电流镜的原理及应用毕业论文.doc

目 录

摘要 1
关键词 1
Abstract. 1
Keywords 1
1 绪论 2
1.1引言 2
1.2本文研究的目的和意义 2
2 电流镜的基本理论 3
2.1 电流镜概述 3
2.2 基本电流镜 4
2.2.1 第一代电流传输器CCI 5
2.2.2第二代电流传输器CCⅡ 6
2.2.3第三代电流传输器CCⅢ 8
2.2.4第二代电流控制电流传输器(CCCⅡ) 10
3 电流传输镜的研究 13
3.1 电流传输器的国内外研究现状 13
3.2 新近发展中的CM技术 15
3.2.1 可变增益CM 15
3.2.2 电流复制单元(CCC) 16
3.2.4 开关电流镜(SICM) 17
4 CM在电流模式电路中的应用 17
4.1 电流模式有源器件 17
4.2 电流模式信号处理电路 17
4.4 电流模式数据转换 19
4.5 CMOS CM 在差分运放电路中的应用 19
4.6 宽摆幅高输出阻抗恒流源偏置电路 20
5 总结 20
参考文献 21
致 谢 22

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
The Research and Application of Current Mirrors
Liao Yilong
(Hunan Institute of the Humanities Science and Technology Hunan Loudi 417000)
Abstract：The paper studies the principle and improvements of CMOS current controlled conveyor. Regardless of the size of the signal, CMOS current controlled conveyor always provides higher voltage gain under wider bandwidth than the corresponding bandwidth operational amplifier and has the power adjustable features.The circuit used widely by scholars is the traditional CCCⅡ proposed by Fabre and it consists of translinear loop and the basic current mirror circuit.However, the weakness of the basic current mirror circuit is low transmission precision, low output impedance and no current negative feedback circuit. Therefore，the paper presents a CMOS current controlled current conveyor based on cascode current mirror. The improved CCCⅡ circuit is constructed by a translinear loop and cascade current mirror. Compared with CCCⅡ based on the basic current mirror, the improved CCCⅡ circuit has the following merits: high output impedance, high current transfer accuracy. Performance principle of the circuits is analyzed and experiment results are given. The results of experiment verify the feasibility of the improved CCCⅡ.
Keywords:Cascode；Current Mirror；Current Controlled；Current Conveyor
1 绪论
1.1引言
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。
1996年，A.Fabre在电流传输器的基础上提出了电流控制电流传输器的基本理论[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。
1.2本文研究的目的和意义
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(Current Mirror)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(Current Conveyor，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(Current Conveyor，简称CCI)、第二代电流传输器(second-Generation Current Conveyor，简称CCⅡ)、第三代电流传输器(Third-Generation Current Conveyor，简称CCⅢ)及第二代电流控制电流传输器(Second-Generation Current Controlled Conveyor，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，但不能进行电学的短路连接。两个受控源用来表示把X端电流复制到Y端口和Z端口，而流过零子的电流为零，所以IY=IX，另一个电流控制电流源则表示IZ=IX。
CCⅠ
Y
X
Z
IY
IX
VX
VY
IZ
VZ
（a）CCI+电路

Nullator
Nullator
Y
X
I
Z
I
图2-2 CCⅠ的符号和零极子表示方法
（b）CCI-电路
I

（2）CCI的基本电路实现
图2-3所示为一种基于双极互补集成工艺的CCI实现电路。其中T1～T4可看作TL(线性跨导)回路；T5～T7是PNP管基本电流镜；T8～T10是NPN管基本电流镜。
Y
X
Z
T8
T2
T3
T1
T4
T5
T6
T7
T10
T9
VEE
图2-3 第一代电流传输器的双极性甲乙类实现

2.2.2第二代电流传输器CCⅡ
（1）第二代电流传输器(CCⅡ)的电路符号和端口特性
(2-2)
与第一代电流传输器相比，第二代电流传输器(CCⅡ)的特点是Y输入端口没有电流流入。这是Smith和Sedra在1970年通过对CCI的特性加以改进而提出来的，其目的是增加电流传输器的通用性。CCⅡ的输入与输出端口特性可用矩阵式(2-2)所示:
IZ=+IX，表示CCⅡ+；IZ=-IX，表示CCⅡ-。由该方程可见，CCⅡ的Y输入端口具有高输入阻抗特性(MΩ级)；X端口电压跟随Y端口电压且输入电阻很小(<l00Ω)；Z输出端的电流会跟随X端口的电流，且具有高输出阻抗特性(MΩ级)，该电流仅取决于X端的输入电流。显然，传输到Z端的电流可以直接由X端注入，也可以由Y端的输入电压变换产生。其电路符号和零极子表示方法如图2-4所示。
CCⅡ
Y
X
Z
IY
IX
VX
VY
IZ
VZ

Nullator
Nullator
Y
X
I
Z
I
图2-4 CCⅡ的符号和零极子表示方法
（b） CCⅡ的零极子表示方法
（a） CCⅡ的电路符号

（2）CCⅡ的基本电路实现
图2-5所示是用CMOS工艺实现的M3
M5
M6
M7
M9
M8
M10
(a) CCⅡ+电路
IZ= - IX
M4
M1
M2
IX
Y
X
+ -
VSS
VDD
运算放大器输出电流反馈式CCⅡ传统电路，其中图2-5(a)是CCⅡ+电路，图2-5(b)是CCⅡ-电路。电路中的M1、M2是运放输出级的MOS晶体管，其余的晶体管组成电流镜，其中M3～M6与M7～M10、M11～M14与M15～M18组成极性互补的级联(共源一共栅)电流镜，将M1、M2的漏极电流传输到Z输出端，并取其差值电流作为单端输出电流。
图2-5 第二代电流传输器电路原理图
M3
M5
M6
Z
M7
M9
M14
M13
M11
M12
M8
M10
VDD
(b) CCⅡ-电路
M15
M16
M18
M17
IZ= - IX
M4
M1
M2
IX
Y
X
+ -
VSS

2.2.3第三代电流传输器CCⅢ
（1）第三代电路传输器(CCⅢ)的电路符号和端口特性
(2-3)
第三代电流传输器(CCⅢ)由Fabre等学者于1995年提出，其主要特点是:增益误差率低、线性度好、宽频率响应、高输出阻抗。其输入输出端口特性可由矩阵(2-3)表示:
由式(2-3)可以看出，与CCI、CCⅡ一样，CCⅢ的X端的电压与Y端的电压相等，即VX=VY；与CCI不同的是，CCⅢ的Y端电流总是反相于X端口的电流，即IY=-IX。在输出端，IZ=IX、表示CCⅢ+，IZ=-IX表示CCⅢ-。
下图表示出CCⅢ的电路符号和零极子表示方法。
CCⅢ
Y
X
Z
IY
IX
VX
VY
IZ
VZ
IS
(a) CCⅢ的符号

Nullator
Nullator
Y
X
RX
I
Z
I
图2-6 CCⅢ的符号和零极子表示方法
（b）CCⅢ的零极子表示方法

（2）CCⅢ的基本电路实现
M20
M17
M9
M10
M1
M3
Y
Z
X
M2
M4
M6
M8
M7
M14
M13
M5
M11
M12
M18
M15
M16
VSS
图2-7 CCⅢ的CMOS实现电路
图2-7给出了CCⅢ的CMOS常规电路的原理图，它以MOS管对M9，和M10、M11和M12、M13和M14、Ml5和Ml6构成的基本电流镜为基础，通过M1～M8构成的跨导线性环，使得X端电压跟随Y端电压，Y端电流与X端输入电流幅值相同，相位相差180°，即VX=VY，IY=-IX；通过输出MOS管M17～M20，使得IZ+、IZ-端的电流分别与X、Y端电流相等，即IZ+=IX，IZ-=IY=-IX。
2.2.4第二代电流控制电流传输器(CCCⅡ)
第二代电流控制电流传输器元件的提出起源于CCⅡ，自从CCⅡ在 1970年提出以来就广泛地应用于各种电流模式电路和电压模式电路，例如电压放大器、滤波器以及信号处理电路等，但是由于CCⅡ内部电路的输入端X端存在一个寄生电阻，而传输特性并没有考虑这个电阻，从而造成CCⅡ的X端与Y端的电压跟踪无法达到理想程度，致使电路的传输函数产生误差，尤其在X端外接电容时误差较大。而CCCⅡ就是利用X端的寄生电阻受内部直流偏压控制的特性以达到电可调的特性。这样的特性使CCCⅡ跟OTA(跨导运算放大器)一样，元件本身能够产生电阻效应，使设计者在电路设计过程中减少无源元件的使用，简化电路结构。再加上X端口的输入电阻受偏置电流的控制，从而使CCCⅡ的应用延伸到电调节领域。
1996年，学者Alain.Fabre等人基于跨导线性环(Translinear Loop)特性提出了第二代电流控制电流传输器(CCCⅡ)电路，而随后的CCCⅡ电路基本上也都是基于跨导线性环(Translinear Loop)特性实现的，因此，在本节中，首先介绍一下跨导线性原理。
（1）CCCⅡ的电路符号和端口特性
其输入输出端口特性可用矩阵式(2-4)来表示:

(2-4)

与CCⅡ相似，X端为电流输入端，Y端为电压输入端，输入电流为零；与CCⅡ不同的是X端电压不是精确跟随Y端输入电压，而是与X端寄生电阻有关。
CCCⅡ
Y
X
Z
IY
IX
VX
VY
IZ
VZ
IS
(a) CCCⅡ的符号

Nullator
Nullator
Y
X
RX
I
Z
I
图2-8 CCCⅡ的符号和零极子表示方法
（b） CCCⅡ的零极子表示方法

矩阵中的正负号分别代表CCCⅡ+和CCCⅡ-，对CCCⅡ+而言，IZ=+IX，对CCCⅡ-而言，IZ=-IX；RX为X端口的寄生电阻，受CCCⅡ内部的偏置电流IB控制。CCCⅡ的电路符号和零极子表示方法如图2-10所示。
（2）CCCⅡ基本电路的实现
1999年，复旦大学凌燮亭教授利用便于集成的MOS管提出了一种CMOSCCCⅡ电路，如图2-9所示。图2-9中X端与Y端之间采用了M1～M4构成的MOS跨导线性环作为输入级，实现X端与Y端之间的电压跟随；MOS管M8与M9、M5与M6、M7构成了放大倍数为1的电流镜为MOS跨导线性环提供直流偏置；M10和M11、M12和M13组成的互补电流镜将X端的输入电流复制到Z端，实现Z端与X端之间的电流跟随。Z
M8
M9
M10
M11
M3
M4
X
Y
M6
M5
M7
M12
VSS
M13
IB
M1
M2
VDD
图2-9 CMOS CCCⅡ电路

图2-11中的MOS管都工作在饱和区，当MOS管工作在饱和区时，其漏极电流I。的表达式为:
(2-5)

其中，k=μCOX表示跨导系数，VGS表示MOS管的栅源电压，Vτ为阀值电压。又因为对于M1～M4组成的跨导线性环有：
(2-6)

(2-7)

(2-8)

由(2-6)～(2-8)式联解可得:

(2-9)

其中kp，kn分别是NMOS和PMOS晶体管的跨导系数，Wi/Li表示MOS管的宽长比。若适当设计MOS管的宽长比，使其满足:
(2-10)

可以得到CMOSCCCⅡ电路X端的寄生电阻为:
(2-11)

由(2-11)可知，RX和偏置电流IB。的平方根成反比，即调节偏置电流可以调节RX。该 CMOS CCCⅡ电路能兼容于VLSI芯片工艺，具有成本低，功耗小的特点。
2.3小结
本章比较全面的归纳了电流传输器的发展历史，简单介绍了第一代电流传输器(CCI)、第二代电流传输器(CCⅡ)、第三代电流传输器(CCⅢ)的端口特性、工作原理及基本电路实现，并且比较详细的分析了第二代电流控制电流传输器(CCCⅡ)的工作原理。
3 电流传输镜的研究
3.1 电流传输器的国内外研究现状
自从加拿大学者K.C.Smith和A.Sedra于1968年提出电流传输器(Current Conveyor，简称CC)以来[4]。电流传输器被公认为具有多种功能且与运算放大器相当的一种基本电路器件。在电流传输器刚被提出时，人们还不清楚它能提供优于通用运算放大器的那些性能。加之当时电子工业刚开始致力于第一代单片运算放大器的开发和应用。由于没有明显指出其优越性，电子工业界缺乏推动实现单片电流传输器的积极性。自从20世纪40年代末起，运算放大器的概念始终牢固的树立在许多模拟市场电路设计者的思想中，同时集成电路制造商关心己经开辟且正在扩展的运算放大器市场。直到20世纪80年代末才出现了高性能的实际可用的电流传输器，它在滤波、振荡、放大等方面开始获得应用，并且可以与运算放大器相抗衡。时至今日，模拟电路的设计者们发现了电流传输器能提供若干优于通用运算放大器的优点，特别是电流传输器电路，在无论信号大小的情况下，都能比相应的运算放大器提供更大的带宽下的更高的电压增益，亦即更大的增益带宽积。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。由电流传输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移动通讯、测量领域受到重用。
电流传输器是一种功能很强的标准部件，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。电流传输器作为一种电流模式电路可以方便地实现模拟电子技术中的几种最基本信号处理功能(加减、积分等)。而且，电流传输器同时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。
第二代电流传输器(CCⅡ)以其通用性强精度高外接元件少等特点，已成为电流模式VLSI电路中最基本的单元电路之一。作为设计有源电路特别是有源滤波器的基本器件和基本积木块，第二代电流传输器得到了非常广泛的应用，许多最新研究成果均是以CCⅡ为核心展开的。国内外学者对CCⅡ电流模式信号处理电路，尤其是电流模式滤波器的应用作了大量研究。
第二代电流控制电流传输器(CCCⅡ)的提出起源于第二代电流传输器。由于第二代电流传送器X端寄生电阻的存在，使X端的电压跟随无法达到理想要求，从而对电流传送器的传递函数造成误差，给模拟集成电路设计带来了很大的不便。而CCCⅡ就是利用X端的寄生电阻受内部直流偏压控制的特性以达到电可调的特性。这样的特性使CCCⅡ跟OTA(跨导运算放大器)一样，元件本身能够产生电阻效应，使设计者在电路设计过程中减少无源元件的使用，简化电路结构。再加上X端口的输入电阻受偏置电流的控制，从而使CCCⅡ的应用延伸到电调节领域。
自从电流控制传送器(CCCⅡ)概念提出后，国内外很多专家学者对其进行了研究，利用现代集成电路技术不断改进内部电路结构，完善其传输特性，降低功耗。电流控制电流传输器(CCCⅡ)最初是由学者Alain Fabre 等人于1996年提出来的，他们利用双极型晶体管的线性互导的特性实现了电流控制电流传输器，其电路结构简单，提高了频响，降低了功耗。考虑到双极性晶体管不利于电路的集成，因此利用双极性晶体管的线性互导特性实现的电流控制电流传输器的应用受到了很大的限制。1999年，复旦大学的凌燮亭教授提出了适用于电路集成的 CMOS CCCⅡ电路，该电路利用MOS管的平方特性同样组成了CMOS的电流控制电流传输器，能够兼容VLSI芯片工艺，具有成本低，功耗小的优点[5]。2000年，学者 H.EI Ghitani提出了一种工作于2.2V电压下，利用BICMOS技术来实现的电流控制电流传输器，该CCCⅡ电路具有低工作电压、低功耗、低噪声的优点，但是在该电路中采用了一个PMOS管与一个PNP晶体管级联的结构组成了一个X端到Y端的单位增益电压放大器，由于在电路中采用了PNP晶体管，因而使得该CCCⅡ电路不利于集成[6]。2001年，F.Seguin和A.Fabre利用0.8um BiCMOS技术实现了频带宽为2GHz的CCCⅡ电路结构[7]。2002年，学者 Herve Bathekemy与 Alain Fabre提出了一种具有负内阻的CCCⅡ电路，该CCCⅡ电路的X端的受偏置电流控制的内电阻为负，具有较高的带宽、低功耗的优点，但该CCCⅡ电路是也利用双极性晶体管的线性互导来实现的[8]。同年，学者Shahram Minaei、 Deniz Kaymak等人提出了两种新的电流控制电流传输器CMOS电路结构:l)第一种电路结构是利用补偿源极跟随器来实现的，该CMOS CCCⅡ电路结构的主要优点是Y端的输入电流误差可以忽略:2)第二种电路结构是利用了共源共栅电流镜电路来实现的，该CMOS CCCⅡ电路结构主要优点是输出电导与反馈电容都比采用一般电流镜要低很多。这两种电路结构都具有好的线性度、很高的Y端输入阻抗、很高的Z端输出阻抗、良好的输入输出电流增益的优点[9]。2004年，学者 S.M.AI Shahrani和M.A.AIAbsi提出了两种新的CCCⅡ电路结构，一种是具有可变电流增益的CMOSCCCⅡ电路，另一种是具有负输入阻抗的CMOS CCCⅡ电路，这两种电路都是基于一个核心电路实现的。这个核心电路结构最初用作简单的CCⅡ一，它具有较差的X端与Y端之间的电压跟随系数缺点，但有优良的Z端与X端之间的电流跟随效应，该电路具有高带宽，较小的谐波失真等优点[10]。同年，Fabrice seguin和Balwant Godara等人利用0.8umBiCMOS技术实现了一种新的频带达到2.2GHz的第二代电流控制电流电路，该电路具有较低的谐波失真、较低的噪声、较低的偏移量等优点[11]。2005年，湖南大学的王春华教授和李劲提出了一种具有多输出端口的差分CMOSCCCⅡ电路结构，该电路具有高输入阻抗，能抑制谐波失真和共模信号等优点[12]。
3.2 新近发展中的CM技术
3.2.1 可变增益CM
在电路设计中，要求电路具有电调节和可编程能力，传统固定增益CM不满足这种要求。图3-1是可调增益CM。其中M3使其工作在欧姆区，模拟了一线性可调电阻:
(3-1)

调节控制电压，改变R，使VDS3=IOR发生变化，从而引起VGS1和VGS2发生变化，从而实现可变增益，CM的增益近似为:
(3-2)

图3-1(a)的电路其增益只能实现小于1，其次，电路结构也不对称。图3-1(b)是改进电路，它可克服上述不足，其增益按三种不同情况分别为:
I2
S3
I1
S2
S1
M
C
图3-2 电流复制单元
Ir
I0
M1
M2
M3
Vi
M1
M2
M3
M4
I0
Ir
Va
Vb
(a) 改进前
(b) 改进后
图3-1可调增益CM

当VDS4>VDS3时，增益大于1；当VDS4=VDS3时，增益小于1；当VDS4<VDS3时，增益等于1。为了提高CM的输出阻抗，图3-1的电路也可采用Cascode结构。
3.2.2 电流复制单元(CCC)
传统的CM要求MOS管精确匹配，因而将产生失配误差。Daubert等人提出采用单个晶体管的电流复制单元的新概念，克服了上述不足。图3-2是工作原理图。当开关S1，S2闭合，S3断开时，电流源馈入电流Ir给M1和电容C，电容充电使Vc保持，M1获得电流Ir。当开关S1和S2断开，S3闭合，电容电压Vc保持原来充电电压不变，并加在M1，栅极上，使Ml复制Ir电流，并输出给负载，从而完成CM电流复制功能。
e
Ir
I0
TOUT
Tin
e
e
Tdm
Tim
Cr
C0
图3-3 动态CM
3.2.3 动态CM 技术
电流复制单元获得间断的复制输出电流，并可应用于A/D和D/A转换。然而，实用动态电流镜要求连续输出电流，因而至少需要两个电流源，这可用图3-3的动态CM技术来完成。该电路工作原理类似于图3-2的电路图，但它在两时钟相期间均复制输入电流。动态CM已被应用于A/D和D/A及神经网络中。

3.2.4 开关电流镜(SICM)
M1
M2
i
J
AJ
io
I
A
S
图3-4开关电流镜
在传统的CMOS CM晶体管间加MOS时钟开关隔离，就构成了开关电流(SI)CM，如图3-4所示。其工作原理与电流复制单元和动态CM相似，所不同的是，SICM可实现比例增益镜。它与连续时间CM不同，SICM及动态CM 具有记忆电流的功能，可完成信号的延时运算，SI技术是近几年出现的一种新的模拟采样数据信号处理技术，该技术采用了数字CMOS工艺，适合于混合模数系统，其基本单元电路便是SICM。
4 CM在电流模式电路中的应用
4.1 电流模式有源器件
信号处理的基本要素是有源器件。电流模式有源器件因电流反馈带来的精度、带宽等优良的性能，近年来获得了较大的发展，其中，CM起着核心部件的作用。可以说，没有哪一种电流模式器件不使用CM技术。目前，几种常用电流模式器件包括:电压电流转换器，电流跟随器，电流传送器(CCⅡ)，电流模式跨阻放大器，运算跨导放大器(OTA)，电流模式运算放大器等。利用这些有源积木块可构成各种信号处理电路，特别是CCⅡ和OTA，近几年在连续时间电路技术领域是十分活跃的研究方向。
4.2 电流模式信号处理电路
电流模式电路是一种以电流作为信号处理有源参数或变量的电路。新近的研究表明，以电流模式有源器件为基础的电流模式电路在电路性能方面有优于电压模式电路之处。目前使用CM技术的电流模式电路包括:
i0
1
1
1
1
1
1
1
1
K
M1
M2
M3
M4
M5
i1
J
J
J
J
KJ
A
B
I2
is
图4-1 连续时间CM积分器
(a)连续时间电流模式电路
利用CM的栅极电容和MOS管跨导gm完成滤波器中的阻容时间常数，可直接用CM作为有源积木块，应用于电流模式电路设计。图4-1是由CM构成的连续时间电流差分积分器，分析可得:
I0=K(gm3/SC2)(i1-i2) (4-1)
可见，它完成了差分输入的积分器功能。利用这种积分器，可模拟LC梯型网络。

（b）SI滤波器
用开关电流镜可构成SI积分器，图4-2是第一代SI通用积分器，其电路方程为：
(4-2)

A1.1
A2.2
A3.3
BJ
J
J
io
1 : 1 : B
图4-2 第一代SI积分器

利用该通用积分器，可实现 各种形式的SI滤波器。

4.3 电流模式神经网络
神经网络是本世纪末发展最为迅速的交叉学科。用电流模式电路技术实现神经网络是近年来引人注目的研究方向。目前，电流模式神经网络技术包括:跨导一电容神经网络；SC与SI神经网络；MOS VLSI技术实现神经网络等。CM除了构成电流模式有源器件应用于神经网络实现之外，它还可直接用作阑值处理单元，用于神经信号处理运算。
4.4 电流模式数据转换
信号处理存在两种方式:模拟信号与数字信号。在许多模数混合IC系统中，这两种信号处理系统之间必须配以接口，以完成A/D和D/A功能。目前，采用CM技术的动态电流技术已用来实现A/D和D/A转换电路，几个精确的二分电路在文献中已提到过了。
4.5 CMOS CM 在差分运放电路中的应用
在测量设备中，常需要高输入电阻的集成运放，其输入电流小到10pA以下，对电流的精确度要求较高，因此多使用电流镜来提供运放的偏置电流和作为差分对管的有源负载。
图4-3 二级差分运放电路
Ui
M1
M2
M7
M4
M3
M5
M6
C1
Ir
R
Uo
M8
5V
V1
0
VDD

图4-3所示是一个两级放大电路的原理图，该原理图中的偏置电路和运放电路均含电流镜。图中的管子全部为增强型MOS管。M1、M2和M7管构成比例电流源。外接电阻R和M1管组成该差分运放的偏置电路，用于提供偏置电流I r。在已知M1 管开启电压的前提下，利用外接电阻可以求出基准电流Ir，一般Ir取值范围为20～200μA。根据M1、M2和M7管的结构尺寸，可以得到M2与M7管的漏极电流，它们为放大电路提供静态电流。该电路为两级放大电路。第一级是以P沟道管M3和M4为放大管、以N沟道管M5 和M6 构成的电流源为有源负载，采用共源形式的双端输入、单端输出差分放大电路。其输入级的有源负载使单端输出电路的动态输出电流近似等于双端输出电路时的输出动态电流。由于第二级电路从M8的栅极输入，其输入电阻非常大，因而带负载能力不高，是为高阻抗负载而设计的，适用于以场效应管为负载的电路。电容C起相位补偿作用。电流源直流电阻很小和交流电阻很大，因此被广泛应用于共射极放大器、共集电极放大器和差动放大器等电路，使得放大器每级的增益相当高，并使其它性能指标得到改善。
4.6 宽摆幅高输出阻抗恒流源偏置电路
电流源要得到较理想的输出电流，必须有性能优良的偏置电路对它进行偏置。结合共源共栅电流镜结构，设计了一个高输出摆幅、高输出阻抗恒流源偏置电路，如图4-4所示。

M1
M3