摘 要： 提出了一種基于新型電流補償電流鏡的改進型CMOS電流控制電流傳輸器，電路由電流補償電流鏡和跨導線性環構成。相對于以往提出的電流控制電流傳輸器，該電路具有更高的電流跟隨精度以及Z端輸出阻抗。采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝參數，在±1.2 V的供電電源條件下，用Spectre對電路進行仿真。結果表明：在50 μA的偏置電流下，電流的跟隨精度為1.004，-3 dB帶寬為200 MHz，Z端阻抗為2 MΩ。經驗證，該電路可用于設計可調諧連續時間電流模式濾波器。
關鍵詞： 電流補償電流鏡；跨導線性環；電流控制電流傳輸器；電流模式濾波器
0 引言
眾所周知，電流控制第二代電流傳輸器廣泛應用于電流模式電路，但到現階段，國內外學者采用的多為傳統的CCCII，其傳輸精度以及輸出阻抗都不是很高[1]，限制了電路的應用。一些文章針對傳統的CCCII做了一些改進，例如參考文獻[2]采用共源共柵電流鏡提高電路的性能，但共源共柵電流鏡需要消耗較大的電壓余度。因此，本文針對以往CCCII的缺陷做了改進，采用具有高精度、高輸出阻抗的電流補償電流鏡提高CCCII的性能，使改進的CCCII在較低的電壓下具有更高的傳輸精度以及輸出阻抗，并將改進電路應用于可調電流模式濾波器設計。
1 新型電流補償電流鏡
圖1為基本電流鏡與新型電流補償電流鏡[3-5]的電路圖，對于新型電流鏡，當輸出電壓增加時，由于溝道調制效應，輸出電流會增加，這樣VGS3會增加，M3會吸收一部分誤差電流，導致M1的電流減小，從而減小M2管的電流誤差，同理當輸出電壓比較小時，輸出電流會減小，M4的電流增大，M4的電流流入M1，M1電流增大，從而彌補了M2管由于溝道調制效應減小了的那部分電流。正是由于這種對電流的調節作用，使得當輸出電壓變化很大的時候，電流鏡依然能夠精確地傳輸電流，這也使得輸出端獲得了很高的輸出阻抗。
當工作在較高頻率時，通過小信號模型分析兩種電流鏡傳輸特性，圖2給出新型電流鏡小信號模型。
對于基本電流鏡：
Cin1=Cgs1+Cgs2（1）
Iout/Iin=gm2/gm1（1+SCin1/gm1）（2）
對于電流補償電流鏡：
Iin=Vin[SCin2+gm1+gds1+gds3+gds4]+（gm3+gm4）Vout（3）
考慮M3、M4管對電路只進行微調，（gm3+gm4）Vout忽略，另外Cgd對電路影響比較小可不計。
Iin≈Vin[SCin+gm1+gds1+gds3+gds4]（4）
Cin2=Cds1+Cgs1+Cds3+Cds4+Cgs2（5）
Iout≈gm2Vin（6）
Iout/Iin=gm2/（SCin2+gds1+gds3+gds4+gm1）（7）
在較低頻率下，基本電流鏡的輸出阻抗為：
Rout=ro2（8）
電流補償電流鏡的輸出阻抗為：
，Rout→∞，適當調節M3，M4的寬長比，即可得到很大的Rout。通過以上的理論分析及公示推導均可證明新型電流補償電流鏡具有更好性能。
2 CCCII端口特性及電路符號
圖3為CCCII電路符號，外加偏置電流IB可控制X端寄生電阻，Z、Z-分別表示同相輸出端和反向輸出端，理想端口特性可表示為：
3 基于新型電流補償電流鏡的改進型CCCII
改進型的電流控制電流傳輸器[4-6]如圖4所示，M1~M4構成跨導線性環結構，相對于傳統的CCCII，新型的CCCII加入了M5~M8，M9~M12，M13~M16，M17~M20四個新型的電流補償電流鏡。通過調節外接可調電阻R改變偏置電流IB的大小來實現對電路中電流的控制作用。由跨導線性環的原理可知，M1和M3漏極的電流誤差越小，電路的精度越高，但是由于溝道調制效應，普通電流鏡往往達不到理想的傳輸精度，采用共源共柵電流鏡能提高精度卻要消耗過多的電壓余度。而圖4中的電流補償電流鏡利用電流補償的原理避免了溝道調制效應的影響，且在較低電壓下就能工作，使電路獲得更高的傳輸精度。從圖1中又可知這種結構電流鏡使其獲得了很高的輸出阻抗，將其應用在圖4的輸出端，使Z端獲得了很高的輸出阻抗，由式（9）可知：
4 仿真結果及分析
基于SMIC 0.18 μm CMOS工藝，用Spectre對圖4中電路進行模擬仿真。電源電壓采用±1.2 V。首先分析靜態特性，圖5給出了改進型CCCII的直流跟隨特性曲線，X端電流范圍為±100 μA，圖5清楚顯示了改進型的CCCII具有良好的電流跟隨精度。
然后分析交流傳輸特性，在IB=50 μA下，X端接 20 kΩ負載時，測得改進型CCCII的電壓跟隨精度0.98，-3 dB帶寬分別為715 MHz。Z端接10 kΩ負載時，測得Z端跟隨X端的交流電流傳輸特性如圖6所示，傳統CCCII和改進型CCCII的跟隨精度分別為0.97和1.004， -3 dB帶寬分別為605 MHz和200 MHz。式（2）、（7）中傳輸函數構成一階低通濾波器，式（7）中gm1>>gds1+gds3+
gds4，gm1+gds1+gds3+gds4≈gm1，特征頻率分別為o1=gm1/Cin1，o2=gm1/Cin2，采用電流補償電流鏡的CCCII具有更高的電流傳輸精度，但是電流傳輸的-3 dB帶寬相對于傳統的CCCII有所減小，與理論分析相一致，iz1/ix1，iz2/ix2分別為傳統型和改進型CCCII電流傳輸增益。
最后分析阻抗特性曲線，20 μA≤IB≤120 μA（10 kΩ≤R≤70 kΩ）時，電路正常工作，測試20 μA≤IB≤120 μA范圍內Rx的變化，如圖7所示，電阻的可控范圍為441 Ω≤Rx≤1.17 kΩ。圖8給出了IB=50 μA時，Z端電壓在±200 mV范圍內Z端電流的變化情況，可得傳統CCCII的Rz≈170 kΩ，改進型CCCII的Rz≈2 MΩ，驗證了前述的理論分析。
表1將圖4改進型CCCII的性能參數與傳統CCCII、參考文獻[1]進行對比，結果顯示，在IB=50 μA條件下，改進型電路的電流傳輸精度為1.004，Z端阻抗為 2 MΩ，優于傳統CCCII及參考文獻[1]中的參數。
5 改進型電路應用于濾波器設計
參考文獻[7]中的電路結構如圖9所示，將改進型CCCII應用于電流模式帶通濾波器[8]的設計驗證了電路的性能。帶通濾波器的傳輸函數為：
式中Rx為CCCII X端寄生電阻，增益Ho=0.5，特征頻率品質因子Q分別為：
令C1=100 pF，C2=400 pF，在IB分別為20 A（Rx= 1.17 kΩ）、45 A（Rx=688 Ω）、120 A（Rx=441 Ω）下測得f0的值為678 kHz、1.1 MHz、1.78 MHz，與理論值接近。帶通特性曲線如圖10所示。
6 結論
本文提出了基于新型電流補償電流鏡的改進型CCCII，相對于以往的CCCII，該電路具有更高的電流傳輸精度以及Z端輸出電阻。采用SMIC 0.18 μm CMOS工藝參數，在供電電壓為±1.2 V下，用Spectre對電路進行仿真，當IB為50 μA時，vx/vy、iz/ix的-3 dB帶寬分別為715 MHz和200 MHz，跟隨精度分別為0.98和1.004，Z端阻抗為2 MΩ，功耗為0.495 mW。經驗證，提出的改進型CCCII可用于設計可調諧連續時間電流模式濾波器。
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