一种电流电压转换电路及方法、积分器、模数转换器与流程

1.本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种电流电压转换电路及方法、积分器、模数转换器。


背景技术：

2.应用于adc(analog-to-digital converter，模数转换器)等装置中的积分器通常都需要用到i-v转换电路。现有的i-v转换电路中对于微安级别等小电流的积分，一般采用rtia(跨阻放大器)的电路结构进行i-v转换。如附图1 所示，传统的rtia的电路结构中的i-v转换电路包括放大倍数为a的反向运放和负反馈电阻rf。对于该电路，当输入电流iin整体较小时，为了获得合理的输出电压，则增益必须很大，由此将导致输出带宽严重降低。并且，在电流量级变化过大，从小电流到大流的跨度较大的情况下，由于电路的增益始终不变以及电压摆幅的限制，将导致输出严重失真。


技术实现要素：

3.本发明实施例为了解决上述问题，创造性地提供一种电流电压转换电路及方法、积分器、模数转换器。
4.根据本发明第一方面，提供了一种电流电压转换电路，所述电流电压转换电路包括：输入电路单元，用于采集所述电流电压转换电路的输入电流；电流缩放控制单元，连接于所述输入电路单元和输出电路单元之间，用于根据设定电流档位，对所述输入电流进行自适应的缩放，得到符合所述设定电流范围的中间电流；输出电路单元，用于将所述中间电流转换为输出电压信号；其中，所述电流缩放控制单元包括前置运放和多级电流镜支路，所述多级电流镜支路配置多个电流档位的输出，并且能够根据需要从多个电流档位中选择设定电流档位。
5.根据本发明一实施方式，所述输入电路单元包括：转换电容，所述转换电容的一端接地，另一端与所述输入电流所流过的线路连接；采样电阻，与所述转换电容并联。
6.根据本发明一实施方式，所述前置运放的同相输入端接入所述输入电路单元的输入电流；反相输入端接入所述电流电压转换电路的基准电压；输出端与所述多级电流镜支路连接。
7.根据本发明一实施方式，所述多级电流镜支路包括：第一开关管，所述第一开关管的栅极g1与所述前置运放的输出端连接，源极s1与第二开关管的栅极g2和漏极d2均连接，漏极d1与所述前置运放的同相输入端连接；所述第二开关管，所述第二开关管的栅极g2还与多个选择开关管的栅极gn连接；所述第二开关管的源极s2与多个选择开关管的源极sn连接；其中，n∈[3， k 3]，k表示选择开关管的个数；多个宽度不同的选择开关管，多个选择开关管的源极sn均与所述第二开关管的源极s2连接，栅极gn均与所述第二开关管的栅极g2连接，多个选择开关管的漏极dn均作为选通器的输入；所述选通器，用于选择所述设定电流档位，并根据所选择所述设定电流档位，将多个选择开关管中与所述设定电流档位对应的设
定开关管的输出作为中间电流。
[0008]
根据本发明一实施方式，所述第一开关管、所述第二开关管和多个所述选择开关管均为pmos管；或所述第一开关管、所述第二开关管和多个所述选择开关管均为nmos管。
[0009]
根据本发明一实施方式，所述输出电路单元，包括：反馈电阻，所述反馈电阻的一端与所述电流缩放控制单元的输出端连接，另一端与输出运放的输出端连接；输出运放，所述输出运放的同相输入端与所述电流缩放控制单元的输出端连接，反相输入端与所述反馈电阻的一端连接，输出端与所述反馈电阻的另一端连接。
[0010]
根据本发明的第二方面，还提供了一种电流电压转换方法，所述方法应用于积分器，所述方法包括：根据所述积分器所执行的算法，确定电流范围；根据所述电流范围，从多个电流档位中选择设定电流档位；根据设定电流档位，对所述输入电流进行自适应的缩放，得到符合所述设定电流范围的中间电流，并将所述中间电流信号转换为输出电压信号。
[0011]
根据本发明的第三方面，还提供了一种积分器，所述积分器包括上述电流电压转换电路。
[0012]
根据本发明一实施方式，所述积分器还包括：采样保持电路，连接于所述电流电压转换电路和单转双电路之间；所述单转双电路，连接于所述采样保持电路和缓冲器之间；所述缓冲器，与所述单转双电路的输出端连接。
[0013]
根据本发明的第四方面，还提供了一种模数转换器，所述模数转换器包括上述积分器。
[0014]
本发明实施例电流电压转换电路及方法、积分器、模数转换器，在电流电压转换电路的输入电路单元和输出电路单元之间配置电流缩放控制单元，能够根据设定电流档位，自适应的对所述输入电流进行自适应的缩放，得到符合所述设定电流范围的中间电流，输出电路单元将所述中间电流转换为输出电压信号。其中，所述电流缩放控制单元包括前置运放和多级电流镜支路，所述多级电流镜支路配置多个电流档位的输出，并且能够根据需要从多个电流档位中选择设定电流档位。由此，通过设定数量及宽度的多级电流镜支路对输入电流进行自适应的缩放，有效解决了电流量级变化过大的情况下，电压摆幅的限制使得增益也必须发生变化的问题。从而无论是在电流整体较小，还是在从小电流到大电流跨度较大的电流范围下，均能够在获得合理输出电压的前提下，保证电流电压转换电路的高带宽性能。
[0015]
需要理解的是，本发明的教导并不需要实现上面所述的全部有益效果，而是特定的技术方案可以实现特定的技术效果，并且本发明的其他实施方式还能够实现上面未提到的有益效果。
附图说明
[0016]
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
[0017]
在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
[0018]
图1示出了传统的rtia的电路结构中的i-v转换电路的电路原理示意图；
[0019]
图2示出了本发明实施例电流电压转换电路的电路原理示意图；
[0020]
图3示出了本发明实施例电流缩放控制单元的电路原理示意图；
[0021]
图4示出了本发明实施例电流缩放控制单元选择第三开关管的情况下的电路原理示意图；
[0022]
图5示出了本发明实施例电流电压转换方法的实现流程示意图；
[0023]
图6示出了实现本发明实施例电流电压转换方法的算法控制电路结构示意图；
[0024]
图7示出了本发明实施例积分器的电路结构示意图。
具体实施方式
[0025]
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为使本发明更加透彻和完整，并能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0026]
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
[0027]
图2示出了本发明实施例电流电压转换电路的电路原理示意图。
[0028]
参考图2，本发明实施例电流电压转换电路，可以包括：输入电路单元201、电流缩放控制单元202和输出电路单元203。输入电路单元201用于采集电流电压转换电路的输入电流。电流缩放控制单元202，连接于输入电路单元和输出电路单元之间，用于根据设定电流档位，对输入电流进行自适应的缩放，得到符合设定电流范围的中间电流。输出电路单元203，用于将中间电流转换为输出电压信号。其中，电流缩放控制单元包括前置运放(图2中未示出，图3 中以前置运放aq示出)和多级电流镜支路(图2中未示出，图3中以m1p、第二开关管m2p、选择开关管m3p～m9p和选通器mux示出)，多级电流镜支路配置多个电流档位的输出，并且能够根据需要从多个电流档位中选择设定电流档位。
[0029]
在本发明这一实施方式中，输入电路单元201可以包括：转换电容cd和采样电阻ri。转换电容cd的一端接地，另一端与输入电流iin所流过的线路连接。采样电阻ri，与转换电容cd并联。
[0030]
在本发明这一实施方式中，输出电路单元203可以包括：反馈电阻rf和输出运放。反馈电阻rf的一端与电流缩放控制单元202的输出端连接，另一端与输出运放的输出端连接；输出运放，输出运放的同相输入端与电流缩放控制单元202的输出端连接，反相输入端与反馈电阻rf的一端连接，输出端与反馈电阻rf的另一端连接。
[0031]
需要说明的是，图2中输入电路单元202和输出电路单元203与图1所示的传统的rtia的电路结构中的i-v转换电路的电路中的电路结构相类似是为了对比性示出本发明实施例的改进之处。但是实际应用过程中输入电路单元 202和输出电路单元203还可以采用其他适用的电路结构，本发明对此不作限定。
[0032]
图3示出了本发明实施例电流缩放控制单元的电路原理示意图。
[0033]
参考图3，本发明实施例电流缩放控制单元的前置运放aq的同相输入端接入输入电路单元的输入电流iin。反相输入端接入电流电压转换电路的基准电压 vref。输出端与多级电流镜支路连接。多级电流镜支路可以包括第一开关管 m1p、第二开关管m2p、多个选择开关管和选通器mux。图3中以开关管 m3p～m9p示出多个选择开关管，但是实际应用过程中，设置选择开关管的数量。
[0034]
其中，第一开关管m1p的栅极g1与前置运放的输出端连接，源极s1与第二开关管m2p的栅极g2和漏极d2均连接，漏极d1与前置运放的同相输入端连接。第二开关管m2p的栅极g2还与多个选择开关管的栅极gn连接；第二开关管m2p的源极s2与多个选择开关管的源极sn连接。其中，n∈[3， k 3]，k表示选择开关管的个数；多个宽度不同的选择开关管，多个选择开关管的源极sn均与第二开关管m2p的源极s2连接，栅极gn均与第二开关管 m2p的栅极g2连接，多个选择开关管的漏极dn均作为选通器的输入。选通器用于选择设定电流档位，并根据所选择设定电流档位，将多个选择开关管中与设定电流档位对应的设定开关管的输出作为中间电流。
[0035]
举例说明，可以配置2个、4个、8个、16个、32个或64个选择开关管。选择开关管的宽度可以是第二开关管m2p的宽度的2
x
倍数，x为整数。在x＜ 0的情况下，电流缩放控制单元起到放大电流的作用，在x＞0的情况下，电流缩放控制单元起到缩小电流的作用。
[0036]
这里，可以将m2p管的宽度固定为mw，m3p～m9p管的宽度分别配置为 mw的1/8、1/4、1/2、1、2、4和8倍数。如此，可以根据实际的电流输入与电压输出范围要求，选择m3p～m9p管中的其中一个mos管的输出，作为中间电流。这里实际的电流输入，可以根据电流电压转换电路所属积分器芯片上所执行的算法确定，具体的，可以参考下文图5-6所示实施例的相关描述，此处不再赘述。
[0037]
由此，可以实现将宽范围的电流输入iin控制在合适的范围区间，解决电流量级变化过大的情况下，受到电压摆幅的限制，电流电压转换电路增益必须发生变化的问题。使得无论是在电流整体较小，还是在从小电流到大电流跨度较大的电流范围下，均能够在获得合理输出电压的前提下，保证电流电压转换电路的高带宽性能。
[0038]
需要说明的是，在本文中所提及的mos管的宽度均指mos管的实际尺寸的宽度，例如：m2p～m9p管的宽度。
[0039]
图4示出了本发明实施例电流缩放控制单元选择第三开关管m3p的情况下的电路原理示意图。
[0040]
参考图4，若电流缩放控制单元选择第三开关管m3p或电流缩放控制单元仅配置一个选择开关管，该选择开关管为第三开关管m3p。则该电流缩放控制单元包括运算放大器aq、第一开关管m1p、以及第二开关管m2p与第三开关管m3p构成的电流镜。该电流缩放控制单元作为电流电压转换电路的负反馈电路，起到电流缩小及放大的作用。当m2p管的宽度mw、m3p管的宽度nw的的情况下，m2p管和m3p管的宽度的比值为m/n，则iout＝m/n iin。因此，若m/n大于1,则电流缩放控制单元起到放大电流的作用，若m/n小于1，则电流缩放控制单元起到缩小电流的作用。
[0041]
需要说明的是，在图3和图4中，以第一开关管m1p、第二开关管m2p 和多个选择开关管均为pmos管为例，对本发明实施例电流电压转换电路的电流缩放控制单元进行了说明。但是实际应用过程中，也可以将第一开关管m1p、第二开关管m2p和多个选择开关管均配置为nmos管。本发明对此不做限定。
[0042]
本发明实施例电流电压转换电路及方法、积分器、模数转换器，在电流电压转换电路的输入电路单元和输出电路单元203之间配置电流缩放控制单元，能够根据设定电流档位，自适应的对输入电流进行自适应的缩放，得到符合设定电流范围的中间电流，输出电路单元203将中间电流转换为输出电压信号。其中，电流缩放控制单元包括前置运放和多级电
流镜支路，多级电流镜支路配置多个电流档位的输出，并且能够根据需要从多个电流档位中选择设定电流档位。由此，通过设定数量及宽度的多级电流镜支路对输入电流进行自适应的缩放，有效解决了电流量级变化过大的情况下，电压摆幅的限制使得增益也必须发生变化的问题。无论是在电流整体较小，还是在从小电流到大电流跨度较大的电流范围下，均能够在获得合理输出电压的前提下，保证电流电压转换电路的高带宽性能。
[0043]
并且，通过利用本发明实施例提供的电流电压转换电路进行仿真。得到的仿真结果中，输出电压与电流之间呈线性关系。举例说明，输出电压为 50mv～850mv的情况下，未使用本发明实施例所提供的电流电压转换电路的情况下，原始输入电流范围为-2ma～2ma。使用本发明实施例所提供的电流电压转换电路之后，可以将输入电流缩放至-500ua～500ua。由此，在满足输出电压范围的条件下，将电流电压转换电路的带宽范围从25mhz提升100mhz。
[0044]
由此，本发明实施例电流电压转换电路通过算法确定多级电流镜的自适应配置，高精度地输出电流。将本发明实施例电流电压转换电路应用于积分器电路中，能够达到高带宽、低失真、高精度的转换效果。
[0045]
同理，基于上文电流电压转换电路，本发明实施例还提供一种电流电压转换方法，应用于积分器。图5示出了本发明实施例电流电压转换方法的实现流程示意图，如图5所示，本发明实施例电流电压转换方法，包括：操作501，根据积分器所执行的算法，确定电流范围；操作502，根据电流范围，从多个电流档位中选择设定电流档位；操作503，根据设定电流档位，对输入电流进行自适应的缩放，得到符合设定电流范围的中间电流，并将中间电流信号转换为输出电压信号。
[0046]
图6示出了实现本发明实施例电流电压转换方法的算法控制电路结构示意图。将本发明实施例的电流电压转换电路应用于模数转换器芯片的积分器中，在该芯片上执行一些算法。例如：利用神经网络算法进行数据处理。在该芯片中可以预先配置初始网络类型，对于该初始网络类型，执行神经网络算法所输出的电流信号是符合设定的电流范围的。并且，这里可以预先配置多个电流档位，示出每一电流档位所对应的电流编码，使得算法控制电路中的网络算法控制模块能够根据算法的网络类型，匹配合适的电流档位。如图6所示，算法控制电路有神经网络算法匹配模块对输入的网络算法进行判断，若算法控制电路中输入的神经网络算法的网络类型符合预先配置的初始网络类型，则判定为正确区；否则，判定为错误区。同时，启动网络算法控制模块，将错误区的值与二分法查找表中经过电流范围编码生成的参数进行二分法比对，直至匹配到合适的网络类型值。当查找完毕后，启动电流档位选择模块，输入合适的电流档位值，作为上述图1-4中所述电流电压转换电路的输出电路单元203的输入，即作为中间电流输入至输出电路单元203，将中间电流转换为最终的电压信号。
[0047]
进一步，基于上文电流电压转换电路，本发明实施例还提供一种积分器，积分器包括上述电流电压转换电路。
[0048]
图7示出了本发明实施例积分器的电路结构示意图，如图7所示，积分器 70还包括：采样保持电路702、单转双电路703和缓冲器704。采样保持电路 702，连接于电流电压转换电路701和单转双电路703之间；单转双电路703，连接于采样保持电路702和缓冲器704之间；缓冲器704，与单转双电路703 的输出端连接。
[0049]
根据本发明的第四方面，还提供了一种模数转换器，模数转换器包括上述积分器。
[0050]
这里需要指出的是：以上对针对电流电压转换方法、积分器和模数转换器实施例的描述，与前述图2至4所示的电流电压转换电路实施例的描述是类似的，具有同前述图2至4所示的电流电压转换电路实施例相似的有益效果，因此不做赘述。对于本发明电流电压转换方法、积分器和模数转换器实施例中未披露的技术细节，请参照本发明前述图2至4所示的电流电压转换电路实施例的描述而理解，为节约篇幅，因此不再赘述。
[0051]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0052]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
[0053]
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0054]
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
[0055]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(read only memory，rom)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0056]
或者，本发明上述集成的单元如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分。而前述的存储介质包括：移动存储设备、rom、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0057]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。