用于将电流信号转换成电压信号的电子电路.pdf

本发明涉及一种用于将电流信号Isignal转换成电压信号Vout的方法和电子电路，包括：一个第一电阻器Rgain和一个第二电阻器Rconversion，基于施加到第一电阻器上的基准电压Vreference来产生一个第一电流Igain的装置(2)，用于生成第二电流的装置(3，4)，其中第二电流的大小是基于第一电流与电流信号相乘的大小来确定的，通过将第二电流施加到第二电阻器上来产生电压信号的装置(5)。

1.  一种用于将电流信号(Isignal)转换成电压信号(Vout)的电子电路，包括：
-一个第一电阻器(Rgain)和一个第二电阻器(Rconversion)，
-根据施加到第一电阻器上的基准电压(Vreference)来产生第一电流(Igain)的装置(2)，
-用于生成第二电流的装置(3，4)，其中第二电流的大小是基于第一电流与电流信号相乘的大小来确定的，
-用于将第二电流施加到第二电阻器，以便产生电压信号的装置(5)。

2.  权利要求1的电子电路，所述用于生成的装置包括：
-用于使第一电流与一个基准电流(Ireference)相除，以便确定一个第一参数(Igain/Ireference)的装置(3)，
-用于将电流信号与第一参数相乘，以便产生第二电流的装置(4)。

3.  权利要求1的电子电路，所述用于生成的装置包括：
-用于使电流信号与一个基准电流相除，以便确定一个第一参数(Isignal/Ireference)的装置(3)，
-用于将第一电流与第一参数相乘，以便产生第二电流的装置(4)。

4.  权利要求1、2或3的电子电路，用于生成第一电流的装置包括电流反射镜装置(6)。

5.  根据前述权利要求1～4中任何一个权利要求的电子电路，用于生成第二电流的装置包括：
-一个双极性晶体管(Q3，Q4)的差分对，
-用于将差分的基极-发射极电压施加到双极性晶体管的差分对的装置(Q1，Q2，Q5，Q6)，所述差分电压是第一电流被基准电流除后的对数函数。

6.  权利要求5的电子电路，其中双极性晶体管差分对的仅一个集电极电流与该第二电阻器相耦合。

7.  权利要求5的电子电路，其中双极性晶体管差分对的两个集电极电流全都与第二电阻器中相应的电阻器相耦合，以便产生一个差分电压信号。

8.  前述权利要求1～7中任何一个权利要求的电子电路，包括基于最大电流信号、最小电流信号、平均电流信号或是电流信号的RMS来提供基准电流的装置。

9.  权利要求8的电子电路，其中用于提供基准电流的装置被适配成基于当前视频信号的黑色信号分量来提供基准电流。

10.  前述权利要求1～9中任何一个权利要求的电子电路，还包括对用于电流信号的输入线路进行时分复用，以便提供一个时分复用的基准电流的装置。

11.  前述权利要求1～10中任何一个权利要求的电子电路，其中所述电子电路是一个集成电路并且第一和第二电阻器被集成在所述集成电路中。

12.  一种用于将电流信号转换成电压信号的方法，包括以下步骤：
-通过将基准电压施加到第一电阻器来产生一个第一电流，
-产生一个第二电流，所述第二电流的大小是基于第一电流与电流信号相乘的大小来确定的，
-将第二电流施加于第二电阻器，以便产生电压信号。

13.  权利要求12的方法，其中产生第二电流的步骤包括以下步骤：
-使第一电流与一个基准电流相除，以便确定一个第一参数，
-使该电流信号与第一参数相乘，以便产生第二电流。

14.  权利要求12的方法，其中用于产生第二电流的步骤还包括：
-使该电流信号与一个基准电流相除，以便确定一个第一参数，
-使第一电流与第二参数相乘，以便产生第二电流。

15.  权利要求12、13或14的方法，还包括基于电流信号的最大值、电流信号的最小值、电流信号的平均值或是电流信号的RMS值来提供基准电流。

16.  前述权利要求12～15中任何一个权利要求的方法，还包括通过对用于电流信号的输入线路进行时分复用来提供基准电流。

用于将电流信号转换成电压信号的电子电路
发明领域
本发明涉及的是将电流信号转换成电压信号的领域，尤其涉及使用集成电阻器来进行电压-电流的转换。
背景和现有技术
从现有技术中可以了解到集成电阻器的多种制造方法。较为便利的是在与剩余集成电路相同的工序中制造这些电阻器。因此，制造电阻器的确切方式取决于使用何种工艺来制造集成电路。
集成电路通常是使用那些在半导体基底上形成的多晶硅电阻器制造的。这种电阻器通常具有一个由掺杂多晶硅形成的电阻器主体，并且具有通常通过场氧化层中的触点而与电阻器主体的对端相耦合的金属引线。这些触点连接到金属的相互连接线路。电阻器主体则可以与多晶硅晶体管门电极同时形成，这种电阻器主体通常掺有杂质并置于场氧化层上。
需要无源电阻器的集成电路经常具有关于这些电阻器器的阻值的紧密度容限(tight tolerance)。然而，这些现有技术的半导体电阻器易经受阻值变化。而这些电阻器的阻值变化源则包含了使物理尺寸或电阻率之类的电阻器特性产生物理变化的工艺波动以及温度上的变化。温度变化源可以是在电阻器自身的外部，也可以因为与功率耗散相关的自热效应而在电阻器的内部。随着电阻器温度的改变，电阻器的阻值也会发生变化。
用于将半导体电阻器(由半导体材料形成的电阻器)的电阻温度系数(TCR)所导致的电阻变化效应减至最小的一般现有技术方法是将电阻器主体中的掺杂浓度提高到一个足够高的水平，使得电阻器主体的TCR处在最小。然后以那些使得电阻器头电阻只占电阻器主体电阻一小部分的大小来构造所述电阻器。这样一来，电阻器头TCR对总的电阻器温度特性几乎没有影响。
在US6,333,238中显示了一种相应的集成电路，该电路具有一个温度系数最小化的集成电阻。从US6,329,262中则可以了解到另外一种用于制造带有集成电阻器的半导体集成电路的方法。
此外，将集成电阻器应用于数模转换器同样是已知的。US5,604,501显示了一个数模转换器，其中包括一个在电阻器接合处以及电阻器-电位接合处都具有中间抽头的电阻器串。开关晶体管耦合在相应的中间抽头与一个输出节点之间。解码电路能够同时将至少两个晶体管切换到导通状态，以便将一个以上的中间抽头电耦合到输出节点，从而产生至少一个模拟输出。在这里一行选择线路可以与至少两列选择线路同时被激励。作为选择，也可以使至少两行选择线路与一列选择线路同时被激励。
US6,278,393显示了一个包含数模转换器的集成电路，在这个数模转换器中将电阻器串适配成与一个基准源相耦合。所述电阻器串包含了在其接合处定义了中间抽头的多个串联耦合的阻抗。在第一输出节点与那些相应的中间抽头之间则耦合了多个第一开关。
第一选择电路接收第一数字编码的信号并与第一多个开关中的各个开关相耦合。第一选择电路依照向其提供的第一数字编码的信号，而有选择地将第一多个开关切换到预定状态，以便产生一个第一模拟输出。而在第二输出节点与相应的中间抽头之间则耦合了第二多个开关。与第二多个开关中的各个开关相耦合的第二选择电路依照向其提供的第二数字编码的信号，而有选择地将第二多个开关切换到预定状态，以便产生一个第二模拟输出。
通常，集成电阻器的电阻容差在大约20％以内。具有高平方电阻的集成电阻器具有甚至更高的容差。而缺少一种制造具有精确阻抗值的集成电阻器的方法则限制了现有技术中的集成电阻器的使用范围。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种改进的电子电路，用于借助一个具有很高精度并且适合于单片集成的电阻器来将电流信号转换成电压信号。
本发明提供了一种用于将电流信号转换成电压信号的电子电路，包括：
-一个第一电阻器和一个第二电阻器，
-基于施加到第一电阻器的基准电压来产生第一电流的装置，
-产生第二电流的装置，其中第二电流的大小是基于第一电流与电流信号相乘的大小来确定的，
-用于将第二电流施加到第二电阻器，以便产生电压信号的装置。
在从属权利要求中给出了关于本发明地电子电路的更进一步的实施例。
此外，本发明提供了一种用于将电流信号转换成电压信号的方法，包括以下步骤：
-通过将基准电压施加到第一电阻器来产生一个第一电流，
-产生一个第二电流，这个第二电流的大小是基于第一电流与电流信号相乘的大小来确定的，
-将第二电流施加于第二电阻器，以便产生电压信号。
在从属权利要求中给出了关于本发明的方法的更进一步的实施例。
由于本发明允许借助第一和第二电阻器来将电流信号转换成电压信号，由此所述转换是以很高精度执行的，因此本发明是非常有利的。为了取得很高的精度，没有必要提供具有准确阻抗值的精密电阻器。
相反，依照本发明的转换的精度是由第一和第二电阻器的电阻值比率的精度来确定的。由于有可能毫无困难地制造一对具有精确电阻比的集成电阻器，因此上述处理使得本发明的电子电路尤其适合单片集成。
本发明的一个应用领域针对的是CMOS集成电路，例如带有模拟电流输出的处理器。举例来说，出于放大的目的，通常需要将这种模拟电流输出转换成一个电压。在处理器与后续放大级之间提供精密和费效合理的接口的问题是借助本发明来加以解决的。

附图简述
图1显示的是依照本发明的电子电路的第一实施例的框图，
图2显示的是依照本发明的电子电路的第二实施例的框图，
图3显示的是用于产生图1和2的实施例中的电路Igain的框图，
图4显示的是图1电子电路的详细实施例，
图5显示的是图2电子电路的详细实施例，
图6到9显示的是在图1和2的实施例中进行电压转换的多个详细的实施例。
详细说明
图1显示的是用于将电流信号Isignal转换成电压信号Vout的电子电路1的框图。电子电路1具有两个集成电阻器Rgain和Rconversion。一个基准电压Vreference被提供给电子电路1或者是在电子电路1内部产生。借助于基准电压Vreference和集成电阻器Rgain，而在电子电路1的块2中产生电流Igain。电流Igain与Vreference除以Rgain所得到的商相等。
电流Igain被提供给除法器3。此外一个基准电流Ireference也被提供给除法器3。提供者3的用途是将电流Igain与基准电流Ireference相除。而所得到的电流Igain/Ireference被提供给乘法器4。此外要转换的电流信号Isignal被施加到乘法器4。乘法器4提供一个输出电流，该电流的大小是基于电流信号Isignal以及电流Igain与基准电流Ireference相除的大小来确定的。在这里所考虑的实例中，乘法器4提供的输出电流是Isignal与Igain除以Ireference后的乘积。
乘法器4的输出电流提供到电子电路1中包含了集成电阻器Rconversion的块5。块5用来将乘法器4的输出电流转换成电压信号Vout。这个操作是通过将乘法器4的至少一部分输出电流施加到集成电阻器Rconversion来完成的。结果，电压信号Vout将会如下所示：
Vout = Isignal Ireference Vreference Rconversion Rgain N ]]>
其中N是一个常数并且取决于实施配置。对N来说，较为便利的选择是N＝1/2或N＝1。
从以上公式中可以明显看出，电压信号Vout的值并不取决于Rgain和Rconversion的绝对值，而是取决于Rconversion和Rgain的比率。因此，即使Rgain和Rconversion的电阻绝对值可能存在很大的容差，也能以较高的精度来产生Rgain和Rconversion的电阻比率，这样一来，即使使用集成电阻器，也能以较高精度实现本发明中电流到电压的转换。
图2显示的是电子电路1的一个替换实施例，其中同样的元件是用与图1实施例中的元件相同的参考数字来表示的。
在图2的实施例中，电流信号Isignal被施加于除法器3，以及基准电流Ireference也被施加于该除法器。除法器3提供的输出是Isignal/Ireference。这个值被输入到了乘法器4。
此外，乘法器4接收来自块2的电流Igain。在乘法器4中，这个电流Igain与Isignal/Ireference相乘。乘法器4输出Igain与Isignal被Ireference除后的乘积。
乘法器4的输出被提供到块5，以便以与图1实施例相同的方式来进行电流到电压的转换。
图3显示的是图1和2的实施例中的块2的一个详细实施例。基准电压Vreference可以从外部施加于电子电路1，也可以在电子电路1内部产生。基准电压Vreference被施加于集成电阻器Rgain上。电阻器Rgain的一个端子与接地的电流反射镜6相连。由此获取了电流Igain。
图4显示的是图1电子电路的一个更详细的实施例。电流信号Isignal是借助双极性晶体管Q3和Q4的差分对来分离的。差分的基极-发射极电压则是从包含晶体管Q1、Q2、Q5和Q6的电路装置提供到双极性晶体管Q3和Q4的差分对的。
晶体管Q1和Q2的基极与一个公共电位相耦合，该公共电位也为Q1和Q2的集电极所共有。基准电流Ireference被施加于这个公共电位。晶体管Q1的发射极与晶体管Q5的集电极相耦合。晶体管Q5的发射极则与Rgain相耦合。
晶体管Q2的发射极与晶体管Q6的集电极相耦合。晶体管Q6的发射极与另一个基准电压Vreference相耦合。
晶体管Q6的基极与晶体管Q1的发射极相耦合；晶体管Q5的基极则耦合到晶体管Q2的发射极。用于双极性晶体管Q3和Q4的差分对的差分基极-发射极电压则是在晶体管Q2的发射极与晶体管Q1的发射极的电位之间提供的。
图5显示的是一个与图2实施例对应的实施例。与图4的实施例相比，电流Isignal和Igain被互换。作为结果，是对电流Igain而不是对电流Isignal进行分离。电压Vin确定Q5的发射极上的输入电压。晶体管Q3和Q4的集电极支路中的所得到的电流与图4实施例中的相同。
图6显示的是一种借助集成电阻器Rconversion来将补偿电流信号转换成电压的方法。晶体管Q3和Q4的集电极支路(参看图4和图5)与电流反射镜7相连。电阻器Rconversion则连接在晶体管Q4的集电极电位与VDD之间，以便产生电压Vout。
图7显示的是带有反馈的图1和图2中的块5的一个实施例。为了提供反馈，在这里使用了一个运算放大器8来产生电压Vout。而电压基准Vx则连接到运算放大器8的非反相输入端。运算放大器8的反相输入端与晶体管Q4的集电极电位相耦合。此外，电阻器Rconversion耦合在运算放大器8的反相输入端与运算放大器8的输出端之间。
图8显示的是一个替换实施例，其中仅仅使用了一个集电极电流来进行所述转换。为此目的，在这里将电阻器Rconversion耦合在VDD与晶体管Q4的集电极电位之间，以便产生输出电压Vout。而这种处理与选择N＝1/2相对应。
图9显示的是用于生成差分输出电压Vout1和Vout2的另一个实施例。电阻器Rconversion耦合在VDD与晶体管Q3和Q4的集电极电位之间。差分电压Vout＝Vout1-Vout2可用于计算机监视器中的放大器输入或是需要差分输出电压的相似应用。
实质上，在这里有可能借助每个输入电流信号一条附加线路以及一条独立的线路来实施本发明，以便提供基准电流Ireference。对单声道音频信号来说，这意味着需要两条线路—一条用于电流信号Isignal，一条则用于基准电流Ireference。对立体声音频信号来说，需要一条用于附加音频信道的附加线路。就RGB视频的情形而言，除了用于基准电流Ireference的线路之外，还需要三条用于三个信道的信号线路。
可以提供一个差分输入，而不是在一条单独的线路上输入一个或多个信号电流以及所述基准电流。对单声道音频信号来说，这个操作可以通过在一条线路上提供信号Ireference-Isignal并在另一条线路上提供Ireference+Isignal来加以实施。同样，也可以为一条以上的信道实施这个操作。
作为选择，可以将输入线路数目限制成信道数目。换句话说，可以免除一条用于Ireference的独立线路。通过利用电流信号自身作为基础来形成基准电流Ireference，可以实现这个操作。也可以通过将Isignal的最大值、最小值、平均值或RMS用作一个基准来完成这个操作。例如对视频信号而言，可以使用每一个视频帧或行的黑色信号作为基准Ireference。
就超过一条信道的情况来说，可以使用一个或多个或者所有信道来形成基准电流Ireference。
作为另一种替换方案，通过对用于信号Isignal的输入线路进行时分复用而提供基准电流Ireference。在不止一条信道的情况下，可以使用一个或多个或所有信道来对基准电流进行时分复用。
参考数字列表
电子电路    1
块          2
除法器      3
乘法器      4
块          5
电流反射镜  6
电流反射镜  7
运算放大器  8