电流传输器的应用研究进展

李永安，王二宝，郭 飞，吴继侠，吴迎春

（咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000）

近三十年以来，随着便携式电源供电设备的大量涌现，努力降低电子电路的供电电压，以便使电路在低压条件下运行，已成为电路设计者的重要目标。业已证明，电流模式电路具有较大的动态范围，较高的信号带宽，较宽的线性范围，较简单的电路结构和较低的功率消耗。与电压模式电路相比，电流模式电路非常适宜这个需求。电流模式电路的研究已吸引了许多研究者的注意，至今仍是研究的热点问题之一。在众多的电流模式器件中，电流传输器是最理想、最基本和最强大的有源器件之一。基于此，本文主要讨论电流传输器及其应用的研究与进展。

1 基本电流传输器

1.1 第一代电流传输器

1968 年，加拿大多伦多大学的Smith 和Sedra 教授提出了第一代电流传输器（First Generation Current Conveyor，CCI）[1]。这是一个三端口器件，它有两种不同的形式，其符号如图1所示，其端口关系为

图1 2种CC元件的符号

式（3）取“+”号表示CCI+；反之，表示CCI-。这个器件的优点是X 端输入电阻为零，缺点是Y 端要索取电流，输入电阻不是无穷大，因此实用性不强。

1.2 第二代电流传输器

为了增强CCI的通用型，1970年，Smith和Sedra教授提出了第二代电流传输器（Second Generation Current Conveyor，CCII）的概念及其等效电路模型[2]。1999年，经过Soliman和Awad教授发展[3]，现在CCII共有4 种类型，分别是CCII+、CCII-、反相CCII+（Inverting CCII+，ICCII+）和反相CCII-（Inverting CCII-，ICCII-）。图2 给出了4 种CCII 元件的符号，其端口关系为

图2 4种CCII元件的符号

式（5）取“+”号代表的是CCII+或CCII-，取“-”号代表的是ICCII+或ICCII-；式（6）取“+”号代表CCII+或ICCII+，取“-”号代表的是CCII-或ICCII-。

由于CCII 的Y 输入端“虚断”，Z 端输出端阻抗为无穷大，因此CCII是一个相对理想的、基本的新型有源器件，它优于CCI。此后，许多学者又把CCII元件用于回转器、振荡器等设计[4-8]，效果良好。

2 改进型电流传输器

2.1 电流控制传输器

1996年，法国学者Fabre首次提出电流控制传输器（Current-Controlled Conveyor，CCCII）的概念及其等效电路模型，并将CCCII元件用于滤波器的设计[9]。CCCII 共有4 种类型，分别是CCCII+、CCCII-、ICCCII+和ICCCII-。图3 给出了四种CCCII 元件的符号，图4是它们的四种等效电路，图5是CCCII+元件的一种BJT实现。CCCII的端口关系为

图3 4种CCCII元件的符号

图4 4种CCCII元件的等效电路

图5 CCCII+元件的一种BJT实现

式（7）取“-”号代表的是CCCII+或CCCII-，取“+”号代表的是ICCCII+或ICCCII-；式（9）取“+”号代表CCCII+或ICCCII+，取“-”号代表的是CCCII-或ICCCII-。

由于CCCII 的输入电导可线性电控，其Y 输入端“虚断”，Z 端输出端阻抗为无穷大，因此CCCII 是一个相对理想的、参数可调的、基本的新型有源器件，它优于CCII，更优于运算跨导放大器（Operational Tranconductance Amplifier，OTA），因为前者的参数不可电控调节，后者无电流输入端，因而使用不便。此后，Fabre 等人又把CCCII 元件用于回转器、振荡器、滤波器的设计[10-13]，也得到了满意的效果。

2.2 附加X电流控制传输器

2017 年，印度学者Maheshwari 和Agrawal 提出了一个附加X 的CCCII（Extra X CCCII，EXCCCII），并把它应用在求和器、阻抗变换器、滤波器和振荡器的设计[14-20]。这个EXCCCII 的两X 输入端的寄生电阻受偏置电流控制，因此使用比CCCII 更加灵活。众所周知，CCCII 共有4 种类型，因此EXCCCII 将有6 种形式，分别是附加X 双正输出CCCII（Extra X dual-positive output CCCII，EXDOCCCII+），附加X 双负输出CCCII（Extra X dual-negative output CCCII，EXDOCCCII-），附加X平衡输出CCCII（Extra X balance output CCCII，EXBOCCCII），附加X 双正输出反相CCCII（Extra X dual-positive output inverting CCCII，EXDOICCCII+），附加X 双负输出反相CCCII（Extra X dual-negative output inverting CCCII，EXDOICCCII-），附加X 平衡输出反相CCCII（Extra X balance output inverting CCCII，EXBOICCCII）。图6 是他们的符号，端口关系如下

图6 EXCCCII的符号

式（10）和式（11）取“+”号代表的是EXICCCII，取“-”号代表的是EXCCCII；式（13）和（14）取“+”号代表EXDOCCCII+或EXDOICCCII+，取“-”号代表的是EXDOCCCII-或EXDOICCCII-；式（13）取“+”号而式（14）取“-”号，则代表EXBOCCCII 或EXBOICCCII。

对于采用双极型技术的EXCCCII，如图7所示，X1和X2端的寄生电导可以表示为

图7 EXDOCCCII+元件的一种BJT实现

对于采用CMOS 型技术的EXCCCII，X1和X2端的寄生电导可以表示为

采用CMOS 技术实现DXCCCII，技术实现容易，功耗低，热稳定性好，但是偏置电流不能线性控制寄生电导。反之，采用双极型技术实现DXCCCII，技术实现相对麻烦，功耗较高，热稳定性较差，但是偏置电流能线性控制寄生电导，更容易控制电路。两种方法各有特点。为了更容易实现电路电控，采用双极型技术的DXCCCII 来分析和设计相关电路可能更可取。

2.3 电流控制的电流传输跨导放大器

电流控制的电流传输跨导放大器（Current-Controlled Current Conveyor Transconductance Amplifier，CCCCTA）实质上是一个CCCII和一个OTA的级联[21]，它有4种形式，其端口关系为

式（18）取“+”号表示CCCCTA+或CCCCTA-，而取“-”号表示反相CCCCTA+（Inverting CCCTA+，ICCCCTA+）或ICCCCTA-。式（19）中“+”号表示CCCCTA+或ICCCCTA+，而“-”号表示CCCCTA-或ICCCCTA-。可控参数有2个，分别是前级的X寄生电导和后级的跨导。对于采用双极型技术的CCCCTA，两参数可以表示为因此器件的两参数均受偏置电流线性控制，在设计电路时有更多的自由度。

2.4 差分电压输入CCCII

差分电压输入CCCII（Differential Voltage Current-Controlled Conveyor，DVCCCII），实质上是一个位于高阻抗端的电压减法器和一个CCCII的结合[21]，该器件有两个Y 输入端，X 端的电压与Y1和Y2端的电压差有关，其端口关系为

与前述类似，RX是X端的寄生电阻。器件的主要优点是能够消除Y1和Y2端的共模信号，线性范围和动态范围也得到了改善。

此外，还有全差分式电流控制电流传输器（Fully Differential Current-Controlled Conveyor，FDCCCII）、数字可控电流控制传输器（Digitally Controlled Current-Controlled Conveyor，DCCCCII）、电压求和电流控制传输器（Voltage Summing Current-Controlled Conveyor，VSCCCII）、电流差分电流控制传输器（Current Differencing Current Controlled Conveyor，CDCCCII）等等[21-25]，限于篇幅，不再赘述。

3 基于CCCII的电路综合方法

文献的调查研究发现，有关CCCII 应用电路的设计方法缺乏系统性，有的设计基于信号流图法，有的设计使用MASON 公式，还有设计使用电路的状态矩阵。所有这些设计方法只能设计出一个相关电路，而不能得到更多的电路，因而无法从中选择最优电路。因此，在基于CCCII 的有源模拟电路的设计中，根据系统方法得到系列新颖电路是一个值得研究的重要课题。

2006 年，英国的Haigh 教授基于任意元素理论和元素漂移理论以及矩阵元素的初等变换，提出了一种系统设计线性有源电路的新方法，这种方法被称为导纳矩阵扩展法[26-29]。该方法的核心是电路矩阵的端口等效变换，目标是将基本电路端口导纳矩阵等效变换为节电导纳矩阵，最后用奇异元件实现。它主要包括轴向扩展法（Pivotal Expansion）和高斯删除法（Gaussian Elimination），轴向扩展法主要用来设计电路，高斯删除法更擅长于分析。该方法已被广泛使用在CCII电流模式滤波器及振荡器的分析与设计方面。事实表明，作为设计，与传统设计法相比，该方法的最大特点是能同时给出所有满足设计要求的系列电路，通过比较，最终找到最优电路；作为分析，与传统分析法相比，该方法的最大特点是能考虑器件的非理想因素（主要是寄生元件），利用高斯删除，非常简便地将节点导纳矩阵简化为端口导纳矩阵，从而简化了分析过程。2009 年，埃及的Soliman教授根据轴向扩展法，利用任意元素理论、元素漂移理论导出了括号符号法（Bracket Notation）。该方法把矩阵元素的初等变换与增加奇异元件对应，使得轴向扩展法图形化，因而使得电路设计更形象、更简单，这种方法被成功地应用在电流传输器及反相电流传输器上，在国际权威学术期刊上发表了相关研究结果，引起了学术界高度重视。因此导纳矩阵扩展法是系统设计电流模式电路的最优方法，值得引起基础电路理论的相关研究者注意。这样的一个最优综合方法，由Soliman教授等人将其应用在CCII、OTA 和电压差分跨导放大器（voltage differencing transconductance amplifier，VDTA）上[30-36]，李永安等人还把它应用在电流控制电流差分跨导放大器（Current-Controlled Current Differencing Transconductance Amplifier，CCCDTA）[37]、CCCCTA[38-39]、CCCII[40-44]，取得了较好的结果。导纳矩阵扩展法的主要步骤如下：

（1）从基本电路的端口导纳矩阵出发，通过添加空白行和列（空白行、列对应于电路内部的新节点）。

（2）使用零子、任意子、电流镜和电压镜的各种组合进行导纳矩阵扩展，使有关电导移至合适位置，最终得到电路的节点导纳矩阵。

（3）用CCCII 综合出系列可电控的CCCII 应用电路，具体过程如下如图8所示。

图8 CCCII应用电路的综合过程

4 结语

尽管CCII 性能不及改进型的CCCII，但是CCII有商用的芯片，它就是AD844的前半部分，而CCCII至今没有商用芯片问世；CCCII 的X 端输入电阻有限，因而不是一个理想的电流模式器件；CCCII的寄生电导尽管可由偏置电流控制，但这个电导对温度非常敏感，尽管有改进措施，但是方法较复杂。尽管利用导纳矩阵扩展法，可系统综合基于CCCII 的应用电路，然而，这个方法仅限于原始电压模电路中的电容为接地或虚地电容，若为浮地电容，如何综合还未见报道。另外，导纳矩阵扩展法如何用于EXCCCII 电路的综合，仅文献[43]作了有益的尝试。所有这些问题都需要进一步研究。