CN101047383B - 电流控制全平衡差分式电流传输器 - Google Patents

Abstract

一种电流控制全平衡差分式电流传输器，具有电控性，且能较好地抑制共模信号，具有两对差分电压输入端Y₁，Y₂及Y₃、Y₄，均具有高输入阻抗，一对差分电压跟踪端X_p，X_n，一对同相电流输出端Z_1p、Z_2p，一对反相电流输出端Z_1n，Z_2n。该电路通过调整其偏置电流I_B可控制X_p，X_n端电压与差分电压输入端的关系，表示如下：V_Xp＝V_Y3+(V_Y1-V_Y2)+I_Xp·R_X，V_Xn＝V_Y4-(V_Y1-V_Y2)+I_Xn·R_X，其中，表示X_p和X_n的控制电阻。该电路引入了共模抑制电路，可以尽可能的减小甚至消除共模信号的影响。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，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_pX_n，一对同相电流输出端Z_1p、Z_2p，一对反相电流输出端Z_1n，Z_2n。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。该电流控制全平衡差分式电流传输器的端口特性可由下式表示：

V_Xp＝V_Y3+(V_Y1-V_Y2)+I_Xp·R_X    (1)

V_Xn＝V_Y4-(V_Y1-V_Y2)+I_Xn·R_X

I_Z1p＝I_Z2p＝I_Xp               (2)

I_Z1n＝I_Z2n＝I_Xn

其中，其中，V_Xp与V_Xn分别表示X_p端及X_n端的电压，V_Y1～V_Y4依次表示电压输入端口Y₁～Y₄的电压，I_Xp与I_Xn分别表示X_p及X_n端的电流，R_X表示X_p端或X_n端的控制电阻，表达式为

I_Z1p与I_Z2p分别为Z_1p、Z_2p的电流，I_Z1n与I_Z2n分别为Z_1n、Z_2n的电流。

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_p、X_n，一对同相电流输出端Z_1p、Z_2p，一对反相电流输出端Z_1n，Z_2n，及一个电流控制端I_B。由于关系

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)，式(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五个部分：(1)由差分对管组成的差分电压输入级，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压，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为电流控制全平衡式电流传输器的具体电路实现图，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：

I_M3+I_M4＝I_M10

I_M1+I_M2＝I_M11                                                (3)

I_M5+I_M6＝I_M12

其中，I_Mi(i＝1～46)表示M_i的漏源电流。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)

设图中的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3所示电路，有：

V_Y1-V_A＝V_D-V_B＝V_Y4-V_C                                        (9)

V_Y2-V_A＝V_Y3-V_B＝V_G-V_C

其中V_D、V_G分别为图中D、G两点的电压。由上式可解出：

V_D＝V_Y3+(V_Y1-V_Y2)                                            (10)

V_G＝V_Y4-(V_Y1-V_Y2)

两个跨导线性环M₂₃～M₂₆、M₃₅～M₃₈构成电压传送电路，将D、G两点的电压分别传送到X_p和V_n端。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。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

$I_{M23}=k_n\frac{W_{23}}{L_{23}}{(V_{\mathrm{GS}23}-V_{\mathrm{Tn}})}^2---\left(11\right)$ $I_{M25}=-k_p\frac{W_{25}}{L_{25}}{(V_{\mathrm{GS}25}-V_{\mathrm{Tp}})}^2---\left(12\right)$

$I_{M24}=k_n\frac{W_{24}}{L_{23}}{(V_{\mathrm{GS}24}-V_{\mathrm{Tn}})}^2$ $I_{M26}=-k_p\frac{W_{26}}{L_{26}}{(V_{\mathrm{GS}26}-V_{\mathrm{Tp}})}^2$

以及V_GS23＝V_GS24-V_XpD                                        (13)

V_GS25＝V_GS26-V_XpD                                            (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，V_XpD为D点与X_p端的电压差，由式(11)～(15)得：

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

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

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_Xp＝R_X ^-1·V_XpD       (19)

所以可得出：V_Xp＝V_D+I_Xp·R_X           (20)

同理可得：V_Xn＝V_G+I_Xn·R_X             (21)

由式(10)，(20)及(21)可得式(1)。

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

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：

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，

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，

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V_RCM相等。因此，不管输入电压如何变化，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 (12)

1.一种电流控制全平衡式第二代电流传输器，包括：

差分电压输入级，第一反馈电路，第二反馈电路，第一跨导线性环，第二跨导线性环，第一电流输出级，第二电流输出级，共模反馈电路；差分电压输入级的两个输出端分别经过第一反馈电路及第二反馈电路耦合到第一跨导线性环及第二跨导线性环，第一跨导线性环的输出端耦合到第一电流输出级，第二跨导线性环的输出端耦合到第二电流输出级，差分电压输入级的输出端耦合到共模反馈电路的输入端；所述电流控制全平衡式第二代电流传输器具有两对差分电压输入端Y₁、Y₂和Y₃、Y₄，正相电压跟随端X_p，反相电压跟随端X_n，正相第一电流跟随端Z_1p，正相第二电流跟随端Z_2p，反相第一电流跟随端Z_1n，反相第二电流跟随端Z_2n，所述电流控制全平衡式第二代电流传输器的端口特性为：

V_Xp＝V_Y3+(V_Y1-V_Y2)+I_Xp·R_X                             (1)

V_Xn＝V_Y4-(V_Y1-V_Y2)+I_Xn·R_X

I_Z1p＝I_Z2p＝I_Xp                                        (2)

I_Z1n＝I_Z2n＝I_Xn

其中，V_Xp与V_Xn分别表示X_p端及X_n端的电压，V_Y1～V_Y4依次表示Y₁～Y₄的输入电压，I_Xp与I_Xn分别表示X_p及X_n端的电流，R_X表示X_p端或X_n端的控制电阻，I_Z1p与I_Z2p分别为Z_1p、Z_2p的电流，I_Z1n与I_Z2n分别为Z_1n、Z_2n的电流。

2.如权利要求1所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，还包括：

第一节点D和第二节点G，其中，第一节点D耦合到差分电压输入级与第一反馈电路的连接点，第二节点G耦合到差分电压输入级与第二反馈电路的连接点。

3.如权利要求2所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，其特征在于，所述差分电压输入级包含由六个NMOS晶体管M1～M6构成的三对差分输入对：M1-M2，M3-M4，M5-M6，三个NMOS晶体管M10～M12以及三个PMOS晶体管M19～M21；所述输入电压V_Y1～V_Y4依次由M1、M2、M4、M5的栅极输入；M3的栅极耦合到第一节点D，M6的栅极耦合到第二节点G；M1、M2的源极连接后通过M11连接到负电压源VSS，M3、M4的源极连接后通过M10连接到负电压源VSS，M5、M6的源极连接后通过M12连接到负电压源VSS；M1、M4的漏极连接后通过M19连接到正电压源VDD，M2、M5的漏极连接后通过M21连接到正电压源VDD，M3的漏极耦合到M6的漏极连接后通过M20连接到正电压源VDD。

4.根据权利要求2或3所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，其特征在于所述的第一反馈电路由第一晶体管M33、第二晶体管M45和第一直流电流源I_C1构成，第一晶体管M33和第二晶体管M45的漏极相连后耦合到第一节点D，第一晶体管M33是PMOS管，第二晶体管M45是NMOS管，第一直流电流源I_C1耦合在第一晶体管M33的源极与正电压源VDD之间，提供直流偏置电流，第二晶体管M45 的源极连接到负电压源VSS。

5.根据权利要求2或3所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，其特征在于所述的第二反馈电路由第三晶体管M34、第四晶体管M13和第二直流电流源I_C2构成，第三晶体管M34和第四晶体管M13的漏极相连后耦合到第二节点G，第三晶体管M34是PMOS管，第四晶体管M13是NMOS管，第二直流电流源I_C2耦合到第三晶体管M34的源极与正电压源VDD之间，提供直流偏置电流，第四晶体管M13的源极连接到负电压源VSS。

6.如权利要求2所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，其特征在于，所述的第一跨导线性环耦合到第一节点D，包括第五、第六、第七和第八晶体管M23～M26，其中，第五晶体管M23和第六晶体管M24是NMOS管，第七晶体管M25和第八晶体管M26是PMOS管，其中，第五晶体管M23的栅极耦合到第六晶体管M24的栅极，第五晶体管M23的漏极与栅极相连，第七晶体管M25的栅极耦合到第八晶体管M26的栅极，第七晶体管M25的漏极与栅极相连，第五晶体管M23的源极耦合到第七晶体管M25的源极，并与第一节点D相连，第六晶体管M24的源极耦合到第八晶体管M26的源极，并与正相电压跟随端X_p相连。

7.如权利要求2所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，其特征在于，所述的第二跨导线性环，耦合到第二节点G，包括第九、第十、第十一和第十二晶体管M35～M38，第九晶体管M35和第十晶体管M36是NMOS管，第十一晶体管M37和第十二晶体管M38是PMOS管，其中，第九晶体管M35的栅极耦合到第十晶体管M36的栅极，第九晶体管M35的漏极与栅极相连；第十一晶体管M37的栅极耦合到第十二晶体管M38的栅极，第十一晶体管M37的漏极与栅极相连，第九晶体管M35的源极耦合到第十一晶体管M37的源极，并与第二节点G相连，第十晶体管M36的源极耦合到第十二晶体管M38的源极，并与反相电压跟随端X_n相连。

8.如权利要求6所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，其特征在于，所述的第一电流输出级由级联的电流镜构成，将正相电压跟随端X_p处的电流复制到正相第一电流跟随端Z_1p和正相第二电流跟随端Z_2p，包括第一上电流镜，第一下电流镜，第一上电流镜耦合到第一跨导线性环中第六晶体管M24的漏极，第一下电流镜耦合到第一跨导线性环中第八晶体管M26的漏极。

9.如权利要求7所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，其特征在于，所述的第二电流输出级由级联的电流镜构成，将反相电压跟随端X_n处的电流复制到反相第一电流跟随端Z_1n和反相第二电流跟随端Z_2n，包括第二上电流镜，第二下电流镜，第二上电流镜耦合到第二跨导线性环第十晶体管M36的漏极，第二下电流镜耦合到第二跨导线性环第十二晶体管M38的漏极。

10.如权利要求2所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，其特征在于，所述的共模反馈电路包括：电压取样电路，电压比较电路以及电压反馈电路，所述电压取样电路包括由两个NMOS晶体管Mc1和Mc2组成的第一差分对管，第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容，其中，第一节点D的电压由Mc1的栅极输入，第二节点G的电压由Mc2的栅极输入；Mc1的源极、第一电阻、第二电阻、Mc2的源极顺序连接，第一电容的一端连接第一电阻与第二电阻的连接点，第二电容的一端连接第一电阻和第二电阻的连接点，第一电容的另一端连接Mc1的源极与第一电阻的连接点，第二电容的另一端连接Mc2的源极与第二电阻的连接点，第一电阻和第二电阻的连接点及第一电容和第二电容的连接点连接在一起，作为电压取样电路的输出端，该输出端电压即为取样电压，所述第一电阻、第二电阻的阻值相等，第一电容第二电容的大小相等；

所述电压比较电路，包括两个NMOS晶体管Mc3和Mc4组成的第二差分对管，取样电压由Mc3的栅极输入，共模参考电压由Mc4的栅极输入，并生成误差信号; 

所述电压反馈电路，由级联的电流镜构成，将误差信号反馈至第一节点D及第二节点G。

11.如权利要求4所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，还包括电流偏置电路，其中，所述的电流偏置电路包括第三直流电流源I_B及与第三直流电流源I_B级联的电流镜，电流偏置电路为差分电压输入级、第一跨导线性环、第二跨导线性环以及共模反馈电路提供偏置电流，第三直流偏置电流源I_B与第一直流偏置电流源I_C1之间的关系为：I_B＝2I_C1。

12.如权利要求5所述的电流控制全平衡式第二代电流传输器，还包括电流偏置电路，其中，所述的电流偏置电路包括第三直流电流源I_B及与第三直流电流源I_B级联的电流镜，电流偏置电路为差分电压输入级、第一跨导线性环、第二跨导线性环以及共模反馈电路提供偏置电流，第三直流偏置电流源I_B与第二直流偏置电流源之间的关系为：I_B＝2I_C2。

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