电流差分缓冲放大器CDBA及其应用改.docx

分 数 : 任课教师签字： 华北电力大学研究生结课作业学 年 学 期：2011-2012学年课 程 名 称：电网络分析理论学 生 姓 名：王雨，陈逸昕学 号： 21122131722112213174提 交 时 间：电流差分缓冲放大器 CDBA 及其应用摘要本文对电流差分缓冲放大器 CDBA 及其现有的应用做了一个归纳具体而言，首先简 单介绍了 CDBA的提出原因、研究意义、实现方式以及其应用的发展现状；进而研究CDBA 及其改进型的端口特性（理想特性、实际特性、病态元件模型）；然后在端口特性的基础上， 提出应用三种常用的网络分析方法（改进节点法、状态变量法、伴随网络法）来分析含CDBA 的网络并列写网络方程时的一些总结性规律；最后用表格形式概括了一些用CDBA实现的 简单应用电路，并对CDBA构成的振荡器作了简单的分析关键词：CDBA；改进型CDBA；网络分析方法；振荡器目录摘要 I第 1 章 绪论 11.1模拟集成放大器CDBA的提出与研究意义 11.2 CDBA的电路框图和组合器件实现方式 11.2.1CDBA的电路符号 11.2.2 CDBA的组合器件实现方式 21.3 CDBA集成电路的实现方式 31.4 CDBA的应用的发展现状 4第2章 模拟集成放大器CDBA及其改进型的端口特性分析 62.1 CDBA的端口特性 62.1.1 CDBA的理想端口特性 62.1.2 CDBA的实际端口特性 62.1.3 CDBA的病态元件模型 62.2 CDBA改进型的CCCDBA的模型和端口特性 72.2.1 CCCDBA的理想端口特性 72.2.2 CCCDBA的病态元件模型 72.3 CDBA 的另一改进型 DO-CCCDBA 8第3章含CDBA网络的分析 103.1采用改进节点法对含CDBA网络的分析 103.2采用状态变量法对含CDBA网络的分析 123.3采用伴随网络法对含CDBA网络的分析 14第4章 电流差分缓冲放大器CDBA的应用 164.1 CDBA的应用概述 164.2模拟集成放大器CDBA在振荡器中的应用 17第 5 章 总结 20参考文献 21第1 章 绪论1.1模拟集成放大器CDBA的提出与研究意义1999 年 Cevdet Acar 和 Serdar Ozoguz 首次提出了用两个已经商用的电流模式标准模块CFA （电流反馈放大器）组成一个四端电流差分缓冲放大器CDBA的电路模型⑷，虽然端口 性能基本满足理论分析，却不便于大规模集成，不适用于集成电路工艺。

由于针对模拟集成 CDBA的研究受到各国学者的重视，又加上现代集成电路技术发展使电流模式电路集成化, 标准化成为趋势，因此各种针对集成化CDBA的电路不断被提出其中S. Ozogu等首次提 出一种 CMOS集成工艺 CDBA［7］随后S. Maheshwari等提出了 BJT型CDBA，M. Siripnlchyanun提出了基于BiCMOS的CDBA，近年来CDBA向着可电控，全集成的方向发 展，提出CDBA均是可电控，全集成型CDBAI1】CDBA综合了第二代电流传输器（CCII）和电流反馈放大器（CFA）的优点，既能用 于电流模式电路又能用于电压模式电路，其输入端口的差分式输入能抑制偶次谐波干扰和共 模干扰，拓宽信号的动态范围因而CDBA非常适合电流模式方式以及连续时间滤波器的 设计，构成的滤波器具有良好的失真特性是一个比CCII和CFA更灵活，更通用的积木块⑵ 1.2 CDBA的电路框图和组合器件实现方式1.2.1CDBA 的电路符号CDBA是一种四端口有源器件，图1.1为CDBA的电路符号，图1.2为CDBA等效电 路图p端和n端为两个差分电流输入端；z端为差分电流输出端；w为电压输出跟随端。

p、 n 端具有低输入阻抗， z 端有高输出阻抗， w 端有低输出阻抗［4］ uw+ uz++uwuz图 1.2 CDBA 的等效电路图1.2.2 CDBA的组合器件实现方式CDBA的实现方式有组合器件和集成电路两种Cevdet Acar, Serdar Ozoguz首次提出 的CDBA就是采用两个AD844型电流反馈运算放大器CFA组合而成，结构简单，容易实 现且 AD844 已经实现商用另外 CDBA 除了可用 CFA 组合实现外,还可用电流传输器 （CCII）、电压跟踪器（VF）、电流跟踪器（CF）、电流反相器（CI）等组合实现［5］而 本文选择了用两个AD844（CFA）实现CDBA的方式，现分析如下：1．CFA 的端口特性电流反馈运算放大器（curfent Feedback Operational Amplifier，简称CFA）又称跨阻运 算放大器，与传统的电压模式运算放大器，即电压反馈运算放大器（ Voltage Feedback Operational Amplifier，简称VFA）相比，它具有完全不同的拓扑结构和工作原理，是集成 运算放大器的新成果 CFA 具有极佳的动态特性，它线性地处理大幅度，高频率信号的能 力远优于传统的VFA,而且，CFA没有“增益-带宽积为常数”的限制⑴。

图1.3给出了 CFA 的代表符号wunupu z图 1.3 CFA 电路符号CFA的端口特性如如下矩阵表示:u「1 0 0_unpi=0 0 0upzi0 0 1inzn输入输出关系：u 二 u 二 zi 二 zi2.用两个AD844型CFA组合CDBA的电路如图1.4所示图 1.4 CFA 实现 CDBA根据电路图和CFA的端口特性分析由两个CFA组合成的CDBA的端口特性如下:i = iz1 pi = i - i = i - in 2 n z1 n pi = -i = i - iz n 2 p nu = uwz整理方程后便可得出CDBA的端口特性矩阵如下:izuw=upun010000001000-1000uziwipin1.3 CDBA集成电路的实现方式器件组合方式实现 CDBA 虽然结构简单，容易实现，容易完成要求不高的实验及一般 应用但是这样结构的 CDBA 端口寄生参数大，并不能实现端口输入电压接近为零，且不 容易集成，因此它很快就会被下面介绍的集成电路的实现方式所取代CDBA 集成电路的实现方式主要有以下三种方式:1. CMOS晶体管实现CDBA电路2000 年 Cevdet Acar，Serdar Ozoguo 提出了一种新的 CMOS 型 CDBA 电路实现方式。

它由 DCCCS(Differencing current controlled current source)与电压缓冲放大器组成的 CDBA 此电路有很大的缺陷，即CDBA仅在1 MHz的范围满足端口特性，且由于其n端和p端的 寄生电阻使n端和p端电压并不为0存在一定的跟踪误差2. 双极型晶体管(BJT)实现CDBA电路双极型晶体管具有高频特性好，线性度高，高速度与极低的高频噪声，在早期的集成电 路工艺中主要是以BJT为主，形成了一系列工艺成熟的BJT集成电路，而且很多在实验条 件无法达到流片的情况下用BJT构成分立元件验证电路也是一种非常重要的研究方法3. BiCMOS工艺实现CDBA电路BiCMOS 工艺综合了 CMOS 工艺的高跨导，低电压，低功耗，低噪声，高集成度和 BJT 工艺的高速度，高线性，非常适合设计高性能电路，但BiCMOS工艺成本也非常高综合比较三种实现方式后可知，采用双极型晶体管（BJT）实现CDBA较其它两种实现 方式性价比更高，因此BJT型CDBA研究就更具有实际意义图1.5所示为BJT型CDBA， 主要由电流减法器与电压缓冲放大器构成晶体管Q2. Q5, Q13构成一个单位电流增益单 元， Q5 的发射极电流被复制到 Q13 的发射极。

Q6．Q9， Q12 构成另外一个单位电流增益 单元，Q9的发射极电流同样被复制到Q12的发射极，因此Z端电流就是Q12的集电极电流 减去Q13的集电极电流，实现电流相减，Q14. Q17构成电压缓冲放大器，把z端的电压传图 1.5 BJT 集成实现 CDBA 的电路1.4 CDBA的应用的发展现状到目前为止，各国的学者们提出了大量的电流模式有源器件：第二代电流传输器（CC II）、电流反馈放大器（CFOA）、电可调电流传输器（ECCII）、差分电压电流传输器（DVCC）、 差分差动电流传输器（DDCC）、第三代电流传输器（CCIII）、双输出（OTA）、四端子 浮地零子（FTF N）等，它们都有各自存在的优点，并在模拟滤波器设计领域发挥了很重要 的作用1999年Cevdet Acar和Serdar Ozoguz首次提出了用两个电流反馈放大器（CFA）组 成的一个四端电流差分缓冲放大器CDBA的电路模型随后各国学者纷纷提出各种类型的 CDBA:由标准模块构成的CDBA，BJT型的CDBA，COMS型的CDBA，BiCMOS型的 CDBA随着CDBA的发展出现了全集成、可电控的CCCDBA，多输出的DO-CDBA，数 控CDBA,工作电压在士 0.7V左右的低电压，低功耗CDBA,工作电压在士 0.75V的高性 能CDBA,上述CDBA或多或少都存在着一些不足，有些性能好但不能电控，有的可电控 但不方便大规模集成；有的可大规模集成、低功耗、高性能但电控难以实现，必须严格的工 艺参数匹配才能实现电控。

与此同时在2003年Dalibor Biolek在基于CDBA的基础上提出了 CDTA，它是四端口 的电流输入电压输出器件它是CDBA和OTA的综合体，比较适合设计梯形模拟滤波器， CDTA在某些领域有着重要的作用，特别是在混合模式滤波器的设计，随着集成电路技术的 发展，出现许多高性能的CDTA及其应用，它和CDBA在某些应用领域有着各自的优势： CDBA适合设计电流模式模拟电感，振荡器，各种滤波器等，CDTA适合设计电压/混合模 式高阶梯形滤波器自从CDBA被提出之后，新一代全集成，可电控的CDBA不断出现，由新型CDBA构 成的应用电路不断见诸于各种文献由于其优良的端口特性和共模抑制能力被广泛应用于各 种应用电路，像振荡器，积分器，模拟有源电感，比例积分-微分PID控制器，乘法/除法器 等其中，CDBA最重要的应用就是设计模拟连续时间滤波器，许多学者针对CDBA提出 各式各样的滤波器，有单输入单输出的滤波器，有只针对某一滤波功能的滤波器，有能实现 多功能的滤波函数滤波器，有高阶滤波器，有通用滤波器，他们在滤波器各项性能指标如输 入信号动态范围、功能、容易集成度、幅频特性、相频特性、处理信号带宽、有源无源灵敏 度、线性度、阻抗水平、复杂度、电可调谐性能等具有各自的优点，也存在很多值得改进的 地方［1，7，8］。

第 2 章 模拟集成放大器 CDBA 及其改进型的端口特性分析2.1 CDBA的端口特性2.1.1 CDBA 的理想端口特性CDBA 的理想端口特性可以用端口矩阵表示如式（2-1）由传输矩阵可知，在 z 端可得到 p 端和 n 端输入电流的差分，因此我们把 z 端叫做电流 差分输出端，p端称作正向输入端，n端称作反向输入端。