基于電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型電流控制電流傳輸器

胡許光，王衛(wèi)東，陳培騰，劉晨光（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

基于電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型電流控制電流傳輸器

胡許光，王衛(wèi)東，陳培騰，劉晨光
（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林541004）

提出了一種基于新型電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型CMOS電流控制電流傳輸器，電路由電流補(bǔ)償電流鏡和跨導(dǎo)線性環(huán)構(gòu)成。相對于以往提出的電流控制電流傳輸器，該電路具有更高的電流跟隨精度以及Z端輸出阻抗。采用SMIC 0.18μm CMOS工藝參數(shù)，在±1.2 V的供電電源條件下，用Spectre對電路進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：在50μA的偏置電流下，電流的跟隨精度為1.004，-3 dB帶寬為200 MHz，Z端阻抗為2 MΩ。經(jīng)驗(yàn)證，該電路可用于設(shè)計(jì)可調(diào)諧連續(xù)時(shí)間電流模式濾波器。

電流補(bǔ)償電流鏡；跨導(dǎo)線性環(huán)；電流控制電流傳輸器；電流模式濾波器

0 引言

眾所周知，電流控制第二代電流傳輸器廣泛應(yīng)用于電流模式電路，但到現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者采用的多為傳統(tǒng)的CCCII，其傳輸精度以及輸出阻抗都不是很高[1]，限制了電路的應(yīng)用。一些文章針對傳統(tǒng)的CCCII做了一些改進(jìn)，例如參考文獻(xiàn)[2]采用共源共柵電流鏡提高電路的性能，但共源共柵電流鏡需要消耗較大的電壓余度。因此，本文針對以往CCCII的缺陷做了改進(jìn)，采用具有高精度、高輸出阻抗的電流補(bǔ)償電流鏡提高CCCII的性能，使改進(jìn)的CCCII在較低的電壓下具有更高的傳輸精度以及輸出阻抗，并將改進(jìn)電路應(yīng)用于可調(diào)電流模式濾波器設(shè)計(jì)。

1 新型電流補(bǔ)償電流鏡

圖1 兩種電流鏡比較

當(dāng)工作在較高頻率時(shí)，通過小信號(hào)模型分析兩種電流鏡傳輸特性，圖2給出新型電流鏡小信號(hào)模型。

圖2 電流補(bǔ)償電流鏡小信號(hào)模型

對于基本電流鏡：

對于電流補(bǔ)償電流鏡：

考慮M3、M4管對電路只進(jìn)行微調(diào)，（gm3+gm4）Vout忽略，另外Cgd對電路影響比較小可不計(jì)。

在較低頻率下，基本電流鏡的輸出阻抗為：

電流補(bǔ)償電流鏡的輸出阻抗為：

2 CCCII端口特性及電路符號(hào)

圖3為CCCII電路符號(hào)，外加偏置電流IB可控制X端寄生電阻，Z、Z-分別表示同相輸出端和反向輸出端，理想端口特性可表示為：

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圖3 CCCII電路符號(hào)

3 基于新型電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型CCCII

改進(jìn)型的電流控制電流傳輸器[4-6]如圖4所示，M1～ M4構(gòu)成跨導(dǎo)線性環(huán)結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的CCCII，新型的CCCII加入了M5～M8，M9～M12，M13～M16，M17～M20四個(gè)新型的電流補(bǔ)償電流鏡。通過調(diào)節(jié)外接可調(diào)電阻R改變偏置電流IB的大小來實(shí)現(xiàn)對電路中電流的控制作用。由跨導(dǎo)線性環(huán)的原理可知，M1和M3漏極的電流誤差越小，電路的精度越高，但是由于溝道調(diào)制效應(yīng)，普通電流鏡往往達(dá)不到理想的傳輸精度，采用共源共柵電流鏡能提高精度卻要消耗過多的電壓余度。而圖4中的電流補(bǔ)償電流鏡利用電流補(bǔ)償?shù)脑肀苊饬藴系勒{(diào)制效應(yīng)的影響，且在較低電壓下就能工作，使電路獲得更高的傳輸精度。從圖1中又可知這種結(jié)構(gòu)電流鏡使其獲得了很高的輸出阻抗，將其應(yīng)用在圖4的輸出端，使Z端獲得了很高的輸出阻抗，由式（9）可知：

圖4 基于電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型CCCII

4 仿真結(jié)果及分析

基于SMIC 0.18μm CMOS工藝，用Spectre對圖4中電路進(jìn)行模擬仿真。電源電壓采用±1.2 V。首先分析靜態(tài)特性，圖5給出了改進(jìn)型CCCII的直流跟隨特性曲線，X端電流范圍為±100 μA，圖5清楚顯示了改進(jìn)型的CCCII具有良好的電流跟隨精度。

圖5 X端到Z端直流電流傳輸特性

然后分析交流傳輸特性，在IB=50μA下，X端接20 kΩ負(fù)載時(shí)，測得改進(jìn)型CCCII的電壓跟隨精度0. 98，-3 dB帶寬分別為715 MHz。Z端接10 kΩ負(fù)載時(shí)，測得Z端跟隨X端的交流電流傳輸特性如圖6所示，傳統(tǒng)CCCII和改進(jìn)型CCCII的跟隨精度分別為0.97和1.004，-3 dB帶寬分別為605MHz和200MHz。式（2）、（7）中傳輸函數(shù)構(gòu)成一階低通濾波器，式（7）中g(shù)m1>>gds1+gds3+ gds4，gm1+gds1+gds3+gds4≈gm1，特征頻率分別為ωo1=gm1/Cin1，ωo2=gm1/Cin2，Cin1ωo2，采用電流補(bǔ)償電流鏡的CCCII具有更高的電流傳輸精度，但是電流傳輸?shù)?3 dB帶寬相對于傳統(tǒng)的CCCII有所減小，與理論分析相一致，iz1/ix1，iz2/ix2分別為傳統(tǒng)型和改進(jìn)型CCCII電流傳輸增益。

圖6 Z跟隨X端交流電流傳輸特性曲線

最后分析阻抗特性曲線，20μA≤IB≤120μA（10 kΩ≤R≤70 kΩ）時(shí)，電路正常工作，測試20μA≤IB≤120μA范圍內(nèi)R x的變化，如圖7所示，電阻的可控范圍為441Ω≤R x≤1.17 kΩ。圖8給出了IB=50μA時(shí)，Z端電壓在±200 mV范圍內(nèi)Z端電流的變化情況，可得傳統(tǒng)CCCII的R z≈170 kΩ，改進(jìn)型CCCII的R z≈2 MΩ，驗(yàn)證了前述的理論分析。

圖8 Z端電流跟隨Z端電壓變化曲線

表1將圖4改進(jìn)型CCCII的性能參數(shù)與傳統(tǒng)CCCII、參考文獻(xiàn)[1]進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，在IB=50μA條件下，改進(jìn)型電路的電流傳輸精度為1.004，Z端阻抗為2 MΩ，優(yōu)于傳統(tǒng)CCCII及參考文獻(xiàn)[1]中的參數(shù)。

表1 電路性能的參數(shù)對比

5 改進(jìn)型電路應(yīng)用于濾波器設(shè)計(jì)

[7]中的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，將改進(jìn)型CCCII應(yīng)用于電流模式帶通濾波器[8]的設(shè)計(jì)驗(yàn)證了電路的性能。帶通濾波器的傳輸函數(shù)為：

圖9 改進(jìn)型CCCII構(gòu)成的濾波器

式中Rx為CCCII X端寄生電阻，增益Ho=0.5，特征頻率ω0和品質(zhì)因子Q分別為：

令C1=100 pF，C2=400 pF，在IB分別為20μA（Rx= 1.17 kΩ）、45μA（Rx=688Ω）、120μA（Rx=441Ω）下測得f0的值為678 kHz、1.1 MHz、1.78 MHz，與理論值接近。帶通特性曲線如圖10所示。

圖10 不同IB下帶通濾波器的特性曲線

6 結(jié)論

本文提出了基于新型電流補(bǔ)償電流鏡的改進(jìn)型CCCII，相對于以往的CCCII，該電路具有更高的電流傳輸精度以及Z端輸出電阻。采用SMIC 0.18μm CMOS工藝參數(shù)，在供電電壓為±1.2 V下，用Spectre對電路進(jìn)行仿真，當(dāng)IB為50μA時(shí)，vx/vy、iz/ix的-3 dB帶寬分別為715 MHz和200 MHz，跟隨精度分別為0.98和1.004，Z端阻抗為2 MΩ，功耗為0.495 mW。經(jīng)驗(yàn)證，提出的改進(jìn)型CCCII可用于設(shè)計(jì)可調(diào)諧連續(xù)時(shí)間電流模式濾波器。

參考文獻(xiàn)

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[3]MONFAREDI K，BAGHTASH H F，AZHARI S J.A novellow voltage current compensated high performance current mirror/NIC[C].International Symposium on Quality Electronic Design，2010：437-442.

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[5]畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].陳貴燦，程軍，張瑞智，等，譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.

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An im proved CCCII based on current compensated current m irror

Hu Xuguang，Wang Weidong，Chen Peiteng，Liu Chenguang
（School of Information and Communication Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

This paper proposes an improved CMOS CCCII based on current compensated current mirror，the circuit consists of current compensation current mirror and a translinear loop.Compared to the previous proposed CCCII，the circuit has higher current tracking accuracy and the Z output impedance.Using SMIC 0.18μm CMOS technology，when the power supply voltage is±1.2 V and bias current is 50μA，the Spectre simulation results showed that current tracking accuracy is 1.004，the-3 dB bandwidth is 200 MHz，Z terminal impedance for 2MΩ.The circuit can be used in the design of tunable continuous time current mode filter.

current compensated current mirror；translinear loop；CCCII；current mode filter

TN432

A

1674-7720（2015）03-0041-03

2014-09-12）

胡許光（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：專用集成電路設(shè)計(jì)。

王衛(wèi)東（1956-），男，教授，主要研究方向：模擬集成電路及電流模技術(shù)。

陳培騰（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：電子與通信工程。