电流模式的绝对值电路

厂＿］　垄壁　陈静秋　王百鸣　２．彭文达　（１．华中科技大学光电子科学与工程学院，湖北武汉４５００７４；１．深圳大学物理科学学院，广东深圳５１　８０６，　深圳大学信息工程学院ＥＤＡ技术中心，广东深圳５１　８０６０；３．深圳大学光电子学研究所，广东深圳５１　８０６０）　摘要：相对于电压模式，电流模式具有转换速度快，频带宽，低电压，功耗低的特点。本文利，￣０ＰＡ８６１跨导型的放大器设计一种电流　一　模式的绝对值电路，其带宽可达８ＯＭｈｚ，而延迟时间仅￣２ｎｓｖ２内。而一般的电压模式带宽只能达到２Ｍｈｚ，延迟需要ｏ．１　ｐ－以上…。　关键词：电流模式；数模转换；分级；绝对值电路；　Ａ　Ａｂｓｏｌｕｔｅ　ＶａｌＢｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｎ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｍｏｄｅ　ＣＨＥＮ　ｌｉｎｇ．ｑｉｕ　Ⅵ　ＮＧ　Ｂａｉ．ｍｉｎｇ　ＰＥＮＧ　Ｗｅｎ．ｄａ　（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４　Ｃｈｉｎａ；１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５　１　８０６０，Ｃｈｉｎａ；２　Ｔｈｅ　ＥＤＡ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５１８０６０，Ｃｈｉｎａ；３．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　５　１　８０６０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｏ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｏｄｅ．ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｖｅ　ｈｉｇｈｔ　ｃｏｎｖｅｒｔ　ｓｐｅｅｄ、ｂｒｏａｄ　ｂａｎｄ、ｌｏｗｅｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｌＯＳＳ　ｐｏｗｅｒ．Ｉｎ　ｔｈｅｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ｗｅ　ｄｅｖｉｓｅ　ａ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ａｂｓｏｌｕｔｅ　ｖａｌｕｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｙ　ｏｐａ８６　１　ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ａｍｐｌｉｆｅｒ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ’Ｓ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｃｏｍｅ　ｔｏ　８０　ｍｅｇ　Ｈｚ　ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｏｎｌｙ　２ｎｓ　ｄｅｌａｙ．ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｖｉｓｅｄ　ｂｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｏｄｅ　ｄｅｖｉｃｅ．ｉｔｓ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｉＳ　ｏｎｌｙ　２　ｍｅｇＨｚ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｄｅｌａｙ　ｔｉｍｅ　ｉＳ　ａｂｏｖｅ　０．１　ＵＳｌ１＇．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ：ＡＤＣ；Ｓｕｂｒａｎｇｉｎｇ；ａｂｓｏｌｕｔｅ　ｖａｌｕｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｌ　前言　１．１紧密的绝对值电路　所谓绝对值电路就是实现输出电压等于输入电压的绝　对值（Ｕ。：Ｆｕ，Ｉ）。绝对值电路是分级式Ａ／Ｄ转换的关键部　使用ＡＤ８００９，其小信号的带宽为ｌＧ，和差分电压放大器使用　ＬＴ１　１９３，其带宽为８０Ｍｈｚ，工作原理为：　当Ｕ　０时，ＡＤ８００９的输出端６输出电压为正值，所以　Ｄ　导通，Ｄ，截止。忽略二极管的导通电阻，假设二极管的反　向截止的电阻为无穷大，差分放大器的输入电阻为无穷　大，可以合理地忽略二极管的开启电压，所以可以得到Ｕ＋＝　＝分，其频率特性直接地影响Ａ／Ｄ的频率特性。图１是一种典　型的精密的绝对值电路。　利用电压模式的运算放大器的精密整流电路原理设计　的一种典型的精密的绝对值电路（图１．１）。　２Ｕ，　，ｕ一＝簧＝Ｕ，　。所以差分放大输出　．３　Ｕ　Ｕ　一Ｕ　２Ｕ　Ｕ　＝Ｕ　当Ｕ　ｃ０时，ＡＤ８００９的输出端６输出电压为正值，所以　Ｄ　导通，Ｄ　截止。忽略二极管的导通电阻，假设二极管的反　向截止的电阻为无穷大，差分放大器的输入电阻为无穷　大，忽略二极管的开启电压，所以可以得到Ｕ＋＝照　Ｕ　ｕ＝鱼　＝２Ｕ一所以差分放大输出　Ｉ。　Ｕ　Ｕ＋一Ｕ　Ｕ　一２Ｕ　一Ｕ　日　所以该电路可以很好的完成信号的绝对值运算。在高　频时二极管结电容的影响了阻抗的匹配，输出幅度发生了　改变。结电容在二极管正反向是大小不一致，导致Ｕ＋、Ｕ一信　号出现了相位差，再在差分放大电路的放大下，电路高频　特性下的失真也得到了放大。因此电压模式的绝对值电路　图１．１一种典型的精密绝对值电路　ｆｉｇｕｒｅ　ｌ＿ｌ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｐｒｅｃｉＳＯＩｌ　ａｂｓｏｌｕｔｅ　ｖａｌｕｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　电路主要有三部分组成：同向运算运算放大电路、二　极管整流电路、差分放大电路。在本电路中电压运算放大　收稿日期：２００７—１２—０７修回日期：２００７—１２—２６　１９　维普资讯 http://www.cqvip.com 中胃西部科技　２００８・们　在高频信号下的工作，受到了。　ｆ｛　ｒ　ｉ　ｒ０　ｏ　ｏ　１　ｆ　Ｖ　ｒ　ｆ　ｌ　ＪＶ　Ｊ　Ｌ１　０　０｝＝｛　Ｊ　ｏ　０Ｊ　ｌ　ｊ　１．２电流模式的电路和跨导线性原理　在电子电路中，尤其是在模拟电子电路中，人们长久以　来习贯于用电压而不是电流作为信号变量，并通过处理电压　ｒ？一１、　…　其中Ｉｚ＝＋ｈ，表示ＣＥＩｌ＋，Ｉｚ＝一Ｉｘ，表示ＣＣＩＩ一。ＣＣＩＩ的　Ｙ输入端口具有高输入阻抗特性（Ｍ　Ｑ级），ｘ端口电压跟随　Ｙ端口电压且输入电阻很小（＜ｉ００　Ｑ，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（Ｍ　Ｑ级）。　ＣＣＩＩ是第二代电流传输器。它具有数度快、频带宽、　输出电阻高、电源电压低，功耗低的优点。　信号来决定电路的功能。依次促成了大量的电压信号处理　电路或称为电压模式的电路的诞生和发展。随着被处理的　信号频率越来越高，电压型运算放大器固有的缺陷阻碍它　在高频高速的环境中使用。电压型运算放大器缺点之一　是，在一３ＤＢ的闭环增益带宽和闭环增益的乘积是常数，频　带向高频区扩展时，增益下降；缺点二是，它在大信号输　出电压的最高转换频率很低，一般只有０、２　一２０　。　与通常的电压模式电路相区别，所谓电流模式电路是　指电路的主要变量是以电流而不是以电压形式来表述。按　照输出信号不同的量纲的组合方式划分，可有四种基本放　大器，即电压放大器（电压输出／电压输入）、电流放大器　（电流输出／电流输入）、跨阻放大器（电压输出／电流输　入）、跨导放大器（电流输出／电压输入）。我们一般将电　流放大器、跨阻放大器、跨导放大器称为电流模式的电　路。电流模式电路技术作为一种重要的，具有很大发展潜　力的模拟信号处理技　，引起了国际学术界的极大关注，　并迅速成为国际电路与系统、微电子学、计算机科学和信　息科学等领域的前沿课题和研究热点之一。　双极性晶体管和场效应管都是跨导型放大器，以双极　性晶体管为例，集电极电流Ｉ　与基极电压Ｖ　之间的关系是：　／　』　：ｌｓｅ　ｒ　（１．２）　对１．２微分可以得到：　盟ｄ　：ｇｖ口　ｍ：　（１．３）“　式中ｇ　为跨导、Ｖ　是热电压，由１．３是可以得出ｇ　是　Ｉｃ的线性关系，进一步分析得知，在Ｉｃ的ＰＡ数量级至ＭＡ数量　级内的线性关系得以保持　ｒ。所以用跨导型放大器，信号放　大的失真度很小。　电流模式电路技术作为一种重要的，具有很大发展潜　力的模拟信号处理技¨　，引起了国际学术界的极大关注，　并迅速成为国际电路与系统、微电子学、计算机科学和信　息科学等领域的前沿课题和研究热点之一。　２　用跨导型放大器０Ｐｋ８６１构建第＝代电流传输器　Ｓｍｉｔｈ和Ｓｅｄｒａ在１９７０年通过对ＣＣＩ的特性加以改　进，提出了没有电流流入Ｙ输入端口的第二代电流传输　器。其电路符号和零极子表示法如图２．１所示，其端口特　性的混合矩阵关系式见２～１式。　＋：ＣＣＵ＋　．：ＣＣＨ．　Ｚ　ｃ＝：）【：＝＝　图２．１　Ｃｅｌｌ电路符号及零极子表示　２０　ＯＰＡ８６１是ＴＩ公司一个通用的集成电路，它广泛的应用　于宽频带的系统中，例如：高品质的视频电路、射频电路　等。它是一个由外部电流控制的宽带的、双极跨导型的放　大器。我们采用固定外部电流的方式，可以构成ＣＣＩＩ＋电流　传输器。由ＯＰＡ８６１构成的第二代电流传输器电路如图２．１。　】ｒ上　－５Ｖ　图２．１由０ＰＡ８６１构建的ＣＣＩＩ　ｆｉｇｕｒｅ　２．１　Ｓｅｃｏｎｄ—ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｂｙ　ｏｐａ８６１　３　电流模式的绝对值电路及其工作原理　由ＣＣＩＩ＋构成的折叠电路示意图如图３．１所示，其主要　结构有两个ＣＣＩＩ＋模块和四个二极管组成。　图３．１电流模式的绝对值电路　电路构成ＣＣＩＩ＋电路，工作的原理是：ＣＣＩＩ＋端口传输特　性，我们知道ｖＪ跟随Ｖ　，由电路图分析可知：Ｖ　＝Ｖ　（信号　源的电压），Ｖｘ２＝０。由其电流传输特性可知：　＝　　。：　（３．１）　由３．１式可以得知，理论上无论负载Ｒ，怎么改变，输出　的电流不会改变。假设Ｕｉ　）０时，流过Ｒ。的电流的方向和　Ｉ　和Ｉ　。如图３．１所示，则二极管Ｄ　导通，Ｄ　截止，此时：　Ｕｏｏ￣＝Ｉｚ，Ｒ　（３．２）　维普资讯 http://www.cqvip.com ｒ＿］　由３．１式和３．２式可以知道：　＝窒　势。　簧ｕ　（３．３）　（３、４）　５　结论　本文利用跨导型电流模式集成放大器ＯＰＡ８６１构建的绝　对值放大器在高频领域内有很好的表现，体现了电流模式　电路速度快，频率高，失真小的特点。　当Ｒ．＝Ｒ　时，　Ｕ　＝Ｉｖ．Ｊ　当ｕ。）０Ｎ，流过Ｒ　的电流的方向和Ｉ　和Ｉ　如图３．１所示　的相反的方向，则二极管Ｄ。导通，Ｄ　截止。　当Ｒ．＝Ｒ　时，　Ｕ　，＝　Ｊ　（３．５）　由３．４式和３．５式可以得出，无论ｕ　的正负，Ｕｏｕｔ都等　于　Ｊ。所以该电路可以完成参考电压等于零的折叠功能。　４　仿真实验结果及结果分析　在ｐｓｐｉｃｅ上我们按图３．１电路连接，取电源电压为－＋５Ｖ，　Ｒ　＝Ｒ　，取信号源电压为０．５Ｖ，频率为５０Ｍｈｚ，仿真结果如图　４】　０．５　Ｕ（ｖ｝　／．　０　５　１　：Ｉ　　１５　＼．／／２ｏ　Ｔ（ｎｓ　　／＼　＼　／　－Ｏ．Ｓ　图４．１电流模式中绝对值仿真结果　对Ｕｏｕｔ进行中心频率为ｌＯＯＭｈｚ，分析到第九次谐波，其　总的谐波失真度Ｄ＝６．５５４７％，相位延迟小于２ｎｓ。结果非常理　想。　对比电压模式的绝对值电路（图１．１），我们信号源的　幅度０．５ｖ，频率为ｌＯＭｈｚ的仿真结果如图４．２。频率和幅度完　全失真。　Ｉｎ～／、Ｌ　＼　图４．２电压模式绝对值电路仿真结果　ｆｉｇｕｒｅ　４．１　Ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ａｂｓｏｌｕｔｅ　ｖａｌｕｅ　ｉｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｍｏｄｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ．　对比图４．１和图４．２不难看出电流模式在高频领域的优　进一步的分析表明，该电路主要有以下几个方面的特　点：　其一，该电路是用电流而不是电压作为信号变量。　该电路使用的是跨导型的放大器，由于所有的晶体管　和场效应管都是跨导型的结构，减少了电压模式需要将输　出电流转化为电压的过程，起而代之是直接输出电流，因　此转换时问会减少。　另外，由电路的理论我们知道，理论上电容对电流没　有延迟效应，后级整流的二极管结电容对电流信号的延迟　为零，输出的电流可以直接相加，相对于电压模式，电流　模式结构也简单得多，输出的信号延迟自然减少，频带也　可以拓宽，失真也少。　其二，电路中采用跨导型放大器：　由跨导线性理论我们知道ｇ　是Ｉｏ的线性关系，Ｉ　的ＰＡ数　量级至ＭＡ数量级内的线性关系得以保持。所以用跨导型放　大器，信号放大的失真度可以有很好的表现。　其三，该电路在仿真过程中，存在Ｖ　跟随Ｖ　的幅度上存　在误差，其原因待进一步分析。　参考文献：　［１］赵玉山，周跃庆等．电流模式的电子电路［Ｍ］．天津：天津大　学出版社，２００１。　［２］薛天字，孟庆昌，华正权．模数转换器应用技术［Ｍ］．北京：科　学出版社，２００１、（ＡＤＩ产品应用技术丛书／高光天主编）．３６—３８．　［３］Ｔｏｕｍａｚｏｕ　Ｃ，Ｌ　ｉｄｇｅｙ　Ｆ　Ｊ，Ｗ　ｉｌｓｏｎ　Ｂ．ｅｔ　ａ１．Ｓｐｅｃｉａｌ　ｉｓｓｕｅｓ　ｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ—ｍｏｄｅ　ａｎａｌｏｇｕｅ　Ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．　ＩＥＥＰ　ｒｏｃ．一Ｇ，１９９０，１３７（２）：６１～１８４．　［４］Ｔｏｕｍａｚｏｕ　Ｃ，Ｌｉｄｇｅｙ　Ｆ　Ｊ，Ｈａｉｇｈ　Ｄ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．Ａ　ｎａｌｏｇｕｅ　ＩＣ　ｄｅｓ　ｉｇｎ：Ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ—ｍｏｄｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｐｅｔｅｒ　Ｐｅｒｅｇｒｉｎｕｓ　Ｌ　ｔｄ．１９９０．　［５］Ｔｏｕｍａｚｏｕ　Ｃ，Ｈｕｇｈｅｓ　Ｊ　Ｂ，Ｂａｔ　ｔｅｒｓｂｙ　Ｎ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ｓｗｉｔｃｈｅｄ—　ｃｕｒｒｅｎｔｓ：　ａｎ　ａｎａｌｏｇｕｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｐｅｔｅｒ　Ｐｅｒｅｇｒｉｎｕｓ　Ｌｔｄ．１９９３．　［６］高燕梅，房蔓楠．Ｓｐｉｃｅ／ＰＳｐｉｃｅ编程技术［Ｍ］．北京：电子工业　出版社，２００２　［７］（美）Ｄａｖｉｄ　Ｃｏｍｅｒ，（美）Ｄｏｎａｌｄ　Ｃｏｍｅｒ著：王华奎等译．电子电　路设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４　［８］童诗白，华成英．模拟电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出版　社，２００１　［９］ＯＰＡ８６１ＤａｔａＳｈｅｅｔ：ｗｗｗ．ｔ　ｉ．ｃｏｍ　２１