CN110514883B - 一种高压宽输入范围电流采样运放电路 - Google Patents

一种高压宽输入范围电流采样运放电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高压宽输入范围电流采样运放电路，属于电子电路技术领域。所述高压宽输入范围电流采样运放电路包括共模电平检测支路，用以实现输入级状态的自由切换，能够精确实现地GND至外部电源VCC范围的输入检测功能。具体的，所述输入级采用横向PNP三极管构成，相比于由MOS管构成的输入级，在不增加开启阈值的前提下，可大幅提升电流采样运放正负端间最大耐压特性；其通过共模电平检测支路实现自由切换输入级后，可简化电流采样运放输入级偏置电流结构，降低芯片面积和成本。

Description

一种高压宽输入范围电流采样运放电路
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别涉及一种高压宽输入范围电流采样运放电路。
背景技术
随着半导体集成电路工艺水平的飞速发展，除手机和移动设备等低压领域，功率集成电路在高铁和IGBT等高压、大功率应用领域也有了越来越广泛的应用。为增加高压功率集成电路的可靠性，通常需对其输出电流进行实时监控。当其输出电流超过额定工作值上限时，将立刻对输出功率管采取关断操作，防止因功率管发热严重而导致芯片烧毁。
传统高压功率集成电路中电流监控实现方式如图1所示：VCC代表外部高压输入；MN1是输出功率管；VSENSE代表电流采样检测端；RSENSE代表采样电阻，其两端压差表征输出电流幅值；VOUT代表输出电压端；Control_Logic是芯片内部正常控制逻辑。当芯片输出电流未超过额定工作值上限时，电流采样运放A0输出低电平，MN1开关状态尤其单独控制；A0放大RSENSE两端压差，当芯片输出电流超过额定工作值上限时，A0输出高电平，通过第一或非门NOR1屏蔽Control_Logic信号，MN1被强制处于关断状态。
传统电流监控电路中，电流采样运放存在如下缺陷，因此其应用范围受限：
1、即使输入级采用轨到轨结构，由于MOS管阈值电压的存在，电流采样运放也无法精确实现GND至VCC范围的输入检测功能；
2、采用MOS管构成电流采样运放输入级时，如要求MOS管具有低阈值电压特性，则其栅氧耐压值受限。即在确保电路不发生损坏的情况下，电流采样运放正负端最大压差受限；
3、如需在全输入范围内保证轨到轨输入级跨导的恒定，则电流采样运放输入级偏置电流结构较复杂，导致芯片面积和成本上升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压宽输入范围电流采样运放电路，以解决现有的电流采样运放无法精确实现GND至VCC范围的输入检测功能的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高压宽输入范围电流采样运放电路，包括：
共模电平检测支路，用以实现输入级状态的自由切换，能够精确实现地GND至外部电源VCC范围的输入检测功能；其中，
所述输入级采用横向PNP三极管构成。
可选的，所述共模电平检测支路包括电流源I5、三极管Q7和Q10以及电阻R10；其中，
所述电流源I5正端接外部电源VCC，负端同时接三极管Q7基极和三极管Q10集电极，所述三极管Q10发射极接电阻R10第一端，所述三极管Q10基极与其集电极互连。
可选的，所述高压宽输入范围电流采样运放电路还包括电流源I1～I4、I6～I8，电阻R1～R9、R11～17，三极管Q1～Q6、Q8～Q16和电容C1；其中，
电阻R1和R2第一端均接电流采样端VSENSE，所述电阻R1第二端同时接三极管Q3和Q4发射极，所述电阻R2第二端接电流源I1负端和三极管Q1基极；电阻R5和R17第一端均接负端VOUT，所述电阻R5第二端同时接三极管Q5和Q6发射极、电流源I4正端，所述电阻R17第二端接电流源I3负端和三极管Q2基极；
所述三极管Q1和Q2发射极通过电阻R3和R4相连，所述三极管Q1集电极接三极管Q5集电极和三极管Q12发射极，所述三极管Q2集电极接三极管Q4集电极和三极管Q11发射极；
所述三极管Q3和Q6基极、集电极，所述三极管Q4和Q5基极互连，并连至三极管Q8集电极；所述三极管Q8基极与三极管Q9基极互连，所述三极管Q9基极与其集电极相连，并通过电阻R7接至三极管Q7集电极，所述三极管Q7发射极接在所述电阻R3和R4之间，所述三极管Q8和Q9发射极分别连接电阻R8和R9第一端；
所述三极管Q11和Q12集电极分别接电流源I6和I7负端，发射极分别接电阻R11和R12第一端，基极互连并接至三极管Q14发射极；所述三极管Q14集电极接外部电源VCC，基极与三极管Q13基极互连，并接至三极管Q13集电极和电流源I6负端，所述三极管Q13发射极接电流源I7负端；
三极管Q15集电极通过电阻R6接外部电源VCC，基极接电阻R14第一端和电流源I7负端，发射极接三极管Q16基极和电阻R15第一端；所述三极管Q16发射极接电阻R16第一端，集电极接电流源I8负端；
所述电阻R14第二端通过电容C1接地。
可选的，所述电流源I2负端接在所述电阻R3和R4之间。
可选的，所述电流源I4负端接地。
可选的，所述电流源I1～I3和I5～I8正端均接外部电源VCC。
可选的，所述电阻R8～R13、R15和R16第二端均接地。
在本发明中提供了一种高压宽输入范围电流采样运放电路，包括共模电平检测支路，用以实现输入级状态的自由切换，能够精确实现地GND至外部电源VCC范围的输入检测功能。具体的，所述输入级采用横向PNP三极管构成，相比于由MOS管构成的输入级，在不增加开启阈值的前提下，可大幅提升电流采样运放正负端间最大耐压特性；其通过共模电平检测支路实现自由切换输入级后，可简化电流采样运放输入级偏置电流结构，降低芯片面积和成本。
附图说明
图1为传统电流监控电路结构图；
图2为本发明所提出的一种高压宽输入范围电流采样运放电路结构图；
图3为本发明所提出的电流采样运放电路当输入共模电平较低时结构图；
图4为本发明所提出的电流采样运放电路当输入共模电平较高时结构图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高压宽输入范围电流采样运放电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明提供了一种高压宽输入范围电流采样运放电路，包括共模电平检测支路，用以实现输入级状态的自由切换，能够精确实现地GND至外部电源VCC范围的输入检测功能。具体的，所述输入级采用横向PNP三极管构成，相比于由MOS管构成的输入级，在不增加开启阈值的前提下，可大幅提升电流采样运放正负端间最大耐压特性；其通过共模电平检测支路实现自由切换输入级后，可简化电流采样运放输入级偏置电流结构，降低芯片面积和成本；其通过增加由R11、R12、Q11、Q12、Q13、Q14、I6和I7构成的正反馈加速支路提高了电流采样运放的瞬态响应速度。
如图2所示为本发明提供的高压宽输入范围电流采样运放电路的结构示意图，所述共模电平检测支路包括电流源I5、三极管Q7和Q10以及电阻R10；其中，所述电流源I5正端接外部电源VCC，负端同时接三极管Q7基极和三极管Q10集电极，所述三极管Q10发射极接电阻R10第一端，所述三极管Q10基极与其集电极互连。
具体的请继续参阅图2，所述高压宽输入范围电流采样运放电路还包括电流源I1～I4、I6～I8，电阻R1～R9、R11～17，三极管Q1～Q6、Q8～Q16和电容C1；其中，电阻R1和R2第一端均接电流采样端VSENSE，所述电阻R1第二端同时接三极管Q3和Q4发射极，所述电阻R2第二端接电流源I1负端和三极管Q1基极；电阻R5和R17第一端均接负端VOUT，所述电阻R5第二端同时接三极管Q5和Q6发射极、电流源I4正端，所述电流源I4负端接地；所述电阻R17第二端接电流源I3负端和三极管Q2基极；所述三极管Q1和Q2发射极通过电阻R3和R4相连，所述电流源I2负端接在所述电阻R3和R4之间；所述三极管Q1集电极接三极管Q5集电极和三极管Q12发射极，所述三极管Q2集电极接三极管Q4集电极和三极管Q11发射极；所述三极管Q3和Q6基极、集电极，所述三极管Q4和Q5基极互连，并连至三极管Q8集电极；所述三极管Q8基极与三极管Q9基极互连，所述三极管Q9基极与其集电极相连，并通过电阻R7接至三极管Q7集电极，所述三极管Q7发射极接在所述电阻R3和R4之间，所述三极管Q8和Q9发射极分别连接电阻R8和R9第一端；所述三极管Q11和Q12集电极分别接电流源I6和I7负端，发射极分别接电阻R11和R12第一端，基极互连并接至三极管Q14发射极；所述三极管Q14集电极接外部电源VCC，基极与三极管Q13基极互连，并接至三极管Q13集电极和电流源I6负端，所述三极管Q13发射极接电流源I7负端；三极管Q15集电极通过电阻R6接外部电源VCC，基极接电阻R14第一端和电流源I7负端，发射极接三极管Q16基极和电阻R15第一端；所述三极管Q16发射极接电阻R16第一端，集电极接电流源I8负端；所述电阻R14第二端通过电容C1接地。
进一步的，所述电流源I1～I3和I5～I8正端均接外部电源VCC；更进一步的，所述电阻R8～R13、R15和R16第二端均接地。
本发明的工作原理为：
1、输入级切换分析
在所述共模电平检测支路中，电流源I5、三极管Q10和电阻R10为三极管Q7基极提供偏置电压，三极管Q7基极偏置电压VB(Q7)为：
VB(Q7)＝VBE(Q10)+I5·R10 (1)
式(1)中VB(Q10)代表三极管Q10基极与发射极压差，I5是共模电平检测电流源，R10为电阻R10的阻值。
则对三极管Q7发射极电压VA有(2)式～(5)式分析：
如：VA≤VEB(Q7)+VB(Q7) (2)
则：IQ7＝0 (3)
其中：VEB(Q7)代表三极管Q7发射极与基极压差；IQ7代表三极管Q7电流。
即当VA较低时电流采样运放输入级由三极管Q1和Q2构成。
如：VA＞VEB(Q7)+VB(Q7) (4)
则：IQ7＞I2 (5)
其中：I2是过流采样运放输入级尾电流源。
即当VA较高时过流采样运放输入级由三极管Q3、Q4、Q5和Q6构成。
且在理想情况下VA与输入共模电平存在(6)式所示关系：
Figure BDA0002206486640000061
其中，I2是过流采样运放输入级尾电流源，VEB(Q1)代表三极管Q1发射极与基极压差，VEB(Q2)代表三极管Q2发射极与基极压差，I1和I3均为输入失调电压设定电流源，VSENSE是芯片外接采样电阻正端电压，VOUT是芯片外接采样电阻负端电压，因此当输入共模电平(被检测的输入电压)较低时，电流采样运放结构如图3所示。
当输入共模电平较高时，电流采样运放结构如图4所示。即本发明所给出电流采样运放结构通过增加输入共模电平检测支路，实现了输入级状态的自由切换，可精确实现地GND至外部电源VCC范围的输入检测功能。
2、输入共模电平较低时电路工作状态
图3为输入共模电平较低时电流采样运放等效电路图。此时电阻R2、R17、电流源I1和I3产生输入失调(即电流采样阈值电压VTrip)。当电流采样运放正负端压差大于输入失调时VTrip，运放即输出高电平同时限制功率管开启程度，限制了功率管输出电流大小。此时：
VTrip＝I3·R17-I1·R2 (7)
I1和I3均为输入失调电压设定电流源，限流触发阈值ITrip为：
Figure BDA0002206486640000062
其中，RSENSE是芯片外接采样电阻。
3、输入共模电平较高时电路工作状态
图4为输入共模电平较高时电流采样运放等效电路图。此时电阻R1、R5和电流源I4产生输入失调。当电流采样运放正负端压差大于输入失调时VTrip，运放即输出高电平同时限制功率管开启程度，限制了功率管输出电流大小。此时：
VTrip＝I5·R4 (9)
Figure BDA0002206486640000063
其中，I5是共模电平检测电流源，此时电流源I2流经三极管Q7后，经三极管Q8和Q9的镜像作用，为三极管Q3、Q4、Q5和Q6提供偏置电压。
4、正反馈加速支路工作分析
由R11、R12、Q11、Q12、Q13、Q14、I6和I7构成的正反馈加速支路，设三极管Q11发射极增加+ΔV，三极管Q12发射极增加-ΔV。则三极管Q11集电极增加+ΔV，三极管Q12集电极增加-ΔV。此时三极管Q13基极和发射极压差增大+2ΔV，因此三极管Q13电流变大。通过电流镜镜像Q14电流也增大，导致三极管Q12基极电压上升，最终使得三极管Q12集电极电压加速下降。增加正反馈加速支路后电流采样运放瞬态响应速度被大幅提升。
5、耐压可靠性提高分析
现有工艺中，PNP三极管发射极采用P型掺杂，基极采用N型掺杂。且发射极需要进行低浓度注入处理，基极需进行深磷注入等额外工艺步骤。因此现有工艺中PNP三极管的发射极与基极间反向耐压可以达到一个很高的数值，电流采样运放输入级由横向PNP三极管构成，相比于由MOS管构成的输入级在不增加开启阈值的前提下，可大幅提升电流采样运放正负端间最大耐压特性。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (5)

1.一种高压宽输入范围电流采样运放电路，其特征在于，包括：
共模电平检测支路，用以实现输入级状态的自由切换，能够精确实现地GND至外部电源VCC范围的输入检测功能；其中，
所述输入级采用横向PNP三极管构成；
所述共模电平检测支路包括电流源I5、三极管Q7和Q10以及电阻R10；其中，所述电流源I5正端接外部电源VCC，负端同时接三极管Q7基极和三极管Q10集电极，所述三极管Q10发射极接电阻R10第一端，所述三极管Q10基极与其集电极互连；
所述高压宽输入范围电流采样运放电路还包括电流源I1~I4、I6~I8，电阻R1~R9、R11~17，三极管Q1~Q6、Q8~Q16和电容C1；其中，
电阻R1和R2第一端均接电流采样端VSENSE，所述电阻R1第二端同时接三极管Q3和Q4发射极，所述电阻R2第二端接电流源I1负端和三极管Q1基极；电阻R5和R17第一端均接负端VOUT，所述电阻R5第二端同时接三极管Q5和Q6发射极、电流源I4正端，所述电阻R17第二端接电流源I3负端和三极管Q2基极；
所述三极管Q1和Q2发射极通过电阻R3和R4相连，所述三极管Q1集电极接三极管Q5集电极和三极管Q12发射极，所述三极管Q2集电极接三极管Q4集电极和三极管Q11发射极；
所述三极管Q3和Q6基极、集电极，所述三极管Q4和Q5基极互连，并连至三极管Q8集电极；所述三极管Q8基极与三极管Q9基极互连，所述三极管Q9基极与其集电极相连，并通过电阻R7接至三极管Q7集电极，所述三极管Q7发射极接在所述电阻R3和R4之间，所述三极管Q8和Q9发射极分别连接电阻R8和R9第一端；
所述三极管Q11和Q12集电极分别接电流源I6和I7负端，发射极分别接电阻R11和R12第一端，基极互连并接至三极管Q14发射极；所述三极管Q14集电极接外部电源VCC，基极与三极管Q13基极互连，并接至三极管Q13集电极和电流源I6负端，所述三极管Q13发射极接电流源I7负端；
三极管Q15集电极通过电阻R6接外部电源VCC，基极接电阻R14第一端和电流源I7负端，发射极接三极管Q16基极和电阻R15第一端；所述三极管Q16发射极接电阻R16第一端，集电极接电流源I8负端；
所述电阻R14第二端通过电容C1接地。
2.如权利要求1所述的高压宽输入范围电流采样运放电路，其特征在于，所述电流源I2负端接在所述电阻R3和R4之间。
3.如权利要求1所述的高压宽输入范围电流采样运放电路，其特征在于，所述电流源I4负端接地。
4.如权利要求1~3任一所述的高压宽输入范围电流采样运放电路，其特征在于，所述电流源I1~I3和I5~I8正端均接外部电源VCC。
5.如权利要求1~3任一所述的高压宽输入范围电流采样运放电路，其特征在于，所述电阻R8~R13、R15和R16第二端均接地。
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