CN101772708B - 电压转换电路 - Google Patents
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Abstract
电压转换电路包括：第一输入(2)、第二输入(6)、第一输出(18)、第一和第二阻抗(8，14)以及具有主(10)和从(16)端子的电流镜(12)，其中，第一阻抗连接在第一输入和电流镜的主端子之间，第二阻抗连接在第二输入和电流镜的副端子之间，以及第一输出连接到电流镜的副端子。
Description
技术领域
本发明涉及电压转换电路。这样的电路特别用于从两个电压测量值中去除共模分量，以使得可以更容易地确定这些测量值之间的差。
背景技术
经常希望能够进行两次测量，并且去除那些测量值的共模分量以查看所述测量值之间的差。作为例子，考虑向负载提供电能的相对高压的馈电线路。可能希望测量提供给负载的电流，并且这可以通过插入与该负载串联的低值检测电阻RSENSE来完成。在该电阻的馈电侧的电压将是电源电压VHT，而在检测电阻的负载端的电压将是VHT-(RSENSE×IHT)，其中IHT表示流过该电阻的电流。VHT可能是数十或数百伏，而检测电阻RSENSE两端的电压降可能仅在毫伏的范围内。
经常希望放大检测电阻RSENSE两端的电压降，而后将其提供给其他电路，在所述电路中该值可以被显示或使用。然而，放大器和后续的元件常在相对于地电势的相对低的电压处工作，所述电压例如是5伏或更小。用来形成这些元件的半导体工艺常常不适合高电压，并且经常不能无损地耐受高电压。
已知产生在检测电阻RSENSE两端的电压可以被电阻分压器所衰减，使得该分压器输出处的电压适于提供给放大器或者其他使用相对低电压晶体管的信号处理电路。然而，分压器平等地衰减了共模电压和差分电压，并且在分压器中使用的电阻器充当了噪声源。
发明内容
根据本发明，提供了电压转换电路，包括：第一输入、第二输入、第一输出、第一和第二阻抗以及具有主和副端子的电流镜，其中，第一阻抗连接在第一输入和电流镜的主端子之间，第二阻抗连接在第二输入和该电流镜的副端子之间，以及第一输出连接到电流镜的副端子。
当面对具有共模分量和差模分量的第一和第二信号时，可以利用电流镜的作用来除去共模分量而不衰减差分分量，其中，该共模分量是第一和第二信号共有的，该差模分量表示第一和第二信号之间的差。
该输出可能以电流模式的方式操作，以使得在输出处流动的电流幅值和方向直接表示提供到电压转换电路的第一和第二输入的信号之间的差。然而，为了提供表示第一和第二输入之间的电压差的电压输出，电流电压转化电路可以连接至第一输出。
有利的是，电压转换电路具有连接至电流镜的主端子的第二输出。在第一和第二输出处的电压可能而后被提供到运算放大器，该运算放大器可以被设置成仅放大该电压差或者可以被设置成执行其他功能，诸如积分。
电流镜可以由任何合适的技术实现，其中，在代表主端子的电流镜的第一端子处流动的电流用来促使电流在代表副端子的其第二端子处流动，以匹配主端子处流动的电流。电流镜电路是众所周知的，并且可以使用场效应晶体管或双极晶体管来实现。
附图说明
将进一步参考附图通过非限制性实例来描述本发明，其中：
图1示意性示出了构成本发明第一实施例的电压转换电路；
图2示意性示出了构成本发明第二实施例的电压转换电路；
图3示意性示出了使用双极晶体管的可选的电流镜结构；以及
图4示意性示出了本发明的另一实施例。
具体实施方式
图1是与电流检测电阻RSENSE一起使用的本发明第一实施例的电路图，用于测量馈电线路VHT上的电压，其中馈电线路上的电压太大以致不能直接连接到测量电路。众所周知，该电阻RSENSE两端的电压降与流经该电阻器的电流IHT成正比。为了测量该检测电阻器RSENSE两端的电压降，一般以4来标记的电压转换电路的第一输入2连接至该电阻器RSENSE的第一端，而电压转换电路的第二输入6连接至该电阻器RSENSE的第二端。第一电阻器8在第一输入2和电流镜12的主输入10之间延伸。第二电阻器14连接在电压转换电路的第二输入6和该电流镜12的副端子16之间。第一输出端18也连接至该电流镜12的副端子16。
在使用中该电流镜的作用是，使在该镜12的副端子16处流动的电流跟踪在主端子10处流动的电流。该电流镜包括连接在公知的电流镜结构中的第一和第二场效应晶体管20和22。场效应晶体管20和22的栅极端连接在一起并且也连接至晶体管20的漏极，该漏极形成电流镜的主端子。第二晶体管22的漏极形成电流镜的副端子，并且晶体管20和22的源极连接在一起并连接到可以连接至任意电势的公共节点24，但是该公共节点通常连接至系统地电势，地电势在涉及电源的装置的情况下通常是大地。
在使用中，晶体管20将主端子10处的电压维持在与公共节点24处的电压相当接近的电压处。因此，当VHT具有数十或数百伏电压时，第一电阻器8两端的电压降基本上是VHT(晶体管20两端只出现很小的压降)，而且电路设计者可以选择电阻器8的值，以产生他认为适于在电流镜内流动的任何电流值。通常，希望其以几微安到几百微安。假定所述晶体管具有同样的几何尺寸，因为晶体管20和22是良好匹配的且其栅极保持在相同的电势以及其源极保持在相同的电势，因此晶体管22将寻求传导与流经晶体管20相同的电流。如果第二电阻器14精确地匹配第一电阻器8的值，则流经该电阻器的电流将取决于电阻器两端的电压降。该电压降由电流检测电阻器RSENSE两端的电压降改变。因此，当负载电流IHT被提供到负载30时，流经第二电阻器14的电流将略微不同于流经第一电阻器8的电流，然而，流经晶体管20和22的电流是相同的。因此，任何的电流不平衡导致了电流流出输出节点18，或可选地流入输出节点18。该电流的幅值正比于检测电阻器RSENSE两端的电压降，该电流的方向由流经该检测电阻器RSENSE的电流方向指示。在输出18处产生的电流可以被直接提供到电流模式测量电路。
许多使用者期望获得电压输出而不是电流输出。为此，可以修改如图1所示的配置，正如图2所示，包括运算放大器30。如图所示，运算放大器30的反相输入32连接到第一输出18。另外，运算放大器30的非反相输入34连接到第二输出36，所述第二输出36连接至电流镜12的主端子10。提供反馈电路，在该例子中其包括带有短路电路42的电容器40。在使用中，放大器30寻求保持其反相输入32处的电压与其非反相输入34处的电压相等。因此，该放大器30的输出44将达到任何需要的电压，以便使流经反馈元件40的电流补偿电阻器8和14之间的电流不平衡。当反馈元件是电容器时，放大器44的输出将分别对第一和第二输入2和6处出现的电压差进行积分，以使得在合适的时间段之后，可以完成对电压差的测量，以及因此完成对流经该检测电阻器RSENSE的电流的测量。
为了保持电路的正常操作，至少为了测量目的，电容器40需要通过开关42周期性地放电，以使得放大器的输出电压不会变得受限于其电源轨(supplyrails)。
使用运算放大器还具有如下优势，如上文所述，放大器寻求保持使得在其输入处产生的电压彼此相等。这意味着，晶体管22两端的漏极-源极电压保持与晶体管20两端的漏极电压相等。这进一步改进了在晶体管20和22每一个中流动的电流的匹配。
如所述的，可以以双极实现电流镜，图3示意性示出了使用双极晶体管20′和22′的可选电流镜12′，其匹配使用场效应晶体管20和22而实现的电流镜12的作用。
电阻8和14可以连同电流镜12和放大器30一起形成在单块集成电路中。在这种情况下，各元件可以期望被很好地匹配，但是可以与电阻器8和14之一或二者相关联地提供附加的微调模块(trimming block)。这种微调模块一般包括与各个电阻器8或14串联或并联的多个电阻器，由此微调电阻器可以被切换进入或脱离导电，这种微调模块对本领域技术人员来说是公知的。可选的，电阻器8和14可以被提供作为外部元件，在这种情况下，工程师可以包括附加的微调元件或者可以预先测量电阻器的值以将电阻器归类为匹配的对。
当以很小的检测电阻器RSENSE两端的电压降工作时，电流镜可能表现出不希望有的偏置。当可能很难完全消除这些偏置时，可以通过使用交换电流镜(swapping current mirror)使该偏置能够被测量或使差分量能够从直流电流信号转换成交流电流信号。
因此，由检测电阻器中的电流获得的输出电压将转变极性，而偏置电压不转变极性，因此，周期性地运行的交换电路50交换流入电流镜的电流，使得期望的信号能够从DC偏置中分离出来。
交换电路包括第一至第四晶体管60a，62a，62b和60b。晶体管60a和62a的漏极与第一电阻器8串联连接。晶体管60a的源极连接到电流镜的主端子，而晶体管62a的源极连接至电流镜的副端子。晶体管60a直接由交换控制信号“NORMAL/SWAP”驱动，而晶体管62a接收该信号的反相形式。因此，流经电阻器8的电流可以被导引到电流镜的任何一侧。由晶体管60b和62b提供了相似配置以导引流经电阻器14的电流。
因此，交换电路的操作可以用来量化在电压转换电路内产生的偏置。晶体管60a，62a，62b和60b都工作在低电压。这对于在交换电路里插入延迟以确保在使用电路的同时晶体管决不同时全部关断是有利地。
因此，可以提供一种电压转换电路，抑制分别在其第一和第二输入2和6处产生的电压的共模分量，而不会衰减输入电压之间的差分分量。
Claims (19)
1.一种电压转换电路，包括：
第一输入、第二输入、以及连接在所述第一输入和第二输入之间的检测阻抗；
电流镜，具有主端子和副端子；
第一阻抗，连接在所述第一输入和所述主端子之间；
第二阻抗，连接在所述第二输入和所述副端子之间；以及
交换电路，其连接到所述电流镜，用于响应于交换控制信号将流过第一阻抗的电流导引至所述主端子和副端子中的一个。
2.如权利要求1所述的电压转换电路，其中所述电流镜包括参考电势、具有第一端子、第二端子和栅极端子的第一晶体管以及具有第一端子、第二端子和栅极端子的第二晶体管，其中所述第一晶体管的第一端子连接到所述主端子，其中所述第一晶体管的栅极端子连接到所述主端子，其中所述第一晶体管的第二端子连接到所述参考电势，其中所述第二晶体管的第一端子连接到所述参考电势，其中所述第二晶体管的栅极端子连接到所述主端子，以及其中所述第二晶体管的第二端子连接到所述副端子。
3.如权利要求1所述的电压转换电路，其中所述第一输入连接到高压馈电线路。
4.如权利要求1所述的电压转换电路，其中所述第二输入连接到负载。
5.如权利要求1所述的电压转换电路，其中所述电流镜包括两个场效应晶体管。
6.如权利要求1所述的电压转换电路，其中所述第一阻抗和第二阻抗具有基本上相同的特性。
7.如权利要求1所述的电压转换电路，进一步包括：
运算放大器opAmp，包括：
非反相输入，连接到所述主端子；
反相输入，连接到所述副端子；
opAmp输出，以反馈回路连接到所述反相输入；以及
电压输出，连接到opAmp输出。
8.如权利要求7所述的电压转换电路，进一步包括：
电容元件，串联连接在所述反馈回路中。
9.如权利要求7所述的电压转换电路，进一步包括：
重置元件，与所述反馈回路并联连接。
10.如权利要求1所述的电压转换电路，进一步包括：
电流电压转换器，连接到所述电流镜的电流输出。
11.如权利要求10所述的电压转换电路，其中，所述电流电压转换器具有积分器。
12.一种电压转换电路，包括：
第一输入、第二输入、以及连接在所述第一输入和第二输入之间的检测阻抗；
电流镜，具有主端子和副端子，
交换部件，具有第一交换连接点和第二交换连接点；
第一阻抗，连接在所述第一输入和第一交换连接点之间；
第二阻抗，连接在所述第二输入和第二交换连接点之间；
电流输出，连接在所述副端子和第二交换连接点之间，其中所述电流输出包含与检测阻抗两端的电压降成正比的电流；以及
交换控制信号输入，其中所述交换部件包括四个晶体管S1至S4，每个晶体管具有第一和第二连接端子和栅极端子，其中所述第一交换连接点连接到S1和S2的第一端子，其中所述第二交换连接点连接到S3和S4的第一端子，其中S1和S3的第二端子连接到主端子，其中S2和S4的第二端子连接到副端子，其中S1和S4的栅极端子连接到交换控制信号输入，以及其中S2和S3的栅极端子连接到反相交换控制信号输入。
13.如权利要求12所述的电压转换电路，进一步包括：
运算放大器opAmp，包括：
非反相输入，连接到所述第一交换连接点；
反相输入，连接到所述第二交换连接点；
opAmp输出，以反馈回路连接到所述反相输入；以及
电压输出，连接到opAmp输出。
14.一种电压转换电路，包括：
第一和第二输入，第一和第二输出，第一和第二阻抗，具有主端子和副端子的电流镜，以及交换电路，其中：
第一阻抗连接在第一输入和交换电路的第一输入之间；
第二阻抗连接在第二输入和交换电路的第二输入之间；
交换电路的第一输出连接到所述电流镜的主端子；
交换电路的第二输出连接到所述电流镜的副端子；
所述第一输出连接到交换电路的第一输入；
所述第二输出连接到交换电路的第二输入；以及其中，在使用时，所述交换电路用于响应于交换控制信号将流过第一阻抗的电流导引至所述主端子和副端子中的一个。
15.如权利要求14所述的电压转换电路，其中所述交换电路用于响应于交换控制信号将流过第二阻抗的电流导引至所述主端子和副端子中的一个。
16.如权利要求14所述的电压转换电路，进一步包括具有非反相输入、反相输入和放大器输出的运算放大器，其中放大器的一个输入连接到第一输出，放大器的另一个输入连接到第二输出，以及反馈元件连接在放大器输出和放大器的反相输入之间。
17.如权利要求16所述的电压转换电路，其中，反相输入连接到第一输出，以及非反相输入连接到第二输出。
18.如权利要求14所述的电压转换电路，其中，电流镜包括第一和第二场效应晶体管，其每一个都具有漏极、源极和栅极，并且其中第一场效应晶体管的漏极连接到电流镜的主端子，第二场效应晶体管的漏极连接到电流镜的副端子，第一和第二场效应晶体管的源极连接到公共端子，以及第一和第二场效应晶体管的栅极连接到电流镜的主端子。
19.如权利要求14所述的电压转换电路，其中电流镜包括第一和第二双极晶体管，其每一个都具有集电极、发射极和基极，其中第一双极晶体管的集电极连接到电流镜的主端子，第二双极晶体管的集电极连接到电流镜的副端子，第一和第二双极晶体管的发射极连接到公共端子，以及第一和第二双极晶体管的基极连接到电流镜的主端子。
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