專利名稱：將電壓轉(zhuǎn)換為多個電流輸出的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，更具體地說，涉及用來將輸入電壓轉(zhuǎn)換為多個電流輸出的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路。
在日本公開號為昭61-45314的專利申請中，公開了一種將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸入電流，同時得到電壓絕對值的電路。圖4所示是絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的電路圖。在該絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路中，電阻R6的一端與輸入電壓端Vin相連，而該電阻的另一端則與運(yùn)算放大器A3的反相輸入端、NPN晶體管Q1的基極與集電極、NPN晶體管Q2的基極，以及NPN晶體管Q3的發(fā)射極連在一起。A3的同相端與參考電壓端(在此情況下就是大地)相連。A3的輸出端與Q1的發(fā)射極、Q2的發(fā)射極以及Q3的基極相連。該轉(zhuǎn)換電路將Q2與Q3的集電極連在一起并將其用作輸出端Io。
在這個例子中，當(dāng)輸入電壓Vin的極性為正時，晶體管Q1和Q2進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，而晶體管Q3則進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。這是因?yàn)镼1是處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而Q3的發(fā)射結(jié)和基結(jié)是處于反偏置狀態(tài)。因?yàn)锳3通過Q1實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，假設(shè)晶體管的共射極電流放大因子(hFE)有非常大的值而使得其影響可以忽略，A3的反相輸入就變?yōu)樘摰貭顟B(tài)，從而由Vin/R6所提供的電流就流入Q1。此外，晶體管Q1和Q2構(gòu)成了一個電流鏡像電路，從而使與Q1的集電極電流有相同值的電流流入Q2的集電極而用作輸出電流Iout。相反，當(dāng)輸入電壓的極性為負(fù)時，Q3就進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，而Q1和Q2就變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。因?yàn)锳3通過Q1的基射極實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，A3的反相輸入就再次變?yōu)樘摰貭顟B(tài)。結(jié)果由Vin/R6所提供的與輸入電壓Vin為正極性時有相同表達(dá)式的輸出電流Iout就從輸出端Io通過Q3的集電極輸出。
綜上所述，在輸入電壓Vin和輸出電壓Iout之間的關(guān)系由下式(1)給出Iout＝|Vin|/R6(1)
換言之，輸入電壓Vin的絕對值被電阻R6轉(zhuǎn)換為一個電流，而輸入電壓Vin與輸出電流Iout之間的關(guān)系如圖5所示。這里需要提醒的是上面等式(1)的結(jié)果近似等于下式所給出的嚴(yán)密的表達(dá)式。
Iout＝(Vin+/R6)[hFE/(1+hFE)]當(dāng)(Vin＞0)， (2)Iout＝(-Vin-/R6)[hFE/(1+hFE)]當(dāng)(Vin＜0)， (3)在上式中，R6是電阻R6的阻值，而hFE則是晶體管Q1到Q3的共射極電流放大因子。
在形成集成電路的NPN晶體管中，hFE一般對于即使是約幾個mA級的小電流也具有超過100的值，盡管其依賴于發(fā)射極的大小。因此，由于hFE造成的偏差對Vin極性為正和負(fù)兩種情況來說都要小于1％，如式(2)和(3)所示，且關(guān)于輸入電壓極性的對稱性是非常精確的，滿足等式(1)的有效性。
但是，對于上面的電路，不可能實(shí)現(xiàn)多種電流輸出。也就是說，根據(jù)電流的本質(zhì)，如果在某一點(diǎn)取用一次電流作為輸出，那么就不可能在其它的地方再用它作為另一個輸出。相反，對于電壓而言，就可以在多個點(diǎn)將其取出作為輸出，只要輸出電流的容量允許即可。
本發(fā)明的一個目的是提供一種電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，將輸入電壓的絕對值轉(zhuǎn)換為一個電流可產(chǎn)生多個電流且能夠得到多個電流輸出。
本發(fā)明的另一目的是提供電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，它可產(chǎn)生多個電流且電路具有簡單的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一種模式的絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路包括一個電阻，該電阻的一端與一個電壓輸入端(或參考電壓端)相連，一個運(yùn)算放大器，其反相輸入端與該電阻的另一端和多重輸出電流鏡像電路的輸入端相連，其同相輸入端與參考電壓端(或是輸入電壓端)相連，其輸出端與多重輸出電流鏡像電路的公共端，以及一多重n雙極型晶體管相連，其各自的柵極共同連到該運(yùn)算放大器的輸出端，而它們各自的發(fā)射極則共同連到運(yùn)算放大器的反相輸入端。
根據(jù)本發(fā)明另一種模式的絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路包括一第二和一第四電阻，它們的每一端與相應(yīng)的差分輸入電壓端相連，一第三和一第五電阻，它們的每一端與第二和第四電阻的另一端相連，而它們的另一端則共同連接到參考電壓端上，一運(yùn)算放大器，其反相其反相輸入端與第二和第三電阻的連結(jié)點(diǎn)和多重輸出電流鏡像電路的輸入端相連，該電路輸入電流與輸出電流之比為n∶1，其同相輸入端與第四和第五電阻的結(jié)點(diǎn)相連，其輸出則接到多重輸出電流鏡像電路的公共端上，一多重n雙極型晶體管，其各自的基極與運(yùn)算放大器的輸出端共同相連。
當(dāng)輸入電壓的極性為正時，電流鏡像電路CM進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，而NPN晶體管Q1到Qn則變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。輸入電壓通過電阻R1轉(zhuǎn)換為一個電流，且該電流用作輸入到電流鏡像電路CM中的輸入電流。該電流被電流鏡像電路反相以沿吸入電流方向流動，同時電流值減為輸入電流的1/n。另一方面，當(dāng)輸入電壓的極性為負(fù)時，NPN晶體管Q1到Qn進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，電流鏡像電路CM則變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。輸入電壓通過電阻R1轉(zhuǎn)換為一個電流，而沿吸入方向的電流從晶體管Q1到Qn的集電極輸出。因?yàn)楸晦D(zhuǎn)換的電流在晶體管Q1到Qn中被分配，晶體管Q1到Qn中每一個的電流都等于被轉(zhuǎn)換電流的1/n。在上面已經(jīng)明確，對于輸入電壓極性為正和負(fù)兩種情況而言，在晶體管Q1到Qn中的電流方向與吸入電流的方向一致，最后表明得到了輸入電壓的絕對值。
本發(fā)明的上述和其它目的，特征以及優(yōu)點(diǎn)將從下面結(jié)合附圖的說明中變得更為顯而易見。其中

圖1所示是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的電路圖；圖2所示是圖1中電流鏡像電路結(jié)構(gòu)的電路圖；圖3所示是根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的電路圖；圖4所示是現(xiàn)有技術(shù)的絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的電路圖；和圖5所示是圖4中電路的輸入/輸出電壓特性。
下面，參考附圖對發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)地說明。
圖1所示是根據(jù)本發(fā)明第一個實(shí)施例的絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的電路圖。該電路包括一個電阻R1，其一端與一個輸入電壓端相連，一運(yùn)算放大器A1，其反相輸入端與電阻R1的另一端及一具有n個輸出的電流鏡像電路CM的一個輸入端相連，其同相輸入端接地，其輸出與電流鏡像電路CM的公共端相連，以及n個單元的NPN雙極型晶體管Q1到Qn，它們各自的基極共同與運(yùn)算放大器A1的輸出相連，而它們各自的發(fā)射極則共同與運(yùn)算放大器A1的反相輸入端相連。這里，輸入電流與輸出電流的比設(shè)為n∶1。這個轉(zhuǎn)換電路的輸出端由電流鏡像電路CM的n個輸出端和晶體管Q1到Qn的n個集電極組成。
下面說明這個電路的操作。首先考慮的是加到輸入電壓端Vin的電壓為正極性的情況。在這一情況下，運(yùn)算放大器A1通過其輸入端和電流鏡像電路CM的公共端實(shí)現(xiàn)了負(fù)反饋。由于這一原因，運(yùn)算放大器A1的反相輸入端就與其同相輸入端有理想的短路關(guān)系，從而使反相輸入端的電位與同相輸入端的電位相等。因此，流過電阻R1的電流I1就由下式給出I1＝Vin/R1(4)因?yàn)榱鞯竭\(yùn)算放大器A1輸入端的電流是nA級的，幾乎可以忽略不計(jì)，實(shí)際上流經(jīng)電阻R1的整個電流I1用作電流鏡像電路CM的輸入電路。電流鏡像電路CM的輸入電流與輸出電流之比如上所述為1∶1/n，而它們的極性彼此是相反的，這樣輸出電流Io由下式給出Io＝-I1/n＝-Vin/(nR1)。
(5)在這種情況下，電流鏡像電路CM的輸入端與輸出端的電位差盡管是隨著電路的形式而變，但至少要高于0.7V。結(jié)果，晶體管Q1到Qn的發(fā)射極與基極被高于0.7V的電壓反向偏置，從而使晶體管Q1到Qn變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)。因此，集電極電流變?yōu)榱恪?br> 下面，將討論負(fù)極性電壓(-Vin)輸入到輸入端的情況。在這種情況下，運(yùn)算放大器A1通過其各自基極和發(fā)射極分別共同連接的晶體管Q1到Qn實(shí)現(xiàn)了負(fù)反饋。然后，運(yùn)算放大器A1的反相輸入端就變?yōu)榕c同相輸入端有和前面一樣的虛短狀態(tài)，而反相輸入端的電位就變?yōu)榕c同相輸入端一樣的地電位。因此，流過電阻R1的電流I1就與上式(4)中的所給出的一樣。因?yàn)榱魅脒\(yùn)算放大器A1輸入端的電流約為nA(納安)級的，幾乎可以忽略，流過電阻R1的電流I1就用作晶體管Q1到Qn的發(fā)射極電流。如果假設(shè)各晶體管Q1到Qn非常好地匹配，電流I1就在這些晶體管間均勻地分配，以給各晶體管Q1到Qn提供一發(fā)射極電流IE，從而IE＝I1/n (6)如果假設(shè)共射極電流放大因子hFE的值足夠大，以使其效應(yīng)能夠被忽略，那么從晶體管集電極輸出的電流Io就可以表示成Io＝IE＝I1/n＝-Vin/(nR1)， (7)這與式(5)是一樣的。換言之，輸出電流的極性與輸入電壓的極性是相同的，因而最終可以說，只要電流鏡像電路CM的輸出數(shù)目等于晶體管Q1到Qn的數(shù)目，輸入電壓的絕對值就被轉(zhuǎn)換為電流。
應(yīng)當(dāng)注意上述說明的有效性是隨著晶體管Q1到Qn特性的一致性情況而變化的。當(dāng)上述電路集成化時，就可以有效地實(shí)現(xiàn)在同一片上多個晶體管特性的一致。
如上所述，通過增加電流鏡像電路的輸出數(shù)目和將電壓轉(zhuǎn)換為電流的晶體管Q1到Qn的數(shù)目，就有可能增加電流輸出的數(shù)目。
圖2所示是電流鏡像電路CM在兩個輸出(n＝2)情況下的實(shí)施例，其中電流鏡像電路的輸入電流與輸出電流之比1∶0.5∶0.5。參考圖2，該電流鏡像電路包括NPN晶體管Q4到Q7，它們的基極和發(fā)射極分別共接，還有一個NPN晶體管Q8，其基極與晶體管Q4和Q5的集電極共接，其發(fā)射極則與晶體管Q4到Q7的基極共接，其集電極則與正電源Vcc相連接。晶體管Q4和Q5的集電區(qū)的公共結(jié)以及晶體管Q8的基極用作電流輸入端，而晶體管Q6和Q7各自的集電極則分別用作第一和第二輸出。晶體管Q8用來為晶體管Q4到Q7提供基極電流，還用來減少由于共射極電流放大系數(shù)hFE造成的誤差。電流鏡像電路在此情況下的輸出電流Io和輸入電流Iin之間的關(guān)系由下式給出。
Io=Iin(12+4hFE(hFE+1))----(8)]]>
如果假設(shè)共射極電流放大系數(shù)hFE的一般值為200，等式(8)就變?yōu)镮o＝0.499975Iin (9)其與下面的目標(biāo)值只有0.005％的誤差I(lǐng)o＝0.5Iin (10)因此，可以認(rèn)為等式(10)已經(jīng)在實(shí)質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了。
在得到上述結(jié)果時，假設(shè)晶體管Q4到Q7的特性是彼此非常一致的。如上所述，當(dāng)電路集成時，就實(shí)現(xiàn)了在同一片上多個晶體管特性的匹配。
在圖2中，描述了n＝2的特定情況。為了實(shí)現(xiàn)任意n值的一般情況，只需要提供一電流鏡像電路的輸入，配置n單元的晶體管(在圖2例子中的Q4和Q5)，各晶體管的集電極，基極，以及發(fā)射極分別共接，并配置n單元的晶體管(在圖2例子中的晶體管Q6和Q7)，其基極和發(fā)射極分別共接。
下面參考圖3，將說明本發(fā)明的第二個實(shí)施例。在此圖中，與圖1相一致的元件標(biāo)以相同的符號，以省略后面的說明。參考圖3，該實(shí)施例包括一個電阻R2，其一端與第一電壓輸入端相連，一電阻R4，其一端與第二輸入電壓端相連，電阻R3和R5各自的一端與電阻R2和R4各自的另一端相連，而它們各自的另一端則與地電位相連，一運(yùn)算放大器A2的反相輸入端與電阻R2和R3以及多輸出電流鏡像電路CM的輸入端的結(jié)點(diǎn)相連，其同相輸入端與電阻R4和R5的結(jié)點(diǎn)相連，其輸出端與電流鏡像電路CM的公共端相連，還有一多重n個NPN晶體管，其基極與運(yùn)算放大器A2的輸出共接。此外，電流鏡像電路CM的輸入與輸出電流之比設(shè)為n∶1。
下面將詳細(xì)說明此電路的運(yùn)算。首先，運(yùn)算放大器A2的同相端輸入端電壓V+是電阻R3和R5的輸入電阻對輸入電壓的分壓。因此，V+由下式給出
V+＝Vin2R5/(R4+R5) (11)這里Vin2是對第二輸入電壓端的電壓輸入。
因?yàn)檫\(yùn)算放大器A2的反相輸入端的電壓與其同相輸入端的電位有虛短關(guān)系，兩個端子的電位相等，即V-＝V+ (12)如果電流鏡像電路CM運(yùn)算放大器的A2輸入端的電流或晶體管Q1到Qn中的電流稱為Iin，它的值通過從流過電阻R2的電流I2中減去電阻R3上電流I3得到。結(jié)果有下面的關(guān)系Iin＝I2-I3＝{Vin-VinR5/(R4+R5)}/R2-{VinR5/R3(R4+R5)} (13)通過代入Vin1(第一輸入端的輸入電壓)和Vin2式(13)則表示為Iin=1R2{Vin1-Vin2(R5R4+5R+R5R4+R5·R2R3)}----(14)]]>如果將電阻值設(shè)為滿足R4/R5＝R2/R3和R2＝R，電流鏡像電路的輸出電流和晶體管Q1到Qn的集電極電流Iout由下式給出Iout＝(Vin1-Vin2)/nR(15)因?yàn)閺妮斎腚妷旱玫捷敵鲭娏鹘^對值的規(guī)律與第一實(shí)施例中一樣，所以后面的說明就省略了。
對圖3中的實(shí)例，以此方式，可以實(shí)現(xiàn)差分電壓到電流絕對值間的轉(zhuǎn)換。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)換系數(shù)可以通過設(shè)置輸入電流與輸出電流比值與輸出數(shù)目成比例而在正輸入電壓和負(fù)輸入電壓兩種情況下都一樣，結(jié)果就可以在將輸入電壓轉(zhuǎn)換為絕對電流值的電路中得到多個電流輸出。
盡管參考特定的實(shí)施例對本發(fā)明作了說明，本說明并沒有限定的意思。對所公開的實(shí)施例以及本發(fā)明其它實(shí)施例的各種修改對于本領(lǐng)域熟練的技術(shù)人員參考本發(fā)明的說明書之后都是顯而易見的。因此，所附權(quán)利要求將涵蓋所有在本發(fā)明真正范圍內(nèi)的修改或?qū)嵤├?br> 權(quán)利要求
1.一種電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，其特征在于包括，一個電阻，其一端與輸入電壓一端或一參考電壓端相連，一運(yùn)算放大器，其反相輸入端與所述電阻的另一端和一多輸出電流鏡像電路的輸入端相連，其同相輸入端與所述輸入電壓端和所述參考電壓端的另一個相連，其輸出端與所述多輸出電流鏡像電路的公共端相連，以及一多重n雙極型晶體管，它們各自的基極共同與所述運(yùn)算放大器的輸出相連，它們處自的發(fā)射極與所述運(yùn)算放大器的反相輸入端相連，其中所述多輸出電流鏡像電路的輸入與輸出電流之比設(shè)為n∶1，而所述多輸出電流鏡像電路的輸出與所述多重n雙極型晶體管的集電極用作輸出端。
2.一種電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，其特征在于包括，一第一和一第二電阻，它們的每一端連到第一和第二輸入電壓端的每個端子上，一第三和一第四電阻，其每一端與所述第一和第二電阻各自另一端分別相連，它們各自的另一端共同連到參考電壓端上，一運(yùn)算放大器，其反相輸入端與所述第一電阻和所述第三電阻以及一多輸出電流鏡像電路的輸入端的連接點(diǎn)相連，其同相輸入端與所述第二電阻和所述第四電阻的連接點(diǎn)相連，其輸出則與所述多輸出電流鏡像電路的公共端相連，以及一多重n片雙極型晶體管，它們各自的基極共同連接到所述運(yùn)算放大器的輸出上，其中所述多輸出電流鏡像電路的輸入電流與輸出電流之比設(shè)為n∶1，而所述多輸出電流鏡像電路和所述多重n雙極型晶體管的集電極用作輸出端。
3.一種電路，其特征在于包括一接收輸入電壓的輸入端；一電流鏡像電路，其與第一公共節(jié)點(diǎn)相連，并具有一輸入節(jié)點(diǎn)和第一和第二輸出節(jié)點(diǎn)，所述電流鏡像電路在一流過所述輸入節(jié)點(diǎn)的輸入電流為第一極性時輸出一第一輸出電流到所述第一節(jié)點(diǎn)，并在所述輸入電流為所述一極性時響應(yīng)所述輸入電流輸出一第二輸出電流到所述第二節(jié)點(diǎn)上；一第一晶體管，連接在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和所述輸入節(jié)點(diǎn)之間，所述第一晶體管的控制節(jié)點(diǎn)與所述第一公共節(jié)點(diǎn)相連，所述第一晶體管輸出一第三輸出電流，其與具有與所述第一輸出電流相同幅值的所述第一輸出電流流向相反；以及一第二晶體管，連接在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)和所述輸入節(jié)點(diǎn)之間，所述第二晶體管的一個控制節(jié)點(diǎn)與所述第一公共節(jié)點(diǎn)相連，而所述第二晶體管輸出一第四電流，其與所述第二輸出電流具有相同的幅值。
4.權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于還包括一放大器，其具有與所述第一端子相連的第一極性輸入節(jié)點(diǎn)，一與第二輸入端子相連的第二極性輸入節(jié)點(diǎn)，和一與所述第一公共節(jié)點(diǎn)相連的第三輸出節(jié)點(diǎn)。
5.權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于，所述輸入電流和所述第一電流之比率與所述輸入電流和所述第三電流的比率相同，而所述輸入電流和所述第二電流之比與所述輸入電流和所述第四電流之比率相同。
6.權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于所述電流鏡像電路有一個第三晶體管連在所述輸入節(jié)點(diǎn)和所述第一公共節(jié)點(diǎn)之間，所述第三晶體管的控制節(jié)點(diǎn)與一第二公共節(jié)點(diǎn)相連，一第四晶體管，連在所述第一輸出節(jié)點(diǎn)和所述第一公共節(jié)點(diǎn)之間，而所述第四晶體管的一個控制節(jié)點(diǎn)與所述公共節(jié)點(diǎn)相連，以及一第五晶體管，連在所述第二輸出節(jié)點(diǎn)和所述第一公共節(jié)點(diǎn)之間，而所述第五晶體管的一個控制節(jié)點(diǎn)連在所述公共節(jié)點(diǎn)之間。
7.權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于所述電流鏡像電路有連在所述輸入節(jié)點(diǎn)和所述第一公共節(jié)點(diǎn)之間的第六晶體管。
8.權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于所述第三，第四，第五和第六晶體管具有相同的電流提供能力。
9.權(quán)利要求8所述的電路，其特征在于所述電流鏡像電路有一個連在第一電源線和所述第二公共節(jié)點(diǎn)之間的第七晶體管，所述第七晶體管的控制節(jié)點(diǎn)與所述輸入節(jié)點(diǎn)相連。
10.權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于所述第一，第二，第三，第四，第五和第六晶體管具有相同的晶體管尺寸。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種由電壓轉(zhuǎn)換得到多個電流輸出的絕對值電壓/電流轉(zhuǎn)換電路。對正極性輸入電壓,用運(yùn)算放大器和多輸出電流鏡像電路構(gòu)成反相電壓/電流轉(zhuǎn)換電路,為得到其值為轉(zhuǎn)換后電流值1/n的電流。對于負(fù)極性輸入電壓,用運(yùn)算放大器和一多重n雙極型晶體管構(gòu)成同相電壓/電流轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換后電流在n個雙極型晶體管之間分配,得到每個晶體管的輸出電流,為轉(zhuǎn)換后電流的1/n。
文檔編號H03M1/74GK1172978SQ9711191
公開日1998年2月11日 申請日期1997年7月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月3日
發(fā)明者西村浩一 申請人:日本電氣株式會社