本發(fā)明涉及電子電路技術領域，特別涉及一種I-V轉換模塊。

背景技術：

現有的電流-電壓轉換模塊，即I-V轉換模塊，如圖1所示，由常規(guī)I-V變換電路1、采樣保持電路2以及電流輸出型傳感器3組成。采樣保持電路2用于抵消電流輸出型傳感器3輸出的直流電流分量，以增加I-V轉換模塊的輸出動態(tài)范圍。然而，現有的采樣保持電路2的建立速度較慢，導致整體I-V轉換的速度降低，即導致交流信號的獲取時間變長。

現有的I-V轉換模塊中，若電流輸出型傳感器3輸出電流為I₀，輸出的直流電流分量為I，在采樣建立階段中，即控制信號sh為高電平時，開關S₂閉合，此時P型場效應晶體管M₂等效為一個阻值為gm的電阻。由于場效應晶體管M₂一般工作在亞閾值區(qū)，因此該場效應晶體管M₂的電阻與電流輸出型傳感器3輸出的直流電流分量I成正比，即gm＝α·I(α為常數)。當控制信號sh為低電平時，即開關S₂閉合的一瞬間，寄生電容C₃和采樣電容C₂相連極板的電壓開始建立，因此采樣保持電路2的時間常數τ＝(C₃+C₂)/gm＝(C₃+C₂)/α·I。

以上式中通常出現頻率較高的參數值為例，若gm＝α·I＝1us，C₃＝100pF，C₂＝1pF，得時間常數τ≈100us。在實現本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現現有技術存在如下問題：采樣保持電路2的建立速度非常慢，導致I-V變換電路1需要較長時間對電流輸出型傳感器3輸出的交流電流分量進行采集，極大的降低了I-V轉換模塊的轉換速率。

技術實現要素：

本發(fā)明實施方式的目的在于提供一種I-V轉換模塊，極大的加快了采樣保持電路的建立速度，從而提高了I-V變換電路的轉換速率。

為解決上述技術問題，本發(fā)明的實施方式提供了一種I-V轉換模塊，包括：電流輸出型傳感器、I-V變換電路、采樣保持電路、源極跟隨器、環(huán)路開關以及旁路電路；源極跟隨器的漏極連接于采樣保持電路的輸入輸出端，源極連接于I-V變換電路的輸入端與電流輸出型傳感器的輸出端，柵極通過環(huán)路開關連接于I-V變換電路的輸出端；源極跟隨器的柵極還連接于旁路電路；其中，閉合環(huán)路開關且禁能旁路電路，源極跟隨器、I-V變換電路以及環(huán)路開關形成的反饋環(huán)路被導通，I-V轉換模塊進入采樣建立階段；打開環(huán)路開關且使能旁路電路，反饋環(huán)路被旁路，I-V轉換模塊進入I-V轉換階段。

本發(fā)明實施方式相對于現有技術而言，提供了一種I-V轉換模塊，在采樣建立階段，以源極跟隨器、I-V變換電路以及環(huán)路開關形成的反饋環(huán)路被導通，源極跟隨器將采樣保持電路與電流輸出型傳感器隔離，從而使得采樣保持電路與電流輸出型傳感器形成的時間常數大大減小，極大的加快了采樣保持電路的建立速度，提高了I-V轉換模塊的轉換速率。并且本發(fā)明使得電流輸出型傳感器輸出端的電壓在采樣建立階段保持不變，從而保證輸出的電流不隨輸出端的電壓而變化，確保了電流輸出型傳感器的輸出電流大小的一致性。

另外，I-V轉換模塊還包括環(huán)路電容；環(huán)路電容連接于源極跟隨器的柵極與所述I-V變換電路的輸入端之間；增加了反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。

另外，旁路電路包括旁路開關與供電電源，旁路開關連接于源極跟隨器的柵極與供電電源之間；其中，旁路開關被打開時，旁路電路被禁能。本實施例提供了一種旁路電路的具體實現方式，且此種旁路電路較為簡單。

另外，旁路電路包括第一旁路開關、第二旁路開關以及接地層；第一旁路開關連接于源極跟隨器的柵極與接地層之間；第二旁路開關跨接于源極跟隨器的源極與漏極之間；其中，第一旁路開關與第二旁路開關均被打開時，旁路電路被禁能。本實施例提供了另外一種旁路電路的具體實現方式，相對于上述一種旁路電路而言，避免了供電電源中的紋波被引入到I-V變換電路中，從而能夠提高I-V變換電路1的信噪比，即提高了I-V變換電路的電源抑制能力。

另外，反相放大器包括反相器或者運算放大器；提供了兩種不同的反相放大器的類型，拓展了本發(fā)明的應用場景。

另外，變換路徑包括串聯連接的電阻與開關或者串聯連接的電容與開關；提供了兩種類型的變換路徑，保證了本發(fā)明的可行性。

另外，源極跟隨器包括N型場效應晶體管或者NPN型三極管；提供不同類型的源極跟隨器，拓展了本發(fā)明的應用場景。

另外，環(huán)路開關為電子開關或者物理開關；提供了不同類型的環(huán)路開關，拓展了本發(fā)明的應用場景。

附圖說明

圖1是根據背景技術中的I-V轉換模塊的電路結構圖；

圖2是根據第一實施方式的I-V轉換模塊的電路結構圖；

圖3是根據第一實施方式的第一種I-V變換電路的電路結構圖；

圖4是根據第一實施方式的第二種I-V變換電路的電路結構圖；

圖5是根據第二實施方式的I-V轉換模塊的電路結構圖；

圖6是根據第三實施方式的I-V轉換模塊的電路結構圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本發(fā)明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本發(fā)明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節(jié)。但是，即使沒有這些技術細節(jié)和基于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請所要求保護的技術方案。

本發(fā)明的第一實施方式涉及一種I-V轉換模塊，即電流-電壓轉換模塊，如圖2所示，I-V轉換模塊包括：I-V變換電路1、采樣保持電路2、電流輸出型傳感器3、源極跟隨器M₁、環(huán)路開關S₁以及旁路電路。

其中，源極跟隨器M₁包括N型場效應晶體管或者NPN型三極管，然不作任何限制；本實施方式以N型場效應晶體管為例進行說明。

本實施方式中，源極跟隨器M₁的漏極連接于采樣保持電路2的輸入輸出端，源極連接于I-V變換電路1的輸入端V_in與電流輸出型傳感器3的輸出端，柵極通過環(huán)路開關S₁連接于I-V變換電路1的輸出端V_out，柵極還連接于旁路電路。

其中，環(huán)路開關S₁為電子開關或者物理開關；電子開關例如為場效應晶體管或雙極結型晶體管，本實施方式對環(huán)路開關S₁的類型不作任何限制。

本實施方式中，電流輸出型傳感器3包括寄生電容C₃。寄生電容C₃的一端連接于接地端GND1，另一端連接于電流輸出型傳感器3的輸出端。電流輸出型傳感器3的輸出端連接于源極跟隨器M₁的源極與I-V變換電路1的輸入端V_in。電流輸出型傳感器3的輸出端輸出電流I₀，其中，電流輸出型傳感器3輸出的直流電流分量為I。

本實施方式中，采樣保持電路2包括：采樣場效應晶體管M₂、采樣電容C₂以及采樣開關S₂。采樣電容C₂的一端與采樣場效應晶體管M₂的源極相連并一同連接于電源電壓VDD上，采樣電容C₂的另一端連接于采樣場效應晶體管M₂的柵極與采樣開關S₂的一端。采樣開關S₂的另一端與采樣場效應晶體管M₂的漏極一同連接于源極跟隨器M₁的漏極。

在采樣保持電路2中，當采樣開關S₂閉合時，采樣場效應晶體管M₂等效為一個阻值為gm的電阻。由于源極跟隨器M₁一般工作在亞閾值區(qū)，因此該采樣場效應晶體管M₂的電阻與電流輸出型傳感器3輸出的直流電流分量I成正比，即gm＝α·I(α為常數)。

本實施方式中，I-V變換電路1包括反相放大器與至少一條變換路徑。變換路徑跨接在反相放大器的輸入端與輸出端，反相放大器的輸入端與輸出端分別形成I-V變換電路1的輸入端V_in與輸出端V_out。

其中，反相放大器包括反相器或者運算放大器(然不作任何限制)。變換路徑包括串聯連接的電阻與開關或者串聯連接的電容與開關；并且，變換路徑可以是多條，也可以是單條；本實施方式中可根據實際情況具體設置變換路徑串聯連接的類型和變換路徑的條數，本實施方式對此不作任何限制。

本實施方式提供了I-V變換電路1的兩種實現方式，具體說明如下：

第一種I-V變換電路，如圖3所示，反相放大器為反相器11，變換路徑12包括串聯連接的電容C₁₂與變換開關S₁₂。具體而言，電容C₁₂的一端連接于反相器11的輸入端V_in，另一端連接于變換開關S₁₂的一端；變換開關S₁₂的另一端連接于反相器11的輸出端V_out，反相器11的輸入端V_in與輸出端V_out分別形成I-V變換電路1的輸入端V_in與輸出端V_out；

在第一種I-V變換電路中，當變換開關S₁₂斷開，變換路徑12不工作，此時I-V變換電路1等效為一個開環(huán)放大器。變換開關S₁₂閉合時，I-V變換電路1將輸入的電流信號I_in轉換為電壓信號輸出。變換開關S₁₂受時鐘信號φ控制間隔地打開與關閉。其中，輸入的電流信號I_in即為電流輸出型傳感器3輸出的交流電流分量。

第二種I-V變換電路，如圖4所示，反相放大器為運算放大器13，變換路徑12包括串聯連接的電阻R₁₂與變換開關S₁₂。具體而言，電阻R₁₂的一端連接于運算放大器13的輸入端V_in(即運算放大器13的反相輸入端，其同相輸入端接收共模電源V_cm)，電阻R₁₂的另一端連接于變換開關S₁₂的一端，變換開關S₁₂的另一端連接于運算放大器13的輸出端Vout，運算放大器13的輸入端V_in與輸出端V_out分別形成I-V變換電路1的輸入端V_in與輸出端V_out。

在第二種I-V變換電路1中，當變換開關S₁₂斷開時，變換路徑12不工作，此時I-V變換電路1等效為一個開環(huán)放大器；當變換開關S₁₂閉合時，I-V變換電路1將輸入的電流信號I_in轉換為電壓信號輸出。

于實際上，I-V變換電路1還有其他多種實現方式，本實施方式對此不作任何限制，凡是能夠使I-V轉換模塊正常工作的I-V變換電路1的實現方式，皆可應用于本實施方式中；例如，I-V變換電路1還可以以運算放大器、包括串聯連接的電容與開關的變換路徑連接而成，或者還可以以反相器、包括串聯連接的電阻與開關的變換路徑連接而成。

本實施方式中，旁路電路包括旁路開關S₃與供電電源。旁路開關S₃連接于源極跟隨器M₁的柵極與供電電源之間。其中，旁路電路的供電電源可以是采樣保持電路2中的電源電壓VDD，也可以為單獨的供電電源，本實施方式對此不作任何限制。

在旁路電路中，當旁路開關S₃被打開，旁路電路被禁能，即，旁路電路處于非工作狀態(tài)；當旁路開關S₃被閉合，旁路電路被使能，即，旁路電路處于工作狀態(tài)；此時，源極跟隨器M₁的柵極被連接至供電電源，源極跟隨器M₁進入線性區(qū)且源極跟隨器M₁等效為一個閉合的開關。

本實施方式中，當控制信號sh為高電平時，閉合環(huán)路開關S₁且禁能旁路電路(即旁路開關S₃被打開)。源極跟隨器M₁、I-V變換電路1以及環(huán)路開關S₁形成的反饋環(huán)路被導通，I-V轉換模塊進入采樣建立階段；打開環(huán)路開關S₁且使能旁路電路(即旁路開關S₃閉合)，反饋環(huán)路被旁路，I-V轉換模塊進入I-V轉換階段。

示例的，在I-V轉換模塊中，如圖2、3所示，本實施方式中，環(huán)路開關S₁、采樣開關S₂由控制信號sh控制，變換開關S₁₂由控制信號控制。當控制信號sh為高電平時，環(huán)路開關S₁以及采樣開關S₂閉合，變換開關S₁₂以及旁路開關S₃打開。反饋環(huán)路被導通，源極跟隨器M₁進入飽和區(qū)，隔離采樣保持電路2和電流輸出型傳感器3。I-V轉換模塊進入采樣建立階段，即采樣保持電路2開始采樣電流，采樣場效應晶體管M₂柵極、漏極短接并對采樣電容C₂充電，最終采樣電容C₂的一端電壓V_c2穩(wěn)定至一個電壓值，使得采樣場效應晶體管M₂的漏極電流與電流輸出型傳感器3輸出的直流電流分量I相等，此時，采樣場效應晶體管M₂等效為一阻值大小為gm的電阻，該電阻與采樣電容C₂以及從源極跟隨器M₁漏極看到的電容并聯，產生時間常數τ₁。當控制信號sh為低電平時，環(huán)路開關S₁以及采樣開關S₂打開，變換開關S₁₂以及旁路開關S₃閉合。I-V轉換模塊進入I-V轉換階段，采樣場效應晶體管M₂輸出恒定電流并抵消直流電流分量I，同時源極跟隨器M₁進入線性區(qū)，此時，源極跟隨器M₁等效為一個閉合的開關，I-V變換電路將電流輸出型傳感器3輸出的交流信號轉換為電壓輸出信號。

具體而言，現有技術中，在采樣建立階段中，即控制信號sh為高電平時，開關S₂閉合，寄生電容C₃和采樣電容C₂相連極板的電壓開始建立，此時采樣場效應晶體管M₂等效為一個阻值為gm的電阻。由于采樣場效應晶體管M₂一般工作在亞閾值區(qū)，因此該采樣場效應晶體管M₂的電阻與電流輸出型傳感器3輸出的直流電流分量I成正比，即gm＝α·I(α為常數)，采樣保持電路2的時間常數τ＝(C₃+C₂)/gm＝(C₃+C₂)/α·I。

本實施方式中，由于源極跟隨器M1處于飽和區(qū)，其溝道發(fā)生夾斷，因此從源極跟隨器M1的漏級幾乎看不到電容，因此時間常數τ1＝C₂/gm₁(gm₁為采樣場效應晶體管M₂的跨導)。同現有的時間常數τ＝(C₃+C₂)/gm＝(C₃+C₂)/α·I(α為常數，是gm與I的比)相比，時間常數τ₁中少了C₃的影響。若gm₁＝1us，C₃＝100pF，C₂＝1pF，那么采樣保持電路2中的時間常數τ1≈1us，即采樣保持電路2的建立速度與現有的采樣保持電路相比，建立速度幾乎提高了100倍(通常提高了10～100倍)；從而I-V變換電路1只需很短的時間就可以對電流輸出型傳感器3輸出的交流電流分量進行轉換。

具體而言，現有技術中，在I-V變換電路1中，輸入端Vin的時間常數τ₂＝C3·Req(Req為變換路徑12和反相器11組成的環(huán)路中輸入端Vin的等效阻抗)。假設反相器11的增益為A，則可以推導出Req＝1/(gm₂·A)(gm₂為源極跟隨器M₁的跨導)，則輸入端Vin的時間常數可以修改為τ₂＝(C₃+A)/A。

本實施方式中，在I-V變換電路1中，輸入端Vin的時間常數τ₂＝C3·Req(Req為變換路徑12和反相器11組成的環(huán)路中輸入端Vin的等效阻抗)。假設反相器11的增益為A，則可以推導出Req＝1/(gm₂·A)(gm₂為源極跟隨器M₁的跨導)，則輸入端Vin的時間常數可以修改為τ₂＝(C₃+A)/(gm₂·A)，與現有技術中的τ₂＝(C₃+A)/A相比，輸入端Vin的建立速度得到了極大的提高，提高了約10～100倍。

本實施方式相對于現有技術而言，提供了一種I-V轉換模塊，以源極跟隨器M₁、I-V變換電路1以及環(huán)路開關S₁形成反饋環(huán)路，使得源極跟隨器M₁在采樣建立階段處于飽和區(qū)時，以起到寄生電容C₃與采樣電容C₁隔離的作用，即，隔離采樣保持電路2與電流輸出型傳感器3。且使寄生電容C₃與采樣電容C₁形成的時間常數大大減小，從而極大的加快采樣保持電路2的建立速度，提高了I-V變化電路的轉換速率。并且本發(fā)明提供的I-V轉換模塊的控制電路較為簡單，且形成的反饋環(huán)路復用了I-V變換電路中的反相放大器，節(jié)省了電路成本。

本發(fā)明的第二實施方式涉及一種I-V轉換模塊。第二實施方式在第一實施方式的基礎上作出改進，主要改進之處在于：在本發(fā)明第二實施方式中，如圖5所示，反饋環(huán)路中增加了環(huán)路電容C₁。

本實施方式中，環(huán)路電容C₁連接于源極跟隨器M₁的柵極與I-V變換電路1的輸入端Vin之間。環(huán)路電容C₁與反相器11并聯，由于米勒效應，環(huán)路電容C₁倍增至源極跟隨器M₁的源極，因此，源極跟隨器M₁源極產生一個低頻極點來讓反饋環(huán)路更穩(wěn)定。

示例的，本實施方式中，如圖3、5所示，在I-V轉換模塊中，I-V變換電路1的輸入端Vin的時間常數τ₂＝C₃·Req(Req為變換路徑12和反相器11組成的環(huán)路中輸入端Vin的等效阻抗)。假設反相器11的增益為A，則可以推導出Req＝1/(gm₂·A)(gm₂為源極跟隨器M1的跨導)，則輸入端V_in的時間常數可以修改為τ₂＝(C₃+C₁·A)/(gm₂·A)。與第一實施方式中的τ₂＝(C₃+A)/(gm₂·A)相比，輸入端V_in的建立速度得到了極大的提高。

本實施方式相對于第一實施方式技術而言，在反饋環(huán)路中增加環(huán)路電容C₁，增加了反饋環(huán)路的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的第三實施方式涉及一種I-V轉換模塊。第三實施方式與第二實施方式大致相同，主要區(qū)別之處在于：在第二實施方式中，旁路電路包括旁路開關與供電電源。而在本發(fā)明第三實施方式中，如圖6所示，旁路電路包括第一旁路開關S₃(即第二實施方式中的旁路開關S₃)、第二旁路開關S₄以及接地層GND2。

本實施方式中，第一旁路開關S₃連接于源極跟隨器M₁的柵極與接地層GND2之間；第二旁路開關S₄跨接于源極跟隨器M₁的源極與漏極之間。

較佳的，第二旁路開關S₄采用p型場效應晶體管，然不作任何限制。

在旁路電路中，當第一旁路開關S₃與第二旁路開關S₄均被打開時，旁路電路被禁能，即，旁路電路處于非工作狀態(tài)。當第一旁路開關S₃與第二旁路開關S₄均閉合時，旁路電路被使能，即，旁路電路處于工作狀態(tài)。

本實施方式中，當控制信號sh高電平時，環(huán)路開關S₁閉合，第一旁路開關S₃以及第二旁路開關S₄打開。反饋環(huán)路開始工作，此時，源極跟隨器M₁進入飽和區(qū)(由于負反饋作用)。當sh為低電平時，環(huán)路開關S₁斷開、第一旁路開關S₃以及第二旁路開關S₄閉合，反饋環(huán)路被旁路。此時，I-V變換電路等效為常規(guī)變換電路，源極跟隨器M₁的柵極被連接至接地層GND2，源極跟隨器M₁進入截止區(qū)，與此同時，第二旁路開關S₄閉合，源極跟隨器M₁短路。

本實施方式相對于第二實施方式而言，旁路電路的機制不同。在第二實施方式采樣建立階段中，源極跟隨器M₁的柵極被拉至供電電源端，通常供電電源端有較大的電壓紋波，且源極跟隨器M₁的柵極對其源極、漏極存在一個寄生電容，因此，該旁路電路會將電壓中的紋波引入到I-V變換電路1中，即引入了大量噪聲，從而影響最終的信噪比。而在本實施方式中，在采樣建立階段，第二旁路開關S₄(為p型場效應晶體管時)的柵極接地并導通短路的源極跟隨器M₁，且源極跟隨器M1的柵極連接于接地層GND2(即接地)，避免了供電電源中的紋波被引入到I-V變換電路中，從而能夠提高I-V變換電路1的信噪比，即提高了I-V變換電路的電源抑制能力。

但是第二實施方式相對于本實施方式而言，源極跟隨器在采樣建立階段處于線性區(qū)時，等效為一個閉合的開關，從而省去了電路中的一些開關，節(jié)約了成本，降低了I-V轉換模塊的控制復雜度。

值得一提的是，本實施方式中所涉及到的各模塊均為邏輯模塊，在實際應用中，一個邏輯單元可以是一個物理單元，也可以是一個物理單元的一部分，還可以以多個物理單元的組合實現。此外，為了突出本發(fā)明的創(chuàng)新部分，本實施方式中并沒有將與解決本發(fā)明所提出的技術問題關系不太密切的單元引入，但這并不表明本實施方式中不存在其它的單元。

本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發(fā)明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節(jié)上對其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。