电压电流转换电路，以及电流反馈型仪表放大器的制作方法

1.本公开的实施例涉及集成电路技术领域，具体地，涉及电压电流转换电路，以及电流反馈型仪表放大器。


背景技术：

2.在精确电流检测应用中，一般要求：在高共模输入电压的基础上放大微弱的有用信号，因此需要用到仪表放大器，并且要求有很高的共模抑制比(cmrr)。通常的结构有两种。第一种结构是电压反馈结构的仪表放大器，即用电阻和运算放大器构成的放大器。这个结构的缺点是电阻的失配带来的失调电压很难消除掉，从而导致cmrr特性不好。第二种结构是电流反馈型仪表放大器，其将输入电压和反馈电压通过跨导级放大器转换成电流，再利用负反馈将两者抵消从而实现想要的确定增益。这种结构可以有很高的cmrr，但是缺点是线性度受到输入级跨导的限制，一般允许的最大输入差分电压为几十毫伏。对于差分输入电压达到几百毫伏的应用，这种结构很难适用。


技术实现要素：

3.本文中描述的实施例提供了一种电压电流转换电路，以及电流反馈型仪表放大器。
4.根据本公开的第一方面，提供了一种电压电流转换电路。该电压电流转换电路包括：第一输入电路、第二输入电路、分流电路、电荷泵电路、第一恒流源电路、第二恒流源电路、第三恒流源电路、第一输出电路、以及第二输出电路。其中，第一输入电路被配置为：根据来自第一输入电压端的第一输入电压生成第一跟随电压，并经由第一节点向分流电路的第一端提供第一跟随电压。第二输入电路被配置为：根据来自第二输入电压端的第二输入电压生成第二跟随电压，并经由第二节点向分流电路的第二端提供第二跟随电压。其中，第一跟随电压与第二跟随电压之间的电压差等于第一输入电压与第二输入电压之间的电压差。电荷泵电路被配置为：将共模电压升高预设电压值以生成第一电压，并经由第三节点向第一恒流源电路提供第一电压。其中，共模电压等于第一输入电压与第二输入电压之和的一半。第一恒流源电路被配置为：根据第一电压生成第一恒定电流，并经由第四节点向分流电路的第三端提供第一恒定电流。分流电路被配置为：将第一恒定电流分成第一分流和第二分流，经由第一节点向第一输出电路和第一输入电路提供第一分流，并经由第二节点向第二输出电路和第二输入电路提供第二分流。第二恒流源电路被配置为：根据来自电源电压端的电源电压生成第二恒定电流，经由第五节点向第三恒流源电路的第一端提供第二恒定电流，并经由第六节点向第三恒流源电路的第二端提供第二恒定电流。第三恒流源电路被配置为：生成第三恒定电流，经由第七节点向第一输入电路提供第三恒定电流与第二恒定电流之间的第一电流差，并经由第八节点向第二输入电路提供第三恒定电流与第二恒定电流之间的第一电流差。第一输出电路被配置为：根据第一分流与第一电流差来生成第一输出电流，并经由第一输出端输出第一输出电流。第二输出电路被配置为：根据第二分流与
第一电流差来生成第二输出电流，并经由第二输出端输出第二输出电流。
5.在本公开的一些实施例中，第一输入电路包括：第一晶体管。其中，第一晶体管的控制极耦接第一输入电压端。第一晶体管的第一极耦接第一节点。第一晶体管的第二极耦接第七节点。
6.在本公开的一些实施例中，第二输入电路包括：第二晶体管。其中，第二晶体管的控制极耦接第二输入电压端。第二晶体管的第一极耦接第二节点。第二晶体管的第二极耦接第八节点。
7.在本公开的一些实施例中，分流电路包括：第一电阻器、以及第二电阻器。其中，第一电阻器的第一端耦接第一节点。第一电阻器的第二端耦接第四节点。第二电阻器的第一端耦接第四节点。第二电阻器的第二端耦接第二节点。
8.在本公开的一些实施例中，第二恒流源电路包括：第一电流源、第二电流源、第三晶体管、以及第四晶体管。其中，第一电流源的第一端耦接电源电压端。第一电流源的第二端耦接第三晶体管的第一极。第二电流源的第一端耦接电源电压端。第二电流源的第二端耦接第四晶体管的第一极。第三晶体管的控制极耦接第一偏置电压端。第三晶体管的第二极耦接第五节点。第四晶体管的控制极耦接第一偏置电压端。第四晶体管的第二极耦接第六节点。
9.在本公开的一些实施例中，第三恒流源电路包括：第三电流源、第四电流源、第五晶体管、以及第六晶体管。其中，第三电流源的第一端耦接第七节点和第五晶体管的第一极。第三电流源的第二端耦接第二电压端。第四电流源的第一端耦接第八节点和第六晶体管的第一极。第四电流源的第二端耦接第二电压端。第五晶体管的控制极耦接第二偏置电压端。第五晶体管的第二极耦接第五节点。第六晶体管的控制极耦接第二偏置电压端。第六晶体管的第二极耦接第六节点。
10.在本公开的一些实施例中，第一输出电路包括：第七晶体管、以及第三电阻器。其中，第七晶体管的控制极耦接第五节点。第七晶体管的第一极耦接第三电阻器的第一端和第一输出端。第七晶体管的第二极耦接第一节点。第三电阻器的第二端耦接第二电压端。
11.在本公开的一些实施例中，第二输出电路包括：第八晶体管、以及第四电阻器。其中，第八晶体管的控制极耦接第六节点。第八晶体管的第一极耦接第四电阻器的第一端和第二输出端。第八晶体管的第二极耦接第二节点。第四电阻器的第二端耦接第二电压端。
12.在本公开的一些实施例中，第一恒流源电路包括：第五电流源。第五电流源的第一端耦接第三节点。第五电流源的第二端耦接第四节点。
13.根据本公开的第二方面，提供了一种电压电流转换电路。该电压电流转换电路包括：第一晶体管至第八晶体管、第一电阻器至第四电阻器、第一电流源至第五电流源、以及电荷泵电路。其中，第一晶体管的控制极耦接第一输入电压端。第一晶体管的第一极耦接第一电阻器的第一端和第七晶体管的第二极。第一晶体管的第二极耦接第五晶体管的第一极和第三电流源的第一端。第二晶体管的控制极耦接第二输入电压端。第二晶体管的第一极耦接第二电阻器的第二端和第八晶体管的第二极。第二晶体管的第二极耦接第六晶体管的第一极和第四电流源的第一端。第一电阻器的第二端耦接第二电阻器的第一端和第五电流源的第二端。第一电流源的第一端耦接电源电压端。第一电流源的第二端耦接第三晶体管的第一极。第二电流源的第一端耦接电源电压端。第二电流源的第二端耦接第四晶体管的
第一极。第五电流源的第一端耦接电荷泵电路的输出端。第三晶体管的控制极耦接第一偏置电压端。第三晶体管的第二极耦接第七晶体管的控制极和第五晶体管的第二极。第四晶体管的控制极耦接第一偏置电压端。第四晶体管的第二极耦接第八晶体管的控制极和第六晶体管的第二极。第三电流源的第二端耦接第二电压端。第四电流源的第二端耦接第二电压端。第五晶体管的控制极耦接第二偏置电压端。第六晶体管的控制极耦接第二偏置电压端。第七晶体管的第一极耦接第三电阻器的第一端和第一输出端。第三电阻器的第二端耦接第二电压端。第八晶体管的第一极耦接第四电阻器的第一端和第二输出端。第四电阻器的第二端耦接第二电压端。电荷泵电路被配置为：将共模电压升高预设电压值以生成第一电压，并从电荷泵电路的输出端输出第一电压，其中，共模电压等于来自第一输入电压端的第一输入电压与来自第二输入电压端的第二输入电压之和的一半。
14.根据本公开的第三方面，提供了一种电流反馈型仪表放大器，包括：根据本公开的第一方面或第二方面所述的电压电流转换电路。
15.在本公开的一些实施例中，电压电流转换电路被用在电流反馈型仪表放大器的输入信号的输入级和反馈信号的输入级。
附图说明
16.为了更清楚地说明本公开的实施例的技术方案，下面将对实施例的附图进行简要说明，应当知道，以下描述的附图仅仅涉及本公开的一些实施例，而非对本公开的限制，其中：
17.图1是根据本公开的实施例的电压电流转换电路的示意性框图；以及
18.图2是根据本公开的实施例的电压电流转换电路的示例性电路图。
19.在附图中，最后两位数字相同的标记对应于相同的元素。需要注意的是，附图中的元素是示意性的，没有按比例绘制。
具体实施方式
20.为了使本公开的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本公开的实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，也都属于本公开保护的范围。
21.除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开主题所属领域的技术人员所通常理解的相同含义。进一步将理解的是，诸如在通常使用的词典中定义的那些的术语应解释为具有与说明书上下文和相关技术中它们的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的形式来解释，除非在此另外明确定义。如在此所使用的，将两个或更多部分“连接”或“耦接”到一起的陈述应指这些部分直接结合到一起或通过一个或多个中间部件结合。
22.在本公开的所有实施例中，由于晶体管的源极和漏极(发射极和集电极)是对称的，并且n型晶体管和p型晶体管的源极和漏极(发射极和集电极)之间的导通电流方向相反，因此在本公开的实施例中，将晶体管的受控中间端称为控制极，将晶体管的其余两端分别称为第一极和第二极。本公开的实施例中所采用的晶体管主要是金属氧化物半导体
(metal oxide semiconductor，简称mos)晶体管。另外，诸如“第一”和“第二”的术语仅用于将一个部件(或部件的一部分)与另一个部件(或部件的另一部分)区分开。
23.为了提高电压反馈结构的仪表放大器的cmrr，通常需要通过修调(trim)其增益电阻来降低电阻的失配，这样会增加设计复杂度，并且对cmrr的提高有限。而对于电流反馈型仪表放大器，为了提高其线性输入范围，只能通过增大输入级的电流来实现。这样会增加电路功耗，并且提高的线性输入范围有限。
24.为了提高电流反馈型仪表放大器的线性输入范围，本公开的实施例提出了一种精确的电压电流转换电路。该电压电流转换电路可以用在电流反馈仪表放大器的输入信号的输入级和反馈信号的输入级，实现电压到电流的转换。在电流反馈仪表放大器中结合使用斩波技术可以得到低输入失调电压和很高的cmrr。
25.图1示出了根据本公开的实施例的电压电流转换电路100的示意性框图。电压电流转换电路100可包括：第一输入电路110、第二输入电路120、分流电路130、电荷泵电路140、第一恒流源电路150、第二恒流源电路160、第三恒流源电路170、第一输出电路180、以及第二输出电路190。
26.第一输入电路110可经由第一节点n1耦接分流电路130的第一端p1和第一输出电路180。第一输入电路110可经由第七节点n7耦接第三恒流源电路170的第三端p3。第一输入电路110还可耦接第一输入电压端vin-。第一输入电路110可被配置为：根据来自第一输入电压端vin-的第一输入电压vin-生成第一跟随电压，并经由第一节点n1向分流电路130的第一端p1提供第一跟随电压。
27.第二输入电路120可经由第二节点n2耦接分流电路130的第二端p2和第二输出电路190。第二输入电路120可经由第八节点n8耦接第三恒流源电路170的第四端p4。第二输入电路120还可耦接第二输入电压端vin+。第二输入电路120可被配置为：根据来自第二输入电压端vin+的第二输入电压vin+生成第二跟随电压，并经由第二节点n2向分流电路130的第二端p2提供第二跟随电压。其中，第一跟随电压与第二跟随电压之间的电压差等于第一输入电压vin-与第二输入电压vin+之间的电压差。
28.电荷泵电路140可经由第三节点n3耦接第一恒流源电路150。电荷泵电路140还可耦接共模电压端。电荷泵电路140可被配置为：将来自共模电压端的共模电压vcm升高预设电压值以生成第一电压v1，并经由第三节点n3向第一恒流源电路150提供第一电压v1。其中，共模电压vcm等于第一输入电压vin-与第二输入电压vin+之和的一半。在本公开的一些实施例中，预设电压值为2.5v。2.5v的电压可由电荷泵电路140内部的稳压器电路产生。第一电压v1可作为第一恒流源电路150的供电电压。
29.第一恒流源电路150可经由第三节点n3耦接电荷泵电路140。第一恒流源电路150可经由第四节点n4耦接分流电路130的第三端p3。第一恒流源电路150可被配置为：根据第一电压v1生成第一恒定电流，并经由第四节点n4向分流电路130的第三端p3提供第一恒定电流。在本公开的一些实施例中，第一恒定电流的大小为2k
×
i。其中，k大于1，i为预设电流值。
30.分流电路130的第一端p1可经由第一节点n1耦接第一输入电路110。分流电路130的第二端p2可经由第二节点n2耦接第二输入电路120。分流电路130的第三端p3可经由第四节点n4耦接第一恒流源电路150。分流电路130可被配置为：将第一恒定电流分成第一分流
和第二分流，经由第一节点n1向第一输出电路180和第一输入电路110提供第一分流，并经由第二节点n2向第二输出电路190和第二输入电路120提供第二分流。
31.第二恒流源电路160可耦接电源电压端。第二恒流源电路160可经由第五节点n5耦接第三恒流源电路170的第一端p1和第一输出电路180。第二恒流源电路160可经由第六节点n6耦接第三恒流源电路170的第二端p2和第二输出电路190。第二恒流源电路160可被配置为：根据来自电源电压端的电源电压vdd生成第二恒定电流，经由第五节点n5向第三恒流源电路170的第一端提供第二恒定电流，并经由第六节点n6向第三恒流源电路170的第二端提供第二恒定电流。第二恒流源电路160输出的第二恒定电流可使得第一输出电路180和第二输出电路190处于工作状态。在本公开的一些实施例中，第二恒定电流的大小为i。
32.第三恒流源电路170的第一端p1可经由第五节点n5耦接第二恒流源电路160和第一输出电路180。第三恒流源电路170的第二端p2可经由第六节点n6耦接第二恒流源电路160和第二输出电路190。第三恒流源电路170的第三端p3可经由第七节点n7耦接第一输入电路110。第三恒流源电路170的第四端p4可经由第八节点n8耦接第二输入电路120。第三恒流源电路170可被配置为：生成第三恒定电流，经由第七节点n7向第一输入电路110提供第三恒定电流与第二恒定电流之间的第一电流差，并经由第八节点n8向第二输入电路120提供第三恒定电流与第二恒定电流之间的第一电流差。在本公开的一些实施例中，第三恒定电流的大小为(s+1)
×
i。其中，s大于0。第三恒定电流与第二恒定电流之间的第一电流差为s
×
i。
33.第一输出电路180可经由第一节点n1耦接第一输入电路110和分流电路130的第一端p1。第一输出电路180可经由第五节点n5耦接第二恒流源电路160和第三恒流源电路的第一端p1。第一输出电路180还可耦接第一输出端io+。第一输出电路180可被配置为：根据第一分流与第一电流差来生成第一输出电流，并经由第一输出端io+输出第一输出电流。在本公开的一些实施例中，在静态工作时，第一输出电流等于第一分流减去第一电流差。第一分流的大小可为k
×
i，第一电流差的大小可为s
×
i，因此，第一输出电流等于(k-s)
×
i。
34.第二输出电路190可经由第二节点n2耦接第二输入电路120和分流电路130的第二端p2。第二输出电路190可经由第六节点n6耦接第二恒流源电路160和第三恒流源电路的第二端p2。第二输出电路190还可耦接第二输出端io-。第二输出电路190可被配置为：根据第二分流与第一电流差来生成第二输出电流，并经由第二输出端io-输出第二输出电流。在本公开的一些实施例中，在静态工作时，第二输出电流等于第二分流减去第一电流差。第二分流的大小可为k
×
i，第一电流差的大小可为s
×
i，因此，第二输出电流等于(k-s)
×
i。
35.在图1的示例中，第一输入电压端vin-与第二输入电压端vin+可以分别是输入信号的正负输入端。由于第三恒流源电流170向第一输入电流110和第二输入电路120分别提供恒定的第一电流差s
×
i，第一输入电路110和第二输入电路120可以作为电压跟随器。第一输入电路110输出的第一跟随电压与第二输入电路120输出的第二跟随电压之间的电压差等于第一输入电压vin-与第二输入电压vin+之间的电压差。因此，电压电流转换电路100的等效跨导为分流电路的第一端p1与第二端p2之间的跨导，从而不受第一输入电路110和第二输入电路120的跨导的限制，可实现更高的线性输入范围。
36.此外，由于根据本公开的实施例的电压电流转换电路100采用了电荷泵电路140来产生高于共模电压vcm预设电压值(例如，2.5v)的电压，并将该电压作为第一恒流源电路
150的供电电压。因此不论共模电压vcm是接近于地电压还是高压(例如，几十伏)，电压电流转换电路100都可以正常工作，从而实现了高侧和低侧电流检测的功能。
37.图2示出根据本公开的实施例的电压电流转换电路200的示例性电路图。在图2的示例中，第一输入电路110可包括：第一晶体管m1。其中，第一晶体管m1的控制极耦接第一输入电压端vin-。第一晶体管m1的第一极耦接第一节点n1。第一晶体管m1的第二极耦接第七节点n7。
38.第二输入电路120可包括：第二晶体管m2。其中，第二晶体管m2的控制极耦接第二输入电压端vin+。第二晶体管m2的第一极耦接第二节点n2。第二晶体管m2的第二极耦接第八节点n8。
39.分流电路130可包括：第一电阻器r1、以及第二电阻器r2。其中，第一电阻器r1的第一端耦接第一节点n1。第一电阻器r1的第二端耦接第四节点n4。第二电阻器r2的第一端耦接第四节点n4。第二电阻器r2的第二端耦接第二节点n2。
40.第一恒流源电路150可包括：第五电流源i5。第五电流源i5的第一端耦接第三节点n3。第五电流源i5的第二端耦接第四节点n4。在本公开的一些实施例中，第五电流源i5所输出的第一恒定电流的大小为2k
×
i。其中，k大于1，i为预设电流值。
41.第二恒流源电路160可包括：第一电流源i1、第二电流源i2、第三晶体管m3、以及第四晶体管m4。其中，第一电流源i1的第一端耦接电源电压端。第一电流源i1的第二端耦接第三晶体管m3的第一极。第二电流源i2的第一端耦接电源电压端。第二电流源i2的第二端耦接第四晶体管m4的第一极。第三晶体管m3的控制极耦接第一偏置电压端vbp1。第三晶体管m3的第二极耦接第五节点n5。第四晶体管m4的控制极耦接第一偏置电压端vbp1。第四晶体管m4的第二极耦接第六节点n6。在本公开的一些实施例中，第一电流源i1和第二电流源i2可分别由晶体管构成。第一电流源i1、第二电流源i2、第三晶体管m3、以及第四晶体管m4可以是共源共栅结构。从第一偏置电压端vbp1输出的第一偏置电压vbp1可被设置成使得第三晶体管m3和第四晶体管m4都处于饱和区。这样，第二恒流源电路160生成的第二恒定电流更精确。
42.在本公开的一些实施例中，第一电流源i1和第二电流源i2所输出的第二恒定电流的大小为i。其中，i为预设电流值。
43.第三恒流源电路170可包括：第三电流源i3、第四电流源i4、第五晶体管m5、以及第六晶体管m6。其中，第三电流源i3的第一端耦接第七节点n7和第五晶体管m5的第一极。第三电流源i3的第二端耦接第二电压端v2。第四电流源i4的第一端耦接第八节点n8和第六晶体管m6的第一极。第四电流源i4的第二端耦接第二电压端v2。第五晶体管m5的控制极耦接第二偏置电压端vbn1。第五晶体管m5的第二极耦接第五节点n5。第六晶体管m6的控制极耦接第二偏置电压端vbn1。第六晶体管m6的第二极耦接第六节点n6。在本公开的一些实施例中，第三电流源i3和第四电流源i4可分别由晶体管构成。第三电流源i3、第四电流源i4、第五晶体管m5、以及第六晶体管m6可以是共源共栅结构。从第二偏置电压端vbn1输出的第二偏置电压vbn1可被设置成使得第五晶体管m5和第六晶体管m6都处于饱和区。这样，第三恒流源电路170生成的第三恒定电流更精确。
44.在本公开的一些实施例中，第三电流源i3和第四电流源i4所输出的第三恒定电流的大小为(s+1)
×
i。其中，s大于0。第三恒定电流与第二恒定电流之间的第一电流差为s
×
i。第一电流差被分别提供给第一晶体管m1和第二晶体管m2。因此，流过第一晶体管m1和第二晶体管m2的电流恒定为s
×
i。
45.第一输出电路180可包括：第七晶体管m7、以及第三电阻器r3。其中，第七晶体管m7的控制极耦接第五节点n5。第七晶体管m7的第一极耦接第三电阻器r3的第一端和第一输出端io+。第七晶体管m7的第二极耦接第一节点n1。第三电阻器r3的第二端耦接第二电压端v2。
46.第二输出电路190可包括：第八晶体管m8、以及第四电阻器r4。其中，第八晶体管m8的控制极耦接第六节点n6。第八晶体管m8的第一极耦接第四电阻器r4的第一端和第二输出端io-。第八晶体管m8的第二极耦接第二节点n2。第四电阻器r4的第二端耦接第二电压端v2。
47.在图2的示例中，第二输入电压端vin+与第一输入电压端vin-可以分别是输入信号的正负输入端。第一输出端io+与第二输出端io-可以分别是输出信号的正负输出端。第一晶体管m1至第四晶体管m4是p型晶体管。第五晶体管m5至第八晶体管m8是n型晶体管。第一晶体管m1、第二晶体管m2、第七晶体管m7和第八晶体管m8是高压晶体管。第三晶体管m3至第六晶体管m6是低压晶体管。第一电压v1等于共模电压vcm加预设电压值(例如，2.5v)，从电源电压端输入高电平信号，第二电压端v2接地。第一电压v1可用于给高压晶体管做供电电压。因此不论共模电压vcm是接近于地电压还是高压(例如，几十伏)，电压电流转换电路200都可以正常工作，从而实现了高侧和低侧电流检测的功能。
48.在第二恒定电流和第三恒定电流的精确控制下，流过第一晶体管m1和第二晶体管m2的电流始终等于s
×
i，因此第一晶体管m1和第二晶体管m2是电压跟随器。这样输入信号的压降((vin+)-(vin-))完全降落在第一电阻器r1的第一端和第二电阻器r2的第二端，从而将差分电压((vin+)-(vin-))转换为电流：((vin+)-(vin-))/(r1+r2)。因此电压电流转换电路200的等效跨导为1/(r1+r2)，从而不受第一晶体管m1和第二晶体管m2的跨导的限制，实现了更高的线性输入范围。其中，((vin+)-(vin-))的最大值为(r1+r2)
×
(k-s)
×
i。
49.综上所述，本公开的实施例提供了一种适用于高侧和低侧、双向电流检测应用的精确电压电流转换电路。它可以用在电流反馈型仪表放大器的输入信号的输入级和反馈信号的输入级，实现电压到电流的转换。在根据本公开的实施例的电流反馈型仪表放大器中结合使用斩波技术可以得到低输入失调电压和很高的cmrr。
50.除非上下文中另外明确地指出，否则在本文和所附权利要求中所使用的词语的单数形式包括复数，反之亦然。因而，当提及单数时，通常包括相应术语的复数。相似地，措辞“包含”和“包括”将解释为包含在内而不是独占性地。同样地，术语“包括”和“或”应当解释为包括在内的，除非本文中明确禁止这样的解释。在本文中使用术语“示例”之处，特别是当其位于一组术语之后时，所述“示例”仅仅是示例性的和阐述性的，且不应当被认为是独占性的或广泛性的。
51.适应性的进一步的方面和范围从本文中提供的描述变得明显。应当理解，本技术的各个方面可以单独或者与一个或多个其它方面组合实施。还应当理解，本文中的描述和特定实施例旨在仅说明的目的并不旨在限制本技术的范围。
52.以上对本公开的若干实施例进行了详细描述，但显然，本领域技术人员可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下对本公开的实施例进行各种修改和变型。本公开的保护
范围由所附的权利要求限定。