CN112445265B - 电压-电流转换器及电子组件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有互补电流镜的电压‑电流转换器。公开了包括两个电流镜的电压‑电流转换器。在示例电压‑电流转换器中，每个电流镜是互补电流镜，因为其输入晶体管和输出晶体管中的一个是P型晶体管，并且另一个是N型晶体管。这种电压‑电流转换器可以使用双极技术、CMOS技术或双极技术和CMOS技术的组合来实现，并且可以制造得足够紧凑和精确，同时在足够低的电压下工作并且消耗有限的功率。

Description

电压-电流转换器及电子组件
相关申请的交叉引用
本申请涉及2019年9月4日提交的、名称为“具有互补电流镜的电压-电流转换器(VOLTAGE-TO-CURRENT CONVERTER WITH COMPLEMENTARY CURRENT MIRRORS)”的第62/895,576号美国专利申请，其公开内容通过整体引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及电子学，并且更具体地涉及电压-电流转换器。
背景技术
电压-电流转换器是一种产生与一定电压相对应或成比例的电流的设备。这种转换器可以用于许多应用，特别是在仪器电路中，其中模拟信号用作物理测量的表示，诸如光、温度、压力、流量、重量、运动等。例如，电压-电流转换器可以用于光检测和测距(LIDAR)系统。具体而言，一个或多个电压-电流转换器可以用在LIDAR接收器的跨阻放大器(TIA)中或与之相关联。
附图说明
为了提供对本公开及其特征和优点的更完整理解，结合附图参考以下描述，其中相同的附图标记表示相同的部分，其中：
图1是根据本公开的一些实施例的LIDAR接收器信号链的示意图。
图2是示出了响应于单极性输入的TIA的差分输出的曲线图。
图3是示出了响应于具有输出偏移的单极性输入的TIA的差分输出的曲线图。
图4是用运算放大器实现的电压-电流转换器的电路图。
图5是具有NPN电流镜和PNP电流镜的电压-电流转换器的电路图。
图6是具有NPN电流镜、PNP电流镜和附加的二极管连接的晶体管的电压-电流转换器的电路图。
图7是根据本公开的一些实施例的在输入端具有两个互补电流镜和PNP晶体管的电压-电流转换器的电路图。
图8是根据本公开的一些实施例的在输入端具有两个互补电流镜和NPN晶体管的电压-电流转换器的电路图。
图9是根据本公开的一些实施例的在输入端具有两个互补电流镜和PMOS晶体管的电压-电流转换器的电路图。
图10是根据本公开的一些实施例的在输入端具有两个互补电流镜和NMOS晶体管的电压-电流转换器的电路图。
图11是根据本公开的一些实施例的示例LIDAR系统的示意图。
图12是根据本公开的一些实施例的与汽车集成的LIDAR系统的图示。
具体实施方式
概述
本公开的系统、方法和设备每个都具有几个创新方面，其中没有一个单独的方面对本文公开的所有期望属性负责。本说明书中描述的主题的一个或多个实现的细节在以下描述和附图中阐述。
本公开的实施例提供了具有互补电流镜的电压-电流转换器。本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器的精确设计可以以许多不同的方式实现，所有这些都在本公开的范围内。在根据本公开的各种实施例的设计变型的一个示例中，可以为具有互补电流镜的电压-电流转换器的每个晶体管单独地选择采用双极晶体管(例如，其中各种晶体管可以是NPN晶体管或PNP晶体管)、场效应晶体管(FET)，例如，金属氧化物半导体(MOS)技术晶体管(例如，其中各种晶体管可以是N型MOS(NMOS)晶体管或P型MOS(PMOS)晶体管)，或者一个或多个FET和一个或多个双极晶体管的组合。有鉴于此，在以下描述中，有时参考晶体管的第一端子、第二端子和第三端子来描述晶体管。如果晶体管是双极晶体管，则术语晶体管的“第一端子”用于指发射极端子，如果晶体管是FET，则指源极端子；如果晶体管是双极晶体管，则术语晶体管的“第二端子”用于指集电极端子，如果晶体管是FET，则指漏极端子；并且如果晶体管是双极晶体管，术语晶体管的“第三端子”用于指基极端子，如果晶体管是FET，则指栅极端子。无论给定技术的晶体管是N型晶体管(例如，如果晶体管是双极晶体管，则是NPN晶体管，如果晶体管是FET，则是NMOS晶体管)，还是P型晶体管(例如，如果晶体管是双极晶体管，则是PNP晶体管，如果晶体管是FET，则是PMOS晶体管)，这些术语保持相同。在另一示例中，在各种实施例中，对于具有互补电流镜的电压-电流转换器的每个晶体管，可以分别选择将哪些晶体管实现为N型晶体管(例如，实现为FET的晶体管的NMOS晶体管，或者实现为双极晶体管的晶体管的NPN晶体管)，以及将哪些晶体管实现为P型晶体管(例如，实现为FET的晶体管的PMOS晶体管，或者实现为双极晶体管的晶体管的PNP晶体管)。在另外的其他示例中，在各种实施例中，可以选择采用哪种类型的晶体管架构。例如，如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器中实现为FET的任何晶体管可以是平面晶体管，也可以是非平面晶体管(后者的一些示例包括FinFET、纳米线晶体管或纳米带晶体管)。
本公开的一个方面提供了一种包括两个电流镜的电压-电流转换器，其中每个电流镜是互补电流镜，因为它利用了一对晶体管，其中一个晶体管是N型晶体管，并且另一个晶体管是P型晶体管。在各种实施例中，这种电压-电流转换器可以使用双极技术、FET技术或双极技术和FET技术的组合来实现。根据本文公开的各种实施例的电压-电流转换器可以制造得足够紧凑和精确，并且可以在足够低的电压下工作，同时仅消耗有限的功率。
本公开的其他方面提供了系统，例如LIDAR系统(特别是LIDAR接收器)，其可以包括如本文描述的一个或多个电压-电流转换器，以及操作这种系统的方法和使用这种系统确定到至少一个物体的距离的方法。虽然本公开的一些实施例将LIDAR作为示例系统(其中可以实现如本文描述的电压-电流转换器)，但是在其他实施例中，如本文描述的电压-电流转换器可以在除LIDAR之外的系统中实现，所有这些实施例都在本公开的范围内。
如本领域技术人员将理解的，本公开的方面，特别是本文提出的电压-电流转换器的方面，可以以各种方式实施，例如作为方法、系统、计算机程序产品或计算机可读存储介质。因此，本公开的各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件、微代码等)或结合软件和硬件方面的实施例的形式，这些方面在本文中通常称为“电路”、“模块”或“系统”。本公开中描述的功能可以实现为由一个或多个计算机的一个或多个硬件处理单元(例如一个或多个微处理器)执行的算法。在各种实施例中，本文描述的每个方法的不同步骤和步骤的部分可以由不同的处理单元来执行。此外，本公开的各方面可以采取在一个或多个计算机可读介质中实现的计算机程序产品的形式，计算机可读介质优选地是非暂时性的，其上实现(例如存储)计算机可读程序代码。在各种实施例中，可以例如将这样的计算机程序下载(更新)到现有的设备和系统(例如，到现有的接收器、LIDAR系统和/或它们的控制器等)，或者在制造这些设备和系统时存储这样的计算机程序。
以下详细描述呈现了特定的某些实施例的各种描述。然而，本文描述的创新可以以多种不同的方式(例如，如精选示例定义和覆盖的方式)来体现。在下面的描述中，参考附图，其中相同的附图标记可以表示相同或功能相似的元件。应理解，附图中所示的元件不一定是按比例绘制的。此外，应理解，某些实施例可以包括比附图中所示更多的元件和/或附图中所示元件的子集。进一步地，一些实施例可以结合来自两个或更多附图的特征的任何合适的组合。
该描述可以使用短语“在一个实施例中”或“在多个实施例中”，它们可以各自指代一个或多个相同或不同的实施例。除非另有说明，否则使用序数形容词“第一”、“第二”和“第三”等来描述一个共同的对象，仅仅表示所指的是相似对象的不同实例，并不意味着如此描述的对象必须在时间上、空间上、等级上或以任何其他方式处于给定的序列中。此外，为了本公开的目的，短语“A和/或B”或符号“A/B”是指(A)、(B)或(A和B)，而短语“A、B和/或C”是指(A)、(B)、(C)、(A和B)、(A和C)、(B和C)或(A、B和C)。如本文所使用，符号“A/B/C”是指(A、B和/或C)。当涉及测量范围时，术语“之间”包括测量范围的终点。
使用本领域技术人员通常采用的术语来描述说明性实施例的各个方面，以向本领域其他技术人员传达其工作的实质。例如，术语“连接”是指连接的事物之间的直接电连接，没有任何中间设备/组件，而术语“耦合的”是指连接的事物之间的直接电连接，或者通过一个或多个无源或有源中间设备/组件的间接连接。在另一示例中，术语“电路”表示一个或多个无源和/或有源组件，它们布置成彼此协作以提供期望的功能。有时，在本说明书中，术语“电路”可以省略(例如，电流镜电路可以简称为“电流镜”等)。如果使用术语“基本上”、“大约”、“约”等的话，可以用于一般地指在目标值的+/-20％之内，例如，在目标值的+/-10％之内，这要基于如本文描述或本领域已知的特定值的上下文。
电压-电流转换器的示例使用
为了说明本文提出的具有互补电流镜的电压-电流转换器，首先理解可以使用电压-电流转换器的设置以及当执行电压-电流转换时可能出现的现象可能是有用的。以下基础信息可以被视为可以适当解释本公开的基础。提供这种信息仅仅是为了解释的目的，因此，不应该以任何方式解释为限制本公开及其潜在应用的广泛范围。
如以上描述，电压-电流转换器可以用于LIDAR系统。LIDAR是指一种测量方法，它通过用光(例如光脉冲)照射目标物体并用传感器测量反射光来测量到目标物体的距离。然后，激光返回时间和波长的差异可以用于确定到物体的距离和/或制作物体的数字三维表示。LIDAR系统用于各种情况。例如，LIDAR系统可以用于飞机、汽车、双筒望远镜或单筒望远镜等。
图1是根据本公开的一些实施例的LIDAR接收器100的示意图。LIDAR接收器通常包括光学传感器，例如，雪崩光电二极管(APD)102、TIA 104和模数转换器(ADC)104。光学传感器102可以配置为接收从物体反射的光脉冲，并将该光脉冲转换成电流脉冲。如图1所示，在一些实施例中，光学传感器102可以将其阴极连接到TIA 104的输入端口(TIA 104的输入端口在图1中用标记为“103”的白点示出)。因此，光学传感器102负偏置，并且可以从TIA 104吸收电流。虽然在本图中没有具体示出，但是在其他实施例中，光学传感器102可以使其阳极连接到TIA 104的输入端口；因此，光学传感器102将正向偏置，并且可以向TIA 104提供电流。
TIA 104可以配置为放大来自光学传感器102的电流脉冲并提供电压脉冲。在一些实施例中，如图1所示，TIA 104可以是分流-分流反馈TIA。这种TIA可以包括放大电路105和电耦合在放大电路105的输入端和放大电路105的输出端之间的反馈电阻器(RT)107。放大电路105的输出端可以电连接到ADC驱动器109的输入端。放大电路105可以包括一个或多个放大器。ADC驱动器109可以配置为驱动ADC 106。例如，在向ADC 106提供驱动信号之前，ADC驱动器109可以执行单-差分转换。ADC106可以将接收到的脉冲转换成数字信号。可以将数字信号提供给数字信号处理器(图1中未示出)。
在一些情况下，光学传感器102可以响应于背景光产生直流(DC)电流。除非用输入偏移电流(例如，使用如图1所示的电流源I1)抵消此DC电流，否则TIA的线性范围可能会受到影响。所需的输入偏移电流I1可能会发生变化，并且因此，可能需要在TIA 104的操作期间进行控制。输入偏移电流可以用外部电压来控制。具体而言，电压-电流转换器可以用于将外部控制电压转换成电流，然后将该电流用作输入偏移电流，以减少或消除响应背景光而产生的DC电流。
除了如以上描述使用电压-电流转换器来产生用于抵消DC电流的输入偏移电流之外，电压-电流转换器也可以用于产生输出偏移电流，如参考图2和图3所解释的那样。通常，光学传感器102仅在一个方向上产生电流(即，光学传感器102将电流吸收到TIA 104，或者从TIA 104提供电流)，在这种情况下，TIA 104接收指示由光学传感器102产生的电流的单极输入。TIA 104然后产生差分输出，其中图2是示出TIA响应单极性输入的差分输出200的曲线图。如图2所示，差分TIA的标称平衡输出的响应表明，单极性输入的差分输出有效地浪费了提供给输出端200的ADC 106的输入信号范围的一半。ADC 106的输入信号范围可以通过用输出偏移电流(例如，使用图1所示的电流源I2)来修改(通常称为“倾斜”)TIA 104来更好地利用。通过使用输出偏移电流，差分TIA的倾斜输出的响应变成差分输出300，如图3所示。类似于输入偏移电流I1，所需的输出偏移电流I2可能会发生变化，因此，可能需要在TIA104的操作期间进行控制，这可以使用外部电压来完成。为此，可以使用另一个电压-电流转换器来基于外部电压产生输出偏移电流。应注意，在其他实施例中，电压-电流转换器(例如，本文描述的任何电压-电流转换器)可以用于产生输出偏移电流，不将该输出偏移电流施加到放大电路105或者除了将输出偏移电流施加到该放大电路之外，将该输出偏移电流施加在放大器109的输入端或输出端。
如上所述，每个LIDAR接收器，特别是每个LIDAR接收器的TIA 104，可以使用两个电压-电流转换器——一个用于DC电流抵消，以减少由光学传感器102感测的背景光的影响，另一个用于倾斜TIA 104的输出，以更好地利用ADC 106的输入信号范围。由于现代LIDAR系统有许多这样的接收器(有时也可以互换地称为“通道”)，每个接收器都需要两个电压-电流转换器，因此需要一种可以在低电压下工作，同时消耗最小的功率的精确而紧凑的转换器。
标准电压-电流转换器
将输入电压转换为电流的标准解决方案是用运算放大器将输入电压复制到电阻上，然后通过同一个运算放大器调节的晶体管将通过此电阻器的电流传递到输出端，如图4所示。图4是具有运算放大器410的电压-电流转换器400的电路图。通过使用运算放大器410将输入电压复制到电阻器406(R0)，将在输入端子402处提供的输入电压在输出端子404处转换成输出电流。
更简单的布置可以包括电流镜，该电流镜提供输出电流以及偏置输入发射极跟随器的反馈电流。在图5所示的这种电路的示例中，提供了电压-电流转换器500的电路图，该电压-电流转换器具有NPN电流镜510和PNP电流镜520。电流镜510称为“NPN电流镜”，因为电流镜510的两个晶体管(在图5中指定为晶体管Q10和Q11)都是NPN晶体管。类似地，电流镜520称为“PNP电流镜”，因为电流镜520的两个晶体管(在图5中指定为晶体管Q20和Q21)都是PNP晶体管。类似于图4，图5示出了输入电压502和输出电流504。
NPN电流镜510(晶体管Q11的发射极面积与晶体管Q10的发射极面积的比率为1:1)和PNP电流镜520(晶体管Q21的发射极面积与晶体管Q20的发射极面积的比率为2:1)可以以与输出电流相同的电流偏置输入发射极跟随器Q0和转换电阻器R0，输出电流为：
Figure GDA0003513723720000071
其中，Vin是电压-电流转换器500的输入电压，Iout是电压-电流转换器500的输出电流，Ro是电压-电流转换器500中所示的电阻器的电阻，VBE0是输入晶体管Q0(在图5的图示中实现为PNP晶体管)的基极-发射极电压，并且VBE10是晶体管Q10(在图5的图示中实现为NPN晶体管)的基极-发射极电压。
为了制作精确的电压-电流转换器，需要消除上述等式右侧的第二项，即基于晶体管Q0和Q10的基极-发射极电压差的项。晶体管的基极-发射极电压基于晶体管的饱和电流(IS)，该饱和电流是双极晶体管的基本参数之一。通常，相同尺寸(例如，发射极面积)的NPN晶体管和PNP晶体管具有不同的饱和电流，因此具有不同的基极-发射极电压。因此，上述等式右侧的第二项是误差项，指示电压-电流转换器500可能遭受由PNP晶体管和NPN晶体管的不相等饱和电流引起的基极-发射极电压(VBE)的偏移。
电压-电流转换器500的基极-发射极电压的差异可以通过改变NPN晶体管和PNP晶体管的掺杂分布和/或发射极面积来匹配NPN晶体管和PNP晶体管的饱和电流来减小。然而，这种匹配可能并不总是适用于变化的过程、温度或不同的工作条件，并且因此仍可能在电压-电流转换中引入误差。
在图5中，用于示出晶体管Q21的发射极的两个箭头用于表示晶体管Q21的发射极面积与晶体管Q20的发射极面积的比率为2:1。另一方面，仅一个用于示出晶体管Q11的发射极的箭头表示晶体管Q11的发射极面积与晶体管Q10的发射极面积的比率为1:1。如本领域所知，所述发射极比率表示使用双极晶体管实现的电流镜的电流增益。一般而言，电流镜的电流增益是一个倍增因子，通过该因子，倍增提供给电流镜的输入电流Iin，以产生电流镜的输出电流Iout。电流增益为N的电流镜是指电流镜的输入电流和输出电流之间的关系为Iout＝N×Iin。一般而言，电流镜的电流增益可以是大于0的任何正数，该值可以是但不一定是整数。对于双极实现实施例(即，当电流镜的输入晶体管和输出晶体管是双极晶体管时)，电流镜的电流增益值可以指示(例如，等于或基于)输出晶体管的发射极面积与输入晶体管的发射极面积的比率。例如，电流镜510的电流增益基于输出晶体管Q11的发射极面积与输入晶体管Q10的发射极面积的比率，而电流镜520的电流增益基于输出晶体管Q21的发射极面积与输入晶体管Q20的发射极面积的比率。在电流镜的电流增益大于0但小于1的实施例中，将输入信号乘以电流增益(以产生电流镜的输出信号)意味着衰减输入信号。在电流镜的电流增益大于1的实施例中，将输入信号乘以电流增益(以产生电流镜的输出信号)意味着增加或获得输入信号。除了基于发射极面积的比率(或纵横比，对于FET实现来说)，电流镜的电流增益值可以进一步基于包括在每个晶体管的第一端子(例如发射极)和电源电压之间的一个或多个电阻器的值。如何以这种方式使用电阻器来改变电流增益在本领域中是众所周知的，并且不改变本文描述的任何电压-电流转换器的操作原理。因此，这些电阻器没有在附图中示出。
在图6所示的电压-电流转换器600中示出了对图5的电路的修改，其中添加了附加的二极管连接的晶体管，每个基极-发射极结串联(否则转换器600与图5所示的相同)。这些附加的二极管连接的晶体管在图6中示出为晶体管Q1和晶体管Q2。虽然增加二极管连接的晶体管Q1和Q2可以消除电压-电流转换器500中存在的误差项，但是这种解决方案会增加元件数量，需要更多的集成电路芯片面积，并且限制给定电源电压的最大输入电压。
具有互补电流镜的电压电流转换器
本公开的实施例基于采用消除晶体管Q0和Q10之间的VBE偏移的方法来实现精确的电压-电流转换器。具体而言，图7至图10中的每一个都示出了电压-电流转换器，其中可以使用互补电流镜来消除VBE偏移。图7至图10示出了这种电压-电流转换器的不同实施例，其中这些附图中示出的实施例基于用于实现晶体管的技术(例如，图7和图8示出了双极晶体管，而图9和图10示出了FET)以及基于电压-电流转换器的输入晶体管Q0是否是N型晶体管的P型(例如，图7和图9示出了作为输入晶体管Q0的P型晶体管，而图8和图10示出了作为输入晶体管Q0的N型晶体管)来区分。
一般而言，如本文描述的具有两个互补电流镜的电压-电流转换器中的任一个包括电压-电流转换器的输入晶体管(例如，参考图7和图8描述的实施例的晶体管Q0，或参考图9和图10描述的实施例的晶体管M0)，电压-电流转换器的输出晶体管(例如，参考图7和图8描述的实施例的晶体管Q22，或参考图9和图10描述的实施例的晶体管M22)，以及两个互补电流镜。两个互补电流镜中的每一个包括输入晶体管(例如，对于参考图7和图8描述的实施例，第一互补电流镜的晶体管Q10和第二互补电流镜的晶体管Q20，或者对于参考图9和图10描述的实施例，第一互补电流镜的晶体管M10和第二互补电流镜的晶体管M20)和输出晶体管(例如，对于参考图7和图8描述的实施例，第一互补电流镜的晶体管Q11和第二互补电流镜的晶体管Q21，或者对于参考图9和图10描述的实施例，第一互补电流镜的晶体管M11和第二互补电流镜的晶体管M21)。
类似于图5所示的电压-电流转换器，对于如本文描述的具有两个互补电流镜的任何电压-电流转换器，第一互补电流镜的输入端(即，第一互补电流镜的输入晶体管的发射极/源极端子)1)经由具有电阻R0的无源电子组件(在本文中称为“电阻器R0”)耦合到电压-电流转换器的输入晶体管的发射极/源极端子，以及2)第二互补电流镜的输出端(即，第二互补电流镜的输出晶体管的集电极/漏极端子(即，第二端子))。同样类似于图5所示的电压-电流转换器，对于如本文描述的具有两个互补电流镜的任何电压-电流转换器，第一互补电流镜的输出晶体管的集电极/漏极端子耦合到第二互补电流镜的输入晶体管的发射极/源极端子。
与图5所示的电压-电流转换器相反，参考图7至图10描述的实施例的第一电流镜和第二电流镜中的每一个都是互补电流镜，因为输入晶体管和输出晶体管中的一个是N型晶体管，而另一个是P型晶体管。进一步地，与图5所示的电压-电流转换器相反，第一互补电流镜的输入晶体管的类型与电压-电流转换器的输入晶体管的类型和电压-电流转换器的输出晶体管的类型相同，并且不同于第二互补电流镜的输入晶体管的类型。因此，第一互补电流镜的输入晶体管的类型与第二互补电流镜的输出晶体管的类型相同。与图5所示的电压-电流转换器的另一个不同之处在于，对于参考图7至图10描述的每个实施例，电压-电流转换器的输出晶体管耦合到第二互补电流镜，特别是耦合到：1)第二互补电流镜的输入晶体管的发射极/源极端子，和2)第二互补电流镜的输出晶体管的基极/栅极端子(即，第三端子)中的每一个。以这种方式，第二互补电流镜的输入晶体管和电压-电流转换器的输出晶体管形成另一个第三电流镜，对于该第三电流镜，前者晶体管是输入晶体管，后者晶体管是输出晶体管。
对于如本文描述的具有两个互补电流镜的任何电压-电流转换器，电阻器R0可以包括多个组件。例如，在一些实施例中，电阻器R0可以包括与电阻器串联的一个或多个二极管，用于非线性转换。在另一示例中，在一些实施例中，电阻器R0可以包括并联连接的多个电阻器。在一些进一步的实施例中，为了实现可编程电阻R0，可以单独控制(例如，通过开关)这种并联电阻器以与其他电阻器连接或断开。因此，一般而言，如本文描述的具有两个互补电流镜的任何电压-电流转换器中的电阻器R0可以包括一个或多个电阻器以及任意数量的其他组件，诸如二极管和/或开关。
如本文描述的具有两个互补电流镜的各种类型的任何电压-电流转换器的晶体管的布置确保了双极晶体管实现的基极-发射极电压(或者，等效地，FET晶体管实现的栅极-源极电压)对于所有涉及的晶体管都是相等的，从而消除了上面提供的等式的误差项。结果，可以实现比图5所示更精确的电压-电流转换器，而不必使用附加的晶体管(例如，如图6所示)，也不必实现掺杂分布和发射极面积具有复杂变化的设计。例如，在具有互补电流镜的电压-电流转换器的一些实施例中，将电流复制到转换器的输出中的误差可能被限制为晶体管面积不匹配，通过使用具有足够大面积和仔细布局的晶体管，这可以容易地保持小于约5％，例如小于约1％。
图7是根据本公开的一些实施例的电压-电流转换器700的电路图，其具有两个互补电流镜(710、720)、在输入端的PNP晶体管Q0和在输出端的PNP晶体管Q22。互补电流镜710由双极晶体管Q10和Q11形成，其中输入晶体管(即Q10)是PNP晶体管，并且输出晶体管(即Q11)是NPN晶体管。互补电流镜720由双极晶体管Q20和Q21形成，其中输入晶体管(即Q20)是NPN晶体管，并且输出晶体管(即Q21)是PNP晶体管。类似于图4和图5，图7还示出了输入端702和输出端704，输入端可以施加输入电压Vin，并且输出端可以输出输出电流Iout。图7进一步示出了电流的方向和相对幅度(用箭头示出)，并且提供了电压Vcc的标签706(即，电路的正电源)和电压Vee的标签708(即，电路的负电源)。应注意，通常，电阻器R0两端的电压可以是Vin-Vee。然而，图7将电阻器R0两端的电压示为“Vin”，以指示在一些实施例中，Vee可以处于地电位，在这种情况下，Vin-Vee＝Vin。在电压-电流转换器700中，两个互补电流镜(710、720)可以将所有晶体管保持在相同的基极-发射极电压幅度。在此电路中，晶体管Q0和Q10是PNP晶体管，其可以有利地以相同的电流偏置。因此，输入电压(例如，相对于负电源电压Vee的输入电压，即Vin-Vee)可以基本上没有任何误差地复制到转换电阻器R0上。因此，电阻器电流、输入发射极跟随器的集电极电流(即，图7所示的晶体管Q0的集电极电流)以及电压-电流转换器700的输出端704的输出电流可以是(Vin-Vee)/R0。
基于本文提供的描述和对所提供的电路图的分析，对于本领域普通技术人员来说，关于为什么本文参考图7至图10描述各种实施例的两个互补电流镜的推理应该是显而易见的。然而，为了清楚起见，将参考图7所示的实施例进行解释(类似的解释适用于图8至图10所示的实施例)。在电压-电流转换器700中，晶体管Q0和Q10是相同类型的晶体管(即，两者都是P型晶体管)，这意味着它们可以以相同的电流偏置。由于Q0和Q10进一步具有相同的尺寸(例如，相同的发射极面积)，所以Q0和Q10具有相同的基极-发射极电压，即，VBE0＝VBE10。晶体管Q10和Q11形成第一互补电流镜。在非互补电流镜中(即，在输入晶体管和输出晶体管是相同类型(两者要么是N型要么是P型)的电流镜中)，电流镜的输入电流将输入晶体管偏置到某个基极-发射极电压。由于非互补电流镜的输入晶体管和输出晶体管是相同类型的，并且以相同的基极-发射极电压偏置，所以输入晶体管和输出晶体管具有相同的电流密度。如果非互补电流镜的输入晶体管和输出晶体管具有相同的发射极面积，则输入电流和输出电流的幅度将相等。与非互补电流镜类似，在互补电流镜中，输入晶体管和输出晶体管具有相同的基极-发射极电压幅度(幅度相同但极性不同，例如，VBE对于NPN晶体管可能是正的，但是对于PNP晶体管可能是负的)，但是因为输入晶体管和输出晶体管是相反的类型，所以它们的集电极电流不相等。例如，对于互补电流镜710，VBE11＝-VBE10，并且对于互补电流镜720，-VBE21＝VBE20，其中，如本文所使用的，各种基极-发射极电压VBE的符号中的数字指的是每个电压对应的晶体管的数字(例如，VBE11是晶体管Q11的基极-发射极电压，VBE21是晶体管Q21的基极-发射极电压，等等)。由于Q11和Q20以相同的电流偏置，Q11和Q20也具有相同的基极-发射极电压，因此，VBE11＝-VBE10＝VBE20＝-VBE21。因此，图7中所示的所有晶体管具有相同的基极-发射极电压幅度。
图8是根据本公开的一些实施例的电压-电流转换器800的电路图，其具有两个互补电流镜(810、820)、在输入端的NPN晶体管Q0和在输出端的NPN晶体管Q22。互补电流镜810由双极晶体管Q10和Q11形成，其中输入晶体管(即Q10)是NPN晶体管，并且输出晶体管(即Q11)是PNP晶体管。互补电流镜820由双极晶体管Q20和Q21形成，其中输入晶体管(即Q20)是PNP晶体管，并且输出晶体管(即Q21)是NPN晶体管。图8还示出了输入端802和输出端804，输入端可以施加输入电压Vin，输出端可以输出输出电流Iout，类似于图7。虽然在图8中没有具体示出，但是电压-电流转换器800中的基极-发射极电压的相对幅度将类似于图7中所示的那些，而各种晶体管的基极-发射极电压的符号将与图7中所示的符号相反(因为图7中的所有PNP晶体管被替换为NPN晶体管，并且图7中的所有NPN晶体管被替换为PNP晶体管，以达到图8中所示的电压-电流转换器)。图8进一步提供了电压Vcc的标签806(即，电路的正电源)并且提供了电压Vee的标签808(即，电路的负电源)，其中图8中的Vcc和Vee的指定与图7相反。类似于电压-电流转换器700，在电压-电流转换器800中，两个互补电流镜810、820可以将所有晶体管保持在相同的基极-发射极电压幅度。在此电路中，晶体管Q0和Q10是NPN晶体管，其可以有利地以相同的电流偏置。因此，输入电压(例如，相对于正电源Vcc的输入电压，即Vcc-Vin)可以基本上没有任何误差地复制到转换电阻器R0上。因此，电阻器电流、输入发射极跟随器的集电极电流(即，图8所示的晶体管Q0的集电极电流)以及电压-电流转换器800的输出端804的输出电流可以是(Vcc-Vin)/R0。
类似于图5，在图7和图8中，用于示出晶体管Q21的发射极的两个箭头用于表示，在一些实施例中，晶体管Q21的发射极面积是图中用一个箭头示出的其他晶体管的两倍。例如，在一些实施例中，晶体管Q21的发射极面积可以是晶体管Q0、Q10和Q22中任一个的发射极面积的两倍，导致电压-电流转换器700/800中的每个PNP/NPN晶体管具有相同的电流密度(即，每面积电流)。在其他实施例中，电压-电流转换器700/800中的各种晶体管的发射极面积的一个或多个比率可以不同，以在输出端704/804实现期望的电流衰减或增益。例如，将输出晶体管Q22的发射极面积增加到晶体管Q21的发射极面积的N/2倍(其中N大于1)将导致输出端704/804处的电流增加N倍。例如，如果电压-电流转换器700/800用于放大对应于由各种传感器产生的电压信号的电流，则这样的实施例可能是有用的。
图9是根据本公开的一些实施例的电压-电流转换器900的电路图，其具有两个互补电流镜910、920、在输入端的PMOS晶体管M0和在输出端的PMOS晶体管M22。电压-电流转换器900类似于电压-电流转换器700，除了转换器700的所有PNP晶体管被替换为PMOS晶体管，转换器700的所有NPN晶体管被替换为NMOS晶体管，Vcc被替换为VDD，并且Vee被替换为VSS，以到达转换器900。互补电流镜910由FET M10和M11形成，其中输入晶体管(即M10)是PMOS晶体管，并且输出晶体管(即M11)是NMOS晶体管。互补电流镜920由FET M20和M21形成，其中输入晶体管(即M20)是NMOS晶体管，并且输出晶体管(即M21)是PMOS晶体管。类似于图7和图8，图9还示出了输入端902和输出端904，输入端可以施加输入电压Vin，并且输出端可以输出输出电流Iout。图9还提供了电压VDD的标签906(即，电路的正电源)和电压VSS的标签908(即，电路的负电源)。在图7的实施例的双极晶体管实现中，发射极区域用于设置电流镜的电流增益。当使用FET实现电流镜时，这可以通过控制沟道宽度与沟道长度的比率来实现。具体而言，对于FET实现的实施例(即，当电流镜的输入晶体管和输出晶体管是FET时)，电流镜的电流增益值可以指示输出晶体管的纵横比与输入晶体管的纵横比的比率，其中FET的纵横比可以定义为晶体管的沟道宽度(W)除以其沟道长度(L)。例如，为了以相同的电流偏置电压-电流转换器900的晶体管M0和M10，可以设置以下比率：(W/L)_M0＝(W/L)_M10＝(W/L)_M22＝1/2*(W/L)_M21和(W/L)_M11＝(W/L)_M20。在此电路中，晶体管M0和M10是PMOS晶体管，其可以有利地以相同的电流偏置。因此，输入电压(例如，相对于负电源电压VSS的输入电压，即Vin-VSS)可以基本上没有任何误差地复制到转换电阻器R0上。因此，电阻器电流、图9所示的输入晶体管M0的漏极电流以及电压-电流转换器900的输出端904的输出电流可以是(Vin-VSS)/R0。
图10是根据本公开的一些实施例的电压-电流转换器1000的电路图，其具有两个互补电流镜1010、1020、在输入端的NMOS晶体管M0和在输出端的NMOS晶体管M22。互补电流镜1010由FET M10和M11形成，其中输入晶体管(即M10)是NMOS晶体管，并且输出晶体管(即M11)是PMOS晶体管。互补电流镜1020由双极晶体管M20和M21形成，其中输入晶体管(即M20)是PMOS晶体管，并且输出晶体管(即M21)是NMOS晶体管。图10还示出了输入端1002和输出端1004，输入端可以施加输入电压Vin，输出端可以输出输出电流Iout，类似于图9。图10进一步提供了电压VDD的标签1006(即，电路的正电源)和电压VSS的标签1008(即，电路的负电源)。在图8的双极晶体管实施例中，发射极面积用于设置电流比。在FET的实现中，这可以通过控制栅极宽度与栅极长度的比率来实现。例如，为了以相同的电流偏置电压-电流转换器1000的M0和M10，可以设置以下比率：(W/L)_M0＝(W/L)_M10＝(W/L)_M22＝1/2*(W/L)_M21和(W/L)_M11＝(W/L)_M20。在此电路中，晶体管M0和M10是NMOS晶体管，其可以有利地以相同的电流偏置。因此，输入电压(例如，相对于正电源VDD的输入电压，即VDD-Vin)可以基本上没有任何误差地复制到转换电阻器R0上。因此，电阻器电流、图10所示的输入晶体管M0的漏极电流以及电压-电流转换器1000的输出端1004的输出电流可以是(VDD-Vin)/R0。
类似于图7和图8，可以参考图9和图10的实施例描述各种晶体管的某些纵横比。例如，对于电压-电流转换器900/1000中的PMOS/NMOS晶体管M0、M10和M21中的每一个，晶体管M21的纵横比(即，W/L)与晶体管M0和M10的纵横比的比率可以是2:1，从而导致每沟道宽度相同的电流(假设沟道长度相同)。另一方面，对于电压-电流转换器900/1000中的NFET/PFET晶体管M11和M20中的每一个，晶体管M11的纵横比与晶体管M20的纵横比的比率可以是1:1，从而导致每沟道宽度相同的电流(假设沟道长度相同)。类似地，晶体管M22的纵横比与晶体管M21的纵横比的比率可以是1:2，从而导致输出晶体管M22的电流密度相同。在电压-电流转换器900/1000的其他实施例中，各种晶体管的纵横比中的一个或多个可以不同，以在电压-电流转换器900/00的输出端904/1004实现期望的电流衰减或增益。例如，将输出晶体管M22的纵横比增加到晶体管M21的纵横比的N/2倍(其中N大于1)将导致输出端904/1004的电流增加N倍。例如，如果电压-电流转换器900/1000用于放大对应于由各种传感器产生的电压信号的电流，则这样的实施例可能是有用的。
此外，尽管图7至图10中的每一个示出了所使用的双极晶体管或FET，但是在其他实施例中，本文描述的具有互补电流镜的任何电压-电流转换器可以用双极晶体管和FET的任意组合来实现。例如，在一些实施例中，本文描述的任何第一互补电流镜可以使用双极晶体管来实现，而本文描述的第二互补电流镜可以使用FETS来实现，等等。
如上所述，图7至图10示出了紧凑且精确的电压-电流转换器的一些实施例，其可以在低电压下工作，同时消耗最小的功率，适用于具有多个通道的现代LIDAR接收器。为LIDAR接收器开发的TIA将受益于输入偏移消除和输出偏移电流调整，这可以通过外部电压来控制。
示例系统
如上描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器的各种实施例可以在可以使用电压-电流转换的任何类型的系统中实现。图11示出了这种系统的一个示例，提供了根据实施例的示例LIDAR系统1100的框图。如图11所示，系统1100可以包括发射器信号链1110、接收器信号链1130、处理器1150和控制器1160。在一些情况下，接收器信号链1130可以与发射器信号链1110分开实现。如图11所示，发射器信号链1110可以包括数模转换器(DAC)1112、低通滤波器(LPF)1114、可编程增益放大器(PGA)1116、激光驱动器1118和激光器1120。接收器链1130可以包括光学传感器(例如，光电二极管(PD)1132)、TIA 1134、LPF 1136、模数转换器(ADC)驱动器1138和ADC 1140。在一些情况下，接收器链可以包括耦合在TIA 1134和LPF1136之间的PGA。这种PGA可以代替或附加于ADC驱动器1138来实现。
处理器1150可以配置为产生指示激光脉冲将由激光器1120发射的数字信号。来自处理器1150的数字信号然后可以由DAC 1112转换成模拟信号，由可选的LPF1114进一步处理，由PGA 1116放大，并且提供给激光驱动器1118。激光器1120可以是例如激光二极管。
由激光器1120发射的光可以到达物体或目标，并且反射光可以由接收器信号链1130的光学传感器1132接收。因此，可以在光学传感器1132处检测到反射光。例如，光学传感器1132可以是雪崩光电二极管(APD)。光学传感器1132可以产生指示接收到的反射光的电流脉冲，并且该电流脉冲可以由TIA 1134转换成电压脉冲，并且可选地，由LPF 1136进一步处理。在某些实施例中，LPF 1136可以是可调滤波器。如图所示，LPF 1136可以耦合在TIA1134和ADC驱动器1138之间的信号路径中。在一些其他实现中，LPF 1136可以耦合在ADC驱动器1138和ADC 1140之间的信号路径中。ADC驱动器1138基于TIA 1134的输出产生驱动信号，以驱动ADC 1140。ADC1140可以将接收到的驱动信号转换成数字信号，以由处理器1150进一步处理。
任何电压-电流转换器都可以在TIA 1134内实现，或者与该TIA相关联，类似于图1所示的TIA 104的描述。LIDAR系统1100的各种操作的定时可以由控制器1160控制。具体而言，控制器1160可以配置为控制何时激活/开启如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器中的任一个的定时，以产生用作TIA 1134的输入和/或输出偏移电流的电流输出。例如，控制器1160可以配置为控制何时开启如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器中的任一个的定时，以向TIA 1134的放大器电路提供输入偏移电流，以(例如)抵消由光学传感器1132响应于感测环境光产生的DC电流。在另一示例中，控制器1160可以配置为控制何时开启如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器中的任一个的定时，以向TIA1134的放大器电路提供输出偏移电流，以(例如)倾斜TIA 1134的输出，以便更好地利用ADC1140的输入信号范围。在一些实施例中，控制器1160可以预编程有何时开启和关闭具有包括在LIDAR系统1100中的互补电流镜的各种电压-电流转换器的时间。在其他实施例中，一个或多个传感器可以用于感测LIDAR系统1100的各个部分的状态，并向控制器1160提供信息，使得控制器1160可以使用此信息来开启和关闭如本文描述的具有互补电流镜的各个电压-电流转换器。
在一些实施例中，处理器1150可以是硬件处理器。在一些实施例中，处理器1150可以是基带数字信号处理器。在一些实施例中，处理器1150可以确定物体与激光测距系统1100之间的距离。在一些实施例中，处理器1150可以输出指示所确定距离的信号。在一些实施例中，处理器1150可以至少部分地基于由TIA 1134产生的脉冲的宽度来识别从其反射光脉冲的物体。在一些实施例中，处理器1150可以输出识别物体的数据。在一些实施例中，处理器1150的一个实例可以与接收器信号链1130相关联，并且处理器1150的另一实例可以与发射器信号链1110相关联。
图12提供了根据本公开的一些实施例的与汽车集成的LIDAR系统的图示1200。这是一个示例应用，其中可以实现如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器。图12示出了与汽车1206集成的两个LIDAR系统1202和1204。第一LIDAR系统1202可以位于汽车1206的右前灯附近，并且第二LIDAR系统1204可以位于汽车1206的左前灯附近。如本文所讨论的，LIDAR系统1202和/或LIDAR系统1204可以实现具有互补电流镜的电压-电流转换器的任何合适的原理，例如，通过在LIDAR系统1202和/或LIDAR系统1204的任何TIA中实现具有互补电流镜的一个或多个电压-电流转换器。LIDAR系统1202和/或LIDAR系统1204可以检测汽车1206和物体1208之间的距离。
如图所示，LIDAR系统1202的发射器可以以角度1212发射光脉冲1210。如图11所示，至少一些光脉冲1210可以由激光二极管(例如激光器1120)产生。透射光1210可以穿过空气并到达物体1208。物体1208可以将光脉冲1214反射回LIDAR系统1202的接收器。本文讨论的实施例可以产生信息来识别物体1208。光脉冲1210可以三维发射，以获得周围环境的三维信息。
一个或多个附加的LIDAR系统可以与汽车1206集成，以覆盖用于检测的更大范围的区域和/或获得关于所选择的区域的附加信息。在一些实施例中，可以组合由每个LIDAR系统收集的数据以分析来自更大范围的区域的信息和/或提供关于所选择的区域的附加信息。在一些实施例中，可以调节角度1212，并且角度1212可以在任何合适的范围内。
图11至图12的图示仅提供了一些非限制性示例，其中可以使用如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器。与如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器相关的各种教导可以应用于各种其他系统。在一些场景下，如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器的各种实施例可以用于汽车系统、安全关键工业应用、医疗系统、科学仪器、无线和有线通信、雷达、工业过程控制、音频和视频设备、电流感测、仪器(其可以是高度精确的)以及各种基于数字处理的系统。在其他场景下，如本文描述的具有互补电流镜的电压-电流转换器的各种实施例可以用于包括有助于提高生产率、能效和可靠性的过程控制系统的工业市场。在进一步场景下，具有互补电流镜的电压-电流转换器的各种实施例可以用在消费者应用中。
精选示例
以下段落提供了本文公开的各种实施例的示例。
示例A1提供了包括第一电流镜和第二电流镜的电压-电流转换器。第一电流镜包括第一类型的第一晶体管和第二类型的第二晶体管，其中第一类型的晶体管和第二类型的晶体管中的一种是N型晶体管，并且另一种是P型晶体管。第二电流镜包括第一类型多数载流子的第一晶体管和第二类型多数载流子的第二晶体管。
示例A2提供了根据示例A1的电压-电流转换器，其中第一类型的晶体管是P型晶体管，并且第二类型的晶体管是N型晶体管。
示例A3提供了根据示例A1或A2的电压-电流转换器，进一步包含输入晶体管。
示例A4提供了根据示例A1至A3中任一个的电压-电流转换器，其中电压-电流转换器包括如图7所示的第一电流镜和第二电流镜之间的耦合。
示例A5提供了根据示例A1至A3中任一个的电压-电流转换器，其中电压-电流转换器包括如图8所示的第一电流镜和第二电流镜之间的耦合。
示例A6提供了根据示例A1至A3中任一个的电压-电流转换器，其中电压-电流转换器包括如图9所示的第一电流镜和第二电流镜之间的耦合。
示例A7提供了根据示例A1至A3中任一个的电压-电流转换器，其中电压-电流转换器包括如图10所示的第一电流镜和第二电流镜之间的耦合。
示例A8提供了包含根据前述示例A中任一个的电压-电流转换器的电子组件。
示例A9提供了根据示例A8的电子组件，其中电压-电流转换器将向放大电路提供输入偏移电流，以(例如)抵消由光学传感器响应于感测环境光而产生的DC电流。
示例A10提供了根据示例A8的电子组件，其中电压-电流转换器向放大电路和/或放大器提供输出偏移电流。
示例A11提供了根据示例A8至A10中任一个的电子组件，其中电子组件是跨阻放大器。
示例A12提供了根据示例A8至A10中任一个的电子组件，其中电子组件是LIDAR接收器。
示例B1提供了配置为将电压信号转换为电流信号的系统，该系统包括：输入晶体管，该输入晶体管配置为接收电压信号作为输入；第一电流镜，该第一电流镜具有第一镜输入晶体管和第一镜输出晶体管；以及第二电流镜，该第二电流镜具有第二镜输入晶体管和第二镜输出晶体管。在这样的系统中，第一镜输入晶体管经由电阻器耦合到输入晶体管，第一镜输出晶体管耦合到第二镜输入晶体管，第二镜输出晶体管耦合到输入晶体管，第二电流镜配置为向输出端提供电流信号，第一镜输入晶体管和第一镜输出晶体管中的一个是N型晶体管，并且另一个是P型晶体管，第二镜输入晶体管和第二镜输出晶体管中的一个是N型晶体管，并且另一个是P型晶体管。
示例B2提供了根据示例B1的系统，其中输入晶体管是与第一镜输入晶体管相同类型的晶体管(即，两者都是P型晶体管，或两者都是N型晶体管)。
示例B3提供了根据示例B1或B2的系统，其中第二镜输出晶体管是与第一镜输入晶体管相同类型的晶体管(即，两者都是P型晶体管，或两者都是N型晶体管)。
示例B4提供了根据前述示例B中任一个的系统，其中第一镜输出晶体管是与第二镜输入晶体管相同类型的晶体管(即，两者都是P型晶体管，或两者都是N型晶体管)。
示例B5提供了根据前述示例B中任一个的系统，进一步包括输出晶体管，其中第二电流镜配置为通过将电流信号通过第二镜输入晶体管镜像到输出晶体管来向输出端提供电流信号。
示例B6提供了根据示例B5的系统，其中第二镜输入晶体管是第三电流镜的输入晶体管，并且输出晶体管是第三电流镜的输出晶体管。
示例B7提供了根据示例B5或B6的系统，其中输出晶体管是与输入晶体管相同类型的晶体管(即，两者都是P型晶体管，或两者都是N型晶体管)，并且与第一镜输入晶体管相同。
示例B8提供了根据前述示例B中任一个的系统，其中输入晶体管、第一镜输入晶体管、第一镜输出晶体管、第二镜输入晶体管和第二镜输出晶体管中的每一个都包括第一端子、第二端子和第三端子。在这样的系统中，输入晶体管的第一端子耦合到第二镜输出晶体管的第二端子和电阻器的第一端子中的每一个，第一镜输入晶体管的第一端子耦合到第一镜输出晶体管的第三端子和电阻器的第二端子中的每一个，并且第一镜输出晶体管的第二端子耦合到第二镜输入晶体管的第一端子和第二镜输出晶体管的第三端子中的每一个。
示例B9提供了根据示例B8的系统，进一步包括输出晶体管，其中输出晶体管包括第一端子、第二端子和第三端子，并且其中输出晶体管的第三端子耦合到第二镜输入晶体管的第一端子和第二镜输出晶体管的第三端子中的每一个，并且第二电流镜配置为通过将第二镜输入晶体管的第一端子处的电流信号镜像到输出晶体管的第二端子来向输出端提供电流信号。
示例B10提供了根据示例B8或B9的系统，其中，对于作为双极晶体管实现的输入晶体管、第一镜输入晶体管、第一镜输出晶体管、第二镜输入晶体管和第二镜输出晶体管中的每一个，第一端子是发射极端子，第二端子是集电极端子，并且第三端子是基极端子。
示例B11提供了根据示例B8或B9的系统，其中，对于作为场效应晶体管实现的输入晶体管、第一镜输入晶体管、第一镜输出晶体管、第二镜输入晶体管和第二镜输出晶体管中的每一个，第一端子是源极端子，第二端子是漏极端子，并且第三端子是栅极端子。
示例B12提供了配置为将电压信号转换为电流信号的系统，该系统包括：输入晶体管，该输入晶体管配置为接收电压信号作为输入；输出晶体管，该输出晶体管配置为提供电流信号作为输出；第一电流镜，该第一电流镜耦合到输入晶体管；以及第二电流镜，该第二电流镜耦合到第一电流镜和输出晶体管，其中第一电流镜和第二电流镜中的每一个都是互补电流镜。
示例B13提供了根据示例B12的系统，其中第一电流镜和第二电流镜中的每一个都包括镜输入晶体管和镜输出晶体管，输入晶体管、第一电流镜的镜输入晶体管、第二电流镜的镜输出晶体管和输出晶体管中的每一个都是P型晶体管，并且第一电流镜的镜输出晶体管和第二电流镜的镜输入晶体管中的每一个都是N型晶体管。
示例B14提供了根据示例B12的系统，其中第一电流镜和第二电流镜中的每一个都包括镜输入晶体管和镜输出晶体管，输入晶体管、第一电流镜的镜输入晶体管、第二电流镜的镜输出晶体管和输出晶体管中的每一个都是N型晶体管，并且第一电流镜的镜输出晶体管和第二电流镜的镜输入晶体管中的每一个都是P型晶体管。
示例B15提供了根据示例B13或B14的系统，其中该系统进一步包括具有第一端子和第二端子的电阻元件，并且通过将输入晶体管耦合到电阻元件的第一端子，并且将电阻元件的第二端子耦合到第一镜输入晶体管，而将第一电流镜耦合到输入晶体管。
示例B16提供了根据示例B13至B15中任一个的系统，其中第二镜输出晶体管耦合到输入晶体管，并且第二镜输入晶体管耦合到第一镜输出晶体管。
示例B17提供了根据示例B13至B16中任一个的系统，其中第二镜输入晶体管是第三电流镜的输入晶体管，并且输出晶体管是第三电流镜的输出晶体管。
示例B18提供了根据前述示例B中任一个的系统，其中该系统是用于TIA的电压-电流转换器。
示例B19提供了根据前述示例B中任一个的系统，其中该系统是LIDAR系统。
示例B20提供了一种电子组件，其包括放大器电路和电压-电流转换器，该电压-电流转换器具有第一互补电流镜和耦合到第一互补电流镜的第二互补电流镜，该电压-电流转换器配置为响应于电压输入而产生电流输出，其中该电流输出配置为向放大器电路提供输入偏移电流，以(例如)抵消由光学传感器响应于感测环境光而产生的DC电流，和/或向放大器电路提供输出偏移电流。
示例B21提供了根据示例B20的电子组件，其中第一互补电流镜的输入晶体管和第二互补电流镜的输出晶体管中的每一个都是P型晶体管，并且第一互补电流镜的输出晶体管和第二互补电流镜的输入晶体管中的每一个都是N型晶体管，或者第一互补电流镜的输入晶体管和第二互补电流镜的输出晶体管中的每一个都是N型晶体管，并且第一互补电流镜的输出晶体管和第二互补电流镜的输入晶体管中的每一个都是P型晶体管。
示例B22提供了根据示例B20或B21的电子组件，其中电子组件是TIA或LIDAR接收器。
示例B23提供了一种方法，包括由根据前述示例中任一个的系统或电子组件执行的步骤。
示例B24提供了一种方法，包括使系统根据前述示例中的任一个进行操作的步骤。
示例B25提供了存储指令的非暂时性计算机可读存储介质，当指令由处理器执行时，该指令使得处理器执行根据示例B23至B24中任一个的方法的至少部分。
示例B26提供了包括指令的计算机程序产品，当指令由处理器执行时，该指令使得处理器执行根据示例B23至B24中任一个的方法的至少部分。
其他实现说明、变型和应用
本文讨论的原理和优点可以用在可能需要进行电压-电流转换的任何设备中。例如，本公开的方面可以在各种测距系统中实现。例如，本公开的方面可以在任何合适的LIDAR系统中实现，诸如例如汽车LIDAR、工业LIDAR、空间LIDAR、军事LIDAR等。LIDAR系统可以包括接收器或发射器和接收器。LIDAR系统可以与汽车等交通工具、无人驾驶飞行器等无人驾驶飞机、自主机器人或航天器集成。LIDAR系统可以发射和/或接收激光。LIDAR系统可以用于三维传感应用。LIDAR系统可以与增强现实技术一起使用。此外，本公开的各方面可以在各种电子设备中实现。电子设备的示例可以包括但不限于电子产品、电子产品的部件(诸如集成电路)、车辆电子设备(诸如汽车电子设备)等。进一步地，电子设备可以包括未完成的产品。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例是以示例的方式呈现的，并不旨在限制本公开的范围。例如，虽然一些实施例涉及耦合到TIA的输入端口的APD，但是这些实施例同样适用于能够产生提供给TIA的输入端的电流脉冲的任何其他设备，例如，任何其他类型的PD。在另一示例中，虽然一些实施例涉及从TIA吸收电流的PD，但是可以以对本领域普通技术人员显而易见的方式将这些实施例修改为向TIA提供电流的PD，因此，所有这些实施例都在本公开的范围内。实际上，本文描述的新颖方法、装置和系统可以以各种其他形式来实施。此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文描述的方法、装置和系统的形式进行各种省略、替换和改变。例如，可以删除、移动、添加、细分、组合和/或修改本文描述的电路块和/或电路元件。这些电路块和/或电路元件中的每一个可以以各种不同的方式实现。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本公开的范围和精神内的任何这种形式或修改。
本文讨论的任何原理和优点可以应用于其他系统、设备、集成电路、电子设备、方法，而不仅仅是以上描述的实施例。可以组合以上描述的各种实施例的元件和操作以提供进一步的实施例。实施例的原理和优点可以结合任何其他系统、设备、集成电路、装置或方法来使用，这些系统、设备、集成电路、装置或方法可以受益于本文的任何教导。
应理解，根据本文描述的任何特定实施例，不一定可以实现所有的目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，某些实施例可以配置为以实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式操作，而不一定实现如本文所教导或建议的其他目的或优点。
在一个示例实施例中，可以在相关联的电子设备的板上实现任意数量的附图的数字电路。板可以是通用电路板，其可以容纳电子设备的内部电子系统的各种组件，并且进一步为其他外围设备提供连接器。更具体地，板可以提供电连接，系统的其他组件可以通过该电连接进行电通信。任何合适的处理器(包括数字信号处理器、微处理器、支持芯片组等)、计算机可读非暂时性存储元件等可以基于特定的配置需求、处理需求、计算机设计等适当地耦合到板。诸如外部存储器、用于配置任何组件的控制器和外围设备的其他组件可以作为插入式卡经由电缆附接到板，或者集成到板本身。在各种实施例中，本文描述的功能可以以仿真形式实现为运行在以支持这些功能的结构布置的一个或多个可配置(例如，可编程)元件内的软件或固件。提供仿真的软件或固件可以提供在包含允许处理器执行这些功能的指令的非暂时性计算机可读存储介质上。
在另一示例实施例中，附图的电路可以实现为独立模块(例如，具有配置为执行特定应用或功能的相关联组件和电路的设备)，或者实现为电子设备的专用硬件中的插件模块。注意，本公开的特定实施例可以部分或全部容易地包括在片上系统(SOC)封装中。SOC表示将计算机或其他电子系统的组件集成到单个芯片中的IC。它可能含有数字、模拟、混合信号以及通常的射频功能：所有这些功能都可以在单个芯片衬底上提供。其他实施例可以包括多芯片模块(MCM)，多个独立的IC位于单个电子封装内，并且配置为通过电子封装彼此紧密交互。在各种其他实施例中，数字滤波器可以在专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和其他半导体芯片中的一个或多个硅核中实现。
还必须注意，本文概述的所有规格、尺寸和关系(例如，处理器的数量、逻辑运算等)仅出于示例和教导的目的而提供。在不脱离本公开的精神或所附权利要求的范围的情况下，这种信息可以有相当大的变化。说明书仅适用于一个非限制性的示例，并且因此，应该这样解释它们。在前面的描述中，已经参考组件的特定布置描述了示例实施例。在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的。
注意，在本文提供的多个示例中，可以用两个、三个、四个或更多个电子组件来描述交互。然而，这样做只是为了清楚和举例的目的。应理解，可以以任何合适的方式合并该系统。沿着类似的设计备选方案，附图中所示的任何组件、模块和元件可以以各种可能的配置进行组合，所有这些显然都在本说明书的广泛范围内。在某些情况下，仅通过引用有限数量的电气元件来描述给定流程集的一个或多个功能可能更容易。应理解，附图及其教导的电路易于扩展，并且可以容纳大量组件以及更复杂/高级的布置和配置。因此，所提供的示例不应限制电路的范围或抑制电路的广泛教导，因为其可能应用于无数其他架构。
注意，在本说明书中，对包括在“一个实施例”、“示例实施例”、“实施例”、“另一实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”、“其他实施例”、“替代实施例”等中的各种特征(例如，元件、结构、模块、组件、步骤、操作、特征等)的引用旨在意味着任何这样的特征都包括在本公开的一个或多个实施例中，但是可以或不一定组合在同一实施例中。
本领域技术人员可以确定许多其他的变化、替换、变化、变更和修改，并且本公开旨在涵盖落入所附精选示例的范围内的所有这些变化、替换、变型、变更和修改。注意，以上描述的装置的所有可选特征也可以相对于本文描述的方法或过程来实现，并且示例中的细节可以在一个或多个实施例中的任何地方使用。

Claims (18)

1.一种电压-电流转换器，所述电压-电流转换器配置为将电压信号转换成电流信号，所述电压- 电流转换器包含：
输入晶体管，所述输入晶体管配置为接收所述电压信号作为输入；
第一电流镜，所述第一电流镜具有第一镜输入晶体管和第一镜输出晶体管；以及
第二电流镜，所述第二电流镜具有第二镜输入晶体管和第二镜输出晶体管，
其中：
所述第一镜输入晶体管经由电阻器耦合到所述输入晶体管，
所述第一镜输出晶体管耦合到所述第二镜输入晶体管，
所述第二镜输出晶体管耦合到所述输入晶体管，
所述第二电流镜配置为向输出端提供所述电流信号，
所述第一镜输入晶体管和所述第一镜输出晶体管中的一个是N型晶体管，并且另一个是P型晶体管，
所述第二镜输入晶体管和所述第二镜输出晶体管中的一个晶体管是N型晶体管，并且另一个是P型晶体管，并且
其中所述输入晶体管、所述第一镜输入晶体管和所述第二镜输出晶体管是相同类型的晶体管。
2.根据权利要求1所述的电压-电流转换器，其中所述第一镜输出晶体管是与所述第二镜输入晶体管相同类型的晶体管。
3.根据权利要求1所述的电压-电流转换器，进一步包含输出晶体管，其中所述第二电流镜配置为通过将电流信号通过所述第二镜输入晶体管镜像到所述输出晶体管来向所述输出端提供所述电流信号。
4.根据权利要求3所述的电压-电流转换器，其中所述第二镜输入晶体管是第三电流镜的输入晶体管，并且所述输出晶体管是第三电流镜的输出晶体管。
5.根据权利要求3所述的电压-电流转换器，其中所述输出晶体管是与所述输入晶体管相同类型的晶体管。
6.根据权利要求1所述的电压-电流转换器，其中：
所述输入晶体管、所述第一镜输入晶体管、所述第一镜输出晶体管、所述第二镜输入晶体管和所述第二镜输出晶体管中的每一个都包括第一端子、第二端子和第三端子，
所述输入晶体管的所述第一端子耦合到所述第二镜输出晶体管的所述第二端子和所述电阻器的第一端子中的每一个，
所述第一镜输入晶体管的所述第一端子耦合到所述第一镜输出晶体管的所述第三端子和所述电阻器的第二端子中的每一个，并且
所述第一镜输出晶体管的所述第二端子耦合到所述第二镜输入晶体管的所述第一端子和所述第二镜输出晶体管的所述第三端子中的每一个。
7.根据权利要求6所述的电压-电流转换器，进一步包含输出晶体管，其中所述输出晶体管包括第一端子、第二端子和第三端子，并且其中：
所述输出晶体管的所述第三端子耦合到所述第二镜输入晶体管的所述第一端子和所述第二镜输出晶体管的所述第三端子中的每一个，并且
所述第二电流镜配置为通过将所述第二镜输入晶体管的所述第一端子处的电流信号镜像到所述输出晶体管的所述第二端子来向所述输出端提供电流信号。
8.根据权利要求6所述的电压-电流转换器，其中，对于作为双极晶体管实现的所述输入晶体管、所述第一镜输入晶体管、所述第一镜输出晶体管、所述第二镜输入晶体管和所述第二镜输出晶体管中的每一个，所述第一端子是发射极端子，所述第二端子是集电极端子，并且所述第三端子是基极端子。
9.根据权利要求6所述的电压-电流转换器，其中，对于作为场效应晶体管实现的所述输入晶体管、所述第一镜输入晶体管、所述第一镜输出晶体管、所述第二镜输入晶体管和所述第二镜输出晶体管中的每一个，所述第一端子是源极端子，所述第二端子是漏极端子，并且所述第三端子是栅极端子。
10.一种电压-电流转换器，所述电压-电流转换器配置为将电压信号转换成电流信号，所述电压-电流转换器包含：
输入晶体管，所述输入晶体管配置为接收所述电压信号作为输入；
输出晶体管，所述输出晶体管配置为提供所述电流信号作为输出；
第一电流镜，所述第一电流镜耦合到所述输入晶体管；以及
第二电流镜，所述第二电流镜耦合到所述第一电流镜和所述输出晶体管，
其中所述第一电流镜和所述第二电流镜中的每一个都是互补电流镜，并且
其中所述第一电流镜和所述第二电流镜中的每一个都包括镜输入晶体管和镜输出晶体管，并且所述输入晶体管、所述第一电流镜的镜输入晶体管和所述第二电流镜的镜输出晶体管是相同类型的晶体管。
11.根据权利要求10所述的电压-电流转换器，其中：
所述输入晶体管、所述第一电流镜的所述镜输入晶体管、所述第二电流镜的所述镜输出晶体管和所述输出晶体管中的每一个都是P型晶体管，并且
所述第一电流镜的所述镜输出晶体管和所述第二电流镜的所述镜输入晶体管中的每一个都是N型晶体管。
12.根据权利要求10所述的电压-电流转换器，其中：
所述输入晶体管、所述第一电流镜的所述镜输入晶体管、所述第二电流镜的所述镜输出晶体管和所述输出晶体管中的每一个都是N型晶体管，并且
所述第一电流镜的所述镜输出晶体管和所述第二电流镜的所述镜输入晶体管中的每一个都是P型晶体管。
13.根据权利要求12所述的电压-电流转换器，其中：
所述电压- 电流转换器进一步包括具有第一端子和第二端子的电阻元件，并且
通过将所述输入晶体管耦合到所述电阻元件的所述第一端子，并且将所述电阻元件的所述第二端子耦合到所述第一电流镜的镜输入晶体管，而将所述第一电流镜耦合到所述输入晶体管。
14.根据权利要求12所述的电压-电流转换器，其中：
所述第二电流镜的镜输出晶体管耦合到所述输入晶体管，并且
所述第二电流镜的镜输入晶体管耦合到所述第一电流镜的镜输出晶体管。
15.根据权利要求12所述的电压-电流转换器，其中所述第二电流镜的镜输入晶体管是第三电流镜的输入晶体管，并且所述输出晶体管是所述第三电流镜的输出晶体管。
16.一种电子组件，所述电子组件包含：
放大器电路；和
电压-电流转换器，所述电压-电流转换器包含被配置为接收电压信号作为输入的输入晶体管、第一互补电流镜和耦合到所述第一互补电流镜的第二互补电流镜，所述电压-电流转换器配置为响应于电压输入产生电流输出，
其中所述电流输出配置为：
向所述放大器电路提供输入偏移电流，或者
向所述放大器电路提供输出偏移电流，
其中所述第一互补电流镜和所述第二互补电流镜中的每一个都包括镜输入晶体管和镜输出晶体管，并且所述输入晶体管、所述第一互补电流镜的镜输入晶体管和所述第二互补电流镜的镜输出晶体管是相同类型的晶体管。
17.根据权利要求16所述的电子组件，其中：
所述第一互补电流镜的输入晶体管和所述第二互补电流镜的输出晶体管中的每一个都是P型晶体管，并且所述第一互补电流镜的输出晶体管和所述第二互补电流镜的输入晶体管中的每一个都是N型晶体管，或者
所述第一互补电流镜的输入晶体管和所述第二互补电流镜的输出晶体管中的每一个都是N型晶体管，并且所述第一互补电流镜的输出晶体管和所述第二互补电流镜的输入晶体管中的每一个都是P型晶体管。
18.根据权利要求16所述的电子组件，其中所述电子组件是跨阻放大器。
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