CN201233548Y - 电压-电流转换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电压－电流转换电路，要解决的技术问题是减小电压－电流变换电路输出电流的误差，提高电流源的输出电流精度。本实用新型第一运算放大器的同相输入端与第一场效应管漏端连接，并连接到第一电阻的上端，第一电阻的下端接地，输入电压由第一运算放大器的反相输入端输入，第一运算放大器的输出端与第一场效应管栅极连接，第一场效应管的源端接电流镜的输入端，电流镜输出端为电压－电流转换电路的输出端。本实用新型与现有技术相比，通过电阻和运算放大器的负反馈电路，把输入电压转换成精确的电流，并通过电流镜输出所需的镜像电流，提高电流镜的镜像精度并增大电流源的输出阻抗，提高了电流源的输出电流精度。

Description

电压—电流转换电路

技术领域

本实用新型涉及一种电流输出电路，特别是一种电流输出电路的电压—电流转换电路。

背景技术

现有技术的电压—电流转换电路，由于沟道调制效应引起镜像电流的误差、电源抑制比较差、输出阻抗较小的因素，使电压—电流转换电路精度无法提高。而电流源的负载或输出电压的变化会耦合到运算放大器的输出端，使其抗干扰能力变差，从而影响其输出电流精度。如图1所示，现有技术的电压—电流转换电路的工作原理如下：运算放大器AMP1与晶体管MP1以及电阻R1构成高线性度的V/I转换电路，MP2、MN1、MN2、MP3构成偏置电路，MP4和MP5构成casoade结构的电流源输出电路。在V/I转换电路中，通过运算放大器AMP1的负反馈作用，使电阻R1上的电压与放大器的反相端的输入电压V_in相等，因此，R1上的电流I_R1为：

I_R1＝V_in/R

其中，R为电阻R1的电阻值。由于MP4和MP1有共同的栅驱动电压，它们构成电流镜结构，因此MP4能镜像MP1的电流，并从I_out端输出。从理论上讲，流过MP4和MP1的漏极的电流相等，因此电流源的输出电流为：

I_out＝I_R1＝V_in/R

电流源的输出阻抗R_o为：

R_o＝g_m，mp 5r_o，mp5r_o，mp4

其中，g_m，mp5和r_o，mp5是MP5的跨导和导通电阻，r_o，mp4是MP4的导通电阻。

发明内容

本实用新型的目的是提供了一种电压—电流转换电路，要解决的技术问题是减小电压—电流变换电路输出电流的误差，提高电流源的输出电流精度。

本实用新型采用以下技术方案：一种电压—电流转换电路，包括第一运算放大器、第一场效应管和第一电阻，第一运算放大器的同相输入端与第一场效应管漏端连接，并连接到第一电阻的上端，第一电阻的下端接地，输入电压由第一运算放大器的反相输入端输入，第一运算放大器的输出端与第一场效应管栅极连接，所述第一场效应管的源端接电流镜的输入端，电流镜输出端为电压—电流转换电路的输出端。

本实用新型的电流镜是由第二运算放大器和第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管构成，第三场效应管栅极、第二运算放大器同相输入端与第二场效应管栅极和漏级相连，并与第一场效应管源端连接，第二场效应管的源极、第三场效应管的源极接电源，第三场效应管漏端与第四场效应管源端相连，并连接到第二运算放大器反相输入端，第四场效应管栅极与第二运算放大器输出端相连，第四场效应管漏极为输出端。

本实用新型的第一运算放大器由第五至第九场效应管构成，第八场效应管漏极、第五场效应管栅极与第六场效应管的栅极、漏极相连，第五场效应管源极与第六场效应管的源极接电源，第七场效应管栅极作为第一运算放大器的反相输入端与输入信号连接，第五场效应管漏极和第七场效应管漏极连接作为第一运算放大器的输出端与第一场效应管的栅极相连，第八场效应管栅极作为第一运算放大器的同相输入端与第一场效应管的漏极相连，第七场效应管源极和第八场效应管源极与第九场效应管漏极相连。

本实用新型的第二运算放大器由第十至第十六场效应管构成，第十三场效应管漏极、第十场效应管栅极与第十一场效应管的栅极和漏极相连，第十场效应管源极和第十一场效应管的源极接电源，第十二场效应管源极和第十三场效应管源极与第十四场效应管漏极相连，第十四场效应管源极接地，栅极接输入电流，第十场效应管和第十二场效应管漏极相连作为第二运算放大器的输出端与第十六场效应管栅极相连；第十六场效应管的漏极接电源，第十六场效应管的源极和第十五场效应管漏极相连构成第二运算放大器输出端的电平转移级，并与第四场效应管栅极相连，第十五场效应管栅极接输入电流，第十五场效应管源极接地。

本实用新型的第四场效应管漏极接输出端，第四场效应管源极和第三场效应管的漏极相连并与第十二场效应管栅极连接，第一场效应管源极、第二场效应管的栅极和漏极、第三场效应管栅极相连并与第十三场效应管栅极连接，第二场效应管的源极和第三场效应管的源极接电源。

本实用新型的第二运算放大器的偏置电压由第十七场效应管提供，第十七场效应管的栅极和漏极接输入电流，源极接地。

本实用新型的第一运算放大器的同相输入端和输出端连接有第一电容。

本实用新型的第九场效应管源极接地，栅极接输入电流，为第一运算放大器提供偏置电流。

本实用新型与现有技术相比，通过电阻和运算放大器的负反馈电路，把输入电压转换成精确的电流，并通过高精度的电流镜输出所需的镜像电流，提高电流镜的镜像精度并增大电流源的输出阻抗，减小周围环境对电压—电流转换器电路的干扰，减小电压—电流变换电路输出电流的误差，提高了电流源的输出电流精度。

附图说明

图1是现有技术的电压—电流转换电路结构图。

图2是本实用新型的电压—电流转换电路原理图。

图3是图2的电路结构图。

图4是图3的电路连接图。

图5是现有技术与本实用新型的电流镜的镜像误差与温度变化关系的对比测试曲线图。

图6是现有技术与本实用新型的输出电流的镜像误差随电流源输出端的负载变化的曲线图。

图7是现有技术与本实用新型电路输出端的电源抑制比的对比测试曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图2所示，本实用新型电压—电流转换电路包括第一运算放大器AMP1、第一场效应管MP1、第一电阻R1及高精度的电流镜I1。第一运算放大器AMP1、第一场效应管MP1、第一电阻R1电连接，构成电压—电流转换单元。输入电压Vin由第一运算放大器AMP1的反相输入端输入，第一运算放大器AMP1的同相输入端与第一场效应管MP1漏端连接，并连接到第一电阻R1的上端；第一电阻R1的下端接地；第一运算放大器AMP1的输出端与第一场效应管MP1栅极连接，第一场效应管MP1的源端接电流镜I1的输入端，电流镜I1输出端接Iout。

通过第一运算放大器AMP1的负反馈作用，使第一电阻R1上的电压与第一运算放大器的反相端的输入电压Vin相等，因此，R1上的电流I_R1为：

I_R1＝V_in/R

其中，R为第一电阻R1的电阻值，要求它的温度漂移系数很小，因此第一电阻R1采用精密薄膜电阻。本实用新型采用的高精度的电流镜I1能镜像I_R1的电流，并从Iout端输出，因此电流源的输出电流为：

I_out＝I_R1＝V_in/R

本实用新型的电压—电流转换电路能把输入电压Vin转换成与之成正比的电流输出。

如图3所示，电流镜I1由第二运算放大器AMP2和第二场效应管MP2、第三场效应管MP3和第四场效应管MP4电连接构成。第三场效应管MP3栅极，第二运算放大器AMP2同相输入端与第二场效应管MP2栅极、漏级相连，并与第一场效应管MP1源端连接；第二场效应管MP2的源极、第三场效应管MP3的源极接电源Vdd；第三场效应管MP3漏端与第四场效应管MP4源端相连，并连接到第二运算放大器AMP2反相输入端。第四场效应管MP4栅极与第二运算放大器AMP2输出端相连。第四场效应管MP4漏极接输出端Iout。

电流镜I1通过第四场效应管MP4和第二场效应管MP2的隔离作用，使电压—电流转换电路与电流源的负载电路隔离，并且与电源电压隔离，提高了电源抑制比并减少了环境对电压—电流转换电路的干扰；第二运算放大器AMP2的负反馈作用，使第二场效应管MP2和第三场效应管MP3的源-漏电压相等，减小了电流镜因为沟道调制效应引起的镜像电流的误差；第二运算放大器AMP2和第四场效应管MP4构成增益提高结构，增大了电流源的输出阻抗，因此电流镜I1对负载电压的变化及负载端的干扰有很强的抵抗能力，负载端的各种干扰对电流镜的镜像电流的影响很小。

电流源输出阻抗R_O为：

R_o＝A₂g_m，mp4r_o，mp4r_o，mp3

其中A₂为第二运算放大器AMP2的增益，g_m，m4和r_o，m4是第四场效应管M4的跨导和导通电阻，r_o，m3是第三场效应管M3的导通电阻。与已知电压—电流转换电路结构中电流源输出阻抗相比增大了A₂倍。

由于采用了上述电流镜I1结构的技术方案，减小了电流镜因为沟道调制效应引起的镜像电流的误差，提高了电源抑制比并减少了环境对V/I转换电路的干扰，增大了电流源的输出阻抗，提高了其抗干扰能力，从而提高了电压—电流转换电路的转换精度。

作为最佳实施例，如图4所示，本实用新型的电压—电流转换电路由第一至第十七场效应管M1—M17、第一电阻R1、第一电容C1组成。

第五至第九场效应管M5-M9电连接构成所述第一运算放大器AMP1。第八场效应管M8漏极、第五场效应管M5栅极与第六场效应管M6的栅极、漏极相连，第五场效应管M5源极与第六场效应管M6的源极接电源Vdd，第七场效应管M7栅极作为第一运算放大器AMP1的反相输入端与输入信号Vin连接，第五场效应管M5漏极和第七场效应管M7漏极连接作为运算放大器AMP1的输出端与第一场效应管M1的栅极相连，第八场效应管M8栅极作为第一运算放大器AMP1的同相输入端与第一场效应管M1的漏极相连，构成一个反馈网络。第一电容C1两端分别与运算放大器AMP1的同相输入端和输出端相连，起到频率补偿作用，使反馈电路工作稳定，第七场效应管M7源极和第八场效应管M8源极与第九场效应管M9漏极相连，第九场效应管M9源极接地，栅极接输入电流Ibias，为第一运算放大器AMP1提供偏置电流。

第十至第十四场效应管M10-M16电连接构成所述第二运算放大器AMP2。第十三场效应管M13漏极、第十场效应管M10栅极与第十一场效应管M11的栅极和漏极相连，第十场效应管M10源极和第十一场效应管M11的源极接电源Vdd，第十二场效应管M12源极和第十三场效应管M13源极与第十四场效应管M14漏极相连，第十四场效应管M14源极接地，栅极接输入电流Ibias，为第二运算放大器AMP2提供偏置电流，第十场效应管M10和第十二场效应管M12漏极相连作为第二运算放大器AMP2的输出端与第十六场效应管M16栅极相连。第十六场效应管M16的漏极接电源Vdd，第十六场效应管M16的源极和第十五场效应管M15漏极相连构成第二运算放大器AMP2输出端的电平转移级，并与第四场效应管M4栅极相连。第十五场效应管M15栅极接输入电流Ibias，第十五场效应管M15源极接地。

第四场效应管M4漏极接输出端Iout。第四场效应管M4源极和第三场效应管M3的漏极相连并与第十二场效应管M12栅极连接。第一场效应管M1源极、第二场效应管M2的栅极和漏极、第三场效应管M3栅极相连并与第十三场效应管M13栅极连接。第二场效应管M2的源极和第三场效应管M3的源极接电源Vdd。第一场效应管M1漏极接第一电阻R1的上端，第一电阻R1的下端接地。第十七场效应管M17的栅极和漏极接Ibias，Ibias为电路提供偏置电流，第十七场效应管M17的源极接地。

图5～图7是改进前图1所示电路和改进后的图4所示电路，在标准0.35μm CMOS工艺下用HSPICE仿真工具进行对比测试的结果。

如图5所示，对电流镜的镜像误差与温度变化关系进行对比测试，在电源电压为3V，V/I转换电路的输入电流为1μA时，在温度从-20℃到85℃的范围内，改进前的电路随温度变化的镜像误差的范围是从7.2％到11.5％，镜像误差的变化量为4.3％；改进后的电路随温度变化的镜像误差的范围是从0.81％到1.14％，镜像误差的变化量为0.33％。可见，改进后的电流镜的镜像误差约减小10倍，电路在温度变化方面的精度约提高了13倍。

如图6所示，改进前的电路随负载变化的镜像误差的范围是从8.95％到9.61％，镜像误差的变化量为0.66％；改进后的电路随负载变化的镜像误差的范围是从0.938％到0.929％，镜像误差的变化量为0.09％。可见，改进后的电路在负载变化方面的精度约提高了7倍。

如图7所示，对改进前后电路输出端的电源抑制比PSRR(Power supply rejection ratio)的对比进行测试，在低频时改进前的电源抑制比为-33.7dB，改进后的电路输出端的电源抑制比为42.3dB，改进的电路的电源抑制比有明显的改善。

本实用新型的第一场效应管MP1的源端输出一个精确电流，并通过电流镜I1输出镜像电流。电流镜I1是由第二运算放大器AMP2和第二场效应管MP、第三场效应管MP3、第四场效应管MP4构成。第四场效应管MP4和第二场效应管MP2的隔离作用，使V/I转换电路与电流源的负载电路隔离，并且与电源电压隔离，提高了电源抑制比并减少了环境对V/I转换电路的干扰。第二运算放大器AMP2的负反馈作用，使第二场效应管MP2和第三场效应管MP3的源-漏电压相接近，减小了电流镜因为沟道调制效应引起的镜像电流的误差。第二运算放大器AMP2和第四场效应管MP4构成增益提高结构，增大了电流源的输出阻抗，因此电流镜I1对负载电压的变化及负载端的干扰有很强的抵抗能力，负载端的各种干扰对电流镜的镜像电流的影响很小。

电流源输出阻抗R_O变为

R_o＝A₂g_m，mp4r_o，mp4r_o，mp3

其中A₂为第二运算放大器AMP2的增益，g_m，m4和r_o，m4是第四场效应管M4的跨导和导通电阻，r_o，m3是第三场效应管M3的导通电阻。与已知电压—电流转换电路结构中电流源输出阻抗相比增大了A₂倍。

由于采用了上述技术方案，减小了电流镜因为沟道调制效应引起的镜像电流的误差，提高了电源抑制比并减少了环境对V/I转换电路的干扰，增大了电流源的输出阻抗，提高了其抗干扰能力，从而提高了电压—电流转换电路的转换精度。

电流镜的镜像误差由 $\mathrm{Error}=\frac{(I_{\mathrm{out}}-I_{\mathrm{in}})*100\%}{I_{\mathrm{in}}}$ 确定。

Claims (8)

1.一种电压—电流转换电路，包括第一运算放大器(AMP1)、第一场效应管(MP1)和第一电阻(R1)，第一运算放大器(AMP1)的同相输入端与第一场效应管(MP1)漏端连接，并连接到第一电阻(R1)的上端，第一电阻(R1)的下端接地，输入电压由第一运算放大器(AMP1)的反相输入端输入，第一运算放大器(AMP1)的输出端与第一场效应管(MP1)栅极连接，其特征在于：所述第一场效应管(MP1)的源端接电流镜(I1)的输入端，电流镜(I1)输出端为电压—电流转换电路的输出端。

2.根据权利要求1所述的电压—电流转换电路，其特征在于：所述电流镜(I1)是由第二运算放大器(AMP2)和第二场效应管(MP2)、第三场效应管(MP3)、第四场效应管(MP4)构成，第三场效应管(MP3)栅极、第二运算放大器(AMP2)同相输入端与第二场效应管(MP2)栅极和漏级相连，并与第一场效应管(MP1)源端连接，第二场效应管(MP2)的源极、第三场效应管(MP3)的源极接电源，第三场效应管(MP3)漏端与第四场效应管(MP4)源端相连，并连接到第二运算放大器(AMP2)反相输入端，第四场效应管(MP4)栅极与第二运算放大器(AMP2)输出端相连，第四场效应管(MP4)漏极为输出端。

3.根据权利要求2所述的电压—电流转换电路，其特征在于：所述第一运算放大器(AMP1)由第五至第九场效应管(M5-M9)构成，第八场效应管(M8)漏极、第五场效应管(M5)栅极与第六场效应管(M6)的栅极、漏极相连，第五场效应管(M5)源极与第六场效应管(M6)的源极接电源，第七场效应管(M7)栅极作为第一运算放大器的反相输入端与输入信号连接，第五场效应管(M5)漏极和第七场效应管(M7)漏极连接作为第一运算放大器的输出端与第一场效应管(M1)的栅极相连，第八场效应管(M8)栅极作为第一运算放大器的同相输入端与第一场效应管(M1)的漏极相连，第七场效应管(M7)源极和第八场效应管(M8)源极与第九场效应管(M9)漏极相连。

4.根据权利要求3所述的电压—电流转换电路，其特征在于：所述第二运算放大器(AMP2)由第十至第十六场效应管(M10-M16)构成，第十三场效应管(M13)漏极、第十场效应管(M10)栅极与第十一场效应管(M11)的栅极和漏极相连，第十场效应管(M10)源极和第十一场效应管(M11)的源极接电源，第十二场效应管(M12)源极和第十三场效应管(M13)源极与第十四场效应管(M14)漏极相连，第十四场效应管(M14)源极接地，栅极接输入电流，第十场效应管(M10)和第十二场效应管(M12)漏极相连作为第二运算放大器的输出端与第十六场效应管(M16)栅极相连；第十六场效应管(M16)的漏极接电源，第十六场效应管(M16)的源极和第十五场效应管(M15)漏极相连构成第二运算放大器(AMP2)输出端的电平转移级，并与第四场效应管(M4)栅极相连，第十五场效应管(M15)栅极接输入电流，第十五场效应管(M15)源极接地。

5.根据权利要求4所述的电压—电流转换电路，其特征在于：所述第四场效应管(M4)漏极接输出端，第四场效应管(M4)源极和第三场效应管(M3)的漏极相连并与第十二场效应管(M12)栅极连接，第一场效应管(M1)源极、第二场效应管(M2)的栅极和漏极、第三场效应管(M3)栅极相连并与第十三场效应管(M13)栅极连接，第二场效应管(M2)的源极和第三场效应管(M3)的源极接电源。

6.根据权利要求5所述的电压—电流转换电路，其特征在于：所述第二运算放大器的偏置电压由第十七场效应管(M17)提供，第十七场效应管(M17)的栅极和漏极接输入电流，源极接地。

7.根据权利要求6所述的电压—电流转换电路，其特征在于：所述第一运算放大器的同相输入端和输出端连接有第一电容(C1)。

8.根据权利要求7所述的电压—电流转换电路，其特征在于：所述第九场效应管(M9)源极接地，栅极接输入电流，为第一运算放大器提供偏置电流。

Images