电流模电路是一种以电流为基本信号载体进行处理、传输和运算的模拟集成电路设计方法。与传统的电压模电路不同，电流模电路强调利用电流节点、电流复制、电流加法和电流放大等特性，在高频、低功耗和高线性度应用中展现出显著优势。
主要特点：
- 信号表示方式：信息由电流大小表示（I ∝ 信号）。
- 高速性能：由于电流信号响应快、压摆率高，适合宽带应用。
- 低功耗潜力：可在低压下工作，尤其适用于深亚微米CMOS工艺。
- 良好的级联能力：电流输出天然具有低输出阻抗或高输出阻抗匹配特性，便于模块连接。
- 对寄生电容不敏感：电流传输不受节点电容充放电速度限制，提升频率响应。
- 易于实现非线性函数：如指数、对数、乘法器等可通过BJT或MOS管的I-V特性实现。
常见电流模有源器件：
| 器件 | 功能简介 |
|---|---|
| OTA（Operational Transconductance Amplifier） | 将输入电压转换为输出电流，用于可编程增益、滤波器 |
| CCII（Second Generation Current Conveyor） | 具有X、Y、Z端口，实现电流传递与电压缓冲，广泛用于滤波和振荡器 |
| CFA（Current Feedback Amplifier） | 高带宽、高slew rate，适用于高速放大器 |
| Current Mirror（电流镜） | 复制或缩放电流，是偏置和信号处理的基础单元 |
| CDBA（Current Differencing Buffered Amplifier） | 差分电流输入，电压输出，用于新型模拟功能电路 |
典型应用领域：
- 高速数据转换器（如电流舵DAC）
- 连续时间滤波器（Gm-C滤波器）
- 模拟神经网络与脉冲神经元电路
- 射频前端与通信系统
- 传感器接口电路（尤其是电流输出型传感器）
# 示例：理想CCII+行为建模（Python仿真示意）
class CCII:
def __init__(self):
pass
def operate(self, I_y, V_x):
"""
理想CCII操作：
- Y端口：输入电压 V_y = V_x（电压跟随）
- X端口：输入电流 I_x = I_y（电流复制到X）
- Z端口：输出电流 I_z = I_x（方向取决于CCII极性）
"""
V_y = V_x # Y端电压等于X端电压
I_x = I_y # 输入电流从Y流入，X流出相同电流
I_z = I_x # Z端输出该电流（假设为正向CCII）
return I_z, V_y
# 使用示例
ccii = CCII()
input_current = 20e-6 # 20 μA 输入电流
input_voltage = 0.7 # 0.7 V 参考电压
output_current, mirrored_voltage = ccii.operate(input_current, input_voltage)
print(f"CCII输出电流: {output_current*1e6:.1f} μA")
print(f"Y端复制电压: {mirrored_voltage:.2f} V")
使用第二代电流传送器（CCII）构建二阶电流模滤波器是一种经典的模拟电路设计方法，尤其适用于实现高精度、高频响应的连续时间滤波功能。CCII具有良好的电流传输和电压缓冲能力，适合构建无源元件少、易于集成的有源滤波器。
一、CCII的基本特性
以正向CCII（CCII+）为例：
- Y端口：输入电压，V_Y = V_X（电压跟随）
- X端口：输入/输出电流，I_X = I_Y（电流复制到X节点）
- Z端口：高阻抗电流输出端，I_Z = I_X
即：Y端“感知”电压，X端“传递”电流，Z端“输出”电流。
二、基于CCII的二阶电流模低通滤波器设计（示例）
目标：实现一个二阶低通滤波器
传递函数形式：
H(s)=Iout(s)Iin(s)=ω02s2+s⋅ω0Q+ω02
H(s) = \frac{I_{out}(s)}{I_{in}(s)} = \frac{\omega_0^2}{s^2 + s\cdot\frac{\omega_0}{Q} + \omega_0^2}
H(s)=Iin(s)Iout(s)=s2+s⋅Qω0+ω02ω02
电路结构（常用双CCII + 两电容结构）：
I_in ──┬───→ Y1 (CCII1)
│
C1
│
├───→ X1 → Z1 ──┐
│ │
GND C2
│
X2 ←── Z2 ←──┐
│ │
CCII2 R (可选用于转压)
│
GND
V_X1 = 0 (接地)，所以 V_Y1 = 0 → 虚地
I_X1 = I_in （来自Y端电流）
Z1 输出电流给 C2 充电 → 形成积分作用
C2 上电压反馈到 CCII2 的 Y2 端 → V_Y2 = V_C2
CCII2 的 X2 接地 → V_X2 = 0 → 所以 V_Y2 = V_X2 = 0？ ❌ 不合理！
修正思路：采用浮地或负反馈配置。
✅ 正确经典结构：使用两个CCII和两个电容实现二阶低通
改进型：Kerwin-Huelsman-Newcomb (KHN) 类似结构的电流模实现
但更常见的是使用 跨导-C（Gm-C）思想结合CCII 或 电流模式双积分反馈结构。
✅ 实用示例：基于双CCII与双电容的二阶低通滤波器
电路连接方式：
I_in ───→ Y1 (CCII1)
│
X1 ──→ I1
│
Z1 ──┬──→ C1 ─→ GND
│
└──→ C2 ─→ GND
│
X2 ←── Z2 ←──┐
│ │
CCII2│
│ │
Y2───┘
│
GND
关键连接说明：
- CCII1: X1 接地 ⇒ V_X1 = 0 ⇒ Y1 也为虚地 ⇒ 可接受电流输入 I_in
- Z1 输出电流同时对 C1 和 C2 充电
- C1 上电压 V_C1 连接到 CCII2 的 Y2 端
- CCII2: X2 接地 ⇒ V_X2 = 0 ⇒ 所以 V_Y2 = V_X2 = 0？ ❌ 再次冲突！
⚠️ 问题根源：若 X 接地，则 Y 必须等于 X 电压 → 强制 Y 接地，无法接收信号。
✅ 解决方案：使用浮点电压或反馈路径构造积分器
✅ 成熟方案：电流模双二次滤波器（Biquad）使用两个CCII和两个电容
参考文献中典型结构如下（简化版）：
使用两个CCII和两个电容实现通用二阶滤波器
+---------+
I_in ─────→| CCII1 |<───┐
| | │
+---------+ │
Z1 ────┬───→ C1 ─→ GND
│
C2 ─→ GND
│
┌─────────X2
│ |
│ CCII2
│ |
└←────── Y2
↑
V_out?（非直接）
实际上输出取自 Z1 或通过额外转换。
更好的方式是引入 电流积分器概念。
✅ 推荐结构：基于CCII的电流积分器构建二阶滤波器
第一步：构建电流积分器
利用 CCII + 电容 构成电流积分器：
I_in ───→ Y1 (CCII1)
│
X1 (接地) → V_X1 = 0 ⇒ V_Y1 = 0（虚地）
│
Z1 ───→ C ───→ GND
=> I_C = I_Z1 = I_in
=> dV_C/dt = I_in / C
=> V_C(t) = (1/C)∫I_in dt
此时 V_C 出现在电容两端，可作为中间变量。
将此 V_C 接入另一个 CCII 的 Y 端，用于生成反馈电流。
二阶低通滤波器结构（举例）：
I_in ───→ Y1 (CCII1)
│
X1 (GND)
│
Z1 ───┬──→ C1 ─→ GND → 节点 A: V_A = (1/C1)∫I_in dt
│
└──→ C2 ─→ GND
│
X2 ←── Z2 ←──┐
│ │
CCII2 │
│ │
Y2────┘
│
GND
❌ 错误：Y2 接 GND ⇒ V_Y2 = 0 ⇒ V_X2 = 0 ⇒ 正确，但 Z2 输出什么？
改进：让第一个积分器的电压驱动第二个 CCII 来产生反馈。
✅ 正确设计示例：双积分反馈结构（MCCII-based Biquad）
使用两个 正向CCII（CCII+） 和两个电容：
I_in ──→ Y1 (CCII1)
│
X1 (接 C1 上端)
│
Z1 ──→ C1 ─→ GND
V1 (C1上电压) ──→ Y2 (CCII2)
│
X2 (接地)
│
Z2 ──→ C2 ─→ GND
V2 (C2上电压) ──→ Y3 (CCII3?) ... 复杂化
为简化，实际常用 单输出二阶节 如下：
✅ 最简实用结构（文献常用）—— 二阶低通电流模滤波器
使用 两个CCII+ 和两个电容，实现低通响应：
+------------------+
| CCII1 |
I_in ─────>| Y |
| Z |───────→ I_int ──┐
| X |<───────────────┤
+------------------+ │
C1
│
GND
I_int ──→ Y2 (CCII2)
│
X2 (GND)
│
Z2 ───→ C2 ─→ GND
输出电流 I_out = I_Z2，其行为满足：
d²I_out/dt² + (1/(R_eq C)) dI_out/dt + ω₀² I_out = K·I_in
→ 经拉普拉斯变换得标准二阶系统。
虽然严格推导需建立状态方程，但在理想条件下，这种级联积分结构可逼近二阶低通。
Python仿真示意（理想积分器模型）
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 模拟二阶电流模滤波器响应（理想双积分器）
def second_order_lowpass_current_mode(I_in_t, C1=1e-9, C2=1e-9, t_max=1e-6, steps=1000):
dt = t_max / steps
time = np.linspace(0, t_max, steps)
I_in = np.array([I_in_t] * steps) # 恒定输入电流测试
V_c1 = 0
I_c2 = 0
V_c2 = 0
v_c1_list = []
i_c2_list = []
for i in range(steps):
# 第一级积分：I_in 对 C1 积分 → V_c1
V_c1 += (I_in[i] / C1) * dt
# 第二级：V_c1 控制后续电流（假设线性关系或用电压控制电流源）
# 简化：令 I_c2 = g * V_c1 （如通过OTA）
g = 2e-3 # 假设跨导
I_c2 = g * V_c1
V_c2 += (I_c2 / C2) * dt
v_c1_list.append(V_c1)
i_c2_list.append(I_c2)
return time, np.array(v_c1_list), np.array(i_c2_list)
# 仿真运行
t, v1, i2 = second_order_lowpass_current_mode(50e-6)
plt.plot(t*1e6, i2*1e6)
plt.title("Simulated 2nd-Order Current-Mode Filter Output Current")
plt.xlabel("Time (μs)")
plt.ylabel("Output Current (μA)")
plt.grid(True)
plt.show()
总结
使用 CCII 构建二阶电流模滤波器的关键在于：
- 利用 CCII + 电容 构成 电流积分器；
- 采用 多级积分反馈结构（如双积分器反馈）；
- 合理设置偏置和接地关系，避免端口冲突；
- 输出通常为电流信号，便于级联。
此类滤波器广泛应用于 Gm-C 滤波器、连续时间滤波器和通信前端 IC 中。
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