李亨王丽萍王明磊

（1.机械工业第六设计研究院，河南郑州450007；2.河南科技大学电子信息工程学院，河南洛阳471003）

1.引言

随着超大规模集成电路理论和工艺的发展，电流模式电路以其高频性能好、高速、低功耗、适合并行运算等特点，引起了人们广泛的关注。电流传送器尤以其独特的电流传输特性、良好的高频性能、很强的通用性和灵活性而广泛应用于各种有源网络的实现和VLSI中[1]。

2.电流传送器

电流传送器被认为是一种具有多种功能且与运算放大器相似的基本电路器件，被广泛应用在滤波、振荡、放大等方面的有源电路设计。

2.1 理想电流传送器特性

电流传送器(Current Conveyor；简称CC)为三端口电流模式器件，X和Y端表示电流输入端，Z端为电流输出端。其一般表达式如式(1)。a的取值代表Y端和X端电流的比例关系；b的取值表示在输入电流IX不变的基础上X端与Y端的电压差；c的正负不同可定义Z端电流的方向，表达式如（1）：

第一代电流传输器(CCI)于1968年由Smith和Sedra共同提出，此时a=1，b=1；为了提高电流传送器使用的灵活性，第二代电流传输器(CCII)于1970年由Smith和Sedra提出，对应的a=0，b=0。

2.2 电流传送器的实际特性

实际电流传送器特别是在高频下的特性不是很理想，输入端Y的输入阻抗ZY和输出端Z的输出阻抗ZZ并不是无穷大，输入端X的输入阻抗ZX也不为零。电压与电流的增益也可能不为1。如图1所示为广泛使用的电流传送器的高频等效模型[2]。

3.基于BJT的电流控制传送器

从图1中可以看出，其X端有一个寄生电阻（约为几十欧至一百多欧）而传输特性并没有考虑这个电阻，此缺点使得X与Y端的电压跟随无法达到理想要求，这就导致了基于CCII的传输函数出现误差。

1995年法国学者Fabre等人利用双极型晶体管的线性互导（Translinear Loop）特性，使得X端寄生电阻RX的大小可以通过偏置电流I0调节，实现了第二代电流控制传送器CCCII(Second Generation Current Controlled Conveyor)[3]，从而使电流传送器的应用扩展到了电调谐功能领域。具体关系如式（2），其中VT是热电压。

3.1 混合跨导线性回路实现CCCII内部的电压跟随器

静态跨导线性回路是CCII乃至CCCII中最为关键的基本单元之一，CCCII的特点也是由静态跨导线性回路的特性所决定的。当在单片集成电路上设计图2所示PNP与NPN混合跨导线性回路时，可认为对于Q1至Q4，其电流密度JSi和面积Ai都相同。当存在其它的电路使得Q2和Q4的CB端电压为0V。易知当每个管时β＞＞1，利用跨导线性回路有：

此时若加电流源I0，则有I1=I3≈I0，此时电路为一电压跟随器。A、B端的电压差：

而对于本电路图有IC1就是I1，IC2就是I2，故有IC1≈I0，而且当I0＞＞IX可得：

3.2 基于BJT的CCCII的实现原理

基于双极管跨导线性回路的正电流控制传送器的电路实现，如图3所示。混合跨导线性回路Q9至Q13组成了两个镜像电流源，提供电路所需的两个直流偏置电流源I0。Z端则使用传统的方法，通过由Q5至Q8组成的两个互补电流镜实现对X端电流的复制。

混合跨导线性回路Q1至Q4则组成了一个如图2所示的电压跟随器，使得，显然此时的X端寄生电阻这样CCII原来的电压传输误差在CCCII中可以通过改变直流偏置电流I0实现调节。

4.基于CM O S的电流控制传送器

利用MOS管在亚阈值区，短接基极与源极时IDS与VGS的指数关系可以构成跨导线性回路。并且可以利用此种工作状态的MOS管完成对应的电压跟随器的设计，进而完成基于CMOS技术的电流控制传送器的设计。

如图4所示为一CMOS电流控制传送器电路。其中M1至M4工作在亚阈值状态，完成电压跟随器的功能。通过M16至M19充当的有源电阻，使得M1和M3工作在亚阈值区，而又利用M2与M1，M3与M4电路连接分别使得V2GS=V1DS，V4GS=V3DS。这样V1DS和V3DS满足对应条件时M2和M4也工作在亚阈值区。此时的寄生电阻为

5.基于Bi CM O S的CCCII实现

BiCMOS(Bipolar CMOS)是CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。

图5电路中利用双极型的跨导性好的特点，混合跨导线性回路的电压跟随器使用β＞＞1的Q1至Q4的双极型三极管实现；利用CMOS镜像电流源的电路输出电阻大的特点，Q5至Q7的镜像电流源以及Q10和Q11的镜像电流源使用了CMOS技术，提供直流偏置电流I0来减小噪声，电路中噪声的主要来源是电流镜。

6.结论

电流传送器作为一种具有多种功能且与运算放大器相似的基本电路器件，其独特的电流传输特性使它成了电流模式VLSI电路中最基本的积木块。由电流传送器构成有源器件的电路系统，在简化结构、降低功耗、扩展频域等方面有很好的作用，其构成的滤波器、放大器、振荡器等电路开始在很多领域，特别是移动通讯、测量中受到重用。

[1]邱关源.现代电路理论[M].北京：高教出版社，2000.

[2]Alain Fabre，Omar Saaid，Christophe Boucheron.Low Power Current-Mode Second-Order Band pass IF Filter.IEEE Trans CAS(II)，1997，44(6)：436-445.

[3]Alain Fabre，Omar Saaid，Christophe Boucheron.Current controlled bandpass filter based on translinearconveyors.Electronics Letters，1995，31(20)：1727-1728.

[4]Seguin F，Godara B，Alicalapa F，Fabre A.2.2GHz All-n-p-n Second-Generation Controlled Conveyor in Pseudoclass AB Using 0.8-um BiCMOS Technology.IEEE Trans on2004，51(7)：369-373.