摘 要： 提出了一种基于新型电流补偿电流镜的改进型CMOS电流控制电流传输器，电路由电流补偿电流镜和跨导线性环构成。相对于以往提出的电流控制电流传输器，该电路具有更高的电流跟随精度以及Z端输出阻抗。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺参数，在±1.2 V的供电电源条件下，用Spectre对电路进行仿真。结果表明：在50 μA的偏置电流下，电流的跟随精度为1.004，-3 dB带宽为200 MHz，Z端阻抗为2 MΩ。经验证，该电路可用于设计可调谐连续时间电流模式滤波器。
关键词： 电流补偿电流镜；跨导线性环；电流控制电流传输器；电流模式滤波器
0 引言
众所周知，电流控制第二代电流传输器广泛应用于电流模式电路，但到现阶段，国内外学者采用的多为传统的CCCII，其传输精度以及输出阻抗都不是很高[1]，限制了电路的应用。一些文章针对传统的CCCII做了一些改进，例如参考文献[2]采用共源共栅电流镜提高电路的性能，但共源共栅电流镜需要消耗较大的电压余度。因此，本文针对以往CCCII的缺陷做了改进，采用具有高精度、高输出阻抗的电流补偿电流镜提高CCCII的性能，使改进的CCCII在较低的电压下具有更高的传输精度以及输出阻抗，并将改进电路应用于可调电流模式滤波器设计。
1 新型电流补偿电流镜
图1为基本电流镜与新型电流补偿电流镜[3-5]的电路图，对于新型电流镜，当输出电压增加时，由于沟道调制效应，输出电流会增加，这样VGS3会增加，M3会吸收一部分误差电流，导致M1的电流减小，从而减小M2管的电流误差，同理当输出电压比较小时，输出电流会减小，M4的电流增大，M4的电流流入M1，M1电流增大，从而弥补了M2管由于沟道调制效应减小了的那部分电流。正是由于这种对电流的调节作用，使得当输出电压变化很大的时候，电流镜依然能够精确地传输电流，这也使得输出端获得了很高的输出阻抗。
当工作在较高频率时，通过小信号模型分析两种电流镜传输特性，图2给出新型电流镜小信号模型。
对于基本电流镜：
Cin1=Cgs1+Cgs2（1）
Iout/Iin=gm2/gm1（1+SCin1/gm1）（2）
对于电流补偿电流镜：
Iin=Vin[SCin2+gm1+gds1+gds3+gds4]+（gm3+gm4）Vout（3）
考虑M3、M4管对电路只进行微调，（gm3+gm4）Vout忽略，另外Cgd对电路影响比较小可不计。
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）
在较低频率下，基本电流镜的输出阻抗为：
Rout=ro2（8）
电流补偿电流镜的输出阻抗为：
，Rout→∞，适当调节M3，M4的宽长比，即可得到很大的Rout。通过以上的理论分析及公示推导均可证明新型电流补偿电流镜具有更好性能。
2 CCCII端口特性及电路符号
图3为CCCII电路符号，外加偏置电流IB可控制X端寄生电阻，Z、Z-分别表示同相输出端和反向输出端，理想端口特性可表示为：
3 基于新型电流补偿电流镜的改进型CCCII
改进型的电流控制电流传输器[4-6]如图4所示，M1~M4构成跨导线性环结构，相对于传统的CCCII，新型的CCCII加入了M5~M8，M9~M12，M13~M16，M17~M20四个新型的电流补偿电流镜。通过调节外接可调电阻R改变偏置电流IB的大小来实现对电路中电流的控制作用。由跨导线性环的原理可知，M1和M3漏极的电流误差越小，电路的精度越高，但是由于沟道调制效应，普通电流镜往往达不到理想的传输精度，采用共源共栅电流镜能提高精度却要消耗过多的电压余度。而图4中的电流补偿电流镜利用电流补偿的原理避免了沟道调制效应的影响，且在较低电压下就能工作，使电路获得更高的传输精度。从图1中又可知这种结构电流镜使其获得了很高的输出阻抗，将其应用在图4的输出端，使Z端获得了很高的输出阻抗，由式（9）可知：
4 仿真结果及分析
基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺，用Spectre对图4中电路进行模拟仿真。电源电压采用±1.2 V。首先分析静态特性，图5给出了改进型CCCII的直流跟随特性曲线，X端电流范围为±100 μA，图5清楚显示了改进型的CCCII具有良好的电流跟随精度。
然后分析交流传输特性，在IB=50 μA下，X端接 20 kΩ负载时，测得改进型CCCII的电压跟随精度0.98，-3 dB带宽分别为715 MHz。Z端接10 kΩ负载时，测得Z端跟随X端的交流电流传输特性如图6所示，传统CCCII和改进型CCCII的跟随精度分别为0.97和1.004， -3 dB带宽分别为605 MHz和200 MHz。式（2）、（7）中传输函数构成一阶低通滤波器，式（7）中gm1>>gds1+gds3+
gds4，gm1+gds1+gds3+gds4≈gm1，特征频率分别为o1=gm1/Cin1，o2=gm1/Cin2，采用电流补偿电流镜的CCCII具有更高的电流传输精度，但是电流传输的-3 dB带宽相对于传统的CCCII有所减小，与理论分析相一致，iz1/ix1，iz2/ix2分别为传统型和改进型CCCII电流传输增益。
最后分析阻抗特性曲线，20 μA≤IB≤120 μA（10 kΩ≤R≤70 kΩ）时，电路正常工作，测试20 μA≤IB≤120 μA范围内Rx的变化，如图7所示，电阻的可控范围为441 Ω≤Rx≤1.17 kΩ。图8给出了IB=50 μA时，Z端电压在±200 mV范围内Z端电流的变化情况，可得传统CCCII的Rz≈170 kΩ，改进型CCCII的Rz≈2 MΩ，验证了前述的理论分析。
表1将图4改进型CCCII的性能参数与传统CCCII、参考文献[1]进行对比，结果显示，在IB=50 μA条件下，改进型电路的电流传输精度为1.004，Z端阻抗为 2 MΩ，优于传统CCCII及参考文献[1]中的参数。
5 改进型电路应用于滤波器设计
参考文献[7]中的电路结构如图9所示，将改进型CCCII应用于电流模式带通滤波器[8]的设计验证了电路的性能。带通滤波器的传输函数为：
式中Rx为CCCII X端寄生电阻，增益Ho=0.5，特征频率品质因子Q分别为：
令C1=100 pF，C2=400 pF，在IB分别为20 A（Rx= 1.17 kΩ）、45 A（Rx=688 Ω）、120 A（Rx=441 Ω）下测得f0的值为678 kHz、1.1 MHz、1.78 MHz，与理论值接近。带通特性曲线如图10所示。
6 结论
本文提出了基于新型电流补偿电流镜的改进型CCCII，相对于以往的CCCII，该电路具有更高的电流传输精度以及Z端输出电阻。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺参数，在供电电压为±1.2 V下，用Spectre对电路进行仿真，当IB为50 μA时，vx/vy、iz/ix的-3 dB带宽分别为715 MHz和200 MHz，跟随精度分别为0.98和1.004，Z端阻抗为2 MΩ，功耗为0.495 mW。经验证，提出的改进型CCCII可用于设计可调谐连续时间电流模式滤波器。
参考文献
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