CN113359916A - 电流电压信号转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及电流电压信号转换器。本公开提供可以在调节的电压下操作的电流电压信号转换器。电流‑电压转换器包括跨阻放大器，该跨阻放大器将电流输入转换为电压输出。电压输出可在不希望的预定电压附近工作，因此必须对其进行调整，以使其适合于任何下游信号处理电路，例如ADC。这样，减法器电路耦合到跨阻放大器的输出。在减法器电路的输入端，采用电压调整电路，以调整输入到减法器电路的电压。这样，减法器的输入在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间调节，并且减法器电路可以是低压分量。

Description

电流电压信号转换器
技术领域
本公开涉及电流电压信号转换器。特别地，本发明涉及一种其中可以调节工作电压从而可以使用低压组件的电路。
背景技术
在许多应用中，必须将电流信号转换为电压信号。一种方法是使用跨阻放大器。
在光学传感技术领域，跨阻抗放大器可以将来自光电二极管的输出电流转换为电压信号，以准备由模数转换器(ADC)转换。对于某些应用，跨阻放大器的输出电压范围会进一步调整，使其适合于ADC转换。例如，通过使信号的动态范围与ADC的动态范围匹配。
光学光电二极管通常被电压基准偏置，并且光学光电二极管的输出电流信号将取决于所使用的电压基准。因此，可以直接调节参考电压以偏置输出电流信号。然而，如果不考虑电压基准，则这可能导致过多的分量，并且经常会影响原始光信号的表示精度。
发明内容
本公开提供可以在降低的电压下操作的电流电压信号转换器。电流-电压转换器包括跨阻放大器，可将电流输入转换为电压输出。电压输出可以在第一预定电压以上或第二预定电压以下(其中第一预定电压大于第二预定电压)操作，并且因此必须进行调节以便使其适合于任何下游信号处理电路，例如ADC。这样，减法器电路耦合到跨阻放大器的输出。在减法器电路的输入端，采用电压调整电路，以调整输入到减法器电路的电压。这样，减法器的输入在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间调节，因此减法器电路可以是低压分量。
根据第一方面，提供电流电压信号转换器，包括：第一级，被配置为将输入电流信号转换为第一电压信号；包括放大器的模拟减法器电路，其中所述模拟减法器电路电耦合至所述第一级，以将所述第一电压信号转换为第二电压信号；和电压调整布置，耦合到所述放大器的至少一个输入，并且被配置为使得在所述放大器的至少一个输入处的电压在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间。
电压调整布置可以允许改善的是系统成本(减小的组件尺寸、功耗)和改善的系统性能。这可以使放大器成为低压放大器和/或单极放大器，这可以带来进一步的优势。
低压放大器的电源电压比放大器低。对于集成电路(IC)，这是一个相对的概念，取决于铸造工艺。在铸造过程中，可以选择不同的电压范围，有些较低，有些较高。IC可以包括许多不同的离散电压电平，例如20V、10V、5V、3.3V、1.8V、1.3V等。为了区分两种类型的放大器，IC中的放大器可以在电源电压下工作，该电源电压可以是该IC支持的最高电压电平。IC中的低压放大器可以在低于该IC支持的最高电压电平的电源电压下工作。例如，在一个IC上，支持的最高电压电平可以是10V，因此低压放大器可以5V的电源电压工作。在另一示例中，在一个IC上，支持的最高电压电平可以是5V，因此，低压放大器可以在1.8V的电源电压下工作。
这可以为低压放大器带来精度和功率优势。因此，低压放大器可以在IC支持的电压电平(小于支持的最大电压电平)下工作(或具有电源电压)。替代地，低压放大器可以以IC支持的最低电压电平(或具有电源电压)运行。
类似地，放大器可以在不对称电源电压下工作，因此正电源电压可以是该IC支持的最高电压电平，而负电源电压可以是0V。由不对称电源电压提供的放大器动态范围的减小也可能导致精度和功耗优势。
还可以安排电压调整布置以偏置电压电平，以使放大器的输入为正电压值。这允许放大器由单极性电源电压供电，即负电压轨设置为接地。这使系统能够以更高的功率效率运行。
因此，放大器可以是低压放大器和/或由单极电源电压提供。这样可以提高系统性能(准确性、电源效率)并降低系统成本(减小的表面积和尺寸)。
电压调整布置可以包括第一参考源，耦合到放大器的至少一个输入。
放大器的至少一个输入可以包括第一输入和第二输入。第一参考源可以耦合到第一输入和第二输入两者，并且可以是共模参考。
共模参考可以是电压或电流源。
所述第一预定电压阈值大于所述第二预定电压阈值，其中所述第一电压信号至少部分地高于所述第一预定电压阈值或至少部分低于所述第二预定电压阈值。
放大器可以是低压放大器，并且可以在其线性区域中操作。放大器可以具有预定的输入电压范围，并且第一预定电压阈值可以小于或等于预定输入电压范围的上限，并且第二预定电压阈值大于或等于预定输入电压范围的下限。第一和第二预定电压阈值可以分别基本上等于放大器的正和负电源电压除以放大器的增益。
第一级可以被配置为在第一电源电压范围内操作。该放大器可以是运算放大器，并且可以被配置为在第二电源电压范围内工作。第一电源电压范围可以大于第二电源电压范围。放大器可以配置为进一步由单极性电源电压供电。放大器的正负电源电压可与第一级的正负电源电压不同。放大器的动态范围可以小于第一级的动态范围。放大器的正负电源电压之间的电压范围小于第一级正负电源电压之间的电压范围。
输入电流信号可以由被第一参考电压偏置的光电二极管产生。第一级可以是包括电压输入和电流输入的跨阻放大器。第一参考电压可以电耦合到电压输入，并且输入电流信号可以电耦合到电流输入。第二电压信号可以适合于提供模数转换器。
模拟减法器电路可以进一步包括第一、第二、第三和第四电阻器。第一电阻器可以串联电耦合在第一输入和第一电压信号之间。第二电阻器可以电耦合到第一输入，并基于运算放大器的输出形成负反馈回路。运算放大器的输出可以是第二电压信号。第三电阻器和第四电阻器可以形成分压器，使得第三电阻器可以串联电耦合在第二输入和第一参考电压之间，并且第四电阻器可以电耦合至接地状态。第一和第三电阻器可以具有基本上相同的电阻值，而第二和第四电阻器可以具有基本上相同的电阻值。
共模参考可以包括电耦合到第一共模电阻器的第一端子和第二共模电阻器的第一端子的固定电压源。第一和第二共模电阻器的第二端子可以分别电耦合到第一和第二输入。第一和第二共模电阻器可以具有基本上相同的电阻值。
第一参考电压可以具有预定值，并且共模参考是固定电压源，可以基于预定值具有预定电压。
电压调整布置可以包括反馈环路，该反馈环路被配置为调整进入模拟减法器电路的放大器的第一输入和第二输入的电压。电压调整布置可以包括反馈放大器，该反馈放大器被配置为接收第二输入到模拟减法器电路的放大器。
反馈放大器可以是NMOS晶体管。进入模拟减法器电路的放大器的第一输入和第二输入两者的电压可以至少对应于NMOS晶体管的阈值电压。
反馈放大器可以电耦合到第一共模电阻器的第一端子和第二共模电阻器的第一端子。第一和第二共模电阻器的第二端子可以分别电耦合到第一和第二输入。第一和第二共模电阻器可以具有基本上相同的电阻值。
反馈放大器可以被配置为操作包括两个镜像晶体管和控制晶体管的电流镜装置。反馈放大器可以被布置为控制在控制晶体管中的电流，并且两个镜像晶体管可以分别电耦合到第一和第二输入。两个镜像晶体管可以大小匹配。
第一级可以包括第一参考电压。第一电压信号可以取决于第一电压参考。第二电压信号可以独立于第一电压参考。
根据第二方面，提供跨阻放大器，包括：电流-电压转换器，被配置为接收第一电流信号并产生正电压输出；电压调整装置，耦合到电流-电压转换器，并被配置为使电流-电压转换器的至少一部分能够在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间。电压调整布置可包括耦合到电阻器的第一端子的恒定电压/电流源。电阻器的第二端子可以耦合到电流-电压转换器。
电压调整布置可以包括反馈放大器，该反馈放大器被布置为基于正电压输出来主动控制电压的降低。
根据第三方面，提供一种将电流信号转换成电压信号的方法，该方法包括：使用信号转换器的第一级将输入电流信号转换为第一电压信号；使用包括放大器的模拟减法器电路将所述第一电压信号转换为第二电压信号；和将电压调整布置施加到放大器的至少一个输入，以在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间减小到所述放大器的至少一个输入处的电压。
放大器的至少一个输入可以包括第一输入和第二输入。电压调整布置可以包括耦合到第一输入和第二输入的共模参考。共模参考可以是直流电源。
该方法可以进一步包括执行预定的所述第一电压信号的DC转换电压的步骤。该方法可以进一步执行基于所述预定的DC交替电压来预定DC源的电压或电流值的步骤。
该方法可以进一步包括执行基于所述第一电压信号的DC转换电压来调节所述第一输入和所述第二输入其中处的电压或电流值的步骤。
该方法可以进一步包括执行从光电二极管接收输入电流信号的步骤。该方法可以进一步执行将第二电压信号施加到模数转换器的步骤。
附图说明
现在将仅通过示例的方式结合附图来描述本公开，其中：
图1示出了电流-电压信号转换器的电路图。
图2示出了具有电压调节装置的电流-电压信号转换器的电路图。
图3示出了具有带有NMOS晶体管的反馈电压调整布置的电流-电压信号转换器的电路图。
图4示出了利用电压调整布置将电流信号转换为电压信号的方法的流程图。
图5示出了具有电压调整布置的电流-电压信号转换器的框图。
图6示出了具有带有运算放大器的反馈电压调整布置的电流-电压信号转换器的电路图。
图7示出了具有反馈电压调整布置和电流镜布置的电流-电压信号转换器的电路图。
具体实施方式
某些电路组件会产生输出，其中信号是变化的电流，而不是变化的电压。例如，光电二极管产生基于电流的输出信号。用于例如通过将模拟信号转换成数字信号来调节模拟信号的信号处理电路通常需要在特定电压范围内的基于电压的信号。因此，有必要将基于电流的信号转换为基于电压的信号，以便可以对其进行处理。如上所述，这通常由跨阻放大器完成。但是，跨阻放大器的输出通常不在下游信号处理组件(例如模数转换器)的合适输入范围之内。这样，使用减法器电路来调节输出信号的电压。由于没有任何进一步的调节，通常所涉及的电压，减法器电路将需要是高压组件。
本公开在减法器电路的放大器的输入处引入了电压调节机构。例如，共模电压可以通过一对电阻器耦合到放大器的反相和同相输入。这样，可以在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间调节减法器放大器的输入处的电压，然后可以由低压分量制成减法器。这可以减小减法器所需的面积以及电路的成本。
图1示出了电流-电压信号转换器1。电流-电压信号转换器1的输入是输入电流信号(Ipd)。Ipd可以是由第一参考电压(Vref)偏置的光电二极管的输出。根据光电二极管的特性，Vref可以是从高正电压到高负电压的任何电压。电流-电压信号转换器1的输出(Vout2)旨在适合由模数转换器(ADC)接收，从而使入射到光电二极管的光信号可以由数字处理设备准确地解释。
电流-电压信号转换器1由两级组成：跨阻放大器2；和模拟减法器电路4。电流-电压信号转换器1本身可以理解为跨阻放大器，因为它执行接收输入电流信号并输出适合于ADC接收的输出电压信号的总体功能。
跨阻抗放大器2包括第一运算放大器(运算放大器)6，其具有耦合在第一运算放大器6的输出和反相输入之间的跨阻抗反馈电阻器(Rtia)8。输入电流信号(Ipd)耦合到第一运算放大器6的反相输入。第一参考电压(Vref)耦合到第一运算放大器6的非反相输入。跨阻放大器2的输出是第一电压信号(Vout1)：
Vout1＝Vref-(Ipd*Rtia) (1)
模拟减法器电路4电耦合至跨阻放大器2，以将第一电压信号(Vout1)转换为第二电压信号(Vout2)。模拟减法器电路4包括第二运算放大器10和四个电阻器12a、12b、14a、14b。第一电阻器12a串联电耦合在第二运算放大器10的反相输入和第一电压信号(Vout1)之间。第二电阻器14a电耦合至第二运算放大器10的输出和反相输入，以基于第二运算放大器10的输出形成负反馈回路。第三电阻器12b和第四电阻器14b形成分压器电路。第三电阻器12b串联电耦合在第二运算放大器10的非反相输入和第一参考电压(Vref)之间，并且第四电阻器14b电耦合到第二运算放大器10的同相输入和电接地16。第一电阻器12a和第三电阻器12b被选择为具有基本上相同的电阻值(R1)。选择第二电阻器14a和第四电阻器14b具有基本相同的电阻值(R2)。选择四个电阻器12a、12b、14a、14b的电阻值，使得第二电压信号(Vout2)与第一参考电压(Vref)无关。但是，选择电阻值R1和R2会简化整个电路设计，并可能导致电路成本降低(制造时间、材料等)。
第二电压信号(Vout2)是模拟减法器电路4的输出：
Figure BDA0002962984650000071
可以将模拟减法器电路4用作模拟电压移位器。通常，第一输出信号(Vout1)具有从Vref到Vref-Vin的电压范围，并且第二输出信号(Vout2)具有从0到Vin的电压范围。其中Vin代表来自输入端(例如来自光电二极管)的感兴趣信号(Ipd)，并且为Ipd*Rtia。这是–Vref的电压偏移。然而，如果Vref是高电压信号，则第二运算放大器10必须被定为高电压放大器，因为第二运算放大器10的输入“看到”高电压信号，即高压信号入射到第二运算放大器10的输入。取决于Vref和Vin的值，第二运算放大器10接收的电压信号也可以是负电压。如果需要，模拟减法器电路4也可以用于放大Vin。
在集成电路(IC)设计中，高压设备通常具有较大的物理尺寸(例如，是低压放大器的4-5倍)。它们是非常大的设备，与其他较低电压的IC组件相比，性能较差。这导致整体系统成本高昂，而性能受到限制。
由于Vref和Vin会随时间变化(即时变信号)，因此它们都可以具有关联的模拟电压范围。可以接受较大的模拟电压范围并可以将模拟电压范围减小到适用于低压设备的范围的电路，可以使下游组件成为低压设备。这样的电路可以减少下游部件的材料和性能成本，并且还可以减少相关的设计工作。
图2示出了电流-电压信号转换器20，其具有与图1所示的电流-电压信号转换器1(即，跨阻抗放大器2和模拟减法器电路4)相同的结构，并且增加了电压调整布置22。
电压调整布置22包括共模电压源24，其经由第一共模电阻器26a和第二共模电阻器26b耦合到第二运算放大器10的反相和同相输入。通过使用共模电压源，将电压均等地施加到第二运算放大器10的反相和同相输入。共模电压源24是固定电压源(Vcm)。
如图2所示，共模电压源24(Vcm)电耦合到第一共模电阻器26a的第一端子和第二共模电阻器26b的第一端子。第一共模电阻器26a和第二共模电阻器26b的第二端子分别电耦合到第二运算放大器10的反相和同相输入。第一和第二共模电阻器26a、26b具有基本相同的电阻值Rcm。这是因为电阻器12a和12b具有基本相同的电阻值R1，并且电阻器14a和14b具有基本相同的电阻值R2。也就是说，选择电阻器值以便从输出信号中消除Vref，即只要第二电压信号(Vout2)独立于第一参考电压(Vref)，就可以为电阻器12a、12b、14a、14b、26a和26b选择任何电阻值。
示例值如下：输入电流信号的范围可能在0到5mA左右；第一参考电压(Vref)可以在约-2.5V至2.5V的范围内；跨阻反馈电阻8(Rtia)取决于Ipd，但是它可能约为1.75V除以最大Ipd值(以安培为单位)；电阻器12a、12b可以约为40K欧姆；电阻器14a，14b可以为约50K欧姆；电阻器26a、26b可以为约55K欧姆；第二运算放大器10的同相和反相输入端的电压可以在大约0.5V至2.5V的范围内；共模电压源24可以为4V左右。这些值可以根据应用程序和/或设计者的选择进行更改。此外，很明显，R1：R2：Rcm的值之比可能会导致所需输出的电压范围(Vout2)。
电压调整布置22被布置成将进入第二运算放大器10的反相和同相输入处的电压电平偏置，以使得由第二运算放大器10的输入“看到”的模拟电压范围在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间。通过将第二运算放大器10的输入调节到第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间，如果第二运算放大器10是低压运算放大器，则可以维持甚至改善相同的整体系统性能。
如上所述，通过使用低压运算放大器，可以在提高系统性能的同时实现系统成本的改善(即，减小尺寸、减小功率)。如果第二运算放大器10是低压运算放大器，则为了模拟减法器电路4的正确操作，第二运算放大器将在其线性区域中操作。因此，可以将电压调整布置22设置为使得第二运算放大器10不将输入信号电压放大到超过其电源电压，从而导致输入信号饱和(即，运算放大器在其饱和区域中操作)。即使添加了额外的电路组件(例如电压调整布置22)，通过使用低压运算放大器，与图1所示的电路相比，功率、尺寸和成本都可以降低。
如前所述，基于Vref和Vin的值(Ipd*Rtia)，Vout1可能为负。还可以布置电压调整布置22以偏置电压电平，使得第二运算放大器10的输入是正电压值。这允许第二运算放大器10由单极性电源电压供电，即负电压轨设置为接地。这使系统能够以更高的功率效率运行。实际上，如果第二运算放大器10由单极电源供电，则负电源电压将为0V，正电源电压可以与第一运算放大器6的正电源电压相同。因此，如果第一运算放大器6具有与正电源电压相同幅度的负电源电压，则第二运算放大器10将具有与第一运算放大器6相同的电源电压范围的一半。因此，第二运算放大器10可以是低压放大器。
因此，第二运算放大器10可以是低压运算放大器和/或由单极电源电压提供。这可以提高系统性能(准确性、电源效率)并降低系统成本(减小的表面积和尺寸)。
共模电压源24的电压值(Vcm)是具有预定电压的固定电压源。这是基于第一参考电压(Vref)的预定值来确定的。第一参考电压(Vref)可能不是稳定的电压源，因此可能会在运行期间波动。然而，如果第一参考电压(Vref)的波动相对较小(即，较小的Vref电压范围)，则可以使用耦合到Vcm的一对共模电阻器26a、26b。这样可以减少设计复杂度，但不能处理非常大的Vref电压范围。因此，第二运算放大器10具有预定的输入电压范围，如果超过该预定的输入电压范围，则可能开始使第一电压信号(Vout1)饱和。因此，预定电压阈值小于或等于预定输入电压范围的上限。
第一运算放大器6可以是高压运算放大器，第二运算放大器10可以是低压运算放大器。第一级(即，跨阻放大器2)可以被配置为在第一电源电压范围内操作。第二运算放大器10可以被配置为在第二电源电压范围内操作。第一电源电压范围可以大于第二电源电压范围。通常，诸如第一运算放大器6和第二运算放大器10的运算放大器具有两个电源电压触点：正电源电压触点和负电源电压触点。负电源电压触点可以是0V，也可以是小于正电源电压的任何电压。类似地，正电源电压触点可以是0V，也可以是大于负电源电压的任何电压。
电流-电压信号转换器20执行将电流信号转换为电压信号的方法，如图4的流程图所示。该方法至少可以包括以下三个步骤：
S1.使用信号转换器20的第一级2将输入电流信号(Ipd)转换为第一电压信号(Vout1)。
S2.施加电压调整布置22。电压调整布置22包括共模参考电压(例如，共模电压源24，其可以是DC源24)，该共模参考电压耦合至模拟减法器电路4的放大器10的两个输入(例如，反相和同相输入)。电压调整布置22在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间调节到放大器10的至少一个输入处的电压。
S3.使用模拟减法器电路4将第一电压信号(Vout1)转换为第二电压信号(Vout2)，该模拟减法器电路4包括具有第一和第二输入的放大器10。
在没有电压调整布置的情况下，第一电压信号(Vout1)可以具有DC偏移(Vref)，这可以导致第一电压信号在较大的电压范围内变化。这需要放大器10是高压设备，以便从期望信号(即，Ipd*Rtia)中精确地减去DC偏移(Vref)。
电压调整布置22可以通过向放大器10的至少一个输入端施加调节电压来消除对放大器10是高压器件的要求。这可以偏移和/或缩放DC偏移量(Vref)，因此，调整到放大器10的输入范围。因此，放大器10可以是低压放大器和/或单极放大器。这可以改善整个电流-电压信号转换器20的性能和成本(材料)。
该方法可以包括另外的步骤：预定的第一电压信号(Vout1)的DC偏移电压(Vref)和基于预定的DC偏移电压(Vref)预定的DC电源24的电压(或电流值)。取决于放大器10(例如低压放大器或其他)的容差和期望电压信号的电压范围(即Ipd*Rtia)，可以将DC源24的值固定为固定电压。这样可以降低电路复杂度。
然而，DC源24的值的预定可以进一步基于DC偏移量(Vref)的预期变化，使得在操作期间，放大器10的输入不超过第一预定电压阈值或不低于第二预定电压阈值。这些预定的电压阈值可以是放大器10不再在其线性区域中操作并且开始在其饱和区域中操作的极限。类似地，这不是严格的限制，并且取决于应用，可以接受一定百分比的时间来超过该限制，这样，在大多数时间内，第二电压信号(Vout2)与输入电流信号(Ipd)呈线性比例关系。
图3示出了电流-电压信号转换器30，该电流-电压信号转换器30包括如图1所示的电流-电压信号转换器1(即，跨阻放大器2和模拟减法器电路4)的结构，并附加了电压调整布置32。
电流-电压信号转换器30以与图2的电流-电压转换器20几乎相同的方式操作，具有所有相同的优点。然而，借助于电压调整布置32的反馈回路，即使当第一参考电压(Vref)具有大且未知的电压范围/电压波动时，图3的电流-电压转换器30也可以进一步操作。电压调整布置32包括反馈放大器36，其布置为基于正电压输出来主动控制电压的调节。
电压调整布置32对第一参考电压(Vref)的变化做出反应，并且可以进一步对第一参考电压(Vref)进行电压移位，以确保第二运算放大器10的非反相端子处的电压保持基本恒定。另外，第一参考电压(Vref)的任何波动都可以在第二运算放大器10的反相输入端(类似于第二运算放大器10的非反相输入端)再现，从而第二运算放大器10可以有效地从第一电压信号(即，Vout1)中减去第一参考电压(Vref)。
电压调整布置32包括第一参考源，该第一参考源是共模电流源34。共模电流源34电耦合到第一共模电阻器26a的第一端子和第二共模电阻器26b的第一端子。第一和第二共模电阻器26a、26b的第二端子分别电耦合到第二运算放大器10的反相和同相输入。与图2的共模电阻器相似，出于相同的原因，第一和第二共模电阻器26a、26b可以具有基本相同的值电阻。
反馈放大器可以是NMOS晶体管36，如图3所示。NMOS晶体管36的栅极电耦合到第二运算放大器10的同相输入。NMOS晶体管36的源极电耦合到接地平面(或电气接地)。NMOS晶体管36的漏极电耦合至共模电流源34、第一共模电阻器26a的第一端子以及第二共模电阻器26b的第一端子。
该布置中的晶体管36可以布置成调节其沟道，直到栅地电压接近其阈值电压(Vth)为止，该阈值电压可以在低电压范围内。换句话说，NMOS晶体管36可以确保进入模拟减法器电路4的第二运算放大器10的同相输入和反相输入两者的电压至少对应于NMOS晶体管36的阈值电压(Vth)。阈值电压(Vth)通常可以约为0.7V。这导致感兴趣信号的共模(即，Ipd*Rtia)在偏置的DC电压信号(即，Vth)附近变化。Rtia的选择可以被预先确定，使得信号的范围可以保持在低电压范围内，使得第二运算放大器10可以是低电压器件。此外，可以预定Rcm的选择，以使得信号保持在0V以上(即，电接地)，使得第二运算放大器10可以进一步是单极供电的设备并且可能是低压设备。
电流-电压信号转换器30执行将电流信号转换成电压信号的方法。该方法可以至少包括以上参考电流-电压转换器20所述的三个步骤。
电流-电压信号转换器30还可以基于第一电压信号(Vout1)的DC偏移电压(Vref)来调节放大器10的两个输入处的电压或电流值。该调整可以是DC偏移电压(Vref)的移位、缩放和/或稳定。到放大器的两个输入端的电压或电流值基于直流偏移(Vref)的实际变化，通过反馈回路。反馈回路被配置成使得在操作期间到放大器10的输入不超过第一预定电压阈值或不低于第二预定电压阈值。这些预定电压阈值可以是放大器10不再在其线性区域中操作并且开始在其饱和区域中操作的极限。这不是严格的限制，根据应用情况，可以超过一定时间百分比来接受此限制，这样，在大多数情况下，第二电压信号(Vout2)代表/线性地与输入电流信号(Ipd)。
图5示出了电流-电压信号转换器40的框图，该电流-电压信号转换器40包括第一级42、模拟减法器电路4和电压调整布置44。
第一级42被配置为将输入电流信号(Ipd)转换为第一电压信号(Vout1)。这可以通过本领域中已知的许多方式来实现，但是，一个具体示例是图1-3中所示的跨阻放大器电路2。
电流-电压信号转换器40的第二级是模拟减法器电路4。模拟减法器电路4包括放大器10。模拟减法器电路4电耦合到第一级42以将第一电压信号(Vout1)转换为第二电压信号(Vout2)，即它至少执行电压移位操作。
电压调整电路44电耦合到放大器10的至少一个输入，并且被配置为使得在放大器10的至少一个输入处的电压在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间。电压调整电路44可以是开环系统、前馈系统或反馈系统。
模拟减法器电路4可以进一步包括用于第一参考电压(Vref)的输入。第一电压信号(Vout1)可以包括第一参考电压(Vref)的分量。例如，第一参考电压(Vref)可以是(随时间变化的)DC偏移。因此，电压调整布置44可以将第一参考源引入放大器10的输入。这可以(部分或全部)缩放/偏移第一电压信号(Vout1)的第一参考电压(Vref)分量。电压调整电路44可以被设计为具有第一参考电压(Vref)的预定知识，以便对其进行缩放/偏移(即，例如图2的开环系统)，或者它可以设计为对运行中的电流/未来/过去的第一参考电压(Vref)起反应(例如，闭环系统[反馈或前馈]，例如图3)。电压调整电路44允许改善系统成本(减小的部件尺寸、功率)和改善的系统性能。这可以使放大器10成为低压放大器和/或单极放大器，这可以带来进一步的优点。
在操作中，电流-电压信号转换器40执行将电流信号转换为电压信号的方法。该方法可以至少包括以上参考电流-电压转换器20和电流-电压转换器30描述的三个步骤。该方法具有与先前关于电流-电压转换器20和电流-电压转换器30所述相同的优点和益处。
图6示出了电流-电压信号转换器50，其包括如图1所示的电流-电压信号转换器1的结构(即，跨阻放大器2和模拟减法器电路4)，并增加了电压调整布置52。
电流-电压信号转换器50以与图3的电流-电压转换器30几乎相同的方式操作，至少具有所有相同的优点。与图3的区别在于，NMOS晶体管36已被具有偏置电压(Vb)的第三运算放大器54取代。
第三运算放大器54的反相输入电连接至第二运算放大器10的非反相输入。第三运算放大器54的非反相输入电连接到与NMOS晶体管36的阈值电压(Vth)具有相同目的的偏置电压(Vb)。也就是说，它导致感兴趣的信号(即，Ipd*Rtia)在偏置的DC电压信号(即，Vb)附近变化。这可以导致第一电压信号(Vout1)的变化的DC偏移电压(即，Vref)的有效移位或缩放，或至少稳定。值得注意的是，第三运算放大器54的输出可以用作第一参考源，因此可以不存在共模电压/电流源(类似于图3的共模电流源34)。第三运算放大器54可以电耦合到第一共模电阻器26a的第一端子和第二共模电阻器26b的第一端子。
图7示出了电流-电压信号转换器60，其包括如图1所示的电流-电压信号转换器1的结构(即，跨阻放大器2和模拟减法器电路4)，并增加了电压调整布置62。
电流-电压信号转换器60以与图3的电流-电压转换器30几乎相同的方式操作，至少具有所有相同的优点。与图3的电流-电压转换器30的区别在于，第一和第二共模电阻器26a、26b已被电流镜布置63取代。电流镜布置包括控制(PMOS)晶体管66和两个镜像(PMOS)晶体管68a、68b。每个镜像晶体管68a、68b的漏极分别电耦合到第二运算放大器10的反相和同相输入。每个镜像晶体管68a、68b的源极和控制晶体管66连接在一起并连接到电源69。每个镜像晶体管68a、68b的栅极、控制晶体管66的栅极、第二NMOS晶体管64的漏极和控制晶体管66的漏极连接在一起。第二NMOS晶体管64的源极电耦合到电接地。
反馈NMOS晶体管36的漏极电耦合到共模电流源34，并且电耦合到第二NMOS晶体管64的栅极。因此，反馈NMOS晶体管36可以控制流过第二NMOS晶体管64的电流。因此，第二NMOS晶体管64可以控制电流镜布置63中的电流。由两个镜像晶体管68a、68b汲取的镜像电流类似于图2、3和5的一对电阻器26a、26b，控制第二运算放大器10的反相和同相输入端的电压。换句话说，两个镜像(PMOS)晶体管68a、68b可帮助有效地移位、缩放和/或至少稳定第一电压信号(Vout1)的变化DC偏移电压(即Vref)。这可以使第二运算放大器10成为低压运算放大器和/或由单极电源电压提供。这可以提高系统性能(准确性、电源效率)并降低系统成本(减小的表面积和尺寸)。
在电流-电压信号转换器30、40、60中，该电流-电压信号转换器可以包括具有闭环系统的电压调整布置32、42、62和NMOS晶体管36，NMOS晶体管36可以改变为电阻器布置或其他简单的放大器。只有具有放大器功能才有用。此外，在电流-电压信号转换器30、40、50、60中，可以将任何mosfet型晶体管改变为BJT型晶体管或任何其他晶体管类型，而不背离本说明书中描述的概念。
对于所有上述设计和电路，可以从第二运算放大器10的同相输入到电接地(即阳极接地)添加一个额外的二极管。该二极管可以保护第二运算放大器10的至少一个输入，使得当电流-电压信号转换器1、20、30、40、50、60最初通电时，或者如果电压调整布置22、32、42、52、62无法立即更改第二运算放大器10的输入电压时，第二运算放大器10始终在安全范围内运行。
可以通过反馈电路修改模拟减法器电路，以使第二个运算放大器不会“看到”高压信号。反馈电路可以有许多不同的实现方式，也可以用前馈电路代替。为了保护低压放大器免受该电路突然失效的影响，可以使用无源保护电路。
概述
除非上下文另外明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”等应以包括性含义来解释，而不是排他性或唯一性的意思，也就是说，在“包括但不限于”的意义上。
如本文中通常使用的，术语“耦合”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或多个元件。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“上方”、“下方”和类似含义的词语应整体上指本申请，而不是指本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，详细描述中使用单数或复数的词也可以分别包括复数或单数。涉及两个或多个项目的列表中的单词“或”旨在涵盖该单词的以下所有解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目以及列表中项目的任意组合。
应当理解，可以将来自一个或多个上述实施例的一个或多个特征与一个或多个其他上述实施例的一个或多个特征相结合，以形成在所附权利要求书的范围内的其他实施例。

Claims (20)

1.电流电压信号转换器，包括：
第一级，被配置为将输入电流信号转换为第一电压信号；
包括放大器的模拟减法器电路，其中，所述模拟减法器电路电耦合至所述第一级，以将所述第一电压信号转换为第二电压信号；和
电压调整布置，耦合到所述放大器的至少一个输入，并且被配置为使得在所述放大器的至少一个输入处的电压在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间。
2.权利要求1所述的电流电压信号转换器，其中所述电压调整布置包括耦合到所述放大器的至少一个输入的第一参考源。
3.权利要求2所述的电流电压信号转换器，其中所述放大器的至少一个输入包括第一输入和第二输入，其中所述第一参考源既耦合到所述第一输入又耦合到所述第二输入，并且是共模参考。
4.权利要求3所述的电流电压信号转换器，其中所述共模参考是电压或电流源。
5.权利要求1所述的电流电压信号转换器，其中所述第一预定电压阈值大于所述第二预定电压阈值，其中所述第一电压信号至少部分地高于所述第一预定电压阈值或至少部分低于所述第二预定电压阈值。
6.权利要求1所述的电流电压信号转换器，其中所述放大器是低压放大器，并且在其线性区域中操作，并且该放大器具有预定的输入电压范围，并且所述第一预定电压阈值小于或等于预定输入电压范围的上限，以及所述第二预定电压阈值大于或等于预定输入电压范围的下限。
7.权利要求1所述的电流电压信号转换器，其中所述第一级被配置为在第一电源电压范围内操作，其中，所述放大器是运算放大器，并且被配置为在第二电源电压范围内操作，以及所述第一电源电压范围大于所述第二电源电压范围，和/或者该放大器被配置为进一步由单极性电源电压供电。
8.权利要求1所述的电流电压信号转换器，其中所述输入电流信号由第一参考电压偏置的光电二极管产生；
其中所述第一级是包括电压输入和电流输入的互阻放大器，其中所述第一参考电压电耦合到所述电压输入，并且所述输入电流信号电耦合到电流输入；和/或
其中所述第二电压信号适合于提供模数转换器。
9.权利要求1所述的电流电压信号转换器，其中所述模拟减法器电路还包括第一、第二、第三和第四电阻器；
其中所述第一电阻器串联电耦合在所述第一输入与所述第一电压信号之间；
其中所述第二电阻器电耦合到所述第一输入，并基于所述运算放大器的输出形成负反馈回路，其中，所述运算放大器的输出为第二电压信号；
其中所述第三电阻器和所述第四电阻器形成分压器，使得所述第三电阻器串联电耦合在所述第二输入和所述第一参考电压之间，并且所述第四电阻器电耦合到接地状态；和
其中所述第一和第三电阻器具有基本相同的电阻值，并且所述第二和第四电阻器具有基本相同的电阻值。
10.权利要求3所述的电流电压信号转换器，其中所述共模参考包括固定电压源，电耦合到第一共模电阻器的第一端子和第二共模电阻器的第一端子，其中所述第一和第二共模电阻器的第二端子分别电耦合到所述第一和第二输入，其中所述第一和第二共模电阻器具有基本相同的电阻值。
11.权利要求8所述的电流电压信号转换器，其中所述第一参考电压具有预定值，并且所述共模参考是基于所述预定值的具有预定电压的固定电压源。
12.权利要求3所述的电流电压信号转换器，其中所述电压调整布置包括反馈环路，该反馈环路被配置为调整进入所述模拟减法器电路的放大器的第一输入和第二输入两者的电压，其中，所述电压调整布置包括反馈放大器，该反馈放大器被配置为接收到所述模拟减法器电路的放大器的第二输入。
13.权利要求12所述的电流电压信号转换器，其中所述反馈放大器电耦合到所述第一共模电阻器的第一端子和第二共模电阻器的第一端子，其中所述第一和第二共模电阻器的第二端子分别电耦合到所述第一和第二输入，其中所述第一和第二共模电阻器具有基本相同的电阻值。
14.权利要求12所述的电流电压信号转换器，其中所述反馈放大器被配置为操作包括两个镜像晶体管和控制晶体管的电流镜布置，其中所述反馈放大器被布置为控制在所述控制晶体管中的电流，并且所述两个镜像晶体管分别电耦合到所述第一和第二输入，其中所述两个镜像晶体管的尺寸匹配。
15.跨阻放大器，包括：
电流-电压转换器，被配置为接收第一电流信号并产生正电压输出；
电压调整布置，耦合到所述电流-电压转换器，并配置为使所述电流-电压转换器的至少一部分能够在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间操作。
16.权利要求15所述的跨阻放大器，其中所述电压调整布置包括耦合到电阻器的第一端子的恒定电压/电流源，并且所述电阻器的第二端子耦合到所述电流-电压转换器。
17.权利要求15所述的跨阻放大器，其中所述电压调整布置包括反馈放大器，该反馈放大器被布置为基于所述正电压输出来主动控制电压调整。
18.一种将电流信号转换成电压信号的方法，该方法包括：
使用信号转换器的第一级将输入电流信号转换为第一电压信号；
使用包括放大器的模拟减法器电路将所述第一电压信号转换为第二电压信号；和
将电压调整布置施加到放大器的至少一个输入，以在第一预定电压阈值和第二预定电压阈值之间减小到所述放大器的至少一个输入处的电压。
19.权利要求18所述的方法，其中所述放大器的至少一个输入包括第一输入和第二输入，其中所述电压调整布置包括耦合到第一输入和第二输入的共模参考，其中所述共模参考是DC源，并且进一步执行以下步骤：
预定所述第一电压信号的DC偏移电压；和
基于所述预定的DC偏移电压来预定DC源的电压或电流值。
20.权利要求18所述的方法，其中所述放大器的至少一个输入包括第一输入和第二输入，其中所述电压调整布置包括耦合到第一输入和第二输入的共模参考，其中所述共模参考是DC源，并且进一步执行以下步骤：
基于所述第一电压信号的DC偏移电压来调节所述第一输入和所述第二输入两者处的电压或电流值。
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