CN108736849B - 低偏移电流感测放大器 - Google Patents

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CN108736849B CN201810234393.0A CN201810234393A CN108736849B CN 108736849 B CN108736849 B CN 108736849B CN 201810234393 A CN201810234393 A CN 201810234393A CN 108736849 B CN108736849 B CN 108736849B
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Abstract

本申请涉及低偏移电流感测放大器。电流感测放大器包括：第一中间节点和第二中间节点，通过斩波器耦合至感测电阻器的第一节点和第二节点，并且耦合至电流镜的相应分支；差分放大器，具有其输入耦合至第一中间节点和第二中间节点的输入，并且被适配为适应于生成第一电压信号和第二电压信号；以及第一晶体管和第二晶体管，被适配为适应于分别被由第一电压信号和第二电压信号控制，并且每一个晶体管的主电流传导节点中的一个被耦合至第一中间节点和第二中间节点中的相应一个。

Description

低偏移电流感测放大器
技术领域
本公开涉及电流感测放大器领域，并且具体地涉及具有相对较低偏移的电流感测放大器。
背景技术
电流感测放大器被用于期望测量施加于负载的电流的水平的应用。电流感测放大器通常包括沿着电流路径定位的低电阻的感测电阻器以及用于放大感测电阻器两端的电压降以估计电流的差分放大器。根据应用，模数转换器然后可被用于将输出信号转换为数字值。
已知电流感测放大器的困难在于它们趋于缺乏精度。对于一些应用来说，因此需求具有改进精度的电流感测放大器。
另一困难在于，已知电流感测放大器通常仅当电流在一个方向上流过感测电阻器时允许测量电流的水平。因此需求可以检测在任意方向上流过感测电阻器的电流的水平的电流感测放大器。
发明内容
根据一个方面，提供了一种电流感测放大器，包括：感测电阻器，传导将被测量的电流；第一中间节点和第二中间节点，通过斩波器耦合至感测电阻器的第一节点和第二节点，并且耦合至电流镜的相应分支；差分放大器，具有耦合至第一中间节点和第二中间节点的输入，并且被适配为在第一中间节点处的电压大于第二中间节点处的电压时生成第一电压信号，并且在第二中间节点处的电压大于第一中间节点处的电压时生成第二电压信号；第一晶体管，被配置为由第一电压信号控制，并且其主电流传导节点中的一个耦合至第一中间节点和第二中间节点中的一个；以及第二晶体管，被适配为由第二电压信号控制，并且其主电流传导节点中的一个耦合至第一中间节点和第二中间节点中的另一个。
根据一个实施例，电流感测放大器还包括输出电阻器，其耦合至第一晶体管和第二晶体管的又一主电流传导节点或者第三晶体管和第四晶体管的主电流传导节点，第三晶体管和第四晶体管分别由第一电压信号和第二电压信号控制。
根据一个实施例，电流感测放大器还包括将斩波器耦合至第一中间节点的第一输入电阻器以及将斩波器耦合至第二中间节点的第二输入电阻器。
根据一个实施例，斩波器包括：第一开关，将感测电阻器的第一节点耦合至第一输入电阻器；第二开关，将感测电阻器的第二节点耦合至第二输入电阻器；第三开关，将感测电阻器的第一节点耦合至第二输入电阻器；以及第四开关，将感测电阻器的第二节点耦合至第一输入电阻器。
根据一个实施例，电流感测放大器还包括控制电路，其被适配为基于时钟信号生成用于控制第一开关和第二开关的第一相位信号以及用于控制第三开关和第四开关的第二相位信号。
根据一个实施例，控制电路被适配为控制斩波器以具有49.5％和50.5％之间的占空比。
根据一个实施例，电流镜包括：第五晶体管，将第一中间节点耦合至电源电压轨或接地轨；以及第六晶体管，将第二中间节点耦合至电源电压轨或接地轨，第五晶体管和第六晶体管的控制节点耦合到一起并耦合至第一中间节点或第二中间节点。
根据又一方面，提供了一种包括上述电流感测放大器的通用串行总线端口。
附图说明
前述和其他特征及优势将从以下结合附图通过说明但不限制给出的实施例的详细描述中变得显而易见，其中：
图1示意性示出了根据所提出实施例的电流感测放大器；
图2示意性示出了根据本公开的示例性实施例的电流感测放大器；
图3是示出根据示例性实施例的图2电路中的信号的定时图；
图4示意性示出了根据本公开又一实施例的电流感测放大器；以及
图5是根据本公开一个实施例的通用串行总线(USB)类型C端口的框图。
具体实施方式
如本文所使用的，术语“连接”用于指示部件之间的直接电连接，而术语“耦合”用于指示可以直接或者可以经由一个或多个中间元件(诸如电阻器、电容器和/或晶体管)的连接。本领域技术人员将明白，在采用术语“耦合”的情况下，直接连接是等效可用的。
术语“左右”用于指示讨论中的值的正负10％的容限。
图1示意性示出了根据所提出的示例性实施例的电流感测放大器100。具有电阻RSENSE的感测电阻器102被设置在将被测量的电流ILOAD的电流路径中。例如，电流ILOAD由电源电压VPOWER供给，例如通过电池提供电源电压VPOWER，并且电流ILOAD对负载104供电(在图1中表示为电流源)。
电流感测放大器100测量感测电阻器102两端的电压降VSENSE。例如，放大器100包括耦合在感测电阻器10的一个节点107与中间节点108之间的输入电阻器106以及耦合至感测电阻器102的另一节点111与又一中间节点112之间的又一输入电阻器110。
中间节点108和112被耦合至通过晶体管114和116形成的电流镜的相应分支。晶体管114和116例如是n沟道MOS晶体管，其栅极耦合到一起且耦合至中间节点112。中间节点108和112也分别耦合至差分放大器118的负输入和正输入。差分放大器118的输出耦合至又一晶体管120(其例如为n沟道MOS晶体管)的栅极。晶体管120经由其主电流传导节点与输出电阻器122串联耦合，并且其漏极耦合至节点112。电阻器122两端的电压VOUT提供电流感测放大器100的输出电压。电阻器106和110被设计为具有相同的电阻RIN，并且电阻器122的电阻ROUT例如是电阻RIN的多倍，从而在输出电压VOUT中引入增益。
在操作中，假设电流从节点111朝向节点107流过感测电阻器102，节点111处的电压将高于节点107处的电压。电流镜的晶体管114和116均被设计为传导相同的电流IM。差分放大器118将通过控制晶体管120使节点108和112处的电压处于相同电平。因此，电阻器110将相对于电阻器106传导附加电流，该附加电流对应于由晶体管120传导的电流IOUT。
图1的电流感测放大器100的缺陷在于，存在已经被本发明人发现的不精确的多个源。例如，电阻器106和110之间的电阻差、晶体管114和116之间的失配以及差分放大器118的电压偏移都将导致输出信号VOUT的偏移。例如，分别使电阻器106和110的电阻为RIN+ΔRIN/2和RIN-ΔRIN/2，其中，ΔRIN是电阻器106、110之间的电阻差，由晶体管114和116传导的电流分别为IM+ΔIM/2和IM-ΔIM/2，其中，ΔIM是电流之间的差，并且放大器118的电压偏移为VOS，电压VOUT将具有以下等式：
Figure BDA0001603559490000041
其中:
Figure BDA0001603559490000042
图1的布置中的又一缺陷在于，其依赖于节点112处的电压高于节点108处的电压。因此，如果将被测量的电流ILOAD为负，则电流不能检测电流水平。例如，在一些情况下，电流感测放大器可用于监控通过连接至USB(通用串行总线)类型C端口的负载引出的电流。如本领域技术人员已知的，符合USB功率传送规格的USB类型C端口能够在多达20V的电压下为负载提供功率传送。如果适于功率传送的USB类型C端口被无意地耦合至功率源而非负载，则电流会在相反方向上被驱动通过感测电阻器102。通过允许这种电流被测量，保护机制可以被触发以防止对供给电压VPOWER的功率源的损坏。
图2示意性示出了根据本公开的示例性实施例的电流感测放大器200。感测放大器200具有与图1的感测放大器100共同的一些特征，并且类似的特征由类似的参考标号标记，并且将不再详细描述。
在图2的感测放大器200中，斩波器201被定位在感测电阻器102的节点107、111与输入电阻器106、110之间。例如，斩波器201包括耦合在节点107和电阻器106之间的开关204、耦合在节点111和电阻器110之间的开关206、耦合在节点107和电阻器110之间的开关208以及耦合在节点111和电阻器106之间的开关210。开关204和206例如通过相位信号
Figure BDA0001603559490000051
来控制，并且开关208和210例如通过相位信号
Figure BDA0001603559490000052
来控制。
图1的差分放大器118在图2中被差分放大器202代替，差分放大器202能够基于中间节点108、112处的电压的极性来确定两个输出信号VP和VN中的任一个。此外，在电流感测放大器200中，晶体管120被晶体管212代替，晶体管212由信号VP控制以传导电流IOUTP，并且晶体管214由信号VN控制以传导电流IOUTN。晶体管212通过其主电流传导节点(例如其源极/漏极节点)耦合在节点112和输出节点216之间。晶体管214通过其主电流传导节点(例如其源极/漏极节点)耦合在节点108和输出节点216之间。输出节点216例如通过输出电阻器122耦合至地，并且提供电流感测放大器200的输出电压VOUT。当节点112处的电压大于节点108处的电压时，信号VN例如被确定，并且信号VP保持为低。因此，晶体管212将导通，而晶体管214不导通。相反，当节点108处的电压大于节点112处的电压时，信号VP例如被确定，并且信号VN保持为低。因此，晶体管214将导通，而晶体管212不导通。
例如，控制电路218基于时钟信号CLK生成相位信号
Figure BDA0001603559490000054
和
Figure BDA0001603559490000053
在操作中，斩波器201例如利用基本为50％的占空比以及在10Hz和1kHz或更高的频率处(例如，在100Hz左右的频率处)被控制。差分放大器202基于节点107、111处的电压的极性而在生成信号VP和VN之间切换。输出电压VOUT的DC分量由此将具有表示通过感测电阻器102的电流的电平。
在一些实施例中，虽然在图2中未示出，但电容器可以与电阻器122并联耦合，以过滤输出信号并提取DC分量。然而，根据输出节点216处存在的寄生电容和斩波器的频率，可以省略这种电容器。
感测电阻器102例如具有10毫欧和20毫欧之间的电阻，输入电阻器106和110例如具有1千欧和20千欧之间的电阻RIN，输出电阻器122例如具有50千欧到500千欧范围内的电阻ROUT，并且由比率ROUT/RIN提供的增益例如在2和100之间。
图3示出了控制图2的斩波器201的相位信号
Figure BDA0001603559490000067
和
Figure BDA0001603559490000068
的示例。如图所示，这些相位信号
Figure BDA0001603559490000069
例如彼此同时切换，并且具有互补值，信号
Figure BDA00016035594900000610
为高而信号
Figure BDA00016035594900000612
为低，然后在随后阶段，信号
Figure BDA00016035594900000614
为低而信号
Figure BDA00016035594900000613
为高。信号
Figure BDA00016035594900000611
的高脉冲的持续时间t和信号
Figure BDA00016035594900000615
的高脉冲的持续时间t’例如是相同的，使得占空比基本为50％，例如具有正负1％的容限。例如，占空比在49.5和50.5％之间。
图2的实施例的优势在于，消除了参照图1的电流感测放大器100描述的不精确的源，从而改进了精度。例如，再次使电阻器106和110的电阻分别为RIN+ΔRIN/2和RIN-ΔRIN/2，由晶体管114和116传导的电流分别为IM+ΔIM/2和IM-ΔIM/2，并且放大器202的电压偏移为VOS，则每个相位
Figure BDA0001603559490000061
期间的输出电压
Figure BDA0001603559490000062
如下：
Figure BDA0001603559490000063
并且
Figure BDA0001603559490000064
其中：
Figure BDA0001603559490000065
并且
Figure BDA0001603559490000066
因此，取输出电压
Figure BDA0001603559490000071
的平均，输出电压VOUT变为：
Figure BDA0001603559490000072
图4示意性示出了根据又一示例性实施例的电流感测放大器400，其类似于图2所示，但是对应于如下的实施方式，其中感测电阻器102的节点107耦合到地，并且电流源104被耦合在感测电阻器102和电源电压VPOWER之间的电流源404代替。与图2的实施例相同的特征用类似的参考标号标出，并且将不再详细描述。
在图4的实施例中，电流镜例如通过将节点108耦合到电源轨VDD的p沟道MOS晶体管414以及将节点112耦合到电源轨VDD的p沟道MOS晶体管416形成。差分放大器202被反相，使其负输入耦合至节点112，并且其正输入耦合至节点108。此外，在图4的实施例中，差分放大器202的输出信号VP控制p沟道MOS晶体管422和424，并且差分放大器202的输出信号VN控制p沟道MOS晶体管426和428。晶体管422耦合在节点108和电源轨VDD之间，并且晶体管426耦合在节点112和电源轨VDD之间。晶体管424和428均耦合在电源轨VDD和输出节点216之间，并且分别传导电流IOUTP和IOUTN。
图4的电流感测放大器400的操作类似于图2的电流感测放大器200的操作，并且将不再详细描述。
本文描述的电流感测放大器的优势在于其提高了精度。此外，还允许在通过感测电阻器的任何方向上检测电流，其例如在电流可在两个方向上流过感测电阻器的应用中特别有利，诸如在USB类型C端口例如能够根据例如在网站http://www.usb.org/developers/powerdelivery/可获得的USB功率传送规格Rev.3.0进行功率传送的情况下。
图5是电耦合至负载510的通用串行总线(USB)类型C端口500的框图。端口500包括电流感测放大器和接口520，电流感测放大器诸如图2的电流感测放大器200或图4的电流感测放大器400，接口520被配置为与负载510通信且将功率提供给负载510。
由此描述了至少一个说明性实施例，本领域技术人员将容易进行各种更改、修改和改进。例如，本领域技术人员将明白，虽然基于MOS晶体管技术描述了实施例，但其他晶体管技术也是可以的。
上述各个实施例可以组合以提供又一些实施例。可以根据上面详细的描述对实施例进行这些和其他改变。一般地，在以下权利要求中，所使用的术语不应该将权利要求限于在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应该包括所有可能的实施例连同这些权利要求所提的所有范围的等效物。因此，权利要求不受本公开限制。

Claims (20)

1.一种电流感测放大器，包括：
感测电阻器，被配置为传导将被测量的电流；
第一中间节点和第二中间节点；
斩波器，将所述第一中间节点和所述第二中间节点电耦合到所述感测电阻器的第一节点和第二节点；
电流镜，具有电耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的第一分支和第二分支；
差分放大器，具有耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的输入，并且被配置为当所述第一中间节点处的电压大于所述第二中间节点处的电压时生成第一电压信号，并且当所述第二中间节点处的电压大于所述第一中间节点处的电压时生成第二电压信号；
第一晶体管，被配置为由所述第一电压信号控制，并且具有耦合至所述第一中间节点的第一主电流传导节点；
第二晶体管，被配置为由所述第二电压信号控制，并且第一主电流传导节点耦合至所述第二中间节点；以及
将所述斩波器耦合至所述第一中间节点的第一输入电阻器，以及将所述斩波器耦合至所述第二中间节点的第二输入电阻器。
2.根据权利要求1所述的电流感测放大器，还包括耦合至所述第一晶体管和所述第二晶体管的第二主电流传导节点的输出电阻器。
3.根据权利要求1所述的电流感测放大器，还包括：
输出电阻器；以及
第三晶体管和第四晶体管，具有耦合至所述输出电阻器的相应的主传导节点，其中所述第三晶体管和所述第四晶体管被配置为分别由所述第一电压信号和所述第二电压信号控制。
4.根据权利要求1所述的电流感测放大器，其中，所述斩波器包括：
第一开关，将所述感测电阻器的第一节点耦合至所述第一输入电阻器；
第二开关，将所述感测电阻器的第二节点耦合至所述第二输入电阻器；
第三开关，将所述感测电阻器的第一节点耦合至所述第二输入电阻器；以及
第四开关，将所述感测电阻器的第二节点耦合至所述第一输入电阻器。
5.根据权利要求4所述的电流感测放大器，还包括控制电路，所述控制电路被配置为基于时钟信号生成：
用于控制所述第一开关和所述第二开关的第一相位信号；以及
用于控制所述第三开关和所述第四开关的第二相位信号。
6.根据权利要求5所述的电流感测放大器，其中，所述控制电路被配置为控制所述斩波器以具有49.5％和50.5％之间的占空比。
7.根据权利要求1所述的电流感测放大器，其中，所述电流镜包括将所述第一中间节点耦合至电源电压轨或接地轨的第三晶体管以及将所述第二中间节点耦合至所述电源电压轨或所述接地轨的第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管具有控制节点，所述控制节点耦合到一起并且耦合至所述第一中间节点或所述第二中间节点。
8.一种通用串行总线USB端口，能够进行功率传送，所述USB端口包括：
接口，被配置为与负载通信；以及
电流感测放大器，耦合至所述接口并且包括：
感测电阻器，被配置为传导将被测量的电流；
第一中间节点和第二中间节点；
斩波器，将所述第一中间节点和所述第二中间节点电耦合到所述感测电阻器的第一节点和第二节点；
电流镜，具有电耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的第一分支和第二分支；
差分放大器，具有耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的输入，并且被配置为当所述第一中间节点处的电压大于所述第二中间节点处的电压时生成第一电压信号，并且当所述第二中间节点处的电压大于所述第一中间节点处的电压时生成第二电压信号；
第一晶体管，被配置为由所述第一电压信号控制，并且具有耦合至所述第一中间节点的第一主电流传导节点；
第二晶体管，被配置为由所述第二电压信号控制，并且具有耦合至所述第二中间节点的第一主电流传导节点，其中所述电流感测放大器包括：
输出电阻器；以及
第三晶体管和第四晶体管，具有耦合至所述输出电阻器的相应的主传导节点，其中所述第三晶体管和所述第四晶体管被配置为分别由所述第一电压信号和所述第二电压信号控制。
9.根据权利要求8所述的USB端口，其中，所述电流感测放大器包括耦合至所述第一晶体管和所述第二晶体管的第二主电流传导节点的输出电阻器。
10.根据权利要求8所述的USB端口，其中，所述电流感测放大器包括将所述斩波器耦合至所述第一中间节点的第一输入电阻器以及将所述斩波器耦合至所述第二中间节点的第二输入电阻器。
11.根据权利要求10所述的USB端口，其中，所述斩波器包括：
第一开关，将所述感测电阻器的第一节点耦合至所述第一输入电阻器；
第二开关，将所述感测电阻器的第二节点耦合至所述第二输入电阻器；
第三开关，将所述感测电阻器的第一节点耦合至所述第二输入电阻器；以及
第四开关，将所述感测电阻器的第二节点耦合至所述第一输入电阻器。
12.根据权利要求11所述的USB端口，其中，所述电流感测放大器包括：
控制电路，被配置为基于时钟信号生成：
用于控制所述第一开关和所述第二开关的第一相位信号；以及
用于控制所述第三开关和所述第四开关的第二相位信号。
13.根据权利要求8所述的USB端口，其中，所述电流镜包括将所述第一中间节点耦合至电源电压轨或接地轨的第三晶体管以及将所述第二中间节点耦合至所述电源电压轨或所述接地轨的第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管具有控制节点，所述控制节点耦合到一起并且耦合至所述第一中间节点或所述第二中间节点。
14.一种电流感测放大器，包括：
感测电阻器，被配置为传导将被测量的电流；
差分放大器，具有第一输入和第二输入以及第一输出和第二输出，所述第一输入和所述第二输入分别耦合至所述感测电阻器的第一节点和第二节点；
第一晶体管，具有控制节点以及第一电流传导节点和第二电流传导节点，所述控制节点电耦合至所述差分放大器的第一输出，并且所述第一电流传导节点电耦合至所述差分放大器的第二输入；
第二晶体管，具有控制节点以及第一电流传导节点和第二电流传导节点，所述第二晶体管的控制节点电耦合至所述差分放大器的第二输出，并且所述第二晶体管的第一电流传导节点电耦合至所述差分放大器的第一输入；
第一中间节点和第二中间节点，分别电耦合至所述差分放大器的第一输入和第二输入；
斩波器，分别将所述第一中间节点和所述第二中间节点电耦合至所述感测电阻器的第一节点和第二节点；
电流镜，具有分别电耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的第一分支和第二分支；以及
将所述斩波器耦合至所述第一中间节点的第一输入电阻器，以及将所述斩波器耦合至所述第二中间节点的第二输入电阻器。
15.根据权利要求14所述的电流感测放大器，还包括：
输出电阻器；以及
第三晶体管和第四晶体管，分别具有电耦合至所述输出电阻器的相应的第一电流传导节点、电耦合至所述第一晶体管和所述第二晶体管的第二电流传导节点的相应的第二电流传导节点、以及电耦合至所述差分放大器的第一输出和第二输出的相应的控制端子。
16.根据权利要求14所述的电流感测放大器，其中，所述斩波器包括：
第一开关，将所述感测电阻器的第一节点耦合至所述第一输入电阻器；
第二开关，将所述感测电阻器的第二节点耦合至所述第二输入电阻器；
第三开关，将所述感测电阻器的第一节点耦合至所述第二输入电阻器；以及
第四开关，将所述感测电阻器的第二节点耦合至所述第一输入电阻器。
17.一种电流感测放大器，包括：
感测电阻器，被配置为传导将被测量的电流；
第一中间节点和第二中间节点；
斩波器，将所述第一中间节点和所述第二中间节点电耦合至所述感测电阻器的第一节点和第二节点；
电流镜，具有电耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的第一分支和第二分支；
差分放大器，具有耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的输入，并且被配置为当所述第一中间节点处的电压大于所述第二中间节点处的电压时生成第一电压信号，并且当所述第二中间节点处的电压大于所述第一中间节点处的电压时生成第二电压信号；
第一晶体管，被配置为由所述第一电压信号控制，并且具有耦合至所述第一中间节点的第一主电流传导节点；
第二晶体管，被配置为由所述第二电压信号控制，并且第一主电流传导节点耦合至所述第二中间节点；
输出电阻器；以及
第三晶体管和第四晶体管，具有耦合至所述输出电阻器的相应的主传导节点，其中所述第三晶体管和所述第四晶体管被配置为分别由所述第一电压信号和所述第二电压信号控制。
18.根据权利要求17所述的电流感测放大器，其中所述电流镜包括将所述第一中间节点耦合至电源电压轨或接地轨的第三晶体管以及将所述第二中间节点耦合至所述电源电压轨或所述接地轨的第四晶体管，所述第三晶体管和所述第四晶体管具有控制节点，所述控制节点耦合到一起并且耦合至所述第一中间节点或所述第二中间节点。
19.一种通用串行总线USB端口，能够进行功率传送，所述USB端口包括：
接口，被配置为与负载通信；以及
电流感测放大器，耦合至所述接口并且包括：
感测电阻器，被配置为传导将被测量的电流；
第一中间节点和第二中间节点；
斩波器，将所述第一中间节点和所述第二中间节点电耦合到所述感测电阻器的第一节点和第二节点；
电流镜，具有电耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的第一分支和第二分支；
差分放大器，具有耦合至所述第一中间节点和所述第二中间节点的输入，并且被配置为当所述第一中间节点处的电压大于所述第二中间节点处的电压时生成第一电压信号，并且当所述第二中间节点处的电压大于所述第一中间节点处的电压时生成第二电压信号；
第一晶体管，被配置为由所述第一电压信号控制，并且具有耦合至所述第一中间节点的第一主电流传导节点；
第二晶体管，被配置为由所述第二电压信号控制，并且具有耦合至所述第二中间节点的第一主电流传导节点；
第一输入电阻器，将所述斩波器耦合至所述第一中间节点；以及
第二输入电阻器，将所述斩波器耦合至所述第二中间节点。
20.根据权利要求19所述的USB端口，其中所述斩波器包括：
第一开关，将所述感测电阻器的第一节点耦合至所述第一输入电阻器；
第二开关，将所述感测电阻器的第二节点耦合至所述第二输入电阻器；
第三开关，将所述感测电阻器的第一节点耦合至所述第二输入电阻器；以及
第四开关，将所述感测电阻器的第二节点耦合至所述第一输入电阻器。
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