电流模式电路

电流模式电路具有频带宽、转换速率高、能量消耗低、高频性能好等优点，这些优点对VLSI模拟信号处理技术的实现具有巨大的吸引力。模拟电压模式电路技术已有几十年的发展历史，电路设计理论完备且成熟，拥有丰富的设计及应用经验。设计者可充分利用电压模式电路的成果，将经典电压模式电路直接转换成电流模式，为电流模式电路的研究提供了一种简便快捷的方法。

背景为了解决电压运放在性能和多用途方面的缺陷 ,电流模式电路设计技术应运而生。如果被处理的信号由随时间变化的电流代表 ,那么电路就称为电流模式电路。显然 ,电流模式电路具有低的输入阻抗和高的输出阻抗。同时 ,电流模式电路能形成一个被扩展的输出电流的放大器结构 ,低阻抗节点可减小整个电路的功率损耗。

为实现电流模式电路 ,一些新型放大器件应运而生 ,如跨导运算放大器 ( OT A)、电流反馈运算放大器或互阻抗运算放大器 ( CFA)、电流传输器 ( CC)。它们的共同特点是: 导致电路的带宽和增益相互独立 ,克服了电压放大器增益-带宽积的限制。1

简介用电流信号代替电压信号作为电路的操作信号可以得到更简单的电路实现。与电压信号相比，MOS晶体管更适合处理电流信号，因为在共源和共栅放大结构中的输出信号均为电流信号，而共漏放大结构由于典型CMOS管的体效应，在低供电电压情况下基本无用。除此之外，MOS电流镜式电路处理变量时比双极性电流镜式电路更精确且敏感度更低，双极性电流镜式电路的基电流限制了其精确度。因此，选择电流信号可以简化MOS晶体管电路。集成电流模式系统实现与传统的电压模式实现相比更接近晶体管级，从而得到更简单的电路结构和系统。

电压模式电路中，全电压振荡引起寄生电容充电放电过程限制了电路的工作速度并且增加了电路的能量消耗。电流模式电路虽然也无法避免电压振荡，但通常振荡点附近没有过多的寄生电容。因此，运用电流模式电路技术可得到较高的工作速度同时降低动态能量消耗。

当信号以电流形式传输时，MOS晶体管电路的电压与信号的平方根成比例。同样，在双极性晶体管电路中电压与信号的对数成比例。因此可以使电压幅值压缩并减少供电电压。电流模式电路的性能特点使其在今后的集成电路技术发展中非常有前途。

电压模式与电流模式的定义学术界对电压模式与电流模式的定义一直有不少争议，二者之间也没有明确的分界线。翻阅已发表的文献，多数研究者以电路的处理信号作为区分电压模式和电流模式的标志，处理信号是电压信号的电路为电压模式电路，处理信号是电流信号的电路为电流模式电路。以处理信号定义电压模式和电流模式并不准确，因为电路中每个节点都存在相应的电压，每条支路都有电流流过，同时指出精确的定义电压模式和电流模式没有必要，电流模式是作为一种集成模拟电路的设计技术存在而并不是一个将电路分类的工具。

发展现状自二十世纪四十年代运算放大器问世以来，基于运放的模拟电压模式电路技术已有了几十年的发展历史，电路设计理论完备且成熟，拥有丰富的设计及应用经验。而最早的电流模式有源元件的出现比运算放大器晚了二十多年，且在发展之初并没有受到很大的关注，电流模式电路的发展远远落后于电压模式。发展电压模式到电流模式电路转换技术是很有意义的，使电流模式电路的研究不必从零开始。将经典电压模式电路直接转换成电流模式，保持转换前后电路传递函数不变，基于电压模式的电路设计方法便可用于相应电流模式电路的设计，为电流模式电路的设计与应用提供了一条便捷之路。2

电流传输器电流传输器 ( Current Conveyor)是一种三端口 (近期有多于三端口 )器件 ,在很多情况下 ,与电压运放十分相似 ,如实际端口特性与理想十分接近。 因此 ,人们只要了解它的功能 ,就很容易利用这种理想的器件设计复杂的模拟电路。 电流传输器是电流模式电路中的最佳器件。

1968年 , Sedra等人就提出电流传输器 ,但由于当时人们还不十分清楚它优于电压运放的性能有哪些 ,加之电子工业刚开始致力于第一代单片电压运放的开发与应用 ,所以忽略了对它的研究。

1988年 ,英国人 Wilson在 IEEE ISCAS会议上提出了 Wilson电流镜及 Supply Current Sensing电流镜 ,人们才认识到它巨大的潜力和优越性。直到近年 ,模拟电路的设计者才发现电流传输器有许多优于电压运放的功能 ,特别是它能够提供比电压运放更大的增益 -带宽积。

本词条内容贡献者为:

孔祥杰 - 副教授 - 大连理工大学软件学院