电流模集成电抗元件与频率变换电路的设计

摘要：为了拓宽电流模单元电路结构在低压低功耗射频集成电路中的应用，研究把第二代电流传输器用作电抗器件和频率变换电路。以第二代电流传输器为核心，辅助予外围电路，构造从输入到输出端口不同性质传输阻抗的有源电容倍增器和有源电感，并且基于第二代电流传输器组合结构差异的分析，设计了集成频率变换电路。从理论上，推出有源电容倍增器和有源电感结构的合理性。仿真集成频率变换电路，结果表明对40 MHz以下正弦波倍频功能正确，且以100 kHz正弦波为调制信号和以10 MHz的正弦波为载波获得了双边带调幅信号。这为射频集成电路设计提供了新的思路。
关键词：第二代电流传输器；有源电容倍增器；有源电感；振幅调制器

随着集成电路技术的发展，低压低功耗设计技术成为普遍关注的焦点，然而，低电压给模拟集成电路设计带来了诸多的挑战。为了解决输入端阈值电压的影响和输出信号的电压幅度问题，人们提出了以电流模电路取代电压模电路的设计策略，并取得了良好的效果。其中，电流传输器就是电流模电路结构的代表之一。
第一代电流传输器通常用从X输入端到Y输入端的反馈获得IY=IX，它具有减小X端输入电阻的作用，当VY=0时，该输入电阻非常小，可以作为输入级用于接口芯片和高速传输系统中。后来，人们不断改进电路结构，从电流传输器的动态范围、跟随特性等方面进行完善，以形成第二代电流传输器。
本文首先把第二代电流传输器(CCTT)应用于电抗器件的设计，以小的容抗实现大容抗等效，从而避免了集成模拟电路设计中大电容的使用以节省芯片面积；以容抗实现感抗等效变换，避免了制作片上螺旋电感复杂的工艺步骤。另外，将第二代电流传输器应用于频率变换电路，大大提高模拟芯片的设计效率。

1 第二代电流传输器结构
图1是为了改善(CCII)低电压工作时输入电压的线性范围，而采用CMOS工艺实现的电路原理图。输入级完成X端和Y端之间的跟随。为了有利于低功耗工作，输出级由两级AB类放大器组成。其中，第一级为一个简单的反相放大器，执行反馈动作以减小X端的输入电阻；第二级完成由X端到1端的电流传输。利用附加的电流镜把电流反相并传输到2端，其图形符号如图2所示。

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第二代电流传输器的关系式为：

2 第二代电流传输器的应用
2．1 基于第二代电流传输器的电抗倍增器
为了用较小的电容，通过有源网络进行阻抗变换来获得较大的电容，由跨导运算放大器、无源元件和CCII经过适当连接成两种有源网络(见图3)，分别为浮地阻抗变换器和接地阻抗变换器。

所含跨导运算放大器(OTA)的输入／输出关系如下：

式中：iout为输出电流；gm为跨导(受偏置控制)；vP，vN分别为正、负输入端的输入电压。
由OTA和CCII的构成关系得到节点2的电压为：
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2．1．1 有源电容倍增器
当Z1与Z2分别选用电阻R、电容C时，，有源网络等效为一个容量为Ceq=gmRC的电容，该电容较原电容C，放大了gmR倍，大大提高了等效容量，称该电路为有源电容倍增器。考虑电容C的等效串联电阻r，按上述步骤重新推导得等效输入阻抗为：

可见，该有源电容倍增器等效成为一个电容和一个电阻串联，其中电容容量为Ceq=gmRC，电阻阻值为，等效后电容是原电容gmR，而等效后电阻只有原电阻，品质因素并没有改变。
2．1．2 有源电抗转换倍增器
当Z1与Z2分别选用电容C、电阻R时，Zin(s)=s(RC)／gm，有源网络等效为一个电感，电感量为Leq=RC／gm。适当调节跨导gm，改变与R的比值，可以得到较大电感，称该电路为有源电抗转换倍增器；考虑电容C的等效串联电阻r，注意到实际电路中R>>r，按上述步骤重新推导可得等效输入阻抗为：

所以，该有源电抗转换倍增器可以实现电抗到感抗的变换，但其品质因素很小。
另外，由于跨导放大器的gm值受偏置电流IB或偏置电压VB的控制，电抗倍增器的放大倍数与gm成比例关系，因此，即使该倍增电路的所有元件参数都确定下来，在实际应用中仍然可以通过调整跨导放大器的偏置来调节电抗的倍数，以达到对等效电抗的在系统调控，使得应用更具有灵活性。
2．2 基于第二代电流传输器频率变换电路的设计
2．2．1 第二代电流传输器频率变换电路的原理
用一个四管差分跨导输入级和2个CCII组成乘积型电流传输器，如图4所示。

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这是全差分的电路结构(即输入与输出信号均为差分形式)，以获得前置差分电阻的良好线性，根据式(1)，有：vX=vY及iZ=-iX，则电压的传输关系为：

式中：W／L为差分跨导输入管的宽长比；常数K=μCox，μ，Cox分别为沟道中载流子的平均迁移率及单位面积栅氧化层的电容。这种全差分电流传输器实现了两个电压差分信号的乘积输出，且具有自动失调取消的功能。
2．2．2 频率变换电路的功能模拟
在27℃和±2．5 V电源电压下利用Candence Spectre对图4电路的倍频功能进行仿真。图5是两输入信号均为40 MHz正弦波、输出信号为80 MHz正弦波的仿真波形图，其中上方为波形输入信号，下方波形为输出信号。

图6是两输入信号分别为100 kHz和10 MHz的正弦波、输出信号为调幅波的仿真图，上方和中间波形为输入信号，下方波形为输出的调幅信号。

乘积型电流传输器利用两输入信号相乘，输出边带信号的方法来实现倍频(如图5为上边带信号，频率为输入信号频率的2倍)、抑制载波的平衡式调幅(图6为双边带信号，上边频两输入信号的和频，下边频为两输入信号的差频)，如果在百兆级频率内任意输入两个信号，输出经高通滤波器或低通滤波器取出其中一个边频，便实现了两信号的混频。以上仿真表明，用一个四管差分跨导输入级和两个CCII组成乘积型电流传输器能够在百兆级带宽范围内正确地施行频谱的线性搬移。在混频、倍频和幅度调制电路系统中，有着广阔的应用前景。

3 结语
本文分别结合OTA和四管差分跨导输入电路，以CCII为核心设计了有源电容器、有源电感器以及倍频、幅度调制器。特别是实现了容抗到感抗的转换，为有源电感的设计提供了新的思路。以上各部分的分析与仿真表明：第二代电流传输器在设计电抗器件和频率变换电路具有通用性。把CCII用于模拟集成电路设计，是电流模电路在通信芯片应用的有益尝试。