CN101964659B - 电压电流转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电压-电流转换器，包含：一超级源跟随器及一电流镜像电路，其利用超级源跟随器结合电流镜像电路降低输出电阻，并通过电流镜像电路将电流反馈至超级源跟随器以稳定超级源跟随器，实现电压-电流转换器输出端的低阻抗，从而可以得到很高的电源抑制比，对电源噪声有很好的抑制作用。采用本发明的电压-电流转换器，可以省略传统结构需要的外部低压降稳压器电路，节省大量面积，并能够达到较好的对电源噪声抑制效果，改善PLL的抖动。

Description

电压电流转换器
技术领域
本发明关于一种电压-电流转换器，特别是关于一种用于压控振荡器的电压-电流转换器。
背景技术
众所周知，在现有技术中，电压-电流转换器用于将输入电压转换为与之成比例的输出电流。例如，在锁相环电路中的压控振荡器(一般简写为VCO)中通常都会用到电压-电流转换器。
图1为一种经常用于压控振荡器的电压-电流转换器的电路结构图。如图1所示，传统的电压-电流转换器主要通过一个N型MOS晶体管和一电流镜来实现电压到电流的转换，其包含一电流镜10以及一N型MOS晶体管M8，电流镜10由P型MOS晶体管(P1、P2)组成，根据其工作原理，传统电压-电流转换器的输出电流I2＝I1，其中I1为N型MOS晶体管M8的漏电流，I1＝V·G，V则为该传统电压-电流转换器的输入电压Vctrl，G为N型MOS晶体管M8的跨导，从而实现了电压-电流的转换。
然而，传统电压-电流转换器这种结构的电源抑制比(PSRR)很差，往往需要外部低压降稳压器(LDO)来实现干净的电源电压，否则，电源引入的外部噪声将极大地影响压控振荡器的性能，不可避免地会有很大的抖动。但是加入外部低压降稳压器(LDO)不仅增加成本，而且会造成电压-电流转换电路的面积增大，不利于产品的开发与设计。
综上所述，可知先前技术的电压电流转换器由于电源抑制比差需引入外部低压降稳压器而造成电路面积大、成本高的问题，因此，实有必要提出改进的技术手段，来解决此一问题。
发明内容
为克服上述现有技术存在的电路面积大成本高的问题，本发明的主要目的在于提供一种电压-电流转换器，通过超级源跟随器结合电流镜像电路有效降低输出电阻，获得更好的电源抑制比，不需使用外部低压降稳压器来实现对电源噪声的抑制作用，降低了成本。
本发明的另一目的在于提供一种电压-电流转换器，其通过电流镜像电路将电流反馈至超级源跟随器，进一步减小超级源跟随器的电流抖动，更好地提高对噪声的抑制，达到了用相对较小的面积实现电源抑制比更小的电压-电流转换器的目的。
为达上述及其它目的，本发明一种电压-电流转换器，包含：
一超级源跟随器，其至少包含一电流源、一第三MOS晶体管以及漏极相接的第一MOS晶体管与第二MOS晶体管，该第一MOS晶体管源极同时连接于该电流源与该第三MOS晶体管漏极，栅极接至一输入控制电压，该第二MOS晶体管栅极与一电流镜像电路相连，源极与该第三MOS晶体管的源极同时接地，该第三MOS晶体管栅极接至该第一MOS晶体管漏极；以及
一电流镜像电路，连接于该超级源跟随器与该输入控制电压，用于将该输入控制电压转换为电流，并将该电流反馈至该超级源跟随器以稳定该超级源跟随器，
其中，该第一MOS晶体管、该第五MOS晶体管以及该第六MOS晶体管为P型MOS晶体管；该第二MOS晶体管、该第三MOS晶体管、该第四MOS晶体管以及该第七MOS晶体管为N型MOS晶体管。
进一步地，该电流镜像电路包含第四MOS晶体管、第七MOS晶体管、第五MOS晶体管以及第六MOS晶体管，该第四MOS晶体管栅极与该第二MOS晶体管栅极相连，漏极与栅极短接，源极与该第七MOS晶体管源极同时接地，该第七NMOS晶体管栅极连接至该输入控制电压，漏极连接于该第六MOS晶体管漏极，该第五MOS晶体管与该第六MOS晶体管栅极短接后与该第七MOS晶体管漏极相连，其源极与该第六MOS晶体管源极共同接至该第一MOS晶体管源极。
进一步地，该超级源跟随器还包含一米勒电路，该米勒电路包含相互串联的一电容和一电阻，该电容另一端连接至该第一MOS晶体管源极，该电阻另一端连接至该第一MOS晶体管漏极。
进一步地，该输入控制电压为0.6V-1.6V。
与现有技术相比，本发明一种电压-电流转换器利用超级源跟随器结合电流镜像电路降低输出电阻，并通过电流镜像电路将电流反馈至超级源跟随器以稳定超级源跟随器的电流，进一步减小了超级源跟随器的电流抖动，更好的提高对外部噪声的抑制作用，采用本发明电压-电流转换器可以避免使用外部低压降稳压器(LDO)电路来达到对电源噪声的抑制作用，达到了用相对较小的面积便能实现电源抑制比更小的电压-电源转换器的目的，节约了成本。
附图说明
图1为现有技术常用的电压-电流转换器的电路结构示意图；
图2为本发明一种电压-电流转换器的电路结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图2为本发明一种电压-电流转换器之较佳实施例的电路结构图。如图1所示，于本发明较佳实施例中，本发明的电压-电流转换器是用于压控振荡器(VCO)中，本发明电压-电流转换器包括：超级源跟随器201以及电流镜像电路202。
其中，超级源跟随器201包含一电流源A1、一P型MOS晶体管(第一MOS晶体管M1)、两个N型MOS晶体管(第二MOS晶体管M2以及第三MOS晶体管M3)、。供电电源Vcc通过电流源A1与第一MOS晶体管M1的源极相连，第一MOS晶体管M1的漏极与第二MOS晶体管M2的漏极相连，其栅极接至一输入控制电压Vctrl；第二MOS晶体管M2源极接地，栅极与电流镜像电路202相连；第三MOS晶体管M3的源极接地，其漏极与第一MOS晶体管M1的源极相连，栅极接至第一MOS晶体管M1的漏极。其中，第一MOS晶体管M1的漏极电流为本发明整个电压-电流转换器的输出电流。
电流镜像电路202，用于将输入控制电压转换为电流，并将此电流反馈至超级源跟随器201以稳定超级源跟随器201的电流，减小超级源跟随器201的电流抖动，提高对噪声的抑制作用，其包含：两个N型MOS晶体管(第四MOS晶体管M4以及第七MOS晶体管M7)以及两个P型MOS晶体管(第五MOS晶体管M5以及第六MOS晶体管M6)。其中第四MOS晶体管M4与第七MOS晶体管M7源极接地，其栅极与超级源跟随器202的第二MOS晶体管M2的栅极相连，该第四MOS晶体管M4的漏极与其栅极短接后与第五MOS晶体管M5漏极相连；第七MOS晶体管M7的栅极与输入控制电压Vctrl相连，其漏极与第六MOS晶体管M6的漏极相连；第五MOS晶体管M5与第六MOS晶体管M6的源极与超级源跟随器202的第一MOS晶体管M1源极共同相连，并连接至输出端口Vout，输出端口Vout用于连接至电流控制振荡器(ICO)(图中未示出)，第五MOS晶体管M5与第六MOS晶体管M6的栅极相互短接后与第七MOS晶体管M7的漏极相连。在本发明中，本发明的超级源跟随器201的电流支路为M1/M3/M5/M6，其通过输出端口Vout向电流控制振荡器(ICO)单元灌入电流。
为使本发明的超级源跟随器202输出信号更为稳定，本发明还可设置一米勒(Miller)电路，以对超级源跟随器202起米勒(Miller)补偿作用。米勒电路由相互串连的电容C1与电阻R1组成，电容C1一端与第一MOS晶体管M1的源极相连，另一端与电阻R1相连，电阻R1的另一端与第一MOS晶体管M1的漏极相连接。
承上所述，通过分析可得，本发明电压-电流转换器的输出电压Vout＝Vgsm1+Vctrl，其中
式中Vgsm1为第一MOS晶体管M1的栅源电压，Vctrl为输入控制电压，Idsm1为第一MOS晶体管M1的源漏电流，Lm1、Unm1、Coxm1、Wm1、Vthm1分别为第一MOS晶体管M1的栅长、迁移率、栅氧电容、栅宽、和阈值电压。
从上式中可以看出栅源电压Vgsm1受到源漏电流Idsm1的影响，而第一MOS晶体管M1的漏极电流与第二MOS晶体管M2的漏极电流相等，即Idsm1＝Idsm2，Idsm2为第二MOS晶体管M2的源漏电流。另外，为了提高超级源跟随器202对外部噪声的抑制作用，本发明可以利用电流反馈，使第一MOS晶体管M1的电流也来自于输入控制电压Vctrl本身。所以输入控制电压Vctrl在第七MOS晶体管M7上产生的电流通过由第四MOS晶体管M4、第五MOS晶体管M5以及第六MOS晶体管M6组成的电流镜作用在第二MOS晶体管M2上产生干净、抖动很少的电流，这样可以更好的提高对噪声的抑制作用。通过本发明这种结构的电压-电流转换器可以避免使用外部低压降稳压器电路来达到对电源噪声的抑制作用，用相对小许多的面积便能实现电源抑制比更小的电压-电流转换器。
一般来说，本发明于正常工作中，大部分的电流是通过输出端口Vout端口向ICO单元灌入电流的。因此，使用本发明电压-电流转换器，一般只有当输入控制电压Vctl超过第七MOS晶体管M7的阈值电压，使得第二MOS晶体管M2能够正常，超级源跟随器201才能正常工作。当输入控制电压Vctl到达一定高电压后，输出端口Vout的电压将迫使电流源进入线性区，而通过输出端口Vout给电流控制振荡器(ICO)的电流将达到最高极值，即，当输入控制电压Vctl超过一定高电压后，输出端口Vout输出的电流将达到恒定，而压控振荡器(VCO)的频率将达到最高值，随着电压升高，频率始终维持在最高值。为最好实现本发明，本发明电压-电流转换器的输入电压Vctrl最好在0.6v-1.6v之间。
与现有技术相比，本发明中超级源跟随器在输出节点(即输出端口Vout)的阻抗为1/(gm1·gm3)(gm1为超级源跟随器第一MOS晶体管M1的跨导，gm3为超级源跟随器第三MOS晶体管M3的跨导，现有技术为1/gm1)，在输出节点本发明的阻抗更低，因而可以得到更好的电源抑制比。同时，电阻R1和电容C2组成的米勒电路对超级源跟随器起到miller补偿的作用，使超级源跟随器输出信号更为稳定。
本发明一种电压-电流转换器利用超级源跟随器结合电流镜像电路降低输出电阻，并通过电流镜像电路将电流反馈至超级源跟随器，进一步减小了超级源跟随器的电流抖动，更好的提高对外部噪声的抑制作用，采用本发明电压-电流转换器可以避免使用外部低压降稳压器(LDO)电路来达到对电源噪声的抑制作用，达到了用相对小许多的面积便能实现电源抑制比更小的电压-电流转换器的目的，节约了成本。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (2)

1.一种电压-电流转换器，包含：
一超级源跟随器，其至少包含一电流源、一第三MOS晶体管以及漏极相接的第一MOS晶体管与第二MOS晶体管，该第一MOS晶体管源极同时连接于该电流源与该第三MOS晶体管漏极，栅极接至一输入控制电压，该第二MOS晶体管栅极与一电流镜像电路相连，源极与该第三MOS晶体管的源极同时接地，该第三MOS晶体管栅极接至该第一MOS晶体管漏极，该超级源跟随器还包含一米勒电路，该米勒电路包含相互串联的一电容和一电阻，该电容另一端连接至该第一MOS晶体管源极，该电阻另一端连接至该第一MOS晶体管漏极；以及
一电流镜像电路，连接于该超级源跟随器与该输入控制电压，用于将该输入控制电压转换为电流，并将该电流反馈至该超级源跟随器以稳定该超级源跟随器，该电流镜像电路包含第四MOS晶体管、第七MOS晶体管、第五MOS晶体管以及第六MOS晶体管，该第四MOS晶体管栅极与该第二MOS晶体管栅极相连，漏极与栅极短接，源极与该第七MOS晶体管源极同时接地，该第七MOS晶体管栅极连接至该输入控制电压，漏极连接于该第六MOS晶体管漏极，该第五MOS晶体管与该第六MOS晶体管栅极短接后与该第七MOS晶体管漏极相连，其源极与该第六MOS晶体管源极共同接至该第一MOS晶体管源极；
其中，该第一MOS晶体管、该第五MOS晶体管以及该第六MOS晶体管为P型MOS晶体管；该第二MOS晶体管、该第三MOS晶体管、该第四MOS晶体管以及该第七MOS晶体管为N型MOS晶体管。
2.如权利要求1所述的电压-电流转换器，其特征在于：该输入控制电压为0.6V-1.6V。
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