CN1107892C - 将电压转换为多个电流输出的电压/电流转换电路 - Google Patents

将电压转换为多个电流输出的电压/电流转换电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种由电压转换得到多个电流输出的绝对值电压/电流转换电路。对正极性输入电压，用运算放大器和多输出电流镜像电路构成反相电压/电流转换电路，为得到其值为转换后电流值1/n的电流。对于负极性输入电压，用运算放大器和n个双极型晶体管构成同相电压/电流转换电路。转换后电流在n个双极型晶体管之间分配，得到每个晶体管的输出电流，为转换后电流的1/n。

Description

将电压转换为多个电流输出的电压/电流转换电路
技术领域
本发明涉及电压/电流转换电路，更具体地说，涉及用来将输入电压转换为多个电流输出的电压/电流转换电路。
背景技术
在日本公开号为昭61-45314的专利申请中，公开了一种将输入电压转换为输入电流，同时得到电压绝对值的电路。图4所示是绝对值电压/电流转换电路的电路图。在该绝对值电压/电流转换电路中，电阻R6的一端与输入电压端Vin相连，而该电阻的另一端则与运算放大器A3的反相输入端、NPN晶体管Q1的基极与集电极、NPN晶体管Q2的基极，以及NPN晶体管Q3的发射极连在一起。A3的同相端与参考电压端(在此情况下就是大地)相连。A3的输出端与Q1的发射极、Q2的发射极以及Q3的基极相连。该转换电路将Q2与Q3的集电极连在一起并将其用作输出端Io。
在这个例子中，当输入电压Vin的极性为正时，晶体管Q1和Q2进入导通状态，而晶体管Q3则进入截止状态。这是因为Q1是处于导通状态，从而Q3的发射结和基结是处于反偏置状态。因为A3通过Q1实现负反馈，假设晶体管的共射极电流放大因子(hFE)有非常大的值而使得其影响可以忽略，A3的反相输入就变为虚地状态，从而由Vin/R6所提供的电流就流入Q1。此外，晶体管Q1和Q2构成了一个电流镜像电路，从而使与Q1的集电极电流有相同值的电流流入Q2的集电极而用作输出电流Iout。相反，当输入电压的极性为负时，Q3就进入导通状态，而Q1和Q2就变为截止状态。因为A3通过Q1的基射极实现负反馈，A3的反相输入就再次变为虚地状态。结果由Vin/R6所提供的与输入电压Vin为正极性时有相同表达式的输出电流Iout就从输出端Io通过Q3的集电极输出。
综上所述，在输入电压Vin和输出电压Iout之间的关系由下式(1)给出：
               Iout＝|Vin|/R6                          (1)
换言之，输入电压Vin的绝对值被电阻R6转换为一个电流，而输入电压Vin与输出电流Iout之间的关系如图5所示。这里需要提醒的是上面等式(1)的结果近似等于下式所给出的严密的表达式。
        Iout＝(Vin+/R6)[hFE/(1+hFE)]   当(Vin＞0)，    (2)
        Iout＝(-Vin-/R6)[hFE/(1+hFE)]  当(Vin＜0)，    (3)
在上式中，R6是电阻R6的阻值，而hFE则是晶体管Q1到Q3的共射极电流放大因子。
在形成集成电路的NPN晶体管中，hFE一般对于即使是约几个mA级的小电流也具有超过100的值，尽管其依赖于发射极的大小。因此，由于hFE造成的偏差对Vin极性为正和负两种情况来说都要小于1％，如式(2)和(3)所示，且关于输入电压极性的对称性是非常精确的，满足等式(1)的有效性。
但是，对于上面的电路，不可能实现多种电流输出。也就是说，根据电流的本质，如果在某一点取用一次电流作为输出，那么就不可能在其它的地方再用它作为另一个输出。相反，对于电压而言，就可以在多个点将其取出作为输出，只要输出电流的容量允许即可。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种电压/电流转换电路，将输入电压的绝对值转换为一个电流可产生多个电流且能够得到多个电流输出。
本发明的另一目的是提供电压/电流转换电路，它可产生多个电流且电路具有简单的结构。
根据本发明的一个方面，提供了一种电压/电流转换电路，包括：接收第一输入电压的第一输入端；连接在所述第一输入端和第一节点之间的第一电阻；以及n个晶体管，其中n是正整数；其特征在于，上述电路还包括：多输出电流镜像电路，其具有一个公共端、连接到与所述第一输入端相连的所述第一节点的输入节点、以及n个第一输出节点，当输入电流是第一极性时，所述多输出电流镜像电路向所述n个第一输出节点中的每一个输出一个第一输出电流，其中，所述n个晶体管具有n个第二输出节点并且连接在所述n个第二输出节点和所述第一输入端之间，每一个所述晶体管的控制节点连接到所述公共端，且当输入电流是第二极性时，所述n个晶体管向所述n个第二输出节点中的每一个输出一个第二输出电流。
当输入电压的极性为正时，电流镜像电路CM进入导通状态，而NPN晶体管Q1到Qn则变为截止状态。输入电压通过电阻R1转换为一个电流，且该电流用作输入到电流镜像电路CM中的输入电流。该电流被电流镜像电路反相以沿吸入电流方向流动，同时电流值减为输入电流的1/n。另一方面，当输入电压的极性为负时，NPN晶体管Q1到Qn进入导通状态，电流镜像电路CM则变为截止状态。输入电压通过电阻R1转换为一个电流，而沿吸入方向的电流从晶体管Q1到Qn的集电极输出。因为被转换的电流在晶体管Q1到Qn中被分配，晶体管Q1到Qn中每一个的电流都等于被转换电流的1/n。在上面已经明确，对于输入电压极性为正和负两种情况而言，在晶体管Q1到Qn中的电流方向与吸入电流的方向一致，最后表明得到了输入电压的绝对值。
附图说明
本发明的上述和其它目的，特征以及优点将从下面结合附图的说明中变得更为显而易见。其中：
图1所示是根据本发明一个实施例的绝对值电压/电流转换电路的电路图；
图2所示是图1中电流镜像电路结构的电路图；
图3所示是根据本发明另一个实施例的绝对值电压/电流转换电路的电路图；
图4所示是现有技术的绝对值电压/电流转换电路的电路图；和
图5所示是图4中电路的输入/输出电压特性。
具体实施方式
下面，参考附图对发明的实施方案进行详细地说明。
图1所示是根据本发明第一个实施例的绝对值电压/电流转换电路的电路图。该电路包括一个电阻R1，其一端与一个输入电压端相连，一运算放大器A1，其反相输入端与电阻R1的另一端及一具有n个输出的电流镜像电路CM的一个输入端相连，其同相输入端接地，其输出与电流镜像电路CM的公共端相连，以及n个单元的NPN双极型晶体管Q1到Qn，它们各自的基极共同与运算放大器A1的输出相连，而它们各自的发射极则共同与运算放大器A1的反相输入端相连。这里，输入电流与输出电流的比设为n∶1。这个转换电路的输出端由电流镜像电路CM的n个输出端和晶体管Q1到Qn的n个集电极组成。
下面说明这个电路的操作。首先考虑的是加到输入电压端Vin的电压为正极性的情况。在这一情况下，运算放大器A1通过其输入端和电流镜像电路CM的公共端实现了负反馈。由于这一原因，运算放大器A1的反相输入端就与其同相输入端有理想的短路关系，从而使反相输入端的电位与同相输入端的电位相等。因此，流过电阻R1的电流I1就由下式给出：
                I1＝Vin/R1                         (4)
因为流到运算放大器A1输入端的电流是nA级的，几乎可以忽略不计，实际上流经电阻R1的整个电流I1用作电流镜像电路CM的输入电路。电流镜像电路CM的输入电流与输出电流之比如上所述为1∶1/n，而它们的极性彼此是相反的，这样输出电流Io由下式给出
              Io＝-I1/n＝-Vin/(nR1)。               (5)
在这种情况下，电流镜像电路CM的输入端与输出端的电位差尽管是随着电路的形式而变，但至少要高于0.7V。结果，晶体管Q1到Qn的发射极与基极被高于0.7V的电压反向偏置，从而使晶体管Q1到Qn变为截止状态。因此，集电极电流变为零。
下面，将讨论负极性电压(-Vin)输入到输入端的情况。在这种情况下，运算放大器A1通过其各自基极和发射极分别共同连接的晶体管Q1到Qn实现了负反馈。然后，运算放大器A1的反相输入端就变为与同相输入端有和前面一样的虚短状态，而反相输入端的电位就变为与同相输入端一样的地电位。因此，流过电阻R1的电流I1就与上式(4)中的所给出的一样。因为流入运算放大器A1输入端的电流约为nA(纳安)级的，几乎可以忽略，流过电阻R1的电流I1就用作晶体管Q1到Qn的发射极电流。如果假设各晶体管Q1到Qn非常好地匹配，电流I1就在这些晶体管间均匀地分配，以给各晶体管Q1到Qn提供一发射极电流IE，从而
                    IE＝I1/n                        (6)
如果假设共射极电流放大因子hFE的值足够大，以使其效应能够被忽略，那么从晶体管集电极输出的电流Io就可以表示成：
                    Io＝IE＝I1/n＝-Vin/(nR1)，     (7)这与式(5)是一样的。换言之，输出电流的极性与输入电压的极性是相同的，因而最终可以说，只要电流镜像电路CM的输出数目等于晶体管Q1到Qn的数目，输入电压的绝对值就被转换为电流。
应当注意上述说明的有效性是随着晶体管Q1到Qn特性的一致性情况而变化的。当上述电路集成化时，就可以有效地实现在同一片上多个晶体管特性的一致。
如上所述，通过增加电流镜像电路的输出数目和将电压转换为电流的晶体管Q1到Qn的数目，就有可能增加电流输出的数目。
图2所示是电流镜像电路CM在两个输出(n＝2)情况下的实施例，其中电流镜像电路的输入电流与输出电流之比1∶0.5∶0.5。参考图2，该电流镜像电路包括NPN晶体管Q4到Q7，它们的基极和发射极分别共接，还有一个NPN晶体管Q8，其基极与晶体管Q4和Q5的集电极共接，其发射极则与晶体管Q4到Q7的基极共接，其集电极则与正电源Vcc相连接。晶体管Q4和Q5的集电区的公共结以及晶体管Q8的基极用作电流输入端，而晶体管Q6和Q7各自的集电极则分别用作第一和第二输出。晶体管Q8用来为晶体管Q4到Q7提供基极电流，还用来减少由于共射极电流放大系数hFE造成的误差。电流镜像电路在此情况下的输出电流Io和输入电流Iin之间的关系由下式给出。 Io = Iin ( 1 2 + 4 hFE ( hFE + 1 ) ) - - - ( 8 )
如果假设共射极电流放大系数hFE的一般值为200，等式(8)就变为：
                     Io＝0.499975Iin                (9)
其与下面的目标值只有0.005％的误差：
                     Io＝0.5Iin                     (10)
因此，可以认为等式(10)已经在实质上实现了。
在得到上述结果时，假设晶体管Q4到Q7的特性是彼此非常一致的。如上所述，当电路集成时，就实现了在同一片上多个晶体管特性的匹配。
在图2中，描述了n＝2的特定情况。为了实现任意n值的一般情况，只需要提供一电流镜像电路的输入，配置n单元的晶体管(在图2例子中的Q4和Q5)，各晶体管的集电极，基极，以及发射极分别共接，并配置n单元的晶体管(在图2例子中的晶体管Q6和Q7)，其基极和发射极分别共接。
下面参考图3，将说明本发明的第二个实施例。在此图中，与图1相一致的元件标以相同的符号，以省略后面的说明。参考图3，该实施例包括一个电阻R2，其一端与第一电压输入端相连，一电阻R4，其一端与第二输入电压端相连，电阻R3和R5各自的一端与电阻R2和R4各自的另一端相连，而它们各自的另一端则与地电位相连，一运算放大器A2的反相输入端与电阻R2和R3以及多输出电流镜像电路CM的输入端的结点相连，其同相输入端与电阻R4和R5的结点相连，其输出端与电流镜像电路CM的公共端相连，还有n个NPN晶体管，其基极与运算放大器A2的输出共接。此外，电流镜像电路CM的输入与输出电流之比设为n∶1。
下面将详细说明此电路的运算。首先，运算放大器A2的同相端输入端电压V+是电阻R3和R5的输入电阻对输入电压的分压。因此，V+由下式给出
               V+＝Vin2 R5/(R4+R5)                 (11)
这里Vin2是对第二输入电压端的电压输入。
因为运算放大器A2的反相输入端的电压与其同相输入端的电位有虚短关系，两个端子的电位相等，即：
               V-＝V+                              (12)
如果电流镜像电路CM运算放大器的A2输入端的电流或晶体管Q1到Qn中的电流称为Iin，它的值通过从流过电阻R2的电流I2中减去电阻R3上电流I3得到。结果有下面的关系
               Iin＝I2-I3
                  ＝{Vin-Vin R5/(R4+R5)}/R2-
                    {Vin R5/R3(R4+R5)}              (13)
通过代入Vin1(第一输入端的输入电压)和Vin2式(13)则表示为 Iin = 1 R 2 { Vin 1 - Vin 2 ( R 5 R 4 + R 5 + R 5 R 4 + R 5 · R 2 R 3 ) } - - - ( 14 )
如果将电阻值设为满足R4/R5＝R2/R3和R2＝R，电流镜像电路的输出电流和晶体管Q1到Qn的集电极电流Iout由下式给出
               Iout＝(Vin1-Vin2)/nR                 (15)
因为从输入电压得到输出电流绝对值的规律与第一实施例中一样，所以后面的说明就省略了。
对图3中的实例，以此方式，可以实现差分电压到电流绝对值间的转换。
如上所述，根据本发明，转换系数可以通过设置输入电流与输出电流比值与输出数目成比例而在正输入电压和负输入电压两种情况下都一样，结果就可以在将输入电压转换为绝对电流值的电路中得到多个电流输出。
尽管参考特定的实施例对本发明作了说明，本说明并没有限定的意思。对所公开的实施例以及本发明其它实施例的各种修改对于本领域熟练的技术人员参考本发明的说明书之后都是显而易见的。因此，所附权利要求将涵盖所有在本发明真正范围内的修改或实施例。

Claims (8)

1.一种电压/电流转换电路，包括：
接收第一输入电压的第一输入端；
连接在所述第一输入端和第一节点之间的第一电阻；以及
n个晶体管，其中n是正整数；
其特征在于，上述电路还包括：
多输出电流镜像电路，其具有一个公共端、连接到与所述第一输入端相连的所述第一节点的输入节点、以及n个第一输出节点，当输入电流是第一极性时，所述多输出电流镜像电路向所述n个第一输出节点中的每一个输出一个第一输出电流，其中，
所述n个晶体管具有n个第二输出节点并且连接在所述n个第二输出节点和所述第一输入端之间，每一个所述晶体管的控制节点连接到所述公共端，且当输入电流是第二极性时，所述n个晶体管向所述n个第二输出节点中的每一个输出一个第二输出电流。
2.如权利要求1所述的电压/电流转换电路，其特征在于还包括一运算放大器，其具有与所述第一节点相连的第一端、与参考电压相连的第二端、和与所述公共端相连的输出端。
3.如权利要求1所述的电压/电流转换电路，其特征在于还包括：接收第二输入电压的第二输入端；具有一个与所述第一节点相连的第一端、一个第二端和一个与所述公共端相连的输出端的运算放大器；连接在所述第一端和参考电压端之间的第四电阻；连接在所述第二端和所述参考电压端之间的第二电阻；连接在所述第二输入端和所述第二端之间的第三电阻。
4.如权利要求2所述的电压/电流转换电路，其特征在于，所述n个晶体管是双极性晶体管。
5.如权利要求3所述的电压/电流转换电路，其特征在于，所述n个晶体管是双极性晶体管。
6.如权利要求2所述的电压/电流转换电路，其特征在于，基于所述输入电压的输入电流与所述第二输出电流的比被设置为n∶1。
7.如权利要求3所述的电压/电流转换电路，其特征在于，基于所述输入电压的输入电流与所述第二输出电流的比被设置为n∶1。
8.如权利要求1至7中任何一项所述的电压/电流转换电路，其特征在于，所述多输出电流镜像电路输出具有与所述第一输出电流相同大小的所述第二输出电流。
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