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。并介紹了廣泛應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線性環特性和端口特性，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。在此基礎上，設計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軟件進行輸入為正弦波和方波時的輸出波形的仿真驗證。
關鍵詞：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，人們長久以來習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展。
但是，隨著被處理信號的頻率越來越高，電壓型運算放大器的固有缺點開始阻礙它在高頻、高速環境中的應用。電壓型運算放大器的缺點之一，它在-3 dB閉環寬帶與閉環增益的乘積是常數，當寬帶向高頻區域擴展時，增益成比例下降；缺點之二，它在大信號下輸出電壓的最高轉換速率很低，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點被發現被挖掘出來，促成了一種新型電路——電流模式電路的發展。人們發現，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、動態范圍等方面獲得更加優良的性能。

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內部電路的輸入端X端與Y端存在一個寄生電阻，而傳輸特性并沒有考慮這個電阻，從而造成CCII的X端與Y端的電壓跟蹤無法達到理想的程度，而CCCII就是利用X端的寄生電阻受到內部直流偏壓控制的特性以達到電壓可調的特性。
1996年，學者Alain Fabre等人基于跨導線性環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線性環特性實現的。
1．1 線性跨導原理
跨導線性電路的主要性能是借助于雙極性晶體管的跨導參數與其集電極電流成正比關系得到的。跨導參數與其集電極電流之間的比例關系為：在一個含有偶數個正向偏置發射結，且排列成順時針方向結的數目和反時針方向結的數目相等的閉環中，順時針方向發射電流密度之積等于反時針方向發射結電流密度之積。
對于雙極性晶體管，集電極電流Ic與基-射結電壓VBE之間的關系是它的核心關系。這種關系可以表示為：

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，近似于發射區面積成正比。對式(1)求微分，可以得到：

式(2)表明，理想BJT的跨導gm是集電極靜態電流的線性數IC，這是由于IC與VBE之間具有對數關系的結果。在一個包含n個BJT基-射結的閉合環路中，采用某種方法使其正向偏置而導通，則結電壓之和應等于零，即：

圖1給出了一個簡化TL環路，它包含4個PN結，每個PN結實際代表環路中每個BJT的基一射結，每個結上標出的電流過結的正向偏置電流，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代表每個結的反向飽和電流，由于每個結的發射區面積可能不同，也可以有不同極性的BJT組成，因圖簡化TL環路，所以Isj可能是不相等的；Vtj代表每個結的熱電壓，對于大多數應用電路，可以假定所有結的熱電壓相等。因此，式(4)可以表示為：

一系列對數之和為零可以改寫成一系列乘積項為1，因此式(5)可以寫成：

為實現式(5)的環路內節點電壓值和為零及IC／IS電流比的對數和為零，在維持合理的工作電流的同時，TL環路必須是成對的，那么它滿足兩個基本條件，即：TL環路內的結點數必須是偶數個；面向順時針排列和面向逆時針方向排列的結數必須相等。設TL環路是對稱的，滿足上述兩個條件，則式(6)可以另外表示為：

公式左右雙方分別為順時針和逆時針排列的正偏發射結的IC／IS項的乘積。由于TL環路中的發射結反向飽和電流ISK與發射區的面積成正比，因此可將ISK表示為：ISK=AKJSK，AK是第K個結的發射區面積，JSK是與幾何結構無關的反向飽和電流密度，假設每個結JSK的是相等的，因此式(7)可以重寫為：