具有高线性度的电压电流转换电路

摘要

本发明公开了一种具有高线性度的电压电流转换电路，包括输入电阻、跨导放大器、第一及第二场效应管、放大器输出电平产生装置。输入电阻的一端与输入电压相连，另一端与跨导放大器的反相输入端及第一场效应管的漏极及栅极相连，跨导放大器的正向输入端接地，第一场效应管的栅极还直接与第二场效应管的栅极相连，第一场效应管的源极与跨导放大器的输出端相连，跨导放大器的输出端还直接与第二场效应管的源极相连，第二场效应管的源极还直接与放大器输出电平产生装置相连，第二场效应管的漏极用于输出电流。本发明采用负反馈电路和线性元件进行电压电流转换，消除场效应管转换的非线性影响，极大提高电压电流转换电路的线性度。

说明书

技术领域

本发明属于一种转换电路，特别涉及一种具有高线性度的电压电流转换电路。

背景技术

在许多集成电路应用领域，需要将电压线性化的转换成电流，包括基于CSI(Current Srarved Inverter)的VTC(Voltage to Time Converter)和基于电流的ADC(Analog to Digital Converter)等集成电路应用中，都需要将电压线性化的转换成电流信号。

目前最普遍的电压转电流方式是采用场效应管工作在饱和区的电流电压特性进行转换，其线性度严重依赖于场效应管的特性，非线性非常严重，极大限制其在线性度要求较高的电路中的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有高线性度的电压电流转换电路。

本发明所提供的一种具有高线性度的电压电流转换电路，用于将输入电压转换为输出电流，所述转换电路包括输入电阻、跨导放大器、第一及第二场效应管、放大器输出电平产生装置，所述输入电阻的一端与输入电压相连，另一端与跨导放大器的反相输入端相连，还直接与第一场效应管的漏极及栅极相连，所述跨导放大器的正向输入端接地，所述第一场效应管的栅极还直接与第二场效应管的栅极相连，所述第一场效应管的源极与跨导放大器的输出端相连，所述跨导放大器的输出端还直接与第二场效应管的源极相连，所述第二场效应管的源极还直接与放大器输出电平产生装置相连，所述第二场效应管的漏极用于输出电流。

进一步的，所述放大器输出电平产生装置为输出电阻，所述第二场效应管的源极通过输出电阻接地。

进一步的，所述放大器输出电平产生装置为第三场效应管，所述第三场效应管的源极接地，漏极与第二场效应管的源极相连，所述第三场效应管的栅极与放大器输出级偏置电压相连。

进一步的，所述转换电路还包括第四场效应管，所述第四场效应管级联于第二场效应管的漏极。

进一步的，所述第四场效应管的漏极用于输出电流，源极与第二场效应管的漏极相连，所述第四场效应管的栅极与放大器输出级偏置电压相连。

进一步的，所述第一场效应管与第二场效应管的器件类型、栅源电压差相同，并且尺寸成比例关系。

本发明利用负反馈运算放大电路“虚短”和“虚断”工作特性将输入电压转换为输入电流和反馈电流，再利用场效应管的电流镜原理，将第一场效应管与第二场效应管构成电流镜电路，使输出电流镜像反馈电流，最终将输入电压线性的转换成输出电流。该结构输出电流线性度基本上只受限于输入电阻线性度，与传统基于场效应管饱和区电压电流特效的VTC相比，极大的提高了电压电流转换线性度。

附图说明

图1为本发明一种具有高线性度的电压电流转换电路的第一较佳实施方式的电路图。

图2为本发明一种具有高线性度的电压电流转换电路的第二较佳实施方式的电路图。

图3为本发明一种具有高线性度的电压电流转换电路的第三较佳实施方式的电路图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1所示，其为本发明所述的一种具有高线性度的电压-电流转换电路的第一较佳实施方式的电路图。所述具有高线性度的电压-电流转换电路的较佳实施方式包括输入电阻R_in、跨导放大器AMP、场效应管M_fb及M_out、输出电阻R_out。所述输入电阻R_in的一端与输入电压V_in相连，另一端与跨导放大器AMP的反相输入端相连，还直接与场效应管M_fb的漏极及栅极相连。所述跨导放大器AMP的正向输入端接地。所述场效应管M_fb的栅极还直接与场效应管M_out的栅极相连，所述场效应管M_fb的源极与跨导放大器AMP的输出端相连。

所述跨导放大器AMP的输出端还直接与场效应管M_out的源极相连，所述场效应管M_out的源极还直接通过输出电阻R_out后接地。所述场效应管M_out的漏极用于输出电流I_out。

本实施方式中，所述输入电阻R_in用于将输入电压V_in转换成输入电流I_in，所述跨导放大器AMP、输入电阻R_in及场效应管M_fb构成负反馈运算放大电路，所述场效应管M_fb用于产生反馈电流I_fb，根据负反馈运算放大电路的输入端“虚短”和“虚断”的特征，该反馈电流I_fb与输入电流I_in相等，即I_fb＝I_in，并且该反馈电流I_fb作为电流镜，为场效应管M_out的栅极和源极提供电压差，所述场效应管M_out用于产生反馈电流I_fb的镜像电流，并提供所需比例的输出电流I_out，所述输出电阻R_out用于产生跨导放大器AMP的输出电平。

具体的，本发明所述的转换电路利用负反馈运算放大电路“虚短”和“虚断”的工作特性将输入电压V_in转换为输入电流I_in和反馈电流I_fb，再利用场效应管的电流镜原理，将场效应管M_fb与场效应管M_out构成电流镜电路，使输出电流I_out镜像反馈电流I_fb，最终将输入电压V_in线性的转换成输出电流I_out。

根据负反馈运算放大电路“虚短”特性，输入电阻R_in两端电压分别为输入电压V_in和地电平“0”，流过输入电阻R_in的电流则为：I_in＝V_in/R_in。根据负反馈运算放大电路“虚断”特性，流过输入电阻R_in的电流将全部流过场效应管M_fb，即负反馈电流I_fb等于输入电流I_in。

根据场效应管的工作特性，流过场效应管的电流完全取决于其栅极与源极电压差，具体关系为：

其中：μ₀表示场效应管载流子迁移率，C_os表示单位面积场效应管栅氧化层电容，W表示场效应管沟道宽度，L表示场效应管沟道长度，V_gs表示场效应管的栅极与源极之间的电压差，V_th表示场效应管阈值电压。

本发明中，场效应管M_out与场效应管M_fb的器件类型、栅源电压差完全相同，并且尺寸成比例关系：

其中N表示自然数，W表示场效应管沟道宽度，L表示场效应管沟道长度。

因此，本发明中流过场效应管M_out的输出电流I_out为流过场效应管M_fb的反馈电流I_fb的N倍，即：

其中N表示自然数。

从而使本发明实现输入电压线性化转换为输出电流的设计目标。

请继续参考图2所示，其为本发明所述的具有高线性度的电压电流转换电路的第二较佳实施方式的电路图。本发明所述的具有高线性度的电压电流转换电路的第二较佳实施方式与第一较佳实施方式的区别在于：将输出电阻R_out替换为场效应管M_ao，其中，所述场效应管M_ao的源极接地，漏极与场效应管M_out的源极相连，场效应管M_ao的栅极与放大器输出级偏置电压V_bamp相连。

本实施方式中，所述场效应管M_ao同样用于产生跨导放大器AMP的输出电平。其他实施方式中亦可采用其他的放大器输出电平产生装置，只要其能够为跨导放大器产生输出电平即可。

请继续参考图3所示，其为本发明所述的具有高线性度的电压电流转换电路的第三较佳实施方式的电路图。本发明所述的具有高线性度的电压电流转换电路的第二较佳实施方式与第一较佳实施方式的区别为在场效应管M_out的漏极级联一个场效应管M_cascode，该场效应管M_cascode用于提高输出阻抗，降低输出电压对输出电流的影响。具体的，所述场效应管M_cascode的漏极用于输出电流I_out，源极与场效应管M_out的漏极相连，，所述场效应管M_cascode的栅极与放大器输出级偏置电压V_bias相连。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。