地描述电流传送器的端口电压与电流之间的相互关系，可以用单 端对理想有源器件一一零子( n u l l a t o r ) 和极子( n o r a t t o r ) 来表示电流传送器的作 用。当分析含电流传送器的集成电路时，可以使用它们的简化模型来代替它们 进行分析，这些模型在简化电路分析，得到类似的精确结论方面具有很显著的 作用。首先介绍一下它们代表的意义。 李 + v 誊 图3 1零极子符号 ( a ) 零子( b ) 极子( c ) 零极子 ( a ) 图表示零子，它的端对电压和电流都为零，即矿= o ，i = 0 ： f b ) 图表示极子，它的端对电压和电流都不受限制，故可称为“任意子”，即 v = 任意，= 任意。 3 1 1 第一代电流传送器( c c l ) s m i t h 和s e d r a 在1 9 6 8 年提出的第一代电流传输器是接地的三端口网络， 共有四个端口。c c i 的一级双极性实现电路和框图如图所示： x i ，yi j i ， ：黼 ：r 。r ：! r ， 图3 2c c i 的分立元件晶体管实现电路和黑匣子框图 图中x 和y 是输入端，z 是输出端，另一端是公共接地端。器件功能：当 有一电压作用于输入端y ，则在输入端x 呈现一相等的电压。当有一输入电流 湖南人学硕士学位论文 川图 端和z 输出端都是流进传输器，两者极性相同，用c c i + 表示：而“一”号则 表示x 端与z 端电流极性相反，用c c i 一表示。为直观描述混合矩阵表示的意 yi 一上一 图3 3c c i 的零极子表示法 3 1 2 第二代电流传送器( c o i i ) 为增强电流传送器的通用性，s m i t h 和s e d r a 在1 9 7 0 年对c c i 的特性加以 改进，提出了没有电流流入y 输入端口的第二代电流传送器( c c l l ) 。其框图如 下图所示： 图3 4c c i i 的黑匣子框图 c c i i 与c c i 类似，x 和y 是输入端，z 为输出端，另一端是公共接地端。 c c i i 与c c i 工作原理相似，两者的区别是c c i i 消除了y 端口的电流，y 端口 只作为一个电压输入端口。它的输入一输出特性可用如下的混合矩阵方程表示： 湖南大学硕士学位论文 川目 o 一 厂、 k i r 、一 。、7 “、一7 i i + 图3 5 zy c c i i 的零极子表示 ( a ) c c i i + 零极子表示( b ) c c i i 一零极子表示 3 1 3 改进的第二代电流传送器 电流传送器作为一种标准部件，由于既具有电压模式，又具有电流模式的 工作特点，因而在集成电路的设计领域得到了深入的研究和广泛的应用。然而 在集成电路设计中，可能在电路中须用到一个或几个电流传送器，在这种情况 下电流传送器之间可能要级联设计，而c c i 和c c l l 都只有一个电流输出端z ， 在电路中实现电流反馈的同时，难以获得高阻抗电流输出，因而不利于级联。 同时，c c i 和c c l l 只有一个电压输入端，当需要用电流传送器对两个电压信号 进行比较处理时，单输入端就难以胜任。为解决上述出现的问题，研究者们提 出了改进型的第二代电流传送器。在多种改进的第二代电流传送器中典型的电 路有二种：d v c c i i d o c c i i 。 3 1 3 1差动电压输入第二代电流传送器( d v c c l i ) 差动电压输入c c i i 是一种接地五端口器件，共有六个端口，如图3 6 所示： ， 匕 ， 图3 6d v c c i i 黑匣子框图 湖南大学顶，l 学位论文 图中d v c c i 有三个输入端：y 1 ，y ：和x 。y l 和y ，端为两个差动电压输 入端，具有高输入阻抗；x 端是电流输入端，具有低输入阻抗，电流是双向的， 可以流进或流出。z ，和z ，是两个极性互补的电流输出端，都具有高输出阻抗。 d v c c i i 的工作原理：输出电流，小，：跟随x 端输入电流，其中，与，。 极性相同，：与，极性相反：x 端电压跟随y 端差动电压，即= 矿一：。 由此，产生输出电流有两种方式：a ) 直接向x 端输入电流，传送到输出端； b ) 在y 、y 2 端输入差动电压，此电压经外接在x 端的阻抗产生相应的电流， 再传送到输出端。 d v c c i i 的输入一输出特性可用如下的混合矩阵来表示： 一 ，y l ，2 ，：+ ， ol 0o 0o 1o 一10 10 00 o0 0 0 00 d v c c i i 的实现电路如图3 7 所示 图3 7d v c c i i 的c m o s 实现电路 d v c c i i 的特点在于在输入端有两个差分对结构，因此电路具有优异的差 模输入特性和较高的共模信号抑制能力；同时，在电路中引入负反馈，有利于 提高x 端电压跟随能力降低了x 端的输出电阻。 电路中的所有m o s 管均源衬短接，并工作在饱和状态。电路的差动电压 传送是由差分对m i 、m 2 和m 3 、m 4 来实现，m 1 、m 2 和m 3 、m 4 要求工艺 k o l o 0 o o o 一致、参数一致。m 7 和m 8 构成电流镜，由电路分析可得， 的漏电流之和等于m 2 和m 4 的漏电流之和，即 id 、一| 。2 = i d 4 一i m 因此有 静态时m 1 和m 3 一2 = 。一3 ( 3 - 2 ) 其中，：= o ，。，= 咋，= ：，。= 则由式( 3 2 ) 可得 = 以1 一q2 ( 3 3 ) m 9 、m 1 2 主要起反馈的作用，使矿，独立于x 端的输出电流，同时降低了 x 端的输入电阻。其工作原理为：当x 端输出电流变化引起电压变化时( 假设 矿，增加) ，m 3 栅极输入电压增加，由于m 3 、m 4 为差分对，因此m 4 的漏极输 出电压也增加；m 9 和m 1 2 组成共源放大器，m 】2 为有源电阻，m 9 栅极电压 增大，使x 端电压降低，从而起到了抑制x 端电压变化的作用。 m 1 0 、m 1 3 把x 端电流正向传输到z 端：m 1 1 、m 1 7 、m 1 8 以及由m 13 、 m 1 4 和m 1 5 、m 1 6 组成的两对电流镜，将x 端电流反向传输至z ，端，因此电 路可实现d v c c i i + 和d v c c i i - - 的功能。 3 1 3 2 双输出第二代电流传送器( d o c c i i ) 双输出端c c i i 是一个接地四端口器件，共有五个端口。如图3 ，8 所示： 一 图3 8d o c c i i 黑匣子框图 图中x 、y 分别是电流和电压输入端，z 和z 是两个互补的电流输出端。 d o c c i i 工作原理：该电路同时包含了c c i i + 和c c i i 一的作用，其中x 、y 、z 三端组成了c c i + ，z 端输出电流与x 端电流极性相同：x 、y 、z 组成c c i i 一， z 端输出电流与x 端电流极性相反。 d o c c i i 的输入一输出特性可用如下的混合矩阵来表示： 湖南人学硕士学位论文 ly j ： t o0 l0 o1 0 1 噩 3 1 3 3 第三代电流传送器( c c i i i ) 第三代电流传送器是接地四端口器件，它和c c i 很相似，只是c c i 的流入 x 端的电流与跟随的y 端的电流流向相同，而c c i i i 则相反。c c i i i 的结构框图 如下： 川引 v 图3 1 0 两个c c i i + 构成c c l l i 的电路框图 由前面分析可得c c l i + ：有v x = ，= + z + = 一，：一的关系，则分析图3 1 0 可褥v x = v y ，ix = + lz + = 一lz ，lv = 一i 。n 湖南大学砸l 学位论文 3 2 第二代电流传送器实现原理 电流传送器作为一种电流模式电路，集成电路设计者在实践中发现它在模 拟电路设计中能提供一些优于运算放大器的电路性能( 如能提供比运算放大器 更大的增益带宽积) 。电流传送器的性能既取决于两输入端( x 、y 端) 之间电 压缓冲器电路的性能也取决于阻抗相差悬殊的两个端1 5 1 ( x 、z 端) 之间传输 电流的能力。电流传送器的这两种属性可以采通过互不相干的方法来分别实现， 然后再组合成电流传送器。下面是在这种设计思想基础上实现的正、负电流传 送器典型电路。 图3 1 1第二代电流传送器 ( a ) 正电流传送器( b ) 采用堆叠式电流镜的负电流传送器 图3 1 1 分别是用简单电流镜和堆叠式电流镜构成的正、负电流传送器。在 这两个电路中，电压缓冲器功能是利用集成运算放大器实现的，而电流传输的 功能是通过电流镜实现。最早实现的电路是正电流传输器这是因为负电流传输 器可被看作是正电流传输器的扩展。尽管基本电流镜的输出阻抗较低，而且电 流增益差，但在实现上，采用了基本电流镜。这种选择的理由是由于基本电流 镜的x 端电压信号摆幅较大。 在第二章己分析了几种典型电流镜的优劣之处，在这里的正电流传送器中 采