專利名稱：電壓－電流轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)電壓-電流轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換電路有一個(gè)包含兩個(gè)晶體管的第一電流鏡，這兩個(gè)晶體管設(shè)計(jì)為在同等驅(qū)動(dòng)條件下通過第一晶體管的電流大于通過第二晶體管的電流，通過第二晶體管的電流按預(yù)先確定的系數(shù)構(gòu)成了電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流。
文中開始提到的電壓-電流轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)有技術(shù)如圖2所示。它包含一個(gè)電流鏡10，此電流鏡含有兩個(gè)常關(guān)(normally-off)的N溝道MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor的縮寫，意為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)12和MOSFET14。電流鏡10通過串聯(lián)電阻16進(jìn)行設(shè)計(jì)，該電阻與第一晶體管12的漏極串聯(lián)并連接到輸入電壓UB，因此確定了第一晶體管12的漏電流I12，這個(gè)漏電流構(gòu)成了電流鏡10的輸入電流IE。
晶體管12和14的柵極連接在一起，并連接到了第一晶體管12的漏極，這樣晶體管12和晶體管14的驅(qū)動(dòng)條件相同。第一晶體管12的源極接地。第二晶體管14的源極接地，電壓一電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流IA得自于其漏極。
SEIFART，MANFRED，Analoge Schaltungen-5.Auflage(模擬電路-第五版)，Verlag Technik有限公司，柏林，1996，DE(ISBN 3-341-01175-7)一書中的圖6.21揭示了電流鏡10的原理。該圖所示的基于現(xiàn)有技術(shù)的電壓-電流轉(zhuǎn)換器在圖2中已經(jīng)得到了更改，輸入電壓UE代替了電源電壓UDD連接到串聯(lián)電阻16上。因此，輸入電壓UE與輸入電流IB成比例關(guān)系，比值取決于串聯(lián)電阻16的電阻值。
由于晶體管12和晶體管14在飽和區(qū)工作，所以它們的漏電流I12和I14間存在比例關(guān)系。只要晶體管12和晶體管14的其他參數(shù)(例如，溝道中電荷載體的表面遷移率μ0、單位表面積的柵極電容C0x和閾值電壓UT)都相等，那么這個(gè)比值可以方便地通過選擇晶體管12和晶體管14的幾何尺寸來設(shè)置。這種情況下，下面的等式適用于兩個(gè)漏電流I12和I14I14/I12＝β14/β12，其中β＝W/L是晶體管的幾何尺寸溝道寬度W和溝道長(zhǎng)度L的商。
如果第一晶體管12和第二晶體管14在芯片上的幾何尺寸布局可以使等式β12＝10·β14成立，例如，第一晶體管12的溝道設(shè)計(jì)為與第二晶體管14的溝道長(zhǎng)度相同，但寬度為其10倍，那么即可相應(yīng)地得到如下關(guān)系I12＝10·I14。
則在這種情況下，根據(jù)前面所述的輸入電壓UB和輸入電流IE≡I12之間的比例關(guān)系，第二晶體管14的漏電流I14(在該技術(shù)中構(gòu)成電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流IA)與輸入電壓UE呈比例關(guān)系。
由于在所述的鎖相環(huán)的應(yīng)用中輸入電壓UB通常在2至5伏間，而需要的輸出電流強(qiáng)度IA在幾毫微安的范圍內(nèi)，因此串聯(lián)電阻16的電阻值必須在幾兆歐的范圍內(nèi)。但是，一個(gè)很大的缺點(diǎn)就是這個(gè)級(jí)別的電阻值需要的集成電路面積很大，因?yàn)榧呻娐返某杀局饕獩Q定于需要的面積。
這個(gè)目的通過以下方式實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)包含兩個(gè)晶體管的第二電流鏡；兩個(gè)電流鏡與電源電壓串連，串聯(lián)方式是兩個(gè)第一晶體管和兩個(gè)第二晶體管分別串聯(lián)；并且提供一個(gè)MOSFET與第一電流鏡的第一晶體管串聯(lián)，其柵極與輸入電壓連接。
在這個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換器中，不再需要在以前技術(shù)中需要的電壓-電流轉(zhuǎn)換器的串聯(lián)電阻16，并且因?yàn)楝F(xiàn)在提供的MOSFET在IC中占的面積比電阻小，因此可以在很大程度上節(jié)省面積，即使這樣會(huì)比現(xiàn)有技術(shù)中的電壓-電流轉(zhuǎn)換器中的元件多。
為了使電壓-電流轉(zhuǎn)換器的工作原理更容易解釋，以下假定第二電流鏡中的兩個(gè)晶體管是相同的，也就是說在相同驅(qū)動(dòng)條件下通過它們的電流大小相等，另外系數(shù)等于10。
如果單獨(dú)考慮第一電流鏡，相同驅(qū)動(dòng)條件下通過其兩個(gè)晶體管的電流值不同，或更精確地說，根據(jù)系數(shù)，通過第一晶體管的電流是通過第二晶體管的電流的10倍。也就是說，根據(jù)系數(shù)，第一晶體管的電導(dǎo)率是第二晶體管的電導(dǎo)率的十倍。
但是，第一電流鏡并不是單獨(dú)的，它與第二電流鏡串聯(lián)連接到電源電壓。這個(gè)電源電壓像輸入電壓一樣，通常在2至5伏之間。此處首先是兩個(gè)第一晶體管串聯(lián)，然后是兩個(gè)第二晶體管串聯(lián)，這樣分別組成了電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸入電流通路和輸出電流通路。第二電流鏡的兩個(gè)相同晶體管確保通過第一電流鏡的兩個(gè)不同晶體管的電流大小相等。但是，由于這對(duì)電導(dǎo)率沒有影響，根據(jù)系數(shù)，通過第一晶體管的壓降僅為通過第二晶體管的壓降的十分之一。剩余電壓，即這兩個(gè)電壓之差，最后落在了與第一晶體管串聯(lián)的MOSFET上，由此構(gòu)成了漏極-源極電壓。
這個(gè)漏極-源極電壓保持為一個(gè)相當(dāng)準(zhǔn)確的近似值常數(shù)，例如60mV。這個(gè)值根據(jù)前面提到的輸入電壓范圍2至5伏進(jìn)行選擇，小到小于MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，即加到其上的柵極-源極電壓(事實(shí)上由輸入電壓形成)與其閾值電壓之差。因此，MOSFET要在強(qiáng)反轉(zhuǎn)中進(jìn)行操作使其在輸出特性曲線的電阻區(qū)，也稱為“線性區(qū)”或“作用區(qū)”。
在電阻區(qū)內(nèi)，漏電流與漏極-源極電壓呈比例，比值是很好的近似值。由于這個(gè)比例關(guān)系，所以可以為MOSFET的溝道指定一個(gè)電阻或電導(dǎo)率。這個(gè)電導(dǎo)率本身與柵極驅(qū)動(dòng)電壓呈比例關(guān)系。輸入電壓增加，則柵極驅(qū)動(dòng)電壓增加，因此使電導(dǎo)率和漏電流增加。因?yàn)槁╇娏魍ㄟ^第一電流鏡，所以通過第二晶體管的電流(它事實(shí)上形成電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流)也呈比例增加，但是，根據(jù)系數(shù)，保持為通過第一晶體管的電流的十分之一。因此，輸出電流與輸入電壓成比例，這正是電壓-電流轉(zhuǎn)換器需要的。對(duì)本發(fā)明的有益改進(jìn)在從屬權(quán)利要求中進(jìn)行說明。
優(yōu)選地規(guī)定，第一電流鏡包含了第三個(gè)晶體管，這個(gè)晶體管接地，電流流過該晶體管，是通過這個(gè)晶體管的電流而不是通過第二晶體管的電流構(gòu)成了電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流。因此，此第三晶體管是作為輸出晶體管，使輸入電壓不因輸出電流而增加負(fù)載。這可以使電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸入電阻更高。另外，使用這個(gè)第三晶體管后，輸出電流可以放大到需要的數(shù)量級(jí)，而與第二晶體管無關(guān)。
在第二電流鏡中，通過第一晶體管的電流等于通過第二晶體管的電流。這簡(jiǎn)化了電路和布局的設(shè)計(jì)。
在第一電流鏡中，第一晶體管與第二晶體管在弱反轉(zhuǎn)區(qū)工作。因此，漏極-源極電壓在幾個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)保持常數(shù)，提高了電壓-電流轉(zhuǎn)換器的精確性。
圖中所示實(shí)施例中的第一電流鏡18包含三個(gè)在飽和區(qū)中工作的晶體管24，26和28，它們也是N溝道常關(guān)的MOSFET。它們的柵極連接在一起并連接到第一晶體管24的漏極，這樣可以使所有三個(gè)晶體管24、26和28的驅(qū)動(dòng)條件相同。第一晶體管24的源極連接到了MOSFET22的漏極，這樣第一晶體管24和MOSFET 22是串聯(lián)關(guān)系。第二晶體管26的源極接地。第三晶體管28的源極接地，電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流IA就得自于其漏極。第一電流鏡18因此由MOSFET 22的溝道電阻控制。
圖中所示實(shí)施例中的第二電流鏡20包含兩個(gè)在飽和區(qū)中工作的晶體管30和32，它們也是p溝道常關(guān)的MOSFET。它們的柵極連接在一起并連接到第二晶體管32的漏極，這樣可以使這兩個(gè)晶體管30和32的驅(qū)動(dòng)條件相同。它們的源極連接到電源電壓UDD上。第一晶體管30的漏極連接到第一電流鏡18的第一晶體管24的漏極上，第二晶體管32的漏極連接到第一電流鏡10的第二晶體管26的漏極上，這樣兩個(gè)第一晶體管24和30以及兩個(gè)第二晶體管26和32分別串聯(lián)到電源電壓UDD上。
在這個(gè)較佳實(shí)施例中，第一電流鏡18中的三個(gè)晶體管24、26和28設(shè)計(jì)為在相同驅(qū)動(dòng)條件下通過第一晶體管24的漏電流I24大于通過第二晶體管26的漏電流I26，比值為預(yù)先確定的系數(shù)K1，通過第一晶體管24的漏電流I24大于通過第三晶體管28的漏電流I28，比值為預(yù)先確定的系數(shù)K2。也就是說，第一晶體管24的溝道電導(dǎo)率G24是第二晶體管26的溝道電導(dǎo)率G26的K1倍，且是第三晶體管28的溝道電導(dǎo)率G28的K2倍。這很容易實(shí)現(xiàn)，只要為這三個(gè)晶體管24、26和28選擇適當(dāng)?shù)膸缀纬叽绮⑹顾鼈兊钠渌麉?shù)相等即可，這樣它們的幾何尺寸的商β24、β26、β28也呈特定的比例關(guān)系。因此有以下等式K1＝I24/I26＝G24/G26＝β24/β26和K2＝I24/I28＝G24/G28＝β24/β28另外，此實(shí)施例中第二電流鏡20中的兩個(gè)晶體管30和32的設(shè)計(jì)方法與以上所述相同，使得在同樣驅(qū)動(dòng)條件下通過第一晶體管30的漏電流I30等于通過第二晶體管32的漏電流I32。因此，它們的溝道電導(dǎo)率G30和G32相等。這很容易實(shí)現(xiàn)，只要為這兩個(gè)晶體管30和32選擇適當(dāng)?shù)膸缀纬叽绮⑹顾鼈兊钠渌麉?shù)相等即可，這樣它們的幾何尺寸的商β30和β32也相等。
以下說明了圖中所示的電壓-電流轉(zhuǎn)換器的工作原理。說明中，電源電壓UDD通過第二電流鏡20的第一晶體管30、第一電流鏡18的第一晶體管24和MOSFET 22到地的通路被稱為電壓-電流轉(zhuǎn)換器的“輸入電流通路”，而電源電壓UDD通過第二電流鏡20的第二晶體管32、第一電流鏡18的第二晶體管26到地的通路被稱為電壓-電流轉(zhuǎn)換器的“輸出電流通路”。
第二電流鏡20的晶體管30和32完全相同，這樣確保了輸入電流通路的電流IE和輸出電流通路的電流I1的大小相等。但是，在第一電流鏡18中，這兩個(gè)相等的電流IE和I1使第一晶體管24的壓降U24小于第二晶體管26的壓降U26，根據(jù)等式U＝R·I＝I/G，其比值應(yīng)該為前述電導(dǎo)率之比K1＝G24/G26。因此，K1＝U26/U24因?yàn)閮蓚€(gè)電流通路平行地從電源電壓UDD到地，所以通過它們的總壓降相同并等于電源電壓UDD。因此，輸出電流通路中以下等式成立
UDD＝U32+U26另一方面，由于U30＝U32而U24＜U26，所以輸入電流通路中必有U30+U24＜UDD但是，由于此處還有MOSFET 22，并且剩余電壓加在其上成為其漏極-源極電壓UDS，因此以下等式成立UDD＝U30+U24+UDS用幾何尺寸值商β24和β26選擇第一系數(shù)K1使MOSFET 22在電阻區(qū)內(nèi)工作。因此，必須有下式UDS＜UGS-UT≡Ueff其中UGS為輸入電壓UE形成的柵極-源極電壓，UT是閾值電壓，Ueff是柵極驅(qū)動(dòng)電壓。
相反地，第一電流鏡18按MOSFET 22的溝道電導(dǎo)率G22進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@在輸入電流通道中，也就是說輸入電流通道中的電流IE也流過MOSFET 22，這樣確定了其第二晶體管26的漏電流I26，因此也確定了輸出電流通道中的電流I1和通過第三晶體管28的漏電流I28。因此，根據(jù)前述等式K2＝I24/I28，可以得到I28＝I24/K2＝IE/K2通過第三晶體管28的這個(gè)漏電流I28構(gòu)成了電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流IA，這樣第二幾何尺寸的商K2可以按需要的輸出電流IA的數(shù)量級(jí)來選擇。
由于在電阻區(qū)中柵極驅(qū)動(dòng)電壓Uoff≡UE-UT與溝道電導(dǎo)率G22成比例，根據(jù)等式I＝G·U，也就與漏電流IE成比例，于是對(duì)于MOSFET 22有UE≈IE最后，由于設(shè)計(jì)和給定了IE≈I28≡IA，也有UE≈IA即輸出電流IA與輸入電壓UE之間存在比例關(guān)系，這正是電壓-電流轉(zhuǎn)換器的要求。
第二電流鏡20的晶體管30和32不需要完全相同，它們也可以像第一電流鏡18中的晶體管24、26和28那樣存在一個(gè)系數(shù)關(guān)系而不相同。
另外，兩個(gè)電流鏡18和20的晶體管24、26、28、30和32的類型并不僅限于所述的MOSFET，它們也可以是不同極性和/或摻雜了不同雜質(zhì)的MOSFET，甚至可以是JFET或雙極性晶體管。
權(quán)利要求
1.一種電壓-電流轉(zhuǎn)換器，具有一個(gè)包含兩個(gè)晶體管(24，26)的第一電流鏡(18)，這兩個(gè)晶體管設(shè)計(jì)為在同等驅(qū)動(dòng)條件下通過第一晶體管(24)的電流大于通過第二晶體管(26)的電流(I1)，通過第二晶體管的電流按預(yù)先確定的系數(shù)(K1)構(gòu)成了電壓-電流轉(zhuǎn)換器的輸出電流，其特征是提供包含兩個(gè)晶體管(30，32)的一個(gè)第二電流鏡(20)；該等兩個(gè)電流鏡(18，20)與電源電壓(UDD)串聯(lián)，串聯(lián)方式是兩個(gè)第一晶體管(24，26)和兩個(gè)第二晶體管(30，32)分別串聯(lián)；并且提供一個(gè)MOSFET(22)與第一電流鏡(18)的第一晶體管(24)串聯(lián)，其柵極與輸入電壓(UE)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電壓-電流轉(zhuǎn)換器，其特征是在第二電流鏡(20)中，通過第一晶體管(30)的電流等于通過第二晶體管(32)的電流。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的電壓-電流轉(zhuǎn)換器，其特征是第一電流鏡(18)、第一晶體管(24)和第二晶體管(26)在弱反轉(zhuǎn)中工作。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的電壓-電流轉(zhuǎn)換器，其特征是MOSFET(22)有一個(gè)閾值電壓，使得電壓電流特性曲線開始于0。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于電壓－電流轉(zhuǎn)換器，有一個(gè)包含兩個(gè)晶體管(24，26)的第一電流鏡(18)，這兩個(gè)晶體管設(shè)計(jì)為在同等驅(qū)動(dòng)條件下通過第一晶體管(24)的電流大于通過第二晶體管(26)的電流(I
文檔編號(hào)H03F3/34GK1401099SQ01805037
公開日2003年3月5日 申請(qǐng)日期2001年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月15日
發(fā)明者H·-H·維赫曼恩 申請(qǐng)人:因芬尼昂技術(shù)股份公司