电流镜的原理及应用毕业论文doc.docx
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电流镜的原理及应用毕业论文doc
电流镜的研究与应用
摘要：
本文主要讨论和研究了CMOS电流控制传输器的基本原理及改进。
CMOS电流控制传输器无论在信号大或小的情况下，都能比相应运算放大器提供更大带宽下更高的电压增益，而且电流控制电流传输器还具有电可调特性。
因此本文提出一种基于共源共栅电流镜的CMOS电流控制电流传输器电路。
该电路由跨导线性环电路和共源共栅电流镜构成。
相对于基于基本电流镜的CMOS电流控制电流传输器，该电路具有输出阻抗更大以及电流传输精度更高的优点。
文中通过分析两种电路的工作原理，比较了两种电路的性能优劣。
最后，文章对目前电流镜的应用及新发展的技术做了简单的介绍。
关键词：
共源共栅；电流镜；电流控制；电流传输器
TheResearchandApplicationofCurrentMirrors
LiaoYilong
（HunanInstituteoftheHumanitiesScienceandTechnologyHunanLoudi417000）
Abstract：
ThepaperstudiestheprincipleandimprovementsofCMOScurrentcontrolledconveyor.Regardlessofthesizeofthesignal,CMOScurrentcontrolledconveyoralwaysprovideshighervoltagegainunderwiderbandwidththanthecorrespondingbandwidthoperationalamplifierandhasthepoweradjustablefeatures.ThecircuitusedwidelybyscholarsisthetraditionalCCCⅡproposedbyFabreanditconsistsoftranslinearloopandthebasiccurrentmirrorcircuit.However,theweaknessofthebasiccurrentmirrorcircuitislowtransmissionprecision,lowoutputimpedanceandnocurrentnegativefeedbackcircuit.Therefore，thepaperpresentsaCMOScurrentcontrolledcurrentconveyorbasedoncascodecurrentmirror.TheimprovedCCCⅡcircuitisconstructedbyatranslinearloopandcascadecurrentmirror.ComparedwithCCCⅡbasedonthebasiccurrentmirror,theimprovedCCCⅡcircuithasthefollowingmerits:
highoutputimpedance,highcurrenttransferaccuracy.Performanceprincipleofthecircuitsisanalyzedandexperimentresultsaregiven.TheresultsofexperimentverifythefeasibilityoftheimprovedCCCⅡ.
Keywords:
Cascode；CurrentMirror；CurrentControlled；CurrentConveyor
1绪论
在当今信息时代，信息技术己深入到国民经济的各个领域，人们在日常生活中无处不体会到信息技术带来的变化。
信息技术的基础是微电子技术，而集成电路是微电子技术的核心，是整个信息产业和信息社会最根本的技术基础。
在社会的信息化程度快速提高的过程中，集成电路芯片的作用也越来越重要，无论移动手持设备还是不断升级的笔记本电脑，集成电路芯片都被广泛应用。
集成电路设计和制造水平无疑已成为衡量一个国家技术水平的一个重要标准，同时成为一个国家经济实力和国防实力的一个重要标志。
近二十年来，以电流为信号变量的电流模式电路的巨大潜在优势逐渐被各国科学家发现并挖掘出来，促进了模拟集成电路朝低电压、低功耗等方面的发展。
而电流传输器是目前电流模式电路中使用最广泛、功能最强的标准模块。
[1]。
电流传输器不仅有电压输入端，而且有电流输入端，因此它能实现电压模式电路，也能实现电流模式电路。
电流传输器无论在信号大小的情况下，都能比相应运算放大器提供更大带宽下更高的电压增益，而且电流控制电流传输器还具有电可调特性。
CMOS工艺由于具有输入阻抗高、功耗低、集成度高、占有芯片面积小、抗辐射能力强等特点，正日益成为最广泛应用的集成电路设计工艺。
因此，应用CMOS工艺设计电流传输器及电流控制电流传输器引起了越来越多的关注。
同时，基于电流传输器的优点和易于和其他电子元件组合构成应用电路的特点，电流传输器被广泛的应用于各种模拟滤波器的设计。
1996年法国学者Fabre在CCⅡ的基础上提出了CCCⅡ电路，CCCⅡ电路不仅具有电控性，而且把X端的寄生电阻纳入到端口特性中，从而减小了电压跟踪误差。
但到目前为止，国内外学者所采用的电路普遍为Fabre提出传统CCCⅡ，该电路由跨导线性环电路和基本电流镜构成。
然而传统CCCⅡ存在的不足是基本电流镜电流传输精度较低、输出阻抗较低及没有电流负反馈电路。
因此本文提出一种基于共源共栅电流镜的CMOS电流控制电流传输器（CCCⅡ）电路。
该电路由跨导线性环电路和共源共栅电流镜构成。
相对于基于基本电流镜的CMOS电流控制电流传输器（CCCⅡ），该电路具有输出阻抗更大以及电流传输精度更高的优点。
其次，尽管利用共源共栅电流镜取代基本电流镜很大程度地改善了CMOSCCCⅡ的性能，但是无论基于基本电流镜还是共源共栅电流镜的CMOSCCCⅡ都是通过使用偏置电流来调节X端的寄生电阻。
然而这个寄生电阻分别和双极技术中的热电压成正比以及CMOS技术中的表面迁移率（μ）成反比。
这就意味着基于电流控制电流传输器的电路特性将受到绝对温度的影响[2]。
在双极技术中，我们可以通过使用偏置电路来解决这个问题，其中的原理就是产生一个和热电压直接相关的电流。
但是这个技术不能够使用在CMOS技术中，这就意味着基于电流控制电流传输器的电路特性将受到绝对温度的影响。
因此本文针对于目前CMOS电流控制电流传输器（CCCⅡ）中普遍存在的温度依赖性问题，提出一种新的温度补偿技术。
这种技术主要使用电流偏置电路和分流电路来为CCCⅡ产生偏置电流，其中偏置电路中的电流和μCox’成正比，很好地解决了RX温度稳定性，从而降低了电路的温度敏感度。
而且我们所提出的电路仅仅使用CMOS和一些外部电压以及电流源，因此电路能够很容易地集成到一个芯片上。
2电流镜的基本理论
电流镜（CurrentMirror）是一种信号处理的标准部件，同运算放大器、电流传输器、电流反馈放大器一样，使用在模拟和数模混合模式VLSI电路中。
它能将电路中某一支路的参考电流在其它支路中得以重现或复制[3]。
由于其电流复制能力，它常被用来构成模拟集成电路和器件中支流偏置电流源，成为模拟集成电路中应用最为广泛的电路技术之一。
2.1电流镜概述
电流镜是模拟集成电路中最基本的单元，利用电流镜可以构成电流模式的基本模块电路，如电流模式传输器、微分器、积分器等，也可以构成电流模式集成电路，如连续时间滤波器、A/D转换器等。
一个电流镜至少要有三个端子，如图2-1所示，图（a）是电流镜示意图，图（b）是电流镜的代表符号。
图中I0端连接电源或者地，I1为镜源，I2为镜象，输入输出关系为：
I2=MI1。
其中M为镜象比系数，它与电流镜内部的晶体管参数的沟道尺寸有关。
实用电流镜应该具有以下三点基本性能：
（1）、输出支路电流I1基本与节点N2的电压V2无关,V2允许被偏置到与公共节点N0相差几百毫伏到几伏的任何电位，即N0节点的增量输出电阻或称交流小信号输出电阻（更通用应为交流输出阻抗）应该很高，理想时为无穷大。
Vdd
N1
N2
N0
I0
I1
I2
V1
V2
（a）示意图
I0
I1
I2
（b）代表符号
M1
M2
I2
I1
in
iout
Vss
（c）基本电流镜电路
图2-1电流镜基本概念
（2）、输入节点N1的直流电压V1应当很小，通常比公共节点N0相差几百毫伏，而且电压V1基本上与输人电流I1的增量变化无关，即小信号交流输入电阻（更通用为交流输入阻抗）应相当低，理想时为零。
（3）、电流传输比M=I2/I1应该尽可能接近于1，而且在很多十倍程变化范围内与电流的幅值无关，即理想电流镜是线性元件。
在信号传输通路的应用中，理想电流镜电流传输比M的幅度和相位应该与信号的频率无关。
2.2基本电流镜
1968年，加拿大学者K.C.Smith和A.Sedra提出了一个新的模拟标准部件一电流传输器（CurrentConveyor，简称CC）。
电流传输器是功能很强的基本模块，将电流传输器与其他电子元件组合可以十分简单地构成各种特定的电路结构，实现多种模拟信号的处理功能。
电流传输器是一种电流模式电路，模拟电子技术中的几种最基本的信号处理功能（加/减、比例、积分等）用电流传输器都能方便的实现。
而且，电流传输器具有电压输入端和电流输入端，因此，利用电流传输器可以方便地实现电压模式信号处理电路，也可以方便地实现电流模式信号处理电路。
无论信号大小，基于电流传输器的电路都能比相应的基于电压运算放大器的电路提供更大带宽下的更高电压增益，即更大的增益带宽积。
按照其发展先后及端口的电流、电压特性，电流传输器可以分为第一代电流传输器（CurrentConveyor，简称CCI）、第二代电流传输器（second-GenerationCurrentConveyor，简称CCⅡ）、第三代电流传输器（Third-GenerationCurrentConveyor，简称CCⅢ）及第二代电流控制电流传输器（Second-GenerationCurrentControlledConveyor，简称CCCⅡ）。
对每一种电流传输器来讲，根据其端口电流的方向，又可以分为正极型与负极型两种类型。
2.2.1第一代电流传输器CCI
（1）第一代电流传输器（CCI）的电路符号及端口特性
（2-1）
K.C.Smith和A.Sedra在1968年提出了第一代电流传输器（CCI）[4]。
第一代电流传输器是一个三端口器件。
它有两个电流输入端和一个电流输出端，分别用X、Y、Z表示。
CCI的输入与输出端口特性可用矩阵式（2-1）所示。
若IZ=+IX，则称该电流传输器为CCI+；若IZ=-IX，则称该电流传输器为CCI-。
在电路符号图2-2（a）中，若IZ和IX都向里流或都向外流，则代表CCI+，若一个向里流，一个向外流，则代表CCI-。
图2-3（b）是用零子（Nullator）、极子（Norattor）和两个电流控制电流源表示的等效电路[6]，零子和极子属于单端对理想有源器件，它们单独存在时不能物理实现，只有把它们组合在一起成为零极子（Nullor）方能实现，构成一种二端有源器件。
零子的电特性为：
流过的电流为零，两端的电压相等；极子的电特性为：
流过的电流为任意值，两端的电压为任意值，也称为“任意子”。
显然，零子表示VY=VX，即X端和Y端存在“虚短”的关系，它们的电位相等，
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