原创 一种差分压控电流源的设计

许多电子和通信设备总是需要使用压控电流源(VCCS)和乘法器。在Gilbert Cell等电路中使用的乘法器可以产生与两个电压之积成比例的输出，但是在科学研究以及商业应用中，却一直存在如何实现单端乘法器的输出与两对电压差的乘积成正比的难题。下面介绍的电路提供了一种简单且廉价的方案。
为实现差分压控电流源(DVCCS)，必须考虑从线性压控电阻器(VCR)走线出来的设计元件。图1是一个线性压控电阻的简化电路，电阻值的正负的正负取决于施加在MOSFET栅极上电压VG1和VG2。假设两个MOSFET的特性相同，则输入端(V1)的等效电阻(REQ)为：

REQ=V1/i1=[K(VG1-VG2)]-1 (1)

其中，K=µsCOX(W/L)，W/L为高度和宽度之比，µs为电子迁移率，COX为栅极氧化物电容。这些结果是根据三极管工作区ID与VDS的关系而得到的。

式1表明等效电阻与两个电压的差成反比，我们可以利用这个特性来实现DVCCS。使这两个MOSFET不接地、交换M2和CCII(+)的位置并对电路稍做修改，就可以得到一个新的电路：DVCCS或二象限乘法器。

图2是按照上述设计原理实现的电路。该电路包含两个MOSFET和CCII(+)和CCI(-)两个电流传输器。MOSFET的三极管工作区中的电流iD1和iD2分别为：

iD1=K[(V4-V2-VTH)-((V1-V2)/2)](V1- V2) (2)

iD2=K[(V3-V2-VTH)-((V1-V2)/2)](V1-V2) (3)

假设电流传输器是理想的，即对于CCI(+)，有IX=IZ、IX=IY、VX=VY；对于CCI(-)，有IX=-IZ、IX=IY、VX=VY，则电流i2和i0分别为：

i2=iD2- iD1 (4)

i0=-i2 (5)

通过对式(2)到式(5)进行换算，可以导出输出端的电流：

i0=K[(V1-V2)(V3-V4)] (6)

在这四个电压中，如果有三个电压保持不变，则输出电流将与第4个电压成比例，从而实现一个传统的VCCS。如果所有四个电压都是变化的，则可得到一个差分VCCS，即输出电流与任意两个电压差都成正比。

另外，还可以把这种DVCCS看作二象限乘法器，它的输出电流与两个电压的积成比例。因为V3和V4被加到MOSFET的栅极上，所以它们的值必须始终为正。此外，改变差分电压的大小可以控制输出电流的方向。

该电路利用了MOSFET的优良特性，包括低功耗、高输入阻抗以及低制造成本(通过提高单元密度)，并且完全消除了非线性的平方特性。这样，这种DVCCS就成为外部呈线性、内部呈非线性(ELIN)的电路。

从图2可看出，所有电压的输入端都呈高输入阻抗。另外，由于输出电流通过电流传输器的Z端子，所以电路的电流输出具有低内阻特性。很显然，这个已实现了的VCCS的特性近似理想VCCS的特性。

据作者所知，至今还未出现把差分电压转换成单端电流的商业IC。如果以IC形式实现，该电路只需要7个接线端：4个电压输入、一个电流输出和两个电源端口。

这种差分VCCS可以应用于AGC放大器、幅度调制器、双边带调制器和检测器、单边带调制器和检测器、AM检测器、倍频器、平方电路、除法器、平方根电路、均方根测量电路、微辐射显示器、温度控制器和远程误差传感器等电路中。