CN107888053B - 采样电路及电压转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采样电路，用于电压转换器的电压或电流采样，包括采样输入单元、电压平衡装置和采样输出单元；采样输入单元的正相输出端和负相输出端分别连接电压平衡装置的正相输入端和负相输入端。电压平衡装置的正相输出端和负相输出端分别连接采样输出单元的正相输入端和负相输入端。电压平衡装置的分流输出端连接采样输出单元的供电正输入端。采样输出单元的采样输出端连接采样输入单元的正相输出端。本发明还公开了一种应用上述采样电路的电压转换器。通过电压平衡装置和采样输出单元的多级电压平衡作用，采样精度、采样电路响应速度和可靠性均有大幅提高，达到了大大提高采样效率的效果。

Description

采样电路及电压转换器
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种采样电路及一种应用该采样电路的电压转换器。
背景技术
随着信息化时代的高速发展，电子设备在快速地更新换代，所能实现的功能日趋完善和丰富。作为技术基础，电子电路的设计，决定着电子设备本身所能实现的功能种类及实现的效率。在电子电路的设计中，基于各种功能的设计需求，不同的电路结构应运而生，例如用于进行电压或电流采样的采样电路。不同结构的采样电路可以应用于不同的电路及设备中，以满足不同电路对象的采样需求。典型的，在电压转换器中，通常采样电路的性能决定着电压转换器的性能；采样电路的结构设计，对于提升电压转换器的性能，例如系统稳定性、转换电流峰值以及带负载能力等，是一个重要的环节。
传统的电压转换器中的采样电路，一般采用串联采样电阻采样和功率管导通电阻采样等采样方式，然而实际应用时，采样效率不高。
发明内容
基于此，有必要针对传统的采样电路采样效率不高的技术问题，提供一种采样电路以及一种包含上述采样电路的电压转换器。
一种采样电路，包括：采样输入单元、电压平衡装置和采样输出单元；所述采样输入单元的正相输出端和负相输出端分别连接所述电压平衡装置的正相输入端和负相输入端，所述电压平衡装置的正相输出端和负相输出端分别连接所述采样输出单元的正相输入端和负相输入端，所述电压平衡装置的分流输出端连接所述采样输出单元的供电正输入端，所述采样输出单元的采样输出端连接所述采样输入单元的正相输出端；
所述采样输入单元用于采集被采样元件上的预采样电信号并输入到所述电压平衡装置的负相输入端，所述电压平衡装置用于在所述预采样电信号输入后，平衡所述电压平衡装置的正相输入端和负相输入端的电压，以及平衡所述采样输出单元的正相输入端和负相输入端的电压；所述采样输出单元在所述电压平衡装置的正相输入端和负相输入端的电压平衡时输出采样电信号。
一种电压转换器，包括外围电压转换电路和所述采样电路，所述采样电路用于对所述外围电压转换电路中的被采样元件进行电压或电流采样。
上述采样电路，通过电压平衡装置和采样输出单元的多级电压平衡作用，在被采样元件上有电流流过而产生预采样电信号输入时，实现电压平衡装置两输入端的电压快速平衡，从而可以快速得到对被采样元件的采样电信号输出，同时，有效抵消工艺条件造成的系统随机失配带来的采样干扰，采样的精度、采样电路响应速度和可靠性均有大幅提高，因此实现了采样效率高的效果。应用了上述采样电路的电压转换器，采样效率高且可靠性好。
附图说明
图1为本发明一个实施例的采样电路结构示意图；
图2为本发明一个实施例的采样电路原理图；
图3为本发明一个实施例的采样电路仿真测试结果示意图；
图4为本发明另一个实施例的采样电路仿真测试结果示意图；
图5为本发明一个实施例的电压转换器结构示意图；
图6为本发明一个实施例的电压转换器的采样测试结果示意图；
图7为本发明另一个实施例的电压转换器的采样测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例采样电路及电压转换器的具体实施方式作详细的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
电压转换器是将电压源或电池等供电装置产生的电压信号进行电压转换的转换器件，其中包含降压型DC-DC(直流转直流)转换器，以及较为典型的升压型DC-DC转换器。升压型DC-DC转换器可以将电压源或电池等供电装置产生的较低直流输入电压信号转化为较高的直流输出电压信号，在电子设备中有较广泛的应用。例如在电流模的升压型DC-DC开关电源系统中的应用。升压型DC-DC转换器在实际应用中常被做成电源管理芯片的形式，其内部具有重要的组成模块，也即采样电路。
采样电路的性能决定着整个升压型DC-DC开关电源系统的设计成败。一方面，采样电流的最大值决定着升压型DC-DC开关电源系统峰值电流的大小，从而限定了升压型DC-DC开关电源系统的带负载能力。在多工作模式的升压型DC-DC开关电源系统中，采样电流大小是模式切换的判断依据；不仅如此，采样电路还是过冲电流保护模块和短路保护电路模块的必要组成部分，对芯片起到保护的作用。采样电路的优劣，主要看采样效率，通常，采样效率由采样精度、电路响应速度和采样的可靠性决定，其中，采样的可靠性一般可以是指采样精度较高的应用环境，例如温度范围、输入电压范围等。
请参阅图1，本发明实施例的采样电路100，包括采样输入单元12、电压平衡装置14和采样输出单元16。采样输入单元12的正相输出端和负相输出端分别连接电压平衡装置14的正相输入端和负相输入端。电压平衡装置14的正相输出端和负相输出端分别连接采样输出单元16的正相输入端和负相输入端。电压平衡装置14的分流输出端连接采样输出单元16的供电正输入端。采样输出单元16的采样输出端连接采样输入单元12的正相输出端。采样输入单元12用于采集被采样元件上的预采样电信号并输入到电压平衡装置14的负相输入端。电压平衡装置14用于在预采样电信号输入后，平衡电压平衡装置14的正相输入端和负相输入端的电压，以及平衡采样输出单元16的正相输入端和负相输入端的电压。采样输出单元16在电压平衡装置14的正相输入端和负相输入端的电压平衡时输出采样电信号。
其中，分流输出端可以是电压平衡单元14中除正相输出端和负相输出端以外的电流输出端。采样输出单元16一般可以包含有运算放大器，因此，上述的供电正输入端可以是运算放大器的供电正输入端，例如可以是图1中开关管Q3和开关管Q4的共源极。被采样元件预采样电信号可以是被采样被采样元件上有电流通过时，加在采样输入单元12的负相输入端的预采样电信号，预采样电信号例如可以是电压，也可以是电流。被采样元件优选的可以是电感L，也可以是电阻。采样输出单元16输出的采样电信号同理可以是电压，也可以是电流，也即是说，采样输出单元16输出的采样电信号可以根据实际应用需要进行输出选择，例如，可以直接获取采样输出单元16输出的采样电压，也可以通过测量采样输出单元16输出端上连接的采样电阻两端的采样电压而得到采样电流。
具体的，采样输入单元12的正相输入端连接在被采样元件的电流流入端，采样输入单元12的负相输入端连接在被采样元件的电流流出端，如此，在升压型DC-DC开关电源系统的工作过程中，被采样元件上有电流通过时，由于被采样元件具有等效直流电阻，因此会在自身的两端产生电压降；通常，采样输入单元12的正相输入端电压值设定不变，从而，随着被采样元件上的电流变化，将引起采样输入单元12的负相输入端电压的变化，最终导致采样输入单元12的负相输出端电压与正相输出端电压不再保持相等，也即电压平衡装置14的正相输入端和负相输入端的电压失衡。通过上述过程，采样输入单元12完成了将被采样元件上的电感电流转换成预采样电信号，输入到本发明实施例的采样电路100的过程。
在电压平衡装置14的正相输入端和负相输入端的电压失衡发生后，电压平衡单元14通过自身各电流通路上的电流变化，使自身的正负相输入端的电压和采样输出单元16的正负相输入端的电压快速恢复相等，即电压恢复平衡。采样输出单元16在电压平衡单元14的正负相输入端的电压恢复平衡时，在采样输出端上完成采样电压或电流的输出。此外，由于采样输出单元16的采样输出端连接采样输入单元12的正相输出端，如此，提供采样输出的同时，也由于提供了额外的电流通路，从而加快了电压平衡单元14的正负相输入端的电压恢复平衡过程。
本发明实施例的采样电路100通过电压平衡装置14和采样输出单元16的多级电压平衡作用，实现电压平衡装置14正负相输入端的电压快速达到平衡，从而可以快速得到对被采样元件的采样电压输出。采样输入单元12通过被采样元件的等效直流电阻直接获得预采样电信号输入，因此不会导致升压型DC-DC开关电源系统功耗的额外增加。
此外，一般的采样电路中，会存在相同的器件由于工艺条件限制造成的随机失配问题，例如，一些采样输出器件即使工作在平衡状态，其两个输入端的电压也不会严格相等，因此会带来采样精度差的缺陷。而本发明实施例中的采样电路100，只要电压平衡装置14正负相输入端的电压不相等，对应的采样输出单元16正负相输入端的电压也不相等，电压平衡装置14和采样输出单元16内部的电流变化过程就会持续进行，直到电压平衡装置14正负相输入端的电压和采样输出单元16正负相输入端的电压均达到相等。如此，可以有效抵消工艺条件造成的随机失配带来的采样干扰，采样的精度、采样电路响应速度和可靠性均得以大幅提高，最终实现了采样效率高的效果。
在其中一个实施例中，采样电路100的被采样元件还可以是外接电阻，只要不会造成升压型DC-DC开关电源系统功耗的额外增加即可，如此，采样电路100可以进行片内采样或片外采样。
请参阅图2，在一个可选的实施例中，电压平衡装置14包括第一电压平衡单元142和第二电压平衡单元144。第一电压平衡单元142与第二电压平衡单元144的正相输入端均连接采样输入单元12的正相输出端。第一电压平衡单元142与第二电压平衡单元144的负相输入端均连接采样输入单元12的负相输出端。第一电压平衡单元142的分流输出端连接采样输出单元16的供电正输入端。第二电压平衡单元144的正相输出端和负相输出端分别连接采样输出单元16的正相输入端和负相输入端。第一电压平衡单元142在预采样电信号输入后，平衡第一电压平衡单元142的正相输入端和负相输入端的电压。第二电压平衡单元144用于使采样输出单元16工作在正常状态，同时平衡采样输出单元16的正相输入端和负相输入端的电压。
可以理解，第一电压平衡单元142的正相输入端同为第二电压平衡单元144的正相输入端；第一电压平衡单元142的负相输入端同为第二电压平衡单元144的负相输入端。第一电压平衡单元142包含分流输出端，经过第一电压平衡单元142的电流，从分流输出端流向采样输出单元16的供电正输入端。在预采样电信号输入后，第一电压平衡单元142通过内部的电流变化过程，平衡自身的正相输入端和负相输入端的电压。第二电压平衡单元144的正相输出端和负相输出端分别连接采样输出单元16的正相输入端和负相输入端，一方面使采样输出单元16能够处于正常工作状态；另一方面，通过内部电流变化过程，平衡采样输出单元16的正相输入端和负相输入端的电压。
如此，通过第一电压平衡单元142和第二电压平衡单元144的电压平衡作用，可以有效抵消工艺条件造成的随机失配带来的采样干扰，提高采样电路100的采样精度、响应速度和可靠性。
在一个实施方式中，第一电压平衡单元142的数量可以并联有多个，以达到更快的电压平衡速度。
在一个实施例中，采样输入单元12包括电阻R1和电阻R2。电阻R1的第一端为负相输入端。电阻R1的第二端连接第一电压平衡单元142的负相输入端。电阻R2的第一端为正相输入端。电阻R2的第二端连接第一电压平衡单元142的正相输入端及采样输出单元16的采样输出端。
具体的，采样输入单元12在进行采样输入时，一般可以通过正负相输入端分别连接被采样元件的电流流入端和电流流出端；从而，当被采样元件上有电流通过时，由于被采样元件本身存在着等效电阻，因此将会在电阻R1的第一端上产生预采样电信号输入。如此，可以实现将被采样元件的电感电流转化为预采样电信号输入。
在一个具体实施方式中，第一电压平衡单元142包括分流元件F1和分流元件F2。分流元件F1的第一端连接电阻R1的第二端。分流元件F2的第一端连接电阻R2的第二端和采样输出单元16的采样输出端。分流元件F1的第二端和分流元件F2的第二端均与采样输出单元16的供电正输入端连接。分流元件F1和分流元件F2用于在预采样电信号输入后，平衡分流元件F1第一端的电压与分流元件F2第一端的电压。
其中，分流元件F1的第一端可以是分流元件F1中电流流入的一端；对应的，分流元件F1的第二端可以是分流元件F1中电流流出的一端。同理的，分流元件F2的第一端可以是分流元件F2中电流流入的一端；对应的，分流元件F2的第二端可以是分流元件F2中电流流出的一端，也即是说，分流元件F1和分流元件F2的第一端、第二端可以根据电流的流向来确定的。
具体的，在预采样电信号输入后，分流元件F1第一端也即第一电压平衡单元142的负相输入端上的电流，以及分流元件F2第一端也即第一电压平衡单元144的正相输入端上的电流，会经过分流元件F1和分流元件F2构成的电流通路，发生相应的平衡过程，使分流元件F1第一端的电压与分流元件F2第一端的电压达到相等。例如，当预采样电信号输入后，导致分流元件F1第一端的电压变小时，流过分流元件F1的电流会相应小于流过分流元件F2的电流，则的分流元件F2第一端的电压因此而被拉低，整个过程会持续到分流元件F1第一端的电压与分流元件F2第一端的电压达到相等为止。相反的，当预采样电信号输入后，导致分流元件F1第一端的电压变大时，流过分流元件F1的电流会相应大于流过分流元件F2的电流，则的分流元件F2第一端的电压因此而被拉高，整个过程会持续到分流元件F1第一端的电压与分流元件F2第一端的电压达到相等为止。
本实施例中的第一电压平衡单元142通过分流元件F1和分流元件F2构成的电流通路，可以使分流元件F1第一端的电压与分流元件F2第一端的电压达到相等的平衡状态，同时也可以有效抵消工艺条件造成的随机失配，提高采样精度。
在另一个实施例中，分流元件F1和分流元件F2可以是电阻，也可以是二极管、MOS管或三极管。只要能够实现分流作用即可。例如，分流元件F1和分流元件F2是电阻时，只需要直接接入电路中即可形成分流通路。例如分流元件F1和分流元件F2是MOS管时，在栅极上增加额外的控制电压即可起到电阻的作用。如此，第一电压平衡单元142的结构设置可以更灵活可靠。
在另一个具体实施方式中，第二电压平衡单元144包括开关管Q1、开关管Q2、电阻R5和电阻R6。开关管Q1的源极连接电阻R1的第二端。开关管Q1的漏极连接采样输出单元16的负相输入端。开关管Q1的栅极与开关管Q2的栅极连接。开关管Q2的源极连接电阻R2的第二端。开关管Q2的漏极连接采样输出单元16的正相输入端。电阻R5跨接在开关管Q1的栅极与漏极之间。电阻R6跨接在开关管Q2的栅极与漏极之间。开关管Q1和开关管Q2用于使采样输出单元16工作在正常状态。电阻R5和电阻R6用于平衡采样输出单元的正相输入端和负相输入端的电压。
具体的，第二电压平衡单元144包含用于使采样输出单元16能够正常工作的开关管Q1和开关管Q2，以及由电阻R5和电阻R6构成的电流通路。当预采样电信号输入后，分流元件F1的电压变化也会引起采样输出单元16负相输入端的电压变化，从而使采样输出单元16的负相输入端的电压与正相输入端的电压不相等。此时，若采样输出单元16的负相输入端的电压小于正相输入端的电压，则采样输出单元16的正相输入端将会有电流经过电阻R6和电阻R5流向负相输入端，直到使采样输出单元16的负相输入端的电压与正相输入端的电压达到相等。
若采样输出单元16的负相输入端的电压大于正相输入端的电压时，则采样输出单元16的负相输入端将会有电流经过电阻R5和电阻R6流向正相输入端，直到使采样输出单元16的负相输入端的电压与正相输入端的电压达到相等。如此，第二电压平衡单元144通过电阻R5和电阻R6构成的电流通路，可以快速使采样输出单元16的负相输入端的电压与正相输入端的电压达到平衡，同时有效抵消工艺条件造成的随机失配，提高采样精度和响应速度。
其中，上述采样输出单元16的正常工作状态可以是内部运算放大器件的开关管工作在饱和状态，也可以是采样输出单元16能够正常进行采样输出的工作状态。开关管Q1和开关管Q2可以是P型或N型MOS管。以P型MOS管为例，开关管Q1和开关管Q2的上述连接方式，也即栅极与漏极通过电阻R5或电阻R6连接，由于器件的衬底材料和源极或者漏极的材料相反，形成PN结，因此电流从源极流向漏极，使开关管Q1和开关管Q2均能够工作在饱和区，从而可以使采样输出单元16同样能够工作在正常状态。对于N型MOS管开关管Q1和开关管Q2可以根据极间电流的流向进行相应连接，以只要能够达到相同的效果即可。
在另一个实施例中，开关管Q1和开关管Q2还可以是三极管，可以通过相同或相似的连接方式，例如基极与集电极连接的方式，实现使采样输出单元16的同样能够工作在正常状态的效果。
在一个实施例中，采样输出单元16包括运算放大器162、开关管Q7和电阻R9。运算放大器162的负相输入端连接开关管Q1的漏极。运算放大器162的正相输入端连接开关管Q2的漏极。运算放大器162的供电正输入端连接分流元件F1的第二端和分流元件F2的第二端。运算放大器162的供电负输入端用于输入固定偏置电流。运算放大器162的输出端连接开关管Q7的栅极。开关管Q7的源极连接电阻R2的第二端和分流元件F2的第一端。开关管Q7的漏极连接电阻R9的第一端。电阻R9的第二端接地。其中，电阻R9为采样输出电阻。
可以理解，采样输出单元16的采样输出端具体通过的开关管Q7的源极连接电阻R2的第二端和分流元件F2的第一端，一方面可以实现采样输出，另一方面也可以在运算放大器162对开关管Q7的栅极电压控制下，加快分流元件F2的第一端的电压变化，从而加快分流元件F1第一端的电压与分流元件F2第一端的电压达到相等的过程。一般的，开关管Q7的漏极上可以直接获得采样电压输出，也可以在电阻R9的两端测量电压换算得到采样电流输出。
具体的，在一个实施例中，运算放大器162包括开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、电阻R7和电阻R8。开关管Q3的栅极连接开关管Q1的漏极和电阻R7的第一端。开关管Q3的源极连接分流元件F1的第二端和分流元件F2的第二端，以及开关管Q4的源极。开关管Q3的漏极连接开关管Q5的漏极以及开关管Q5和开关管Q6的栅极。开关管Q4的栅极连接开关管Q2的漏极和电阻R8的第一端。开关管Q4的漏极连接开关管Q6的漏极和开关管Q7的栅极。开关管Q5和开关管Q6的源极相连并与电阻R7的第二端和电阻R8的第二端连接到供电负输入端。
可以理解，若采样输出单元16的负相输入端小于正相输入端的电压，也即运算放大器162的负相输入端的电压小于正相输入端的电压，则运算放大器162的正相输入端将会有电流经过电阻R6和电阻R5流向负相输入端；此时，由于运算放大器162的供电负输入端输入固定偏置电流，因此，流过的电阻R8电流将会减小，流过电阻R7的电流则会增加，整个过程会持续到运算放大器162的负相输入端的电压与正相输入端的电压达到相等为止。
若运算放大器162的负相输入端的电压大于正相输入端的电压，则运算放大器162的负相输入端将会有电流经过电阻R5和电阻R6流向正相输入端；此时，由于运算放大器162的供电负输入端输入固定偏置电流，因此，流过的电阻R7电流将会减小，流过电阻R8的电流则会增加，整个过程会持续到运算放大器162的负相输入端的电压与正相输入端的电压达到相等为止。如此，采样输出单元16通过运算放大器162，可以进一步加快平衡自身负相输入端的电压与正相输入端的电压，同时更有效地抵消工艺条件造成的随机失配，提高采样精度和响应速度。
其中，上述的开关管Q3和开关管Q4可以是P型MOS管，开关管Q5和开关管Q6可以是N型MOS管。可以在本发明实施例的采样电路100工作时，上述的开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6通过上述的连接方式可以确保均工作在饱和区，从而使运算放大器162正常工作。开关管Q4和开关管Q6加到开关管Q7的栅极电压，可以控制开关管Q7的沟道变化，实现电流大小的变化，以加快分流元件F2的第一端的电压变化，最终加快分流元件F1第一端的电压与分流元件F2第一端的电压达到相等，以输出采样电信号或电流的过程。
在另一个实施例中，上述的开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6还可以是三极管，只要可以通过相同或相似的连接方式，例如基极与集电极连接的方式，实现使运算放大器162能够工作在正常状态即可。
在一个可选的实施例中，运算放大器162还包括开关管Q8。供电负输入端连接开关管Q8的漏极。开关管Q8的源极通过偏置电流源IT接地。开关管Q8的栅极连接供电电源。开关管Q8用于缓冲供电负输入端的高压压降。偏置电流源IT用于通过开关管Q8向供电负输入端输入固定偏置电流。
可以理解，上述实施例中的开关管Q8可以是高压N型MOS管，也可以是可承受高压压降的三极管。以N型MOSFET管(金属氧化物半导体场效应管)的开关管Q8为例，偏置电流源IT通过开关管Q8向供电负输入端输入固定偏置电流，从而在运算放大器162的负相输入端和正相输入端的电压不相等时，可以通过电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8的电流平衡作用，加快运算放大器162的负相输入端和正相输入端的电压达到相等的过程。开关管Q8的栅极连接供电电源，从而可以在本发明实施例的采样电路100工作时，缓冲被采样元件上输入的预采样电信号可能造成的高压压降，保护整个电路免受过压损坏。
上述的偏置电流源IT相对于电路中的其他器件，内阻很大，因此电路中器件的阻抗波动不会改变偏置电流源IT输入电流的大小，从而可以向供电负输入端输入固定不变的电流偏置，确保预算放大器内部能够正常工作并提供电压平衡的作用。
本发明上述实施例中的采样电路100通过上述电路结构，在相同或相近采样效果情况下，设计更简化、不存在引入额外功耗的问题，采用的器件可以进行集成，因而在做成电源管理芯片时，占用芯片面积更小。
在一个具体的实施例中，采样电路100中的电子器件优选地是采用结构对称的方式设置，如此可以抵消应力、热和电流分布不均造成的失配影响。为更好地说明本发明实施例的采样电路100具体原理，以电阻R3作为分流元件F1，R4作为分流元件F2为例，下面给出采样电路100的原理解释，：
采样电流的计算可以通过以下公式实现，根据基尔霍夫电流定律，可以有以下关系式：
ILRDCR+IR1R1＝IR2R2 (1)
IR1＝IA+IAE (2)
IR2＝IB+IBE+ICS (3)
其中，IL表示被采样的被采样元件上流过的电流，RDCR表示被采样元件的等效直流电阻，IR1表示流过电阻R1的预采样电流，R1表示电阻R1的阻值，IR2表示流过电阻R2的电流，R2表示电阻R2的阻值，，IA表示从电阻R1的第二端流过开关管Q1的电流，IB表示从电阻R2的第二端流过开关管Q2的电流，IAE表示从电阻R1的第二端流过电阻R3的电流，IBE表示从电阻R2的第二端流过电阻R4的电流，ICS表示开关管Q7的漏极上输出的采样电流。由于电路是完全对称的，因此，当VA＝VB时，有IA＝IB，IAE＝IBE。其中，VA表示电阻R1的第二端与电阻R3的第一端和开关管Q1的源极连接点的电压，VB表示电阻R2的第二端与电阻R4的第一端和开关管Q2的源极连接点的电压。将式(2)、(3)代入式(1)中可得：
由式(4)可知道，在没有失配影响的理想情况下，采样电流ICS就可以表示为与IL、RDCR、R2有关的函数，且ICS通过采样电阻R9就可以得到采样电压VCS。
然而，在实际应用中，由于受到工艺限制和应力、热、电流分布不均的影响，即使是尺寸完全相同的器件，在制作过程中也会存在失配的问题，因此ICS的实际表达式应为：
ΔI＝IA-IB+IAE-IBE (6)
其中，ΔI表示由工艺造成的随机失配引起的电流差量。
通过增加器件的宽、长尺寸值并且在电路版图上进行中心对称的匹配设置，可以抵消应力、热和电流分布不均造成的失配。然而，传统的采样电路中，一方面，工艺造成的随机失配无法抵消。这将会导致运算放大器工作在平衡状态时，VA的电压也不会完全与VB相等，因此ICS就无法更精确地镜像IL的值。另一方面，对于采样电路来说，响应速度的快慢取决于运算放大器的增益。高增益运算放大器能够提高系统的响应速度，但是同时也会将失配带来的负面影响放大的更为严重，进而降低采样的精度。
针对上述的问题，本发明实施例中的采样电路100，通过如图2电压平衡装置14的设计，引入了两条额外的电流通路。其中一条电流通路由电阻R3与电阻R4组成，若，由于随机失配造成了VA<VB，那么通过电阻R3的电流IAE就会小于通过电阻R4的电流IBE，VB会被通过开关管Q7与电阻R4的两条通路同时下拉，也即是说，IBE与IAE的电流差会加速VB的下降。如此，上述过程可以抵消系统随机失配，同时，增加采样电路100的响应速度。
另一条电流通路由开关管Q1、开关管Q2、电阻R5和电阻R6组成，开关管Q1和开关管Q2用以使开关管Q3和开关管Q4工作在饱和区，以便运算放大器可以正常工作。若VC<VD，将会有电流通过电阻R5和电阻R6由运算放大器的正相输入端流向运算放大器的负相输入端；其中，VC表示运算放大器的负相输入端的电压，VD表示运算放大器的正相输入端的电压。由于采样电路100在偏置电流源IT的输入下整体偏置电流固定，因此流经电阻R8的电流IR8将会减小，流经电阻R7的电流IR7将会增加。上述过程会一直维持下去，直到达到VC＝VD和IR8＝IR7的平衡状态，如此，上述过程可以进一步抵消系统随机失配，同时，增加采样电路100的响应速度。
在另一个实施方式中，电压平衡装置14中的开关管Q1、开关管Q2，采样输出单元16中的开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5和开关管Q6通过上述实施例中的连接方式，可以确保均工作在饱和区，以使电压平衡装置14和采样输出单元16均可正常工作。当采样电路100达到平衡的状态时，运算放大器的负相输入端的电位和运算放大器的正相输入端的电位为采样电路100的等效最高电位，运算放大器的供电负输入端的电位为公共的等效地电位，电阻R5和电阻R6之间无电流通过。因此，对于采样电路100可正常工作的问题，以MOSFET管作为上述实施例中的各开关管为例，可有以下公式：
其中，VSG_Q1表示开关管Q1的源栅极间电压，IA表示从电阻R1的第二端流过开关管Q1的电流，μP表示P型MOSFET管的空穴迁移率，LQ1表示开关管Q1的沟道长度，COXP表示P型MOSFET管的单位面积栅氧化层电容，WQ1表示开关管Q1的是沟道宽度，VTHN表示N型MOSFET管的阈值电压；VGS_Q5表示开关管Q5的源栅极间电压，I3表示从开关管Q3的漏极流入开关管Q5漏极的电流，LQ5表示开关管Q5的沟道长度，μN表示N型MOSFET管的电子迁移率，COXN表示N型MOSFET管的单位面积栅氧化层电容，WQ5表示开关管Q5的沟道宽度，VTHP是P型MOSFET管的阈值电压。
当采样电路100达到平衡状态时，有I1＝I2＝IA＝IB，IAE＝IBE＝I3＝I4，IT＝I1+I2+I3+I4，为了保证开关管Q3工作在饱和区，需要满足：
VSD_Q3＝(VE-VGS_Q5)＞VE-VC-|VTHP| (9)
其中，VSD_Q3表示开关管Q3的源漏极间电压，VE表示开关管Q3和开关管Q4的共源极电压，VGS_Q3表示开关管Q3的源栅极间电压，LQ3表示开关管Q3的沟道长度，WQ3表示开关管Q3的沟道宽度。
由欧姆定律和基尔霍夫电压定律可知：
VC＝R7IR7 (11)
VE＝VA-R3IAE (12)
VC＝VA-VSG_Q1 (13)
其中，IR7表示流过电阻R7的电流。将式子(5)～(11)结合可以得到：
R7IR7-R3I3＞VGS_Q5+VSG_Q3-VSG_Q1 (14)
从(14)式可知，要使采样电路100可以正常工作，则可以通过选择合适的电阻R7、电阻R3与MOSFET管的尺寸，满足表达式(14)的关系即可。请参阅图3-4，给出的是被采样元件输入本发明实施例中的采样电路100的预采样电压VISP＝3V与VISP＝30V时的仿真实验结果示意图。横坐标表示电感L中通过的电流值IL，单位为安(A)。纵坐标从上到下，分别表示电压VA与VB的差值，单位为微伏(μV)、电压VC与VD的差值，单位为毫伏(mV)和由工艺造成的随机失配引起的电流差量ΔI，单位为纳安(nA)。通过计算采样电流准确度的公式(15)进行计算后可知，在电感电流IL＝1A～20A，仿真温度T＝-40℃～125℃的范围内可以满足采样精度大于96.5％。
其中，Accuracy(％)表示采样精度值。由此可知，本发明实施例的采样电路100采样速度快、精度高且可有效抵消应力、热、电流分布不均造成的失配影响以及工艺条件造成的系统随机失配影响，电路响应速度快，从而具有采样效率高的效果。
请参阅图5，在一个实施例中，还提供了一种应用上述实施例中的采样电路的电压转换器200，包括外围电压转换电路和上述的采样电路100。采样电路100用于对外围电压转换电路中的被采样元件如被采样元件进行电压或电流采样。
具体的，外围电压转换电路一般可以分为功率级电路201和控制级电路202。采样电路100可以是设置在控制级电路202中，通过正相输入端ISP和负相输入端ISN与被采样元件如被采样元件连接，用以进行电压或电流采样。功率级电路201包含系统输入端VIN和输出端VOUT，被采样元件如被采样元件和功率管MN1连接在输入端VIN和输出端VOUT之间，还包含功率管MN2、输出电容CO、分压电阻R20和分压电阻R30。控制级电路202除采样电路100外，还包括内部参考电压VREF输入端、斜坡补偿信号ISLOPE输入端、反馈电压VFB输入端、迟滞比较器CMP、误差放大器EA、控制逻辑单元和用于产生DH和DL信号控制功率管MN1和功率管MN2的开关状态的驱动单元。
在一个实施方式中，上述的电压转换器200优选的是升压型DC-DC转换器，也可以是降压型DC-DC转换器。其中，升压型DC-DC转换器可以直接应用上述实施例中的采样电路100、采样条件和原理。降压型DC-DC转换器可以根据实际应用场景进行对应的输入条件调整，应用上述实施例中的采样电路100完成电信号采样。
请参阅图6-7，给出的是应用本发明实施例中的采样电路100的电压转换器200的实际测试结果示意图。图6中的坐标轴Common Voltage(V)表示采样电路的输入电压；坐标轴IL(A)表示电感L中通过的电流值IL；坐标轴Accuracy(％)表示采样电路100的采样精度值。图7中的坐标轴Temperature(℃)表示环境温度值。从测试结果来看采样精度最低的点位于输入电压(Common Voltage)为3V、环境温度(Temperature)为-40℃的点，其采样精度值Accuracy(％)约为98.3％；采样精度最高的点位于输入电压(Common Voltage)为30V、环境温度(Temperature)为20℃～60℃的范围内，其采样精度值Accuracy(％)约为99.7％。如此，本发明实施例中的采样电路100在较宽的的输入电压范围和温度范围内，采样精度高且稳定，采样输出速度快，可有效抵消工艺条件造成的系统随机失配带来的采样干扰。应用上述采样电路100的电压转换器200可以根据不同负载的应用情况，选择相应的电感值，使芯片在较广的应用范围内都保持较高的采样精度和响应速度。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种采样电路，其特征在于，包括：采样输入单元、电压平衡装置和采样输出单元；所述采样输入单元的正相输出端和负相输出端分别连接所述电压平衡装置的正相输入端和负相输入端，所述电压平衡装置的正相输出端和负相输出端分别连接所述采样输出单元的正相输入端和负相输入端，所述电压平衡装置的分流输出端连接所述采样输出单元的供电正输入端，所述采样输出单元的采样输出端连接所述采样输入单元的正相输出端；
所述采样输入单元用于采集被采样元件上的预采样电信号并输入到所述电压平衡装置的负相输入端；所述电压平衡装置用于在所述预采样电信号输入后，平衡所述电压平衡装置的正相输入端和负相输入端的电压，以及平衡所述采样输出单元的正相输入端和负相输入端的电压；所述采样输出单元在所述电压平衡装置的正相输入端和负相输入端的电压平衡时输出采样电信号。
2.根据权利要求1所述的采样电路，其特征在于，所述电压平衡装置包括第一电压平衡单元和第二电压平衡单元，所述第一电压平衡单元与所述第二电压平衡单元的正相输入端均连接所述采样输入单元的正相输出端，所述第一电压平衡单元与所述第二电压平衡单元的负相输入端均连接所述采样输入单元的负相输出端，所述第一电压平衡单元的分流输出端连接所述采样输出单元的供电正输入端，所述第二电压平衡单元的正相输出端和负相输出端分别连接所述采样输出单元的正相输入端和负相输入端；
所述第一电压平衡单元在所述预采样电信号输入后，平衡所述第一电压平衡单元的正相输入端和负相输入端的电压；所述第二电压平衡单元用于使所述采样输出单元处于正常工作状态，同时平衡所述采样输出单元的正相输入端和负相输入端的电压。
3.根据权利要求2所述的采样电路，其特征在于，所述采样输入单元包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的第一端为负相输入端，所述电阻R1的第二端连接所述第一电压平衡单元的负相输入端，所述电阻R2的第一端为正相输入端，所述电阻R2的第二端连接所述第一电压平衡单元的正相输入端及所述采样输出单元的采样输出端。
4.根据权利要求3所述的采样电路，其特征在于，所述第一电压平衡单元包括分流元件F1和分流元件F2，所述分流元件F1的第一端连接所述电阻R1的第二端，所述分流元件F2的第一端连接所述电阻R2的第二端和所述采样输出单元的采样输出端，所述分流元件F1的第二端和所述分流元件F2的第二端均与所述采样输出单元的供电正输入端连接；
所述分流元件F1和所述分流元件F2用于在所述预采样电信号输入后，平衡所述分流元件F1第一端的电压与所述分流元件F2第一端的电压。
5.根据权利要求4所述的采样电路，其特征在于，所述第二电压平衡单元包括开关管Q1、开关管Q2、电阻R5和电阻R6，所述开关管Q1的源极连接所述电阻R1的第二端，所述开关管Q1的漏极连接所述采样输出单元的负相输入端，所述开关管Q1的栅极与所述开关管Q2的栅极连接，所述开关管Q2的源极连接所述电阻R2的第二端，所述开关管Q2的漏极连接所述采样输出单元的正相输入端，所述电阻R5跨接在所述开关管Q1的栅极与漏极之间，所述电阻R6跨接在所述开关管Q2的栅极与漏极之间；
所述开关管Q1和开关管Q2用于使所述采样输出单元工作在正常状态，所述电阻R5和电阻R6用于平衡所述采样输出单元的正相输入端和负相输入端的电压。
6.根据权利要求5所述的采样电路，其特征在于，所述采样输出单元包括运算放大器、开关管Q7和电阻R9，所述运算放大器的负相输入端连接所述开关管Q1的漏极，所述运算放大器的正相输入端连接所述开关管Q2的漏极，所述运算放大器的供电正输入端连接所述分流元件F1的第二端和所述分流元件F2的第二端，所述运算放大器的供电负输入端用于输入固定偏置电流，所述运算放大器的输出端连接所述开关管Q7的栅极，所述开关管Q7的源极连接所述电阻R2的第二端和所述分流元件F2的第一端，所述开关管Q7的漏极连接所述电阻R9的第一端，所述电阻R9的第二端接地；其中，所述电阻R9为采样输出电阻。
7.根据权利要求6所述的采样电路，其特征在于，所述运算放大器包括开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、电阻R7和电阻R8，所述开关管Q3的栅极连接所述开关管Q1的漏极和所述电阻R7的第一端，所述开关管Q3的源极连接所述分流元件F1的第二端和所述分流元件F2的第二端，以及所述开关管Q4的源极，所述开关管Q3的漏极连接所述开关管Q5的漏极以及所述开关管Q5和所述开关管Q6的栅极，所述开关管Q4的栅极连接所述开关管Q2的漏极和所述电阻R8的第一端，所述开关管Q4的漏极连接所述开关管Q6的漏极和所述开关管Q7的栅极，所述开关管Q5和所述开关管Q6的源极相连并与所述电阻R7的第二端和所述电阻R8的第二端连接到所述供电负输入端。
8.根据权利要求7所述的采样电路，其特征在于，所述运算放大器还包括开关管Q8，所述供电负输入端连接所述开关管Q8的漏极，所述开关管Q8的源极通过偏置电流源IT接地，所述开关管Q8的栅极连接供电电源；所述开关管Q8用于缓冲所述供电负输入端的高压压降，所述偏置电流源IT用于通过所述开关管Q8向所述供电负输入端输入固定偏置电流。
9.根据权利要求8所述的采样电路，其特征在于，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7或开关管Q8为MOS管或三极管。
10.一种电压转换器，其特征在于，包括外围电压转换电路和权利要求1至9任一项所述的采样电路，所述采样电路用于对所述外围电压转换电路中的被采样元件进行电信号采样。
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