电流控制差分电压输入电流传输器设计及应用

摘要 设计了一种电流控制差分电压输入电流传输器的结构。较之前的相关文献，文中设计的电路结构具有较高的电路性能，在具有功耗低的同时，X端寄生电阻范围大。除此之外，跨导线性环结构只使用NMOS构成，无PMOS处理交流信号使得电路带宽性能得到提高；电路采用轨对轨输入，使得输入电压范围得到扩展。
关键词 电流模式；电流控制差分电压输入电流传输器；模拟集成电路

电流模式的分析方法由于它在速度、功耗、带宽等方面的优势吸引着众多的模拟集成电路设计者。文献中介绍了电流传输器的应用，例如：滤波器、振荡器以及模拟信号处理模块等。为克服电流传输器中只有一个电压输入端的缺点，引入了差分电压输入电流传输器(DVCC)DVCC可以使用在许多需要处理差分信号的应用中，例如：模拟信号处理、自动控制和测量放大器等。因此，DVCC也是一个重要的万用功能模块，尤其是它在处理差分信号和浮地输入信号时优点更加突出。
电流控制差分电压输入电流传输器(CCDVCC)是DVCC的一种重要的改进电路模块。它的X端寄生电阻RX是可调的，RX的阻值是通过外接输入偏置电流控制的，因此RX可以作为电路应用中的有源电阻。所以使用了CCDVCC模块的电路可以实现传输函数的可电调谐功能。文献中X端可调电阻RX是通过一对NMOS管(或NPN)和一对PMOS管(或PNP)组成的跨导线性环电路实现的；而本文是利用一对NMOS管组成的跨导线性环取代4个MOS构成的跨导线性环。在CMOS工艺中，由于PMOS管相比NMOS管，PMOS管处理交流信号的性能较差，在跨导线性环电路中使用PMOS管会使得电路的输出跟随信号精确度和可以处理的最高频率等性能会有所降低。文中提出的跨导线性环电路只使用NMOS管构成，在跨导线性环中避免了PMOS管处理交流信号，处理交流信号的只有NMOS管，因此电路中输出信号的跟随精度以及系统函数的带宽会有所提高。

CCDVCC的符号图如图1所示。它具有两个高输入阻抗的差分电压输入端：Y+和Y-端；具有一个低输入阻抗的X端，可以作为电流输入端或者电压输出端。X端的寄生电阻RX通过外接输入偏置电流IB实现电阻值的可控


1 CCDVCC的设计
设计的CCDVCC如图2所示。电路的第一级为一个轨对轨输入的DVCC。电路的第二级为一个仅由两个NMOS管组成的跨导线性环结构，作为电流控制RX电阻值的结构。第一级电路包括3部分：第一，由N型和P型MOS管并联组成的差分电压输入结构——轨对轨电压输入结构；第二，电流镜结构；第三，AB推挽输出结构。晶体管PM11，PM12和NM9，NM10构成电流镜具有电压阈值相消的作用。晶体管NM13和PM13构成了AB推挽输出级。N型MOS管的差分电压输入结构和P型MOS管的差分电压输入结构并联是为了得到轨对轨电压输入以便扩大电压输入范围。轨对轨的差分电压输入结构有4个工作区域：只有P型MOS管差分对工作；P型MOS管差分对和N型MOS管差分对同时工作；只有N型MOS管差分对工作。

第二级由一个跨导线性环结构组成，跨导线性环的作用是通过外接的偏置电流控制X端的寄生电阻值。文献提出的跨导线性环结构是由一对NMOS管和一对PMOS管共同构成的，而文中设计的跨导线性环结构仅由一对NMOS管构成。由于集成电路中PMOS管会降低电路的性能。相较于参考文献，设计的电路可以在较高的频率上正常工作并且可以将信号更加精确的传输到输出端；因为文中设计的电路中，跨导线性环电路结构中处理交流信号的只有NMOS管，避免PMOS管处理交流信号以致降低电路性能。图2中晶体管M5和M6构成一个跨导线性环结构。根据跨导线性环的原理可以得到
i2=iX+iB (3)
图2中所有晶体管都工作在饱和区。因此，有

由式(4)可知，RX可以通过IB调节。M7是一个MOS开关，可以通过改变MOS开关的状态得到X端的负寄生阻抗-RX或正寄生阻抗+RX。控制MOS开关的信号是低电平时，RX为负阻抗；控制MOS开关的信号是高电平时，RX为正阻抗。
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2 仿真结果
使用CMOS 0．18 μm工艺对文中设计的电路进行仿真。电路的电源电压为1．8 V，工作电压为0．9 V。电路中所有MOS晶体管的宽长比如表1所示。图3为文中设计集成电路的版图结构。图4～图6显示的仿真结果曲线与文献相比较列于表2中。

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为证明设计的电路应用能力，提出了CCDVCC的两种应用。第一种为应用CCDVCC构成电流模式测量放大器，电路结构如图8所示。测量放大器的增益可通过改变电路中CCDVCC的输入偏置电流IB的值来进行调节。图9显示了电流模式测量放大器增益随输入偏置电流IB变化的曲线，测量放大器的增益如式(5)所示

由图7可知，曲线变化符合式(5)中所示函数

第二种为应用CCDVCC构成电压模式多功能滤波器，如图10所示。滤波器的中心频率和品质因素可以通过改变CCDVCC输入偏置电流IB的值调节

图11(a)显示了电路实现低通和带通滤波器时，滤波器的频率响应。利用CDVCC的偏置电流IB改变滤波器的中心频率fo以及品质因数的曲线如图11(b)所示。

3 结束语
设计的集成电路功能模块的优势为：有更大的带宽、更宽的RX电阻可控范围以及轨对轨的电压输入范围，唯一不足的是电压跟随增益有所下降。综上所述，设计的CCDVCC集成电路模块适用于构建高性能电流模式电路。