CN109857181A - 一种用于传感器的电流电压转换电路 - Google Patents

Abstract

一种用于传感器的电流电压转换电路，包括电流电压转换电路的输出端V_OUT和输入端I_IN；所述的输出端V_OUT和输入端I_IN之间连接有共源共栅输入级和源极跟随器；所述的共源共栅输入级偏置电路为辅助电压放大器；所述的共源共栅输入级共源晶体管漏极注入电流源。本发明由于共源共栅输入级的高增益，源极跟随器噪声可以忽略，使得放大器的噪声主要由第一级的共源共栅输入级的噪声决定。反馈跨阻的设计，电路可以实现高带宽；使得电路在同样带宽下，可以使用更大的电阻，有助于降低噪声；辅助电压放大器的设计，增大了共源共栅级中的共栅晶体管的等效跨导，降低了输入级的米勒效应；注入电流源的设计，增大了共源共栅级中的共源晶体管的跨导，降低了输入端噪声。

Description

一种用于传感器的电流电压转换电路

技术领域

本发明属于电流电压转换电路技术领域，涉及一种用于传感器的电流电压转换电路；具体涉及一种用于气体参数检测传感器的电流电压转换应用电路。

背景技术

常用的传感器系统中电流电压转换电路经常采用共栅放大电路实现，共栅放大电路具有输入阻抗小的优点，可以提高放大器速率。如图1所示为MOSFET实现的共栅前置放大器。忽略沟道长度调制、体效应等二次非理想效应的影响，等效输入阻抗在1/gm量级，gm为输入管的等效跨导，选择合适的偏置电流源，容易实现输入带宽的最大化。然而，这是以牺牲输出的电压摆幅为代价的，使得放大器的动态范围性能受限。

常见的气体参数检测传感器，其输出电流较小，所以对传感器应用电路的噪声性能要求较高。因此，传感器检测系统中的电流电压转换电路，采用共栅放大电路时，噪声性能都较差，不能达到高性能电流电压转换电路的低噪声性能要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种用于传感器的电流电压转换电路，能有效的解决上述问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于传感器的电流电压转换电路，包括电流电压转换电路的输出端V_OUT和输入端I_IN；所述的输出端V_OUT和输入端I_IN之间连接有共源共栅输入级和源极跟随器；所述的共源共栅输入级偏置电路,所述的偏置电路为一种辅助电压放大器,辅助电压放大器由晶体管M5和电阻R3构成。

进一步的，所述的共源共栅输入级由晶体管M1、M2和电阻R1组成；所述的源极跟随器由晶体管M3、M4和负载电阻R2组成。

进一步的，所述的晶体管M2和电阻R1并联有固定的直流电流源 I₀，固定的直流电流源I₀与晶体管M1的漏极连接，将直流电流源I₀注入到晶体管M1中。

进一步的，所述晶体管M1的跨导大于晶体管M2的跨导，晶体管 M1的尺寸为晶体管M2的50-55倍。

进一步的，所述的电流电压转换电路的输出端V_OUT和输入端I_IN之间并联有反馈跨阻R_F。

(三)有益效果

本发明提出的一种用于传感器的电流电压转换电路，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：

(1)由于共源共栅输入级的高增益，源极跟随器噪声可以忽略，使得放大器的噪声主要由第一级的共源共栅输入级的噪声决定。

(2)反馈跨阻的设计，电路可以实现高带宽；使得电路在同样带宽下，可以使用更大的电阻，有助于降低噪声。

(3)本技术方案采用提高跨导gm1的方法，来优化噪声性能，提高灵敏度。在M1漏极注入一路额外的电流源I₀，采用电流注入技术增大了输入管M1的跨导；辅助电压放大器由晶体管M5、电阻R3 构成，辅助放大器增大了晶体管M2的等效跨导。另外，辅助电压放大器的设计，减小因为提高跨导gm1而增加的米勒电容，也进一步优化了噪声性能。

(4)辅助电压放大器减小了电流注入技术带来的米勒效应，使得电流电压放大电路在带宽不减少的前提下，最大程度优化了气体参数检测传感器电流电压转换电路的噪声性能，实现了提高精度的目的。

附图说明

图1是本发明背景技术中共栅前置放大器的整体结构示意图。

图2是本发明背景技术中共栅放大器输入参考噪声等效原理图。

图3是本发明中电流电压转换电路的整体结构示意图。

图4是本发明中共源共栅输入级的噪声模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。

实施例：

如图3所示，一种用于传感器的电流电压转换电路，包括电流电压转换电路的输出端V_OUT和输入端I_IN；所述的输出端V_OUT和输入端I_IN之间连接有共源共栅输入级和源极跟随器；所述的共源共栅输入级由晶体管M1、M2和电阻R1组成；所述的源极跟随器由晶体管M3、M4 和负载电阻R2组成；所述的共源共栅输入级设置有偏置电路，所述的偏置电路为一种辅助电压放大器；所述的辅助电压放大器由晶体管 M5和电阻R3构成。

所述的晶体管M2和电阻R1并联有固定的直流电流源I0，固定的直流电流源I0与晶体管M1的漏极连接，将直流电流源I0注入到晶体管M1中。

所述晶体管M1的跨导大于晶体管M2的跨导，晶体管M1的尺寸为晶体管M2的50-55倍。

所述的电流电压转换电路的输出端V_OUT和输入端I_IN之间并联有反馈跨阻R_F。

具体电路：

电流的输入端I_IN的前端与电源连接，后端接晶体管M1的栅极和反馈跨阻R_F的一端；晶体管M1的源极接地，晶体管M1的漏极接晶体管M5的栅极、晶体管M2的源极和直流电流源I₀的一端。

直流电流源I₀的一端接晶体管M1的漏极、晶体管M5的栅极和晶体管M2的源极，直流电流源I₀的另一端接电阻R1的一端、电源、电阻R3的一端和晶体管M3的漏极。

晶体管M2的源极接晶体管M1的漏极、直流电流源I₀的一端和晶体管M5的栅极，晶体管M2的漏极接电阻R1的另一端和晶体管M3的栅极，晶体管M2的栅极接电阻R3的另一端和晶体管M5的漏极。

电阻R1的一端接直流电流源I₀的另一端、电阻R3的一端和晶体管M3的漏极，电阻R1的另一端接晶体管M2的漏极和晶体管M3的栅极。

晶体管M3的漏极接电阻R3的一端、电阻R1的一端和直流电流源I₀的另一端，晶体管M3的栅极接电阻R1的另一端和晶体管M2的漏极，晶体管M3的源极接电阻R2的一端和输出端V_OUT。

电阻R2的一端接晶体管M3的源极和输出端V_OUT，电阻R2的另一端接晶体管M4的漏极和反馈跨阻R_F的另一端。

晶体管M4的漏极接反馈跨阻R_F的另一端和电阻R2的另一端，晶体管M4的栅极接外接电源V_G4，晶体管M4的源极接地。

晶体管M5的漏极接电阻R3的另一端和晶体管M2的栅极，晶体管M5的栅极接晶体管M1的漏极、直流电流源I₀的一端和晶体管M2 的源极，晶体管M5的源极接地。

电阻R3的一端接电阻R1的一端、直流电流源I₀的另一端、电源和晶体管M3的漏极，电阻R3的另一端晶体管M5的漏极和晶体管M2 的栅极。

反馈跨阻R_F的一端接输入端I_IN的后端和晶体管M1的栅极，反馈跨阻R_F的另一端接晶体管M4的漏极和电阻R2的一端。

工作原理：

如图2所示，其中，(b)图为(a)图的各噪声贡献元器件的等效输入噪声电路。图2(a)中，由基尔霍夫定律，M₁源极节点的总电流矢量和为零，从而噪声I_n,M1在M₁中产生一个同M₁漏电流I_D2大小相等，方向相反的电流，在输出端不产生噪声贡献。考虑到偏置电流源I_B的实现及其噪声贡献，通常采用NMOSFET实现，它的噪声电流完全流过负载电阻R₁，在输出端产生噪声贡献。忽略1/f噪声贡献，所有元器件在输入端的等效输入噪声电流：

其中，k为普朗克常数，T为温度，g_mB为偏置电流源的等效跨导；由公式(1)，偏置电流源与负载电阻的噪声电流贡献直接等效至输入端，噪声性能较差；g_mB越小(即过驱动电压V_gs-V_TH越大)，R₃越大，等效输入噪声电流越小。然而，这是以牺牲输出的电压摆幅为代价的，使得放大器的动态范围性能受限。

如图3所示。图中，并联反馈跨阻R_F连接在电流电压转换电路的输出端V_OUT和输入端I_IN之间；晶体管M1、M2和电阻R1组成共源共栅输入级；晶体管M3、M4和负载电阻R2组成源极跟随器；晶体管M5 和电阻R3构成辅助电压放大器；额外的直流电流源I₀注入到晶体管M1。

电流电压转换电路的灵敏度由其噪声性能所决定。输入电流的参考噪声由反馈电阻的噪声和电压放大电路(共源共栅输入级、源极跟随器、辅助放大器)的噪声组成。由于共源共栅输入级的高增益，源极跟随器的噪声可以忽略，电流电压转换电路的噪声主要由共源共栅输入级的噪声决定。图4所示是电流电压转换电路的等效噪声模型。

根据电流电压放大电路的等效噪声模型，可以得

而反馈电阻R_F的噪声和电压放大电路的噪声可以分别用式(3) 和(4)所示：

其中，式(4)中共栅晶体管M2的噪声可以忽略，而I² _n,M1、I² _n,R1和I² _n,aux分别如式(5)和(6)(7)所示，分母中的H(s)是输入电流到 M1漏极电流的传输函数，如式(8)所示。

其中，γ是M1的沟道噪声系数；C_IN是输入端的等效电容，等于输入电流源寄生电容C_PD和放大器输入电容C_I之和。忽略辅助放大器的噪声，可以得到电流电压放大电路的输入参考噪声I² _n,TIA的具体表达式：

从式(9)可以看出，增大R_F、g_m1和R₁，减小输入端等效电容C_IN，都可以减小噪声。但增大R_F会影响带宽和动态范围，增大R₁会受稳定性的限制，因此，本设计采用提高跨导g_m1的方法，来优化噪声性能，提高灵敏度。具体措施如图3中所示，采用电流注入技术，在 M1漏极注入一路额外的电流I₀，增大了输入管M1的跨导。但是，在晶体管漏极电流密度相同的条件下，电流的增大意味着晶体管尺寸的增加，寄生电容的增大。根据公式(9)，寄生电容增大也会增大晶体管的等效输入噪声。

当米勒电容较小时，晶体管的寄生电容主要由栅极和源极的寄生电容决定。但是，随着晶体管沟道长度的减小，晶体管的栅漏电容也越来越大。并且，由于电流注入技术的引入，晶体管M1的跨导远远大于晶体管M2的跨导，晶体管M1的尺寸大概为晶体管M2的50-55倍左右。由栅极和漏极间寄生电容引起的米勒电容远远大于栅极和源极的电容。为减小米勒电容，本技术方案设计了辅助放大器，减小因为提高跨导g_m1而增加的米勒电容，也进一步优化了噪声性能。

辅助放大器由晶体管M5、电阻R3构成，辅助放大器增大了晶体管M2的等效跨导，具有辅助放大器的共源共栅输入级输入电容大小为

为了减小寄生电容，晶体管M1、M2都取最小沟道长度。因此，输入寄生电容大小即为

式中：W₁为晶体管M1沟道宽度；L₁为晶体管M1沟道长度；C_OX为晶体管的单位面积栅氧化层电容；C_OV为晶体管单位长度的交叠电容。没有辅助放大器的电流电压放大电路输入电容为

对比公式(11)和公式(12)，可以得出，辅助放大器减小了电流注入技术带来的米勒效应，使得电流电压放大电路在带宽不减少的前提下，最大程度优化了气体参数检测传感器电流电压转换电路的噪声性能，实现了提高精度的目的。

Claims (5)

1.一种用于传感器的电流电压转换电路，包括电流电压转换电路的输出端V_OUT和输入端I_IN；其特征在于：所述的输出端V_OUT和输入端I_IN之间连接有共源共栅输入级和源极跟随器；所述的共源共栅输入级连接有偏置电路,所述的偏置电路采用的是辅助电压放大器,辅助电压放大器由晶体管M5和电阻R3构成。

2.根据权利要求1所述的一种用于传感器的电流电压转换电路，其特征在于：所述的共源共栅输入级由晶体管M1、M2和电阻R1组成；所述的源极跟随器由晶体管M3、M4和负载电阻R2组成。

3.根据权利2所述的一种用于传感器的电流电压转换电路，其特征在于：所述的晶体管M2和电阻R1并联有固定的直流电流源I0，固定的直流电流源I ₀与晶体管M1的漏极连接，将直流电流源I ₀注入到晶体管M1中。

4.根据权利3所述的一种用于传感器的电流电压转换电路，其特征在于：所述晶体管M1的跨导大于晶体管M2的跨导，晶体管M1的尺寸为晶体管M2的50-55倍。

5.根据权利1-4其中任一项所述的一种用于传感器的电流电压转换电路，其特征在于：所述的电流电压转换电路的输出端V_OUT和输入端I_IN之间并联有反馈跨阻R_F。