CN107463201A - 一种电压转电流电路及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电压转电流电路，包括：第一放大器，用于接收差分电压信号的正相电压信号；第二放大器，其与所述第一放大器相连构成第一反馈环路，将所述正相电压信号转换为第一电流信号；第三放大器，用于接收差分电压信号的负相电压信号；第四放大器，其与所述第三放大器相连构成第二反馈环路，将所述负相电压信号转换为第二电流信号；第一电流镜，用于按比例复制所述第一电流信号，输出正相电流；第二电流镜，用于按比例复制所述第二电流信号，输出负相电流；其中，所述正相电流与负相电流合成差分电流。采用共源共栅放大器与共源放大器构成反馈回路，两个反馈回路使用相同电流源，使得输出的电流稳定于一恒定值，提高了线性度与精度。

Description

一种电压转电流电路及装置
技术领域
本发明属于集成电路领域，涉及模拟信号或混合信号，确切地说是一种具有高线性度与高输入阻抗的电压转电流电路及装置。
背景技术
在集成电路设计中，涉及数模转换器、锁相环、时钟占空比调节电路等高性能模拟/混合信号集成电路，需要将电压信号线性地转换成电流信号。
然而，目前的电压转电流电路，具有结构复杂，占用太多芯片面积与功耗的缺点，当要满足结构简单的要求时，需要引入过多的非线性电子器件，无法使得电压转换成电流具有高线性度。
例如，在锁相环电路中的压控振荡器(VCO)通常会用到差分电压转电流电路，差分电压转电流电路通过电压变化引起电流变化，再通过电流变化控制压控振荡器的频率输出。在设计时要求较宽的差值电压范围，以及很高的差分电压-电流转换线性度，同时输出电流也要尽量大以满足越来越高的锁相环频率要求。习惯上通过线性跨导放大器进行差分电压到电流的转换，但是线性跨导放大器一般线性输入范围较窄，以及存在转换线性度不理想的缺点。差分电压-电流转换线性度不高会导致压控振荡器的输出频率的线性度也变低，因而可能会导致整个锁相环的不稳定。
因此，如何使电压转电流电路同时满足高线性度与高输入阻抗是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电压转电流电路及装置，用于解决现有技术中无法同时满足高线性度与高输入阻抗的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电压转电流电路，包括：
第一放大器，用于接收差分电压信号的正相电压信号；
第二放大器，其与所述第一放大器相连构成第一反馈环路，采用负载将所述正相电压信号转换为第一电流信号；
第三放大器，用于接收差分电压信号的负相电压信号；
第四放大器，其与所述第三放大器相连构成第二反馈环路，采用负载将所述负相电压信号转换为第二电流信号；
第一电流镜，用于按比例镜像复制所述第一电流信号，输出正相电流；
第二电流镜，用于按比例镜像复制所述第二电流信号，输出负相电流；
其中，所述正相电流与负相电流合成差分电流。
于本发明的一实施例中，所述第一放大器为共源共栅放大器，所述第二放大器为共源放大器，所述共源共栅放大器的输入与共源放大器的输出相连，所述共源放大器的输入与共源共栅放大器的输出相连，所述共源共栅放大器与共源放大器构成第一反馈环路。
于本发明的一实施例中，所述共源共栅放大器包括第一NMOS管、第二NMOS管与第一PMOS管，所述第一NMOS管的栅极连接第一偏置电压，其源极接地；所述第一PMOS管的源极连接电源电压，其栅极连接第二偏置电压；所述第二NMOS管的栅极连接差分电压信号的正相电压信号，其源极连接所述第一NMOS管的漏极，其漏极连接第一PMOS管的漏极。
于本发明的一实施例中，所述共源放大器包括第二PMOS管与第一电阻，所述第二PMOS管的源极连接电源电压，其栅极连接于第二NMOS管与第一PMOS管之间连接节点B，其漏极连接第一电阻的一端；所述第二PMOS管与第一电阻之间连接节点A连接于第一NMOS管与第二NMOS管之间，所述第一电阻的另一端连接共源共栅电流源第五NMOS管。
于本发明的一实施例中，所述第三放大器为共源共栅放大器，所述第四放大器为共源放大器，所述共源共栅放大器的输入与共源放大器的输出相连，所述共源放大器的输入与共源共栅放大器的输出相连，所述共源共栅放大器与共源放大器构成第二反馈环路。
于本发明的一实施例中，所述共源共栅放大器包括第三NMOS管、第四NMOS管与第三PMOS管，所述第三NMOS管的栅极连接第一偏置电压，其源极接地；所述第三PMOS管的源极连接电源电压，其栅极连接第二偏置电压；所述第四NMOS管的栅极连接差分电压信号的负相电压信号，其源极连接所述第三NMOS管的漏极，其漏极连接第三PMOS管的漏极。
于本发明的一实施例中，所述共源放大器包括第四PMOS管与第二电阻，所述第四PMOS管的源极连接电源电压，其栅极连接于第四NMOS管与第三PMOS管之间连接节点D，其漏极连接第二电阻的一端；所述第四PMOS管与第二电阻之间连接节点C连接于第三NMOS管与第四NMOS管之间，所述第二电阻的另一端连接共源共栅电流源第五NMOS管。
于本发明的一实施例中，电压转电流电路包括第五PMOS管与第六PMOS管，所述第五PMOS、第六PMOS管的源极分别连接电源电压，其漏极分别对应输出正相电流、反相电流；其中，所述第五PMOS管与第二放大器中第二PMOS管之间栅极互连形成第一电流镜；所述六PMOS管与第四放大器中的第四PMOS管之间栅极互连形成第二电流镜。
于本发明的一实施例中，所述第一放大器与第三放大器中的MOS管作为电流源为共源共栅电流源。
本发明的另一目的还在于提供一种装置，包括上述电压转电流电路。
如上所述，本发明的电压转电流电路及装置，具有以下有益效果：
本发明相对于现有电压转电流电路具有结构简单、芯片占用面积小，线性度高的特点。采用共源共栅放大器与共源放大器构成反馈回路，两个反馈回路使用相同电流源，使得输出的电流稳定于一恒定值，提高了线性精度；同时，每个反馈回路均采用比例值为1的电流镜作为输出，确保了输出的共模电流保持恒定，提高了线性度。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种电压转电流电路结构框图；
图2显示为本发明提供的一种电压转电流电路的电路图；
图3显示为本发明提供的一种电压转电流电路的实施例电路图；
图4显示为本发明提供的一种采用电压转电流电路的效果图。
元件标号说明：
1 第一放大器
2 第二放大器
3 第三放大器
4 第四放大器
5 第一电流镜
6 第二电流镜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例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露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种电压转电流电路结构框图，包括：
第一放大器1，用于接收差分电压信号的正相电压信号；
第二放大器2，其与所述第一放大器相连构成第一反馈环路，采用负载将所述正相电压信号转换为第一电流信号；
第三放大器3，用于接收差分电压信号的负相电压信号；
第四放大器4，其与所述第三放大器相连构成第二反馈环路，采用负载将所述负相电压信号转换为第二电流信号；
第一电流镜5，用于按比例镜像复制所述第一电流信号，输出正相电流；
第二电流镜6，用于按比例镜像复制所述第二电流信号，输出负相电流；
其中，所述正相电流与负相电流合成差分电流。
在本实施例中，本发明相对于现有电压转电流电路具有结构简单、芯片占用面积小，线性度高的特点。
参照图2，为本发明提供的一种电压转电流电路的电路图，详述如下：
所述第一放大器1为共源共栅放大器AMP1，所述第二放大器2为共源放大器AMP2，所述共源共栅放大器AMP1的输入与共源放大器AMP2的输出相连，所述共源放大器AMP2的输入与共源共栅放大器AMP1的输出相连，所述共源共栅放大器AMP1与共源放大器AMP2构成第一反馈环路L1。
所述共源共栅放大器AMP1包括第一NMOS管N1、第二NMOS管N2与第一PMOS管P1，所述第一NMOS管N1作为连接地GND的电流源，其栅极连接第一偏置电压Vbias1，其源极接地；所述第一PMOS管P1作为连接电源VCC的电流源，其源极连接电源电压，其栅极连接第二偏置电压Vbias2；所述第二NMOS管N2作为放大管，其栅极连接差分电压信号的正相电压信号VP，其源极连接所述第一NMOS管N1的漏极，其漏极连接第一PMOS管P1的漏极。
所述共源放大器AMP2包括第二PMOS管P2与第一电阻R1，其中，第二PMOS管P为放大管，第一电阻R1为负载，所述第二PMOS管P2的源极连接电源电压，其栅极连接于第二NMOS管N2与第一PMOS管P1之间连接节点B，其漏极连接第一电阻R1的一端；所述第二PMOS管P2与第一电阻R1之间连接节点A连接于第一NMOS管N1与第二NMOS管N2之间，所述第一电阻R1的另一端连接共源共栅电流源第五NMOS管N5。
在本实施例中，在反馈回路L1的负馈作用下，如果A点电压升高，通过共源共栅放大器AMP1的放大，B点电压将升高，再通过共源放大器AMP2的放大，A点电压下降；因此，A点电压将保持在某一水平，与图1中正相电压信号VP构成如(1)式所示关系：
VA＝VP-VGSN2 (1)
上式中VA是节点A电压，VP是正相电压信号VP电压，VGSN2为NMOS晶体管N2的栅源间电压。
同理，所述第三放大器3为共源共栅放大器AMP3，所述第四放大器4为共源放大器AMP4，所述共源共栅放大器AMP3的输入与共源放大器AMP4的输出相连，所述共源放大器AMP4的输入与共源共栅放大器AMP3的输出相连，所述共源共栅放大器AMP3与共源放大器AMP4构成第二反馈环路L2。
所述共源共栅放大器AMP3包括第三NMOS管N3、第四NMOS管N4与第三PMOS管P3，所述第三NMOS管N3作为连接地GND的电流源，其栅极连接第一偏置电压Vbias1，其源极接地GND；所述第三PMOS管P3作为连接电源电压VCC的电流源，其源极连接电源电压VCC，其栅极连接第二偏置电压Vbias2；所述第四NMOS管N4作为放大管，其栅极连接差分电压信号的负相电压信号VN，其源极连接所述第三NMOS管N3的漏极，其漏极连接第三PMOS管P3的漏极。
所述共源放大器AMP4包括第四PMOS管P4与第二电阻R2，所述第四PMOS管P4为放大器，第二电阻R2为负载，第四PMOS管P4的源极连接电源电压VCC，其栅极连接于第四NMOS管N4与第三PMOS管P3之间连接节点D，其漏极连接第二电阻R2的一端；所述第四PMOS管P4与第二电阻之间R2连接节点C连接于第三NMOS管N3与第四NMOS管N4之间，所述第二电阻R2的另一端连接共源共栅电流源第五NMOS管N5。
在本实施例中，在反馈环路L2的负馈作用下，如果C点电压升高，通过共源共栅放大器AMP1的放大，D点电压将升高，再通过共源放大器AMP2的放大，D点电压下降；因此，C点电压将保持在某一水平，与图1中负相电压信号VN构成如(2)式所示关系：
VC＝VN-VGSN4 (2)
上式中VC是节点C电压，VN是负相电压信号VN电压，VGSN4为NMOS晶体管N4的栅源间电压。
其中，共源共栅放大器AMP1和AMP3对称，器件参数和结构完全一样；共源放大器AMP2和AMP4对称，器件参数和结构完全一样。第一电阻R1的一端和第二电阻R2的一端连接到一起构成全差分结构；NMOS晶体管N5作为全差分结构的尾电流源，栅极接收偏置电压Vbias1。
由于第一电阻R1和第二电阻R2有一公共端，同时电阻R1与R2对称，阻值相等，因此流过电阻R1与R2的电流之差与节点A与节点C电压差之间有如下关系：
IR1-IR2＝(VA-VC)/R (3)
上式中，IR1和IR2分别为流过电阻R1和R2的电流，R是电阻R1和R2的阻值。把(1)和式(2)代入式(3)得：
IR1-IR2＝(VP-VN-VGSN2+VGSN4)/R (4)
因为PMOS晶体管P1和P2对称，具有相同的尺寸和结构，并且它们的栅极都接收相同的偏置电压Vbias2，因此流过晶体管P1和P2的电流相等，因此，流过NMOS晶体管N2和N4的电流也相等。NMOS晶体管N2和N4对称，具有相同的尺寸和结构，在流过相同电流的情况下，它们的栅源间电压也必定相等，因此VGSN2等于VGSN4，将公式(4)变为：
IR1-IR2＝(VP-VN)/R (5)
由式(5)可见流过电阻R1与R2的电流之差与正相电压信号VP与负相电压信号VN的电压之差成线性关系。
NMOS管N1和N3对称，具有相同的尺寸和结构，且它们的栅极都接收相同的偏置电压Vbias1，因此流过晶体管N1和N3的电流相等；流过晶体管P1和P2的电流也相等，因此，流过PMOS晶体管P2和P4的电流差等于流过电阻R1与电阻R2的电流差。
电压转电流电路包括第五PMOS管P5与第六PMOS管P6，所述第五PMOS、第六PMOS管的源极分别连接电源电压VCC，其漏极分别对应输出正相电流、反相电流；其中，所述第五PMOS管P5与第二放大器中第二PMOS管P2之间栅极互连形成第一电流镜；所述六PMOS管P6与第四放大器中的第四PMOS管P4之间栅极互连形成第二电流镜。
在本实施例中，PMOS晶体管P2与PMOS晶体管P5形成一电流镜，把流过晶体管P2的电流镜向到P5形成正相输出电流IP；PMOS晶体管P4与PMOS晶体管P6形成另一电流镜，把流过晶体管P4的电流镜向到P6形成负相输出电流IN；电流镜相比可以通过调整晶体管P5与P2之间或者P6与P4之间宽长比来调节，这里以1：1电流镜为例来说明。由于电流镜的作用，流过PMOS晶体管P2和P4的电流差等于流过PMOS晶体管P5和P6的电流差。因此有：
IP-IN＝(VP-VN)/R (6)
上式中IP为正相输出电流，IN为负相输出电流。由式(6)可见，输出电流差与输入电压差之间为线型关系。
第五NMOS晶体管N5作为尾电流源保证了流过电阻R1和R2的电流之和不变，因此流过PMOS晶体管P2和P4的电流之和也不变，那么正相输出电流和负相输出电流之和也不变。也就是说输出共模电流保持恒定。
在本实施例，本电路装置可以在0.35/0.18微米CMOS工艺条件下实现，还可以在90/60纳米深亚微米工艺条件下实现。具体实施过程中可以根据输入信号范围、输出电流大小、处理速度、功耗、芯片面积等因素来决定晶体管尺寸、电阻大小、偏置电流大小。如下表所示，为0.18微米CMOS工艺条件下，实施上述电路装置的各个晶体管的尺寸，其它的不一一赘述。
表1
编号 器件类型 栅长 栅宽
N1 NMOS 500nm 20um
N3 NMOS 500nm 20um
N7 NMOS 500nm 20um
N2 NMOS 180nm 40um
N4 NMOS 180nm 40um
P1 PMOS 500nm 60um
P3 PMOS 500nm 60um
P2 PMOS 500nm 60um
P4 PMOS 500nm 60um
P5 PMOS 500nm 60um
P6 PMOS 500nm 60um
在上述表中，第一电阻与第二电阻可采用多晶电阻，阻值根据需求在100～2000欧姆范围内取值，同时，按照电路图2所示，电流源N1、N3、N7均采用栅长为500nm，栅宽为20um的NMOS晶体管，电流源P1、P3均采用栅长为500nm，栅宽为60um的PMOS晶体管，将晶体管N1、N7、N3和P1、P3采用共源共栅电流源可提高线性度。如图3的实施例所示，每个晶体管当作的电流源均为共源共栅电流源，其它与图2相同，在此不一一赘述，由于本发明电路晶体管数少，因此，芯片占用面积小。电路结构简单，功耗低，而且电路中采用的都是MOS管，特别是以MOS晶体管的栅极为输入使得电路具有高输入阻抗。
将图3中电路图进行实施，得到如图4所示的效果图，从图中可知，横轴表示为差分电压(即输入电压差)，纵轴表示为电流，输出电流差IP-IN与输入电压差VP-VN成线性关系，并且输出的共模电流(IP+IN)/2保持恒定值不变。
综上所述，本发明相对于现有电压转电流电路具有结构简单、芯片占用面积小，线性度高的特点。采用共源共栅放大器与共源放大器构成反馈回路，两个反馈回路使用相同电流源，使得输出的电流稳定于一恒定值，提高了线性精度；同时，每个反馈回路均采用比例值为1的电流镜作为输出，确保了输出的共模电流保持恒定，提高了线性度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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。任何熟悉此技术的人士皆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或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电压转电流电路，其特征在于，包括：
第一放大器，用于接收差分电压信号的正相电压信号；
第二放大器，其与所述第一放大器相连构成第一反馈环路，采用负载将所述正相电压信号转换为第一电流信号；
第三放大器，用于接收差分电压信号的负相电压信号；
第四放大器，其与所述第三放大器相连构成第二反馈环路，采用负载将所述负相电压信号转换为第二电流信号；
第一电流镜，用于按比例镜像复制所述第一电流信号，输出正相电流；
第二电流镜，用于按比例镜像复制所述第二电流信号，输出负相电流；
其中，所述正相电流与负相电流合成差分电流。
2.根据权利要求1所述的电压转电流电路，其特征在于，所述第一放大器为共源共栅放大器，所述第二放大器为共源放大器，所述共源共栅放大器的输入与共源放大器的输出相连，所述共源放大器的输入与共源共栅放大器的输出相连，所述共源共栅放大器与共源放大器构成第一反馈环路。
3.根据权利要求2所述的电压转电流电路，其特征在于，所述共源共栅放大器包括第一NMOS管、第二NMOS管与第一PMOS管，所述第一NMOS管的栅极连接第一偏置电压，其源极接地；所述第一PMOS管的源极连接电源电压，其栅极连接第二偏置电压；所述第二NMOS管的栅极连接差分电压信号的正相电压信号，其源极连接所述第一NMOS管的漏极，其漏极连接第一PMOS管的漏极。
4.根据权利要求3所述的电压转电流电路，其特征在于，所述共源放大器包括第二PMOS管与第一电阻，所述第二PMOS管的源极连接电源电压，其栅极连接于第二NMOS管与第一PMOS管之间连接节点B，其漏极连接第一电阻的一端；所述第二PMOS管与第一电阻之间连接节点A连接于第一NMOS管与第二NMOS管之间，所述第一电阻的另一端连接共源共栅电流源第五NMOS管。
5.根据权利要求1所述的电压转电流电路，其特征在于，所述第三放大器为共源共栅放大器，所述第四放大器为共源放大器，所述共源共栅放大器的输入与共源放大器的输出相连，所述共源放大器的输入与共源共栅放大器的输出相连，所述共源共栅放大器与共源放大器构成第二反馈环路。
6.根据权利要求5所述的电压转电流电路，其特征在于，所述共源共栅放大器包括第三NMOS管、第四NMOS管与第三PMOS管，所述第三NMOS管的栅极连接第一偏置电压，其源极接地；所述第三PMOS管的源极连接电源电压，其栅极连接第二偏置电压；所述第四NMOS管的栅极连接差分电压信号的负相电压信号，其源极连接所述第三NMOS管的漏极，其漏极连接第三PMOS管的漏极。
7.根据权利要求6所述的电压转电流电路，其特征在于，所述共源放大器包括第四PMOS管与第二电阻，所述第四PMOS管的源极连接电源电压，其栅极连接于第四NMOS管与第三PMOS管之间连接节点D，其漏极连接第二电阻的一端；所述第四PMOS管与第二电阻之间连接节点C连接于第三NMOS管与第四NMOS管之间，所述第二电阻的另一端连接共源共栅电流源第五NMOS管。
8.根据权利要求1所述的电压转电流电路，其特征在于，包括第五PMOS管与第六PMOS管，所述第五PMOS、第六PMOS管的源极分别连接电源电压，其漏极分别对应输出正相电流、反相电流；其中，所述第五PMOS管与第二放大器中第二PMOS管之间栅极互连形成第一电流镜；所述六PMOS管与第四放大器中的第四PMOS管之间栅极互连形成第二电流镜。
9.根据权利要求1所述的电压转电流电路，其特征在于，所述第一放大器与第三放大器中的MOS管作为电流源为共源共栅电流源。
10.一种装置，其特征在于：所述装置包括如权利要求1-9中任一项所述的电压转电流电路。
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