專利名稱：電流放大器結構的制作方法
技術領域：
本發明總地涉及模擬集成電路，更具體地涉及包括電壓-電流轉換和電流放大的電流放大器。
盡管對于電壓放大有很多標準電路，電流放大電路是不常見的。在典型的電流放大器中，通過使用電流鏡獲得放大功能，電流鏡中每個晶體管具有不同的發射極面積和發射極電阻。在大的增益值的情況下，精確匹配發射極面積和電阻是很關鍵的。
參考
圖1，顯示了放大電流的經典方式。圖1的電流放大器包括電流源I1，晶體管Q1、Q2，和電阻元件R1、R2。標為Q1和Q2的晶體管分別具有1個單位和兩個單位的不同的發射極面積。在所有其它方面，晶體管Q1和Q2是相同的。由于發射極面積不同，Q2的飽和電流輸出將是Q1的兩倍；IS2＝2×IS1。
基極和地之間的電壓由下式表示Vb＝I1*R1+VT*ln(I1/IS1) (1)Vb也可表示為Vb＝I2*R2+VT*ln(I2/IS2) (2)(1)式和(2)式相等，得到I1*R1+VT*ln(I1/IS1)＝I2*R2+VT*ln(I2/IS2)(3)這里R1＝2×R2，IS2＝2×IS1。
(3)式的解為I2＝2×I1，因此輸出電流是輸入電流的2倍。該輸出增益通過選擇電阻元件R1和R2以及發射極面積的差別而決定。
該電路具有幾個缺點。對于大的電流增益值，電阻元件R1和R2與晶體管Q1和Q2的發射極部分必須匹配得非常精確，這一點參照圖3可知。該電路的另一個缺點是可以獲得的增益值限于電阻和發射極面積的相對值。該增益值限于整數值。
一種結構簡單的電路可以解決上述現有技術電流放大器的缺點，它接收電流源或電壓源作為輸入，產生一致的電流作為輸出。而且在需要電流放大或電壓-電流轉換的各種應用中，這種電路可以有利地被用作標準電流放大器單元。
本發明的一個目的是提供一種結構簡單的電流放大器電路結構，使其適于用作標準電流放大器單元。
本發明的另一個目的是這種電流放大器電路結構可以接受輸入電流源或輸入電壓源。
本發明的再一個目的是這種電流放大器電路結構易于與各種應用配合，例如要求電流放大和精確可控增益特征的應用以及需要電壓-電流轉換的應用。
因此，根據本發明的結構，使用了一個簡單的集成電路來放大輸入信號。該集成電路包括一個放大器單元，它在很多電路構造中可以作為構件塊，包括可變增益電流放大器和AC或DC電壓-電流轉換器。基本的放大器單元包括幾個功能元件，包括輸入級、電流鏡級和輸出級。輸入級和電流鏡級允許輸入信號被復制而與輸入信號隔離。該復制的信號用作輸出級的輸入。輸出級使用電流鏡以在相應的輸出端產生兩個相同的輸出電流，一個用于反饋或其它目的。通過審慎地使用與這些輸出端耦合的一個或多個電阻元件，這些輸出電流可以用于產生電流放大或電壓-電流轉換。
通過使用決定放大器的輸出增益的電阻元件，獲得了電流放大。增益可以是實數值，且可以通過適當選擇電阻元件而精確地確定。在例示的實施例中，第一電阻元件放在第一輸出電流和反相輸入端之間的反饋連接中。第二電阻元件耦合在第一輸出端和地之間。這些電阻元件的值決定了在最后級的輸出處的電流放大量。
AC或DC電壓-電流轉換可以使用簡單的電流放大單元完成，通過使用電壓差分對作為單元的輸入。使用電阻元件決定輸出電流。在本發明的例示的實施例中，通過在輸入級的兩個端子之間提供電壓信號，獲得電壓-電流轉換。該輸入電壓信號通過電流鏡的作用在輸入處產生到輸出級的相同的電壓。通過輸出級中的電流鏡的作用，在兩個輸出端產生相同的電流。將一個電阻元件放在第一輸出端和地之間的節點處，發現第二端子的輸出電流正比于輸入電壓。該電阻元件決定了輸出電流的值。
該電路可以提供或收集電流，因此可以提供AC或DC電壓-電流轉換。
在權利要求中列出了本發明的新穎的特征。通過參考下面的詳細描述并結合附圖可以最佳地理解本發明和優選的使用方式及其進一步的目的和優點。其中圖1是根據已有技術的電流放大器的例子。
圖1A是根據現有技術的電壓-電流轉換的例子。
圖2是根據本發明的電流放大器單元的電路結構。
圖3是根據本發明的具有兩個輸入端和兩個輸出端的電流放大器單元。
圖4是根據本發明的含有可執行可變增益電流放大的電流放大器單元的應用的方框圖。
圖5是根據本發明的執行電流放大的應用的電路結構。
圖6是根據本發明的包含執行電壓-電流轉換的電流放大器單元的應用的方框圖。
圖7是根據本發明的執行電壓-電流轉換的應用的電路結構。
在施加單端或雙端輸入信號時，本發明的電流放大器單元產生相同的輸出電流。參考圖2，顯示了根據本發明的產生相同的輸出電流的電流放大器單元10。電流放大器單元10包括以下元件n-p-n晶體管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，電容元件C1，和電流源I1、I2、I3。恒定的電流I1連接到晶體管Q1和Q2的發射極。電流I1的其它端子連接到恒定的電壓VSS。晶體管Q1和Q2連接到如圖所示的差分對輸入級。晶體管Q1的基極連接到正輸入端，晶體管Q2的基極連接到負輸入端。Q1的集電極連接到Q3-Q4電流鏡中Q3的集電極。Q2的集電極連接到Q3-Q4電流鏡中Q4的集電極。晶體管Q3的基極連接到晶體管Q4的基極，晶體管Q4的基極連接到晶體管Q4的集電極。Q3的發射極連接Q4的發射極，如圖所示。晶體管Q4的發射極連接輸出級中晶體管Q5和Q6的發射極。晶體管Q3的集電極連接晶體管Q5的基極和晶體管Q6的基極。此外，晶體管Q3的集電極連接電容元件C1。電容元件C1接地。電流源I2的輸出連接到晶體管Q5的集電極。電流源I3的輸出連接到晶體管Q6的集電極。兩個電流源I2和I3都連接到恒定電壓VSS。兩個電阻元件R1和R2連接到晶體管Q5的集電極。電阻元件R2接地，電阻元件R1以反饋連接與晶體管Q2的基極相連。
因為晶體管Q5的集電極的電流輸出與晶體管Q5的集電極電流輸出相同，該電流放大器系統正確地工作。輸入電流I_in連接到晶體管Q2的基極。由于兩個電阻元件R1和R2都接地，R1和R2兩端的電壓相同。由于晶體管Q1的基極接地，輸入電流I_in全部流過電阻元件R1。而且，I_R1＝I_in。因此，I_in×R1＝I_R2×R2，因此，I_R2＝I_in×R1/R2。輸出電流為I_O1＝I_R1+I_R2*(1+R1/R2)。
注意除了電阻R1和R2，電阻元件可以包括晶體管、運算放大器等，或其它元件，或提供期望的電阻特征的元件的組合。
因為O1和O2相等，得到了該輸出電流結果。這是由于輸出級的作用。通過差分對Q1-Q2的作用，在Q3和Q4的集電極出現了相同的輸出電流。Q3-Q4電流鏡用于隔離輸入信號中的變化和對輸出級產生穩定的信號。輸出級也包含電流鏡，在本例中是Q5-Q6電流鏡。晶體管Q5和Q6的發射極連接到恒定的電壓VCC，晶體管Q5和Q6的基極接收相同的輸入電壓。因此，通過使用相同的電流源I2和I3，輸出O1和O2接收相同的電流。
參考圖6，顯示了使用電流放大器單元10的電壓-電流轉換應用。如上所述，電壓Vi施加在電流放大器10的正和負輸入端之間。電流放大器10的輸出O2連接到電阻元件R，且連接到電流放大器單元10的負輸入端。電阻元件R的另一個端子接地。由于電流放大器單元10的作用，O1的輸出電流是Vi/R。因此輸出電流值由輸入電壓Vi和電阻元件R控制。
在典型的電壓-電流轉換器中，通過使用電流鏡和反饋獲得轉換。參考圖1A，顯示了執行電壓-電流轉換的經典技術。圖1A的電壓-電流轉換器包括輸入電壓Vi、運算放大器OA、晶體管Q1和Q2和電阻元件R1。電壓Vi連接到運算放大器的正和負輸入端，而運算放大器輸出連接到晶體管Q1的控制端。晶體管Q1的第一端連接到運算放大器OA的負輸入端和電阻元件R1。電阻元件R1的另一個端子連接到地。晶體管Q1的第二端連接晶體管Q2的第一端。輸出電流從晶體管Q3的第一端取出而晶體管Q2和Q3的第二端連接到恒定的電壓VCC。晶體管Q2和Q3的控制端連接，晶體管Q2的控制端也連接到晶體管Q2的第一端。
電阻R1的電流是IR1＝Vi/R1。由于Q2-Q3電流鏡的作用，該電流等于IO。因此IO＝IR1＝Vi/R1。該結構只在DC輸入信號工作。如果輸入是AC的，則該電路不能提供電流。
參考圖7，顯示了根據本發明執行AC和DC等于-電流轉換的電路。該電路包括n-p-n/p-n-p晶體管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6，電容元件C1，電流源I1、I2、I3。恒定的電流I1連接到晶體管Q1和Q2的發射極。電流I1的其它端子連接到恒定的電壓VSS。晶體管Q1和Q2連接到如圖所示的差分對輸入。晶體管Q1的基極連接到輸入電壓Vi，其接地。晶體管Q2的基極連接電阻元件R，其接地。晶體管Q2的基極也連接到晶體管Q5的集電極和電流源I2的輸出。Q1的集電極連接到Q3-Q4電流鏡中Q3的集電極。Q2的集電極連接到Q3-Q4電流鏡中Q4的集電極。晶體管Q3的基極連接到晶體管Q4的基極，晶體管Q4的基極連接到晶體管Q4的集電極。Q3的發射極連接Q4的發射極，如圖所示。晶體管Q4的發射極連接輸出級中晶體管Q5和Q6的發射極。晶體管Q3的集電極連接晶體管Q5的基極和晶體管Q6的基極。此外，晶體管Q3的集電極連接電容元件C1。電容元件C1接地。電流源I2的輸出連接到晶體管Q5的集電極。電流源I3的輸出連接到晶體管Q6的集電極。兩個電流源I2和I3都連接到恒定電壓VSS。
該電路產生正比于輸入電壓的輸出電流。恒定的比例是電阻元件R的值。晶體管Q5和差分對Q1-Q2的負輸入端之間的反饋連接使得晶體管Q2的基極處的電壓與輸入電壓Vi相同。因此電阻元件R的電流是Vi/R。晶體管Q5的集電極的電流輸出與晶體管Q6的集電極的電流輸出相同。而且，輸出電流I_O1也是Vi/R。注意除了電阻R，電阻元件R可以包括晶體管、運算放大器等，或其它元件，或提供期望的電阻特征的元件的組合。
盡管參考優選實施例以詳細描述和介紹了本發明，本領域技術人員可以知道可以在形式和細節上作一些變化而不會背離本發明的精神和范圍。例如，本領域技術人員知道可以用p-n-p晶體管替換上述的n-p-n晶體管，只要作很小的改動，不會背離本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種電流放大器單元，包括適于接收輸入信號的一個輸入級；產生第一輸出信號和第二輸出信號的一個輸出級；其中第二輸出信號可以被用作使用該電流放大器的一個應用中的反饋信號；和在輸入級和與輸入級隔離的輸出級之間并和它們耦接的一個增益級，所述增益級構造為一個電流鏡結構，具有相等的流過電流鏡結構的電流值，以使第一和第二輸出信號具有相同的電流值。
2.根據權利要求1的電流放大器單元，其中所述輸入級還包括具有控制端和第一及第二端的第一晶體管，具有控制端和第一及第二端的第二晶體管和第一及第二端的電流源；其中第一和第二晶體管在它們的控制端耦接以接收輸入信號，第一和第二晶體管的第一端耦接到電流源的第一端，電流源的第二端連接到第一電壓值，第一和第二晶體管的第二端連接到增益級。
3.根據權利要求2的電流放大器單元，其中所述增益級還包括連接到輸入級的電流鏡，所述電流鏡包括具有控制端和第一及第二端的第三晶體管(Q3)；和具有控制端和第一及第二端的第四晶體管(Q4)；其中第一晶體管(Q1)的第二端連接到第三晶體管(Q3)的第一端和電流放大器單元的輸出級，第二晶體管(Q2)的第二端連接到第四晶體管(Q4)的第一端，第三晶體管(Q3)的控制端連接到第四晶體管(Q4)的控制端和第四晶體管(Q4)的第一端，第三和第四晶體管的第二端連接到恒定電壓源(VCC)和電流放大器單元的輸出級。
4.根據權利要求1的電流放大器單元，其中所述增益級還包括連接到輸入級的電流鏡，所述電流鏡包括具有控制端和第一及第二端的第一晶體管(Q3)；和具有控制端和第一及第二端的第二晶體管(Q4)；其中第一晶體管(Q1)的第二端連接到電流放大器單元的輸入級和輸出級，第二晶體管(Q4)的第一端連接到輸入級，第一晶體管(Q1)的控制端第二晶體管(Q4)的控制端和第二晶體管(Q4)的第一端，第一和第二晶體管的第二端連接到恒定電壓源(VCC)和電流放大器單元的輸出級。
5.根據權利要求3的電流放大器單元，其中所述輸出級還包括連接到增益級的電流鏡，所述電流鏡包括具有控制端和第一及第二端的第一晶體管(Q5)；和具有控制端和第一及第二端的第二晶體管(Q6)；一個電容元件(C1)；其中第一晶體管(Q5)的控制端連接到第一晶體管(Q1)的第二端和電容元件(C1)的第一端，電容元件(C1)的第二端連接到第一電壓值，第一晶體管(Q5)的第二端連接到第六晶體管(Q6)的第二端，兩個晶體管(Q5和Q6)的第二端連接到晶體管(Q3)的第二端和晶體管(Q4)的第二端，第五晶體管(Q5)的控制端連接到第六晶體管(Q6)的控制端，第五晶體管(Q5)的第一端連接到電流源(I2)的第一端，電流源I2的第二端連接到恒定的電壓值，晶體管(Q6)的第一端連接到電流源(I3)的第一端，電流源(I3)的第二端連接到第一電壓值，輸出(O2)從第五晶體管(Q5)的第一端和電流源(I2)的第一端之間取出，輸出(O1)從第六晶體管(Q6)的第一端和電流源(I3)的第一端之間取出。
6.根據權利要求1的電流放大器單元，其中所述輸出級還包括連接到增益級的電流鏡，所述電流鏡包括具有控制端和第一及第二端的第一晶體管(Q5)；和具有控制端和第一及第二端的第二晶體管(Q6)；一個電容元件(C1)；其中第一晶體管(Q5)的控制端連接到輸入級和電容元件(C1)的第一端，電容元件(C1)的第二端連接到第一電壓值，第一晶體管(Q5)的第二端連接到第二晶體管(Q6)的第二端，兩個晶體管(Q5和Q6)的第二端連接到增益級，第一晶體管(Q5)的控制端連接到第二晶體管(Q6)的控制端，第一晶體管(Q5)的第一端連接到電流源(I2)的第一端，電流源I2的第二端連接到恒定的電壓值，晶體管(Q6)的第一端連接到電流源(I3)的第一端，電流源(I3)的第二端連接到第一電壓值，輸出(O2)從第一晶體管(Q5)的第一端和電流源(I2)的第一端之間取出，輸出(O1)從第二晶體管(Q6)的第一端和電流源(I3)的第一端之間取出。
7.根據權利要求6的電流放大器單元，其中提供到輸入級的輸入信號提供將輸入級的第一輸入端與第一電壓值相連和將輸入級的第二輸入端與一電流源相連而獲得，其中第一輸出信號(O1)的增益根據耦合到第二輸出信號(O2)的電阻元件決定。
8.根據權利要求7的電流放大器，其中輸入級的第一輸入端是第一晶體管的控制端，輸入級的第二輸入端是第二晶體管的控制端，其中電阻元件包括連接到第二晶體管的控制端、電流源和輸出級的第一電阻(R1)；和連接在第二輸出信號和第一電壓值之間的第二電阻(R2)。
9.根據權利要求8的電流放大器，其中第二輸出信號的增益是實數值。
10.一種電流放大器單元，包括適于接收輸入信號的一個輸入級；產生第一輸出信號和第二輸出信號的一個輸出級；其中第二輸出信號可以被用作使用該電流放大器的一個應用中的反饋信號；和在輸入級和與輸入級隔離的輸出級之間并和它們耦接的一個增益級，所述增益級構造為一個電流鏡結構，具有相等的流過電流鏡結構的電流值，以使第一和第二輸出信號具有相同的電流值；連接到電流放大器單元的負端的電流源(I_in)；連接到電流放大器單元的第二輸出信號(O2)和電流放大器單元的負端之間的第一電阻元件(R1)；和連接到電流放大器單元的第二輸出信號(O2)和一電壓值之間的第二電阻元件(R2)。
11.根據權利要求1的電流放大器單元，其中通過在輸入級的第一輸入端和第二電壓值之間施加第一電壓獲得提供到輸入級的輸入信號，將輸入級的第二輸入端連接到輸出級的第一輸出(O1)，并通過連接輸出級的第一輸出(O1)到與第三電壓值耦接的電阻元件來控制第二輸出(O2)的增益。
12.根據權利要求6的電流放大器單元，其中通過在輸入級的第一輸入端和第二電壓值之間施加第一電壓獲得提供到輸入級的輸入信號，將輸入級的第二輸入端連接到輸出級的第一輸出(O1)，并通過連接輸出級的第一輸出(O1)到與第三電壓值耦接的電阻元件來控制第二輸出(O2)的增益。
13.根據權利要求12的電流放大器單元，其中輸入級的第一輸入端是第一晶體管的控制端，輸入級的第二輸入端是第二晶體管的控制端，其中電阻元件包括連接到第二晶體管的控制端和輸出級的第五晶體管的第一端的電阻(R)。
14.一種電壓-電流轉換器，包括一個電流放大器單元，包括適于接收輸入信號的一個輸入級；產生第一輸出信號和第二輸出信號的一個輸出級；其中第二輸出信號可以被用作使用該電流放大器單元的一個應用中的反饋信號；和在輸入級和與輸入級隔離的輸出級之間并和它們耦接的一個增益級，所述增益級構造為一個電流鏡結構，具有相等的流過電流鏡結構的電流值，以使第一和第二輸出信號具有相同的電流值；施加在電流放大器單元的正端和負端之間的電壓值；和連接到第一輸出(O1)和電壓值之間的電阻元件(R1)。
15.根據權利要求14的電壓-電流轉換器，其中第一輸出(O1)連接到負輸入端。
全文摘要
公開了一種用于執行電流放大的電路結構。該電路結構可以被標準化為電流放大器單元,使得可以產生很多種需要電流放大的應用類型。可以接收電壓或電流源作為輸入信號的基本放大器單元產生兩個相同的輸出信號,它們可以用作反饋或到另一個放大器的輸入。通過使用適當選擇的電阻元件,可以擴展這種簡單的結構以執行可變增益的電流放大或AC或DC電壓－電流轉換。
文檔編號H03F1/34GK1368792SQ01104518
公開日2002年9月11日 申請日期2001年2月10日 優先權日2001年2月10日
發明者閘鋼, 黃勍隆 申請人:深圳賽意法微電子有限公司