CN113671236B - 一种应用于负载电阻的电流检测电路和设备 - Google Patents

一种应用于负载电阻的电流检测电路和设备 Download PDF

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张志浩
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Abstract

本发明公开了一种应用于负载电阻的电流检测电路和设备，包括两组以上的电源处理电路和一个单刀开关；每组电源处理电路包括一个二极管、一个上拉电阻和一个MOS管；每组电源处理电路的二极管阴极连接单刀开关的一端，阳极连接MOS管的G极，单刀开关的另一端接地，上拉电阻一端接一个接入电源的正端，接入电源的负端接地，MOS管的S极连接接入电源的正端，D极连接一个输出电源正端，输出电源的负端接地。解决了存在多路输入电源的电子产品的电源控制电路使用具有一个控制端和多路连接端的开关，造成电路体积大和器件成本高，不利于推广应用的技术问题。

Description

一种应用于负载电阻的电流检测电路和设备
技术领域
本发明涉及电流检测电路技术领域，尤其涉及一种应用于负载电阻的电流检测电路和设备。
背景技术
串联电阻检测结构是常用的一种电流检测方式，传统的串联电阻检测结构如图7所示，图7中，AMP为运算放大器，MP1为P型MOS管，R1，R2，R3为电阻，且R1＝R2，VSENSE为放大后的采样电压，VIN为电源系统的负载线，RSENSE为串联到负载线上的电阻，ILOAD为负载电流。该串联电阻电流检测电路需要电流采样保持电路，调控精度不高，难以在精密系统中应用。
发明内容
本发明提供了一种应用于负载电阻的电流检测电路和设备，不需要电流采样保持电路，适用于高精度检测系统。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种应用于负载电阻的电流检测电路，包括轨到轨跨导运放电路和输出回路；
轨到轨跨导运放电路的输入端连接待检测电路，输出端连接输出回路；
轨到轨跨导运放电路包括十三个NMOS管和十二个PMOS管；
第一NMOS管、第二NMOS管和第一PMOS管构成偏置电路，第一NMOS管的D极连接第二NMOS管的S极，第二NMOS管的D极连接第一PMOS管的S极；
第二PMOS管和第三PMOS管构成第一电流镜，第四PMOS管和第五PMOS管构成第二电流镜，第三NMOS管和第四NMOS管构成第三电流镜，第十NMOS管和第十一NMOS管构成第四电流镜，第十二NMOS管和第十三NMOS管构成第五电流镜，第六PMOS管和第八PMOS管构成第六电流镜；
第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管和第十二PMOS管构成第一共源共栅差分对管，第九PMOS管的D极和第十一PMOS管的S极连接，第十PMOS管的D极和第十二PMOS管的S极连接，第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管和第九NMOS管构成第二共源共栅差分对管，第八NMOS管的S极和第六NMOS管的D极连接，第九NMOS管的S极和第七NMOS管的D极连接；
第一NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管和第十三NMOS管的S极接地，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管的S极接直流电源；
第一NMOS管的G极与第五NMOS管的G极连接，第五NMOS管的D极与第六NMOS管、第七NMOS管的S极连接；
第二NMOS管的D极与第一PMOS管的G极连接，第二PMOS管的G极还连接第七PMOS管的G极，第七PMOS管的D极连接第九PMOS管、第十PMOS管的S极；
第八PMOS管的G极和D极连接，第八PMOS管的D极和第十三NMOS管的D极连接，第十三NMOS管的G极和第十二PMOS管的D极连接，第十二NMOS管的D极和第十二PMOS管的D极连接；
第十一NMOS管的G极和D极连接，第十一NMOS管的D极和第十一PMOS管的D极连接；
第三PMOS管的G极连接D极，第四PMOS管的G极连接D极，第三NMOS管的D极与G极连接；
第五PMOS管的D极和第六PMOS管的D极之间为电流输出端口。
可选地，第一电流镜的电流传输比例为2:1，第二电流镜的电流传输比例为1:2，第三电流镜的电流传输比例为1:1，第四电流镜的电流传输比例为2:1，第五电流镜的电流传输比例为1:2，第六电流镜的电流传输比例为1:1。
可选地，还包括第十三PMOS管、第十四PMOS管、第十五PMOS管、第十六PMOS管、第十四NMOS管、第十五NMOS管、第十六NMOS管和第十七NMOS管；
第十三PMOS管和第十四NMOS管设置在第十二PMOS管的D极和第三NMOS管的D极之间，第十三PMOS管的S极连接第十二PMOS管的D极，第十三PMOS管的D极连接第十四NMOS管的D极，第十四NMOS管的S极连接第三NMOS管的D极连接；
第十四PMOS管和第十五NMOS管设置在第五PMOS管的D极和第四NMOS管的D极之间，第十四PMOS管的S极连接第五PMOS管的D极，第十四PMOS管的D极连接第十五NMOS管的D极。第十五NMOS管的S极连接第四NMOS管的D极连接；
第十五PMOS管设置在第六PMOS管的D极和第十NMOS管的D极之间，第十五PMOS管的S极连接第六PMOS管的D极，第十五PMOS管的D极连接第十六NMOS管的D极，第十六NMOS管的S极连接第十NMOS管的D极；
第十六PMOS管设置在第八PMOS管的D极和第十三NMOS管的D极之间，第十六PMOS管的S极连接第八PMOS管的D极，第十六PMOS管的D极连接第十七NMOS管的D极，第十七NMOS管的S极连接第十三NMOS管的D极。
可选地，第一电流镜的电流传输比例为4:1，第二电流镜的电流传输比例为1:4，第四电流镜的电流传输比例为4:1，第五电流镜的电流传输比例为1:4
本发明第二方面提供了一种使用单路开关控制多路电源的设备，包括第一方面的任一种应用于负载电阻的电流检测电路。
从以上技术方案可以看出，本发明提供的应用于负载电阻的电流检测电路具有以下优点：
本发明提供的应用于负载电阻的电流检测电路，不需要电流采样保持电路，结构简单，且增大了输入共模电压范围，适用于高精度检测系统。
另外，在轨到轨跨导运放电路的输出端使用了低压共源共栅电流镜，增大了电路的输出阻抗，从而增大了轨到轨跨导运放电路的低频增益，增加电路的稳定性；进一步地，还通过对电流镜的电流传输比例放大，可以进一步增大轨到轨跨导运放电路的低频增益。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中提供的一种应用于负载电阻的电流检测电路的电路原理框图；
图2为本发明实施例中提供的轨到轨跨导运放电路的电路结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的轨到轨跨导运放电路的另一电路结构示意图；
图4为图2的轨到轨跨导运放电路的增益和相位图；
图5为本发明实施例中提供的低压共源共栅电流镜的原理图；
图6为图3的轨到轨跨导运放电路的增益和相位图；
图7为传统的串联电阻检测结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1和图2，本发明中提供了一种应用于负载电阻的电流检测电路的实施例，包括轨到轨跨导运放电路GM和输出回路；
轨到轨跨导运放电路GM的输入端连接待检测电路，输出端连接输出回路；
轨到轨跨导运放电路GM包括十三个NMOS管和十二个PMOS管；
第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第一PMOS管MP1构成偏置电路，第一NMOS管MN1的D极连接第二NMOS管MN2的S极，第二NMOS管MN2的D极连接第一PMOS管MP1的S极；
第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3构成第一电流镜，第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5构成第二电流镜，第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4构成第三电流镜，第十NMOS管MN10和第十一NMOS管MN11构成第四电流镜，第十二NMOS管MN12和第十三NMOS管MN13构成第五电流镜，第六PMOS管MP6和第八PMOS管MP8构成第六电流镜；
第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10、第十一PMOS管MP11和第十二PMOS管MP12构成第一共源共栅差分对管，第九PMOS管MP9的D极和第十一PMOS管MP11的S极连接，第十PMOS管MP10的D极和第十二PMOS管MP12的S极连接，第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8和第九NMOS管MN9构成第二共源共栅差分对管，第八NMOS管MN8的S极和第六NMOS管MN6的D极连接，第九NMOS管MN9的S极和第七NMOS管MN7的D极连接；
第一NMOS管MN1、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第十NMOS管MN10、第十一NMOS管MN11、第十二NMOS管MN12和第十三NMOS管MN13的S极接地VGG，第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第五PMOS管MP5、第六PMOS管MP6、第七PMOS管MP7和第八PMOS管MP8的S极接直流电源VDD；
第一NMOS管MN1的G极与第五NMOS管MN5的G极连接，第五NMOS管MN1的D极与第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7的S极连接；
第二NMOS管MN2的D极与第一PMOS管MP1的G极连接，第二PMOS管MP2的G极还连接第七PMOS管MP7的G极，第七PMOS管MP7的D极连接第九PMOS管MP9、第十PMOS管MP10的S极；
第八PMOS管MP8的G极和D极连接，第八PMOS管MP8的D极和第十三NMOS管MP13的D极连接，第十三NMOS管MP13的G极和第十二PMOS管MP12的D极连接，第十二NMOS管MP12的D极和第十二PMOS管MP12的D极连接；
第十一NMOS管MN11的G极和D极连接，第十一NMOS管MN11的D极和第十一PMOS管MN11的D极连接；
第三PMOS管MP3的G极连接D极，第四PMOS管MP4的G极连接D极，第三NMOS管MN3的D极与G极连接；
第五PMOS管MP5的D极和第六PMOS管MP6的D极之间为电流输出端口IOUT。
图2中的VBIAS、VB和VC是三个偏置电压，第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2和第一PMOS管MP1构成偏置电路，第七PMOS管MP7和第五NMOS管MN5向各自对应的差分对管提供偏置电流。图2中的轨到轨跨导运放电路有左单边N型跨导放大器电路和右单边P型跨导放大器电路组成，两边的原理一致，本发明实施例中仅对左单边N型跨导放大器电路进行说明，至于右单边P型跨导放大器电路同理可得。左单边N型跨导放大器电路包含一个输入差分对(第六NMOS管MN6、第七NMOS管MN7、第八NMOS管MN8和第九NMOS管MN9)、三个电流镜(第二PMOS管MP2和第三PMOS管MP3构成第一电流镜，第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5构成第二电流镜，第三NMOS管MN3和第四NMOS管MN4构成第三电流镜)和一个电流源(第五NMOS管MN5提供偏置电流)，电流镜电流传输比例中的B取值为2。
左单边N型跨导放大器电路的输出电阻ROUT为：
其中，gmn9为第九NMOS管MN9的跨导，r0n9为第九NMOS管MN9的内阻，r0n7为第七NMOS管MN7的内阻，gmp4为第四PMOS管MP4的跨导，gmp5为第五PMOS管MP5的跨导，r0p5为第五PMOS管MP5的内阻，r0n4为第四NMOS管MN4的内阻；
在只考虑沟道长度调制，不考虑体效应时，左单边N型跨导放大器电路的增益AV为：
其中，gmn7为第七NMOS管MN7的跨导。
由于共源共栅管的输出阻抗gmn9·r0n9·r0n7远大于第四PMOS管MP4的阻抗则有：
因为电流镜第四PMOS管MP4和第五PMOS管MP5的宽比为1：B，所以，则：
AV＝gmn7·B·(r0p5||r0n4)。
图4为图2的轨到轨跨导运放电路的增益和相位图，可以得出，图2中的轨到轨跨导运放电路的低频增益为39.6dB，在增益为0dB时，相位为-102.9deg，相位裕度为77.1deg，带宽为9.1MHz。
但是，图2中的轨到轨跨导运放电路的低频增益还是不够高，运放性能不够稳定，为提高图2中的轨到轨跨导运放电路的低频增益和稳定性，本发明中还提出了对图2的轨到轨跨导运放电路的改进电路，如图3所示。图3为在图2的基础上，还包括第十三PMOS管MP13、第十四PMOS管MP14、第十五PMOS管MP15、第十六PMOS管MP16、第十四NMOS管MN14、第十五NMOS管MN15、第十六NMOS管MN16和第十七NMOS管MN17；
第十三PMOS管MP13和第十四NMOS管MN14设置在第十二PMOS管MP12的D极和第三NMOS管MN3的D极之间，第十三PMOS管MP13的S极连接第十二PMOS管MP12的D极，第十三PMOS管MP13的D极连接第十四NMOS管MN14的D极，第十四NMOS管MN14的S极连接第三NMOS管MN3的D极连接；
第十四PMOS管MP14和第十五NMOS管MN15设置在第五PMOS管MP5的D极和第四NMOS管MN4的D极之间，第十四PMOS管MP14的S极连接第五PMOS管MP5的D极，第十四PMOS管MP14的D极连接第十五NMOS管MN15的D极。第十五NMOS管MN15的S极连接第四NMOS管MN4的D极连接；
第十五PMOS管MP15设置在第六PMOS管MP6的D极和第十NMOS管MN10的D极之间，第十五PMOS管MP15的S极连接第六PMOS管MP6的D极，第十五PMOS管MP15的D极连接第十六NMOS管MP16的D极，第十六NMOS管MP16的S极连接第十NMOS管MN10的D极；
第十六PMOS管MP16设置在第八PMOS管MP8的D极和第十三NMOS管MN13的D极之间，第十六PMOS管MP16的S极连接第八PMOS管MP8的D极，第十六PMOS管MP16的D极连接第十七NMOS管MN17的D极，第十七NMOS管MN17的S极连接第十三NMOS管MN13的D极。
图3中将图2中的电流镜(第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第六PMOS管MP6、第八PMOS管MP8)改为低压共源共栅电流镜(第三NMOS管MN3、第十四NMOS管MN14、第四NMOS管MN4、第十五NMOS管MN15、第六PMOS管MP6、第十五PMOS管MP15、第八PMOS管MP8、第十六PMOS管MP16)。低压共源共栅电流镜原理图如图5所示，图5中，VB为偏置电压，管子M1、M3的栅极输入结点连接到输出结点X，实现自偏置，当，VGS0＝VGS2则VDS1＝VDS3。VB的最低电压比传统的共源共栅电流镜低一个阈值电压，电路有更大的输出摆幅。
图3中的左单边N型跨导放大器电路的输出电阻ROUT为：
在只考虑沟道长度调制，不考虑体效应时，左单边N型跨导放大器电路的增益AV为：
AV＝gmn7·D·{(gmp14·r0p14·r0p5)||(gmn15·r0n14·r0n4)}。
将第一电流镜的电流传输比例扩大为4:1，第二电流镜的电流传输比例扩大为1:4，第四电流镜的电流传输比例扩大为4:1，第五电流镜的电流传输比例扩大为1:4。即图3中的D取值为4。可以进一步增大轨到轨跨导运放电路的增益。
图6为图3的轨到轨跨导运放电路的增益和相位图，可以得出，图3中的轨到轨跨导运放电路的低频增益为72.2dB，在增益为0dB时，相位为-117.2deg，相位裕度为62.8deg，带宽为17.7MHz。因而，图3和图2的电路相比，提高了输出阻抗，进而增大了轨到轨跨导运放电路的增益，并且增大了带宽，提高了电路的稳定性。
本发明提供的应用于负载电阻的电流检测电路，不需要电流采样保持电路，结构简单，且增大了输入共模电压范围，适用于高精度检测系统。
另外，在轨到轨跨导运放电路的输出端使用了低压共源共栅电流镜，增大了电路的输出阻抗，从而增大了轨到轨跨导运放电路的低频增益，增加电路的稳定性；进一步地，还通过对电流镜的电流传输比例放大，可以进一步增大轨到轨跨导运放电路的低频增益。
本发明中还提供了一种使用单路开关控制多路电源的设备的实施例，包括前述实施例中的任一种应用于负载电阻的电流检测电路，可取得与前述实施例中的任一种应用于负载电阻的电流检测电路相同的技术效果。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种应用于负载电阻的电流检测电路，其特征在于，包括轨到轨跨导运放电路和输出回路；
轨到轨跨导运放电路的输入端连接待检测电路，输出端连接输出回路；
轨到轨跨导运放电路包括十三个NMOS管和十二个PMOS管；
第一NMOS管、第二NMOS管和第一PMOS管构成偏置电路，第一NMOS管的D极连接第二NMOS管的S极，第二NMOS管的D极连接第一PMOS管的S极；
第二PMOS管和第三PMOS管构成第一电流镜，第四PMOS管和第五PMOS管构成第二电流镜，第三NMOS管和第四NMOS管构成第三电流镜，第十NMOS管和第十一NMOS管构成第四电流镜，第十二NMOS管和第十三NMOS管构成第五电流镜，第六PMOS管和第八PMOS管构成第六电流镜；
第九PMOS管、第十PMOS管、第十一PMOS管和第十二PMOS管构成第一共源共栅差分对管，第九PMOS管的D极和第十一PMOS管的S极连接，第十PMOS管的D极和第十二PMOS管的S极连接，第六NMOS管、第七NMOS管、第八NMOS管和第九NMOS管构成第二共源共栅差分对管，第八NMOS管的S极和第六NMOS管的D极连接，第九NMOS管的S极和第七NMOS管的D极连接；
第一NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第十NMOS管、第十一NMOS管、第十二NMOS管和第十三NMOS管的S极接地，第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第六PMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管的S极接直流电源；
第一NMOS管的G极与第五NMOS管的G极连接，第五NMOS管的D极与第六NMOS管、第七NMOS管的S极连接；
第二NMOS管的D极与第一PMOS管的G极连接，第二PMOS管的G极还连接第七PMOS管的G极，第七PMOS管的D极连接第九PMOS管、第十PMOS管的S极；
第八PMOS管的G极和D极连接，第八PMOS管的D极和第十三NMOS管的D极连接，第十三NMOS管的G极和第十二PMOS管的D极连接，第十二NMOS管的D极和第十二PMOS管的D极连接；
第十一NMOS管的G极和D极连接，第十一NMOS管的D极和第十一PMOS管的D极连接；
第三PMOS管的G极连接D极，第四PMOS管的G极连接D极，第三NMOS管的D极与G极连接；
第五PMOS管的D极和第六PMOS管的D极之间为电流输出端口。
2.根据权利要求1所述的应用于负载电阻的电流检测电路，其特征在于，第一电流镜的电流传输比例为2:1，第二电流镜的电流传输比例为1:2，第三电流镜的电流传输比例为1:1，第四电流镜的电流传输比例为2:1，第五电流镜的电流传输比例为1:2，第六电流镜的电流传输比例为1:1。
3.根据权利要求1所述的应用于负载电阻的电流检测电路，其特征在于，还包括第十三PMOS管、第十四PMOS管、第十五PMOS管、第十六PMOS管、第十四NMOS管、第十五NMOS管、第十六NMOS管和第十七NMOS管；
第十三PMOS管和第十四NMOS管设置在第十二PMOS管的D极和第三NMOS管的D极之间，第十三PMOS管的S极连接第十二PMOS管的D极，第十三PMOS管的D极连接第十四NMOS管的D极，第十四NMOS管的S极连接第三NMOS管的D极连接；
第十四PMOS管和第十五NMOS管设置在第五PMOS管的D极和第四NMOS管的D极之间，第十四PMOS管的S极连接第五PMOS管的D极，第十四PMOS管的D极连接第十五NMOS管的D极，第十五NMOS管的S极连接第四NMOS管的D极连接；
第十五PMOS管设置在第六PMOS管的D极和第十NMOS管的D极之间，第十五PMOS管的S极连接第六PMOS管的D极，第十五PMOS管的D极连接第十六NMOS管的D极，第十六NMOS管的S极连接第十NMOS管的D极；
第十六PMOS管设置在第八PMOS管的D极和第十三NMOS管的D极之间，第十六PMOS管的S极连接第八PMOS管的D极，第十六PMOS管的D极连接第十七NMOS管的D极，第十七NMOS管的S极连接第十三NMOS管的D极。
4.根据权利要求3所述的应用于负载电阻的电流检测电路，其特征在于，第一电流镜的电流传输比例为4:1，第二电流镜的电流传输比例为1:4，第四电流镜的电流传输比例为4:1，第五电流镜的电流传输比例为1:4。
5.一种使用单路开关控制多路电源的设备，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的应用于负载电阻的电流检测电路。
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