電流控制全平衡差分式電流傳輸器的製作方法
2023-05-24 03:17:06
專利名稱：電流控制全平衡差分式電流傳輸器的製作方法
技術領域：
本技術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的CMOS第二代電流傳輸器，屬於模擬集成電路領域。
背景技術：
第二代電流傳輸器(second generation current conveyor，CCII)是由A.S.Sedra和K.C.Smith在1970年提出的一個電路方塊。圖1為第二代電流傳輸器的電路符號，如圖1所示，第二代電流傳輸器有一個電流輸入端X，一個電壓輸入端Y，一個正向電流輸出端Z+，一個反向電流輸出端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端的電壓等於該輸入電壓，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。
由上述特徵可知，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用於各種連續時間信號的處理中。然而，在模擬-數字混合電路中，由於容易產生非理想信號，而且因時鐘信號的饋送和電荷的注入使數字電路模塊產生噪聲。該噪聲不僅影響數字電路模塊，而且通過襯底串擾、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幹擾信號能力，另外，它也不能通過外加電流來控制其埠特性，即不能通過外加的偏置電流或電壓來調整CCII的參數，從而使得第二代電流傳輸器及其構成的濾波器等電路的應用受到了很大的限制。
發明內容
有鑑於此，本發明所要解決的問題是提供一種工作於模擬-數字混合電路中，能有效地抑制共模信號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輸入端Y與X之間的電壓電流關係具備電控特性，從而使得由它構成的電流模式濾波器的參數(品質因數及固有頻率)具有電子調諧特性，所設計的電路可以完全地抑制共模信號，方便地控制電路參數，並具有低電壓低功耗特性，在簡化結構、降低功耗、擴展頻域，噪聲抑制等方面都有很好的作用。
為了實現上述目的，本發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，該傳輸器具有兩對電壓差分輸入端Y1、Y2和Y3、Y4，均具有高輸入阻抗，一對差分電壓跟蹤端X+，X-，一對同相電流輸出端Z1+、Z2+，一對反相電流輸出端Z1-，Z2-。因為該電路應具有電控性，即通過調整該電路的偏置電流IB可以控制X端電壓與Y端電壓的關係，因此該電路還有一個偏置電流控制端。該FBCCCII的埠特性可由下式表示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，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。
圖2是本發明電流控制全平衡差分式電流傳輸器的電路符號。
圖3是本發明的主體結構示意圖。
圖4是本發明的具體電路設計圖。
具體實施例方式
圖2為電流控制全平衡式電流傳輸器的電路符號，包括兩對高阻抗的差分電壓輸入端Y1～Y4，兩個電壓跟蹤端X+、X-，一對同相電流輸出端Z1+、Z2+，一對反相電流輸出端Z1-，Z2-，及一個電流控制端。由於關係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，進而控制X端和Y端的電壓電流關係。其傳輸特性如式(1)、(2)所示。
圖3為本發明的主體結構示意圖，該電路由主要包括以下四個部分(1)由差分對管組成的差分電壓輸入電路，實現差分輸入電壓的運算。(2)反饋電路，精確跟蹤差分輸入級的差分電壓。(3)兩個跨導線性環，實現電壓傳送的作用。(4)電壓取樣電路，取自差分電壓輸入級的正相輸出電壓和反相輸出電壓，並生成一個共模輸出電壓Vm。(5)共模反饋電路，用來穩定共模信號，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行比較可得到一個誤差信號，用該誤差信號控制差分電壓輸入級的輸出電流，從而使得共模輸出電壓穩定在參考電壓VRCM上，如果選擇VRCM＝0，則共模輸出電壓為0。
圖4為CFBCCII的具體電路實現圖，整個電路由CMOS電晶體和電阻，電容構成。其中，M1～M6組成三對差分對管，M19～M21為三對差分對管的負載。M33、M45與M34、M13組成兩對負反饋電路，使得圖中D、G點的電壓能精確的跟蹤差分輸入級的電壓差。設三對差動輸入級的器件參數完全對稱，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。
因為M10～M12為電流鏡，所以有IM10＝IM11＝IM12(4)又因M19～M21構成電流鏡，所以有IM1+IM4＝IM3+IM6＝IM2+IM5(5)由式(3)～(5)得IM1＝IM3＝IM5IM2＝IM4＝IM6(6)設圖中得MOS管工作於飽和狀態，MOS管的漏極電流IM與柵源電壓之間的關係為IM＝(K′W/2L)(VGS-VT)2(7)其中K′為跨導參數，W、L為溝道寬度和長度，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兩點的電壓。由式(9)可解出VD＝VY3+(VY1-VY2)VG＝VY4-(VY1-VY2)(10)兩個跨導線性環M23～M26、M35～M38構成電壓傳送電路，將D、G兩點的電壓傳送到X+和X-端，即分別實現式(1)所示的關係。M8～M14及M45構成一個電流鏡電路，該電流鏡一方面通過M10～M12分別向差分對管三個相等的偏流IB，另一方面通過M9、M14分別向兩個跨導線性環提供下偏置電流。M17～M22構成另一電流鏡，其電流與IB相等，M18、M22分別提供兩個跨導電路的上偏置電流。M27～M32、M39～M44分別組成同相、反相電流傳送電路，實現式(2)所示的關係。具體分析如下
當跨導線性環的各電晶體都工作在飽和區，且忽略體效應時，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電晶體的的跨導係數，VTn、VTp為閥值電壓，Wi與Li對應各管的寬長比，VGS代表電晶體的柵源電壓。由式(11)～(15)可得Ix=-IM23-IM25=(W25L26W26L25-W23L24W24L23)IB+(kpW25L25-knW23L23)VXD2]]>+2(W23L23knL24W24-W25L25kpL26W26)IBVXD(16)]]>適當設計電晶體的寬長比使W23L23=kpknW25L25]]>W24L24=kpknW26L26(17)]]>並設定Rx=(4W25L25kpL26IBW26)-1(18)]]>則式(16)可簡化為Ix=Rx-1VXD(19)]]>共模反饋電路由MC1～MC7以及兩個相等的電阻(R1)、兩個相等的電容(C1)構成，包括以下幾個部分一個電壓採樣電路，一個差分放大器及反饋網絡。電壓採樣電路用於檢測共模電平，採用電阻分壓的結構，以兩個參數相同的電晶體MC1、MC2為核心，結合兩個電阻和電容構成，並由兩個相等的電流源IC=12IB]]>提供偏置電流。差分輸入級的兩個輸出電壓VD、VG由採樣電路的兩個電晶體的柵極輸入，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，這裡設為0，將共模電壓Vm與共模參考電壓VRCM進行比較，並輸出誤差電流。反饋網絡一端與差分放大器相連，另一端接差分輸入級的D、G兩點，將反饋結果送至輸入端。共模反饋電路的工作原理如下在理想情況下，即差分輸入級的兩個輸出電壓VD＝VG時，Vm=VD+VG2=0,]]>此時，Vm＝VRCM，尾電流IB一分為二，這樣，一個大小為 的電流流經MC3、MC5，MC6、MC7，到達D、G兩點，整個電路得到了合適的偏置；考慮另一種情況，當|VD|＞|VG|時，Vm=VD+VG2>0,]]>MC5的電流增大，MC6和MC7中的電流也將增大，這使得差分輸入級的兩個輸出端D、G兩點的電壓減小，由於VD、VG一正一負，其結果就變成|VD|減小，而|VG|增大，直到VD＝VG，共模電壓Vm回到0。反之，當|VD|＜|VG|時，環路將使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，擴寬了輸入信號範圍。
權利要求
1.一種電流控制全平衡式電流傳輸器，其特徵在於所述的電流傳輸器具有兩對電壓差分輸入端Y1、Y2和Y3、Y4，一對差分電壓跟蹤端X+，X-，一對同相電流輸出端Z1+、Z2+，一對反相電流輸出端Z1-，Z2-，以及一個電流控制端IB。所述差分電壓輸入端與差分電壓跟蹤端的關係為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係為IZ1+＝IZ2+＝IX+，IZ1-＝IZ2-＝IX-。
2.根據權利要求1所述的第二代電流傳輸器，其特徵在於電路包括以下幾個部分差分電壓輸入級，一第一反饋電路，一第二反饋電路，一第一跨導線性環，一第二跨導線性環，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有兩個差分電壓輸出端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，確保所述兩個電壓能夠精確地傳輸。第一反饋電路與第一跨導線性環相連，第二反饋電路與第二跨導線性環相連，實現差分電壓到X端的傳送。第一跨導線性環與正向電流傳送電路相連接，將X+端的電流傳送到Z1+、Z2+端。第二跨導線性環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為差分電壓輸入級的兩個差分輸出電壓VD、VG，反饋信號接到差分電壓輸入級。
3.根據權利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特徵在於所述的差分電壓輸入級包括6個電晶體，組成三對差分對管，所述三對差分對管分別由三個CMOS管組成的電流鏡提供偏置電流，並分別以三個電晶體作為其負載。根據權利要求1所述的第二代電流傳輸器，所述輸入級有四個輸入端Y1～Y4，其中Y1、Y2為差分電壓輸入端，Y3、Y4均接地。所述輸入級的兩個輸出端D、G電壓分別為VD＝VY3+(VY1-VY2)，VG＝VY4-(VY1-VY2)，由於Y3、Y4均接地，因而D、G兩點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.根據權利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特徵在於所述的第一反饋電路由兩個電晶體構成，一個電晶體起到反饋的作用，另一個起偏置作用，所述兩個電晶體漏極相連，並由電流源提供偏置電流IC1=12IB.]]>所述兩電晶體漏極相連處與差分電壓輸入級的正向輸出端D相連，由差分電壓輸入級向反饋電路提供輸入信號，即所述正向輸出電壓VD。所述兩電晶體漏極相連處與第一跨導線性環相連，將正向輸出電壓VD精確傳輸到第一跨導線性環的輸入端。
5.根據權利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特徵在於所述的第二反饋電路由兩個電晶體構成，一個電晶體起到反饋的作用，另一個起偏置作用，所述兩個電晶體漏極相連，並由電流源提供偏置電流IC2=12IB.]]>所述兩電晶體漏極相連處與差分電壓輸入級的反向輸出端G相連，向反饋電路提供輸入信號，即所述反向輸出電壓VG。所述兩電晶體漏極相連處與第二跨導線性環相連，將反向輸出電壓VG精確傳輸到第二跨導線性環的輸入端。
6.根據權利要求1所述的第二代電流傳輸器，其特徵在於所述的電流傳輸器具有一第一跨導線性環，所述第一跨導線性環由四個CMOS管首尾相接構成，由一PMOS管構成的電流鏡提供上偏置電流IB，由一NMOS管構成的電流鏡提供下偏置電流IB。所述第一跨導線性環的輸入端接入第一反饋電路的輸出信號，其輸出端為電路的外部輸出端X+。
7.根據權利要求1所述的第二代電流傳輸器，其特徵在於所述的電流傳輸器具有一第二跨導線性環，所述第二跨導線性環由四個CMOS管首尾相接構成，由一PMOS管構成的電流鏡提供上偏置電流IB，由一NMOS管構成的電流鏡提供下偏置電流IB。所述第二跨導線性環的輸入端接入第二反饋電路的輸出信號，其輸出端為電路的外部輸出端X-。
8.根據權利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特徵在於所述的同相電流傳送器由級聯的電流鏡構成，與第一跨導線性環相連，將第一跨導線性環的輸出信號IX+傳輸到兩個輸出端Z1+、Z2+。
9.根據權利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特徵在於所述的反相電流傳送器由級聯的電流鏡構成，與第二跨導線性環相連，將第二跨導線性環的輸出信號IX-傳輸到兩個輸出端Z1-、Z2-。
10.根據權利要求2所述的第二代電流傳輸器，其特徵是共模反饋電路由一個電壓採樣電路，一個差分放大器及反饋網絡構成。(1)所述電壓採樣電路用於檢測共模電平Vm，採用電阻分壓的結構，以兩個參數相同的電晶體為核心，結合兩對並聯的電阻和電容構成，並由兩個相等的電流源IC1=IC2=12IB.]]>提供偏置電流。差分輸入級的兩個輸出電壓VD、VG由所述兩個電晶體的柵極輸入，經過兩個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.]]>所述電壓採樣電路的輸出信號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源極相連的MOS管構成，輸入信號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，這裡設為0，所述兩個輸入電壓Vm與VRCM進行比較，生成一個誤差電流。(3)所述反饋網絡由電流鏡構成，輸入信號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的兩個輸出端D、G，通使得共模電壓Vm≡0。
全文摘要
本發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的CMOS第二代電流傳輸器。一對電壓差分輸入端Y
文檔編號H03K19/08GK101047383SQ20071003458
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月20日 優先權日2007年3月20日
發明者王春華, 李仁發, 何松華, 張秋晶, 何海珍, 李濤, 易波, 何選森 申請人:湖南大學