一种对数运放的电流转换电压缓冲器的制作方法

本发明涉及一种电流信号转电压信号的器件，尤其涉及一种应用于对数运放中对动态范围非常大的电流可进行瞬态阶跃响应的电流转换电压缓冲器。

背景技术：

随着电子应用科技的日新月异，作为硬件基础的顺势发展，其中微电子方面也在不断层出的技术问题中不断突破、发展。在诸多应用系统的微电子设计中，尤其是通信领域发展的光电转换硬件基础上，信号转换后输入微电子系统的通常是动态范围非常大的电流，而为进行进一步的系统运算需要将其转换为电压信号。现有传统方案大都采用运算放大器组合三极管的架构实现i转v的信号转换。然而，传统的多种架构在可实现所需功能并具有一定优点的基础上又不可避免地存在着诸多不足。

如图1所示，是一种传统此类架构的电路结构示意图。图示可见，运算放大器的正极输入端接固定偏置，运算放大器的负极输入端接动态波动的输入电流，运算放大器的负极输入端与输出端之间直连偏置三极管，即三极管的基极和集电极短接。该种结构下虽然电路运行稳定性可靠，但由于输入端口寄生电容较大，则输入电流的响应较慢，尤其针对输入电流达到微量级的情况响应速度难以达到理想程度。

如图2所示，是另一种传统此类架构的电路结构示意图。与图1所示电路结构相同的部分省略描述，区别在于运算放大器的负极输入端与输出端之间所接入的并非偏置三极管，而是普通三极管和外接的辅助偏置电路，且三极管的基部接另一个控制要求更高的固定偏置vbias_b。该种结构下虽然输入端口寄生电容被压制得很小，输入小电流阶跃响应速度较快，但为防止输入电流过小而出现瞬态响应中断的情况，需要额外电路辅助实现稳定性，整体电路较复杂。

综上分析，对于动态范围非常大的输入电流，尤其是可能微小至na量级的，如何协调瞬态阶跃响应速度和电路稳定性两方面，并不增加电路复杂程度，已成为本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的旨在提出一种对数运放的电流转换电压缓冲器，以解决现有多种传统结构均客观存在无法忽视的缺点、影响整体电路性能的问题。

本发明实现上述目的的技术解决方案是，一种对数运放的电流转换电压缓冲器，其中运算放大器的正极输入端接固定偏置，运算放大器的负极输入端接动态波动的输入电流，运算放大器的输出端输出电压，其特征在于：所述运算放大器的负极输入端与输出端之间接设有一组i转v的主三极管和一组偏置三极管构成的闭环，其中所有三极管的集电极接入运算放大器的负极输入端，所有三极管的发射极接入运算放大器的输出端，主三极管的基极接入与运算放大器所接入相一致的固定偏置。

优选的，所述偏置三极管为自身基极与集电极相短接的器件。

优选的，所述主三极管和偏置三极管的数量总和与输入电流的范围成正比设置。

进一步优选的，主三极管的数量占比大于偏置三极管的数量占比。

优选的，所述输入电流小至na量级。

应用本发明的电路结构改良设计，具备突出的实质性特点和显著的进步性：该缓冲器整体电路由三极管构成、整体架构简单；而且电路大幅降低了三极管be结的寄生电容的影响，对于输入小电流的阶跃响应速度显著提升，并且兼顾了电路的稳定性。

附图说明

图1是电流转换电压缓冲器一种传统电路的结构示意图。

图2是电流转换电压缓冲器另一种传统电路的结构示意图。

图3本发明电流转换电压缓冲器创新设计的电路结构示意图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定。

本发明设计者针对现有技术对数运放的电流转换电压缓冲器传统结构的不足，综合多年从事本行业之经验，致力于对该电路性能全方位优化寻求突破，满足动态范围非常大且下限极低的输入电流的稳定转换。

为更具象化地理解，如图3所示的本发明对数运放的电流转换电压缓冲器之实施例电路结构示意图可见，该缓冲器的电路结构中，运算放大器的正极输入端接固定偏置vbias，运算放大器的负极输入端接动态波动的输入电流，运算放大器的输出端输出电压。其中该输入电流的动态范围非常大，介于na量级~ma量级，而赖以实现电流转换电压的是三极管的特性。本设计的特征电路结构即为，该运算放大器的负极输入端与输出端之间接设有一组数个i转v的主三极管和一组数个偏置三极管构成的闭环，其中所有三极管的集电极接入运算放大器的负极输入端，所有三极管的发射极接入运算放大器的输出端，主三极管的基极接入与运算放大器所接入相一致的固定偏置vbias，而所谓偏置三极管即为自身基极与集电极相短接的器件。

由于主三极管的基极电压被固定偏置vbias所钳制，上述闭环的寄生电容仅存在于偏置三极管中。因此对于电流输入端而言，即使输入电流极小，也能实现对寄生电容的快速充放电，瞬态阶跃响应快。

此处，主三极管和偏置三极管的数量总和与输入电流的范围成正比设置，即输入电流的动态范围区间越大，所需的三极管总数相对较多，反之则相对较少。而且，其中仅非常小比例的三极管的基极和集电极短接作为偏置三极管，以此提高整个电路的稳定性。其中绝大部分的主三极管的基极偏置电压与运算放大器所接入的固定偏置相一致，主导负责响应输入电流并转换成电压。需要说明的是，图3中所示的主三极管和偏置三极管仅为代表性示意，其实际可以是多个三极管的并联。

例如，对于输入电流的动态范围在μa量级~ma量级的情况，上述运算放大器的负极输入端与输出端之间接可以设有5~10个i转v的主三极管和1个偏置三极管构成闭环，即可满足整个电路的所需性能，其中主三极管负责不同大小的输入电流转换成电压输出，而偏置三极管负责保持电路稳定性，即使输入电流在动态范围的下限，仍可避免发生瞬态响应中断。

对于输入电流的动态范围在na量级~ma量级的情况，则上述运算放大器的负极输入端与输出端之间可接设有18个i转v的主三极管和2个偏置三极管构成闭环，即可满足整个电路的所需性能。同理实现电流转换成电压输出，仅略微增加偏置三极管数量，以实现对寄生电容的进一步压缩，满足电路设计所需。

综上结合图示的实施例详述，应用本发明的电路结构改良设计，具备突出的实质性特点和显著的进步性：该缓冲器整体电路由三极管构成、无需接设额外的偏置电路，整体架构简单；而且电路大幅降低了三极管be结的寄生电容的影响，对于输入小电流的阶跃响应速度显著提升，并且兼顾了电路的稳定性。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明揭示了一种对数运放的电流转换电压缓冲器，其中运放的正极输入端接固定偏置，运放的负极输入端接动态波动的输入电流，运放的输出端输出电压。特别地，该运放的负极输入端与输出端之间接设有一组I转V的主三极管和一组偏置三极管构成的闭环，其中所有三极管的集电极接入运放的负极输入端，所有三极管的发射极接入运放的输出端，主三极管的基极接入与运放所接入相一致的固定偏置。应用本发明该技术设计的缓冲器，其整体电路由三极管构成、整体架构简单；而且电路大幅降低了三极管BE结的寄生电容的影响，对于输入小电流的阶跃响应速度显著提升，并且兼顾了电路的稳定性。

技术研发人员：石传波
受保护的技术使用者：思瑞浦微电子科技（苏州）股份有限公司
技术研发日：2019.04.04
技术公布日：2019.07.19