CN105846812A - 一种电流自动切换电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流自动切换电路及其实现方法，电路结构包括第一偏置管、第二偏置管、第三偏置管，第一电流镜像管、第二电流镜像管、第三电流镜像管，第一恒流源，第一切换开关，第二切换开关，施密特触发器，第一反相器，第二反相器，两路互补开关电路，第二恒流源，其中一路互补开关电路包括第一互补开关、第二互补开关，另一路互补开关电路包括第三互补开关、第四互补开关。本发明能够在外部恒流源接入且其电流值达到阈值时将外部恒流源接入，而当外部恒流源达不到要求时重新切换回内部恒流源，从而实现了内、外恒流源的自动切换；本电路中第二切换开关提供迟滞功能，保证在切换点附近不会发生连续切换。

Description

一种电流自动切换电路及其实现方法

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种在集成电路内部用于检测电流输入并自动切换的电路及其实现方法。

背景技术

在集成电路内部通常需要稳定的偏置电流，例如运算放大器的偏置电流，这就需要形成稳定地恒流源电路。由于在集成电路内部不易实现高精度，低温漂的恒流源电路，对恒流源的要求较高时就需要采用外部专用的恒流源。实际应用中，在集成电路内部通常会内建一个恒流源，该恒流源在没有外部恒流源的情况下为电路提供偏置，然而当外部恒流源接入时，需要立即切断内部恒流源并连接至外部恒流源提供电流，通常的电路切换方法是设置一位数字控制位，改变该控制位可以选择不同的电流源，但是这种方式存在以下弊端：如果外部电流源未准确启动就执行切换，会造成内部电路的逻辑错误；而且数字控制位方式需要额外的引脚或数字电路，会消耗其他芯片资源。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种电流自动切换电路及其实现方法，能够在外部电流接入时实现电流的自动选择，并检测电流是否达到所要求的功能。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电流自动切换电路，包括第一偏置管、第二偏置管、第三偏置管，第一电流镜像管、第二电流镜像管、第三电流镜像管，第一恒流源，第一切换开关，第二切换开关，施密特触发器，第一反相器，第二反相器，两路互补开关电路，第二恒流源，其中一路互补开关电路包括第一互补开关、第二互补开关，另一路互补开关电路包括第三互补开关、第四互补开关；所述第一偏置管、第二偏置管、第三偏置管的栅极接偏置电压，源极接地，第一偏置管的漏端与第一切换开关的源端连接，第二偏置管的漏端与第二电流镜像管的漏端连接，第三偏置管的漏端与第二切换开关的源端连接；所述第一切换开关、第二切换开关的栅极与施密特触发器的输出端连接，第一切换开关的漏端与第一电流镜像管的漏端连接，第二切换开关的漏端与第二电流镜像管的漏端连接，所述第一电流镜像管、第二电流镜像管、第三电流镜像管的栅极与第一电流镜像管的漏端连接，所述施密特触发器的输入端与第二电流镜像管的漏端连接，输出端与第一反相器的输入端连接，第一反相器的输出端与第二反相器的输入端连接，第一反相器的输出端还与第二互补开关、第三互补开关的栅极相连，第二反相器的输出端与第一互补开关、第四互补开关的栅极相连，第一互补开关的漏端与第二互补开关的源端相连，第一互补开关的源端与第二互补开关的漏端相连，第三互补开关的漏端与第四互补开关的源端相连，第三互补开关的源端与第四互补开关的漏端相连；所述第一恒流源与第一电流镜像管的漏端和第一切换开关的漏端连接，所述第三电流镜像管的漏端与其中一路互补开关连接，所述第二恒流源与另一路互补开关相连。

进一步的，所述偏置管均采用NMOS管，所述电流镜像管均采用PMOS管，第三电流镜像管的漏端与第一互补开关的源端和第二互补开关的漏端连接，所述第二恒流源的输出端与第三互补开关的源端和第四互补开关的漏端相连。

进一步的，所述偏置管均采用PMOS管，所述电流镜像管均采用NMOS管，第三电流镜像管的漏端与第三互补开关的漏端和第四互补开关的源端连接，所述第二恒流源的输出端与第一互补开关的漏端和第二互补开关的源端相连。

本发明还提供了电流自动切换电路的实现方法：

当第一恒流源未接入时，第二电流镜像管等量镜像第一电流镜像管的电流，第一切换开关，第二切换开关均导通，第二偏置管电流与第三偏置管电流之和远大于第二电流镜像管电流，第二电流镜像管漏端电平经施密特触发器处理、并由第一反相器、第二反相器缓冲后，输出数字控制信号，使得与第三电流镜像管连接的互补开关截止，与第二恒流源连接的互补开关导通，第二恒流源被接至电路输出；当第一恒流源接入时，如果其电流输出与第一偏置管的电流之和大于第二偏置管与第三偏置管电流之和，则第二电流镜像管漏端电平翻转，经施密特触发器处理后，使得第一切换开关、第二切换开关截止，与第三电流镜像管连接的互补开关导通，与第二恒流源连接的互补开关截止，由第三电流镜像管镜像第一恒流源得到的电流接至电路输出，第二切换开关的截止提供迟滞作用。

进一步的，所述第二切换开关的迟滞值由第三偏置管的电流设置。

进一步的，所述第三偏置管的电流值大于第一偏置管的电流值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明提供的电流切换电路能够在外部恒流源接入且其电流值达到阈值时将外部恒流源接入，而当外部恒流源达不到要求时重新切换回内部恒流源，从而实现了内、外恒流源的自动切换；本电路中第二切换开关提供迟滞功能，保证在切换点附近不会发生连续切换。

附图说明

图1为本发明实施例一电路结构图

图2为本发明实施例二电路结构图。

图3为施密特触发器I₁输出与I_B1电流输入波形图。

图4为施密特触发器I₁输出与I_OUT电流输出波形图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例一：

请参阅图1，图中为能够实现本发明目的的一种电路结构，具体包括起到偏置效果的NMOS管M_B1、M_B2、M_B3，起到电流镜像效果的PMOS管M_P1、M_P2、M_P3，第一恒流源I_B1，切换开关M_S1、M_S2，施密特触发器I₁，反相器I₂，反相器I₃，两路互补开关M_T1、M_T2、M_T3、M_T4，第二恒流源I_B2。其中NMOS管M_B1、M_B2、M_B3的栅极接偏置电压V_B1，源极接地，M_B1管的漏端与M_S1的源端连接，M_B2管的漏端与M_P2管的漏端连接，M_B3管的漏端与M_S2管的源端连接。M_S1、M_S2管的栅极与施密特触发器I₁的输出端Y连接，M_S1的漏端与M_P1的漏端连接，M_S2管的漏端与M_P2的漏端连接。镜像管M_P1、M_P2、M_P3的栅极与M_P1的漏端连接，M_P3的漏端与互补开关管M_T1的源端连接，并与M_T2的漏端连接。施密特触发器I₁的A端与M_P2的漏端连接，输出Y端与I₂的输入A端连接，I₂的输出Y端与I₃的输入A端连接，并与M_T2、M_T3的栅极相连，I₃的输出Y端与M_T1、M_T4的栅极相连，M_T1的漏端与M_T2的源端相连，M_T1的源端与M_T2的漏端相连，M_T3的漏端与M_T4的源端相连，M_T3的源端与M_T4的漏端相连，并与第二电流源I_B2的B端相连。第一电流源I_B1的A端与M_P1的漏端连接。M_S2管提供迟滞功能，其漏端与M_P2的漏端连接，源端与M_B3的漏端连接，栅端与施密特触发器I₁的输出Y端连接，当I₁输出Y端翻转时，导通或者截止M_S2，实现电流检测迟滞功能。

本例电路中I_B2为内部第二恒流源，I_B1为集成电路外部或者特殊要求的恒流源。详细工作原理如下：当I_B1未接入时，M_P2等量镜像M_P1管的电流，此时施密特触发器I₁的输出Y端为高电平，M_S1、M_S2管均导通，M_B2管电流与M_B3管电流之和远大于M_P2管电流，施密特触发器I₁的输入端保持稳定的低电平，输出保持为高电平，经过反相器I₂、I₃缓冲后，使得M_T1、M_T2管截止，M_T3、M_T4管导通，第二恒流源I_B2被接至I_OUT。当I_B1接入时，如果其电流I_B1与M_B1管的电流之和大于M_B2与M_B3管电流之和，则该电流经M_P2镜像后使得施密特触发器I₁的输入端为高电平，输出为低电平，使得M_S1、M_S2截止，M_S2的截止可以提供迟滞作用，迟滞值可由M_B3的电流设置，并且M_B3的电流值应该大于M_B1的电流值，否则不能实现迟滞。由于M_S1管截止，则M_P1管的电流完全与I_B1相同，M_P3完全镜像M_P1的电流，M_P3管的电流与I_B1相等。由于I₁的输出为低，使得M_T1、M_T2管导通，M_T3、M_T4管截止，M_P3管的输出电流也即第一恒流源的电流被输出至I_OUT。

实施例二：

请参阅图2，图中为能够实现本发明目的的另一种电路结构，本电路等价于实施例一中电路结构，具体包括起到偏置效果的PMOS管M_B1、M_B2、M_B3，起到电流镜像效果的NMOS管M_N1、M_N2、M_N3，第一恒流源I_B1，切换开关M_S1、M_S2，施密特触发器I₁，反相器I₂，反相器I₃，两路互补开关M_T1、M_T2、M_T3、M_T4，第二恒流源I_B2。其中PMOS管M_B1、M_B2、M_B3的栅极接偏置电压V_B1，源极接地，M_B1管的漏端与M_S1的源端连接，M_B2管的漏端与M_N2管的漏端连接，M_B3管的漏端与M_S2管的源端连接。M_S1、M_S2管的栅极与施密特触发器I₁的输出端Y连接，M_S1的漏端与M_N1的漏端连接，M_S2管的漏端与M_N2的漏端连接。镜像管M_N1、M_N2、M_N3的栅极与M_N1的漏端连接，M_N3的漏端与互补开关管M_T3的漏端连接，并与M_T4的源端连接。施密特触发器I₁的A端与M_N2的漏端连接，输出Y端与I₂的输入A端连接，I₂的输出Y端与I₃的输入A端连接，并与M_T2、M_T3的栅极相连，I₃的输出Y端与M_T1、M_T4的栅极相连，M_T1的漏端与M_T2的源端相连，并与第二电流源I_B2的A端相连；M_T1的源端与M_T2的漏端相连，M_T3的漏端与M_T4的源端相连，M_T3的源端与M_T4的漏端相连。第一电流源I_B1的B端与M_N1的漏端连接。M_S2管提供迟滞功能，其漏端与M_N2的漏端连接，源端与M_B3的漏端连接，栅端与施密特触发器I₁的输出Y端连接，当I₁输出Y端翻转时，导通或者截止M_S2，实现电流检测迟滞功能。

本例电路中I_B2为内部第二恒流源，I_B1为集成电路外部或者特殊要求的恒流源。详细工作原理如下：当I_B1未接入时，M_N2等量镜像M_N1管的电流，此时施密特触发器I₁的输出Y端为低电平，M_S1、M_S2管均导通，M_B2管电流与M_B3管电流之和远大于M_N2管电流，施密特触发器I₁的输入端保持稳定的高电平，输出保持为低电平，经过反相器I₂、I₃缓冲后，使得M_T3、M_T4管截止，M_T1、M_T2管导通，第二恒流源I_B2被接至I_OUT。当I_B1接入时，如果其电流I_B1与M_B1管的电流之和大于M_B2与M_B3管电流之和，则该电流经M_N2镜像后使得施密特触发器I₁的输入端为低电平，输出为高电平，使得M_S1、M_S2截止，M_S2的截止可以提供迟滞作用，迟滞值可由M_B3的电流设置，并且M_B3的电流值应该大于M_B1的电流值，否则不能实现迟滞。由于M_S1管截止，则M_N1管的电流完全与I_B1相同，M_N3完全镜像M_N1的电流，M_N3管的电流与I_B1相等。由于I₁的输出为高，使得M_T3、M_T4管导通，M_T1、M_T2管截止，M_N3管的输出电流也即第一恒流源的电流被输出至I_OUT。

实施例三：

图3为实施例一与实施例二中I_B1与施密特触发器I₁输出的仿真波形图，由图中可见，当I_B1超过设定值50uA后，施密特触发器I1输出Y端翻转为低，当I_B1下降至小于45uA后，I1输出Y端再次翻转为高；图4为实施例一与实施例二中输出电流I_OUT在切换过程中的变化波形，I_OUT初始值为I_B2的60uA，当I_B1接入后切换为I_B1电流55uA，当I_B1下降至小于45uA时，I_OUT再次切换至I_B2的60uA。显然，本发明电路能够自动检测I_B1输出电流，当检测到I_B1达到设定值要求时，能够自动切换至I_B1，当I_B1输出下降时还能够自动切换至内部恒流源，本发明中M_S2管保证在切换点附近不会发生连续切换。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电流自动切换电路，其特征在于：包括第一偏置管、第二偏置管、第三偏置管，第一电流镜像管、第二电流镜像管、第三电流镜像管，第一恒流源，第一切换开关，第二切换开关，施密特触发器，第一反相器，第二反相器，两路互补开关电路，第二恒流源，其中一路互补开关电路包括第一互补开关、第二互补开关，另一路互补开关电路包括第三互补开关、第四互补开关；所述第一偏置管、第二偏置管、第三偏置管的栅极接偏置电压，源极接地，第一偏置管的漏端与第一切换开关的源端连接，第二偏置管的漏端与第二电流镜像管的漏端连接，第三偏置管的漏端与第二切换开关的源端连接；所述第一切换开关、第二切换开关的栅极与施密特触发器的输出端连接，第一切换开关的漏端与第一电流镜像管的漏端连接，第二切换开关的漏端与第二电流镜像管的漏端连接，所述第一电流镜像管、第二电流镜像管、第三电流镜像管的栅极与第一电流镜像管的漏端连接，所述施密特触发器的输入端与第二电流镜像管的漏端连接，输出端与第一反相器的输入端连接，第一反相器的输出端与第二反相器的输入端连接，第一反相器的输出端还与第二互补开关、第三互补开关的栅极相连，第二反相器的输出端与第一互补开关、第四互补开关的栅极相连，第一互补开关的漏端与第二互补开关的源端相连，第一互补开关的源端与第二互补开关的漏端相连，第三互补开关的漏端与第四互补开关的源端相连，第三互补开关的源端与第四互补开关的漏端相连；所述第一恒流源与第一电流镜像管的漏端和第一切换开关的漏端连接，所述第三电流镜像管的漏端与其中一路互补开关连接，所述第二恒流源与另一路互补开关相连。

2.根据权利要求1所述的电流自动切换电路，其特征在于：所述偏置管均采用NMOS管，所述电流镜像管均采用PMOS管，第三电流镜像管的漏端与第一互补开关的源端和第二互补开关的漏端连接，所述第二恒流源的输出端与第三互补开关的源端和第四互补开关的漏端相连。

3.根据权利要求1所述的电流自动切换电路，其特征在于：所述偏置管均采用PMOS管，所述电流镜像管均采用NMOS管，第三电流镜像管的漏端与第三互补开关的漏端和第四互补开关的源端连接，所述第二恒流源的输出端与第一互补开关的漏端和第二互补开关的源端相连。

4.一种电流自动切换电路的实现方法，其特征在于，包括如下步骤：当第一恒流源未接入时，第二电流镜像管等量镜像第一电流镜像管的电流，第一切换开关，第二切换开关均导通，第二偏置管电流与第三偏置管电流之和远大于第二电流镜像管电流，第二电流镜像管漏端电平经施密特触发器处理、并由第一反相器、第二反相器缓冲后，输出数字控制信号，使得与第三电流镜像管连接的互补开关截止，与第二恒流源连接的互补开关导通，第二恒流源被接至电路输出；当第一恒流源接入时，如果其电流输出与第一偏置管的电流之和大于第二偏置管与第三偏置管电流之和，则第二电流镜像管漏端电平翻转，经施密特触发器处理后，使得第一切换开关、第二切换开关截止，与第三电流镜像管连接的互补开关导通，与第二恒流源连接的互补开关截止，由第三电流镜像管镜像第一恒流源得到的电流接至电路输出，第二切换开关的截止提供迟滞作用。

5.根据权利要求4所述的电流自动切换电路的实现方法，其特征在于：所述第二切换开关的迟滞值由第三偏置管的电流设置。

6.根据权利要求5所述的电流自动切换电路的实现方法，其特征在于：所述第三偏置管的电流值大于第一偏置管的电流值。