CN102884723B - 具有电流反射器的电流电压转换器、放大器的输入级及相应放大器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有电流反射器的电流电压转换器(22)，输入端电流包括固定分量和可变分量，该转换器包括：用于待转换的电流的输入端(24)；用于经转换的电压的输出端(26)；布置在输出端(26)和地之间的用于电流电压转换的电阻器(36)，输入端(24)连接到输出端(26)，以在电阻器(36)中流通待转换的电流；以及电流反射器电路(38)，其包括两个恒定电流源(40、42)，每个恒定电流源连接到输出端(26)和各自的参考电压(32、34)之间。该转换器(22)还包括级联级(44、46)，级联级(44、46)与每个恒定电流发生器(40、42)串联安装，以便不管输出端电压是多少，均在每个恒定电流发生器(40、42)的端子上施加恒定的电势差。

Description

具有电流反射器的电流电压转换器、放大器的输入级及相应放大器
技术领域
本发明涉及一种具有电流反射器的电流-电压转换器，输入电流包括固定分量和可变的分量，转换器包括：
-用于待转换的电流的输入端；
-用于经转换的电压的输出端；
-电流到电压转换的电阻器，其布置在输出端和接地电压之间，输入端是连接到输出端，以用于在电阻器中流通待转换的电流；以及
-电流反射器电路，其包括连接在输出端和各自参考电压之间的两个恒定的电流源。
背景技术
这种转换器特别应用于具有高线性和低热失真率的高保真放大器。通常，在这样的放大器中，在输入端处使用数字模拟转换器(例如，来自德州仪器的组件PCM1792。该转换器具有电流输出，使模拟信号是经强度调制的。
在放置在下游的放大级(amplificationstage)在输入端处使用经调制的电压的情况下，电流-电压转换器应当放置在模拟数字转换器和实际放大级之间。
具有电流输出的数字-模拟转换器特别受到欢迎，因为它们对于热失真不敏感，热失真在恒定功率下起作用。
事实上，电流源在接地电压和设定为虚拟接地电压的输出端之间切换，虚拟接地电压传统上使用运算放大器电路来实现。通过这种方式，转换器的所有电阻器都工作在恒定电流和电压下(因此，工作在恒定功率下)，而不考虑输出信号的调制。
然而，保持热失真的缺失的困难被转移到了下两个级，即电流-电压转换器和相关联的电压增益级(gainstage)。传统上，电流-电压转换器由运算放大器电路制成，其输出端的幅度限于几伏。运算放大器继之后是晶体管电路，以便确保电压的升高。
尽管这些方案复杂而且成本高昂，但是这些方案由于引入了谐波失真和热失真、延迟和互调失真以及瞬时失真(特别是由于运算放大器)而显著地降低了初始性能。
发明内容
本申请的目标是制成集成了增益级的电流电压转换器，该转换器更少地降低数字模拟转换器(例如，下游放置的PCM1792)的性能。
为此，本申请的目标是一种具有前述类型的电流反射器的电流电压转换器，其特征在于，电流电压转换器包括级联级，级联级与每个恒定电流发生器串联安装，以便不管输出电压是多少，均在每个恒定电流发生器的端子上施加恒定的电势差。
根据具体的实施例，转换器包括以下一个或多个特征：
-用于待转换的电流的输入端通过与恒定电流发生器串联安装的级联级之一连接到输出端；
-针对每个级联级，转换器包括用于重新注入与在电流反射器电路中被吸收的电流相等的电流的装置；
-针对每个级联级，转换器包括用于测量级联级的被吸收的电流的装置；
-电流测量装置包括安装在用于控制级联级的每个晶体管的栅极的电路上的测量电流镜电路，并且用于重新注入在电流反射器电路中被吸收的电流的装置包含用于添加在测量电流镜电路的输出端处获得的两个电流并反转其符号的装置，添加和反转装置的输出端连接到电流镜电路上，以便向电流反射器电路中注入在测量电流镜电路的输出端处获得的电流之和的反值；
-针对每个电流镜，用于添加在测量电流镜电路的输出端处获得的两个电流并反转其符号的装置包含串联安装的符号反转电流镜，两个符号反转电流镜的输出端一起连接到电流反射器电路；
-用于重新注入被吸收的电流的装置包括用于将连接信号注入到与级联级相关联的电流发生器中，使得电流发生器提供增加了被级联级吸收的电流的电流的装置；
-重新注入的装置能够重新注入与针对例如低于20kHz的可听频率的在电流反射器电路中被吸收的电流相等的电流，并且转换器包括用于稳定从输出端上传递的电压，以便减小针对例如高于20kHz的高于可听频率的频率的重新注入电流率的装置，重新注入率等于被重新注入的电流的量除以被吸收的电流的量；
-稳定装置包括低通滤波器；
-转换器不带有任何操作放大器；
-两个恒定电流源之间的强度差异等于输入端的电流的固定分量。
本发明的目标还在于一种高保真放大器的输入级，高保真放大器具有高线性和低失真率，输入级包括具有电流输出端的数字模拟转换器以及根据上述定义的电流电压转换器。
本申请的目标还在于一种具有高线性和低失真率的高保真度放大器，高保真度放大器包括如上所述的输入级以及放大级，在电流电压转换器和放大级之间未施加电压增益。
根据特定实施例，放大器包括以下特征：
-转换电阻器的阻值大于或等于放大级的输出端处的电压的极值之间的差异除以电流电压转换器的输入端处的电流的强度的极值之间的差异的值。
附图说明
阅读以下参考附图仅作为实例给出的说明，将更好地理解本公开，其中
图1为根据本发明的高保真度的放大器的示意性视图；
图2为根据第一实施例的图1的放大器的电流电压转换器的电学图示；
图3和图4为图2的电流电压转换器的替代实施例的电学图示；以及
图5是示出了针对电流电压转换器的图2至图4的三个实施例的频率响应的一组曲线。
具体实施方式
图1中示意性示出的放大器10为高保真放大器，其能够在输入端12上接收数字信号，并且在输出端14产生经放大的模拟信号。
如本身已知的那样，放大器包括输入级16和放大级18，输入级16确保将输入数字信号转换为电压调制的输出端模拟信号，放大级18确保为放置在下游的负载(即，一个或几个扬声器)提供充足的功率。优选地，这是A类放大级。
输入级16包括数字模拟转换器20，数字模拟转换器20的输入端连接到放大器的输入端12，以便接收数字信号Idigital。数字模拟转换器能够在输出端处提供电流调制的模拟信号Imodulated。该数字模拟转换器例如为来自德州仪器的PCM1792。数字模拟转换器20的输出端连接到根据本发明的电流-电压转换器22。
这个转换器能够提供经调制的电压Vmodulated，并且具有从由数字模拟转换器20产生的经调制的电流Imodulated的电压增益。如本身已知的那样，转换器22的输出端连接到放大级18的输入端。
图2示出输入级16。在该视图中，数字模拟转换器20图示为电流源。
电流电压转换器22具有输入端24和电压输出端26，输入端24连接到数字模拟转换器20的输出端，电压输出端26能够直接连接到放大级18。
电流电压转换器22包括两个电压源28、30，电压源的一个端子连接到地，而电压源的另一端子分别向两个DC电压总线32、34提供功率，相对于地，一个DC电压总线保持在恒定电势50V，而另一个DC电压总线保持在恒定电势-50V。
电流电压转换器22包括转换电阻器36，转换电阻器36的一个端子连接到输出端26，而转换电阻器36的另一个端子连接到地。
转换器的输入端24连接到电阻器36的端子，从而通过电流反射器电路38形成转换器的输出端26，电流反射器电路38能够确保将由数字模拟转换器产生的整个调制电流Imodulated向上传输到参考接地电压的转换电阻器36，而不更改数字模拟转换器的调制电流或使其受到热失真。
如本身已知的那样，数字模拟转换器22的输出电流包含6.2mA的DC分量以及在-4mA和+4mA之间变化的可变分量。
电流反射器电路38能够抵消DC分量。为此，并且如本身已知的那样，电流反射器电路包括第一恒定电流发生器40和第二恒定电流发生器42，第一恒定电流发生器40将DC总线32连接到输出端26，第二恒定电流发生器42将输出端26连接到电压总线24。
理想地，电流发生器40和42为完美的电流发生器，发生器40能够提供大于6.2mA的强度，而发生器42能够提供等于比发生器40的强度增加6.2mA的强度。
在这些条件下，数字模拟转换器20的输出电流的可变分量被全部导入电阻器36内，从而实现电流电压转换，转换的线性限制仅在于电阻器36的缺陷。
转换电阻器36的阻值大于或等于放大级18的输出电压的极值之间的差异除以电流电压转换器22的输入端处的电流的强度Imodulated的极值之间的差异。
第一级联(cascode)级44串联安装在发生器40和输出端26之间。此外，第二级联级46被插入到电流源42和输出端26之间。
这两个级联级中的每一个级联级都包括MOS晶体管44A、46A，MOS晶体管44A、46A的漏极连接到输出端26，而MOS晶体管44A、46A的源极连接到电流发生器40和42。对于晶体管44和46，这两个晶体管的栅极40、46分别维持在固定的电压+45.3V和-45.3V。为此，晶体管44、46的栅极分别通过齐纳二极管48、50连接到电压总线32、34上。确保低强度电流流经二极管48、50的电阻器52将二极管48的阳极连接到二极管50的阴极。举例而言，该电阻器具有100kΩ的阻值。
优选地，电流电压转换器的输入端24连接到级联级46和电流发生器42之间。
此外，在转换器的输入端24和与其相连的电流反射器电路38之间放置有额外的级联级54。该级联级包括MOS类型的晶体管54A，晶体管的源极连接到输入端24。漏极连接到电流反射器电路38，而栅极连接到地。
应当明白的是，通过级联级44和46，有可能实现当点26中的输出电压变化(甚至变化几十伏)时，电流源40、42的端子上没有任何电压变化。
级联级44、46保证了无论电路的输出电压是什么，电流发生器40、42的端子上的电压差异都恒定地等于2.7V，电流发生器的端子上的该电压被设定为二极管48、50的端子上的固定电压4.7V减去每个晶体管44A、46A的栅极和源极之间的固定电压(例如，等于2V)。
此外，级联级54保证数字模拟转换器20的输出端处的电压保持在0V至5V的范围内，以便补偿数字模拟转换器不充当完美电流源的这个事实。图2中示出的电路令人满意地工作。但是，级联级44、46的存在引入了扰动，因为在晶体管的漏极和栅极之间以及源极和栅极之间存在寄生电容。当输出端26处的电压变化时，这些电容器经历充电和放电。
这些现象产生误差电流，误差电流将会添加到由数字模拟转换器传递的电流，或从由数字模拟转换器传递的电流中减去误差电流。向上流动至电阻器36的电流(并且因此从输出端26读出的其端子上的电压)将被更改。该现象的重要性与经转换的信号的频率成正比，因为电容中的电流依赖于输出端26处的电压的导数。
图3和图4的电路提供针对寄生电容的充放电的通过抑制造成的谐波失真的解决方案，谐波失真可以达到-70dBc量级的相对较高的水平。
图3再次考虑用额外的元件来完善的图2的元件。相同的元件或相应于图2的元件用相同的附图标记表示并不再赘述，因为其连接方式相同。
在这个实施例中，恒定电流发生器40、42中的每一个发生器由电阻器124、126形成，电阻器的一个端子连接到各自的电压总线32、34，而另一端子通过MOS类型的晶体管128、130连接到相关联的级联级44、46，晶体管的栅极分别通过齐纳二极管132、134分别连接到电压总线32、34。二极管132、134的栅极和阳极通过电阻器136相连，电阻器136能够确保流过二极管132、134的电流具有逆向偏压或齐纳偏压。
在实施例中，级联级44、46的晶体管44A、46A的栅极通过电流发生器138连接到一起，电流发生器138能够建立0.8mA量级的恒定电流。连接到晶体管44的栅极上的电流发生器138的端子通过电阻器140连接到电压总线，而连接到晶体管46A的栅极上的发生器另一端子通过电阻器142而连接到电压总线44。
图3的电路包括用于测量被级联级44、46所吸收的电流的装置144、146，以及用于重新注入与电流反射器电路38中被吸收的电流相等的电流的装置。
在图3的实施例中，这些装置144、146是通过这样一个连接来形成的，这个连接分别包括串联的电容器150、152和电阻器154、156。这个连接将晶体管44A、46A的栅极连接到电阻器124、126的端子，电阻器124、126通过晶体管128、130连接到级联级44、46上。
举例而言，重新注入装置能够重新注入与针对可听频率(例如，小于20kHz的频率)的电流反射器电路38中被吸收的电流相等的电流，且电路144、146包括用于在降低针对高于可听频率的频率(例如，高于20kHz的频率)的电流的重新注入率之前，稳定输出端26上传递的电压的装置。重新注入率等于被重新注入的电流的量除以被吸收的电流的量。在图3的示例性实施例中，电容器158、160放置在每个电压总线32、34和晶体管44A、46A的栅极之间。这些电容器158、160与电阻器154、156形成低通滤波器，从而避免针对高于可听频率的频率的修正。
或者，电路144、146不包括放置在每个电压总线32、34和晶体管44A、46A的栅极之间的任何电容器，修正则也针对较高的频率(例如，高于20kHz的频率)进行。
因此，电路144、146用于通过强迫电流发生器40、42重新注入与被晶体管44A、46A的寄生电容所吸收的电流相等的电流来修正电流发生器40、42。
电路144和146充当误差电流陷阱(errorcurrenttrap)，误差电流为流经晶体管44A、46A的栅极的电流，理想情况下，其应当保持流过这些晶体管的漏源偶极(drain-sourcedipole)。该电流被捕获是指，在电流源40和42内，电流在其逃离的实际的分支中被重新注入晶体管44A、46A的漏源结(该漏源结通过输出端电阻器36来传递增加的电流)。
图4中示出了又一个实施例，其中，相同的元件或相应于图2的元件用相同的附图标记表示。
在该实施例中，用于测量被每个级联级44、46所吸收的电流的装置包括电流镜电路224、226，电流镜电路224、226的输入分支放置在用于控制每个晶体管44A、46A的栅极的电路上。
如本身已知的那样，每个电流镜电路包括两个MOS类型的晶体管，晶体管的栅极连接到一起，输入端分支的晶体管与电阻器串联安装，并且被插入到DC电压总线32、34和齐纳二极管48、50之间。电流镜电路224、226的输出分支(也由与电阻器串联的晶体管组成)连接到另一电流镜电路244、246的输入分支，各形成逆变器(inverter)。这些电流镜电路的输出分支一起连接到输入端24至电流反射器电路38的连接点上。
因此，形成逆变器的电流镜电路224、226和其输出端相连，从而确保了向电流反射器电路38中重新注入被晶体管44A、46A所吸收的电流，这个电流由电流镜电路224、226在这些晶体管的控制分支中进行测量。
因此，可以想象，在该实施例中，具有等于被晶体管44A、46A所吸收的电流之和的值的电流被重新注入到电流反射器电路38中，并且因此流经电阻器36，从而对晶体管44A、46A的寄生电容进行充放电所需要的电流进行补偿。
图5中示出了图2、图3和图4的电路的各自的频率响应。每个频率响应包含期望的基础频率以及相应于电路的响应的谐波失真的不期望的谐波频率的组合。示出为粗连续线的曲线402显示图2的电路的响应，细连续线的曲线403为图3的电路的响应，而虚线的曲线为图4的电路的响应。
可以看出，对于某些频率(例如，2kHz和3kHz的频率)而言，使用电流镜来测量和重新注入被晶体管吸收的电流的图4的电路的响应较好。图3的电路的响应要差些，但品质良好，而图2的电路(即便产生了可用的结果)，还是因缺乏对被级联级的晶体管吸收的电流的修正而具有较高的谐波失真。

Claims (13)

1.一种电流电压转换器(22)，其具有电流反射器，输入电流包括固定分量和可变分量，所述转换器包括：
输入端(24)，其用于待转换的电流；
输出端(26)，其用于经转换的电压；
两个恒定电流源(40、42)，每个恒定电流源连接在所述输出端(26)和各自的参考电压(32、34)之间；
至少一个MOSFET晶体管(44A、46A)，其与每个恒定电流源(40、42)串联安装，并且所述至少一个MOSFET晶体管的栅极连接到所述参考电压(32、34)中的一个参考电压；以及
电阻器(36)，其用于将所述电流转换为电压，所述电阻器(36)布置在所述输出端(26)和地之间，用于待转换的所述电流的所述输入端(24)通过所述MOSFET晶体管中的一个MOSFET晶体管(46A)连接到所述输出端(26)；
其特征在于，针对每个MOSFET晶体管(44A、46A)，所述转换器包括：用于向所述电流源(40、42)中的至少一个电流源重新注入与在所述MOSFET晶体管(44A、46A)的栅极中被吸收的电流相等的电流的装置。
2.根据权利要求1所述的电流电压转换器，其特征在于，对于每个MOSFET晶体管(44A、46A)，所述转换器包括：用于测量被所述MOSFET晶体管(44A、46A)所吸收的电流的装置(224、226)。
3.根据权利要求2所述的电流电压转换器，其特征在于，所述用于测量所述电流的装置包括安装在用于控制每个MOSFET晶体管(44A、46A)的栅极的电路上的测量电流镜电路(224、226)，并且所述用于重新注入在所述MOSFET晶体管(44A、46A)的栅极中被吸收的电流的装置包括用于添加在所述测量电流镜电路(224、226)的输出端处获得的两个电流并反转其符号的装置(244、246)，所述添加和反转装置的输出端连接到所述电流源(42)，以便向所述MOSFET晶体管中的一个MOSFET晶体管(46A)的漏极电流添加在所述测量电流镜电路(224、226)的输出端处获得的电流之和的反值。
4.根据权利要求3所述的电流电压转换器，其特征在于，所述转换器包括MOSFET晶体管(54A)，所述MOSFET晶体管(54A)在用于待转换的所述电流的输入端(24)处串联安装，并且所述MOSFET晶体管(54A)的栅极接地。
5.根据权利要求4所述的电流电压转换器，其特征在于，对于每个电流镜电路(224、226)，所述用于添加在所述测量电流镜电路(224、226)的输出端处获得的两个电流并反转其符号的装置包括：串联安装的符号反转电流镜电路(244、246)，两个符号反转电流镜电路(244、246)的输出端一起连接到在所述输入端(24)处串联安装的所述MOSFET晶体管(54A)的漏极。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电流电压转换器，其特征在于，所述用于重新注入被吸收的电流的装置包括：用于将连接信号注入到与所述MOSFET晶体管(44A、46A)相关联的所述电流源(40、42)，使得所述电流源(40、42)提供增加了被所述MOSFET晶体管(44A、46A)吸收的电流的电流的装置。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的电流电压转换器，其特征在于，所述重新注入装置能够重新注入与针对例如低于20kHz的可听频率的在所述MOSFET晶体管(44A、46A)的栅极中被吸收的电流相等的电流，并且还在于，所述转换器包括用于稳定从所述输出端(26)传递的电压，以便减小针对高于可听频率的频率的重新注入电流率的装置，所述重新注入率等于被重新注入的电流量除以被吸收的电流量。
8.根据权利要求7所述的电流电压转换器，其特征在于，所述稳定装置包括低通滤波器。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的电流电压转换器，其特征在于，所述转换器不具有任何运算放大器。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的电流电压转换器，其特征在于，所述两个恒定电流源(40、42)之间的强度差异等于所述输入电流的固定分量。
11.一种高保真放大器的输入级，所述高保真放大器具有高线性和低失真水平，所述输入级包括具有电流输出端的数字模拟转换器以及根据权利要求1至5中任一项所述的电流电压转换器。
12.一种高保真放大器，其具有高线性和低失真率，其特征在于，所述高保真放大器包括根据权利要求11所述的输入级，以及与所述输入级串联连接的放大级(18)。
13.根据权利要求12所述的高保真放大器，其特征在于，所述转换电阻器(36)的阻值大于或等于所述放大级(18)的输出电压的极值之间的差异除以所述电流电压转换器(22)的输入端处的电流的强度(Imodulated)的极值之间的差异。
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