基于改进共源共栅电流镜的第三代电流传输器

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电流传输器和单增益放大器被模拟设计人员大量使用,特别是在信号处理应用和有源网络结合方面[1]。电流传输器是继运算放大器之后出现的一种功能强大的标准部件,将其与其他电子元器件组合起来可以十分简便地构成各种特定的电路结构。FABRE A在1995年,提出了基于CCII结构的CCIII[2,3],CCIII可以被视为一个单增益的电流控制电流源电路。
    由于第三代电流传输器是一种电流模式电路,在精度、带宽和转换速率等方面均优于传统电压型运算放大器(VOA)。CCIII由此应用于实现多种多功能滤波器及电感模拟和全通部件方面。CCIII采用基本电流镜,由于基本电流镜的线性度有限且输出阻抗较低,使得DC和AC性能偏低。优点是低增益误差,高线性度和较宽的频率响应,而且Z端口的输出阻抗较高。
    本文在原有CCIII电路的基础上,改进电流镜结构,应用共源共栅电流镜和改进共源共栅电路组成的电流镜,后一种电流镜具有较大的输出阻抗和良好的线性,基于这两种电流镜结构提出了一种新型的CCIII双输出CMOS实现电路,仿真结果显示该电路具有良好的线性,Z端口有很高的输出阻抗和较好的输入输出电流增益。
1 电路设计
1.1 第三代电流传输器基本电路

    理想双输出第三代电流传输器的电路符号如图1所示,式(1)为其理想端口特性矩阵[4]。矩阵中的正号表示电流流进Z端,负号表示电流流出Z端口,用此来区分CCIII+和CCIII-。
 
    由图1和式(1)可以看出,CCIII是一个四端口器件,端口X、Y均为电流输入端,且电流方向相反。X端口的电压跟随Y端口电压,Z+端口和Z-端口的电流均跟随X端口的电流。


    CCIII的基本实现电路如图2所示,它由4个基本电流镜(M5,M6)(M7,M8)(M13,M14)(M15,M16)和晶体管(M1-M4,M9-M12)组成,输入端X,Y的电流分别经输出级晶体管M19-M20和M17-M18传输到Z+和Z-。两端口Z+和Z-的输出电阻如式(2):

    可见,CCIII基本电路的输出阻抗是一个有限值,取决于输出级MOS管的输出电阻。CCIII的基本结构模型在10 MHz频率范围内虽然拥有很好的电压和电流跟随特性,但作为电流模式电路,其Z端口的输出阻抗偏低,只有几千欧,实际应用中需要外接高阻值电阻完成电流到电压的转换。这种现象可以通过改变CCIII电路结构提高输出电阻的方法加以改善。
1.2 高输出阻抗电流镜
    图3列出4个选择源电路。图3(a)的共源共栅电流镜在M4进入三极管区域之前需要较大的输入电压(VGS1+VGS3)[5],图3(b)的威尔逊电流镜[6]两端的最小允许电压与共源共栅电流镜两端的最小允许电压相近,比其小一个MOS管的开启电压。其他两个共源共栅电路需用较低的电源电压 ,其中输入电压等同于单晶体管(M1)的栅源电压。使用图3(a)电路的弊端是它可能在晶体管进入三极管区域之前降低输出信号幅度的最大值,而图3(b)威尔逊电路的缺点是它的输出电阻约为共源共栅电流镜的一半。由于这个原因,共源共栅电流镜一般比威尔逊电流镜更受欢迎。


    图3(c)的校准共源共栅电流镜[7]和图3(d)的改进共源共栅电流镜很容易调节。电路的输入电压摆幅都很大,类似于最简单的双晶体管电流镜。图3(c)中,M2的漏源电压VDS2基本保持不变,这是因为VGS3基本上保持不变。由于VGS1=VDS1,VDS1随Iin的增加而增加,反之亦然。由于VDS2不变,无法忽略的沟道长度调制效应使得Iout的变化小于Iin,故Iout/Iin的比率是Iin的单调递减函数。
    在图3(d)中,M3和M4之间的栅电压基本上保持不变是因为稳定电流Io驱动VGS2时保持稳定。当M4的宽长比比M3的宽长比大得多时,VGS4的变化远远小于VGS3的变化,而此时M3的耗尽层电压随M1的耗尽层电压的变化而变化。因此,该图中Iout/Iin的比率基本保持不变,即Iout变量接近Iin变量的各种值。为此,图3(d)改进共源共栅电流镜中的电流传递函数比图3(c)校准共源共栅电流镜中的电流传递函数更线性化。
1.3 基于改进共源共栅电流镜的CCIII
    为了进一步提高电路的性能,在基于基本电流镜的CCIII电路的基础上提出了基于共源共栅电流镜和改进共源共栅电流镜的CCIII电路。具体电路如图4所示。

    该传输器基于共源共栅电流传输器和4个改进共源共栅电流镜(M18,M27,M34,M29,IREF1)和(M20,M32,M36,M30,IREF2)(M17,M21,M33,M23,IREF1)以及(M19,M26,M35,M24,IREF2)组成,输入端X、Y的电流分别经输出级晶体管(M19,M20,M26,M32)和(M17,M18,M21,M27)传输到Z+和Z-。
    图4中晶体管M33、M34、M35、M36扮演的角色和图3(d)中的M2是一样的,从图4可以看出,传输器电路的电流镜传输信号只沿一个方向,传输器也没有内部频率补偿电容,故电路中的电容比普通传输器电路的电容小得多。2 电路仿真
    本文采用TMSC 0.35 ?滋m CMOS工艺,电源电压VDD=2.5 V,VSS=-2.5 V,应用Hspice在LEVEL49模型参数下对图4中的电路的主要特性参数Vx/Vy和Iz/Ix,输出电阻等都进行仿真。
    电压和电流的直流传输特性分别如图5(a)和图5(b)所示。图5(a)中从端口Y输入电压,从端口X输出电压。X端带有负载电阻,输出端Z接地。仿真结果显示在-1.5 V~1.3 V范围内Vx和Vy线性度较好。图5(b)中端口X和Z短路。从仿真结果可以看出,Iz+max=1.5 mA,Iz+min=-1.5 mA,Iz-max=1.3 mA,Iz-min=-1.4 mA。

 

    电压和电流的频率响应分别如图6(a)和图6(b)所示,电压Vx/Vy,Iz+/Ix,Iz-/Ix的f-3 db的截止频率分别为183.2 MHz、103.4 MHz、93.4 MHz。


    由于在实际中CCIII的阻抗Zz+、Zz-和Zy不可能为无穷大,而Zx不可能为零,因此,考虑到电流电压量相对于理想值的偏移,各端口偏差系数为α=Iy/Ix,β=Vx/Vy,γ=Iz+/Ix,δ=Iz-/Ix。所有仿真结果见表1。

    目前电流传输器已发展到第三代。本文在CCIII基本电路的基础上,提出了一种基于共源共栅电流镜和改进共源共栅电流镜的新型电流传输器,该电流镜能明显增大Z端口的输出电阻,提高电流线性。本文采用TMSC 0.35 μm工艺,应用HSPICE对改进后的电路进行仿真。仿真结果显示电路的输出电阻明显增大,电压和电流线性度和增益精度也有很大改善。
参考文献
[1] SEDRA A,ROBERTS G.The current conveyor:history,progress and new results.IEE Proceeding Part G,1990;I37:78-87.
[2] FABRE A.Third-generation current conveyor:a new helpful active element.IEEE,1995:338-339.
[3] PIOVACCARI A.CMOS integrated third-generation current conveyor.IEEE Electronics Letters,1995,31(15).
[4] OZOGUZ S ,KUNTMAN H,CIECKOGLU O.First-order allpass filter realization using a modified third generation  current conveyor.IEEE Circuits and Systems for Communications,2002:66-69.
[5] 拉扎维.模拟CMOS集成电路设计.陕西:西安交通大学出版社,2003:116-121.
[6] DAVID A,JOHNS,Ken Martin.模拟集成电路设计.机械工业出版社,2005:98-99.
[7] SACKINGER E,GUGGENBUHL W.A high-swing,high-impedance MOS cascade circuit.IEEE Journal of Solid-State Circuits,1990,25:289-298.