第八章电流模电路基础 §81电流模( current mode)电路的一般概念 §8.2跨导线性(T)的基木概念 §83由算路树成的电路模电路 返回
第八章 电流模电路基础 §8.1 电流模(current Mode)电路的一般概念 §8.2 跨导线性（TL）的基本概念 §8.3由TL环路构成的电路模电路 返回
§8.1电流模( current Mode)电路的一般概念 概述 什么是电流模电路?电流模电路就是能够有成效地传送,放大 和处理电流信号的电路。在电流模电路中,以电流作为变量分析 和标定电路。与此相对应的电压模电路,则是偏重传送,放大和 处理电压信号的电路并以电压为变量来分析和标定电路。电流模 的理论和技术,近年来发展的很快。它主要的特点是具有高速的 传输特点和非常小的失真。电流模技术已成为模拟集成电路的重 要基础。 目前,电流模电路引起关注的重要原因,是它在以下两方面对传统的电路观 念进行挑战。第一,传统的观念认为,闭环增益提高,必定导致带宽宿小。然而, 用电流模电路实现的电压放大器,其带宽几乎与闭环增益无关。所以,在电流模 领域,可以突破增益带宽积为常数的限制,而且使増益带宽积随闭环増益成线性 增大。第二,在电流模领域,多采用匹配( match)技术,在电路结构上尽量对 称,其结果是将非线性失真,线性失真以及温标等绝大部分相互对消,使得输出 与输入做到极大的逼近。用匹配技术所取得的保真度比用反馈还要高,这是迄今 为止,对反馈技术的最大挑战。 本章将对电流模电路的特点,常用的电流模单元电路分别进行讨论。 返回
§8.1 电流模(current Mode)电路的一般概念 一、 概述 什么是电流模电路？电流模电路就是能够有成效地传送，放大 和处理电流信号的电路。在电流模电路中，以电流作为变量分析 和标定电路。与此相对应的电压模电路，则是偏重传送，放大和 处理电压信号的电路并以电压为变量来分析和标定电路。电流模 的理论和技术，近年来发展的很快。它主要的特点是具有高速的 传输特点和非常小的失真。电流模技术已成为模拟集成电路的重 要基础。 目前，电流模电路引起关注的重要原因，是它在以下两方面对传统的电路观 念进行挑战。第一,传统的观念认为，闭环增益提高，必定导致带宽宿小。然而， 用电流模电路实现的电压放大器，其带宽几乎与闭环增益无关。所以，在电流模 领域，可以突破增益带宽积为常数的限制，而且使增益带宽积随闭环增益成线性 增大。第二，在电流模领域，多采用匹配（match）技术，在电路结构上尽量对 称，其结果是将非线性失真，线性失真以及温标等绝大部分相互对消，使得输出 与输入做到极大的逼近。用匹配技术所取得的保真度比用反馈还要高，这是迄今 为止，对反馈技术的最大挑战。 本章将对电流模电路的特点，常用的电流模单元电路分别进行讨论。 返回
二、电流模电路的特点 长期以来,人们已经习惯对电压信号的处理,然而却忽视了对电流信号的 处理。在实际中,许多器件都具有电流传输的功能,如BT和FET的输出信号 就是一个电流量。所以在对信号处理时,不一定非要把它转换成电压不可。对 于这些器件,采用电流模的处理方法,更为简单方便。电流模与电压模电路的 主要区别在于输入与输出阻抗上。首先,回顾一下,一个理想的电压放大器, 要求其输入阻抗为无穷大,其输出电阻为零。这种要求有利于电压信号传输。 对于理想的电流放大器,其输入阻抗为零,而输出阻抗为无穷大,只有这样, 才有利于电流信号的传输。此外,电流模电路还有如下特点: 1频带宽,速度高 在电流模电路中,因为无需考虑电压摆幅的大小,可以将管子的极间电容(结 电容cC,)处在低阻抗的节点上,使其上限频率非常高,几乎与f相近。共基 电路就是一个明显的例子,它的输入阻抗很低,输出阻抗很高,非常接近电流 放大器(a=1),其短路电流放大系数的上限频率为fa,其原因非常明显,因 输出端(C极)短路时,二个结电容,C都处在低阻抗节点上,相应的时间 常数很小,其上限频率就很高。由于,结电容处在低阻节点上,即使注入的电 流在大范围变化,结电容两端的电压变化仍然很小,因此,结电容从一个电平 过渡到另一个电平所需时间很短,从而提高了瞬态响应速度 进一步的分析会看到,一个基本电流镜,其电流传输的上限频率约为fr/2 而一个精度较高的啊 ilson电流镜,其传输的上限频率可达fr。这些都充分的显 示了电流模电路在带宽方面的优势
二、电流模电路的特点 长期以来，人们已经习惯对电压信号的处理，然而却忽视了对电流信号的 处理。在实际中，许多器件都具有电流传输的功能，如 BJT 和 FET 的输出信号 就是一个电流量。所以在对信号处理时，不一定非要把它转换成电压不可。对 于这些器件，采用电流模的处理方法，更为简单方便。电流模与电压模电路的 主要区别在于输入与输出阻抗上。首先，回顾一下，一个理想的电压放大器， 要求其输入阻抗为无穷大，其输出电阻为零。这种要求有利于电压信号传输。 对于理想的电流放大器，其输入阻抗为零，而输出阻抗为无穷大，只有这样， 才有利于电流信号的传输。此外，电流模电路还有如下特点： 1 频带宽，速度高 在电流模电路中，因为无需考虑电压摆幅的大小，可以将管子的极间电容（结 电容Cb'e , Cb'c ）处在低阻抗的节点上，使其上限频率非常高，几乎与 fT 相近。共基 电路就是一个明显的例子，它的输入阻抗很低，输出阻抗很高，非常接近电流 放大器（ α=1），其短路电流放大系数的上限频率为 fα，其原因非常明显，因 输出端（C 极）短路时，二个结电容Cb'e ， , Cb'c 都处在低阻抗节点上，相应的时间 常数很小，其上限频率就很高。由于，结电容处在低阻节点上，即使注入的电 流在大范围变化，结电容两端的电压变化仍然很小，因此，结电容从一个电平 过渡到另一个电平所需时间很短，从而提高了瞬态响应速度。 进一步的分析会看到，一个基本电流镜，其电流传输的上限频率约为 fT /2， 而一个精度较高的 Wilson 电流镜，其传输的上限频率可达 fT。这些都充分的显 示了电流模电路在带宽方面的优势
2非线性失真小 在电流模电路中,因成功地采用了匹配( match)技术,在满足电流传输的基 本要求下,尽量使电路对称。即使是大信号时,电路也有较高的匹配精度,使得 晶体管的非线性互相对消,其结果非线性失真大为减少。 3采用跨导线性原理简化电路运算 跨导线性( Translinear)原理是描写在一个电路中,一旦出现跨导线性环路, 则环路中各晶体管的电流存在着一种约束关系。利用这种约束关系,可将复杂电路 的计算变的很简单,而且这一原理将适用于线性或非线性电路,即小信号和大信号 都可适用。 4动态范围大 输入信号的最小值受噪声的限制,对于电压和电流都是如此。输出信号的最 大值,对于电压模电路受限于电源电压,而对电流模电路受限于管子或电源的 容量。在这方面,电流模电路并未占优势。然而,在要求低电源电压供电时, 电流电路的最大输出电流,可以只受管子的限制,只要管子能给出大电流,其 动态范围可以很宽,这就显出很大的优势
2 非线性失真小 在电流模电路中，因成功地采用了匹配（match）技术，在满足电流传输的基 本要求下，尽量使电路对称。即使是大信号时，电路也有较高的匹配精度，使得 晶体管的非线性互相对消，其结果非线性失真大为减少。 3 采用跨导线性原理简化电路运算 跨导线性（Translinear）原理是描写在一个电路中，一旦出现跨导线性环路， 则环路中各晶体管的电流存在着一种约束关系。利用这种约束关系，可将复杂电路 的计算变的很简单，而且这一原理将适用于线性或非线性电路，即小信号和大信号 都可适用。 4 动态范围大 输入信号的最小值受噪声的限制，对于电压和电流都是如此。输出信号的最 大值，对于电压模电路受限于电源电压，而对电流模电路受限于管子或电源的 容量。在这方面，电流模电路并未占优势。然而，在要求低电源电压供电时， 电流电路的最大输出电流，可以只受管子的限制，只要管子能给出大电流，其 动态范围可以很宽，这就显出很大的优势
§8.2跨导线性(TL)的基本概念 跨导线性原理是B. Gilbert提出的,这个原理可以简化非线性电路的计算,它即适 用于小信号,又适用于大信号。尤其在一个较大规模的电路中,只要存在“跨导线性 环”,就会使电路计算大大简化。在电流模电路中,因为多施用“匹配”技术,几乎 到处都可以找到“跨导线性环” 1跨导线性环( Translinear loop) 由正偏的发射结或二级管组成的闭合环路,其中顺时针方向的正偏结数等于反时 针方向的正偏结数,这种环路称为跨导线性环,如图7-1-1所示,其中图(a)是由双 极型管组成的跨导线性环,图()是由二极管组成的跨导线性环。实际中,在由TL 环(回路)构成的各种功能的线性和非线性电流模电路中,必须遵循两个基本原则, 即TL回路必须满足两个条件: (1)在TL回路中必须有偶数个(至少两个)正偏发射结 (2)顺时针方向(CW)排列的正偏结数与反时针方向(CCW)排列的正偏结数目 必须相等。 TL环 02 VC3
TL环 I1 I I 2 3 I4 Ic1 Ic2 Ic3 Ic4 §8.2 跨导线性（TL）的基本概念 跨导线性原理是 B.Gilbert 提出的，这个原理可以简化非线性电路的计算，它即适 用于小信号，又适用于大信号。尤其在一个较大规模的电路中，只要存在“跨导线性 环”，就会使电路计算大大简化。在电流模电路中，因为多施用“匹配”技术，几乎 到处都可以找到“跨导线性环” 1 跨导线性环(Translinear loop) 由正偏的发射结或二级管组成的闭合环路，其中顺时针方向的正偏结数等于反时 针方向的正偏结数，这种环路称为跨导线性环，如图 7-1-1 所示，其中图(a)是由双 极型管组成的跨导线性环，图(b)是由二极管组成的跨导线性环。实际中，在由 TL 环（回路）构成的各种功能的线性和非线性电流模电路中，必须遵循两个基本原则， 即 TL 回路必须满足两个条件： （1） 在 TL 回路中必须有偶数个（至少两个）正偏发射结 （2） 顺时针方向（CW）排列的正偏结数与反时针方向（CCW）排列的正偏结数目 必须相等
2跨导线性原理 利用图可推导出环中各晶 体管电流间的约束关系,因 为跨导线性环中的各BJT管 T2 必须处于正偏放大区,所以 BE 环中第j个晶体管的电流传 03 输方程可表示为: I·exp(.) 其中Vr=kT/q 上式也可写成VB= V. In (7-1-1) 这是环中第j个晶体管正偏发射结的电压表达式,那么沿环一周各正偏结 的电压之和应为零,既有 ∑ 6= (7-1-2) 将式(7-1-1)代入(7-1-2),可有∑vrmn=0 因为在环内,顺时针方向(cW)的正偏结数必定等于反时针方向(CCW) 的正偏结数,则有 ∑vmn=∑
2 跨导线性原理 利用图可推导出环中各晶 体管电流间的约束关系，因 为跨导线性环中的各 BJT 管 必须处于正偏放大区，所以 环中第 j 个晶体管的电流传 输方程可表示为： ) V V I I exp( T BEj cj sj = 其中 VT =kT/q 上式也可写成 s j Cj BEj T I I V = V l n (7-1-1) 这是环中第 j 个晶体管正偏发射结的电压表达式，那么沿环一周各正偏结 的电压之和应为零，既有 VBE = = n j 1 VBEj 0 （7-1-2） 将式（7-1-1）代入（7-1-2），可有 = = n j 1 s j cj T 0 I I V l n 因为在环内，顺时针方向（CW）的正偏结数必定等于反时针方向（CCW） 的正偏结数，则有 = ccw sj cj T sj cj cw T I I V ln I I V ln
2跨导线性原理 ∑ ∑ Vr In 利用对数的性质 T2 g (7-1-3) CCH 由于在TL环路中发射结反向 饱含电流I;与发射结的面 积成正比,在TL环路的制 造工艺中可控制发射区的几 何尺寸来实现所需的发射区 面积之比。因此上式中的Is可表示为:14J5 或中,A3是第j个结的发射区面积,J是由几何尺寸决定的发射结反向饱含电流密度。 由式(713)可导出有用的理论公式∏工 (7-1-4) 上式中—恰好是发射极电流密度,于是就能以最简明紧凑的形 式来表达回路原理Js=IJ(7=1-5 c
2 跨导线性原理 = ccw sj cj T sj cj cw T I I V ln I I V ln 利用对数的性质 = cw ccw sj Cj sj cj I I I I （7-1-3） 由于在 TL 环路中发射结反向 饱含电流 Isj 与发射结的面 积成正比，在 TL 环路的制 造工艺中可控制发射区的几 何尺寸来实现所需的发射区 面积之比。因此上式中的 Isj 可表示为： Isj =Aj .Jsj 或中，Aj是第j 个结的发射区面积，Jsj是由几何尺寸决定的发射结反向饱含电流密度。 由式（7-1-3）可导出有用的理论公式 = cw ccw j Cj j cj A I A I (7-1-4) 上式中 j cj A I 恰好是发射极电流密度，于是就能以最简明紧凑的形 式来表达 TL 回路原理 = cw ccw J cj J cj (7-1-5)
2跨导线性原理 当考虑T环路中发射区面积之比时,式(7-1-4)和(7-1-5)可分别表示为 Ⅱ=1Ⅱ∴I=xII CCw 式中λ为发射区面积比例系数:=4①4;称为发射结面积因子 CCw 另外在TL环路的设计和制造工艺中,发射结面积因子A应尽可能接近1, 但这并不要求所有发射结面积都相等。实际上各管的发射结面积可以为不同 数值,但=14①4的值必须尽可能保证为1 CH CCw 若λ不能保证为1,则发射区面积之比的误差,就等效为结电压 lB的失调。这就会引起集成电路芯片内的热梯度,导致VB失调的 温度漂移。分析指出,在TL环路中,只有在使λ精确为1时,才能 使所描述的电路具有高精度和高的温度稳定性。 最后陈述跨导线性环原理如下:在含有偶数个正偏发射结, 且顺时针方向结的数目与反时针方向结的数目相等的闭环回路中, 顺时针方向发射极电流密度之积等于反时针方向发射极电流密度 之积
2 跨导线性原理 当考虑 TL 环路中发射区面积之比时，式（7-1-4）和（7-1-5）可分别表示为 = cj ccw j cj cw j I ) A 1 I ) ( A 1 ( cw = ccw cj cj I I 式中λ为发射区面积比例系数： = ccw j cw Aj / A ；称为发射结面积因子 另外在 TL 环路的设计和制造工艺中，发射结面积因子λ应尽可能接近 1， 但这并不要求所有发射结面积都相等。实际上各管的发射结面积可以为不同 数值，但 = ccw j c w Aj / A 的值必须尽可能保证为 1 若λ不能保证为 1，则发射区面积之比的误差，就等效为结电压 VBE 的失调。这就会引起集成电路芯片内的热梯度，导致 VB E 失调的 温度漂移。分析指出，在 TL 环路中，只有在使λ精确为 1 时，才能 使所描述的电路具有高精度和高的温度稳定性。 最后陈述跨导线性环原理如下：在含有偶数个正偏发射结， 且顺时针方向结的数目与反时针方向结的数目相等的闭环回路中， 顺时针方向发射极电流密度之积等于反时针方向发射极电流密度 之积
2跨导线性原理 +ucc +ycc 例8-1电路如图7-1-2所示,设 晶体管的参数相同,均处在放大区,且 (t L (t) 有I>>IB1,Ib>IB4,试利用跨导线性原理, 推导出I。ut(t)/Iin(t)的关系式 T4 解:图中T1,T2,T3,T4的发射结1 构成一个跨导线性环,如虚线所示,其 中顺时针方向的晶体管为T3,T4反时针 方向的为T1,T2。根据跨导线性原理可有 ln·le=le·1 又:1 图7.1.2例7-1电路图 而=I(t)l=omt(t) 则有 out b 这个电路是增益可控的电流镜电路,其电流传输比为,设定Ia与I为不 同的量值就可改变电流镜的增益
2 跨导线性原理 例 8 - 1 电路如图 7 - 1 - 2 所示，设 晶体管的参数相同，均处在放大区，且 有 I a >>I B 1 , Ib >>IB 4 ,试利用跨导线性原理, 推导出 Iout (t)/Ii n (t)的关系式。 解：图中 T1，T2，T3，T4的发射结 构成一个跨导线性环，如虚线所示，其 中顺时针方向的晶体管为 T3，T4，反时针 方向的为 T1，T2。根据跨导线性原理可有 图7.1.2 例7-1电路图 T1 T2 T3 T4 Iin（ t） Iout（t） I B 1 IB 4 IC1 ·IC2 =IC3 ·IC4 又∵IC2≈Ia ，IC3≈Ib 而 IC1 =Iin（t）， IC4 =Iout（t） 则有 ( ) ( ) b a c3 c2 i n out I I I I I t I t = = 这个电路是增益可控的电流镜电路，其电流传输比为 b a I I ，设定 Ia 与 Ib 为不 同的量值就可改变电流镜的增益
2跨导线性原理 例8-2电路如图7-1-3所示,假设全部管子匹配,且处在放大区,试利用跨导 线性原理,列出I。ut(t)的表达式。 解:图中四只晶体管的正偏发射结 构成跨导线性环,T3,T4为顺时针方向 Lut(t) T1,T2为反时针方向, T3 T1 有I=Ie=Iin(t) I。,I=Iout(t 根据跨导线性原理可得: c2 有Imn(t)=1o·m(t 图7.1.3 例7.2的电路 (t) out 这是实现平方运算的基本环
2 跨导线性原理 例 8-2 电路如图7-1-3 所示，假设全部管子匹配，且处在放大区，试利用跨导 线性原理，列出 I out (t)的表达式。 图7.1.3 例7.2的电路 Iin（t） Iout（t） 解：图中四只晶体管的正偏发射结 构成跨导线性环，T3 ，T4 为顺时针方向， T1 ，T2为反时针方向， ∵有IC1 =IC2 =Iin(t) IC3 =I0 , IC4 =Iout(t) 根据跨导线性原理可得： Ic1 ·IC2 =IC3 ·IC4 ∴ 有 I (t ) I I (t ) 0 out 2 in = ∴ 0 2 in out I I (t ) I (t ) = 这是实现平方运算的基本环。 Io