CN108957102A - 一种无运放的电流检测电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无运放电流检测电路，电路结构包括：电压偏置模块A、检测电流模块B和放大模块C；电压偏置模块中M1、M3和M5采用二级管连接方式与M2、M4和M6构成共源共栅电流镜结构，M7和M8采用二级管连接方式，M9、M10、M11和M12构成简单电流镜结构；检测电流模块中M13、M14和采样电阻R1构成源极跟随器，M15、M17作为MOS负载与M16、M18构成共源极放大器，M19、M20作为MOS负载与M21、电阻R2构成源极跟随器；放大模块中M22、M23与M19、M20构成共源共栅电流镜结构，电阻R3作为放大电阻。本发明采用单级放大器、电流镜和放大电阻对信号进行额定倍数的放大，极点少，调节MOS管的参数，使极点远离原点，提高电路的工作频率；电路中大部分MOS管工作于亚阈值区，降低功耗。

Description

一种无运放的电流检测电路
技术领域
本发明涉及模拟集成电路设计领域，具体涉及一种无运放的电流检测电路。
背景技术
随着信息技术与半导体技术的发展，集成电路（Integrated Circuit，IC）广泛应用于各类电子设备中，以实现小体积、高速与低功耗。电流检测电路作为模拟IC的重要模块，已广泛应用于电流保护/监测设备、可编程电流源、线性/开关电源、以及各类充电器和电池电量计量器中。
目前，电流检测电路核心模块主要由高精度采样电阻和高增益运算放大器组成。其中，高增益运算放大器不仅导致电路的功耗较大，并且其增益随着电路工作频率升高而下降，当工作频率大于1MHz时，增益很难达到要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对目前的技术问题，提供一种无运放的电流检测电路。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种无运放的电流检测电路，其电路结构包括：电压偏置模块（A），检测电流模块（B）和放大模块（C）；电压偏置模块包括MOS管M1~M12，其中M1、M3和M5采用二级管连接方式与M2、M4和M6构成共源共栅电流镜结构，M7和M8采用二级管连接方式，M9、M10、M11和M12构成简单电流镜结构；检测电流模块包括M13~M21、采样电阻R1和电阻R2，其中M13、M14和采样电阻R1构成源极跟随器，M15、M17作为MOS负载与M16、M18构成共源极放大器，M19、M20作为MOS负载与M21、电阻R2构成源极跟随器；放大模块包括M22、M23和电阻R3，其中M22、M23与M19、M20构成共源共栅电流镜结构，电阻R3作为放大电阻。
优选地，所述该电路不采用运算放大器，而采用单极放大器、共源共栅电流镜和放大电阻对检测电流信号进行额定倍数的放大。
优选地，所述该电路极点少，通过调节M15~M18的参数，使极点最大程度远离原点，工作频率最高可达100MHz。
优选地，所述该电路MOS管M1~M10工作在亚阈值区，电路功耗低于300µW。
优选地，所述该电路中检测电流Iin与采样电压V1之间的关系为V1=R1×(Iin+I3)，为了保证输入电流值转换为电压值的精度大于99%，即保证V1和Iin之间的线性度，需满足Iin≥99I3。
优选地，所述电流I3在电路中取值范围设为100~200nA之间，由Iin≥99I3可得输入电流Iin范围（即电流检测范围）大于20µA。
本发明中的无运放电流检测电路不采用运算放大器，而采用单极放大器、共源共栅电流镜和放大电阻对检测电流信号进行额定倍数的放大，极点少；通过调节MOS的参数，使极点最大程度远离原点，电路中大部分MOS管工作于亚阈值区，从而提高电路的工作频率，并降低功耗。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例的整体电路图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的无运放电流检测电路，其电路结构包括电压偏置模块（A），检测电流模块（B）和放大模块（C）。
所述电压偏置模块包括MOS管M1~M12，其中M1、M3和M5采用二级管连接方式与M2、M4和M6构成共源共栅电流镜结构，通过调节MOS管的宽长比，使其工作在亚阈值区，电流I1大小在100~200nA之间，且I2=I1；M7和M8采用二级管连接方式，M9、M10、M11和M12构成简单电流镜结构，其作用是作为负载并镜像电流I1的大小，使I3和I4的取值范围在100~200nA之间。
所述检测电流模块包括M13~M21、采样电阻R1和电阻R2，其中检测电流Iin与采样电压V1之间关系为V1=R1×(Iin+I3)，为了保证输入电流值转换为电压值的精度大于99%，即保证V1和Iin之间的线性度，需满足Iin≥99I3；而电流I3在电路中取值范围设为100~200nA之间，由Iin≥99I3可得输入电流Iin范围（即电流检测范围）大于20µA；另外，M13、M14和采样电阻R1构成源极跟随器，M15、M17作为MOS负载与M16、M18构成共源极放大器，M19、M20作为MOS负载与M21、电阻R2构成源极跟随器，使得采样电压V1与V2相等，其原理为：当V1上升时，M13的栅源电压下降，其等效电阻增加，从而V3上升；V3经过2个共源极放大器得到V4，而V4上升使M21的栅源电压增加，其等效电阻减小，从而使V2上升；同理，当电压V1下降时，V2也下降；通过调节M13和M21的宽长比，使V1和V2的变化量相等，从而保证V2=V1。根据V1=R1×(Iin+I3)，V2=R2×(I4+I5)，V1=V2可以得到，(I4+I5)/R1=(Iin+I3)/R2；其中I3和I4的取值范围在100~200nA之间，且Iin远大于I3，使I5远大于I4，可得I3≈I5×(R1/R2)，即可确定电阻R2的值。
所述放大模块包括M22、M23和电阻R3，其中M22、M23与M19、M20构成共源共栅电流镜结构，使得I6=I5；电阻R3作为放大电阻，因而V4=I6×R3=I5×R3；通过调节I6的大小，使I5远大于I4，根据V2=R2×(I4+I5)，V1=V2，可得V4=(R3/R2)×V1；通过调节电阻R2和R3的比值，即可确定电压V4对V1放大倍数。
本实施例中，所述该电路不采用运算放大器，而采用单极放大器、共源共栅电流镜和放大电阻对检测电流信号进行额定倍数的放大。
本实施例中，所述该电路极点少，通过调节M15~M18的参数，使极点最大程度远离原点，工作频率最高可达100MHz。
本实施例中，所述该电路MOS管M1~M10工作在亚阈值区，电路功耗低于300µW。
本实施例中，所述该电路中检测电流Iin与采样电压V1之间的关系为V1=R1×(Iin+I3)，为了保证输入电流值转换为电压值的精度大于99%，即保证V1和Iin之间的线性度，需满足Iin≥99I3。
本实施例中，所述电流I3在电路中取值范围设为100~200nA之间，由Iin≥99I3可得输入电流Iin范围（即电流检测范围）大于20µA。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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前提下的若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无运放的电流检测电路，其特征在于：电路结构包括电压偏置模块，检测电流模块和放大模块；所述电压偏置模块包括MOS管M1~M12，所述M1、M3和M5采用二级管连接方式与M2、M4和M6构成共源共栅电流镜结构，所述M7和M8采用二级管连接方式，所述M9、M10、M11和M12构成简单电流镜结构；所述检测电流模块包括M13~M21、采样电阻R1和电阻R2，所述M13、M14和采样电阻R1构成源极跟随器，所述M15、M17作为MOS负载与M16、M18构成共源极放大器，所述M19、M20作为MOS负载与M21、电阻R2构成源极跟随器；所述放大模块包括M22、M23和电阻R3，所述M22、M23与M19、M20构成共源共栅电流镜结构，电阻R3作为放大电阻。
2.根据权利要求1所述的一种无运放的电流检测电路，其特征在于：所述该电路中不采用运算放大器，而采用单极放大器、共源共栅电流镜和放大电阻对检测电流信号进行额定倍数的放大。
3.根据权利要求2所述的一种无运放的电流检测电路，其特征在于：所述该电路极点少，通过调节M15~M18的参数，使极点最大程度远离原点，工作频率最高可达100MHz。
4.根据权利要求2所述的一种无运放的电流检测电路，其特征在于：所述该电路MOS管M1~M10工作在亚阈值区，电路功耗低于300µW。
5.根据权利要求1所述的一种无运放的电流检测电路，其特征在于：所述该电路中检测电流Iin与采样电压V1之间的关系为V1=R1×(Iin+I3)，为了保证输入电流值转换为电压值的精度大于99%，即保证V1和Iin之间的线性度，需满足Iin≥99I3。
6.根据权利要求5所述的一种无运放的电流检测电路，其特征在于：所述电流I3的取值范围设为100~200nA之间，由Iin≥99I3可得输入电流Iin范围（即电流检测范围）大于20µA。
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