CN103324230B - 电压-电流转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压-电流转换器，包括：输入电压跟随器，接收一输入电压并对其进行缓冲；电压-电流转换电阻单元，由串联的第一电阻和第二电阻构成，且第一电阻和第二电阻的中间节点处接收经输入电压跟随器缓冲的输入电压；高电压跟随器，将一高参考电压传递到第一电阻的与中间节点相对的另一端，并得到电压-电流转换电阻单元的第一输出电流；低电压跟随器，将一低参考电压传递到第二电阻的与中间节点相对的另一端，并得到电压-电流转换电阻单元的第二输出电流，其中高参考电压高于低参考电压；以及电流镜单元，复制来自高电压跟随器的第一输出电流和来自低电压跟随器的第二输出电流以形成一输出电流。

Description

电压-电流转换器

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种具有较高线性度的电压-电流转换器。

背景技术

在集成电路设计领域中，经常要求将一个电压与参考电压的差值电压线性转换为输出电流，并且差值电压范围较宽，以及要求在整个输入电压范围内很高的电压-电流转换线性度。习惯上通过线性跨导放大器进行电压-电流转换，但是线性跨导放大器一般存在线性输入范围较窄，以及在线性输入范围内转换线性度不理想的缺点。或者使用两套电压-电流转换电路组合后得到输出电流，如图1所示。但，这种方法至少存在下面的缺点：

(1)当输入电压和参考电压很接近的情况下，输出电流会很小，转换线性度很难保证；

(2)当输入电压和参考电压很接近的情况下，输出电流会很小，电流镜跨导(电压电流转换系数)很小，速度很慢。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明旨在提供一种新颖的电压-电流转换结构。该电压-电流转换结构不仅可以具有较宽的线性输入范围，同时也可以具有较高的电压-电流转换线性度。特别是，在输入电压和参考电压差值很小或者很大的情况下也能很好的保证转换线性度以及转换速度。

具体地，本发明提供了一种电压-电流转换器，包括：

输入电压跟随器，用于接收输入电压并对其进行缓冲；

电压-电流转换电阻单元，包括相互串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点与所述输入电压跟随器的输出端连接；

高电压跟随器，用于将高参考电压传递到所述第一电阻的与所述中间节点相对的另一端，以根据经所述输入电压跟随器缓冲的输入电压、所述高参考电压及所述第一电阻得到第一输出电流；

低电压跟随器，用于将低于所述高参考电压的低参考电压传递到所述第二电阻的与所述中间节点相对的另一端，以根据经所述输入电压跟随器缓冲的输入电压、所述低参考电压及所述第二电阻得到第二输出电流；以及

电流镜单元，用于复制所述第一输出电流和所述第二输出电流，以形成输出电流。

较佳地，在上述的电压-电流转换器中，所述输入电压跟随器包括二级运算放大器。

较佳地，在上述的电压-电流转换器中，所述高电压跟随器包括第一运算放大器、第一PMOS管和第二PMOS管，其中，所述第一运算放大器的反向输入端接收所述高参考电压，正向输入端连接到所述第二PMOS管的漏极，且输出端连接到所述第一PMOS管的栅极；其中，所述第一PMOS管的源极接地，所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的源极相连接；其中，所述第二PMOS管的漏极连接到所述第一电阻。

较佳地，在上述的电压-电流转换器中，所述低电压跟随器包括第二运算放大器、第一NMOS管和第二NMOS管，其中，所述第二运算放大器的反向输入端接收所述低参考电压，正向输入端连接到所述第二NMOS管的漏极，且输出端连接到所述第一NMOS管的栅极；其中，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的源极相连接；其中，所述第二NMOS管的漏极连接到所述第二电阻。

较佳地，在上述的电压-电流转换器中，所述电流镜单元包括分别与所述第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管相对应的第三PMOS管、第四PMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，其中，所述第三PMOS管的源极接地，漏极连接到所述第四PMOS管的源极，且栅极连接到所述第一PMOS管的栅极；其中，所述第四PMOS管的栅极连接到所述第二PMOS管的栅极，且漏极连接到所述第四NMOS管的漏极；其中，所述第四NMOS管的栅极连接到所述第二NMOS管的栅极，且源极连接到所述第三NMOS管的漏极；其中，所述第三NMOS管的栅极连接到所述第一NMOS管的栅极，且源极接地。

较佳地，在上述的电压-电流转换器中，所述电流镜单元的输出节点位于所述第四PMOS管的漏极与所述第四NMOS管的漏极之间。

较佳地，在上述的电压-电流转换器中，所述第二运算放大器为二级运算放大器。

较佳地，在上述的电压-电流转换器中，所述第一运算放大器为二级运算放大器。

简言之，本发明的技术方案的特点在于：电压-电流转换电阻与高参考电压和低参考电压以及输入电压一起决定了输出电流的大小；通过低电压跟随器和高电压跟随器将高参考电压和低参考电压分别传递到电压-电流转换电阻上，并且分别得到电压-电流转换后电流的部分信息；电流镜单元从低电压跟随器和高电压跟随器得到电压-电流转换后电流的部分信息，并将电流信息进行综合得到最终的输出电流。这样，本发明可以将输入电压与高低参考电压共同设置的参考电压的差值电压根据内部设置的电压-电流转换电阻产生输出电流。本发明的电压-电流转换器具有宽线性输入范围以及高线性度的特点。

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1示出了现有技术的一种传统电压-电流转换的电路实现方式。

图2示出了根据本发明的电压-电流转换器的结构框图。

图3示出了根据本发明的一个优选实施例的电压-电流转换器的电路图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。

图2示出了根据本发明的电压-电流转换器的结构框图。如图2所示，本发明的电压-电流转换器主要包括：输入电压跟随器301、电压-电流转换电阻单元302、高电压跟随器303、低电压跟随器304和电流镜单元305。

具体地，输入电压跟随器301可以将输入电压缓冲后输出。该经缓冲的输入电压具有电流驱动能力。在一较佳实施例中，该输入电压跟随器301用两级运放来实现，将电压-电流转换串联电阻的中间节点设定到输入电压。因为输入电压跟随器301可能流出电流也可能吸收电流，使用两级运放来实现电压跟随可以减小流出和吸收电流对设定电压的影响。

高参考电压跟随器单元303可以将高参考电位传递到电压-电流转换电阻单元302，并且得到电压-电流转换电阻单元302的一部分输出电流，并且将该部分输出电流传递到电流镜单元305。类似地，低参考电压跟随器单元304可以将低参考电位传递到电压-电流转换电阻单元302，并且得到电压-电流转换电阻单元302的一部分输出电流，并且将该部分输出电流传递到电流镜单元305。

如上所述，电压-电流转换电阻单元302接收输入电压跟随器301的输出，并接收前述高电压跟随器303和前述低电压跟随器304产生的高参考电压和低参考电压信号，并且得到由输入电压、高低参考电压以及电压-电流转换电阻共同确定的电流。最后，电流镜单元305接收高电压跟随器303和低电压跟随器304的输出电流，以产生最终的输出电流。

图3示出了根据本发明的一个优选实施例的电压-电流转换器的电路图。该图3更具体地示出了图2所示的结构框的内部电路结构。

如图3所示，电压-电流转换电阻单元302优选包括相互串联的第一电阻341和第二电阻342，且该第一电阻341和第二电阻342的中间节点与输入电压跟随器缓冲301的输出端连接，以接收经该输入电压跟随器301缓冲的输入电压。较佳地，该输入电压跟随器301包括二级运算放大器。如前所述电压-电流转换电阻单元302可以通过两个阻值按一定比例的电阻串联及串联两端的电压与串联电阻中间节点电压来设置输出电流的大小。

高电压跟随器303将一高参考电压传递到第一电阻341的与上述中间节点相对的另一端，并得到电压-电流转换电阻单元302的第一输出电流。该第一输出电流是由经缓冲的输入电压、高参考电压和第一电阻确定的。

较佳地，在图3所示的实施例中，该高电压跟随器303主要包括一第一运算放大器312、第一PMOS管321和第二PMOS管323。优选地，该第一运算放大器312可以是二级运算放大器。该第一运算放大器312的反向输入端接收高参考电压，正向输入端连接到第二PMOS管323的漏极，且输出端连接到第一PMOS管321的栅极。此外，该第一PMOS管321的源极接地，且该第一PMOS管321的漏极与第二PMOS管323的源极相连接。此外，该第二PMOS管323的漏极连接到第一电阻341。

如上所述的高电压跟随器使用两级运放来实现，并且第二级采用的是PMOS管输出(用以提供电压-电流转换电阻的电流)，电压-电流转换串联电阻作为第二级负载。通过高电压跟随器设定了电压-电流转换串联电阻的另一端电压。因为第二级是PMOS输出，这样电压-电流转换串联电阻与高电压跟随器连接的一端输出电流全部流入到PMOS中。此PMOS的栅电压就反映了电压-电流转换串联电阻与高电压跟随器连接的一端输出电流信息。并且将此PMOS的栅电压传递到电流镜单元中。

相对地，低电压跟随器304将一低参考电压传递到第二电阻342的与上述中间节点相对的另一端，并得到电压-电流转换电阻单元302的第二输出电流。该第二输出电流是由经缓冲的输入电压、低参考电压和第二电阻确定的。该高参考电压高于所述低参考电压。

较佳地，在图3所示的实施例中，该低电压跟随器304主要包括一第二运算放大器313、第一NMOS管331和第二NMOS管333。优选地，该第一运算放大器312可以是二级运算放大器。该第二运算放大器313的反向输入端接收低参考电压，正向输入端连接到第二NMOS管333的漏极，且输出端连接到第一NMOS管331的栅极。此外，该第一NMOS管331的源极接地，第一NMOS管331的漏极与第二NMOS管333的源极相连接。此外，该第二NMOS管333的漏极连接到第二电阻342。

如上所述的低电压跟随器使用两级运放来实现，并且第二级采用的是NMOS管输出(用以吸收电压-电流转换电阻的电流)，电压-电流转换串联电阻作为第二级负载。通过低压跟随器设定了电压-电流转换串联电阻的一端电压。因为第二级是NMOS输出，这样电压-电流转换串联电阻与低电压跟随器连接的一端输出电流全部流入到NMOS中。此NMOS的栅电压就反映了电压-电流转换串联电阻与低电压跟随器连接的一端输出电流信息。并且将此NMOS的栅电压传递到电流镜单元中。

最后，电流镜单元305复制来自高电压跟随器303的第一输出电流和来自低电压跟随器304的第二输出电流以形成一输出电流。如图3所示，该电流镜单元305优选包括分别与第一PMOS管321、第二PMOS管323、第一NMOS管331和第二NMOS管333相对应的第三PMOS管322、第四PMOS管324、第三NMOS管332和第四NMOS管334。具体地，第三PMOS管322的源极接地，漏极连接到第四PMOS管324的源极，且栅极连接到第一PMOS管321的栅极。第四PMOS管324的栅极连接到第二PMOS管323的栅极，且漏极连接到第四NMOS管334的漏极。第四NMOS管334的栅极连接到所述第二NMOS管333的栅极，且源极连接到第三NMOS管332的漏极。第三NMOS管332的栅极连接到第一NMOS管331的栅极，且源极接地。

如前所述，电流镜单元305为一个同高电压跟随器中的PMOS匹配的PMOS和一个同低电压跟随器中的NMOS匹配的NMOS，并且PMOS的漏端和NMOS的漏端相连，最终的电压-电流转换电流从PMOS的漏端和NMOS的漏端相连结点输出。为提高电流镜像效果，即降低电流镜漏端电压对电流镜单元的影响，也可以使用cascode结构的电流镜像或者类似结构。

此外，电流镜单元305的输出节点位于第四PMOS管324的漏极与第四NMOS管334的漏极之间。

在工作时，输入电压跟随器301用于将输入电压缓冲后输出到电压-电流转换电阻单元302的中间节点345。高参考电压跟随器单元303将高参考电位V_refh传递到电压-电流转换电阻单元302的一端346。并且此节点346和mp21(323)的漏端相连，mp21的源端和mp11(321)的漏端相连，mp11(321)的栅连接amp2(312)的输出，mp21(323)的栅vbpc连接到固定偏置电压上，mp11(321)和mp21(323)构成cascode结构(共源共栅结构)。这样流入电压-电流转换电阻单元302一端节点346的电流和mp21(323)的漏端电流以及和mp11(321)的漏端电流相等。低参考电压跟随器单元304将低参考电位V_refl传递到电压-电流转换电阻单元302的一端347。并且此节点347和mn21(333)的漏端相连，mn21的源端和mn11(331)的漏端相连，mn11(331)的栅连接amp3(313)的输出，mn21(333)的栅vbnc连接到固定偏置电压上，mn11(331)和mn21(333)构成cascode结构(共源共栅结构)。这样流入电压-电流转换电阻单元302一端节点347的电流和mn21(333)的漏端电流以及和mn11(331)的漏端电流相等。电压-电流转换电阻单元302的3个节点的电压都被确定后，可以计算流过R_set1(341)的电流I_{R_set1}为：

I_{R_set1}＝(V_{_refh}-V_{_set})/R_{_set1}

计算流过R_set2(342)的电流I_{R_set2}为：

I_{R_set2}＝(V_{_set}-V_{_refl})/R_{_set2}

电流镜单元305中mp12(322)镜像mp11(321)，mn12(332)镜像mn11(331)，这样mp12(322)的漏端电流和mp11(321)的漏端电流相等，mn12(332)的漏端电流和mn11(331)的漏端电流相等。并且cascode管mp22的栅连接vbpc，cascode管mn22的栅连接vbnc。这样最终的I_out为：

I_{_out}＝I_{R_set1}-I_{R_set2}＝(V_{_refh}-V_{_set})/R_{_set1}-(V_{_set}-V_{_refl})/R_{_set2}

$I_{\_\mathrm{out}}=(\frac{V_{\_\mathrm{refh}}}{R_{\_\mathrm{set}1}}+\frac{V_{\_\mathrm{refl}}}{R_{\_\mathrm{set}2}})-(\frac{V_{\_\mathrm{set}}}{R_{\_\mathrm{set}1}}+\frac{V_{\_\mathrm{set}}}{R_{\_\mathrm{set}2}})$

假如R_{_set1}＝R_{_set2}＝R_{_set}，则：

$I_{\_\mathrm{out}}=\frac{V_{\_\mathrm{refh}}+V_{\_\mathrm{refl}}}{R_{\_\mathrm{set}}}-\frac{{2V}_{\_\mathrm{set}}}{R_{\_\mathrm{set}}},$

得到电压-电流转换的参考电压为电压-电流转换系数为

从表达式看，当I_{_out}＝0时，I_{R_set1}＝I_{R_set2}≠0，这样图3中的输出电流镜单元mp12，mn12仍然有电流存在，系统能够较快的响应V_{_set}的变化。而在图1所示的现有技术中，当V_{_ref}＝V_{_set}时，I_{_out}＝0，I_{R_set1}＝I_{R_set2}＝0，此时mp12，mn12将没有电流存在，当V_{_set}变化时，图1中的mp1，mn1，mp11，mp12，mn11，mn12都需要从0电流开始变化，响应速度会较慢。所以本发明在输入电压和参考电压差值很小的情况下也能很好的保证电压-电流转换速度。

另外，从输入电压范围考虑，传统方法的最高输入电压是电源电压减掉一个Vgs电压和一个Vdsat电压，最低电压是一个Vgs电压加上一个Vdsat电压，从而保证电流镜单元和电压跟随器单元的正常工作。在新的架构中只要保证电流镜单元的正常工作，最高输入电压是电源电压减掉两个Vdsat电压，最低输入电压为两个Vdsat电压。在通常的设计中Vgs值要大于Vdsat值，所以本发明比传统方式具有更宽的线性输入范围。

此外，在电路设计中，如需注意高参考电压跟随器单元和低参考电压跟随器单元的反馈环路的稳定性，则可以使用两级miller补偿的方式。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (8)

1.一种电压-电流转换器，其特征在于，包括：

输入电压跟随器，用于接收输入电压并对其进行缓冲；

电压-电流转换电阻单元，包括相互串联的第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的中间节点与所述输入电压跟随器的输出端连接；

高电压跟随器，用于将高参考电压传递到所述第一电阻的与所述中间节点相对的另一端，以根据经所述输入电压跟随器缓冲的输入电压、所述高参考电压及所述第一电阻得到第一输出电流；

低电压跟随器，用于将低于所述高参考电压的低参考电压传递到所述第二电阻的与所述中间节点相对的另一端，以根据经所述输入电压跟随器缓冲的输入电压、所述低参考电压及所述第二电阻得到第二输出电流；以及

电流镜单元，用于复制所述第一输出电流和所述第二输出电流，以形成输出电流。

2.如权利要求1所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述输入电压跟随器包括二级运算放大器。

3.如权利要求1所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述高电压跟随器包括第一运算放大器、第一PMOS管和第二PMOS管，

其中，所述第一运算放大器的反向输入端接收所述高参考电压，正向输入端连接到所述第二PMOS管的漏极，且输出端连接到所述第一PMOS管的栅极；

其中，所述第一PMOS管的源极接地，所述第一PMOS管的漏极与所述第二PMOS管的源极相连接；

其中，所述第二PMOS管的漏极连接到所述第一电阻。

4.如权利要求3所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述低电压跟随器包括第二运算放大器、第一NMOS管和第二NMOS管，

其中，所述第二运算放大器的反向输入端接收所述低参考电压，正向输入端连接到所述第二NMOS管的漏极，且输出端连接到所述第一NMOS管的栅极；

其中，所述第一NMOS管的源极接地，所述第一NMOS管的漏极与所述第二NMOS管的源极相连接；

其中，所述第二NMOS管的漏极连接到所述第二电阻。

5.如权利要求4所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述电流镜单元包括分别与所述第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管相对应的第三PMOS管、第四PMOS管、第三NMOS管和第四NMOS管，

其中，所述第三PMOS管的源极接地，漏极连接到所述第四PMOS管的源极，且栅极连接到所述第一PMOS管的栅极；

其中，所述第四PMOS管的栅极连接到所述第二PMOS管的栅极，且漏极连接到所述第四NMOS管的漏极；

其中，所述第四NMOS管的栅极连接到所述第二NMOS管的栅极，且源极连接到所述第三NMOS管的漏极；

其中，所述第三NMOS管的栅极连接到所述第一NMOS管的栅极，且源极接地。

6.如权利要求5所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述电流镜单元的输出节点位于所述第四PMOS管的漏极与所述第四NMOS管的漏极之间。

7.如权利要求4所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述第二运算放大器为二级运算放大器。

8.如权利要求3所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述第一运算放大器为二级运算放大器。