CN112285429A - 测量电流的产生电路 - Google Patents

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詹义贤
蔡键贤
郭国仁
黄朝忠
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Abstract

本发明公开了一种测量电流的产生电路，耦接设定电阻。产生电路包括第一测量端、第二测量端、第一转导放大器、第二转导放大器及输出电路。第一转导放大器具有第一输入端及第二输入端。第一输入端耦接设定电阻的一端。第二输入端耦接设定电阻的另一端与耦接第一测量端。第二转导放大器具有第三输入端及第四输入端。输出电路分别耦接第一转导放大器的输出端及第二转导放大器的输出端，并具有第一输出端及第二输出端。第一输出端耦接上述第一输入端。第二输出端耦接第二测量端。本发明可有效提高电流精确度及电流效率、减少被动元件的数量、提高在高共模噪声的环境下的共模抑制比。

Description

测量电流的产生电路
技术领域
本发明与电流产生有关，尤其是关于一种测量电流的产生电路。
背景技术
在生物信息感测的应用中，最常采用交流电流控制技术，以实现产生固定峰值的低电流(例如数nA电流等级)。
然而，传统的交流电流控制技术仍存在下列诸多缺点，亟待克服：
(1)当电路中的电阻元件彼此不匹配时，会严重影响到其产生的电流的精确度及共模抑制比(Common-Mode Rejection Ratio,CMRR)，故需额外设置微调电阻(TrimmingResistor)，导致被动元件数量较多且增加成本；
(2)由于其产生的电流实际上仅有不到一半会流经其耦接的输出负载，导致其电流效率不高，难以应用于穿戴式装置；以及
(3)在应用上，由于其耦接的输出负载需有一端接地，这将导致其在高共模噪声的环境下具有较低的共模抑制比，而不易克服环境中的共模噪声。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种测量电流的产生电路，以有效解决现有技术所遭遇到的上述问题。
依据本发明的一具体实施例为一种测量电流的产生电路。于此实施例中，产生电路耦接设定电阻。产生电路包括第一测量端、第二测量端、第一转导放大器、第二转导放大器及输出电路。第一转导放大器具有第一输入端及第二输入端。第一输入端耦接设定电阻的一端。第二输入端耦接设定电阻的另一端与耦接第一测量端。第二转导放大器具有第三输入端及第四输入端。输出电路分别耦接第一转导放大器的输出端及第二转导放大器的输出端，并具有第一输出端及第二输出端。第一输出端耦接上述第一输入端。第二输出端耦接第二测量端。
于一实施例中，产生电路于第三输入端及第四输入端接收差动输入电压信号，并于设定电阻两端产生跨压，跨压为交流电压且与差动输入电压信号具有相同频率。
于一实施例中，设定电阻两端的跨压于设定电阻上产生输出电流，设定电阻用以设定输出电流的电流值上下限。
于一实施例中，差动输入电压决定输出电流的振幅及频率。
于一实施例中，输出电路包括加法单元、电流转电压单元及放大单元。加法单元分别耦接第一转导放大器的输出端及第二转导放大器的输出端。电流转电压单元耦接加法单元。放大单元分别耦接电流转电压单元、第一输出端及第二输出端。
于一实施例中，差动输入电压信号控制输出电流的流向。
于一实施例中，第一转导放大器的转导值与第二转导放大器的转导值相等，设定电阻两端的跨压等于差动输入电压信号的电压差，但极性相反。
于一实施例中，产生电路还包括第三转导放大器，耦接输出电路。第三转导放大器具有第五输入端及第六输入端，用以接收第二差动输入电压信号并产生第三电流至输出电路。
于一实施例中，第一转导放大器的转导值等于第二转导放大器的转导值与第三转导放大器的转导值的和，设定电阻两端的跨压等于第一输入端及第二输入端接收的差动输入电压信号及第二差动输入电压信号的和，但极性相反，差动输入电压信号与第二差动输入电压信号频率不同。
相较于现有技术，本发明的测量电流的产生电路具有两组差动输入端及一组差动输出端，其通过其中一组差动输入端输入差动电压信号，以于与输出端反馈耦接的一组差动输入端在设定电阻两端产生跨压，以产生输出电流，并通过设定电阻设定输出电流的电流值上下限，且通过输入的交流电压决定输出电流的振幅及频率，由以实现具有无开关、高精度及低电流等特性的交流电流产生电路。
因此，本发明的测量电流的产生电路可达到下列功效及优点：
(1)不需匹配其电路中所包括的多个电阻元件即可实现，故可有效提高电流精确度；
(2)其产生的输出电流均流至其耦接的输出负载，故可有效提高电流效率；
(3)仅需外接一个设定电阻，故可大幅减少被动元件的数量，有效简化电路的复杂度；
(4)其耦接的输出负载不需接地，可产生单向或双向的输出电流，故可有效提高其在高共模噪声的环境下的共模抑制比，有助于克服环境中的共模噪声；以及
(5)可通过多输入系统(多组差动输入端)实现多频(或多相)输入电压信号的合成。
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。
附图说明
本发明所附附图说明如下：
图1为本发明的一实施例中的测量电流的产生电路的示意图。
图2为图1中的测量电流的产生电路耦接输出负载并产生输出电流至输出负载的示意图。
图3为图2中的输出负载的一实施例。
图4为本发明的另一实施例中的测量电流的产生电路耦接输出负载并产生输出电流至输出负载的示意图。
主要元件符号说明：
1、2：测量电流的产生电路
10、20：输出电路
100、200：加法单元
102、202：电流转电压单元
104、204：放大单元
TA0：第一转导放大器
TA1：第二转导放大器
TA2：第三转导放大器
RSET：设定电阻
IOUTP：第一测量端
IOUTN：第二测量端
VIN0、VIP0、VIN1、VIP1、VIN2、VIP2：电压
VAC、VAC0、VAC1、VAC2：差动输入电压信号
VF：设定电阻的跨压
I0：第一电流
I1：第二电流
I2：第三电流
I：总和电流
V：总和电压
OUT1：第一输出端
OUT2：第二输出端
PAD1、PAD2：感测电极
－、+：输入端
VOUTP、VOUTN：差动输出电压
CDC：电容
IAC：输出电流
IZL：输出电流
ZL、ZL0～ZLN：输出负载
C1～C2：电容
R1～R2：电阻
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
依据本发明的一具体实施例为一种测量电流的产生电路。于此实施例中，测量电流的产生电路不仅可省去传统的微调电阻的设置，也不需进行电阻元件的匹配，仅需外接一个设定电阻并提供一个差动输入电压信号即可产生低电流的交流电流，能有效减少被动元件的数量、提高电流精确度并提高电流效率。
请参照图1，图1为此实施例中的测量电流的产生电路的示意图。
如图1所示，测量电流的产生电路1耦接设定电阻RSET。测量电流的产生电路1包括第一测量端IOUTP、第二测量端IOUTN、第一转导放大器TA0、第二转导放大器TA1及输出电路10。第一转导放大器TA0耦接设定电阻RSET、第一测量端IOUTP及输出电路10。第二转导放大器TA1耦接输出电路10。输出电路10耦接第一转导放大器TA0的输出端、第二转导放大器TA1的输出端、设定电阻RSET及第二测量端IOUTN。
第一转导放大器TA0具有第一输入端-及第二输入端+。第一输入端-耦接设定电阻RSET的一端与耦接输出电路10的第一输出端OUT1。第二输入端+耦接设定电阻RSET的另一端与耦接第一测量端IOUTP。也就是说，输出电路10的第一输出端OUT1反馈耦接至第一转导放大器TA0的第一输入端-，且第一转导放大器TA0的第一输入端-与第二输入端+分别耦接设定电阻RSET的两端。
当第一转导放大器TA0的第一输入端-与第二输入端+接收差动输入电压信号VAC0时，第一转导放大器TA0会根据差动输入电压信号VAC0产生第一电流I0至输出电路10。第二转导放大器TA1具有第三输入端-及第四输入端+。当第二转导放大器TA1的第三输入端-及第四输入端+接收差动输入电压信号VAC时，第二转导放大器TA1会根据差动输入电压信号VAC产生第二电流I1至输出电路10。
由于输出电路10的第一输出端OUT1反馈耦接至第一转导放大器TA0的第一输入端-，在第二转导放大器TA1的第三输入端-及第四输入端+接收差动输入电压信号VAC时，输出电路10为了平衡第一电流I0及第二电流I1的变化，会在第一转导放大器TA0的第一输入端-与第二输入端+产生差动电压信号VAC0，且差动电压信号VAC0会与差动输入电压信号VAC极性相反。换句话说，差动电压信号VAC0为交流电压且与差动输入电压信号VAC具有相同的频率。
于一实施例中，第一转导放大器TA0的转导值与第二转导放大器TA1的转导值彼此相等，致使第一转导放大器TA0的第一输入端-与第二输入端+之间的电压差等于第二转导放大器TA1的第三输入端-与第四输入端+之间的电压差，但两者的极性相反。也就是说，设定电阻RSET两端的跨压VF会等于差动输入电压信号VAC的电压差，亦即VF＝(VIN0-VIP0)＝(VIP1-VIN1)＝VAC的电压差。
于一实施例中，输出电路10包括加法单元100、电流转电压单元102及放大单元104、第一输出端OUT1及第二输出端OUT2。加法单元100分别耦接第一转导放大器TA0的输出端及第二转导放大器TA1的输出端。电流转电压单元102耦接加法单元100。放大单元104分别耦接电流转电压单元102、第一输出端OUT1及第二输出端OUT2。第一输出端OUT1耦接至第一转导放大器TA0的第一输入端-。第二输出端耦接至第二测量端IOUTN。
加法单元100分别接收第一转导放大器TA0所输出的第一电流I0及第二转导放大器TA1所输出的第二电流I1，并根据第一电流I0与第二电流I1产生总和电流I至电流转电压单元102。电流转电压单元102将总和电流I转换为总和电压V后输出总和电压V至放大单元104。放大单元104根据总和电压V于第一输出端OUT1与第二输出端OUT2产生差动输出电压VOUTP及VOUTN。
请参照图2，图2为图1中的测量电流的产生电路1耦接输出负载并产生输出电流至输出负载的示意图。
如图2所示，产生电路1于设定电阻RSET上产生跨压VF，通过设定电阻RSET产生输出电流IAC，亦即IAC＝VF/RSET＝(VIN0-VIP0)/RSET。当第一测量端IOUTP与第二测量端IOUTN之间耦接有待测体(即输出负载ZL0～ZLN)时，在第一测量端IOUTP与第二测量端IOUTN之间具有输出电流IAC流经输出负载ZL0～ZLN。电容CDC用以隔绝直流(DC)电压，使得仅有交流(AC)型式的输出电流IAC能流经串联的输出负载ZL0～ZLN，但不以此为限。
于实际应用中，产生电路1所产生的输出电流IAC会与第三输入端-及第四输入端+接收的差动输入电压VIN1及VIP1及设定电阻RSET有关，亦即产生电路1所产生的输出电流IAC会等于(VIN0-VIP0)/RSET＝(VIP1-VIN1)/RSET＝VAC/RSET。详细而言，产生电路1所产生的输出电流IAC的振幅及频率可根据差动输入电压VIN1及VIP1提供的差动输入电压信号VAC来决定，且输出电流IAC的电流值上下限可根据设定电阻RSET的阻值来决定。因此，产生电路1可通过调整差动输入电压VIN1及VIP1与设定电阻RSET的阻值来产生不同的输出电流IAC。
此外，差动输入电压VIN1及VIP1也可控制产生电路1所产生的输出电流IAC的流向。详细而言，产生电路1所产生的输出电流IAC的流向可以是双向或单向，且由差动输入电压VIN1及VIP1提供的差动输入电压信号VAC所决定。产生电路1所产生的输出电流IAC可从第一转导放大器TA0的第二输入端+流向输出电路10的第二输出端OUT2，或从输出电路10的第二输出端OUT2流向第一转导放大器TA0的第二输入端+，并无特定的限制。也就是说，产生电路1所产生的输出电流IAC可从第一测量端IOUTP流向第二测量端IOUTN，或从第二测量端IOUTN流向第一测量端IOUTP，并无特定的限制。
于实际应用中，输出负载ZL0～ZLN可以是生物体组织(例如人体，但不以此为限)。由于产生电路1所产生的输出电流IAC为交流(AC)电流且在不同的交流电频率下通过生物体组织(输出负载ZL0～ZLN)，由此可得到生物体组织的阻抗随频率变化的情形。
此外，输出负载ZL0～ZLN除了可以是电阻性负载之外，也可以是多个电阻性负载与电容性负载的组合。举例而言，如图3所示，人体阻抗的等效输出负载ZL1包括电阻R1～R2及电容C1～C2，其中电容C1的一端耦接电阻R1，电阻R2耦接电容C1的另一端，电容C2耦接电容C1的另一端且电容C2与电阻R2并联，但不以此为限。
于另一实施例中，如图4所示，测量电流的产生电路2耦接设定电阻RSET。测量电流的产生电路2包括第一测量端IOUTP、第二测量端IOUTN、第一转导放大器TA0、第二转导放大器TA1、第三转导放大器TA2及输出电路20。第一转导放大器TA0耦接设定电阻RSET、第一测量端IOUTP及输出电路20。第二转导放大器TA1耦接输出电路20。第三转导放大器TA2耦接输出电路20。输出电路20耦接第一转导放大器TA0的输出端、第二转导放大器TA1的输出端、第三转导放大器TA2的输出端、设定电阻RSET及第二测量端IOUTN。
第一转导放大器TA0具有第一输入端-及第二输入端+。第一输入端-耦接设定电阻RSET的一端与耦接输出电路20的第一输出端OUT1。第二输入端+耦接设定电阻RSET的另一端与耦接第一测量端IOUTP。也就是说，输出电路20的第一输出端OUT1反馈耦接至第一转导放大器TA0的第一输入端-，且第一转导放大器TA0的第一输入端-与第二输入端+分别耦接设定电阻RSET的两端。
当第一转导放大器TA0的第一输入端-与第二输入端+接收差动输入电压VIN0及VIP0时，第一转导放大器TA0会根据差动输入电压VIN0及VIP0产生第一电流I0至输出电路20。
第二转导放大器TA1具有第三输入端-及第四输入端+。当第二转导放大器TA1的第三输入端-及第四输入端+接收差动输入电压VIN1及VIP1时，第二转导放大器TA1会根据差动输入电压VIN1及VIP1产生第二电流I1至输出电路20。
同理，第三转导放大器TA2具有第五输入端-及第六输入端+。当第三转导放大器TA2的第五输入端-及第六输入端+接收差动输入电压VIN2及VIP2时，第三转导放大器TA2会根据差动输入电压VIN2及VIP2产生第三电流I2至输出电路20。
在此实施例中，第一转导放大器TA0的转导值等于第二转导放大器TA1的转导值与第三转导放大器TA2的转导值的和，致使第一转导放大器TA0的第一输入端-与第二输入端+之间的电压差(VIN0-VIP0)会等于第二转导放大器TA1的第三输入端-与第四输入端+之间的电压差(VIN1-VIP1)与第三转导放大器TA2的第五输入端-与第六输入端+之间的电压差(VIN2-VIP2)的和，但两者的极性相反。因此，设定电阻RSET两端的跨压VF会等于差动输入电压VIP1与VIN1提供的差动输入电压信号VAC1的电压差与差动输入电压VIP2与VIN2提供的差动输入电压信号VAC2的电压差的和，但两者的极性相反，亦即VF＝(VIN0-VIP0)＝(VIP1-VIN1)+(VIP2-VIN2)＝VAC1的电压差+VAC2的电压差。
输出电路20包括加法单元200、电流转电压单元202及放大单元204、第一输出端OUT1及第二输出端OUT2。加法单元200分别耦接第一转导放大器TA0的输出端、第二转导放大器TA1的输出端及第三转导放大器TA2的输出端。电流转电压单元202耦接加法单元200。放大单元204分别耦接电流转电压单元202、第一输出端OUT1及第二输出端OUT2。第一输出端OUT1耦接至第一转导放大器TA0的第一输入端-。第二输出端OUT2耦接至第二测量端IOUTN。
当加法单元200分别接收到第一转导放大器TA0所输出的第一电流I0、第二转导放大器TA1所输出的第二电流I1及第三转导放大器TA2所输出的第三电流I2时，加法单元200会根据第一电流I0、第二电流I1及第三电流I2产生总和电流I并将总和电流I输出至电流转电压单元202。电流转电压单元202将总和电流I转换为总和电压V后输出总和电压V至放大单元204。放大单元204根据总和电压V于第一输出端OUT1与第二输出端OUT2产生差动输出电压VOUTP及VOUTN。
当第一测量端IOUTP与第二测量端IOUTN之间耦接有输出负载ZL时，产生电路2在第一转导放大器TA0的第二输入端+与输出电路10的第二输出端OUT2之间产生的输出电流IZL(亦即在第一测量端IOUTP与第二测量端IOUTN之间产生输出电流IZL)会流经位于第一测量端IOUTP与第二测量端IOUTN之间的输出负载ZL。
于实际应用中，产生电路2所产生的输出电流IZL会与第三输入端-及第四输入端+接收的差动输入电压VIN1及VIP1、第五输入端-及第六输入端+接收的差动输入电压VIN2及VIP2及设定电阻RSET有关，其中差动输入电压VIN1及VIP1用以提供差动输入电压信号VAC1且差动输入电压VIN2及VIP2用以提供差动输入电压信号VAC2，差动输入电压信号VAC1与VAC2用以决定输出电流IZL(交流电流)的振幅及频率；设定电阻RSET用以设定输出电流IZL的电流值上下限。因此，产生电路2所产生的输出电流IZL会等于(VIN0-VIP0)/RSET＝[(VIP1-VIN1)+(VIP2-VIN2)]/RSET＝(VAC1的电压差+VAC2的电压差)/RSET，但不以此为限。
由于第二转导放大器TA1的第三输入端-及第四输入端+接收的差动输入电压VIN1及VIP1所提供的差动输入电压信号VAC1与第三转导放大器TA2的第五输入端-及第六输入端+接收的差动输入电压VIN2及VIP2所提供的差动输入电压信号VAC2可分别具有不同的频率(或相位)，故本发明可视实际需求采用多组差动输入端(例如四组差动输入端、七组差动输入端等等)来实现多频(或多相)输入电流的合成，并不以上述实施例为限。
相较于现有技术，本发明的测量电流的产生电路具有两组差动输入端及一组差动输出端，其通过与一输出端反馈耦接的一组差动输入端分别耦接设定电阻的两端以设定输出电流的电流值上下限，并通过另一组差动输入端输入差动电压输入信号以决定输出电流的振幅及频率，由以实现具有无开关、高精度及低电流等特性的交流电流产生电路。

Claims (9)

1.一种测量电流的产生电路，耦接一设定电阻，其特征在于，上述产生电路包括：
一第一测量端；
一第二测量端；
一第一转导放大器，具有一第一输入端及一第二输入端，上述第一输入端耦接上述设定电阻的一端，上述第二输入端耦接上述设定电阻的另一端与耦接上述第一测量端；
一第二转导放大器，具有一第三输入端及一第四输入端；以及
一输出电路，分别耦接上述第一转导放大器的输出端及上述第二转导放大器的输出端，并具有一第一输出端及一第二输出端，上述第一输出端耦接上述第一输入端，上述第二输出端耦接上述第二测量端。
2.根据权利要求1所述的产生电路，其特征在于，上述产生电路于上述第三输入端及上述第四输入端接收一差动输入电压信号，且于上述设定电阻两端产生一跨压，上述跨压为一交流电压且与上述差动输入电压信号具有相同频率。
3.根据权利要求2所述的产生电路，其特征在于，上述设定电阻两端的跨压于上述设定电阻上产生一输出电流，上述设定电阻用以设定上述输出电流的电流值上下限。
4.根据权利要求2所述的产生电路，其特征在于，上述差动输入电压信号决定上述输出电流的振幅及频率。
5.根据权利要求1所述的产生电路，其特征在于，上述输出电路包括：
一加法单元，分别耦接上述第一转导放大器的输出端及上述第二转导放大器的输出端；
一电流转电压单元，耦接上述加法单元；以及
一放大单元，分别耦接上述电流转电压单元、上述第一输出端及上述第二输出端。
6.根据权利要求2所述的产生电路，其特征在于，上述差动输入电压信号控制上述输出电流的流向。
7.根据权利要求1所述的产生电路，其特征在于，上述第一转导放大器的转导值与上述第二转导放大器的转导值相等，上述设定电阻两端的跨压等于上述差动输入电压信号的电压差，但极性相反。
8.根据权利要求1所述的产生电路，其特征在于，上述产生电路还包括：
一第三转导放大器，耦接上述输出电路，上述第三转导放大器具有一第五输入端及一第六输入端，用以接收一第二差动输入电压信号并产生一第三电流至上述输出电路。
9.根据权利要求8所述的产生电路，其特征在于，上述第一转导放大器的转导值等于上述第二转导放大器的转导值与上述第三转导放大器的转导值的和，上述设定电阻两端的跨压等于上述第一输入端及上述第二输入端接收的一差动输入电压信号及上述第二差动输入电压信号的和，但极性相反，其中上述差动输入电压信号与上述第二差动输入电压信号频率不同。
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