CN100557452C - 电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电流检测电路。有效地检测电压检测电阻上的压降。电流检测电阻的上侧电压和下侧电压通过第1和第2开关被提供给主电容器的一端。向主电容器的另一端通过第3开关提供基准电压。主电容器的另一端的电压被输入到运算放大器的负输入端，向该正输入端输入基准电压。在接通第1和第3开关、断开第2开关的状态下，将相当于下侧电压与基准电压之差的电压充电到主电容器，在断开第1和第3开关、接通第2开关的状态下，在第1电容器的另一端获得相当于上侧电压和下侧电压之差与基准电压之和的电压，利用运算放大器从该电压减去基准电压，由此检测电流检测电阻的两端电压之差。

Description

电流检测电路
技术领域
本发明涉及一种利用电流检测电阻的两端电压之差来检测流过所述电流检测电阻的电流的电流检测电路。
背景技术
以往，可知如下的电流检测电路：在电流路径上配置电流检测电阻，利用电流检测电阻的两端电压之差来检测流过所述电流检测电阻的电流。在这种电路中，希望尽可能减小电流检测电阻的电阻值，从而尽量减小这里的压降。另一方面，当电流检测电阻上的压降变小时，难以检测该压降，特别是要检测微小电流时必须检测非常小的电压差，电流检测变得困难。
在专利文献1中，提出了如下的方案：用运算放大器来放大电流检测电阻两端的电压差，取出比较小的电压差。
专利文献1：日本特开2001-108712号公报
发明内容
发明要解决的问题
在此，在利用了运算放大器的情况下，由于用来决定其放大率的电阻而导致产生噪声等，使电流检测的精确度恶化。即，可知电阻产生热噪声，该热噪声的产生量是Vn2＝4·k·T·B·R。在此，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，B是带宽，R是电阻值。另外，运算放大器在其输出中产生偏置电压、噪声，由此也使电流检测的精确度恶化。
如果增大电流检测电阻的电阻值使得电流检测电阻上的压降变大，则可提高电流检测的精确度，但是导致损耗相应地变大。例如，在便携设备的电池电流的检测等中有如下的要求：为了有效利用电池能力，想尽可能减小电流检测电阻。这样，期望尽可能减小电流检测电阻上的压降且提高电流检测精度。
用于解决问题的方案
本发明是利用电流检测电阻的两端电压之差来检测流过上述电流检测电阻的电流的电流检测电路，其特征在于，具有：第1电容器，其一端通过第1和第2开关被提供上述电流检测电阻的上侧电压和下侧电压；第3开关，其切换是否将基准电压提供给第1电容器的另一端；以及运算放大器，其负输入端被输入与第1电容器的另一端的电压对应的电压，其正输入端被输入基准电压，获得两者之差，在接通第1开关和第3开关、断开第2开关的状态下，将相当于下侧电压和基准电压之差的电压充电到第1电容器，在断开第1开关和第3开关、接通第2开关的状态下，在第1电容器的另一端获得相当于上侧电压和下侧电压之差与基准电压之和的电压，由运算放大器从该电压减去基准电压，从而检测电流检测电阻的两端电压之差。
另外，最好还包括：第2电容器，其配置在上述第1电容器的另一端与上述运算放大器的负输入端之间；以及第4开关，其切换是否连接到运算放大器的输出和运算放大器的负输入端，使第4开关与第1开关相同地接通断开，在接通第4开关的状态下预先将运算放大器的偏置部分的电压充电到第2电容器，在断开第4开关的状态下，在第1电容器的另一端的电压上加上运算放大器的偏置量而输入到运算放大器的负输入端，由此补偿运算放大器的输出中的偏置。
另外，最好还包括：第3电容器，其一端连接在第1电容器的另一端上；以及第5开关，其一端连接在该第3电容器的另一端，其另一端与运算放大器的输出连接，在接通上述第5开关的状态下在第3电容器中多次蓄积与电流检测电阻上的压降对应的电荷，从而得到边减少输入换算噪声的比例边对运算放大器相对于与电流检测电阻上的压降对应的电荷的输入换算噪声进行积分而得到的输出。
另外，最好还具有第6开关，该第6开关配置在上述第1电容器的另一端与上述运算放大器的负输入端之间，控制是否将与第1电容器的另一端的电压对应的电压输入到负输入端。
另外，最好还包括：第2电容器，其配置在上述第6开关与上述运算放大器的负输入端之间；第4开关，其切换是否连接到运算放大器的输出和运算放大器的负输入端；以及第8开关，其切换是否向上述第6开关和上述第2电容器的连接部提供基准电压，通过在断开第6开关的状态下接通上述第4开关，预先将运算放大器的偏置部分的电压充电到第2电容器，通过在断开第4开关的状态下在第1电容器的另一端的电压上加上运算放大器的偏置量而输入到运算放大器的负输入端，补偿运算放大器的输出中的偏置。
发明的效果
根据本发明，可利用开关和电容器，向运算放大器输入电流检测电阻上的压降。因此，能够不受电阻上的热噪音的影响而进行电流检测。
另外，可通过消除运算放大器的偏置电压来提高检测精确度。
并且，通过对电流检测电阻上的压降进行积分，能够边减少关于噪声的比例边相加成为对象的压降。
附图说明
图1是表示实施方式中的第1状态的图。
图2是表示实施方式中的第2状态的图。
图3是表示变形例中的第1状态的图。
图4是表示变形例中的第2状态的图。
图5是表示变形例中的第3状态的图。
附图标记说明
CA1：第1端子；CA2：第2端子；Cf：积分电容器；Ci：主电容器；Coff：偏置补偿用电容器；OP：运算放大器；Rs：电流检测电阻；S1：第1开关；S2：第2开关；S3：第3开关；S4：第4开关；S5：第5开关；S6：第6开关；S7：第7开关；S8：第8开关。
具体实施方式
下面，根据附图说明本发明的实施方式。
图1、图2示出了实施方式所涉及的电流检测电路的结构。图1示出了关于开关的第1状态，图2示出了关于开关的第2状态。
该电流检测电路例如检测便携设备的电池电流，有效地检测出数百μV程度的电压。
在电流检测电阻Rs中流过成为检测对象的电流I。如果电流检测电阻Rs的电阻值是Rs，则成为检测对象的该电流检测电阻Rs上的压降(两端的电压差)成为Rs·I。
电流检测电阻Rs外置于IC(半导体集成电路)，电流检测电阻Rs的下侧与第1端子CA1连接，上侧与第2端子CA2连接。第1端子CA1通过第1开关S1、第2端子CA2通过第2开关S2，连接在主电容器(第1电容器)Ci的一端。
在主电容器Ci的另一端上通过第3开关S3连接有基准电压VREF的基准电源VREF。另外，主电容器Ci的另一端与偏置补偿用电容器(第2电容器)Coff的一端连接，该偏置补偿用电容器Coff的另一端连接在运算放大器OP的负输入端(-)上。另外，在运算放大器OP的正输入端(+)上连接有基准电源VREF，并且运算放大器OP的输出端与负输入端通过第4开关S4连接。
而且，在主电容器Ci与偏置补偿用电容器Coff的连接点上连接有积分电容器(第3电容器)Cf的一端，该积分电容器Cf的另一端连接在第5开关S5的一端上。并且，第5开关S5的另一端连接在运算放大器OP的输出端上。此外，在运算放大器OP中获得检测信号VO。
在这种结构中，第1、第3、第4开关S1、S3、S4的组与第2、第5开关的组互补地接通断开。在图1中示出了接通第1、第3、第4开关S1、S3、S4并断开第2、第5开关S2、S5的第1状态，在图2中示出了断开第1、第3、第4开关S1、S3、S4并接通第2、第5开关S2、S5的第2状态。
在本实施方式中，交替地重复这种第1状态与第2状态。因此，以下说明此时的作用。
首先，在第1状态下，电流检测电阻的下侧电压VCA1被提供给主电容器Ci的一端，向主电容器Ci的另一端提供基准电压VREF。因而，在主电容器Ci中蓄积Qi1＝(VCA1-VREF)/Ci。
另一方面，接通了第4开关S4，运算放大器OP的输出端与负输入端短路，向正输入端输入基准电压VREF。因而，虽然运算放大器OP的输出应成为VREF，但是运算放大器OP的输出端成为相加了偏置电压Voff的电压VREF+Voff，负输入端也成为相同的电压。由于偏置补偿用电容器Coff的与主电容器Ci连接的一侧提供有基准电压VREF，因此在偏置补偿用电容器Coff中蓄积Qoff＝Voff/Coff的电荷。
接着，当成为第2状态时，第1开关S1、第3开关S3，第4开关S4被断开，蓄积在偏置补偿用电容器Coff中的电荷Qoff由于没有放电路径而维持原样。因而，当在偏置补偿用电容器Coff的主电容器Ci侧的端子上施加电压时，该电压通过充电了偏置电压Voff的偏置补偿用电容器Coff而施加在运算放大器OP的负输入端上，因此可视为消除了偏置电压的运算放大器OP的负输入端。
另外，在第2状态下，向主电容器Ci的一端提供电流检测电阻的上侧电压VCA2。因而，此时蓄积在主电容器Ci中的电荷成为Qi2＝Qi1＝(VCA2-VREF)/Ci。在这种情况下，作为主电容器Ci的蓄积电荷量的差的Qi1-Qi2除了积分电容器Cf之外没有放电路径，因此向积分电容器Cf放电。因此，在积分电容器Cf的两端产生(VCA1-VCA2)·Ci/Cf+Vn·Ci/Cf的电压。
并且，当进行n次从如上所述的第1状态向第2状态的切换时，在积分电容器Cf的两端产生(VCA1-VCA2)·n·Ci/Cf+Vn·
Figure C20071011249100101
Ci/Cf的电压。即，虽然作为电流检测电阻Rs两端的电压差(压降)的(VCA1-VCA2)Ci/Cf被放大为n倍，但是运算放大器OP的噪声Vn只被放大
Figure C20071011249100102
·Ci/Cf。因而，关于由运算放大器OP放大的输出VO，其S/N比被改善
Figure C20071011249100103
倍。这是因为，作为检测对象的压降(VCA1-VCA2)是固定的信号，直接被相加，但是噪音Vn的相位是随机的，被相乘相加。
这样，根据本实施方式，能够使用利用电容器来输送电压的开关和电容器电路，不受电阻的热噪音影响地检测出电流检测电阻Rs的两端电压。另外，通过在偏置补偿用电容器Coff中蓄积偏置电压Voff，可消除运算放大器OP的输出中的偏置电压Voff。并且，利用积分电容器Cf对电流检测电阻Rs上的压降进行n次积分，从而能够改善S/N比而将输出放大为n倍。
“其它的结构”
在上述的实施例中设置了偏置补偿用电容器Coff、第4开关S4、积分电容器Cf、第5开关S5，但是未必需要设置这些。
例如，不设置偏置补偿用电容器Coff而将与主电容器Ci的第3开关S3连接的端子直接连接到运算放大器OP的负输入端，消除将配置第4开关S4的运算放大器OP的输出端与负输入端连接的路径，且消除设置了积分电容器Cf、第5开关S5的路径。
在这种情况下，在第1状态下主电容器Ci的一端成为VCA1，另一端成为VREF。并且，当从第1状态转到第2状态时，主电容器Ci的一端变化为VCA2，因而主电容器Ci的另一端成为VREF+(VCA2-VCA1)，在运算放大器OP的输出中获得(VCA2-VCA1)。但是，不能消除运算放大器OP的偏置量Voff。
另外，在删除设置了积分电容器Cf、第5开关S5的路径、并设置了用于补偿偏置的偏置补偿用电容器Coff、第4开关S4的情况下，如上所述在第1状态下在偏置补偿用电容器Coff中蓄积偏置电压Voff，因此在第2状态下主电容器Ci的另一端成为VREF+(VCA2-VCA1)的情况下，能够在运算放大器OP的输出中消除偏置电压Voff。
并且，在省略偏置补偿用电容器Coff、第4开关S4、并设置了积分电容器Cf、第5开关S5的情况下，虽然不能消除偏置，但是如上所述能够对输出进行积分。
在图3～图5中示出了本实施方式的变形例。在该变形例中，追加了第6开关，并且代替第3开关而设置了第7开关S7、第8开关S8。即，没有与第1开关S1、第2开关S2连接的主电容器Ci的另一端通过第6开关S 6连接在偏置补偿用电容器Coff上。另外，第6开关的连接部的两端通过第7开关S7和第8开关S8连接在基准电源VREF上。另外，积分电容器Cf的一端连接在第6开关S6与偏置补偿用电容器Coff的连接部上。此外，在功能上，第7开关S7相当于用第3开关S 3向主电容器Ci蓄积电荷，第8开关S8相当于用第3开关S3向偏置补偿用电容器Coff充电。
在该变形例中，如图3(第1状态)所示，首先断开第5和第6开关S5、S6并接通第8和第4开关S8、S4。由此，运算放大器OP的输出端与负输入端短路，正输入端被输入基准电压VREF，运算放大器OP的输出成为VREF+Voff，负输入端也成为相同的电压。另一方面，由于在偏置补偿用电容器Coff的主电容器Ci侧被提供基准电压VREF，因此在偏置补偿用电容器Coff中蓄积Qoff＝Voff/Coff的电荷。
此外，在图3中，接通第2开关S2并接通第7开关S7，将电压VCA2与基准电压VREF之差的电压充电到主电容器Ci中。但是，也可以断开第2和第7开关S2、S7。
接着，如图4(第2状态)所示，接通第2和第7开关S2、S7，断开第8和第4开关S8、S4。由此，将电压VCA2与基准电压VREF之差的电压充电到主电容器Ci，蓄积(VCA2-VREF)/Ci的电荷。此外，在图4中为了使以后的动作容易而接通了第5开关S5，但是也可以仍保持断开。
接着，如图5(第3状态)所示，接通第1、第5以及第6开关S1、S5、S6，断开第2和第7开关S2、S7。由此，在积分电容器Cf中存储图4的状态下蓄积在主电容器Ci中的电荷与图5的状态下蓄积在主电容器Ci中的电荷之差即(VCA2-VCA1)×Ci的电荷。
因而，通过重复n次图4的状态(第2状态)和第5状态(第3状态)，VCA1与VCA2的电位差成为n倍，在输出中获得该值。
在此在该例中，在第2状态和第3状态下接通第5开关S5，保持第4和第8开关S4、S8断开。因而，能够更稳定地进行n次的积分。另外，进行1次将运算放大器OP的偏置电压充电到偏置补偿用电容器Coff的工序之后，对VCA1与VCA2的电位差进行积分，因此使整体动作稳定。

Claims (6)

1.一种电流检测电路，利用电流检测电阻的两端电压之差来检测流过上述电流检测电阻的电流，其特征在于，具有：
第1电容器，其一端通过第1和第2开关被提供上述电流检测电阻的上侧电压和下侧电压；
第3开关，其切换是否将基准电压提供给第1电容器的另一端；以及
运算放大器，其负输入端被输入与第1电容器的另一端的电压对应的电压，其正输入端被输入基准电压，获得两者之差，
在接通第1开关和第3开关、断开第2开关的状态下，将相当于下侧电压和基准电压之差的电压充电到第1电容器，在断开第1开关和第3开关、接通第2开关的状态下，在第1电容器的另一端获得相当于上侧电压和下侧电压之差与基准电压之和的电压，由运算放大器从该电压减去基准电压，从而检测电流检测电阻的两端电压之差。
2.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，还包括：
第2电容器，其配置在上述第1电容器的另一端与上述运算放大器的负输入端之间；以及
第4开关，其切换是否连接到运算放大器的输出和运算放大器的负输入端，
使第4开关与第1开关相同地接通断开，在接通第4开关的状态下预先将运算放大器的偏置部分的电压充电到第2电容器，在断开第4开关的状态下，在第1电容器的另一端的电压上加上运算放大器的偏置量而输入到运算放大器的负输入端，由此补偿运算放大器的输出中的偏置。
3.根据权利要求1或者2所述的电流检测电路，其特征在于，还包括：
第3电容器，其一端连接在第1电容器的另一端上；以及
第5开关，其一端连接在该第3电容器的另一端，其另一端与运算放大器的输出连接，
在接通上述第5开关的状态下在第3电容器中多次蓄积与电流检测电阻上的压降对应的电荷，从而得到边减少输入换算噪声的比例边对运算放大器相对于与电流检测电阻上的压降对应的电荷的输入换算噪声进行积分而得到的输出。
4.根据权利要求1所述的电流检测电路，其特征在于，
还具有第6开关，该第6开关配置在上述第1电容器的另一端与上述运算放大器的负输入端之间，控制是否将与第1电容器的另一端的电压对应的电压输入到负输入端。
5.根据权利要求4所述的电流检测电路，其特征在于，还包括：
第2电容器，其配置在上述第6开关与上述运算放大器的负输入端之间；
第4开关，其切换是否连接到运算放大器的输出和运算放大器的负输入端；以及
第8开关，其切换是否向上述第6开关和上述第2电容器的连接部提供基准电压，
通过在断开第6开关的状态下接通上述第4开关，预先将运算放大器的偏置部分的电压充电到第2电容器，通过在断开第4开关的状态下在第1电容器的另一端的电压上加上运算放大器的偏置量而输入到运算放大器的负输入端，补偿运算放大器的输出中的偏置。
6.根据权利要求5所述的电流检测电路，其特征在于，还包括：
第3电容器，其一端连接在第6开关与第2电容器的连接部上；以及
第5开关，其一端连接在该第3电容器的另一端上，其另一端与运算放大器的输出连接，
在接通上述第5开关的状态下在上述第3电容器中多次蓄积与电流检测电阻上的压降对应的电荷，从而得到边减少输入换算噪声的比例边对运算放大器相对于与电流检测电阻上的压降对应的电荷的输入换算噪声进行积分而得到的输出。
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