基于DDCCTA的跨导模式PD、PI、PID控制器在闭环系统应用中的创新实现与性能优化研究

本文推荐一项创新性研究，针对传统控制器在电流模式(CM)应用中存在的组件数量多、调谐复杂及性能受限等问题，研究人员开发了一种基于差分差分电流传输跨导放大器(DDCCTA)的新型跨导模式(TAM)控制器。该设计仅使用单个有源模块配合三个电阻与接地电容，实现了PD、PI、PID控制功能的同步输出与电子调谐，并通过180 nm CMOS工艺仿真验证了其低功耗(4 mW)、高输出阻抗及良好的频率响应特性，为高性能闭环控制系统提供了紧凑、高效的解决方案。

　　

在工业自动化和精密电子系统中，控制器的性能直接决定了系统的响应速度、稳定性和精度。传统的电压模式(VM)控制器在高速、高线性度应用中存在带宽受限、功耗较高等固有局限。随着电流模式(CM)电路技术的发展，其优越的频率特性、低功耗和易集成性使其成为研究热点。然而，现有CM控制器多依赖多个有源模块和复杂的外部元件，难以同时实现比例-积分-微分(PID)控制功能的紧凑集成与独立调谐，且普遍存在输出阻抗低、难以级联等问题。因此，开发一种结构简单、性能优越且易于集成的多功能控制器成为当前研究的迫切需求。

在这一背景下，来自德里理工大学电子与通信工程系的Sweta Kumari、Deva Nand和Surya Kant研究团队在《Franklin Open》上发表了一项创新性研究，提出了一种基于差分差分电流传输跨导放大器(Differential Difference Current Conveyor Transconductance Amplifier, DDCCTA)的跨导模式(Trans-admittance Mode, TAM)控制器设计。该设计仅使用一个DDCCTA配合三个电阻和三个接地电容，即可同步产生比例-微分(PD)、比例-积分(PI)和比例-积分-微分(PID)控制输出，并支持通过偏置电流独立电子调谐控制参数，为高性能闭环控制系统提供了一种高效、紧凑的解决方案。

研究采用的关键技术方法包括：基于180 nm gpdk CMOS工艺的DDCCTA模块设计与仿真验证，使用Cadence Virtuoso仿真平台进行电路特性与性能测试；通过跨导增益(g_m)电子调谐机制实现控制参数的可重构性；利用接地电容简化集成电路(IC)实现并增强稳定性；结合二阶低通滤波器(LPF)作为控制对象构建闭环系统，验证控制器在实际应用中的性能表现。

研究结果部分，作者通过多个维度验证了所提出控制器的优越性能：

2. DDCCTA模块特性分析

研究首先介绍了DDCCTA的模块结构与端口特性，其包含高阻抗输入端子(Y₁, Y₂, Y₃)、低阻抗X端子以及高阻抗输出端子(Z₁-Z₃和O₁-O₃)。通过偏置电流I_B可电子调节跨导g_m，其关系由g_m = √(μC_OX(W/L)I_B)确定，为控制器参数调谐提供了理论基础。

3. 控制器建模与分析

3.1. PD控制器

通过理论推导得出PD控制器的传递函数为I_PD(s)/V_in(s) = g_m(R₂/R₁)(1 + sR₁C₁)，其中比例增益K_p = g_mR₂/R₁，微分时间常数T_d = R₁C₁。该结构仅需两个电阻和一个电容即可实现PD功能，且具有低灵敏度特性。

3.2. PI控制器

PI控制器的传递函数为I_PI(s)/V_in(s) = g_m(C₁/C₂)(1 + 1/(sR₁C₁))，其中积分时间常数T_i = R₁C₁。通过调节C₁/C₂比值和g_m可实现积分特性的独立控制。

3.3. PID控制器

PID控制器的传递函数展示了完整的比例-积分-微分特性：I_PID(s)/V_in(s) = g_m(R₃/R₁ + C₁/C₃)[1 + 1/(s(R₁C₃ + R₃C₁)) + s(R₁R₃C₁C₃/(R₁C₃ + R₃C₁))]。这一表达式揭示了通过简单电阻电容组合即可实现完整的PID控制功能。

3.4. 非理想效应分析

研究还深入分析了DDCCTA的非理想特性，包括电压增益(β)、电流增益(α)和跨导增益(γ)的频率依赖性，并推导了这些非理想因素对控制器性能的影响，为实际应用提供了重要的设计指导。

4. 仿真结果

仿真验证部分显示，在±0.9 V电源电压下，控制器总功耗仅为4 mW。通过调节偏置电流I_B从25μA到100μA，可实现g_m从0到1.21 mS的线性调谐。瞬态响应结果表明，PD、PI和PID控制器均能产生清晰的响应波形，且通过电子调谐可独立调整各项控制参数。温度分析表明，控制器在25°C到100°C范围内保持良好的性能稳定性。与无PID控制的系统相比，加入该控制器后，系统超调量从10%降为0%，上升时间从10.07 ns缩短到5.20 ns， settling time从49 ns减少到18 ns，显著改善了动态响应特性。

讨论与结论

研究表明，基于DDCCTA的TAM控制器设计不仅实现了PD、PI、PID功能的单片集成，还通过电子调谐机制提供了前所未有的灵活性。其高输出阻抗特性使其易于在电流模式电路中级联应用，而接地电容的使用则大大简化了IC实现过程。与现有技术相比，该设计在组件数量、功耗、性能和集成度方面均表现出显著优势。

这项研究的重要意义在于：首先，它提供了一种新型的控制器实现方法，为高性能闭环控制系统提供了紧凑、高效的解决方案；其次，通过电子调谐机制，实现了控制参数的动态重构，增强了系统的适应性和灵活性；第三，该设计与标准CMOS工艺完全兼容，便于大规模集成和应用推广；最后，研究成果在工业自动化、机器人控制、电机驱动和精密仪器等领域具有广泛的应用前景。

研究人员在结论中指出，未来研究方向包括：硬件实现与测试验证、自适应控制机制的集成、多输入多输出(MIMO)控制系统的扩展以及超低功耗设计的优化，特别是在生物医学和便携式设备中的应用探索。这项工作不仅推动了电流模式控制技术的发展，也为下一代智能控制系统的设计提供了重要的理论和实践基础。