專利名稱：電壓－電流轉換器的制作方法
技術領域：
本發明是有關電壓-電流轉換器，該轉換電路有一個包含兩個晶體管的第一電流鏡，這兩個晶體管設計為在同等驅動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先確定的系數構成了電壓-電流轉換器的輸出電流。
文中開始提到的電壓-電流轉換器的現有技術如圖2所示。它包含一個電流鏡10，此電流鏡含有兩個常關(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體場效應晶體管)12和MOSFET14。電流鏡10通過串聯電阻16進行設計，該電阻與第一晶體管12的漏極串聯并連接到輸入電壓UB，因此確定了第一晶體管12的漏電流I12，這個漏電流構成了電流鏡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的驅動條件相同。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。該圖所示的基于現有技術的電壓-電流轉換器在圖2中已經得到了更改，輸入電壓UE代替了電源電壓UDD連接到串聯電阻16上。因此，輸入電壓UE與輸入電流IB成比例關系，比值取決于串聯電阻16的電阻值。
由于晶體管12和晶體管14在飽和區工作，所以它們的漏電流I12和I14間存在比例關系。只要晶體管12和晶體管14的其他參數(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的幾何尺寸來設置。這種情況下，下面的等式適用于兩個漏電流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的溝道設計為與第二晶體管14的溝道長度相同，但寬度為其10倍，那么即可相應地得到如下關系I12＝10·I14。
則在這種情況下，根據前面所述的輸入電壓UB和輸入電流IE≡I12之間的比例關系，第二晶體管14的漏電流I14(在該技術中構成電壓-電流轉換器的輸出電流IA)與輸入電壓UE呈比例關系。
由于在所述的鎖相環的應用中輸入電壓UB通常在2至5伏間，而需要的輸出電流強度IA在幾毫微安的范圍內，因此串聯電阻16的電阻值必須在幾兆歐的范圍內。但是，一個很大的缺點就是這個級別的電阻值需要的集成電路面積很大，因為集成電路的成本主要決定于需要的面積。
這個目的通過以下方式實現提供一個包含兩個晶體管的第二電流鏡；兩個電流鏡與電源電壓串連，串聯方式是兩個第一晶體管和兩個第二晶體管分別串聯；并且提供一個MOSFET與第一電流鏡的第一晶體管串聯，其柵極與輸入電壓連接。
在這個電壓-電流轉換器中，不再需要在以前技術中需要的電壓-電流轉換器的串聯電阻16，并且因為現在提供的MOSFET在IC中占的面積比電阻小，因此可以在很大程度上節省面積，即使這樣會比現有技術中的電壓-電流轉換器中的元件多。
為了使電壓-電流轉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晶體管是相同的，也就是說在相同驅動條件下通過它們的電流大小相等，另外系數等于10。
如果單獨考慮第一電流鏡，相同驅動條件下通過其兩個晶體管的電流值不同，或更精確地說，根據系數，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，根據系數，第一晶體管的電導率是第二晶體管的電導率的十倍。
但是，第一電流鏡并不是單獨的，它與第二電流鏡串聯連接到電源電壓。這個電源電壓像輸入電壓一樣，通常在2至5伏之間。此處首先是兩個第一晶體管串聯，然后是兩個第二晶體管串聯，這樣分別組成了電壓-電流轉換器的輸入電流通路和輸出電流通路。第二電流鏡的兩個相同晶體管確保通過第一電流鏡的兩個不同晶體管的電流大小相等。但是，由于這對電導率沒有影響，根據系數，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，即這兩個電壓之差，最后落在了與第一晶體管串聯的MOSFET上，由此構成了漏極-源極電壓。
這個漏極-源極電壓保持為一個相當準確的近似值常數，例如60mV。這個值根據前面提到的輸入電壓范圍2至5伏進行選擇，小到小于MOSFET的柵極驅動電壓，即加到其上的柵極-源極電壓(事實上由輸入電壓形成)與其閾值電壓之差。因此，MOSFET要在強反轉中進行操作使其在輸出特性曲線的電阻區，也稱為“線性區”或“作用區”。
在電阻區內，漏電流與漏極-源極電壓呈比例，比值是很好的近似值。由于這個比例關系，所以可以為MOSFET的溝道指定一個電阻或電導率。這個電導率本身與柵極驅動電壓呈比例關系。輸入電壓增加，則柵極驅動電壓增加，因此使電導率和漏電流增加。因為漏電流通過第一電流鏡，所以通過第二晶體管的電流(它事實上形成電壓-電流轉換器的輸出電流)也呈比例增加，但是，根據系數，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-電流轉換器需要的。對本發明的有益改進在從屬權利要求中進行說明。
優選地規定，第一電流鏡包含了第三個晶體管，這個晶體管接地，電流流過該晶體管，是通過這個晶體管的電流而不是通過第二晶體管的電流構成了電壓-電流轉換器的輸出電流。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載。這可以使電壓-電流轉換器的輸入電阻更高。另外，使用這個第三晶體管后，輸出電流可以放大到需要的數量級，而與第二晶體管無關。
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。這簡化了電路和布局的設計。
在第一電流鏡中，第一晶體管與第二晶體管在弱反轉區工作。因此，漏極-源極電壓在幾個數量級范圍內保持常數，提高了電壓-電流轉換器的精確性。
圖中所示實施例中的第一電流鏡18包含三個在飽和區中工作的晶體管24，26和28，它們也是N溝道常關的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晶體管24、26和28的驅動條件相同。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是串聯關系。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。
圖中所示實施例中的第二電流鏡20包含兩個在飽和區中工作的晶體管30和32，它們也是p溝道常關的MOSFET。它們的柵極連接在一起并連接到第二晶體管32的漏極，這樣可以使這兩個晶體管30和32的驅動條件相同。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，這樣兩個第一晶體管24和30以及兩個第二晶體管26和32分別串聯到電源電壓UDD上。
在這個較佳實施例中，第一電流鏡18中的三個晶體管24、26和28設計為在相同驅動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，比值為預先確定的系數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，比值為預先確定的系數K2。也就是說，第一晶體管24的溝道電導率G24是第二晶體管26的溝道電導率G26的K1倍，且是第三晶體管28的溝道電導率G28的K2倍。這很容易實現，只要為這三個晶體管24、26和28選擇適當的幾何尺寸并使它們的其他參數相等即可，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，此實施例中第二電流鏡20中的兩個晶體管30和32的設計方法與以上所述相同，使得在同樣驅動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，它們的溝道電導率G30和G32相等。這很容易實現，只要為這兩個晶體管30和32選擇適當的幾何尺寸并使它們的其他參數相等即可，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，根據等式U＝R·I＝I/G，其比值應該為前述電導率之比K1＝G24/G26。因此，K1＝U26/U24因為兩個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K1使MOSFET 22在電阻區內工作。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是柵極驅動電壓。
相反地，第一電流鏡18按MOSFET 22的溝道電導率G22進行設計，因為這在輸入電流通道中，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的這個漏電流I28構成了電壓-電流轉換器的輸出電流IA，這樣第二幾何尺寸的商K2可以按需要的輸出電流IA的數量級來選擇。
由于在電阻區中柵極驅動電壓Uoff≡UE-UT與溝道電導率G22成比例，根據等式I＝G·U，也就與漏電流IE成比例，于是對于MOSFET 22有UE≈IE最后，由于設計和給定了IE≈I28≡IA，也有UE≈IA即輸出電流IA與輸入電壓UE之間存在比例關系，這正是電壓-電流轉換器的要求。
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那樣存在一個系數關系而不相同。
另外，兩個電流鏡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/或摻雜了不同雜質的MOSFET，甚至可以是JFET或雙極性晶體管。
權利要求
1.一種電壓-電流轉換器，具有一個包含兩個晶體管(24，26)的第一電流鏡(18)，這兩個晶體管設計為在同等驅動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先確定的系數(K1)構成了電壓-電流轉換器的輸出電流，其特征是提供包含兩個晶體管(30，32)的一個第二電流鏡(20)；該等兩個電流鏡(18，20)與電源電壓(UDD)串聯，串聯方式是兩個第一晶體管(24，26)和兩個第二晶體管(30，32)分別串聯；并且提供一個MOSFET(22)與第一電流鏡(18)的第一晶體管(24)串聯，其柵極與輸入電壓(UE)連接。
2.根據權利要求1的電壓-電流轉換器，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.根據前述權利要求中的任意一項的電壓-電流轉換器，其特征是第一電流鏡(18)、第一晶體管(24)和第二晶體管(26)在弱反轉中工作。
4.根據前述權利要求中的任意一項的電壓-電流轉換器，其特征是MOSFET(22)有一個閾值電壓，使得電壓電流特性曲線開始于0。
全文摘要
本發明是關于電壓－電流轉換器，有一個包含兩個晶體管(24，26)的第一電流鏡(18)，這兩個晶體管設計為在同等驅動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H03F3/34GK1401099SQ01805037
公開日2003年3月5日 申請日期2001年1月26日 優先權日2000年2月15日
發明者H·-H·維赫曼恩 申請人:因芬尼昂技術股份公司