專利名稱：電壓轉(zhuǎn)換電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電壓轉(zhuǎn)換電路。這樣的電路特別用于從兩個(gè)電壓測量值中去除共模分
量，以使得可以更容易地確定這些測量值之間的差。
背景技術(shù)：
經(jīng)常希望能夠進(jìn)行兩次測量，并且去除那些測量值的共模分量以查看所述測量值 之間的差。作為例子，考慮向負(fù)載提供電能的相對(duì)高壓的饋電線路?？赡芟Ｍ麥y量提供給
負(fù)載的電流，并且這可以通過插入與該負(fù)載串聯(lián)的低值檢測電阻&,來完成。在該電阻的
饋電側(cè)的電壓將是電源電壓Vm，而在檢測電阻的負(fù)載端的電壓將是Vf(Rs,XIm)，其中 IHT表示流過該電阻的電流。VHT可能是數(shù)十或數(shù)百伏，而檢測電阻RSENSE兩端的電壓降可能 僅在毫伏的范圍內(nèi)。 經(jīng)常希望放大檢測電阻RSENSE兩端的電壓降，而后將其提供給其他電路，在所述電 路中該值可以被顯示或使用。然而，放大器和后續(xù)的元件常在相對(duì)于地電勢的相對(duì)低的電 壓處工作，所述電壓例如是5伏或更小。用來形成這些元件的半導(dǎo)體工藝常常不適合高電 壓，并且經(jīng)常不能無損地耐受高電壓。 已知產(chǎn)生在檢測電阻R，^兩端的電壓可以被電阻分壓器所衰減，使得該分壓器輸 出處的電壓適于提供給放大器或者其他使用相對(duì)低電壓晶體管的信號(hào)處理電路。然而，分 壓器平等地衰減了共模電壓和差分電壓，并且在分壓器中使用的電阻器充當(dāng)了噪聲源。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了電壓轉(zhuǎn)換電路，包括第一輸入、第二輸入、第一輸出、第一和 第二阻抗以及具有主和副端子的電流鏡，其中，第一阻抗連接在第一輸入和電流鏡的主端 子之間，第二阻抗連接在第二輸入和該電流鏡的副端子之間，以及第一輸出連接到電流鏡 的副端子。 當(dāng)面對(duì)具有共模分量和差模分量的第一和第二信號(hào)時(shí)，可以利用電流鏡的作用來 除去共模分量而不衰減差分分量，其中，該共模分量是第一和第二信號(hào)共有的，該差模分量 表示第一和第二信號(hào)之間的差。 該輸出可能以電流模式的方式操作，以使得在輸出處流動(dòng)的電流幅值和方向直接
表示提供到電壓轉(zhuǎn)換電路的第一和第二輸入的信號(hào)之間的差。然而，為了提供表示第一和
第二輸入之間的電壓差的電壓輸出，電流電壓轉(zhuǎn)化電路可以連接至第一輸出。 有利的是，電壓轉(zhuǎn)換電路具有連接至電流鏡的主端子的第二輸出。在第一和第二
輸出處的電壓可能而后被提供到運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器可以被設(shè)置成僅放大該電壓差
或者可以被設(shè)置成執(zhí)行其他功能，諸如積分。 電流鏡可以由任何合適的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中，在代表主端子的電流鏡的第一端子處 流動(dòng)的電流用來促使電流在代表副端子的其第二端子處流動(dòng)，以匹配主端子處流動(dòng)的電 流。電流鏡電路是眾所周知的，并且可以使用場效應(yīng)晶體管或雙極晶體管來實(shí)現(xiàn)。


將進(jìn)一步參考附圖通過非限制性實(shí)例來描述本發(fā)明，其中
圖1示意性示出了構(gòu)成本發(fā)明第一實(shí)施例的電壓轉(zhuǎn)換電路；
圖2示意性示出了構(gòu)成本發(fā)明第二實(shí)施例的電壓轉(zhuǎn)換電路；
圖3示意性示出了使用雙極晶體管的可選的電流鏡結(jié)構(gòu)；以及
圖4示意性示出了本發(fā)明的另一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖1是與電流檢測電阻RSENSE —起使用的本發(fā)明第一實(shí)施例的電路圖，用于測量饋 電線路V^上的電壓，其中饋電線路上的電壓太大以致不能直接連接到測量電路。眾所周 知，該電阻RSENSE兩端的電壓降與流經(jīng)該電阻器的電流IHT成正比。為了測量該檢測電阻器 Rs,兩端的電壓降，一般以4來標(biāo)記的電壓轉(zhuǎn)換電路的第一輸入2連接至該電阻器Rs,的 第一端，而電壓轉(zhuǎn)換電路的第二輸入6連接至該電阻器RSENSE的第二端。第一電阻器8在第 一輸入2和電流鏡12的主輸入IO之間延伸。第二電阻器14連接在電壓轉(zhuǎn)換電路的第二輸 入6和該電流鏡12的副端子16之間。第一輸出端18也連接至該電流鏡12的副端子16。
在使用中該電流鏡的作用是，使在該鏡12的副端子16處流動(dòng)的電流跟蹤在主端 子IO處流動(dòng)的電流。該電流鏡包括連接在公知的電流鏡結(jié)構(gòu)中的第一和第二場效應(yīng)晶體 管20和22。場效應(yīng)晶體管20和22的柵極端連接在一起并且也連接至晶體管20的漏極， 該漏極形成電流鏡的主端子。第二晶體管22的漏極形成電流鏡的副端子，并且晶體管20 和22的源極連接在一起并連接到可以連接至任意電勢的公共節(jié)點(diǎn)24，但是該公共節(jié)點(diǎn)通 常連接至系統(tǒng)地電勢，地電勢在涉及電源的裝置的情況下通常是大地。
在使用中，晶體管20將主端子10處的電壓維持在與公共節(jié)點(diǎn)24處的電壓相當(dāng)接 近的電壓處。因此，當(dāng)VHT具有數(shù)十或數(shù)百伏電壓時(shí)，第一電阻器8兩端的電壓降基本上是 VHT(晶體管20兩端只出現(xiàn)很小的壓降)，而且電路設(shè)計(jì)者可以選擇電阻器8的值，以產(chǎn)生他 認(rèn)為適于在電流鏡內(nèi)流動(dòng)的任何電流值。通常，希望其以幾微安到幾百微安。假定所述晶體 管具有同樣的幾何尺寸，因?yàn)榫w管20和22是良好匹配的且其柵極保持在相同的電勢以 及其源極保持在相同的電勢，因此晶體管22將尋求傳導(dǎo)與流經(jīng)晶體管20相同的電流。如 果第二電阻器14精確地匹配第一電阻器8的值，則流經(jīng)該電阻器的電流將取決于電阻器兩 端的電壓降。該電壓降由電流檢測電阻器R，^兩端的電壓降改變。因此，當(dāng)負(fù)載電流Im 被提供到負(fù)載30時(shí)，流經(jīng)第二電阻器14的電流將略微不同于流經(jīng)第一電阻器8的電流，然 而，流經(jīng)晶體管20和22的電流是相同的。因此，任何的電流不平衡導(dǎo)致了電流流出輸出節(jié) 點(diǎn)18，或可選地流入輸出節(jié)點(diǎn)18。該電流的幅值正比于檢測電阻器Rs皿兩端的電壓降，該 電流的方向由流經(jīng)該檢測電阻器&皿的電流方向指示。在輸出18處產(chǎn)生的電流可以被直 接提供到電流模式測量電路。 許多使用者期望獲得電壓輸出而不是電流輸出。為此，可以修改如圖l所示的配 置，正如圖2所示，包括運(yùn)算放大器30。如圖所示，運(yùn)算放大器30的反相輸入32連接到第 一輸出18。另外，運(yùn)算放大器30的非反相輸入34連接到第二輸出36，所述第二輸出36連 接至電流鏡12的主端子10。提供反饋電路，在該例子中其包括帶有短路電路42的電容器40。在使用中，放大器30尋求保持其反相輸入32處的電壓與其非反相輸入34處的電壓相
等。因此，該放大器30的輸出44將達(dá)到任何需要的電壓，以便使流經(jīng)反饋元件40的電流
補(bǔ)償電阻器8和14之間的電流不平衡。當(dāng)反饋元件是電容器時(shí)，放大器44的輸出將分別
對(duì)第一和第二輸入2和6處出現(xiàn)的電壓差進(jìn)行積分，以使得在合適的時(shí)間段之后，可以完成
對(duì)電壓差的測量，以及因此完成對(duì)流經(jīng)該檢測電阻器RSENSE的電流的測量。 為了保持電路的正常操作，至少為了測量目的，電容器40需要通過開關(guān)42周期性
地放電，以使得放大器的輸出電壓不會(huì)變得受限于其電源軌(su卯lyrails)。 使用運(yùn)算放大器還具有如下優(yōu)勢，如上文所述，放大器尋求保持使得在其輸入處
產(chǎn)生的電壓彼此相等。這意味著，晶體管22兩端的漏極_源極電壓保持與晶體管20兩端
的漏極電壓相等。這進(jìn)一步改進(jìn)了在晶體管20和22每一個(gè)中流動(dòng)的電流的匹配。 如所述的，可以以雙極實(shí)現(xiàn)電流鏡，圖3示意性示出了使用雙極晶體管20'和
22'的可選電流鏡12'，其匹配使用場效應(yīng)晶體管20和22而實(shí)現(xiàn)的電流鏡12的作用。 電阻8和14可以連同電流鏡12和放大器30 —起形成在單塊集成電路中。在這
種情況下，各元件可以期望被很好地匹配，但是可以與電阻器8和14之一或二者相關(guān)聯(lián)地
提供附加的微調(diào)模塊(trimming block)。這種微調(diào)模塊一般包括與各個(gè)電阻器8或14串
聯(lián)或并聯(lián)的多個(gè)電阻器，由此微調(diào)電阻器可以被切換進(jìn)入或脫離導(dǎo)電，這種微調(diào)模塊對(duì)本
領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的?？蛇x的，電阻器8和14可以被提供作為外部元件，在這種情
況下，工程師可以包括附加的微調(diào)元件或者可以預(yù)先測量電阻器的值以將電阻器歸類為匹
配的對(duì)。 當(dāng)以很小的檢測電阻器R，^兩端的電壓降工作時(shí)，電流鏡可能表現(xiàn)出不希望有 的偏置。當(dāng)可能很難完全消除這些偏置時(shí)，可以通過使用交換電流鏡(sw即ping current mirror)使該偏置能夠被測量或使差分量能夠從直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成交流電流信號(hào)。
因此，由檢測電阻器中的電流獲得的輸出電壓將轉(zhuǎn)變極性，而偏置電壓不轉(zhuǎn)變極 性，因此，周期性地運(yùn)行的交換電路50交換流入電流鏡的電流，使得期望的信號(hào)能夠從DC 偏置中分離出來。 交換電路包括第一至第四晶體管60a，62a，62b和60b。晶體管60a和62a的漏極 與第一電阻器8串聯(lián)連接。晶體管60a的源極連接到電流鏡的主端子，而晶體管62a的源 極連接至電流鏡的副端子。晶體管60a直接由交換控制信號(hào)"N0RMAL/^WXF"驅(qū)動(dòng)，而晶體 管62a接收該信號(hào)的反相形式。因此，流經(jīng)電阻器8的電流可以被導(dǎo)引到電流鏡的任何一 側(cè)。由晶體管60b和62b提供了相似配置以導(dǎo)引流經(jīng)電阻器14的電流。
因此，交換電路的操作可以用來量化在電壓轉(zhuǎn)換電路內(nèi)產(chǎn)生的偏置。晶體管60a， 62a，62b和60b都工作在低電壓。這對(duì)于在交換電路里插入延遲以確保在使用電路的同時(shí) 晶體管決不同時(shí)全部關(guān)斷是有利地。 因此，可以提供一種電壓轉(zhuǎn)換電路，抑制分別在其第一和第二輸入2和6處產(chǎn)生的 電壓的共模分量，而不會(huì)衰減輸入電壓之間的差分分量。
權(quán)利要求
電壓轉(zhuǎn)換電路，包括第一輸入、第二輸入、第一輸出、第一和第二阻抗以及具有主和副端子的電流鏡，其中，第一阻抗連接在第一輸入和電流鏡的主端子之間，第二阻抗連接在第二輸入和電流鏡的副端子之間，以及第一輸出連接到電流鏡的副端子。
2. 如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)一步包括連接到第一輸出的電流電壓轉(zhuǎn)換器。
3. 如權(quán)利要求2所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，其中，電流電壓轉(zhuǎn)換器具有積分器。
4. 如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)一步包括連接到電流鏡的主端子的第二輸出。
5. 如權(quán)利要求4所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)一步包括具有非反相輸入、反相輸入和放大 器輸出的運(yùn)算放大器，其中放大器的一個(gè)輸入連接到第一輸出，放大器的另一個(gè)輸入連接 到第二輸出，以及反饋元件連接在放大器輸出和放大器的反相輸入之間。
6. 如權(quán)利要求5所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，其中，反相輸入連接到第一輸出，以及非反相輸 入連接到第二輸出。
7. 如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，其中，第一和第二阻抗是電阻器。
8. 如權(quán)利要求7所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)一步包括用來調(diào)節(jié)第一和第二電阻器中的至 少一個(gè)的值的微調(diào)電路。
9. 如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，其中，電流鏡包括第一和第二場效應(yīng)晶體管，其 每一個(gè)都具有漏極、源極和柵極，并且其中第一場效應(yīng)晶體管的漏極連接到電流鏡的主端 子，第二場效應(yīng)晶體管的漏極連接到電流鏡的副端子，第一和第二場效應(yīng)晶體管的源極連 接到公共端子，以及第一和第二場效應(yīng)晶體管的柵極連接到電流鏡的主端子。
10. 如權(quán)利要求1所述的電壓轉(zhuǎn)換電路，其中電流鏡包括第一和第二雙極晶體管，其每 一個(gè)都具有集電極、發(fā)射極和基極，其中第一晶體管的集電極連接到電流鏡的主端子，第二 端子的集電極連接到電流鏡的副端子，第一和第二晶體管的發(fā)射極連接到公共端子，以及 第一和第二晶體管的基極連接到電流鏡的主端子。
全文摘要
電壓轉(zhuǎn)換電路包括第一輸入(2)、第二輸入(6)、第一輸出(18)、第一和第二阻抗(8，14)以及具有主(10)和從(16)端子的電流鏡(12)，其中，第一阻抗連接在第一輸入和電流鏡的主端子之間，第二阻抗連接在第二輸入和電流鏡的副端子之間，以及第一輸出連接到電流鏡的副端子。
文檔編號(hào)G01R19/00GK101772708SQ200880102213
公開日2010年7月7日 申請日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者P·J·湯吉 申請人:阿納洛格裝置公司