電流模式與電壓模式電路探析

曹新亮，樊延虎，雷文禮

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000)

在“模擬電子電路”課程中，采用電壓作為信號變量，并通過處理電壓信號來決定功能的電路，此稱電壓模式電路。近年來，以電流為信號變量的電路在信號處理中的優(yōu)勢逐漸被認(rèn)識，促成了電流模式電路的發(fā)展［1］。

電流模式電路是以電流作為變量來分析和定標(biāo)的。它與傳統(tǒng)的電壓模式電路相比具有以下突出特點(diǎn):①頻帶寬，速度高，可以突破電壓模式電路中增益帶寬積為常數(shù)的限制，從而容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶與高增益的特性;②電流模式采用的匹配技術(shù)在電路結(jié)構(gòu)上精確對稱，因此可抵消IC 自身的非線性，不需采用負(fù)反饋就能對信號實(shí)現(xiàn)線性處理;③由于采用跨導(dǎo)線性環(huán)路，這種電路結(jié)構(gòu)變得簡單;④在低電壓供電時，電流模式電路可以獲得很寬的動態(tài)范圍。

然而，具體的電路總是通過電壓和電流相互作用來實(shí)現(xiàn)各種功能。面向不同的應(yīng)用場合，出現(xiàn)了電流模式電路與電壓模式電路并行發(fā)展的格局。

我們在教學(xué)過程中認(rèn)識到，幫助學(xué)生深入了解兩種模式電路實(shí)質(zhì)及其相互轉(zhuǎn)換機(jī)理，是正確設(shè)計(jì)和選用不同模式電路的前提。

1 電流模式與電壓模式

1.1 恒流源和恒壓源

判斷一個實(shí)際直流電源是恒流源還是恒壓源，并沒有絕對的標(biāo)準(zhǔn)與界限，而是根據(jù)電源的內(nèi)阻與負(fù)載電阻的相對比值來決定采用哪種理想電源近似更為合理。

圖1所示為一種實(shí)際電源電路。圖中VS為實(shí)際電源，RS為實(shí)際電源的內(nèi)阻，RL是負(fù)載，IO與VO分別為電源輸出端的電流和電壓。

圖1 實(shí)際電壓源電路

根據(jù)歐姆定律得

當(dāng)RSRL時，IO=VS/(RS+RL)≈VS/RS，認(rèn)為實(shí)際電源可以近似為恒流源;當(dāng)RLRS時，VO=RLVS/(RS+RL)≈VS，可把實(shí)際電源近似為恒壓源。

可見，對實(shí)際電源的理想等效形式是由實(shí)際電源的內(nèi)因和外因共同決定的。

1.2 運(yùn)放分類的依據(jù)

通常，集成運(yùn)算放大器分為電壓放大器、電流放大器、跨阻放大器和跨導(dǎo)放大器四種類型，分類標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)自身輸入、輸出阻抗的相對大小來區(qū)別和命名的［2］。

圖2為集成運(yùn)算放大器OA 的端口簡圖。其中，Ri為OA 的輸入阻抗、RO為OA 的輸出阻抗;RS為信號源的內(nèi)阻或前級放大電路的輸出阻抗;RL為負(fù)載阻抗或者后級放大電路的輸出阻抗。

圖2 集成運(yùn)算放大器的端口簡圖

當(dāng)滿足RiRS且RLRO時，輸入和輸出都表現(xiàn)為電壓，信號的傳遞關(guān)系為電壓放大倍數(shù)，放大器輸出可等效為電壓控制的電壓源VCVS，此類OA 稱為電壓運(yùn)算放大器;當(dāng)RiRS且RLRO，輸入和輸出都表現(xiàn)為電流，信號的傳遞關(guān)系為電流放大倍數(shù)，輸出端口的等效源就是電流控制電流源CCCS，此類OA 稱為電流放大器;當(dāng)RiRS且RLRO，輸入表現(xiàn)為電流和輸出表現(xiàn)為電壓，信號的傳遞關(guān)系為跨阻，輸出端口的等效源就是電流控制電壓源CCVS，此類OA 稱為跨阻放大器;當(dāng)RiRS且RLRO，則輸入表現(xiàn)為電壓和輸出表現(xiàn)為電流，信號的傳遞關(guān)系為跨導(dǎo)，輸出端口等效為電壓控制電流源VCCS，此類OA 稱為跨導(dǎo)放大器OTA。

2 兩種模式區(qū)別與聯(lián)系

2.1 兩種電路的區(qū)別

電流模式與電壓模式電路主要表現(xiàn)在輸入和輸出變量的差別上，電路的功能決定著電路的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)以放大器電路為例，電壓模式和電流模式放大器電路的結(jié)構(gòu)迥然不同，如圖3所示。放大信號的機(jī)理也有明顯的區(qū)別［3］。

圖3 電壓模式和電流模式放大器電路

通過對圖3兩種放大電路進(jìn)行分析，分別得出各自參量傳遞關(guān)系，有

式中，gm為電壓放大器中晶體管的跨導(dǎo)。

這兩種電路分別工作于電壓模式和電流模式，輸出變量受輸入變量控制?？梢岳肰CVS 和CCCS 來等效輸出變量受輸入變量控制關(guān)系。

盡管兩個放大器的電壓和電流存在著相互作用，但由于信號載體不同，它們的作用也不同。在電壓放大器中，信號表現(xiàn)為電壓的變化，漏極電流起中介作用。而在電流放大器中，信號表現(xiàn)為電流變化，柵源電壓起中介作用。

2.2 兩種電路的轉(zhuǎn)換

電流模式與電壓模式電路結(jié)構(gòu)上具有互易性［4］，可以通過伴隨網(wǎng)絡(luò)將電壓模式電路轉(zhuǎn)換為電流模式電路，從而簡化了電流模式電路的設(shè)計(jì)。對任意網(wǎng)絡(luò)N 可以實(shí)現(xiàn)一個伴隨網(wǎng)絡(luò)Na。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)N的激勵和響應(yīng)互換時，以網(wǎng)絡(luò)Na 代替網(wǎng)絡(luò)N，可以保持其傳輸函數(shù)不變，即Vi/VO=ii/iO，如圖4所示。

我們稱網(wǎng)絡(luò)Na 和網(wǎng)絡(luò)N 是彼此互易的，它們的重要特性是兩者的元件具有相同的靈敏度，并且可以是兩個不同的網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成伴隨網(wǎng)絡(luò)中的電路元件與原網(wǎng)絡(luò)中的電路元件有一一對應(yīng)關(guān)系。

圖4 網(wǎng)絡(luò)及其伴隨網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖5(a)為由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓模式電路。圖5(b)是由第二代電流傳輸器CCII 構(gòu)成的電流模式電路，它們均可構(gòu)成Sallen-key 二階濾波器電路。

圖5 互易對應(yīng)關(guān)系的兩種模式電路

對于圖5(a)電壓模式電路，利用深度負(fù)反饋形成運(yùn)算放大器正負(fù)輸入端虛短路特性，得到電壓傳輸函數(shù)為

對于圖5(b)電流模式電路，根據(jù)CCII 型的輸入輸出端口特性關(guān)系:

可以列寫電路方程解得電流傳輸函數(shù)為

由式(4)和上式可見，電壓模式和電流模式Sallen-key 二階濾波器電路具有相同的傳輸函數(shù)。

3 總結(jié)

比較法是人們認(rèn)識事物的基本方法之一。本文從電源談起，通過對比的方法闡述了電壓模電路與電流模電路的區(qū)別與聯(lián)系，有利于幫助學(xué)生理解兩種模式電路本質(zhì)在于輸入/輸出阻抗大小的區(qū)別上，這對學(xué)會正確選用電路和獨(dú)立設(shè)計(jì)電路均有一定的指導(dǎo)作用。

［1］ 王衛(wèi)東. 現(xiàn)代模擬集成電路原理及應(yīng)用［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2008

［2］ 劉廣孚. 單管放大電路輸出電阻教學(xué)方法探討［J］. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(01):111 ～112

［3］ 董在望，李冬梅，王志華 等. 高等模擬集成電路［J］. 北京:清華大學(xué)出版社，2006

［4］ 田社平，陳洪亮，張峰. 互易電路回路矩陣和節(jié)點(diǎn)矩陣的對稱性［J］. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(01):22-23