专利名称：控制范围宽阔的简单电压－电流转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电压-电流转换电路，而且特别涉及一种适合于组装在锁相环路中的电压控制振荡器的简单电压-电流转换电路。
一项锁相环路的典型示例公开在未审查的日本专利公报申请号No．6-283994中，
图1绘示出此锁相环路。此锁相环路包括一个相位频率检测器1、一供给泵2、一环路滤波器3、一电压控制振荡器4以及一分频器5。相位频率控制检测器1在图1中缩写成“PFD”。
相位频率检测器1有两个输入节点，低频振荡信号OSC1和时钟信号CLK1加在相位频率检测器1的两个输入节点上。相位频率检测器将低频振荡信号OSC1与时钟信号CLK1作比较，视其相互间的相位和频率是否匹配。若是低频振荡信号OSC1滞后于时钟信号CLK1，相位频率检测器1就向供给泵2提供一个表示加速振荡指令的第一控制信号CTL1。另一方面，若是低频振荡信号OSC1超前，相位频率检测器则向供给泵2提供一个表示减速振荡的相反指令的第二控制信号CTL2。
供给泵2有两个分别与相位频率检测器1的输出节点相连的控制节点，并对第一／第二控制信号CTL1／CTL2作出响应以改变控制电压信号CTL3。当由相位频率检测器1向供给泵2提供第一控制信号CTL1时，供给泵2提高控制电压信号CTL3的电平。另一方面，当第二控制信号CTL2到达供给泵2时，供给泵2就降低控制电压信号CTL3的电平。控制电压信号CTL3由供给泵2经环路滤波器3提供给电压控制振荡器4。
虽然在附图中未予表示，环路滤波器3包括一低通滤波器和一电容器，并使控制电压信号CTL3稳定。电压控制振荡器4对控制电压信号CTL3的电平作出响应改变振荡信号OSC2的频率，并将振荡信号OSC2提供给一内部电路(未示出)和分频器5。
分频器5将振荡器信号OSC2的频率降至1／n，并将低频振荡信号OSC1提供给相位频率检测器1。这样，锁相环路产生了与时钟信号CLK1同步的振荡信号OSC2，而且振荡信号OSC1的频率为时钟信号CLK1的n倍。
图2绘示电压控制振荡器4。电压控制振荡器4主要包含一电压-电流转换器4a和一电流控制振荡器4b。在图1和2中电流控制振荡器4b缩写成“ICO”，并由控制电压信号CTL3产生一偏流信号BS1。电流控制振荡器4b随偏流信号BS1而改变振荡信号OSC2的频率。
电压-电流转换器4a包括一连接在电源4d和地线GND之间的恒流源4c，在电源4f和恒流源4c之间连接一P沟道增强型场效应晶体管4e，并在输出节点4h和地线GND之间连接一n沟道增强型场效应晶体管4g。偏流信号BS1由输出节点提供给电流控制振荡器4b。
恒流电源4c包括连接在电源4d和地线GND之间的电阻4j和n沟道增强型场效应晶体管4k的一串连组合以及连接在输出节点4h和地线GND之间的一n沟道增强型场效应晶体管4m。n沟道增强型场效应晶体管4k的栅电极与它的漏节点N1相连，而漏节点N1又与n沟道增强型场效应晶体管4m的栅电极相连。电阻4j和n沟道增强型场效应晶体管4k由电源4d向地线GND流过恒定电流，并使漏节点N1调节至一确定的电压。将此确定的电压提供给n沟道增强型场效应晶体管4m的栅电极，并期望n沟道增强型场效应晶体管4m有流入地线GND的恒定电流Ic。
P沟道增强型场效应晶体管4e有与输出节点4h相连的栅电极，并按输出节点4h的电平变动沟道电导。P沟道增强型场效应晶体管4e向n沟道增强型场效应晶体管4g／4m提供电流，并产生偏流信号BS1。
将控制电压信号CTL3加在n沟道增强型场效应晶体管4g的栅电极上，并按照控制电压信号CTL3的幅度流过可变电流Iv。这样，电流(Ic+Iv)的总量就随控制电压信号CTL3而变动，电源电压线4f就向输出节点提供与电流Ic及电流Iv相等的电流。偏流信号BS1确定流经电流控制振荡器4b的一恒流源的电流量，电流控制振荡器4b与P沟道增强型场效应晶体管4e一起形成一电流镜像电路。电流控制振荡器4b在与通过电流源的电流量相当的频率处振荡。
如前所述，控制电压信号CTL3代表着低频振荡信号OSC1和时钟信号CLK1之间的相位差。当低频振荡信号OSC1与时钟信号CLK1为同相位信号时，控制电压信号CTL3就保持在0伏，而n沟道增强型场效应晶体管4g则关断。仅有恒流源4c向地线GND流入恒定电流Ic，以及偏流信号BC1引起电流控制振荡器4b在自由振荡频率振荡。另一方面，当产生相位差时，控制电压信号CTL3引起n沟道增强型场效应晶体管4g流过可变电流Iv，并且电压-电流转换器4a改变偏流信号。为此，在图3中用曲线A表示电压-电流转换特性。
现有技术电压-电流转换器4a中的一个固有的问题是控制范围“a”狭窄。这是由于事实上在控制电压信号CTL3等于n沟道增强型场效应晶体管4g的阈值电压Vth时n沟道增强型场效应晶体管4g才开始流过可变电流Iv。换句话说，电压-电流转换器4a在控制电压信号CTL3达到n沟道增强型场效应晶体管4g的阈值Vth之前是不对控制电压信号CTL3作出响应的。
现有技术电压-电流转换器4a中的另一固有问题是大量的电路元件。恒流源4c和n沟道增强型场效应晶体管4g并联在输出节点4h和地线GND之间，而恒流源4c需要电阻4j和两个场效应晶体管4k／4m。尽管如此，由于恒定电流Ic确定振荡器4b的自由振荡频率，因而恒流源4c对于现有技术的电压-电流转换器4a来说，仍是不可缺少的。
本发明的一项重要目的是要提供一种电压-电流转换器，它有宽阔的控制范围和简单的电路结构。
为了实现本发明的目的，提出了使一个耗尽型场效应晶体管流过一恒定电流，而无需为自由振荡频率设置栅偏压。
按照本发明的一种方式，所提供的电压-电流转换器包括连接在第一电源和输出节点之间用以向输出节点提供电流的一负载元件以及连接在输出节点和第二电源之间并用一个耗尽型场效应晶体管实现的一电流控制晶体管，以此对从一标准偏置电平起改变的控制电压信号作出响应改变流过其中的电流。
从以下结合附图所进行的说明中将会更清楚地了解到本发明电压-电流转换器的特征和优点，其中图1为表示现有技术锁相环路电路结构的方框图；图2为表示组装在现有技术锁相环路中的电压控制振荡器的结构的电路图；图3为表示现有技术电压-电流转换器的电压-电流转换特性以及本发明电压-电流转换器的电压-电流转换特性的曲线图；图4为表示本发明电压-电流转换器的结构的电路图；以及图5为表示一修改的电压-电流转换器的结构的电路图。
参阅附图的图4，体现本发明的一电压-电流转换器10a与一电流控制振荡器10b一起形成一电压控制振荡器10。尽管电压控制振荡器10形成锁相环路的一部件，但锁相环路的其它部件是与现有技术的锁相环路相类似的，因而在以后的说明中仍用图1中的相同标号表示。
以下的描述着重于电压-电流转换器的结构与性能。电压-电流转换器10a是用一P沟道增强型场效应晶体管10c和一n沟道耗尽型场效应晶体管10d的串联组合实现的，该串联组合连接在一正电源10e和一地线10f之间。P沟道增强型场效应晶体管10c有一与输出节点10g相连的栅电极，并将控制电压信号CTL3加到n沟道耗尽型场效应晶体管10d的栅电极上。n沟道耗尽型场效应晶体管10d无需任何栅偏压或零电压就流过恒定漏电流Ic，并随着控制电压信号CTL3的幅度一起增加漏电流。电源电压线10e向输出节点10g提供与漏电流相等的电流。偏流信号BS2确定流过电流控制振荡器4b的恒流源的电流量，电流控制振荡器4b与P沟道增强型场效应晶体管10c一起形成一电流镜像电路。电流控制振荡器4b在与流过电流源的电流量相当的一频率处进行振荡。
从前面的说明中将会了解到，n沟道耗尽型场效应晶体管10d不仅确定自由振荡频率的恒定电流Ic，而且还改变振荡信号OSC2的频率。换句话说，n沟道耗尽型场效应晶体管10d实现着恒流源4c和n沟道增强型场效应晶体管4g的两种功能。其结果是，简化了电压-电流转换器10a的电路结构，并且大量地减少了部件的元件数。在此情况下，P沟道增强型场效应晶体管10c用作一个负载元件。
P沟道增强型场效应晶体管10c经过输出节点10g向n沟道耗尽型场效应晶体管10d提供漏电流，而偏流信号BS2则从输出节点10g提供给电流控制振荡器10b。
当低频振荡信号OSC1与时钟信号CLK1同相位时，控制电压信号CTL3保持在零伏，而n沟道耗尽型场效应晶体管10d则在无偏置的状态下流过恒定的漏电电流Ic。然后，偏流信号BS2使电流控制振荡器10b在自由振荡频率处振荡。
另一方面，若是在低频振荡信号OSC1和时钟信号CLK1之间出现相位差，供给泵2就增加控制电压信号CTL3的幅度，于是，使n沟道耗尽型场效应晶体管10d增加了沟道电导。其结果是，偏流信号BS2降低了电位，电流控制振荡器10b使振荡信号OSC2提前。从而，转换器10a的电压-电流特性就用曲线B表示，而控制范围则从“a”增加到“b”。
由于控制范围宽广，电压-电流转换器10a适合于电压控制振荡器10。由于电路元件减少成不像现有技术那样，电压-电流转换器10a有希望用于一种集成电路。
当振荡信号OSC1与低频振荡信号OSC2之间的频率比“n”为二时，用本发明电压-电流转换器装配的锁相环路适合于加倍比率的数据传送技术，并可形成例如同步DRAM(动态随机存取存储器)器件之类的高速半导体存储器件的一部分。
从前面的说明中将会理解到，本发明的电压-电流转换器使得控制范围宽广而且电路结构简单。
简单的电路结构使耗费的电流减少至现有技术电压-电流转换器耗费电流的一半。
由于形成电压-电流转换器的部件元件数量小，本发明的电压-电流转换器较少受到晶体管的特性波动的影响。自由振荡频率波动不大，使得设计人员能够确定低频振荡的最低振荡频率。
尽管已经表示并描述了本发明的一项特定的实施例，但对于专业技术人员来说，他们将会明白，在不脱离本发明精神和范围的情况下是会作出各色各样的变动和修改的。
例如，可以用图5中所示的P沟道耗尽型场效应晶体管。在这种情况下，电压控制信号CTL3’从无偏置状态降低了幅度。
而且，耗尽型场效应晶体管10d／20可以确定在负／正偏置状态下的自由振荡频率。
权利要求
1.一种电压-电流转换器(10a)包括有一连接在一第一电源(10e)和一输出节点(10g)之间用以向所述输出节点(10g)提供电流的负载元件(10c)，以及一连接在所述输出节点(10g)和一第二电源(10f)之间用以改变所述电流的电流控制电路，所述电压-电流转换器(10a)的特征在于所述电流控制电路是用一耗尽型场效应晶体管(10d；20)实现的，使其对自一标准偏置电平改变的控制电压信号(CTL3；CTL3’)作出响应改变其流经的电流。
2.按照权利要求1所述的电压-电流转换器，其特征在于，其中的偏流信号(BS2)由所述输出节点(10g)提供给一电流控制振荡器(10b)，而且所述偏流信号在所述标准偏置电平确定所述电流控制振荡器(10b)的自由振荡频率。
3.按照权利要求2所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述电流控制振荡器(10b)与所述电压-电流转换器(10a)一起形成-电压控制振荡器(10)，并且所述电压控制振荡器形成一锁相环路的一部件。
4.按照权利要求3所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述锁相环路还包括一比较器(1)，它对一第一振荡信号(OSC1)与一时钟信号(CLK1)进行运行比较，以产生表示所述第一振荡信号与所述时钟信号之间状况的一个指令信号(CTL1／CTL2)，一电压信号产生电路(2／3)，它对所述指令信号作出响应，产生所述控制电压信号(CTL3；CTL3’)。
5.按照权利要求4所述的电压一电流转换器，其特征在于，所述比较器是用一相位频率检测器(1)实现的，而所述电压信号产生电路则有一与所述相位频率检测器相连的供给泵(2)以及一连接在所述供给泵和所述电流控制晶体管之间的环路滤波器(3)。
6.按照权利要求4所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述锁相环路还包括一连接在所述电压控制振荡器(10)和所述比较器(1)之间的分频器(5)，用以从所述电压控制振荡器输出的一第二振荡信号(OSC2)产生所述第一振荡信号(OSC1)。
7.按照权利要求1所述的电压一电流转换器，其特征在于，所述耗尽型场效应晶体管(10d)在所述标准偏置电平下有一n型的传导沟道。
8.按照权利要求7所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述标准偏置电平为零伏，而所述耗尽型场效应晶体管(10d)在所述标准偏置电平下流过一确定的漏电流。
9.按照权利要求8所述的电压-电流转换器，其特征在于，其中由所述输出节点(10g)向一电流控制振荡器(10b)提供一偏流信号(BS2)，并且所述确定的漏电流决定所述电流控制振荡器(10b)的自由振荡频率。
10.按照权利要求1所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述耗尽型场效应晶体管(20)在所述标准偏置电平下有一P型的传导沟道。
11.按照权利要求1所述的电压-电流转换器，其特征在于，所述负载元件是用一P沟道增强型场效应晶体管(10c)实现的，它有与所述输出节点相连的一栅电极。
全文摘要
一种由一负载晶体管(10c)、一输出节点(10g)和一加上电压控制信号(CTL3)的n沟道耗尽型场效应晶体管(10d)串联实现的电压－电流转换器;当电压控制信号(CTL3)为零时,n沟道耗尽型场效应晶体管(10d)流过相当于标准偏流(BS2)的确定的漏电流;当电压控制信号(CTL3)由0增至正电平时,n沟道耗尽型场效应晶体管(10d)立即增加漏电流,以此实现一宽阔的控制范围。
文档编号H03L7/06GK1206248SQ9810242
公开日1999年1月27日 申请日期1998年6月12日 优先权日1998年6月12日
发明者平井宏治 申请人:日本电气株式会社