CN115765656B - 一种高压侧电流检测放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压侧电流检测放大器，属于电流检测技术领域。高压侧电流检测放大器包括放大单元，所述放大单元包括顺次连接的输入级电路、放大级电路和输出级电路，所述输入级电路为具有电迁移结构的共基差分对。本发明通过对输入级电路进行改进，大大扩展了高压侧电流检测放大器的使用范围，使得输入电压范围可达0～30V，并且电源电压可低于共模输入电压。

Description

一种高压侧电流检测放大器

技术领域

本发明属于电流检测技术领域，特别是涉及一种高压侧电流检测放大器。

背景技术

常见的对电流的精确检测方法是：在待测通路上引入阻值较小的检测电阻，通过检测已知阻值的电阻两端的电压来计算通路上的电流，并把检测到的小的电压信号经过放大器放大输出给后级系统应用。

电流检测放大器分为高压侧和低压侧两种形式，低压侧检测是将感应电阻放置在负载和地之间，而高压侧检测是将感应电阻放在正电源和负载之间。

图1为传统的高压侧电流检测放大器的原理图，根据放大器的基本原理，流入放大器输入端的电流为零，则放大器负输入端C的电压应该等于感应电阻Rsense的负端B。又根据放大器的工作原理，放大器的正负端电压相等，即C端和D端的电压相等，则I•Rsense为A端到D端的压降，则通过R7的电流为I7=I•Rsense/R7，该电流通过电流镜放大之后，通过R15转换为Vout，即为传统高压侧电流检测放大器的工作原理。

传统运算放大器输入端采用共射级差分对，如图2所示，一旦输入电压过低或过高，都会使差分对进入线性区或饱和区导致无法工作。传统的放大器对输入共模电平的范围有限制，最理想的情况也不能超越电源电压范围即：0＜输入共模电平 ＜供电电压。但通常在便携式的电流检测器上，使用的电源往往为干电池，仅能提供较小的供电电压，然而需要检测的电路的电压则有高有低，一旦检测电路的电压超过供电电压，传统式的电流检测放大器便无法工作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高压侧电流检测放大器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高压侧电流检测放大器，包括放大单元，所述放大单元包括顺次连接的输入级电路、放大级电路和输出级电路，所述输入级电路为具有电迁移结构的共基差分对。

进一步地，所述输入级电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q10、三极管Q11、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、电容C1和电容C2；

电阻R5的第一端作为电流检测放大器的负输入端，电阻R5的第二端与三极管Q7的基极连接，三极管Q7的基极与三极管Q7的发射极连接，三极管Q7的集电极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极经电阻R3接VCC电压；三极管Q7的发射极与三极管Q11的发射极连接，三极管Q11的基极与三极管Q11的集电极连接，三极管Q11的集电极经电阻Q10与三极管Q14的集电极连接，三极管Q14的发射极接地；

电阻R6的第一端与电阻R5的第一端连接，电阻R6的第二端与三极管Q6的基极连接，三极管Q6的基极与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的基极与三极管Q3的基极连接，三极管Q2的发射极经电阻R2接VCC电压；三极管Q6的发射极与三极管Q10的发射极连接，三极管Q10的基极与三极管Q11的基极连接，三极管Q10的集电极与三极管Q13的集电极连接，三极管Q13的发射极经电阻R9接地；

电阻R7的第一端作为电流检测放大器的正输入端，电阻R7的第二端与三极管Q5的基极连接，三极管Q5的基极与三极管Q5的发射极连接，三极管Q5的集电极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的发射极经电阻R1接VCC电压；三极管Q5的发射极与三极管Q9的发射极连接，三极管Q9的基极与三极管Q10的基极连接，三极管Q9的集电极与三极管Q12的集电极连接，三极管Q12的基极与三极管Q12的集电极连接，三极管Q12的基极与三极管Q13的基极连接，三极管Q12的发射极经电阻R8接地；

三极管Q4的发射极经电阻R4接VCC电压，三极管Q4的基极与三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的基极与三极管Q3的基极连接，三极管Q4的集电极与三极管Q8的集电极连接；三极管Q8的发射极与三极管Q15的集电极连接，三极管Q15的发射极接地；

三极管Q18的发射极经电阻R11接VCC电压，三极管Q18的基极与三极管Q8的基极连接，三极管Q18的集电极经电阻12与三极管Q17的发射极连接；三极管Q17的基极与三极管Q11的基极连接，三极管Q17的集电极与三极管Q16的集电极连接；三极管Q16的基极与三极管Q15的基极连接，三极管Q16的基极与三极管Q16的集电极连接，三极管Q16的发射极接地；

电容C1与电阻R12并联，电容C2与电阻R12并联。

进一步地，所述三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q9、三极管Q10、三极管Q11和三极管Q17为PNP型三极管，三极管Q8、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16和三极管Q18为NPN型三极管。

进一步地，所述放大级电路包括电阻R13、三极管Q19、三极管Q20和电容C3，三极管Q19的发射极经电阻R13接VCC电压，三极管Q19的基极与三极管Q14的基极连接，三极管Q19的集电极三极管Q20的集电极连接，三极管Q20的基极经电容C3与三极管Q20的集电极连接，三极管Q20的基极与三极管Q9的集电极连接，三极管Q20的发射极接地。

进一步地，所述三极管Q19为PNP型三极管，三极管Q20为NPN型三极管。

进一步地，所述输出级电路包括三极管Q21、三极管Q22、三极管Q23、电阻R14和电容C4连接，所述三极管Q23的集电极接VCC电压，三极管Q23的基极与三极管Q18的基极连接，三极管Q23的发射极与三极管Q22的集电极连接，三极管Q22的发射极与电阻R14的第一端连接，电阻R14的第二端与三极管Q21的集电极连接，电阻R14的第二端作为放大单元的输出端，三极管Q21的发射极接地，三极管Q21的基极与三极管Q21的集电极连接，电容C4与电阻14并联。

进一步地，所述三极管Q21、三极管Q22和三极管Q23为NPN型三极管。

进一步地，所述高压侧电流检测放大器还包括输出单元，所述输出单元包括三极管Q24、三极管Q25、电阻R15和电流镜，所述三极管Q24的基极与所述输出级电路的输出端连接，所述三极管Q24的发射极接地，所述三极管Q24的集电极与电流检测放大器的正输入端连接，所述三极管Q25的发射极接地，所述三极管Q25的基极与三极管Q24的基极连接，所述三极管Q25的集电极与电流镜的第一端连接，所述电流镜的第二端与电阻R15的第一端连接，所电阻R15的第一端作为电流检测放大器的输出端，所电阻R15的第二端接地。

进一步地，所述三极管Q24和三极管Q25为NPN型三极管。

本发明的有益效果是：

（1）相较于传统高压侧电流检测放大器，本发明通过改变输入级电路结构，使得运算放大器能够允许输入电压超过电源电压，输入电压范围可达0～30V，大大扩展了高压侧电流检测放大器的使用范围；

（2）本发明中可以通过调整电流镜的比例来调整需要放大的电流倍率，从而完美实现各种工况下的需求。

附图说明

图1为传统的高压侧电流检测放大器的原理图；

图2为传统的共射级差分对的示意图；

图3为本发明中放大单元的一种组成框图；

图4为本发明中放大单元的一种电路图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。

参阅图3-图4，本实施例提供了一种高压侧电流检测放大器：

如图3所示，一种高压侧电流检测放大器，包括放大单元，所述放大单元包括顺次连接的输入级电路、放大级电路和输出级电路，所述输入级电路为具有电迁移结构的共基差分对。

本实施例中输入级电路为具有电迁移结构的共基差分对，使得运算放大器能够允许输入电压超过电源电压，从而大大扩展了高压侧电流检测放大器的适用范围。

在一些实施例中，如图4所示，所述输入级电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q10、三极管Q11、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、电容C1和电容C2。

电阻R5的第一端作为电流检测放大器的负输入端（用于接感应电阻的负端），电阻R5的第二端与三极管Q7的基极连接。三极管Q7的基极与三极管Q7的发射极连接，三极管Q7的集电极与三极管Q3的集电极连接。三极管Q3的发射极与电阻R3的第一端连接，电阻R3的第二端接VCC电压。三极管Q7的发射极与三极管Q11的发射极连接，三极管Q11的基极与三极管Q11的集电极连接，三极管Q11的集电极与电阻R10的第一端连接。电阻Q10的第二端与三极管Q14的集电极连接，三极管Q14的发射极接地。

电阻R6的第一端与电阻R5的第一端连接，电阻R6的第二端与三极管Q6的基极连接。三极管Q6的基极与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与三极管Q2的集电极连接。三极管Q2的基极与三极管Q3的基极连接，三极管Q2的发射极与电阻R2的第一端连接，电阻R2的第二端接VCC电压。三极管Q6的发射极与三极管Q10的发射极连接，三极管Q10的基极与三极管Q11的基极连接，三极管Q10的集电极与三极管Q13的集电极连接。三极管Q13的发射极与电阻R9的第一端连接，电阻R9的第二端接地。

电阻R7的第一端作为电流检测放大器的正输入端（用于接感应电阻的正端），电阻R7的第二端与三极管Q5的基极连接。三极管Q5的基极与三极管Q5的发射极连接，三极管Q5的集电极与三极管Q1的集电极连接。三极管Q1的基极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的发射极与电阻R1的第一端连接，电阻R1的第二端接VCC电压。三极管Q5的发射极与三极管Q9的发射极连接，三极管Q9的基极与三极管Q10的基极连接，三极管Q9的集电极与三极管Q12的集电极连接。三极管Q12的基极与三极管Q12的集电极连接，三极管Q12的基极与三极管Q13的基极连接，三极管Q12的发射极与电阻R8的第一端连接，电阻R8的第二端接地。

三极管Q4的发射极与电阻R4的第一端连接，电阻R4的第二端接VCC电压，三极管Q4的基极与三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的基极与三极管Q3的基极连接，三极管Q4的集电极与三极管Q8的集电极连接。三极管Q8的发射极与三极管Q15的集电极连接，三极管Q15的发射极接地。

三极管Q18的发射极与电阻R11的第一端连接，电阻R11的第二端接VCC电压，三极管Q18的基极与三极管Q8的基极连接，三极管Q18的集电极与电阻R12的第一端连接。电阻12的第二端与三极管Q17的发射极连接，三极管Q17的基极与三极管Q11的基极连接，三极管Q17的集电极与三极管Q16的集电极连接。三极管Q16的基极与三极管Q15的基极连接，三极管Q16的基极与三极管Q16的集电极连接，三极管Q16的发射极接地。

电容C1与电阻R12并联，电容C2与电阻R12并联。

三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q9、三极管Q10、三极管Q11和三极管Q17为PNP型三极管，三极管Q8、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16和三极管Q18为NPN型三极管。

在一些实施例中，如图2所示，所述放大级电路包括电阻R13、三极管Q19、三极管Q20和电容C3。三极管Q19的发射极与电阻R13的第一端连接，电阻R13的第二端接VCC电压，三极管Q19的基极与三极管Q14的基极连接，三极管Q19的集电极三极管Q20的集电极连接。三极管Q20的基极与电容C3的第一端连接，电容C3的第二端与三极管Q20的集电极连接，三极管Q20的基极与三极管Q9的集电极连接，三极管Q20的发射极接地。

本实施例中通过一个电平迁移，把输入电平抬升到需要的电位。具体的，在输入对管的发射极注入一个受共模输入电平控制的电流，在输入对管的发射极和输入端口间引入电阻，通过受控电流从电阻流出输入端，来实现电平的迁移，从而保证输入对管的发射极电位能满足输入级的需求。

在一些实施例中，如图2所示，所述输出级电路包括三极管Q21、三极管Q22、三极管Q23、电阻R14和电容C4连接。所述三极管Q23的集电极接VCC电压，三极管Q23的基极与三极管Q18的基极连接，三极管Q23的发射极与三极管Q22的集电极连接。三极管Q22的发射极与电阻R14的第一端连接，电阻R14的第二端与三极管Q21的集电极连接，电阻R14的第二端作为放大单元的输出端。三极管Q21的发射极接地，三极管Q21的基极与三极管Q21的集电极连接，电容C4与电阻14并联。

三极管Q19为PNP型三极管，三极管Q20为NPN型三极管。

本实施例中，输入级电路构成使用电迁移结构的共基差分对，从三极管Q9输入的电流经由三极管Q20共射级放大之后到达三极管Q22，经由三极管Q22的发射极输出。此输出电流经由后续的电流镜放大，到达电流检测器的输出端。本实施例改进了输入级电路，该输入级电路结构允许输入端从0～30V的大范围输入，且不受电源电压限制，电源电压最低可达3V。同时，本实施例中可以通过调整电流镜的比例来调整需要放大的电流倍率，完美实现各种工况下的需求。

三极管Q21、三极管Q22和三极管Q23为NPN型三极管。

在一些实施例中，所述高压侧电流检测放大器还包括输出单元，所述输出单元包括三极管Q24、三极管Q25、电阻R15和电流镜，所述三极管Q24的基极与所述输出级电路的输出端连接，所述三极管Q24的发射极接地，所述三极管Q24的集电极与电流检测放大器的正输入端连接，所述三极管Q25的发射极接地，所述三极管Q25的基极与三极管Q24的基极连接，所述三极管Q25的集电极与电流镜的第一端连接，所述电流镜的第二端与电阻R15的第一端连接，所电阻R15的第一端作为电流检测放大器的输出端，所电阻R15的第二端接地。

所述三极管Q24和三极管Q25为NPN型三极管。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高压侧电流检测放大器，包括放大单元，其特征在于，所述放大单元包括顺次连接的输入级电路、放大级电路和输出级电路，所述输入级电路为具有电迁移结构的共基差分对；

所述输入级电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q8、三极管Q9、三极管Q10、三极管Q11、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16、三极管Q17、三极管Q18、电容C1和电容C2；

电阻R5的第一端作为电流检测放大器的负输入端，电阻R5的第二端与三极管Q7的基极连接，三极管Q7的基极与三极管Q7的发射极连接，三极管Q7的集电极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极经电阻R3接VCC电压；三极管Q7的发射极与三极管Q11的发射极连接，三极管Q11的基极与三极管Q11的集电极连接，三极管Q11的集电极经电阻Q10与三极管Q14的集电极连接，三极管Q14的发射极接地；

电阻R6的第一端与电阻R5的第一端连接，电阻R6的第二端与三极管Q6的基极连接，三极管Q6的基极与三极管Q6的发射极连接，三极管Q6的集电极与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的基极与三极管Q3的基极连接，三极管Q2的发射极经电阻R2接VCC电压；三极管Q6的发射极与三极管Q10的发射极连接，三极管Q10的基极与三极管Q11的基极连接，三极管Q10的集电极与三极管Q13的集电极连接，三极管Q13的发射极经电阻R9接地；

电阻R7的第一端作为电流检测放大器的正输入端，电阻R7的第二端与三极管Q5的基极连接，三极管Q5的基极与三极管Q5的发射极连接，三极管Q5的集电极与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的基极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的发射极经电阻R1接VCC电压；三极管Q5的发射极与三极管Q9的发射极连接，三极管Q9的基极与三极管Q10的基极连接，三极管Q9的集电极与三极管Q12的集电极连接，三极管Q12的基极与三极管Q12的集电极连接，三极管Q12的基极与三极管Q13的基极连接，三极管Q12的发射极经电阻R8接地；

三极管Q4的发射极经电阻R4接VCC电压，三极管Q4的基极与三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的基极与三极管Q3的基极连接，三极管Q4的集电极与三极管Q8的集电极连接；三极管Q8的发射极与三极管Q15的集电极连接，三极管Q15的发射极接地；

三极管Q18的发射极经电阻R11接VCC电压，三极管Q18的基极与三极管Q8的基极连接，三极管Q18的集电极经电阻12与三极管Q17的发射极连接；三极管Q17的基极与三极管Q11的基极连接，三极管Q17的集电极与三极管Q16的集电极连接；三极管Q16的基极与三极管Q15的基极连接，三极管Q16的基极与三极管Q16的集电极连接，三极管Q16的发射极接地；

电容C1与电阻R12并联，电容C2与电阻R12并联。

2.根据权利要求1所述的一种高压侧电流检测放大器，其特征在于，所述三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6、三极管Q7、三极管Q9、三极管Q10、三极管Q11和三极管Q17为PNP型三极管，三极管Q8、三极管Q12、三极管Q13、三极管Q14、三极管Q15、三极管Q16和三极管Q18为NPN型三极管。

3.根据权利要求1所述的一种高压侧电流检测放大器，其特征在于，所述放大级电路包括电阻R13、三极管Q19、三极管Q20和电容C3，三极管Q19的发射极经电阻R13接VCC电压，三极管Q19的基极与三极管Q14的基极连接，三极管Q19的集电极三极管Q20的集电极连接，三极管Q20的基极经电容C3与三极管Q20的集电极连接，三极管Q20的基极与三极管Q9的集电极连接，三极管Q20的发射极接地。

4.根据权利要求3所述的一种高压侧电流检测放大器，其特征在于，所述三极管Q19为PNP型三极管，三极管Q20为NPN型三极管。

5.根据权利要求3所述的一种高压侧电流检测放大器，其特征在于，所述输出级电路包括三极管Q21、三极管Q22、三极管Q23、电阻R14和电容C4连接，所述三极管Q23的集电极接VCC电压，三极管Q23的基极与三极管Q18的基极连接，三极管Q23的发射极与三极管Q22的集电极连接，三极管Q22的发射极与电阻R14的第一端连接，电阻R14的第二端与三极管Q21的集电极连接，电阻R14的第二端作为放大单元的输出端，三极管Q21的发射极接地，三极管Q21的基极与三极管Q21的集电极连接，电容C4与电阻14并联。

6.根据权利要求5所述的一种高压侧电流检测放大器，其特征在于，所述三极管Q21、三极管Q22和三极管Q23为NPN型三极管。

7.根据权利要求1所述的一种高压侧电流检测放大器，其特征在于，所述高压侧电流检测放大器还包括输出单元，所述输出单元包括三极管Q24、三极管Q25、电阻R15和电流镜，所述三极管Q24的基极与所述输出级电路的输出端连接，所述三极管Q24的发射极接地，所述三极管Q24的集电极与电流检测放大器的正输入端连接，所述三极管Q25的发射极接地，所述三极管Q25的基极与三极管Q24的基极连接，所述三极管Q25的集电极与电流镜的第一端连接，所述电流镜的第二端与电阻R15的第一端连接，所电阻R15的第一端作为电流检测放大器的输出端，所电阻R15的第二端接地。

8.根据权利要求7所述的一种高压侧电流检测放大器，其特征在于，所述三极管Q24和三极管Q25为NPN型三极管。