CN101047383A - 电流控制全平衡差分式电流传输器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差分式电流传输器，特别是一种具有电控性的能较好地抑制共模信号的CMOS第二代电流传输器。一对电压差分输入端Y₁，Y₂，具有高输入阻抗，一对差分电压跟踪端X₊，X_－，一对同相电流输出端Z₁₊、Z₂₊，一对反相电流输出端Z_1－，Z_2－。该电路具有电控性，即通过调整该电路的偏置电流I_B可以控制X₊、X_－端电压与Y₁、Y₂端的差分电压的关系，其关系如下：V_X+＝V_Y3+(V_Y1－V_Y2)+I_X+·R_X，V_X－＝V_Y4－(V_Y1－V_Y2)+I_X－·R_X。其中，R_X＝V_T/(2I_B)表示X₊和X_－的控制电阻，在室温下，V_T＝26mv。由该电流传输器构成的电流模式滤波器的参数(品质因数及固有频率)具有电子调谐特性，所设计的电路可以极大地抑制共模信号，方便地控制电路参数，并具有低电压低功耗特性，在简化结构、降低功耗、扩展频域，噪声抑制等方面都有很好的作用。

Description

电流控制全平衡差分式电流传输器

技术领域

本技术涉及一种差分式电流传输器，特别是一种具有电控性的能有效抑制共模信号的CMOS第二代电流传输器，属于模拟集成电路领域。

背景技术

第二代电流传输器(second generation current conveyor，CCII)是由A.S.Sedra和K.C.Smith在1970年提出的一个电路方块。图1为第二代电流传输器的电路符号，如图1所示，第二代电流传输器有一个电流输入端X，一个电压输入端Y，一个正向电流输出端Z₊，一个反向电流输出端Z_-。该第二代电流传输器的传输特性如下所示：

(1)Y输入端为高阻抗输入端，其输入电流为零，I_Y＝0；

(2)Y输入端施加电压V_Y，则X端的电压等于该输入电压，V_X＝V_Y；

(3)正向电流输出端的电流I_z+的大小和方向与X端的输入电流一致I_Z+＝I_X；

(4)反向电流输出端的电流大小与X端的输入电流相等，但方向相反，I_Z-＝-I_X。

由上述特征可知，第二代电流传输器CCII能利用输入电流控制输出电流，或是利用输入电压V_Y控制输出电压V_X，因此第二代电流传输器广泛应用于各种连续时间信号的处理中。然而，在模拟-数字混合电路中，由于容易产生非理想信号，而且因时钟信号的馈送和电荷的注入使数字电路模块产生噪声。该噪声不仅影响数字电路模块，而且通过衬底串扰、电路耦合等方式影响模拟电路部分和射频电路部分，而第二代电流传输器不能提供很好的抑制干扰信号能力，另外，它也不能通过外加电流来控制其端口特性，即不能通过外加的偏置电流或电压来调整CCII的参数，从而使得第二代电流传输器及其构成的滤波器等电路的应用受到了很大的限制。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的问题是提供一种工作于模拟-数字混合电路中，能有效地抑制共模信号和噪声且具有电控性的新型第二代电流传输器。该电流传输器输器的两个输入端Y与X之间的电压电流关系具备电控特性，从而使得由它构成的电流模式滤波器的参数(品质因数及固有频率)具有电子调谐特性，所设计的电路可以完全地抑制共模信号，方便地控制电路参数，并具有低电压低功耗特性，在简化结构、降低功耗、扩展频域，噪声抑制等方面都有很好的作用。

为了实现上述目的，本发明提出一种新型的第二代电流传输器：CMOS电流控制全平衡差分式电流传输器，该传输器具有两对电压差分输入端Y₁、Y₂和Y₃、Y₄，均具有高输入阻抗，一对差分电压跟踪端X₊，X_-，一对同相电流输出端Z₁₊、Z₂₊，一对反相电流输出端Z_1-，Z_2-。因为该电路应具有电控性，即通过调整该电路的偏置电流I_B可以控制X端电压与Y端电压的关系，因此该电路还有一个偏置电流控制端。该FBCCCII的端口特性可由下式表示：

V_X+＝V_Y3+(V_Y1-V_Y2)+I_X+·R_X

V_X-＝V_Y4-(V_Y1-V_Y2)+I_X-·R_X         (1)

I_Z1+＝I_Z2+＝I_X+

I_Z1-＝I_Z2-＝I_X-                    (2)

其中，R_X＝V_T/(2I_B)，表示X₊端和X_-端的控制电阻，在室温下，V_T＝26mv。在使用时，将Y₃、Y₄均接地，使得V_Y3＝V_Y4＝0，这样V_X+与V_X-为大小相等，方向相反的差分电压。

附图说明

图1是第二代电流传输器的电路符号。

图2是本发明电流控制全平衡差分式电流传输器的电路符号。

图3是本发明的主体结构示意图。

图4是本发明的具体电路设计图。

具体实施方式

图2为电流控制全平衡式电流传输器的电路符号，包括两对高阻抗的差分电压输入端Y₁～Y₄，两个电压跟踪端X₊、X_-，一对同相电流输出端Z₁₊、Z₂₊，一对反相电流输出端Z_1-，Z_2-，及一个电流控制端。由于关系 $R_x=\frac{V_T}{2I_B}$ 的存在，该电流控制端可控制电流输入端的寄生电阻R_x，进而控制X端和Y端的电压电流关系。其传输特性如式(1)、(2)所示。

图3为本发明的主体结构示意图，该电路由主要包括以下四个部分：(1)由差分对管组成的差分电压输入电路，实现差分输入电压的运算。(2)反馈电路，精确跟踪差分输入级的差分电压。(3)两个跨导线性环，实现电压传送的作用。(4)电压取样电路，取自差分电压输入级的正相输出电压和反相输出电压，并生成一个共模输出电压V_m。(5)共模反馈电路，用来稳定共模信号，抑制共模电压的漂移。V_RCM为共模参考电压，将它与共模输出电压进行比较可得到一个误差信号，用该误差信号控制差分电压输入级的输出电流，从而使得共模输出电压稳定在参考电压V_RCM上，如果选择V_RCM＝0，则共模输出电压为0。

图4为CFBCCII的具体电路实现图，整个电路由CMOS晶体管和电阻，电容构成。其中，M₁～M₆组成三对差分对管，M₁₉～M₂₁为三对差分对管的负载。M₃₃、M₄₅与M₃₄、M₁₃组成两对负反馈电路，使得图中D、G点的电压能精确的跟踪差分输入级的电压差。设三对差动输入级的器件参数完全对称，则有：

由图4，可得：

I_M3+I_M4＝I_M10

I_M1+I_M2＝I_M11

I_M5+I_M6＝I_M12                                                 (3)

其中，I_Mi(i＝1～46)分别表示M_i的漏源电流，下同。

因为M₁₀～M₁₂为电流镜，所以有：I_M10＝I_M11＝I_M12               (4)

又因M₁₉～M₂₁构成电流镜，所以有：I_M1+I_M4＝I_M3+I_M6＝I_M2+I_M5(5)

由式(3)～(5)得：I_M1＝I_M3＝I_M5 I_M2＝I_M4＝I_M6                (6)

设图中得MOS管工作于饱和状态，MOS管的漏极电流I_M与栅源电压之间的关系为：

I_M＝(K′W/2L)(V_GS-V_T)²                                      (7)

其中K′为跨导参数，W、L为沟道宽度和长度，V_T为阀值电压。如果M₁～M₆的沟道尺寸相同，由式(6)、(7)可得：

V_GS1＝V_GS3＝V_GS5    V_GS2＝V_GS4＝V_GS6                         (8)

根据式(8)和图三所示电路，有：

V_Y1-V_A＝V_D-V_B＝V_Y4-V_C

V_Y2-V_A＝V_Y3-V_B＝V_G-V_C                                     (9)

其中V_D、V_G分别为图中D、G两点的电压。由式(9)可解出：

V_D＝V_Y3+(V_Y1-V_Y2)

V_G＝V_Y4-(V_Y1-V_Y2)                                            (10)

两个跨导线性环M₂₃～M₂₆、M₃₅～M₃₈构成电压传送电路，将D、G两点的电压传送到X₊和X_-端，即分别实现式(1)所示的关系。M₈～M₁₄及M₄₅构成一个电流镜电路，该电流镜一方面通过M₁₀～M₁₂分别向差分对管三个相等的偏流I_B，另一方面通过M₉、M₁₄分别向两个跨导线性环提供下偏置电流。M₁₇～M₂₂构成另一电流镜，其电流与I_B相等，M₁₈、M₂₂分别提供两个跨导电路的上偏置电流。M₂₇～M₃₂、M₃₉～M₄₄分别组成同相、反相电流传送电路，实现式(2)所示的关系。具体分析如下：

当跨导线性环的各晶体管都工作在饱和区，且忽略体效应时，有

$I_{M23}=k_n\frac{W_{23}}{L_{23}}{(V_{\mathrm{GS}23}-V_{\mathrm{Tn}})}^2$

$I_{M24}=k_n\frac{W_{24}}{L_{23}}{(V_{\mathrm{GS}24}-V_{\mathrm{Tn}})}^2$

(11)

$I_{M25}=-k_p\frac{W_{25}}{L_{25}}{(V_{\mathrm{GS}25}-V_{\mathrm{Tp}})}^2$

$I_{M26}=-k_p\frac{W_{26}}{L_{26}}{(V_{\mathrm{GS}26}-V_{\mathrm{Tp}})}^2$

(12)

以及V_GS23＝V_GS24-V_XD       (13)

    V_GS25＝V_GS26-V_XD       (14)

    I_M24＝-I_M26＝I_B       (15)

其中，k_n、k_p分别为NMOS与PMOS晶体管的的跨导系数，V_Tn、V_Tp为阀值电压，W_i与L_i对应各管的宽长比，V_GS代表晶体管的栅源电压。由式(11)～(15)可得：

$I_x=-I_{M23}-I_{M25}=(\frac{W_{25}{L}_{26}}{W_{26}{L}_{25}}-\frac{W_{23}{L}_{24}}{W_{24}{L}_{23}})I_B+(k_p\frac{W_{25}}{L_{25}}-k_n\frac{W_{23}}{L_{23}}){V_{\mathrm{XD}}}^2$

$+2(\frac{W_{23}}{L_{23}}\sqrt{\frac{k_n{L}_{24}}{W_{24}}}-\frac{W_{25}}{L_{25}}\sqrt{\frac{k_p{L}_{26}}{W_{26}}})\sqrt{I_B}{V}_{\mathrm{XD}}\·\·\·\left(16\right)$

适当设计晶体管的宽长比使

$\frac{W_{23}}{L_{23}}=\frac{k_p}{k_n}\·\frac{W_{25}}{L_{25}}$ $\frac{W_{24}}{L_{24}}=\frac{k_p}{k_n}\·\frac{W_{26}}{L_{26}}\·\·\·\left(17\right)$

并设定 $R_x={\left(4\frac{W_{25}}{L_{25}}\sqrt{\frac{k_p{L}_{26}{I}_B}{W_{26}}}\right)}^{-1}\·\·\·\left(18\right)$

则式(16)可简化为 $I_x={R_x}^{-1}\·V_{\mathrm{XD}}\·\·\·\left(19\right)$

共模反馈电路由M_C1～M_C7以及两个相等的电阻(R₁)、两个相等的电容(C₁)构成，包括以下几个部分：一个电压采样电路，一个差分放大器及反馈网络。电压采样电路用于检测共模电平，采用电阻分压的结构，以两个参数相同的晶体管M_C1、M_C2为核心，结合两个电阻和电容构成，并由两个相等的电流源 $I_C=\frac{1}{2}{I}_B$ 提供偏置电流。差分输入级的两个输出电压V_D、V_G由采样电路的两个晶体管的栅极输入，得到共模电压V_m，其值由下式给出： $V_m=\frac{V_D+V_G}{2}.$ 该共模电压被送至差分放大器的输入端，其另一输入端接入共模参考电压V_RCM，这里设为0，将共模电压V_m与共模参考电压V_RCM进行比较，并输出误差电流。反馈网络一端与差分放大器相连，另一端接差分输入级的D、G两点，将反馈结果送至输入端。共模反馈电路的工作原理如下：在理想情况下，即差分输入级的两个输出电压V_D＝V_G时， $V_m=\frac{V_D+V_G}{2}=0,$ 此时，V_m＝V_RCM，尾电流I_B一分为二，这样，一个大小为

的电流流经M_C3、M_C5，M_C6、M_C7，到达D、G两点，整个电路得到了合适的偏置；考虑另一种情况，当|V_D|＞|V_G|时， $V_m=\frac{V_D+V_G}{2}>0,$ M_C5的电流增大，M_C6和M_C7中的电流也将增大，这使得差分输入级的两个输出端D、G两点的电压减小，由于V_D、V_G一正一负，其结果就变成|V_D|减小，而|V_G|增大，直到V_D＝V_G，共模电压V_m回到0。反之，当|V_D|＜|V_G|时，环路将使V_m与M_RCM相等。因此，不管输入电压如何人变化，共模电压都始终保持为0。极大地抑制了共模信号，扩宽了输入信号范围。

Claims (10)

1、一种电流控制全平衡式电流传输器，其特征在于所述的电流传输器具有两对电压差分输入端Y₁、Y₂和Y₃、Y₄，一对差分电压跟踪端X₊，X_-，一对同相电流输出端Z₁₊、Z₂₊，一对反相电流输出端Z_1-，Z_2-，以及一个电流控制端I_B。所述差分电压输入端与差分电压跟踪端的关系为：V_X+＝(V_Y1-V_Y2)+I_X+·R_X，V_X-＝-(V_Y1-V_Y2)+I_X-·R_X，其中R_X＝V_T/(2I_B)，表示X端的控制电阻，在室温下，V_T＝26mv。所述电流输出端与差分电压跟踪端的电流关系为：I_Z1+＝I_Z2+＝I_X+，I_Z1-＝I_Z2-＝I_X-。

2、根据权利要求1所述的第二代电流传输器，其特征在于电路包括以下几个部分：差分电压输入级，一第一反馈电路，一第二反馈电路，一第一跨导线性环，一第二跨导线性环，同相电流传送电路，反相电流传送电路，共模反馈电路。所述差分电压输入级有两个差分电压输出端D、G，所述D端与第一反馈电路相连，G端与第二反馈电路相连接，确保所述两个电压能够精确地传输。第一反馈电路与第一跨导线性环相连，第二反馈电路与第二跨导线性环相连，实现差分电压到X端的传送。第一跨导线性环与正向电流传送电路相连接，将X₊端的电流传送到Z₁₊、Z₂₊端。第二跨导线性环与反向电流传送电路相连，将X_-端的电流传送到Z_1-、Z_2-端。共模反馈电路的输入信号为差分电压输入级的两个差分输出电压V_D、V_G，反馈信号接到差分电压输入级。

3、根据权利要求2所述的第二代电流传输器，其特征在于所述的差分电压输入级包括6个晶体管，组成三对差分对管，所述三对差分对管分别由三个CMOS管组成的电流镜提供偏置电流，并分别以三个晶体管作为其负载。根据权利要求1所述的第二代电流传输器，所述输入级有四个输入端Y₁～Y₄，其中Y₁、Y₂为差分电压输入端，Y₃、Y₄均接地。所述输入级的两个输出端D、G电压分别为：V_D＝V_Y3+(V_Y1-V_Y2)，V_G＝V_Y4-(V_Y1-V_Y2)，由于Y₃、Y₄均接地，因而D、G两点的电压为差分输入端的电压差，则D端为正相电压输出端，G端为反相电压输出端，V_D为正向输出电压，V_G为反向输出电压。

4、根据权利要求2所述的第二代电流传输器，其特征在于所述的第一反馈电路由两个晶体管构成，一个晶体管起到反馈的作用，另一个起偏置作用，所述两个晶体管漏极相连，并由电流源提供偏置电流 $I_{C1}=\frac{1}{2}{I}_B.$ 所述两晶体管漏极相连处与差分电压输入级的正向输出端D相连，由差分电压输入级向反馈电路提供输入信号，即所述正向输出电压V_D。所述两晶体管漏极相连处与第一跨导线性环相连，将正向输出电压V_D精确传输到第一跨导线性环的输入端。

5、根据权利要求2所述的第二代电流传输器，其特征在于所述的第二反馈电路由两个晶体管构成，一个晶体管起到反馈的作用，另一个起偏置作用，所述两个晶体管漏极相连，并由电流源提供偏置电流 $I_{C2}=\frac{1}{2}{I}_B.$ 所述两晶体管漏极相连处与差分电压输入级的反向输出端G相连，向反馈电路提供输入信号，即所述反向输出电压V_G。所述两晶体管漏极相连处与第二跨导线性环相连，将反向输出电压V_G精确传输到第二跨导线性环的输入端。

6、根据权利要求1所述的第二代电流传输器，其特征在于所述的电流传输器具有一第一跨导线性环，所述第一跨导线性环由四个CMOS管首尾相接构成，由一PMOS管构成的电流镜提供上偏置电流I_B，由一NMOS管构成的电流镜提供下偏置电流I_B。所述第一跨导线性环的输入端接入第一反馈电路的输出信号，其输出端为电路的外部输出端X₊。

7、根据权利要求1所述的第二代电流传输器，其特征在于所述的电流传输器具有一第二跨导线性环，所述第二跨导线性环由四个CMOS管首尾相接构成，由一PMOS管构成的电流镜提供上偏置电流I_B，由一NMOS管构成的电流镜提供下偏置电流I_B。所述第二跨导线性环的输入端接入第二反馈电路的输出信号，其输出端为电路的外部输出端X_-。

8、根据权利要求2所述的第二代电流传输器，其特征在于所述的同相电流传送器由级联的电流镜构成，与第一跨导线性环相连，将第一跨导线性环的输出信号I_X+传输到两个输出端Z₁₊、Z₂₊。

9、根据权利要求2所述的第二代电流传输器，其特征在于所述的反相电流传送器由级联的电流镜构成，与第二跨导线性环相连，将第二跨导线性环的输出信号I_X-传输到两个输出端Z_1-、Z_2-。

10、根据权利要求2所述的第二代电流传输器，其特征是共模反馈电路由一个电压采样电路，一个差分放大器及反馈网络构成。

(1)所述电压采样电路用于检测共模电平V_m，采用电阻分压的结构，以两个参数相同的晶体管为核心，结合两对并联的电阻和电容构成，并由两个相等的电流源 $I_{C1}=I_{C2}=\frac{1}{2}{I}_B.$ 提供偏置电流。差分输入级的两个输出电压V_D、V_G由所述两个晶体管的栅极输入，经过两个大小相等的电阻的分压得到共模电压V_m，其值由下式给出： $V_m=\frac{V_D+V_G}{2}.$ 所述电压采样电路的输出信号V_m接至所述差分放大器的输入端。

(2)所述差分放大器由两个源极相连的MOS管构成，输入信号V_m由一MOS管的栅极输入，另一MOS管的栅极接入共模参考电压V_RCM，这里设为0，所述两个输入电压V_m与V_RCM进行比较，生成一个误差电流。

(3)所述反馈网络由电流镜构成，输入信号为所述差分放大器的误差电流，所述电流镜将该误差电流反馈到差分输入级的两个输出端D、G，通使得共模电压V_m≡0。

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