CN102354241A - 电压/电流转换电路 - Google Patents

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Abstract

一种电压/电流转换电路，包括：电流源，耦接于第一电压；以及晶体管，该晶体管的漏极提供输出电流，第一晶体管的源极耦接于所述电流源，其中输出电流由电流源、输入电压以及固定电压决定。

Description

电压/电流转换电路
技术领域
本发明涉及一种电压/电流转换电路，特别涉及一种可在低电压条件下工作的电压/电流转换电路。
背景技术
在模拟电路中，跨导(Transconductance)电路为一种电压/电流转换电路，其可将输入电压转换成输出电流，以供后续电路使用。
图1A及图1B分别显示传统跨导电路的基本单端模式(single-endmode)以及差分模式(differential mode)。在图1A中，晶体管M1经由电阻R耦接至地端GND。输入电压Vi会控制晶体管M1的栅极，来决定流经晶体管M1的输出电流io的电量。在图1B中，晶体管M1经由第一电流源耦接至地端GND，而晶体管M2经由第二电流源耦接至地端GND，其中第一电流源以及第二电流源具有相同的电流值I0。此外，电阻R耦接于两晶体管M1与M2的源极之间。输入电压Vi+与输入电压Vi-为一差分信号对，其中输入电压Vi+与Vi-会分别控制晶体管M1与M2的栅极，来决定流经晶体管M1与M2的输出电流io+与ii-的电量。在此传统跨导电路中，电阻R要远大于各晶体管的互导gm，即
Figure BDA0000079860570000011
才能得到较高的线性度。并且，由于输入电压直接施加到晶体管栅极，所以也要求晶体管处于维持良好线性度的正确工作区间，但是这一工作区间会随着输入电压的减小而变小。
图2A和图2B分别显示另一种传统跨导电路的单端模式以及差分模式。在图2A中，晶体管M1经由电阻R耦接至地端GND，其中晶体管M1的栅极耦接于放大器AMP1的输出端。利用放大器AMP1两个输入端虚短路(virtual short)的特性，所以，电阻R的两端电压分别为电压Vi和地端GND，从而输入电压Vi施加到电阻R上转换为输出电流io，即
Figure BDA0000079860570000012
在图2B中，晶体管M1经由第一电流源耦接至地端GND，而晶体管M2经由第二电流源耦接至地端GND，其中第一电流源以及第二电流源具有相同的电流值I0。晶体管M1的栅极耦接于放大器AMP1的输出端，而晶体管M2的栅极耦接于放大器AMP2的输出端。此外，电阻R耦接于两放大器AMP1与AMP2的第一输入端之间。输入电压Vi+与输入电压Vi-为一差分信号对，其中输入电压Vi+与Vi-会分别施加到两放大器AMP1与AMP2的第二输入端。同样地，利用放大器两输入端有虚短路的特性，输入电压Vi+与Vi-便可分别经施加到电阻R上转换为输出电流io+与io-。图2A和图2B这种方法的跨导电路虽然通过使用放大器而克服了图1A和1B中跨导电路的问题，但是要维持比较好的线性度，有一个前提条件是放大器能维持虚短路，而随着输入电压的降低，放大器虚短路的工作区间也随之变小，无法维持良好的线性度。
随着工艺技术的进步，集成电路可操作在较低的供应电压下，例如小于1.5伏特，以便降低集成电路的电力消耗。然而，当操作/供应电压降低时，上述图1A、图1B、图2A、图2B中传统的跨导电路的线性度会降低，很难达到工作需要。
因此，需要一种可操作在低电压并具有较佳线性度的电压/电流转换电路。
发明内容
本发明提供一种转换电路，用于将输入电压转换为输出电流，包括：电流源，耦接于第一电压；以及晶体管，该晶体管的漏极提供输出电流，晶体管的源极耦接于电流源，其中输出电流由电流源、输入电压以及固定电压决定。
再者，本发明提供另一种转换电路，用于将电压转换为电流，包括：第一电流源，耦接于第一电压；第一晶体管，第一晶体管的源极耦接于第一电流源；第一放大器，第一放大器耦接于第一晶体管，第一放大器具有第一输入端用以接收固定电压、第二输入端耦接于第一输入电压以及输出端耦接于第一晶体管的栅极，用以控制第一晶体管来提供对应于第一输入电压的第一输出电流；第二电流源，耦接于第一电压；第二晶体管，第二晶体管的源极耦接于第二电流源：以及第二放大器，第二放大器耦接于第二晶体管，第二放大器具有第一输入端用以接收固定电压、第二输入端耦接于第二输入电压以及输出端耦接于第二晶体管的栅极，用以控制第二晶体管来提供对应于第二输入电压的第二输出电流。
附图说明
图1A和图1B分别显示一种传统跨导电路的基本的单端模式以及差分模式；
图2A和图2B分别显示另一种传统跨导电路的单端模式以及差分模式；
图3显示根据本发明一实施例所述的单端模式的电压/电流转换电路；
图4A是显示跨导电路的输入电压Vi与输出电流io的关系图；
图4B是表示将图4A中输出电流io对输入电压Vi做微分后的关系图；
图5显示根据本发明一实施例所述的混频器；
图6显示根据本发明一实施例所述的差分模式的电压/电流转换电路；
图7显示根据本发明另一实施例所述的混频器；
图8显示根据本发明另一实施例所述的单端模式的电压/电流转换电路；以及
图9显示根据本发明另一实施例所述的差分模式的电压/电流转换电路。
具体实施方式
为了使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特列举出实施例，并配合附图，作详细说明如下：
图3显示根据本发明一个实施例所述单端模式的电压/电流转换电路100。电压/电流转换电路100包括晶体管M1、电阻R、放大器110以及电流源120，其中作为举例，在实施例中晶体管M1为NMOS晶体管，但是本发明不局限于此。电流源120耦接于地端GND以及节点N1之间，其中电流源120的电流值为I0。放大器110的输出端耦接于晶体管M1的栅极。放大器110的第一输入端用以接收电压Vfix，而第二输入端耦接于节点N1。电阻R的一端也耦接于节点N1，而电阻R的另一端施加输入电压Vi。于是，可避免输入电压Vi直接进入晶体管M1的栅极。从而避免图1A中传统电路的问题。此外，对放大器110而言，输入电压Vi直接施加到电阻R的一侧，而电压Vfix为预先设定的固定电压。利用放大器110两个输入端虚短路(virtual short)的特性，所以，电阻R的两端电压分别为输入电压Vi和电压Vfix，从而在此实施例中，流经电阻R的电流ic为因此，根据电流源120的电流值I0以及流经电阻R的电流ic，可得到输出电流io，即io＝I0-ic。值得注意的是，电流ic的方向只是个例子，不应将其视为对本发明的限制。在实际应用中，电流ic的方向由输入电压Vi以及固定电压Vfix决定。电压/电流转换电路100操作于低供应电压下时，只要根据需要设定固定电压Vfix，则由于固定电压Vfix存在，放大器可以一直工作在虚短路状态，而不会受到输入电压Vi变小的影响。所以，即使输入电压Vi很小，由于放大器处于良好的虚短路工作状态，本发明的电压/电流转换电路仍然可具有较佳的线性度。
图4A是显示跨导电路的输入电压Vi与输出电流io的关系图。在图4A中，曲线S1表示图1A的传统跨导电路、曲线S2表示图2A的传统跨导电路以及曲线S3表示图3的电压/电流转换电路100。此外，图4B表示将图4A中输出电流io对输入电压Vi做微分后的关系图。在图4B中，曲线S4表示图1A的传统跨导电路、曲线S5表示图2A的传统跨导电路、及曲线S6表示图3的电压/电流转换电路100。从图中明显看出，相较于传统的跨导电路，图3中本发明的电压/电流转换电路100具有更好的线性度。
图5显示根据本发明一实施例所述的混频器(mixer)200。混频器200包括差分电压单元250以及电压/电流转换电路100。一般而言，射频电路中的混频器可将来自数/模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)的中频信号VIF转换为射频信号VRF，并将射频信号VRF提供至功率放大器(power amplifier，PA)。在混频器200中，电压/电流转换电路100可根据所接收的中频信号VIF，即输入电压Vi，而得到输出电流io。差分电压单元250包括晶体管M2和M3以及电感L1与L2。电感L1耦接于供应电压VDD以及晶体管M2之间，而电感L2耦接于供应电压VDD以及晶体管M3之间。此外，晶体管M2耦接于电感L1以及电压/电流转换电路100之间，而晶体管M3耦接于电感L2以及电压/电流转换电路100之间。晶体管M2和M3的栅极分别接收本地振荡信号LO_P和LO_N，其中本地振荡信号LO_P和LO_N为一差分信号对。因此，差分电压单元250可根据本地振荡信号LO_P和LO_N以及输出电流io而产生射频信号VRF。在此实施例中，固定电压Vfix的电位介于供应电压VDD以及地端GND之间。
图6显示根据本发明一实施例所述的差分模式的电压/电流转换电路300。电压/电流转换电路300包括两组电压/电流转换子电路310与320。电压/电流转换子电路310包括晶体管M1、电阻R1、放大器330以及电流源340，其中，作为示例晶体管M1为NMOS晶体管，但是本发明不局限于此。电流源340耦接于地端GND和节点N1之间，其中电流源340的电流值为I0。放大器330的输出端耦接于晶体管M1的栅极。在放大器330的第一输入端施加电压Vfix，而第二输入端耦接于节点N1。电阻R1的一端也耦接于节点N1，而电阻R1的另一端施加输入电压Vi+。于是，可避免输入电压Vi+直接进入晶体管M1的栅极。此外，流经电阻R1的电流ic+为
Figure BDA0000079860570000051
因此，根据电流源340的电流值I0以及流经电阻R1的电流ic+，可得到输出电流io+，即io+＝I0-ic+。另一方面，电压/电流转换子电路320包括晶体管M2、电阻R2、放大器350以及电流源360，其中晶体管M2为NMOS晶体管，但不应理解为本发明局限为NMOS晶体管，晶体管M2与晶体管M1具有相同的尺寸。电流源360耦接于地端GND以及节点N2之间，其中电流源360的电流值相同于电流源340。放大器350的输出端耦接于晶体管M2的栅极。从而避免图1B中传统电路的问题。在放大器350的第一输入端施加电压Vfix，而第二输入端耦接于节点N2。电阻R2的一端也耦接于节点N2，而电阻R2的另一端施加输入电压Vi-。于是，可避免输入电压Vi-直接进入晶体管M2的栅极。此外，流经电阻R2的电流ic-为
Figure BDA0000079860570000052
同样地，根据电流源360的电流值I0以及流经电阻R2的电流ic-，可得到输出电流io-，即io-＝I0-ic-。在此实施例中，输入电压Vi+与输入电压Vi-为一差分信号对。因此，输出电流io+与输出电流io-亦为一差分信号对。值得注意的是，电流ic+和ic-的电流方向只是个例子，其并未用以限定本发明。在实际应用上，电流ic+和ic-的方向由输入电压Vi+、输入电压Vi-与固定电压Vfix决定。与图3中的实施例相似，电压/电流转换电路300操作于低供应电压下时，只要根据需要设定固定电压Vfix，则由于固定电压Vfix存在，放大器可以一直工作在虚短路状态，而不会受到输入电压Vi变小的影响。所以，即使输入电压Vi很小，由于放大器处于良好的虚短路工作状态，本发明的电压/电流转换电路仍然可具有较佳的线性度。
图7显示根据本发明另一实施例所述的混频器400。混频器400包括差分电压单元450以及电压/电流转换电路300。在混频器400中，电压/电流转换电路300可根据所接收的中频信号VIF+和VIF-(即输入电压Vi+和Vi-)而得到输出电流io+和io-。差分电压单元450包括晶体管M3、M4、M5和M6以及电感L1与L2。电感L1与电感L2均耦接于供应电压VDD。晶体管M3耦接于电感L1以及电压/电流转换子电路310之间，而晶体管M4耦接于电感L2以及电压/电流转换子电路310之间。此外，晶体管M5耦接于电感L1以及电压/电流转换子电路320之间，而晶体管M6耦接于电感L2以及电压/电流转换子电路320之间。晶体管M3和M6的栅极接收本地振荡信号LO_P，而晶体管M4和M5的栅极接收本地振荡信号LO_O，其中本地振荡信号LO_P和LO_N为一差分信号对。因此，差分电压单元450可根据本地振荡信号LO_P和LO_N以及输出电流io+和io-而产生射频信号VRF。在此实施例中，固定电压Vfix的电势介于供应电压VDD以及地端GND之间。
图8显示根据本发明另一实施例所述的单端模式的电压/电流转换电路500。与图3的电压/电流转换电路100相比，电压/电流转换电路500描述晶体管M1为PMOS晶体管的相关电路结构。图9显示根据本发明另一实施例所述的差分模式的电压/电流转换电路600。与图6的电压/电流转换电路300相比，电压/电流转换电路600描述晶体管M1与M2为PMOS晶体管的相关电路结构。
在本发明实施例中，电压/电流转换电路内的晶体管(例如晶体管M1、M2)由放大器控制。由于输入电压Vi直接进入电阻R，且电压Vfix为预先设定的固定电压，所以放大器不会因为输入电压Vi的振幅变化而影响到放大器增益。因此，在低操作/供应电压下，本发明的电压/电流转换电路可具有较佳的线性度。
虽然本发明已以实施例的方式公开如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明作些修改和改变，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定为准。

Claims (15)

1.一种转换电路，用于将输入电压转换为输出电流，包括：
电流源，耦接于第一电压；以及
晶体管，所述晶体管的漏极提供输出电流，所述晶体管的源极耦接于所述电流源，
其中所述输出电流由所述电流源、输入电压以及固定电压决定。
2.如权利要求1所述的转换电路，还包括：
放大器，所述放大器耦接于所述晶体管，所述放大器具有第一输入端、第二输入端以及输出端，其中所述第一输入端接收所述固定电压、所述第二输入端耦接于所述输入电压以及所述输出端耦接于所述晶体管的栅极。
3.如权利要求2所述的转换电路，还包括：
电阻，具有第一端以及第二端，其中所述第一端耦接于所述放大器的所述第二输入端以及所述第二端用以接收所述输入电压。
4.如权利要求3所述的转换电路，还包括：
所述电阻的所述第一端还耦接于所述晶体管的所述源极以及所述电流源。
5.如权利要求2所述的转换电路，其中所述第一电压为地端，所述固定电压的电压值根据使所述放大器处于虚短路状态而设定。
6.如权利要求1所述的转换电路，其中所述晶体管的漏极经由差分电压单元耦接于第二电压，以及所述固定电压介于所述第一电压以及所述第二电压之间，所述电压/电流转换电路以及所述差分电压单元形成混频器。
7.如权利要求6所述的转换电路，其中所述第一电压以及所述第二电压中的一个为低供应电压，另一个为地端。
8.一种转换电路，用于将电压转换为电流，包括：
第一电流源，耦接于第一电压；
第一晶体管，所述第一晶体管的源极耦接于所述第一电流源；
第一放大器，所述第一放大器耦接于所述第一晶体管，所述第一放大器具有第一输入端用以接收固定电压、第二输入端耦接于第一输入电压，以及输出端耦接于所述第一晶体管的栅极，用以控制所述第一晶体管来提供对应于所述第一输入电压的第一输出电流；
第二电流源，耦接于所述第一电压；
第二晶体管，所述第二晶体管的源极耦接于所述第二电流源：以及
第二放大器，所述第二放大器耦接于所述第二晶体管，所述第二放大器具有第一输入端用以接收所述固定电压、第二输入端耦接于第二输入电压以及输出端耦接于所述第二晶体管的栅极，用以控制所述第二晶体管来提供对应于所述第二输入电压的第二输出电流。
9.如权利要求8所述的转换电路，其中所述第一输入电压以及所述第二输入电压为差分信号对。
10.根据权利要求8所述的转换电路，其中所述第一电压为地端，所述固定电压的电压值根据使所述放大器处于虚短路状态而设定。
11.如权利要求8所述的转换电路，还包括：
第一电阻，所述第一电阻的第一端接收所述第一输入电压，所述第一电阻的第二端耦接于所述第一放大器的第二输入端，以及
第二电阻，所述第二电阻的第一端接收所述第二输入电压，所述第二电阻的第二端耦接于所述第二放大器的第二输入端。
12.如权利要求11所述的转换电路，还包括：
所述第一电阻的第二端还与所述第一电流源以及所述第一晶体管的源极耦接；以及
所述第二电阻的第二端还与所述第二电流源以及所述第二晶体管的源极耦接。
13.如权利要求11所述的转换电路，其中所述第一输出电流的电流值与流经所述第一电阻的电流相关，而所述第二输出电流的电流值与流经所述第二电阻的电流相关。
14.如权利要求8所述的转换电路，其中所述第一晶体管以及所述第二晶体管经由差分电压单元耦接于第二电压，以及所述固定电压系介于所述第一电压以及所述第二电压之间，所述电压/电流转换电路以及所述差分电压单元形成一混频器。
15.如权利要求14所述的转换电路，其中所述第一电压和所述第二电压中的一个为低供应电压另一个为地端。
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