專利名稱：電流控制全平衡差分式電流傳輸器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)涉及一種差分式電流傳輸器，特別是一種具有電控性的能有效抑制共模信號(hào)的CMOS第二代電流傳輸器，屬于模擬集成電路領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
第二代電流傳輸器(second generation current conveyor，CCII)是由A.S.Sedra和K.C.Smith在1970年提出的一個(gè)電路方塊。圖1為第二代電流傳輸器的電路符號(hào)，如圖1所示，第二代電流傳輸器有一個(gè)電流輸入端X，一個(gè)電壓輸入端Y，一個(gè)正向電流輸出端Z+，一個(gè)反向電流輸出端Z-。該第二代電流傳輸器的傳輸特性如下所示(1)Y輸入端為高阻抗輸入端，其輸入電流為零，IY＝0；(2)Y輸入端施加電壓VY，則X端的電壓等于該輸入電壓，VX＝VY；(3)正向電流輸出端的電流Iz+的大小和方向與X端的輸入電流一致IZ+＝IX；(4)反向電流輸出端的電流大小與X端的輸入電流相等，但方向相反，IZ-＝-IX。
由上述特征可知，第二代電流傳輸器CCII能利用輸入電流控制輸出電流，或是利用輸入電壓VY控制輸出電壓VX，因此第二代電流傳輸器廣泛應(yīng)用于各種連續(xù)時(shí)間信號(hào)的處理中。然而，在模擬-數(shù)字混合電路中，由于容易產(chǎn)生非理想信號(hào)，而且因時(shí)鐘信號(hào)的饋送和電荷的注入使數(shù)字電路模塊產(chǎn)生噪聲。該噪聲不僅影響數(shù)字電路模塊，而且通過(guò)襯底串?dāng)_、電路耦合等方式影響模擬電路部分和射頻電路部分，而第二代電流傳輸器不能提供很好的抑制干擾信號(hào)能力，另外，它也不能通過(guò)外加電流來(lái)控制其端口特性，即不能通過(guò)外加的偏置電流或電壓來(lái)調(diào)整CCII的參數(shù)，從而使得第二代電流傳輸器及其構(gòu)成的濾波器等電路的應(yīng)用受到了很大的限制。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是提供一種工作于模擬-數(shù)字混合電路中，能有效地抑制共模信號(hào)和噪聲且具有電控性的新型第二代電流傳輸器。該電流傳輸器輸器的兩個(gè)輸入端Y與X之間的電壓電流關(guān)系具備電控特性，從而使得由它構(gòu)成的電流模式濾波器的參數(shù)(品質(zhì)因數(shù)及固有頻率)具有電子調(diào)諧特性，所設(shè)計(jì)的電路可以完全地抑制共模信號(hào)，方便地控制電路參數(shù)，并具有低電壓低功耗特性，在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低功耗、擴(kuò)展頻域，噪聲抑制等方面都有很好的作用。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種新型的第二代電流傳輸器CMOS電流控制全平衡差分式電流傳輸器，該傳輸器具有兩對(duì)電壓差分輸入端Y1、Y2和Y3、Y4，均具有高輸入阻抗，一對(duì)差分電壓跟蹤端X+，X-，一對(duì)同相電流輸出端Z1+、Z2+，一對(duì)反相電流輸出端Z1-，Z2-。因?yàn)樵撾娐窇?yīng)具有電控性，即通過(guò)調(diào)整該電路的偏置電流IB可以控制X端電壓與Y端電壓的關(guān)系，因此該電路還有一個(gè)偏置電流控制端。該FBCCCII的端口特性可由下式表示VX+＝VY3+(VY1-VY2)+IX+·RXVX-＝VY4-(VY1-VY2)+IX-·RX(1)IZ1+＝IZ2+＝IX+IZ1-＝IZ2-＝IX-(2)其中，RX＝VT/(2IB)，表示X+端和X-端的控制電阻，在室溫下，VT＝26mv。在使用時(shí)，將Y3、Y4均接地，使得VY3＝VY4＝0，這樣VX+與VX-為大小相等，方向相反的差分電壓。


圖1是第二代電流傳輸器的電路符號(hào)。
圖2是本發(fā)明電流控制全平衡差分式電流傳輸器的電路符號(hào)。
圖3是本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的具體電路設(shè)計(jì)圖。
具體實(shí)施例方式
圖2為電流控制全平衡式電流傳輸器的電路符號(hào)，包括兩對(duì)高阻抗的差分電壓輸入端Y1～Y4，兩個(gè)電壓跟蹤端X+、X-，一對(duì)同相電流輸出端Z1+、Z2+，一對(duì)反相電流輸出端Z1-，Z2-，及一個(gè)電流控制端。由于關(guān)系Rx=VT2IB]]>的存在，該電流控制端可控制電流輸入端的寄生電阻Rx，進(jìn)而控制X端和Y端的電壓電流關(guān)系。其傳輸特性如式(1)、(2)所示。
圖3為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)示意圖，該電路由主要包括以下四個(gè)部分(1)由差分對(duì)管組成的差分電壓輸入電路，實(shí)現(xiàn)差分輸入電壓的運(yùn)算。(2)反饋電路，精確跟蹤差分輸入級(jí)的差分電壓。(3)兩個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)，實(shí)現(xiàn)電壓傳送的作用。(4)電壓取樣電路，取自差分電壓輸入級(jí)的正相輸出電壓和反相輸出電壓，并生成一個(gè)共模輸出電壓Vm。(5)共模反饋電路，用來(lái)穩(wěn)定共模信號(hào)，抑制共模電壓的漂移。VRCM為共模參考電壓，將它與共模輸出電壓進(jìn)行比較可得到一個(gè)誤差信號(hào)，用該誤差信號(hào)控制差分電壓輸入級(jí)的輸出電流，從而使得共模輸出電壓穩(wěn)定在參考電壓VRCM上，如果選擇VRCM＝0，則共模輸出電壓為0。
圖4為CFBCCII的具體電路實(shí)現(xiàn)圖，整個(gè)電路由CMOS晶體管和電阻，電容構(gòu)成。其中，M1～M6組成三對(duì)差分對(duì)管，M19～M21為三對(duì)差分對(duì)管的負(fù)載。M33、M45與M34、M13組成兩對(duì)負(fù)反饋電路，使得圖中D、G點(diǎn)的電壓能精確的跟蹤差分輸入級(jí)的電壓差。設(shè)三對(duì)差動(dòng)輸入級(jí)的器件參數(shù)完全對(duì)稱，則有由圖4，可得IM3+IM4＝IM10IM1+IM2＝IM11IM5+IM6＝IM12(3)其中，IMi(i＝1～46)分別表示Mi的漏源電流，下同。
因?yàn)镸10～M12為電流鏡，所以有IM10＝IM11＝IM12(4)又因M19～M21構(gòu)成電流鏡，所以有IM1+IM4＝IM3+IM6＝IM2+IM5(5)由式(3)～(5)得IM1＝IM3＝IM5IM2＝IM4＝IM6(6)設(shè)圖中得MOS管工作于飽和狀態(tài)，MOS管的漏極電流IM與柵源電壓之間的關(guān)系為IM＝(K′W/2L)(VGS-VT)2(7)其中K′為跨導(dǎo)參數(shù)，W、L為溝道寬度和長(zhǎng)度，VT為閥值電壓。如果M1～M6的溝道尺寸相同，由式(6)、(7)可得VGS1＝VGS3＝VGS5VGS2＝VGS4＝VGS6(8)根據(jù)式(8)和圖三所示電路，有VY1-VA＝VD-VB＝VY4-VCVY2-VA＝VY3-VB＝VG-VC(9)其中VD、VG分別為圖中D、G兩點(diǎn)的電壓。由式(9)可解出VD＝VY3+(VY1-VY2)VG＝VY4-(VY1-VY2)(10)兩個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)M23～M26、M35～M38構(gòu)成電壓傳送電路，將D、G兩點(diǎn)的電壓傳送到X+和X-端，即分別實(shí)現(xiàn)式(1)所示的關(guān)系。M8～M14及M45構(gòu)成一個(gè)電流鏡電路，該電流鏡一方面通過(guò)M10～M12分別向差分對(duì)管三個(gè)相等的偏流IB，另一方面通過(guò)M9、M14分別向兩個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)提供下偏置電流。M17～M22構(gòu)成另一電流鏡，其電流與IB相等，M18、M22分別提供兩個(gè)跨導(dǎo)電路的上偏置電流。M27～M32、M39～M44分別組成同相、反相電流傳送電路，實(shí)現(xiàn)式(2)所示的關(guān)系。具體分析如下
當(dāng)跨導(dǎo)線性環(huán)的各晶體管都工作在飽和區(qū)，且忽略體效應(yīng)時(shí)，有IM23=knW23L23(VGS23-VTn)2]]>IM24=knW24L23(VGS24-VTn)2]]>(11)IM25=-kpW25L25(VGS25-VTp)2]]>IM26=-kpW26L26(VGS26-VTp)2]]>(12)以及VGS23＝VGS24-VXD(13)VGS25＝VGS26-VXD(14)IM24＝-IM26＝IB(15)其中，kn、kp分別為NMOS與PMOS晶體管的的跨導(dǎo)系數(shù)，VTn、VTp為閥值電壓，Wi與Li對(duì)應(yīng)各管的寬長(zhǎng)比，VGS代表晶體管的柵源電壓。由式(11)～(15)可得Ix=-IM23-IM25=(W25L26W26L25-W23L24W24L23)IB+(kpW25L25-knW23L23)VXD2]]>+2(W23L23knL24W24-W25L25kpL26W26)IBVXD···(16)]]>適當(dāng)設(shè)計(jì)晶體管的寬長(zhǎng)比使W23L23=kpkn·W25L25]]>W24L24=kpkn·W26L26···(17)]]>并設(shè)定Rx=(4W25L25kpL26IBW26)-1···(18)]]>則式(16)可簡(jiǎn)化為Ix=Rx-1·VXD···(19)]]>共模反饋電路由MC1～MC7以及兩個(gè)相等的電阻(R1)、兩個(gè)相等的電容(C1)構(gòu)成，包括以下幾個(gè)部分一個(gè)電壓采樣電路，一個(gè)差分放大器及反饋網(wǎng)絡(luò)。電壓采樣電路用于檢測(cè)共模電平，采用電阻分壓的結(jié)構(gòu)，以兩個(gè)參數(shù)相同的晶體管MC1、MC2為核心，結(jié)合兩個(gè)電阻和電容構(gòu)成，并由兩個(gè)相等的電流源IC=12IB]]>提供偏置電流。差分輸入級(jí)的兩個(gè)輸出電壓VD、VG由采樣電路的兩個(gè)晶體管的柵極輸入，得到共模電壓Vm，其值由下式給出Vm=VD+VG2.]]>該共模電壓被送至差分放大器的輸入端，其另一輸入端接入共模參考電壓VRCM，這里設(shè)為0，將共模電壓Vm與共模參考電壓VRCM進(jìn)行比較，并輸出誤差電流。反饋網(wǎng)絡(luò)一端與差分放大器相連，另一端接差分輸入級(jí)的D、G兩點(diǎn)，將反饋結(jié)果送至輸入端。共模反饋電路的工作原理如下在理想情況下，即差分輸入級(jí)的兩個(gè)輸出電壓VD＝VG時(shí)，Vm=VD+VG2=0,]]>此時(shí)，Vm＝VRCM，尾電流IB一分為二，這樣，一個(gè)大小為 的電流流經(jīng)MC3、MC5，MC6、MC7，到達(dá)D、G兩點(diǎn)，整個(gè)電路得到了合適的偏置；考慮另一種情況，當(dāng)|VD|＞|VG|時(shí)，Vm=VD+VG2>0,]]>MC5的電流增大，MC6和MC7中的電流也將增大，這使得差分輸入級(jí)的兩個(gè)輸出端D、G兩點(diǎn)的電壓減小，由于VD、VG一正一負(fù)，其結(jié)果就變成|VD|減小，而|VG|增大，直到VD＝VG，共模電壓Vm回到0。反之，當(dāng)|VD|＜|VG|時(shí)，環(huán)路將使Vm與MRCM相等。因此，不管輸入電壓如何人變化，共模電壓都始終保持為0。極大地抑制了共模信號(hào)，擴(kuò)寬了輸入信號(hào)范圍。
權(quán)利要求
1.一種電流控制全平衡式電流傳輸器，其特征在于所述的電流傳輸器具有兩對(duì)電壓差分輸入端Y1、Y2和Y3、Y4，一對(duì)差分電壓跟蹤端X+，X-，一對(duì)同相電流輸出端Z1+、Z2+，一對(duì)反相電流輸出端Z1-，Z2-，以及一個(gè)電流控制端IB。所述差分電壓輸入端與差分電壓跟蹤端的關(guān)系為VX+＝(VY1-VY2)+IX+·RX，VX-＝-(VY1-VY2)+IX-·RX，其中RX＝VT/(2IB)，表示X端的控制電阻，在室溫下，VT＝26mv。所述電流輸出端與差分電壓跟蹤端的電流關(guān)系為IZ1+＝IZ2+＝IX+，IZ1-＝IZ2-＝IX-。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代電流傳輸器，其特征在于電路包括以下幾個(gè)部分差分電壓輸入級(jí)，一第一反饋電路，一第二反饋電路，一第一跨導(dǎo)線性環(huán)，一第二跨導(dǎo)線性環(huán)，同相電流傳送電路，反相電流傳送電路，共模反饋電路。所述差分電壓輸入級(jí)有兩個(gè)差分電壓輸出端D、G，所述D端與第一反饋電路相連，G端與第二反饋電路相連接，確保所述兩個(gè)電壓能夠精確地傳輸。第一反饋電路與第一跨導(dǎo)線性環(huán)相連，第二反饋電路與第二跨導(dǎo)線性環(huán)相連，實(shí)現(xiàn)差分電壓到X端的傳送。第一跨導(dǎo)線性環(huán)與正向電流傳送電路相連接，將X+端的電流傳送到Z1+、Z2+端。第二跨導(dǎo)線性環(huán)與反向電流傳送電路相連，將X-端的電流傳送到Z1-、Z2-端。共模反饋電路的輸入信號(hào)為差分電壓輸入級(jí)的兩個(gè)差分輸出電壓VD、VG，反饋信號(hào)接到差分電壓輸入級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特征在于所述的差分電壓輸入級(jí)包括6個(gè)晶體管，組成三對(duì)差分對(duì)管，所述三對(duì)差分對(duì)管分別由三個(gè)CMOS管組成的電流鏡提供偏置電流，并分別以三個(gè)晶體管作為其負(fù)載。根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代電流傳輸器，所述輸入級(jí)有四個(gè)輸入端Y1～Y4，其中Y1、Y2為差分電壓輸入端，Y3、Y4均接地。所述輸入級(jí)的兩個(gè)輸出端D、G電壓分別為VD＝VY3+(VY1-VY2)，VG＝VY4-(VY1-VY2)，由于Y3、Y4均接地，因而D、G兩點(diǎn)的電壓為差分輸入端的電壓差，則D端為正相電壓輸出端，G端為反相電壓輸出端，VD為正向輸出電壓，VG為反向輸出電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特征在于所述的第一反饋電路由兩個(gè)晶體管構(gòu)成，一個(gè)晶體管起到反饋的作用，另一個(gè)起偏置作用，所述兩個(gè)晶體管漏極相連，并由電流源提供偏置電流IC1=12IB.]]>所述兩晶體管漏極相連處與差分電壓輸入級(jí)的正向輸出端D相連，由差分電壓輸入級(jí)向反饋電路提供輸入信號(hào)，即所述正向輸出電壓VD。所述兩晶體管漏極相連處與第一跨導(dǎo)線性環(huán)相連，將正向輸出電壓VD精確傳輸?shù)降谝豢鐚?dǎo)線性環(huán)的輸入端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特征在于所述的第二反饋電路由兩個(gè)晶體管構(gòu)成，一個(gè)晶體管起到反饋的作用，另一個(gè)起偏置作用，所述兩個(gè)晶體管漏極相連，并由電流源提供偏置電流IC2=12IB.]]>所述兩晶體管漏極相連處與差分電壓輸入級(jí)的反向輸出端G相連，向反饋電路提供輸入信號(hào)，即所述反向輸出電壓VG。所述兩晶體管漏極相連處與第二跨導(dǎo)線性環(huán)相連，將反向輸出電壓VG精確傳輸?shù)降诙鐚?dǎo)線性環(huán)的輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代電流傳輸器，其特征在于所述的電流傳輸器具有一第一跨導(dǎo)線性環(huán)，所述第一跨導(dǎo)線性環(huán)由四個(gè)CMOS管首尾相接構(gòu)成，由一PMOS管構(gòu)成的電流鏡提供上偏置電流IB，由一NMOS管構(gòu)成的電流鏡提供下偏置電流IB。所述第一跨導(dǎo)線性環(huán)的輸入端接入第一反饋電路的輸出信號(hào)，其輸出端為電路的外部輸出端X+。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二代電流傳輸器，其特征在于所述的電流傳輸器具有一第二跨導(dǎo)線性環(huán)，所述第二跨導(dǎo)線性環(huán)由四個(gè)CMOS管首尾相接構(gòu)成，由一PMOS管構(gòu)成的電流鏡提供上偏置電流IB，由一NMOS管構(gòu)成的電流鏡提供下偏置電流IB。所述第二跨導(dǎo)線性環(huán)的輸入端接入第二反饋電路的輸出信號(hào)，其輸出端為電路的外部輸出端X-。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特征在于所述的同相電流傳送器由級(jí)聯(lián)的電流鏡構(gòu)成，與第一跨導(dǎo)線性環(huán)相連，將第一跨導(dǎo)線性環(huán)的輸出信號(hào)IX+傳輸?shù)絻蓚€(gè)輸出端Z1+、Z2+。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特征在于所述的反相電流傳送器由級(jí)聯(lián)的電流鏡構(gòu)成，與第二跨導(dǎo)線性環(huán)相連，將第二跨導(dǎo)線性環(huán)的輸出信號(hào)IX-傳輸?shù)絻蓚€(gè)輸出端Z1-、Z2-。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特征是共模反饋電路由一個(gè)電壓采樣電路，一個(gè)差分放大器及反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。(1)所述電壓采樣電路用于檢測(cè)共模電平Vm，采用電阻分壓的結(jié)構(gòu)，以兩個(gè)參數(shù)相同的晶體管為核心，結(jié)合兩對(duì)并聯(lián)的電阻和電容構(gòu)成，并由兩個(gè)相等的電流源IC1=IC2=12IB.]]>提供偏置電流。差分輸入級(jí)的兩個(gè)輸出電壓VD、VG由所述兩個(gè)晶體管的柵極輸入，經(jīng)過(guò)兩個(gè)大小相等的電阻的分壓得到共模電壓Vm，其值由下式給出Vm=VD+VG2.]]>所述電壓采樣電路的輸出信號(hào)Vm接至所述差分放大器的輸入端。(2)所述差分放大器由兩個(gè)源極相連的MOS管構(gòu)成，輸入信號(hào)Vm由一MOS管的柵極輸入，另一MOS管的柵極接入共模參考電壓VRCM，這里設(shè)為0，所述兩個(gè)輸入電壓Vm與VRCM進(jìn)行比較，生成一個(gè)誤差電流。(3)所述反饋網(wǎng)絡(luò)由電流鏡構(gòu)成，輸入信號(hào)為所述差分放大器的誤差電流，所述電流鏡將該誤差電流反饋到差分輸入級(jí)的兩個(gè)輸出端D、G，通使得共模電壓Vm≡0。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種差分式電流傳輸器，特別是一種具有電控性的能較好地抑制共模信號(hào)的CMOS第二代電流傳輸器。一對(duì)電壓差分輸入端Y
文檔編號(hào)H03K19/08GK101047383SQ20071003458
公開(kāi)日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2007年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者王春華, 李仁發(fā), 何松華, 張秋晶, 何海珍, 李濤, 易波, 何選森 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)