專(zhuān)利名稱(chēng)：電壓至電流轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該發(fā)明通常涉及電壓至電流轉(zhuǎn)換器，比如用在模/數(shù)(A/D)接口中的這種轉(zhuǎn)換器。特別地，該發(fā)明提供了一種具有低通濾波功能的電壓至電流轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
很多數(shù)字電路應(yīng)用中使用了模擬接口。

圖1給出了一種典型的模擬接口，該接口包括一個(gè)反混疊濾波器和一個(gè)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器。模擬輸入電壓被傳送給反混疊濾波器。然后，經(jīng)濾波的電壓被傳送給(A/D)轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生數(shù)字輸出信號(hào)。反混疊濾波器抑制高頻分量來(lái)避免當(dāng)模擬信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)出現(xiàn)混疊。
這種傳統(tǒng)的“電壓模式”方法通常需要線性電容，然而，當(dāng)前CMOS的基本加工工藝(例如EPIC3和CS11S)不包括對(duì)于建立線性電容所必須的多項(xiàng)方案。因此，對(duì)線性電容的要求增加了處理的步驟，并因此增加了成本。
在混合電壓應(yīng)用中，例如linecard電路，在同一芯片中集成高電壓電路和低電壓電路是很合算的。使用傳統(tǒng)電壓模式接口的電路時(shí)，在高電壓電路和低電壓電路之間，高電壓電路中的高信號(hào)波動(dòng)必須被抑制，從而防止低電壓電路的飽和或?qū)Φ碗妷弘娐返钠茐?。然而，?duì)信號(hào)波動(dòng)的限制降低了高電壓電路的動(dòng)態(tài)范圍。
為了克服以上缺點(diǎn)，可以使用圖2中給出的另一可選的電流模式接口。模擬輸入電壓首先被傳送給電壓至電流(V/I)轉(zhuǎn)換器。輸出電流被傳送給濾波器，并且濾波后的電流被提供給A/D轉(zhuǎn)換器。由于該接口處理電流而不是電壓，線性電容就不需要了，單純的數(shù)字CMOS基本工藝可以在沒(méi)有附加處理步驟或附加成本的情況下被使用。而且，因?yàn)閂/I轉(zhuǎn)換器可以被設(shè)計(jì)為僅對(duì)電流波動(dòng)敏感，V/I轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可以任意大于V/I轉(zhuǎn)換器的供給電壓。這種裝置允許以低成本將高電壓電路和低電壓電路集成在同一芯片上。
對(duì)于模/數(shù)接口來(lái)說(shuō)，既包括電壓至電流轉(zhuǎn)換功能又包括濾波功能是很理想的，并且該接口可以用數(shù)字CMOS基本加工工藝，例如CS11S，很容易地實(shí)現(xiàn)。
發(fā)明概要該發(fā)明克服了上面提到的問(wèn)題，并通過(guò)給出具有濾波功能的電壓至電流轉(zhuǎn)換器而顯現(xiàn)了其它的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)示例性實(shí)施方案，該轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)輸入電阻R和一個(gè)等效電阻Ri用來(lái)將輸入電壓信號(hào)Vi轉(zhuǎn)換成中間電流信號(hào)Ii，使得Ii基本上等于Vi/(R+Ri)。該示例轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)具有至少兩個(gè)晶體管和一個(gè)主極點(diǎn)的電流鏡，該電流鏡根據(jù)中間電流信號(hào)Ii產(chǎn)生一個(gè)輸出電流信號(hào)Io。該電流鏡有一個(gè)基本上等于(Rf+1/gml)-1(Cf+Cp)-1的極點(diǎn)頻率wp，其中g(shù)ml是電流鏡中連接成二極管的晶體管的跨導(dǎo)，Rf是電流鏡的晶體管之間的電極電阻，Cf是其中一個(gè)電流鏡晶體管的第一和第二終端之間的電極電容。Cp是電流鏡晶體管產(chǎn)生的寄生電容。
附圖簡(jiǎn)要描述結(jié)合附圖，通過(guò)閱讀下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述，可以得到對(duì)該發(fā)明更完整的理解。其中，相同的參數(shù)數(shù)字表示相同的元件。其中圖1是電壓模式模/數(shù)接口的通常的方框圖；圖2是電流模式模/數(shù)接口的通常的方框圖；圖3是根據(jù)該發(fā)明示例實(shí)施方案的低通濾波電壓至電流轉(zhuǎn)換器的電路圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述基于圖1和2的比較，可知的是，除非輸入信號(hào)已經(jīng)是一個(gè)電流信號(hào)，否則需要一個(gè)額外元件(V/I轉(zhuǎn)換器)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流模式方法的優(yōu)點(diǎn)。反混疊濾波器的濾波需求通常很低，尤其對(duì)于涉及過(guò)采樣A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用更是這樣。因此，根據(jù)該發(fā)明，V/I轉(zhuǎn)換器可以被用做反混疊低通濾波器。因?yàn)榘鶕?jù)該發(fā)明電路的接口具有很小的帶寬，因而自身值本來(lái)很大的V/I轉(zhuǎn)換器帶寬根據(jù)該發(fā)明被降低來(lái)獲得以下的好處，1)在V/I轉(zhuǎn)換器中加入低通濾波功能，2)降低寬帶噪聲(例如熱噪聲)。
圖3中給出了V/I轉(zhuǎn)換器的示例電路配置。轉(zhuǎn)換器10包括一個(gè)連接在輸入電壓Vi和節(jié)點(diǎn)N之間的電阻R。如圖所示反向放大器AMP和晶體管M0連接在節(jié)點(diǎn)N和電流鏡之間，其中的電流鏡包括晶體管M1,M2，電阻Rf，電容Cf。晶體管M1和M2的源極和電容Cf的一個(gè)端子被連接到電壓供給線Vcc，偏流Ibias從晶體管M2的漏極和節(jié)點(diǎn)N流向地線。輸出電流Io是晶體管M2的漏極電流減去偏流Ibias所得。
通過(guò)電阻R，輸入電壓Vi直接被轉(zhuǎn)換成中間電流Ii。其關(guān)系由下式給出Ii=ViR+Rf]]>其中Rf是節(jié)點(diǎn)N處的等效輸入電阻，該值與信號(hào)有關(guān)。如果Ri被設(shè)計(jì)的非常小，那麼Ri對(duì)于轉(zhuǎn)換線性度的影響將減至最小。這一點(diǎn)由圖3中給出的反向放大器AMP實(shí)現(xiàn)。取一階項(xiàng)時(shí)，等效輸入電阻由下式近似Ri=1gmoA]]>其中g(shù)mo是晶體管M0的跨導(dǎo)，A是反向放大器AMP的電壓增益。因此，反向放大器AMP的大電壓增益A將減小等效電阻Ri的值。
從上面可知，對(duì)于示例電路中的輸入電壓Vi沒(méi)有任何限制。而且，由于節(jié)點(diǎn)N處的低阻抗，M0源極的電壓變化非常小。換句話說(shuō)，節(jié)點(diǎn)N是一個(gè)虛地。因此，對(duì)于混合電壓應(yīng)用，例如linecard電路來(lái)說(shuō)，圖3的V/I轉(zhuǎn)換器配置是理想的。
輸出電流被包括晶體管M1和M2的電流鏡做鏡向輸出。不象傳統(tǒng)的電流鏡那樣，電阻Rf和電容Cf被用來(lái)有目的的在電流鏡中引入一個(gè)主極點(diǎn)，該極點(diǎn)頻率由下式給出wp=1(Rf+1gml)(Cf+Cp)]]>
其中g(shù)ml是由二極管連接成的晶體管M1的跨導(dǎo)，Cp是M1,M2柵極處的總寄生電容。
在電流鏡中對(duì)串聯(lián)電阻Rf和并聯(lián)電容Cf的使用限制了V/I轉(zhuǎn)換器的帶寬，并使得單極點(diǎn)低通濾波系統(tǒng)能夠在V/I轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)。不象傳統(tǒng)的電壓模式濾波器，圖3電路中M1和M2柵極處的電壓變化很小，而且對(duì)于無(wú)源元件的線性要求明顯下降。因此，可以使用勢(shì)阱(well)電阻和柵極電容，并且即使使用了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字CMOS加工工藝，芯片面積也可以明顯降低。
總之，根據(jù)該發(fā)明，通過(guò)將V/I轉(zhuǎn)換器用做低通濾波器，芯片面積和功率消耗會(huì)明顯降低。所有的元件都可以用數(shù)字CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而工藝成本被最小化。
可知的是，可以根據(jù)期望的濾波器特性來(lái)選擇濾波元件Rf和Cf，并且可以使用其它適當(dāng)?shù)脑?br> 盡管前面的描述包括很多細(xì)節(jié)，應(yīng)該明白的是，這僅僅是對(duì)該發(fā)明的舉例說(shuō)明，而不會(huì)成為限制。對(duì)于該領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不偏離由附加權(quán)利要求和它們的等價(jià)物定義的該發(fā)明的范圍和思想的前提下，很多修改是一清二楚的。
權(quán)利要求
1.一種電壓至電流轉(zhuǎn)換器，包括輸入電阻R和等效電阻RI，用來(lái)將輸入電壓信號(hào)Vi轉(zhuǎn)換成中間電流信號(hào)Ii，使得Ii基本上等于Vi/(R+Ri)以及具有至少兩個(gè)晶體管和一個(gè)主極點(diǎn)(pole)的電流鏡，該電流鏡根據(jù)中間電流信號(hào)Ii產(chǎn)生輸出電流信號(hào)Io。
2.權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中電流鏡的極點(diǎn)頻率wp基本上等于(Rf+1/gml)-1(Cf+Cp)-1，其中g(shù)ml是電流鏡中連接成二極管的至少兩個(gè)晶體管中一個(gè)的跨導(dǎo)，Rf是至少兩個(gè)晶體管之間的電極電阻，Cf是所述至少兩個(gè)晶體管中一個(gè)的第一和第二終端之間的電極電容，Cp是所述至少兩個(gè)晶體管產(chǎn)生的寄生電容。
3.權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中等效電阻Ri由反向放大器和晶體管產(chǎn)生，其中的反向放大器具有電壓增益，晶體管具有跨導(dǎo)。
4.權(quán)利要求3的轉(zhuǎn)換器，其中等效電阻Ri與晶體管的跨導(dǎo)成反比，并與反向放大器的電壓增益成反比。
5.權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中的主極點(diǎn)由一個(gè)電阻和一個(gè)電容給出，其中的電阻連接在至少兩個(gè)晶體管的柵極之間，其中的電容連接在至少兩個(gè)晶體管中一個(gè)的漏極和柵極之間。
6.權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中輸入電阻R和電極電阻Rf是勢(shì)阱電阻，電極電容Cf是柵極電容。
7.權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)換器，其中電極電阻Rf和電極電容Cf對(duì)輸出電流信號(hào)Io進(jìn)行低通濾波。
全文摘要
一種在提供濾波功能的同時(shí)用來(lái)將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出電流信號(hào)的電壓至電流轉(zhuǎn)換器。通過(guò)輸入電阻和例如由反向放大器和晶體管提供的等效電阻,輸入電壓信號(hào)被轉(zhuǎn)換成中間電流信號(hào)。有一個(gè)主極點(diǎn)的電流鏡將中間電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號(hào),并具有低通濾波功能。該轉(zhuǎn)換器避免了線性電容的使用,并可用CMOS設(shè)備容易地實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G05F1/10GK1223729SQ9719600
公開(kāi)日1999年7月21日 申請(qǐng)日期1997年5月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月8日
發(fā)明者譚年熊, H·M·古斯塔維森 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司