專利名稱：電壓至電流轉換器的制作方法
技術領域：
該發(fā)明通常涉及電壓至電流轉換器，比如用在模/數(A/D)接口中的這種轉換器。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換器。
背景技術：
很多數字電路應用中使用了模擬接口。
圖1給出了一種典型的模擬接口，該接口包括一個反混疊濾波器和一個模/數(A/D)轉換器。模擬輸入電壓被傳送給反混疊濾波器。然后，經濾波的電壓被傳送給(A/D)轉換器，A/D轉換器產生數字輸出信號。反混疊濾波器抑制高頻分量來避免當模擬信號被A/D轉換器采樣時出現混疊。
這種傳統(tǒng)的“電壓模式”方法通常需要線性電容，然而，當前CMOS的基本加工工藝(例如EPIC3和CS11S)不包括對于建立線性電容所必須的多項方案。因此，對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，在高電壓電路和低電壓電路之間，高電壓電路中的高信號波動必須被抑制，從而防止低電壓電路的飽和或對低電壓電路的破壞。然而，對信號波動的限制降低了高電壓電路的動態(tài)范圍。
為了克服以上缺點，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，單純的數字CMOS基本工藝可以在沒有附加處理步驟或附加成本的情況下被使用。而且，因為V/I轉換器可以被設計為僅對電流波動敏感，V/I轉換器的輸入電壓可以任意大于V/I轉換器的供給電壓。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。
對于模/數接口來說，既包括電壓至電流轉換功能又包括濾波功能是很理想的，并且該接口可以用數字CMOS基本加工工藝，例如CS11S，很容易地實現。
發(fā)明概要該發(fā)明克服了上面提到的問題，并通過給出具有濾波功能的電壓至電流轉換器而顯現了其它的優(yōu)點。根據示例性實施方案，該轉換器包括一個輸入電阻R和一個等效電阻Ri用來將輸入電壓信號Vi轉換成中間電流信號Ii，使得Ii基本上等于Vi/(R+Ri)。該示例轉換器還包括一個具有至少兩個晶體管和一個主極點的電流鏡，該電流鏡根據中間電流信號Ii產生一個輸出電流信號Io。該電流鏡有一個基本上等于(Rf+1/gml)-1(Cf+Cp)-1的極點頻率wp，其中gml是電流鏡中連接成二極管的晶體管的跨導，Rf是電流鏡的晶體管之間的電極電阻，Cf是其中一個電流鏡晶體管的第一和第二終端之間的電極電容。Cp是電流鏡晶體管產生的寄生電容。
附圖簡要描述結合附圖，通過閱讀下面對優(yōu)選實施方案的詳細描述，可以得到對該發(fā)明更完整的理解。其中，相同的參數數字表示相同的元件。其中圖1是電壓模式模/數接口的通常的方框圖；圖2是電流模式模/數接口的通常的方框圖；圖3是根據該發(fā)明示例實施方案的低通濾波電壓至電流轉換器的電路圖。
優(yōu)選實施方案的詳細描述基于圖1和2的比較，可知的是，除非輸入信號已經是一個電流信號，否則需要一個額外元件(V/I轉換器)來實現電流模式方法的優(yōu)點。反混疊濾波器的濾波需求通常很低，尤其對于涉及過采樣A/D轉換器的應用更是這樣。因此，根據該發(fā)明，V/I轉換器可以被用做反混疊低通濾波器。因為包含根據該發(fā)明電路的接口具有很小的帶寬，因而自身值本來很大的V/I轉換器帶寬根據該發(fā)明被降低來獲得以下的好處，1)在V/I轉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轉換器的示例電路配置。轉換器10包括一個連接在輸入電壓Vi和節(jié)點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。
通過電阻R，輸入電壓Vi直接被轉換成中間電流Ii。其關系由下式給出Ii=ViR+Rf]]>其中Rf是節(jié)點N處的等效輸入電阻，該值與信號有關。如果Ri被設計的非常小，那麼Ri對于轉換線性度的影響將減至最小。這一點由圖3中給出的反向放大器AMP實現。取一階項時，等效輸入電阻由下式近似Ri=1gmoA]]>其中gmo是晶體管M0的跨導，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，對于示例電路中的輸入電壓Vi沒有任何限制。而且，由于節(jié)點N處的低阻抗，M0源極的電壓變化非常小。換句話說，節(jié)點N是一個虛地。因此，對于混合電壓應用，例如linecard電路來說，圖3的V/I轉換器配置是理想的。
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被用來有目的的在電流鏡中引入一個主極點，該極點頻率由下式給出wp=1(Rf+1gml)(Cf+Cp)]]>
其中gml是由二極管連接成的晶體管M1的跨導，Cp是M1,M2柵極處的總寄生電容。
在電流鏡中對串聯電阻Rf和并聯電容Cf的使用限制了V/I轉換器的帶寬，并使得單極點低通濾波系統(tǒng)能夠在V/I轉換器中實現。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，而且對于無源元件的線性要求明顯下降。因此，可以使用勢阱(well)電阻和柵極電容，并且即使使用了標準的數字CMOS加工工藝，芯片面積也可以明顯降低。
總之，根據該發(fā)明，通過將V/I轉換器用做低通濾波器，芯片面積和功率消耗會明顯降低。所有的元件都可以用數字CMOS工藝來實現，因而工藝成本被最小化。
可知的是，可以根據期望的濾波器特性來選擇濾波元件Rf和Cf，并且可以使用其它適當的元件。
盡管前面的描述包括很多細節(jié)，應該明白的是，這僅僅是對該發(fā)明的舉例說明，而不會成為限制。對于該領域的技術人員來說，在不偏離由附加權利要求和它們的等價物定義的該發(fā)明的范圍和思想的前提下，很多修改是一清二楚的。
權利要求
1.一種電壓至電流轉換器，包括輸入電阻R和等效電阻RI，用來將輸入電壓信號Vi轉換成中間電流信號Ii，使得Ii基本上等于Vi/(R+Ri)以及具有至少兩個晶體管和一個主極點(pole)的電流鏡，該電流鏡根據中間電流信號Ii產生輸出電流信號Io。
2.權利要求1的轉換器，其中電流鏡的極點頻率wp基本上等于(Rf+1/gml)-1(Cf+Cp)-1，其中gml是電流鏡中連接成二極管的至少兩個晶體管中一個的跨導，Rf是至少兩個晶體管之間的電極電阻，Cf是所述至少兩個晶體管中一個的第一和第二終端之間的電極電容，Cp是所述至少兩個晶體管產生的寄生電容。
3.權利要求1的轉換器，其中等效電阻Ri由反向放大器和晶體管產生，其中的反向放大器具有電壓增益，晶體管具有跨導。
4.權利要求3的轉換器，其中等效電阻Ri與晶體管的跨導成反比，并與反向放大器的電壓增益成反比。
5.權利要求1的轉換器，其中的主極點由一個電阻和一個電容給出，其中的電阻連接在至少兩個晶體管的柵極之間，其中的電容連接在至少兩個晶體管中一個的漏極和柵極之間。
6.權利要求1的轉換器，其中輸入電阻R和電極電阻Rf是勢阱電阻，電極電容Cf是柵極電容。
7.權利要求1的轉換器，其中電極電阻Rf和電極電容Cf對輸出電流信號Io進行低通濾波。
全文摘要
一種在提供濾波功能的同時用來將輸入電壓信號轉換成輸出電流信號的電壓至電流轉換器。通過輸入電阻和例如由反向放大器和晶體管提供的等效電阻,輸入電壓信號被轉換成中間電流信號。有一個主極點的電流鏡將中間電流信號轉換成輸出電壓信號,并具有低通濾波功能。該轉換器避免了線性電容的使用,并可用CMOS設備容易地實現。
文檔編號G05F1/10GK1223729SQ9719600
公開日1999年7月21日 申請日期1997年5月6日 優(yōu)先權日1996年5月8日
發(fā)明者譚年熊, H·M·古斯塔維森 申請人:艾利森電話股份有限公司