CN105759889A - 恒流电路以及具有其的传感器装置 - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/565—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor

Abstract

本发明提供输出电压的范围较大的恒流电路。第1晶体管(M1)和第2晶体管(M2)构成电流镜电路，通过电流控制电路(20)来使流过第2晶体管(M2)的第2电流(I2)保持恒定。因此，输出到负载(RL)的第1晶体管(M1)的第1电流(I1)被保持为与第2晶体管(M2)的第2电流(I2)相应的恒定的值。此外，由于第2晶体管(M2)的漏极电压(Vd2)被控制为与第1晶体管(M1)的漏极电压(Vd1)相等，因此即使输出端子(To)的电压(Vo)根据负载(RL)的阻抗的变化而发生变化，第1电流(I1)与第2电流(I2)之比也大致等于第1晶体管(M1)与第2晶体管(M2)的尺寸比“K”。即，第1晶体管(M1)和第2晶体管(M2)作为电流镜电路而高精度地进行动作。

Description

恒流电路以及具有其的传感器装置
技术领域
本发明涉及向负载提供恒定的电流的恒流电路和具有其的传感器装置。
背景技术
一般已知使用电流镜电路来对负载提供恒流的电路。在通常的电流镜电路中，由于在流过负载电流的一方的晶体管的电压(MOS晶体管的情况下是漏极-源极电压)、和流过恒定电流的另一方的晶体管的电压间出现差异，因此根据该电压的差异，负载电流发生变化。为此，在需要高恒流性能的情况下，一般追加共源共栅连接的晶体管。
图3是表示设置了共源共栅连接的晶体管的恒流电路的现有例的图。图3所示的恒流电路具有PMOS型的晶体管M11～14和恒流源CS1。晶体管M11和M12构成电流镜电路。晶体管M11以及M12的源极与电源电压VDD连接，其栅极与晶体管M12的漏极共同连接。晶体管M13和晶体管M11一起构成共源共栅电路。晶体管M13的源极与晶体管M11的漏极连接，其漏极经由负载RL与接地连接。晶体管M14产生提供给晶体管M13的栅极的偏置电压Vg。晶体管M14的源极与晶体管M12的漏极连接，其栅极和漏极经由恒流源CS1与接地连接。将在晶体管M14的栅极产生的偏置电压Vg输入到晶体管M13的栅极。
在图3所示的恒流电路中，输入到晶体管M13的栅极的偏置电压Vg成为根据恒流源CS1的电流值和晶体管M12以及M14的阈值电压而决定的大致恒定的电压。晶体管M11的漏极电压Vd成为相对于该偏置电压Vg高出晶体管M13的栅极-源极电压Vgs的电压。虽然若负载RL的阻抗变化，则晶体管M13的漏极电压Vo也随之变化，但和该电压变化相比，栅极-源极电压Vgs的变化十分小。因此，即使负载RL的阻抗变化，也能将晶体管M11的漏极电压Vd的变化抑制得微小。由于若晶体管M11的漏极电压Vd成为大致恒定，则晶体管M11的漏极电流成为大致恒定，因此恒流性能提升。
在图3所示的恒流电路中，在负载电流的输出端子To与电源电压VDD间设有2个晶体管(M11、M13)。因此，输出电压的范围被限制于比电源电压VDD低与2个晶体管(M12、M14)相应的过驱动电压相当的电压的电压。但是，所谓输出电压的范围被限制，意味着对同一阻抗的负载RL可提供的电流的范围被限制。在需要更多的电流的用途中，期望输出电压的范围较大。例如在从恒流电路向用于压电传感器等的电阻性传感器元件的电桥电路提供恒定的电流的情况下，提供的电流越大则电桥电路的输出信号的振幅就越大，为了提升SN比，期望恒流电路的输出电压范围尽可能大。
发明内容
本发明鉴于上述情况而作，其目的在于，提供输出电压的范围大的恒流电路和具有这样的恒流电路的传感器装置。
本发明的第1观点所涉及的恒流电路具有：第1晶体管，其流过输出到负载的第1电流；第2晶体管，其与所述第1晶体管构成电流镜电路；电流控制电路，其使流过所述第2晶体管的第2电流保持恒定；和电压控制电路，其将根据所述第2电流在所述第2晶体管产生的电压控制为与根据所述第1电流在所述第1晶体管产生的电压相等。
根据上述构成，所述第1晶体管和所述第2晶体管构成电流镜电路，并通过所述电流控制电路来使流过所述第2晶体管的所述第2电流保持恒定。因此，输出到负载的所述第1晶体管的所述第1电流被保持为与所述第2晶体管的所述第2电流相应的恒定的值。此外，由于在所述第2晶体管产生的电压被控制为与在所述第1晶体管产生的电压相等，因此即使在所述第1晶体管产生的电压根据所述负载的阻抗的变化等而发生变化，也容易将所述第1电流保持为与所述第2电流相应的恒定的值。
优选地，所述电压控制电路可以包括：第3晶体管，其设置在所述第2电流的电流路径上；和第1放大电路，其将根据所述第1电流在所述第1晶体管产生的电压、与根据所述第2电流在所述第2晶体管产生的电压之差放大，将与该放大结果相应的信号输入到所述第3晶体管的控制端子。
优选地，所述电流控制电路可以包括：电阻，其设置在所述第2电流的电流路径上；和第2放大电路，其将在所述电阻产生的电压与给定的基准电压之差放大，将与该放大结果相应的信号输入到所述第1晶体管以及所述第2晶体管的控制端子。
在该情况下，所述第1晶体管、所述第2晶体管以及所述第3晶体管可以是MOS晶体管。可以将所述第1晶体管的源极与所述第2晶体管的源极连接，将所述第1晶体管的栅极与所述第2晶体管的栅极连接，在所述第2晶体管与所述电阻之间的电流路径上设置所述第3晶体管。所述第1放大电路可以将所述第1晶体管的漏极的电压与所述第2晶体管的漏极的电压之差放大，将与该放大结果相应的信号输入到所述第3晶体管的栅极。所述第2放大电路可以将在所述电阻产生的电压与所述基准电压之差放大，将与该放大结果相应的信号输入到所述第1晶体管以及所述第2晶体管的栅极。
本发明的第2观点所涉及的传感器装置具有：使用电阻性传感器元件来构成的电桥电路；和向所述电桥电路提供恒定的电流的上述第1观点所涉及的恒流电路。
发明的效果
根据本发明，能够提供输出电压的范围较大的恒流电路。此外，能够提供向使用电阻性传感器元件而构成的电桥电路提供的电流量较大的传感器装置。
附图说明
图1是表示第1实施方式所涉及的恒流电路的构成的一例的图。
图2是表示第2实施方式所涉及的传感器装置的构成的一例的图。
图3是表示设置了共源共栅连接的晶体管的恒流电路的现有例的图。
标号的说明
10电压控制电路
20电流控制电路
21基准电压产生电路
41电桥电路
42恒流电路
43放大电路
44AD变换器
M1第1晶体管
M2第2晶体管
M3第3晶体管
OP1第1放大电路
OP2第2放大电路
I1第1电流
I2第2电流
Vr基准电压
具体实施方式
<第1实施方式>
图1是表示第1实施方式所涉及的恒流电路的构成的一例的图。
图1所示的恒流电路具有：PMOS型的第1晶体管M1以及第2晶体管M2、电压控制电路10、和电流控制电路20。
第1晶体管M1以及第2晶体管M2构成电流镜电路。第1晶体管M1以及第2晶体管M2相互的源极彼此连接，并且相互的栅极彼此连接。第1晶体管M1以及第2晶体管M2的源极与电源电压VDD连接，对其栅极输入后述的电流控制电路20的控制信号。
第1晶体管M1的漏极与电流的输出端子To连接，在输出端子To与接地之间连接负载RL。流过第1晶体管M1的第1电流I1从输出端子To输出到负载RL。
电流控制电路20进行控制，使流过第2晶体管M2的第2电流I2保持恒定。在图1的示例中，电流控制电路20具有：电阻R1、第2放大电路OP2、和基准电压产生电路21。
电阻R1设置于第2电流I2的电流路径。电阻R1的一方的端子与接地连接，另一方的端子经由后述的电压控制电路10与第2晶体管M2的漏极连接。电阻R1例如是可变电阻，通过调节其电阻值而能够将第1电流I1的电流值设定为所期望的值。
第2放大电路OP2将根据第2电流I2在电阻R1产生的电压Vs1与基准电压Vr之差放大，将与该放大结果相应的控制信号输出到第1晶体管M1以及第2晶体管M2的栅极。第2放大电路OP2例如是运算放大器，在非反相输入端子输入电阻R1的电压Vs1，在反相输入端子输入基准电压Vr。
电压控制电路10对根据第2电流I2在第2晶体管M2产生的漏极-源极间的电压进行控制，以使其等于根据第1电流I1在第1晶体管M1产生的漏极-源极间的电压。即，电压控制电路10进行控制，使得第2晶体管M2的漏极电压Vd2与第1晶体管M1的漏极电压Vd1相等。
在图1的示例中，电压控制电路10具有第3晶体管M3和第1放大电路OP1。
第3晶体管M3设置于第2晶体管M2与电阻R1之间的电流路径。第3晶体管M3的源极与第2晶体管M2的漏极连接，其漏极与电阻R1连接。
第1放大电路OP1将第1晶体管M1的漏极电压Vd1与第2晶体管M2的漏极电压Vd2之差放大，将与该放大结果相应的控制信号输入到第3晶体管M3的栅极。第1放大电路OP1例如是运算放大器，在非反相输入端子输入漏极电压Vd1，在反相输入端子输入漏极电压Vd2。
对具有上述构成的恒流电路的动作进行说明。
在通过第2电流I2而在电阻R1产生的电压Vs1与基准电压Vr相等的情况下，若将电阻R1的电阻值设为“R”，则第2电流I2的电流值成为“Vr/R”。由于若第2电流I2大于该电流值，则在电阻R1产生的电压Vs1上升，第2放大电路OP2的输出电压上升，第2晶体管M2的栅极电压上升，因而第2电流I2向减少的方向变化。相反，若第2电流I2小于电流值“Vr/R”，则第2放大电路OP2的输出电压降低，第2电流I2向增大的方向变化。通过该负反馈的动作，从而第2电流I2成为与电流值“Vr/R”大致相等。
另一方面，若第2晶体管M2的漏极电压Vd2低于第1晶体管M1的漏极电压Vd1，则第1放大电路OP1的输出电压上升，第3晶体管M3的栅极电压上升，第3晶体管M3的漏极电流减少，电阻R1的电压Vs1降低，第2放大电路OP2的输出电压降低，第2晶体管M2的栅极电压降低。由于若第2晶体管M2的栅极电压降低，则第2晶体管M2的栅极-源极间的电压增高，因而第2晶体管M2的漏极-源极间的电压降低，漏极电压Vd2向上升的方向变化。相反，若第2晶体管M2的漏极电压Vd2高于第1晶体管M1的漏极电压Vd1，则第1放大电路OP1的输出电压降低，第2放大电路OP2的输出电压上升，漏极电压Vd2向降低的方向变化。通过该负反馈的动作，从而第2晶体管M2的漏极电压Vd2成为与第1晶体管M1的漏极电压Vd1大致相等。
第1晶体管M1和第2晶体管M2由于在栅极-源极间被给予相同的电压，并且源极-漏极间的电压被控制为大致相等，因此第1电流I1与第2电流I2之比大致等于第1晶体管M1与第2晶体管M2的尺寸比。若将第1晶体管M1的尺寸设为第2晶体管M2的“K”倍，则第1电流I1大致成为第2电流I2的K倍。由于第2电流I2被控制为大致等于电流值“Vr/R”，因此第1电流I1大致可由下式来表示。
[式1]
I1＝K×(Vr/R)...(1)
如以上说明的那样，根据本实施方式所涉及的恒流电路，第1晶体管M1和第2晶体管M2构成电流镜电路，通过电流控制电路20来使流过第2晶体管M2的第2电流I保持恒定。因此，输出到负载RL的第1晶体管M1的第1电流I1保持为与第2晶体管M2的第2电流I2相应的恒定的值。
此外，由于第2晶体管M2的漏极电压Vd2被控制为与第1晶体管M1的漏极电压Vd1相等，因此即使根据负载RL的阻抗的变化而输出端子To的电压Vo(＝Vd1)发生变化，第1电流I1与第2电流I2之比也大致等于第1晶体管M1与第2晶体管M2的尺寸比“K”。即，第1晶体管M1和第2晶体管M2作为电流镜电路而高精度地动作。
因此，由于即使输出端子To的电压Vo发生变化，输出到负载RL的第1电流I1也能高精度地保持恒定，因而能够获得非常良好的恒流特性。
此外，根据本实施方式所涉及的恒流电路，设置在负载RL的电流路径上的晶体管即使只有一个(第1晶体管M1)也进行动作，因此与图3所示的现有的恒流电路相比，能够扩大输出电压Vo的范围。
<第2实施方式>
接下来说明本发明的第2实施方式。
图2是表示第2实施方式所涉及的传感器装置的构成的一例的图。图2所示的传感器装置例如是压力传感器，具有电桥电路41、恒流电路42、放大电路43和AD变换器44。
电桥电路41是使用电阻性传感器元件Rs1～Rs4构成的惠斯登电桥电路，输出与电阻性传感器元件Rs1～Rs4的电阻值的变化相应的检测信号S40。电阻性传感器元件Rs1～Rs4例如是压电电阻元件，电阻值根据压力而发生变化。
恒流电路42向电桥电路41提供恒定的电流。由此，电桥电路41的检测信号S40成为表示压电电阻元件的电阻值的变化的电压信号。该恒流电路42是上述的第1实施方式所涉及的恒流电路(图1)。
放大电路43将电桥电路41的检测信号S40放大。放大电路43也可以根据未图示的范围切换用的控制信号来切换放大增益。
AD变换器44将在放大电路43中放大后的信号从模拟信号变换成数字信号，作为检测数据DAT来输出。
根据第2实施方式所涉及的传感器装置，由于恒流电路42具有图1所示的构成，因此能够扩大从恒流电路42施加给电桥电路41的电压的范围，由此能够扩大提供给电桥电路41的电流的范围。因此，能够使电桥电路41的检测信号S40的振幅增大，能够提高SN比来提高测量精度。
以上说明了本发明的几个实施方式，但本发明并不限定于上述的实施方式，包含各种变形。即，在上述的实施方式中所列举的电路构成是一例，能够置换为实现同样功能的其他电路。
例如在图1所示的恒流电路中使用了基于PMOS型的晶体管(M1、M2)的电流镜电路，但在本发明的其他实施方式中，也可以使用基于NMOS型的晶体管的电流镜电路。
此外，在图1所示的恒流电路中，在电压控制电路10中使用了PMOS型的第3晶体管M3，但在本发明的其他实施方式中，也可以在电压控制电路中使用NMOS型的晶体管。
此外，用于恒流电路的晶体管并不限定于MOS型，也可以是双极型等其他种类的晶体管。

Claims (5)

1.一种恒流电路，其特征在于，具有：
第1晶体管，其流过输出到负载的第1电流；
第2晶体管，其与所述第1晶体管构成电流镜电路；
电流控制电路，其使流过所述第2晶体管的第2电流保持恒定；和
电压控制电路，其将根据所述第2电流在所述第2晶体管产生的电压控制为与根据所述第1电流在所述第1晶体管产生的电压相等。
2.根据权利要求1所述的恒流电路，其特征在于，
所述电压控制电路包括：
第3晶体管，其设置在所述第2电流的电流路径上；和
第1放大电路，其将根据所述第1电流在所述第1晶体管产生的电压、与根据所述第2电流在所述第2晶体管产生的电压之差放大，将与该放大结果相应的信号输入到所述第3晶体管的控制端子。
3.根据权利要求2所述的恒流电路，其特征在于，
所述电流控制电路包括：
电阻，其设置在所述第2电流的电流路径上；和
第2放大电路，其将在所述电阻产生的电压与给定的基准电压之差放大，将与该放大结果相应的信号输入到所述第1晶体管以及所述第2晶体管的控制端子。
4.根据权利要求3所述的恒流电路，其特征在于，
所述第1晶体管、所述第2晶体管以及所述第3晶体管是MOS晶体管，
所述第1晶体管的源极与所述第2晶体管的源极连接，
所述第1晶体管的栅极与所述第2晶体管的栅极连接，
在所述第2晶体管与所述电阻之间的电流路径上设置所述第3晶体管，
所述第1放大电路将所述第1晶体管的漏极的电压与所述第2晶体管的漏极的电压之差放大，将与该放大结果相应的信号输入到所述第3晶体管的栅极，
所述第2放大电路将在所述电阻产生的电压与所述基准电压之差放大，将与该放大结果相应的信号输入到所述第1晶体管以及所述第2晶体管的栅极。
5.一种传感器装置，其特征在于，具有：
电桥电路，其使用电阻性传感器元件来构成；和
恒流电路，其向所述电桥电路提供恒定的电流，
所述恒流电路是权利要求1～4中任一项所述的恒流电路。
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