CN1132083C

CN1132083C - 电压至电流转换器和电压信号至电流信号的转换方法

Info

Publication number: CN1132083C
Application number: CN97196005A
Authority: CN
Inventors: 谭年熊; H·M·古斯塔维森
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1997-05-06
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2017-05-06
Also published as: AU2798997A; EP0897561A1; CA2253750A1; DE69714988D1; JP2000510624A; WO1997042554A1; KR20000010831A; DE69714988T2; EP0897561B1; HK1021234A1; TW344173B; CN1223729A; US5917368A

Abstract

一种在提供滤波功能的同时用来将输入电压信号转换成输出电流信号的电压至电流转换器。通过输入电阻和例如由反向放大器和晶体管提供的等效电阻，输入电压信号被转换成中间电流信号。有一个主极点的电流镜将中间电流信号转换成输出电流信号，并具有低通滤波功能。该转换器避免了线性电容的使用，并可用CMOS设备容易地实现。

Description

电压至电流转换器和电压信号至电流信号的转换方法

发明领域

该发明通常涉及电压至电流转换器，比如用在模/数(A/D)接口中的这种转换器。特别地，该发明提供了一种具有低通滤波功能的电压至电流转换器。

发明背景

很多数字电路应用中使用了模拟接口。图1给出了一种典型的模拟接口，该接口包括一个反混叠滤波器和一个模/数(A/D)转换器。模拟输入电压被传送给反混叠滤波器。然后，经滤波的电压被传送给(A/D)转换器，A/D转换器产生数字输出信号。反混叠滤波器抑制高频分量来避免当模拟信号被A/D转换器采样时出现混叠。

这种传统的“电压模式”方法通常需要线性电容，然而，当前CMOS的基本加工工艺(例如EPIC3和CS11S)不包括对于建立线性电容所必须的多项方案。因此，对线性电容的要求增加了处理的步骤，并因此增加了成本。

在混合电压应用中，例如linecard电路，在同一芯片中集成高电压电路和低电压电路是很合算的。使用传统电压模式接口的电路时，在高电压电路和低电压电路之间，高电压电路中的高信号波动必须被抑制，从而防止低电压电路的饱和或对低电压电路的破坏。然而，对信号波动的限制降低了高电压电路的动态范围。

为了克服以上缺点，可以使用图2中给出的另一可选的电流模式接口。模拟输入电压首先被传送给电压至电流(V/I)转换器。输出电流被传送给滤波器，并且滤波后的电流被提供给A/D转换器。由于该接口处理电流而不是电压，线性电容就不需要了，单纯的数字CMOS基本工艺可以在没有附加处理步骤或附加成本的情况下被使用。而且，因为V/I转换器可以被设计为仅对电流波动敏感，V/I转换器的输入电压可以任意大于V/I转换器的供给电压。这种装置允许以低成本将高电压电路和低电压电路集成在同一芯片上。

对于模/数接口来说，既包括电压至电流转换功能又包括滤波功能是很理想的，并且该接口可以用数字CMOS基本加工工艺，例如CS11S，很容易地实现。

发明概要

该发明克服了上面提到的问题，并通过给出具有滤波功能的电压至电流转换器而显现了其它的优点。根据示例性实施方案，该转换器包括一个输入电阻R和一个等效电阻R_i用来将输入电压信号V_i转换成中间电流信号I_i，使得I_i基本上等于V_i/(R+R_i)。该示例转换器还包括一个具有至少两个晶体管和一个主极点的电流镜，该电流镜根据中间电流信号I_i产生一个输出电流信号I_o。该电流镜有一个基本上等于(R_f+1/g_m1)^-1(C_f+C_p)^-1的极点频率w_p，其中g_m1是电流镜中连接成二极管的晶体管的跨导，R_f是电流镜的晶体管之间的电极电阻，C_f是其中一个电流镜晶体管的第一和第二终端之间的电极电容。C_p是电流镜晶体管产生的寄生电容。

附图简要描述

结合附图，通过阅读下面对优选实施方案的详细描述，可以得到对该发明更完整的理解。其中，相同的参数数字表示相同的元件。其中

图1是电压模式模/数接口的通常的方框图；

图2是电流模式模/数接口的通常的方框图；

图3是根据该发明示例实施方案的低通滤波电压至电流转换器的电路图。

优选实施方案的详细描述

基于图1和2的比较，可知的是，除非输入信号已经是一个电流信号，否则需要一个额外元件(V/I转换器)来实现电流模式方法的优点。反混叠滤波器的滤波需求通常很低，尤其对于涉及过采样A/D转换器的应用更是这样。因此，根据该发明，V/I转换器可以被用做反混叠低通滤波器。因为包含根据该发明电路的接口具有很小的带宽，因而自身值本来很大的V/I转换器带宽根据该发明被降低来获得以下的好处，1)在V/I转换器中加入低通滤波功能，2)降低宽带噪声(例如热噪声)。

图3中给出了V/I转换器的示例电路配置。转换器10包括一个连接在输入电压V_i和节点N之间的电阻R。如图所示反向放大器AMP和晶体管M₀连接在节点N和电流镜之间，其中的电流镜包括晶体管M₁，M₂，电阻R_f，电容C_f。晶体管M₁和M₂的源极和电容C_f的一个端子被连接到电压供给线V_cc，偏流I_bias从晶体管M₂的漏极和节点N流向地线。输出电流I_o是晶体管M₂的漏极电流减去偏流I_bias所得。

通过电阻R，输入电压V_i直接被转换成中间电流I_i。其关系由下式给出

I_{i} = \frac{V_{i}}{R + R_{i}}

其中R_i是节点N处的等效输入电阻，该值与信号有关。如果R_i被设计的非常小，那麽R_i对于转换线性度的影响将减至最小。这一点由图3中给出的反向放大器AMP实现。取一阶项时，等效输入电阻由下式近似

R_{i} = \frac{1}{g_{m 0} A}

其中g_m0是晶体管M₀的跨导，A是反向放大器AMP的电压增益。因此，反向放大器AMP的大电压增益A将减小等效电阻R_i的值。

从上面可知，对于示例电路中的输入电压V_i没有任何限制。而且，由于节点N处的低阻抗，M₀源极的电压变化非常小。换句话说，节点N是一个虚地。因此，对于混合电压应用，例如linecard电路来说，图3的V/I转换器配置是理想的。

输出电流被包括晶体管M₁和M₂的电流镜做镜向输出。不象传统的电流镜那样，电阻R_f和电容C_f被用来有目的的在电流镜中引入一个主极点，该极点频率由下式给出

w_{p} = \frac{1}{(R_{f} + \frac{1}{g_{m 1}}) (C_{f} + C_{p})}

其中g_m1是由二极管连接成的晶体管M₁的跨导，C_p是M₁，M₂栅极处的总寄生电容。

在电流镜中对串联电阻R_f和并联电容C_f的使用限制了V/I转换器的带宽，并使得单极点低通滤波系统能够在V/I转换器中实现。不象传统的电压模式滤波器，图3电路中M₁和M₂栅极处的电压变化很小，而且对于无源元件的线性要求明显下降。因此，可以使用势阱(well)电阻和栅极电容，并且即使使用了标准的数字CMOS加工工艺，芯片面积也可以明显降低。

总之，根据该发明，通过将V/I转换器用做低通滤波器，芯片面积和功率消耗会明显降低。所有的元件都可以用数字CMOS工艺来实现，因而工艺成本被最小化。

可知的是，可以根据期望的滤波器特性来选择滤波元件R_f和C_f，并且可以使用其它适当的元件。

尽管前面的描述包括很多细节，应该明白的是，这仅仅是对该发明的举例说明，而不会成为限制。对于该领域的技术人员来说，在不偏离由附加权利要求和它们的等价物定义的该发明的范围和思想的前提下，很多修改是一清二楚的。

Claims

1.一种电压至电流转换器，包括

输入电阻R和等效电阻R_i，用来将输入电压信号V_i转换成中间电流信号I_i，使得I_i基本上等于V_i/(R+R_i)；以及

具有至少两个晶体管(M₁，M₂)和一个主极点的电流镜，所述电流镜根据中间电流信号I_i产生输出电流信号I_o，其中电流镜的极点频率基本上等于：

(R_f+1/g_m1)^-1(C_f+C_p)^-1

其中R_f是所述至少两个晶体管(M₁，M₂)之间的电极电阻，g_m1是电流镜中连接成二极管的所述至少两个晶体管(M₁，M₂)中一个的跨导，C_f是所述至少两个晶体管(M₁，M₂)中的第一和第二终端之间的电极电容，以及C_p是所述至少两个晶体管(M₁，M₂)产生的寄生电容，其中，等效电阻R_i为设置在其中的反向放大器(AMP)和晶体管的共同节点(N)处的电流镜的输入电阻，而反向放大器具有电压增益，晶体管具有跨导。

2.权利要求1的转换器，其中等效电阻R_i与晶体管(M₀)的跨导和反向放大器(AMP)的电压增益的乘积成反比。

3.权利要求1的转换器，其中的主极点由一个电阻和一个电容给出，其中的电阻连接在至少两个晶体管(M₁，M₂)的栅极之间，其中的电容连接在至少两个晶体管(M₁，M₂)中一个的漏极和栅极之间。

4.权利要求1的转换器，其中输入电阻R和电极电阻R_f是势阱电阻，电极电容C_r是栅极电容。

5.权利要求1的转换器，其中电极电阻R_f和电极电容C_f对输出电流信号I_o进行低通滤波。

6.一种电压信号至电流信号的转换方法，包括以下的步骤：

用来将输入电压信号V_i转换成中间电流信号I_i，使得I_i基本上等于V_i/(R+R_i)，其中，R为输入电阻和R_i为等效电阻，

利用具有至少两个晶体管(M₁，M₂)和一个主极点的电流镜来根据中间电流信号I_i产生输出电流信号I_o，其中电流镜的极点频率基本上等于：

(R_f+1/g_m1)^-1(C_f+C_p)^-1

7.权利要求6的转换方法，其中等效电阻R_i与晶体管(M₀)的跨导和反向放大器(AMP)的电压增益的乘积成反比。

8.权利要求6的转换方法，还包括以下的步骤：

提供所述的电极电阻和电容，该电阻连接在至少两个晶体管(M₁，M₂)的栅极之间，该电容连接在至少两个晶体管(M₁，M₂)中一个的漏极和栅极之间。

9.权利要求6的转换方法，其中输入电阻R和电极电阻R_f是势阱电阻，电极电容C_f是栅极电容。

10.权利要求6的转换方法，还包括以下的步骤：

利用所述电极电阻R_f和所述电极电容C_f对输出电流I_o进行低通滤波。