TW595078B - Spannungs-strom-wandler - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595078 A7 __ B7__ 五、發明說明（1 ) 本發明涉及一種電壓-電流-轉換器，其具有第一電流 鏡，此電流鏡之二個電晶體之構造須在相同之控制情況 下使用流經第一電晶體之電流較流經第二電晶體之電流 還大一預定之倍數，第二電流是由電壓-電流-轉換器之 輸出電流。 電壓-電流-轉換器在先前技藝中已爲人所知且可使輸 入電壓轉換成一種成比例之輸出電流。這對電壓控制之 振盪器（稱爲VC0)而言在鎖相回路（簡稱爲PLL)中是需要 的。 本文開頭所述之習知之電壓-電流-轉換器顯示在第2圖 中。其具有一個電流鏡1 〇，此電流鏡1 〇具有二個自我堆 止之η-通道- MOSFETs 12，14。此電流鏡10經由一個串聯 電阻而被程式化，此串聯電阻是與第一電晶體1 2之汲極 端串聯而連接至輸入電壓UE且可決定第一電晶體1 2之汲 極電流I 1 2，其是此電流鏡1 0之輸入電流I E。 此二個電晶體12，14之閘極端互相連接且與第一電晶 體1 2之汲極端相連接，使此二個電晶體1 2，1 4可同時被 控制。第一電晶體1 2之源極端位於接地電位處。第二電 晶體1 4之源極端亦接地。此電壓-電流-轉換器之輸出電 流Ια可在電晶體14之汲極端測得。 電流鏡 10 已揭示在 Book SEI FART，MANFRED，11 Anal oge Schaltungen-5 0 Auflage" ， 1996 ， Verlag Technik GmbH，Berlin，DE(ISBN 3 - 341 - 0 1 1 75 - 7 )，BiId 6.21 中。依據第2圖，在習知之電壓-電流-轉換器中該文件所 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 裝--------訂---------· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 了項再填你 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595078 A7 ^_E___ I、發明說明（2 ) 示之電路之不同處是：在電源電壓Vdd之位置處之此輸入 電壓UE連接至該串聯電阻1 6。輸入電壓UE因此依據該串 聯電阻1 6之電阻値而與輸入電流Ie成比例。 由於電晶體1 2，1 4操作在飽和區中，則其各別之汲極 電流Ιι2，Im互相成比例。此種比例可簡易地選取電晶體 1 2，1 4之幾何大小來決定。若各電晶體1 2，1 4之其餘之 參數，例如，通道//。中電荷載體之表面移動性，每單位 面積C〇x之聞極電容及臨限（t h r e s h ο 1 d )電壓Ut都相同時 。在此種情況下此二種汲極電流112和I μ滿足： Ιμ/112— β \Α / β 12 其中/3=W/L，即，通道寬是W且通道長度是L之電晶體之 幾何比（r a t i 〇 )。 若第一電晶體12及第二電晶體14之佈局（layout)在晶 片上之幾何尺寸是使/9 12二1 0 · /9 14 (此時例如第一電晶 體12之通道是與第二電晶體14之通道一樣長，但通道寬 度是第二電晶體14者之10倍），則112 = 10 · Im。 在此種情況下，由於先前所述之此種在輸入電壓UE及 輸入電流IE= 112之間之比例關係，則第二電晶體14之汲 極電流114(其是習知之電壓-電流-轉換器之輸出電流IA) 是與輸入電壓Ue成比例。 由於在上述之鎖相回路之應用情況中此輸入電壓UE大 部份在2伏和5伏之範圍中且所期望之輸出電流IA應該在 數個奈安培（10-9A)之範圍中，則該串聯電阻16須具有數 百萬（106) Ω之電阻値。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------I I --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595078 A7 B7 1 · 五、發明說明（3 ) 但此種大小之電阻値在積體電路中需要很大之面積， 這是一種很大之缺點，這是因爲積體電路之成本主要會 受到面積需求所影響。 本發明之目的是提供一種上述形式之電壓-電流-轉換 器，其所需之面積較小。 此目的以下述方式達成： -設置第二電流鏡，其具有二個電晶體， -此二個電流鏡串聯至電壓源，使二個第一電晶體及二 個第二電晶體分別互相串聯， -設置一個M0SFET，其串聯至第一電流鏡之第一電晶體 且以其閘極端連接至輸入電壓。 因此，在此種電壓-電流-轉換器中不需目前習知之電 壓-電流-轉換器中所需之串聯電阻16，且由於現在所設 置之MOSFET在1C中所具有之面積較電阻小很多，則可大 大地節省面積，雖然所設置之組件數目較習知之電壓-電 流-轉換器者還多。 爲了簡單地說明此種電壓-電流-轉換器之作用方式， 以下假設：第二電流鏡中該二個電晶體相同，這表示： 在相同之控制方式時同樣大之電流流經此二個電晶體， 且倍數是1 ◦。 若只考慮第一電流鏡，則在相同控制方式中流經該二 個電晶體之電流是不同大小的，正確而言，流經第一電 晶體之電流等於流經第二電晶體之電流之10倍。換言之 ，第一電晶體所具有之電導値是第二電晶體之電導値之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------^裝---------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595078 A7 ___B7___ 五、發明說明（4 ) 10倍。 但第一電流鏡不是單獨存在的，而是與第二電流鏡串 聯而連接至電源電壓，其就像輸入電壓一樣大部份是在2 至5伏（V)之間，其中此二個第一電晶體及該二個第二電 晶體分別互相串聯且因此形成此電壓-電流-轉換器之輸 入電流路徑或輸出電流路徑。第二電流鏡之二個相同之 電晶體之作用是：使相同大小之電流流經第一電晶體之 二個不同之電晶體，但由於此二個電晶體之電導値此處 保持不變，則第一電晶體上有一種電壓降，其只有第二 電晶體上之電壓降之十分一。其餘電壓（即，此二個電壓 之差）最後下降在此種與第一電晶體串聯之MOSFET上而成 爲此MOSFET之汲極-源極-電壓。 此種汲極-源極-電壓保持接近定値之狀態且例如是 60mV。此値就先前所述之介於2和5伏之間之輸入電壓之 範圍而言是夠的，此値小於MOSFET之閘極-控制電壓（即 ，施加至MOSFET之閘極-源極-電壓（其是由輸入電壓所形 成）及此MOSFET之臨限（threshold)電壓之間之差）。因此 ，此MOSFET在很大之反相區（Inversion)中操作，使其處 於輸出特性之電阻區中，此種區亦稱爲"線性區"或”主動 區'·。 在電阻區中此汲極電流幾乎與汲極-源極-電壓成比例 。由於此種比例，則一種電阻値或電導値可對應於此 MOSFET之通道。此種電導値是正比於閘極-控制電壓。輸 入電壓之放大（閘極-控制電壓因此亦放大）可使電導値成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A9· ^--------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595078 A7 ______ B7____ 五、發明說明（5 ) 比例地放大（汲極電流因此亦放大）。由於汲極電流用來 對第一電流鏡進行程式化，則流經第二電晶體之電流（其 形成此電壓-電流-轉換器之輸出電流）同樣成比例而放大 ，但所保持之倍數只有此種流經第一電晶體之電流之十 分之一。輸出電流因此比例於輸入電壓，就像其由電壓-電流-轉換器所預期者一樣。 本發明之有利之形式描述在申請專利範圍各附屬項中。 較佳之設計方式是：第一電流鏡具有第三電晶體，其 連接至接地電位，此時只有此種流經第三電晶體之電流 (不是流經第二電晶體之電流）才是此電壓-電流-轉換器 之輸出電流。第三電晶體因此是一種耦[出（c ο II p 1 e d 〇 u t ) 電晶體，使輸入電壓未受到輸出電流所造成之負載。因此 此可使此電壓-電流-轉換器達成一種較大之輸入電阻。 此外，利用此種第三電晶體可使輸出電流校準至所期望 之大小而與第二電晶體無關。 其它較佳之設計方式是：在第二電流鏡中使流經第一 電晶體之電流等於流經第二電晶體之電流。這樣可使此 電路及佈局之設計簡化。 較佳之其它設計方式是：第一電流鏡中第一電晶體和 第二電晶體操作在較小之反相區（Inversion)中。汲極-源極-電壓因此可在大數十倍之範圍中保持定値，使此電 壓-電流·轉換器之準確度得以改良。 本發明之較佳之實施例以下將依據圖式來描述。 圖式簡單說明： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Γ^ — h-----訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 595078 A7 •^_- 五、發明說明（6 ) 第1圖較佳實施形式之電壓-電流-轉換器之連接圖。 第2圖習知之電壓-電流-轉換器之連接圖。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第1圖是較佳實施形式之電壓-電流-轉換器之連接圖’ 其包括：第一電流鏡18，第二電流鏡20和MOSFET 22。 在本實施形式中，此MOSFET 22具有一種自動截止之η-通 道，其源極端處於接地電位處，此電壓-電流-轉換器之 輸入電壓Ue是施加在鄰閘極端且因此而形成軸極·源極-電壓Ucs。 所示之第一電流鏡18具有三個電晶體24，26，28，其 在所示之實施形式中同樣是自動截止之η-通道-MOSFETs ，其操作在飽和區中，其閘極端互相連接且與第一電晶 體24之汲極端相連接，使全部之三個電晶體24，26，28 都受到相同之控制。第一電晶體24之源極端是與M0SFET 22之汲極端相連接，使第一電晶體24和M0SFET 22串聯。 第二電晶體26之源極端接地。第三電晶體28之源極端亦 接地且在其汲極端測得此電壓-電流-轉換器之輸出電流 Ια。第一電流鏡18因此可藉由M0SFET 22之通道電阻而被 程式化。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 所示之第二電流鏡20具有二個電晶體30，32，其在所 示之實施形式中是自動截止之Ρ-通道-MOSFETs，其在飽 和區中操作，其閘極端互相連接且與第三電晶體32之汲 極端相連接，使此二個電晶體30，32可同樣接受到控制 。其源極端位於電源電壓Udd處。第一電晶體30之汲極 端是與第一電流鏡丨8之第一電晶體24之汲極端相連接， -8· ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595078 A7 -------B7__ 五、發明說明（7 ) 第二電晶體32之汲極端是與第一電流鏡1 〇之第二電晶體 26之汲極端相連接，使此二個第一電晶體24，30和此二 個第二電晶體26，32分別互相串聯而連接至電源電壓 Udd ° 在較佳之實施形式中，第一電流鏡18中須形成三個電 晶體24，26，28，以便在相同之控制條件下此流經第一 電晶體24之汲極電流124較此種流經第二電晶體26之汲 極電流126還大一預定之第一倍數Κι且較此種流經第三電 晶體28之汲極電流128逗大一預定之第二倍數Κ2。換言之 ’第一電晶體24具有一種通道電導値G24’其是第二電晶 體26之通道電導値〇26之Κ!倍且是第三電晶體28之通道電 導値G28之K2倍。這在其餘參數相同時可簡單地藉由適當地 選取此三個電晶體24，26，28之幾何大小來達成，使 其幾何比（ratio)々24，万26，/328符合上述之比例關係 。因此：

Kl = \ 2Α I \ It = QlA I Qlt = β 2Α / β 26 及 Κ2 — 124/128 = G24/G28= β 2Α I β 28 此外，在此種較佳之實施形式中在第二電流鏡20中此 二個電晶體30，32依上述槪念而以相同方式構成，使得 在相同控制條件時此和流經第一電晶體30之汲極電流13 等於此種流經第二電晶體32之汲極端電流鏡132。因此， 其通道電導値G3。，G32是相同，這在其餘之參數相同時 可簡易地藉由適當地選取此二個電晶體30，32之幾何大 -9_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮) ^--------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 595078 A7 B7____ 五、發明說明（8 ) 小來達成，使其幾何此/3 3〇，/3 3 2相同。 以下將描述上述電壓-電流-轉換器之作用方式。由電 源電壓Udd經由第二電流鏡20之第一電晶體30，第一電流 鏡18之第一電晶體24以及MOSFET 22而至接地電位所形 成之路徑稱爲此電壓-電流-轉換器之"輸入電流路徑"，而 由電源電壓Udd經由第二電流鏡20之第二電晶體32及第一 電流鏡1 8之第二電晶體26至接地電位所形成之路徑稱爲 此電壓-電流-轉換器之"輸出電流路徑"。 第二電流鏡20具有相同電晶體30，32之目的是：使輸 入電流路徑中之電流Ie與輸出電流路徑中之電流相等 。但在第一電流鏡1 8中此種相等之電流Ie，I!依據等式 U=R-I= I/G會在第一電晶體24上形成一種電壓降U24， 其依據上述之電導比例K, = G24/ G26較此種經由第二電 晶體26上之電壓降U26還小。因此，

Kl= U26/U24 由於此二個電流路徑由電源電壓Udd至接地電位而平行 地延伸，則其上之總電壓降是Udd。在輸出電流路徑中因 此：

Udd — U32 + U26 反之，在輸入電流路徑中，雖然U30= U32，由於U24< U20，因此 U30 + U24 < Udd 但在接地之前仍存在著MOSFET 22，其餘之電壓下降在 MOSFET 22上而成爲其汲極-源極-電壓Uds，因此， -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 595078 A7 B7 五、發明說明（） 第二電流鏡20之電晶體30，32未必相同，它們可類似 於第一電流鏡1 8之電晶體24，26，28 —樣而相差一種倍 數。 此外，此二個電流鏡18，20之電晶體24，26，28，30 ’ 32之形式（Type)不限於上述之M〇S-FETs，反之，它們 可爲不同極性及/或摻雜度之MOSFETs，但亦可爲JFETs 或雙載子電晶體。 符號之說明 18,20......電流鏡 22.......金氧半-場效電晶體 24,26,28,30,32 .....電晶體 I!，Ia，Ie...電流

Ue.......輸入電壓

Udd......電源電壓 -----------裝--------訂---------. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公髮）

Claims (1)

1. 595078 第 儀 j 本 案 正 後 是 否 變 更 貧 寶 内 t 申請專利範圍 90 1 03 23 1號「電壓-電流-轉換器」專利案 (92年4月修正） 申請專利範圍： 1. 一種電壓-電流-轉換器，其包含： -第一電流鏡（1 8 )，其具有二個電晶體（2 4，2 6 )， 此二個電晶體之構造方式是：在相同之控制情況 時須使流經第一電晶體（2 4 )之電流較流經第二電 晶體（26 )之電流（I 1 )大一預定之倍數（K 1 )，此電 流（I 1 )是此電壓-電流-轉換器之輸出電流，其特 徵爲： -設有第二電流鏡（20)，其具有二個電晶體（30，32); -此二個電流鏡（1 8，20 )以串聯方式連接至電源電 壓（UDD )，使二個第一電晶體（24，26 )和二個第二 電晶體（30，32)分別互相串聯； -設有MOSFET( 22 )，其串聯至第·電流鏡（1 8 )之第 …-電晶體（24 )且以其閘極端連接至輸入電壓（UE) 〇 2. 如申請專利範圍第1項之電壓-電流-轉換器，其中 第二電流鏡（20 )中此種流經第一電晶體（30 )之電流 等於此種流經第二電晶體（32 )之電流。 3. 如申請專利範圍第1或第2項之電壓-電流-轉換器 ，其中第一電流鏡（1 8 )中第·一電晶體（24 )和第二電 晶體（26)操作在輕微之反相（Inve hi on)區中 595078