CN105814507B - 浮置电流源 - Google Patents

Abstract

如本文中教导的那样，浮置电流源将负载偏置电流从源端子输出到可以具有可变电阻的外部负载中，并将负载偏置电流从负载吸收到吸收器端子中。有利地，浮置电流源包括单晶体管电流吸收器，其具有设置期望的负载偏置电流的量的偏置控制，并且进一步包括单晶体管电流源，其根据在外部负载上发展的浮置电压自偏置到操作点，在所述操作点处单晶体管电流源发出期望量的负载偏置电流。自偏置网络内的一个或多个AC分流器防止在浮置电流源的源端子上存在或施加的任何AC波动改变单晶体管电流源的操作点，从而向单晶体管电流源赋予高效阻抗。

Description

浮置电流源

技术领域

本发明一般涉及被配置为电流源的电路，并且特别涉及例如用于以期望的浮置（floating）电压向电阻器或其他负载提供偏置电流的双晶体管浮置电流源。

背景技术

在多种应用中使用电流源。理想电流源具有无穷大的源阻抗并且对它的源端子（terminal）处存在的电压不敏感。理想电流吸收器（sink）类似地表现，即被吸收器端子汲取的电流的量对吸收器端子上存在的电压不敏感。

尽管实际电流源偏离理想的表现，但电流源在一定范围的（a range of）电流应用中得到广泛使用，并且具有好的现实世界表现的实际电流源可以被构造。虽然可以使用相对简单的电路来实现电流源，但针对更尖端的应用，诸如在所谓的浮置电流源的实现中，通常使用更复杂的电路。

例如，某些类型的传感器作为可变电阻器操作并且要求跨其电阻器端子的偏置电压以便适当地操作。类似地，某些可控电阻器还要求跨可控电阻器引脚的偏置电压。因为真正的浮置电流源对被偏置的电阻器的两个引脚呈现高阻抗，所以在其中电阻器的两个引脚必须看起来相对于偏置网络浮置的应用中使用它使可变或可控电阻器偏置是可能的。

在某些应用中，使电阻器相对于被用来改变可控电阻器的电阻的电路或被用来检测可变电阻器的电阻的电路在某已知的DC电压处浮置而仍呈现对被偏置的电阻器的两个引脚的高AC阻抗也是有用的。某些已知电路被称为浮置电流源，尽管其没有真正“浮置”，因为一个端子展示了相对于某电压源的低阻抗，例如地或电源（power）。在其他情况下，被称为浮置电流源的电路实际上作为浮置电流吸收器操作并且要求跨电流吸收器端子的某最小外部电压。

进一步地，虽然已知真正的浮置电流源，但这样的电路一般使用多个运算放大器和/或若干晶体管及支持电路的组合，该电路与本文中呈现的教导相比相当复杂。这样的复杂性导致不期望的成本并且在某些情况下导致过多的部件计数和/或有限电路板面积的消耗。

发明内容

如本文中教导的那样，浮置电流源将负载偏置电流从源端子输出到可以具有可变电阻的外部负载中，并将负载偏置电流从负载吸收到吸收器端子中。有利地，浮置电流源包括单晶体管电流吸收器，其具有设置期望的负载偏置电流的量的偏置控制，并且进一步包括单晶体管电流源，其自偏置以产生与具有被偏置到已知的高阻抗DC浮置电压的源引脚的单晶体管电流吸收器相同的电流的量。在短时段的稳定之后，浮置电流源的源和吸收器端子两者将提供通过可变电阻负载的恒定电流。自偏置网络内的一个或多个AC分流器防止在浮置电流源的源端子上存在或施加的任何AC波动改变单晶体管电流源的操作点，从而向单晶体管电流源赋予高效阻抗。

上面的布置使得简单的高阻抗的双晶体管电路能够向可变电阻负载提供固定的偏置电流，同时使负载在已知的DC电压处浮置。

当然，本发明不限于上面的特征和优点。实际上，本领域那些技术人员在阅读以下详细描述时和在查看附图时将认识到附加的特征和优点。

附图说明

图1描绘了根据实施例的浮置电流源的框图。

图2描绘了根据实施例的单晶体管电流源的电路配置。

图3A-3C描绘了根据实施例的浮置电流源的单晶体管电流吸收器部件的电路配置。

图4A-4B描绘了根据实施例的浮置电流源的单晶体管电流吸收器部件的附加电路配置。

图5A-5B描绘了根据实施例的浮置电流源的单晶体管电流源部件的电路配置。

图6描绘了根据实施例的浮置电流源的单晶体管电流源部件的附加电路配置。

图7描绘了根据实施例的被耦合到电阻负载且被配置成发出跨电阻负载的负载偏置电流的浮置电流源。

图8描绘了作为通信信号测试电路的部分的浮置电流源的框图。

具体实施方式

图1图示了提供负载偏置电流的浮置电流源10的一个实施例。跨具有第一和第二端子14、16的外部负载12的负载偏置电流被提供。浮置电流源10包括供应跨外部负载12的负载偏置电流的单晶体管电流源18。浮置电流源10另外包括吸收负载偏置电流的单晶体管电流吸收器20。由单晶体管电流吸收器20的偏置网络依靠输入到该偏置网络的偏置信号来设置将由单晶体管电流吸收器20吸收的负载偏置电流的量。

更详细地，单晶体管电流吸收器20包括第一晶体管22。第一晶体管22具有第一端子24、第二端子26和第三端子30。第二端子26被耦合到参考地28。第三端子30被耦合到负载12的第二端子16并可作为浮置电流源10的吸收器端子操作。第一端子24被耦合到第一偏置网络32，所述第一偏置网络32结合它的输入偏置信号来控制负载偏置电流的量。

单晶体管电流源18包括第二晶体管36。第二晶体管36具有第一端子38、第二端子40和第三端子44。第二端子40被耦合到电压供应（voltage supply）42。第三端子44被耦合到外部负载12的第一端子14且可作为浮置电流源10的源端子操作。第一端子38被耦合到第二偏置网络46。如下面进一步详述的那样，第二偏置网络46被配置成使得单晶体管电流源18如在本文中教导的那样进行自偏置。

特别地，第二偏置网络46使第二晶体管36自动地偏置到如根据单晶体管电流吸收器20中的第一晶体管22的偏置设置的源电流，并且使第二晶体管36自动地偏置以将从电压供应42到源端子44的DC电压降固定到与成比例的恒定值。根据该被设想的布置，可以将浮置电流源10的供应电压42与源端子44之间的DC电压表示为

，

其中I是来自源端子44的正电流源，V是跨单晶体管电流源18的电压——即电压供应42与源端子44之间的电压降，K是单晶体管电流源18的跨导，并且C是由单电流源18的实现确定的恒定偏移。

从DC视角来看，单晶体管电流源18将看起来像具有与K成反比的电阻的电阻器。然而，单晶体管电流源18因为在偏置网络46中包括的AC分流而对源端子44上发展（develop）的任何AC电压呈现高阻抗。考虑图2，其图示了单晶体管电流源18的示例实施例，其中使用电容器作为AC分流器48，并且其中第二晶体管36被实现为PNP双极结晶体管（BJT）。

DC集电极-发射极电流通过晶体管36。该电流可以被计算为

，

其中是跨晶体管36的集电极-发射极电压，是跨晶体管36的基极-发射极电压，R是电阻器50的电阻，并且是晶体管36的DC电流增益。用来实现AC分流器48的电容器C可操作以将任何AC电流分流成在图中被表示为的正供应。因此，通过晶体管36的基极-发射极电流在源端子44上存在AC电压的情况下保持恒定。

现在，因为，所以使用AC分流来使得电流对源端子44上的AC波动不敏感还意味着电流在存在这样的波动的情况下保持恒定（在总实际操作限制内）。此外，应看出单晶体管电流源18中的晶体管36将根据被偏置。由于从端子44发出的电流I必须是如由第一晶体管22设置的，必须是的函数。

以另一方式查看，用所描绘的偏置布置，晶体管36将自设置到操作点，在其处

，

并且因此可以将表示为

。

换言之，单晶体管电流源18中的偏置网络46使第二晶体管36偏置，使得从源端子44发出的电流等于如由单晶体管电流吸收器20设置的。单晶体管电流源18的自偏置操作由于将第二晶体管36的第一端子38耦合到第二晶体管36的第三端子44而发生。

如在图1和2的示例中示出的那样，第二偏置网络45的电阻器50被耦合在第一端子38与第三端子44之间。该耦合将基极-发射极电流与源端子44上的浮置电压配对。因为由单晶体管电流吸收器20设置且因为第二晶体管36的集电极-发射极电流必须等于，所以基极-发射极电流必须是

。

根据这，应看出源端子44上的浮置电压将由（必须等于的）通过电阻器50的电流和（与电阻器值成比例的）跨电阻器50的电压自动地设置。

然而，有利地，自偏置操作被与被施加在第二晶体管36的第三端子44（即，源端子44）上或者以其他方式出现在该端子上的AC波动“隔离”。为了实现这样的隔离，使单晶体管电流源18的晶体管36自偏置的第二偏置网络46包括一个或多个AC分流器48，其防止出现在源端子44处的AC分量影响用于使单晶体管电流源18自偏置的（DC）偏置信号。这里，应该在实际电路限制的背景内理解词“防止”——例如，至少在给定频率范围内，“防止”意味着基本上抑制。

可以针对期望的频率范围和分流性能的期望水平来优化在一个或多个AC分流器中使用的部件质量以及电布局（例如，导线/PCB迹线布置等）。在一个示例中，AC波动起因于由外部通信发射机跨负载施加的通信信号，并且（多个）AC分流器48将相应的AC信号分流到从其发出负载偏置电流的电压供应42中。

可以在被设想的浮置电流源10中使用不同类型的晶体管，并且可以使用不同的偏置网络布置。图3A-3C图示了其中晶体管22被实现为NPN双极结晶体管（BJT）的单晶体管电流吸收器20，其中每个图图示了用于偏置网络32的非限制性示例配置。

在图3A中，偏置网络32包括在偏置输入端与晶体管22的基极端子24之间串联的电阻器60。来自基极端子24的分流电容器62添加滤波部件，并且（电阻）元件34提供发射极生成反馈，其提高了晶体管22在期望操作点处的稳定性和线性。

图3B省略了分流电容器62，并且图3C在基极端子24上使用齐纳二极管64来固定晶体管22的偏置。在这点上，将理解，用相同参考数字引用的电路元件不一定具有相同的值。例如，虽然电阻器60是在图3A、3B和3C中的串联输入电阻器，但其在各种配置中可以具有不同的值以适应被使用的总体偏置布置。

图4A-4B是类似的，但描绘了用于晶体管22的n型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）配置的使用。图4A图示了使用电阻器70和72在偏置网络32的偏置输入端上形成的分压器。图4B图示了设置晶体管22的偏置的齐纳二极管74的使用。

图5A和5B图示了单晶体管电流源18的基于PNP BJT的实现，其中这些实现自然地补充了单晶体管电流吸收器20的基于BJT的实现。应看出以与如在图2中详述的配置几乎相同的配置阐述了示例偏置网络46。然而，图5B描绘了用于晶体管36在其期望操作点处的提高的稳定性和线性的作为发射极负反馈（degeneration）电阻器的（电阻）元件52的使用。

图6图示了晶体管36的基于p型MOSFET的实现。这里，偏置网络46包括分压器布置，其包括供应电压输入端（晶体管36的源端子）与晶体管36的栅极之间的电阻器80和晶体管36的栅极与漏极端子之间的电阻器50。

图7呈现了基于基于BJT的晶体管22和36及被相应地配置的偏置网络32和46的被设想的浮置电流源10的总体示例性实施例。可以在各种应用中使用图7中的布置或它的变体。

图8描绘了示例应用，其中被设想的浮置电流源10被用来实现可变差分衰减器100。差分衰减器的输入端是具有附接于电容器117的一个发射机端口的通信信号发射机102，所述电容器117继而通过电阻器112耦合到负载端子14。另一发射机端口附接于电容器119，所述电容器119继而通过电阻器114耦合到负载端子16。进一步地，信号接收机104的一个输入端通过电容器113附接于负载端子14，而信号接收机104的另一输入端通过电容器115附接于负载端子16。

在该示例中，负载12是可变电阻器，其被与电阻器112和114一齐使用来创建差分可变衰减器。浮置电流源10被用来用固定的DC电流使可变电阻器适当地偏置。在某些情况下，可以使用该固定的DC电流来直接地控制可变电阻。然而，正常地将存在将被施加到负载12以改变电阻的控制电压VCTRL。由于该控制电压正常地将相对于固定的DC电压，可变电阻器12在相对于控制电压参考的已知DC电压处浮置是重要的。浮置电流源10提供供应固定的已知偏置电流并同时使负载12在已知DC电压处浮置的两个能力。进一步地，如提到的那样，浮置电流源10没有被源端子44上或吸收器端子30上的AC波动扰乱。

考虑到上面的示例，在至少一个实施例中，负载12包括可变电阻器，它的电阻与通过可变电阻器的电流成比例，该电流理想地由浮置电流源10提供。在同一或另一实施例中，负载12包括必须在特定电流处偏置以适当地操作的可变电阻器，并且其中可变电阻器必须在相对于控制电压的已知电压处浮置。在一个示例中，可变电阻器可作为可变差分衰减器操作。进一步地，在至少一个示例中，可变电阻器是JFET。

如在本说明书中采用的那样，术语“被耦合”并不要求元件必须被直接耦合在一起。可以在“被耦合的”元件之间提供中间元件。

如在本说明书和图中采用的那样，出于在指各种电路元件的连接性时的方便而使用参考数字。参考数字没有施加特定的参数值，诸如在本文中描述的电路元件的电阻或电容。更进一步地，在描述的实施例中的两个或更多中的被相等地编号的电路元件不一定具有相同的参数值。例如，在图3A中描绘的电阻器60不一定是与图3C中的电阻器60相同的电阻。可以根据如下来适配单独的电路元件的参数值：设计考虑，诸如例如MOSFET、BJT、电容器等的电路元件类型和例如电阻和电容值的参数值，其是浮置电流源实现所特有的，以及浮置电流源实现所特有的外部要求。

特别地，受益于在前述的描述和相关联的图中呈现的教导的本领域技术人员将想到（多个）公开的发明的修改及其他实施例。因此，应理解，（多个）发明不限于公开的特定实施例，并且该修改及其他实施例意图被包括在本公开的范围内。尽管特定术语可以被用在本文中，但其仅在一般的和描述性的意义上而不是出于限制的目的被使用。

Claims (12)

1.一种被配置成发出通过负载的负载偏置电流的浮置电流源，所述负载具有被分别耦合到浮置电流源的源和吸收器端子的第一和第二端子，所述浮置电流源包括：

第一晶体管，其具有可作为第一晶体管偏置输入端操作的第一端子，

被耦合到参考地的第二端子，以及被耦合到负载的第二端子且可作为吸收器端子操作的

第三端子；

第一偏置网络，其被耦合到第一晶体管偏置输入端并被配置成

生成设置负载偏置电流的量的第一晶体管偏置信号，第一偏置网络包括串联电阻器，

其被作为串联电阻连接到第一晶体管的第一端子中并且被配置成接收输入偏置信号；

第二晶体管，其具有可作为第二晶体管偏置输入端操作的第一端子，

被耦合到电压供应用于汲取负载偏置电流的第二端子，

以及被耦合到负载的第一端子且可作为源端子操作的第三端子；以及

第二偏置网络，其将第二晶体管偏置输入端耦合到源端子以便自动地调整浮置电压，使得从

电压供应发出的负载偏置电流的量匹配由第一偏置网络设置的量；

其中第二偏置网络包括将第二晶体管的第三端子连接到第二晶体管的第一端子的电阻器

以及将第二晶体管的第一端子耦合到电压供应并且从而防止在负载的第一端子处的AC

波动影响负载偏置电流的AC分流器，并且

其中负载包括可变电阻器，所述可变电阻器必须在特定电流处偏置以适当地操作并且其中所述可变电阻器必须在相对于控制电压的已知电压处浮置。

2.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中负载偏置电流控制跨第二晶体管的第一和第三端子的电压并且从而确定浮置电压。

3.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中第二晶体管是PNP双极结晶体管，其中第一端子是基极端子，第二端子是发射极端子，第三端子是集电极端子。

4.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中第一晶体管是NPN双极结晶体管，其中第一端子是基极端子，第二端子是发射极端子，并且第三端子是集电极端子。

5.根据权利要求4所述的浮置电流源，其中第一偏置网络进一步包括在第一晶体管的发射极端子与参考地之间串联的发射极负反馈电阻器。

6.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中第一偏置网络进一步包括从第一晶体管的第一端子到参考地的分流器配置中的齐纳二极管。

7.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中第二晶体管是p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其中第一端子是栅极端子，第二端子是源极端子，第三端子是漏极端子，其中将漏极端子连接到栅极端子的电阻器包括电阻分压器中的第一电阻器，并且其中电阻分压器包括将栅极端子连接到电压供应的第二电阻器。

8.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中第一晶体管是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其中第一端子是栅极端子，第二端子是源极端子，并且第三端子是漏极端子，其中被作为所述串联电阻连接到栅极端子中的串联电阻器包括电阻分压器的第一电阻器，其中电阻分压器包括将栅极端子连接到参考地的第二电阻器，并且其中负载偏置电流的量取决于电阻分压器。

9.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中第一晶体管是n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），其中第一端子是栅极端子，第二端子是源极端子，并且第三端子是漏极端子，其中第一偏置网络进一步包括栅极端子与源极端子之间的齐纳二极管。

10.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中所述可变电阻器的电阻与通过所述可变电阻器的电流成比例。

11.根据权利要求1所述的浮置电流源，其中所述可变电阻器可作为可变差分衰减器操作。

12.根据权利要求11所述的浮置电流源，其中所述可变电阻器是结型场效应晶体管（JFET）。