发明内容
本申请的目的在于提供一种采样保持电路、采样保持方法、装置及电流检测电路,在超低功耗的情况下实现采样电压信号的稳输出。
第一方面,本申请提供了一种采样保持电路,用于提供电流检测的采样电压信号,所述电路包括:第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一电容及保持环路,所述第一MOS管的源极与供电电源连接,所述第一MOS管的漏极与所述第三开关管一端连接,所述第三开关管的另一端与所述第二MOS管的源极和所述第三MOS管的源极连接,所述第三MOS管的栅极与带隙基准电压连接,所述第三MOS管的漏极与所述第五MOS管的漏极及所述第二开关管的一端连接,所述第五MOS管的源极与所述第四MOS管的源极连接,所述第四MOS管的漏极与所述第二MOS管的漏极连接,所述第四MOS管的栅极与所述第五MOS管的栅极及第二MOS管的漏极连接,所述第五MOS管的源极与所述第一电容的一端连接,所述第一电容的另一端与电路输出端及所述第一开关管的一端连接,所述第一开关管的另一端和所述保持环路连接,所述保持环路与所述供电电源、所述第二MOS管的栅极、所述第二开关管的另一端及所述第四MOS管的源极连接。
本申请的采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
所述的采样保持电路,其中,所述保持环路包括:第二电容、第一电阻、第六MOS管和第七MOS管,所述第七MOS管源极与所述供电电源连接,所述第七MOS管漏极与第六MOS管漏极、所述第一开关管的另一端、所述第二MOS管栅极及所述第二电容一端连接,所述第六MOS管源极与所述第四MOS管源极连接,所述第六MOS管栅极与所述第二开关管的另一端及所述第一电阻的一端连接,所述第一电阻的另一端与所述第二电容的另一端连接。
所述的采样保持电路,其中,所述第一MOS管、所述第二MOS管、所述第三MOS管及所述第七MOS管均为PMOS管,所述第四MOS管、所述第五MOS管及所述第六MOS管均为NMOS管。
所述的采样保持电路,其中,所述第一开关管、所述第二开关管及所述第三开关管均为MOS管。
所述的采样保持电路,其中,所述第二开关管和所述第三开关管同步连接。
所述的采样保持电路,其中,所述第一电容另一端接地。
第二方面,本申请还提供了一种采样保持方法,用于控制第一方面提供的采样保持电路运行以实现采样保持功能,所述方法包括以下步骤:
S201、建立并输入带隙基准电压,打开所述第二开关管、所述第三开关管及所述第一开关管,使所述电路输出端运放输出与供电电源一致的采样电压信号,以进行采样;
S202、在采样达到第一预设时间后,关断所述第二开关管及所述第三开关管;
S203、结束所述带隙基准电压,并利用所述保持环路对所述电路输出端进行电荷补偿以保持所述采样电压信号;
S204、在保持所述采样电压信号达到第二预设时间后,返回步骤S201。
本申请采样保持方法控制的采样保持电路在采样结束后,仍能保持输出稳定的采样电压信号,整个采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
所述的采样保持方法,其中,所述打开所述第二开关管、所述第三开关管及所述第一开关管的步骤包括:
关断所述第一开关管;
打开所述第二开关管及所述第三开关管,并在打开所述第二开关管延时第三预设时间后,打开所述第一开关管,所述第三预设时间小于所述第一预设时间。
第三方面,本申请还提供了一种采样保持装置,用于控制第一方面提供的采样保持电路运行以实现采样保持功能,所述装置包括:
采样启动模块,用于建立并输入带隙基准电压,打开所述第二开关管、所述第三开关管及所述第一开关管,使所述电路输出端运放输出与供电电源一致的采样电压信号,以进行采样;
采样结束模块,用于在采样达到第一预设时间后,关断所述第二开关管及所述第三开关管;
保持模块,用于结束所述带隙基准电压,并利用所述保持环路对所述电路输出端进行电荷补偿以保持所述采样电压信号;
重复模块,用于在保持所述采样电压信号达到第二预设时间后,再次触发启动采样启动模块。
本申请采样保持装置控制的采样保持电路在采样结束后,仍能保持输出稳定的采样电压信号,整个采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
第四方面,本申请还提供了一种电流检测电路,包括第一方面提供的采样保持电路。
本申请的电流检测电路的采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
由上可知,本申请提供了一种采样保持电路、采样保持方法、装置及电流检测电路,其中,采样保持电路在采样结束时,关断第二开关管及第三开关管,再结束带隙基准电压,与供电电源连接的保持环路结合第一电容构成一个有源的电压保持源,能在漏电流从第一开关管和第二开关管流走时,自动补充损失的电荷来保持采样电压信号不变,使得本申请的采样保持电路在采样结束后,仍能保持out端输出稳定的采样电压信号;在整个采样保持过程中,整个采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时,在本申请的描述中,术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
第一方面,请参照图2,图2是本申请一些实施例中的一种采样保持电路,用于提供电流检测的采样电压信号,电路包括:第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第一电容C1及保持环路,第一MOS管M1的源极与供电电源VDD连接,第一MOS管M1的漏极与第三开关管S3一端连接,第三开关管S3的另一端与第二MOS管M2的源极和第三MOS管M3的源极连接,第三MOS管M3的栅极与带隙基准电压连接,第三MOS管M3的漏极与第五MOS管M5的漏极及第二开关管S2的一端连接,第五MOS管M5的源极与第四MOS管M4的源极连接,第四MOS管M4的漏极与第二MOS管M2的漏极连接,第四MOS管M4的栅极与第五MOS管M5的栅极及第二MOS管M2的漏极连接,第五MOS管M5的源极与第一电容C1的一端连接,第一电容C1的另一端与电路输出端及第一开关管S1的一端连接,第一开关管S1的另一端和保持环路连接,保持环路与供电电源VDD、第二MOS管M2的栅极、第二开关管S2的另一端及第四MOS管M4的源极连接。
具体地,如图2所示,本申请实施例的采样保持电路具有用于接收输入信号的输入端(in端)以及用于输出采样电压信号的电路输出端(out端),其中,在本申请实施例中,输入端用于输入带隙基准电压(bandgap),即in端与带隙基准电压连接,使得本申请实施例的采样保持电路能以带隙基准电压作为输入信号来触发采样,并能在带隙基准电压结束后的一段时间内基于电路结构保持采样电压信号。
更具体地,本申请实施例的采样保持电路中的第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3由开关控制组件控制运行,该开关控制组件根据预设逻辑及in端接收的输入信号来控制第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3导通与关断以使本申请实施例的采样保持电路的out端输出采样电压信号并保持采样电压信号。
更具体地,开关控制组件可以是电流检测电路中的逻辑电路,还可以是额外增设的开关控制电路,在本申请实施例中,优选为前者,可根据下面本申请实施例的采样保持电路的运行原理进行适性的逻辑设计,在此不做赘述。
更具体地,本申请实施例采样保持电路用于进行采样保持,即在采样启动后输出采样电压信号,并在采样结束后保持输出的采样电压信号不变。
另外,应当理解的是,带隙基准电压由电流检测电路中的带隙基准电路产生,带隙基准电路由电荷泵电路和振荡电路控制,而逻辑电路也用于控制振荡电路产生振荡信号,因此,逻辑电路能进行关联于带隙基准电压进行第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3的状态控制。
本申请实施例采样保持电路中的第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4及第五MOS管M5组成了一个低功耗的运算放大器,该采样保持电路基于in端输入的带隙基准电压而触发采样,即在带隙基准电压建立并稳定后,利用运算放大器实现采样运放,此时闭合第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3,使得out端输出采样电压信号,在采样结束时,关断第二开关管S2及第三开关管S3,再结束带隙基准电压,此时,保持环路依然保持正常工作状态,与供电电源VDD连接的保持环路结合第一电容C1构成一个有源的电压保持源,能在漏电流从第一开关管S1和第二开关管S2流走时,自动补充损失的电荷来保持采样电压信号不变,使得本申请实施例的采样保持电路在采样结束(带隙基准电压结束)后,仍能保持out端输出稳定的采样电压信号;其中,在整个采样保持过程中,对于电流检测电路的供电电源VDD而言,第一MOS管M1最大的典型电流只有30nA,保持环路的约为其一半,因此,整个采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容C1进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
在一些优选的实施方式中,保持环路包括:第二电容C2、第一电阻R1、第六MOS管M6和第七MOS管M7,第七MOS管M7源极与供电电源VDD连接,第七MOS管M7漏极与第六MOS管M6漏极、第一开关管S1的另一端、第二MOS管M2栅极及第二电容C2一端连接,第六MOS管M6源极与第四MOS管M4源极连接,第六MOS管M6栅极与第二开关管S2的另一端及第一电阻R1的一端连接,第一电阻R1的另一端与第二电容C2的另一端连接。
具体地,在第二开关管S2闭合时,第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4、第五MOS管M5、第六MOS管M6和第七MOS管M7构成了一个二级运算放大器,在该实施例的采样保持电路中能充当一个单位增益的缓冲器,第一电容C1属于采样电容;在采样启动时,该单位增益的缓冲器对采样电容进行充电,使得out端能在低误差、低损失的情况下快速生成采样电压信号。
更具体地,第一电阻R1和第二电容C2能进行零极点补偿,能修正前述二级运算放大器的幅度和相位,使得生成的采样电压信号精准、稳定。
更具体地,在关断第二开关管S2和第三开关管S3及结束带隙基准电压后,第二电容C2、第一电阻R1、第六MOS管M6、第七MOS管M7、第一电容C1及第一开关管S1构成一个有源的电压保持环路,在忽略电容两级之间的漏电的情况下,流经该电压保持环路的电流远小于PN节的反向漏电流;其中,该电压保持环路中,第二电容C2、第一电阻R1、第六MOS管M6和第七MOS管M7组成一个补偿电荷的环路,当有漏电流从第一开关管S1和第二开关管S2流走时,第七MOS管M7会自动补充损失的电荷来保持采样电压信号不变。
在一些优选的实施方式中,为了避免二级运算放大器中的第二级放大器在采样启动时对out段产生电压干扰,本申请实施例的采样保持电路在使用过程中的闭合第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3的操作过程为:先断开第一开关管S1,再闭合第二开关管S2及第三开关管S3,在第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4及第五MOS管M5组成的运算放大器启动稳定(可基于预设时间确定)后,再闭合第一开关管S1,从而使得out端输出稳定的采样电压信号,避免在运算放大器启动过程中,电流通过第一开关管S1使得采样电压信号产生毛刺上升。
在一些优选的实施方式中,为保证采样电压信号在带隙基准电压结束后能保持稳定,本申请实施例的采样保持电路在使用过程中的关断第二开关管S2及第三开关管S3的过程为在带隙基准电压结束前,使得保持环路中的第六MOS管M6和第七MOS管M7进入工作状态,以确保本申请实施例的采样保持电路在带隙基准电压结束后能马上利用保持环路针对漏电流进行电荷补充。
在一些优选的实施方式中,第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3及第七MOS管M7均为PMOS管,第四MOS管M4、第五MOS管M5及第六MOS管M6均为NMOS管。
在一些优选的实施方式中,第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3均为MOS管。
具体地,现有的开关管主要为三极管或MOS管,三极管一般应用在控制电压在0.4~0.6V的场景中,电流检测电路的逻辑电路的电压一般大于该值,故本申请中的第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3优选为MOS管,其MOS管型的开关管基于电压进行控制,可避免开关管中产生电流影响out端输出。
在一些优选的实施方式中,第二开关管S2和第三开关管S3同步连接。
具体地,本申请实施例的采样保持电路中的第二开关管S2和第三开关管S3在实际使用过程中需要进行同时闭合和同时关断操作,因此,在本申请实施例中,第二开关管S2和第三开关管S3优选为同步连接,使得两者在逻辑电路控制下能实现同时闭合和同时关断。
在一些优选的实施方式中,第一电容C1另一端接地。
第二方面,请参照图3,本申请一些实施例中提供的一种采样保持方法,用于控制第一方面提供的采样保持电路运行以实现采样保持功能,方法包括以下步骤:
S201、建立并输入带隙基准电压,打开第二开关管S2、第三开关管S3及第一开关管S1,使电路输出端运放输出与供电电源VDD一致的采样电压信号,以进行采样;
S202、在采样达到第一预设时间后,关断第二开关管S2及第三开关管S3;
S203、结束带隙基准电压,并利用保持环路对电路输出端进行电荷补偿以保持采样电压信号;
S204、在保持采样电压信号达到第二预设时间后,返回步骤S201。
本申请实施例采样保持方法,在步骤S201建立带隙基准电压,并通过采样保持电路的in端输入,在带隙基准电压建立并稳定后,利用由第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4及第五MOS管M5组成的运算放大器实现采样运放,此时闭合第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3,使得out端输出采样电压信号,在采样结束时,关断第二开关管S2及第三开关管S3,再结束带隙基准电压,此时,保持环路依然保持正常工作状态,与供电电源VDD连接的保持环路结合第一电容C1构成一个有源的电压保持源,能在漏电流从第一开关管S1和第二开关管S2流走时,自动补充损失的电荷来保持采样电压信号不变,使得本申请实施例的采样保持电路在采样结束(带隙基准电压结束)后,仍能保持out端输出稳定的采样电压信号,在保持采样电压信号达到第二预设之间后,带隙基准电压即将重新建立,故返回步骤S201,如此循环执行步骤S201-S204能实现连续的采样保持过程;其中,在整个采样保持过程中,对于电流检测电路的供电电源VDD而言,第一MOS管M1最大的典型电流只有30nA,保持环路的约为其一半,因此,整个采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容C1进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
具体地,第一预设时间和第二预设时间根据电流检测电路的运行逻辑进行设定,主要是基于采样保持过程中的第一阶段的采样时间和第二阶段的保持时间进行设定。
在一些优选的实施方式中,打开第二开关管S2、第三开关管S3及第一开关管S1的步骤包括:
关断第一开关管S1;
打开第二开关管S2及第三开关管S3,并在打开第二开关管S2延时第三预设时间后,打开第一开关管S1,第三预设时间小于第一预设时间。
具体地,为了避免二级运算放大器中的第二级放大器在采样启动时对out段产生电压干扰,本申请实施例的采样保持方法在执行步骤S201的过程中,先关断第一开关管S1,再闭合第二开关管S2及第三开关管S3,在第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4及第五MOS管M5组成的运算放大器启动稳定(可基于预设时间确定)后,再闭合第一开关管S1,从而使得out端输出稳定的采样电压信号,避免在运算放大器启动过程中,电流通过第一开关管S1使得采样电压信号产生毛刺上升。
更具体地,第三预设时间为运算放大器启动稳定所需的时间,在本申请实施例中远小于第一预设时间。
在一些优选的实施方式中,如图4所示,第一预设时间优选为2ms,第二预设时间优选为18ms,使得一个采样保持循环为20ms。
具体地,流经第一MOS管M1和第七MOS管M7的典型电流分别为30nA和15nA,out端输出的采样电压信号为75mV,因此,流经第六MOS管M6的电流也为15nA,第六MOS管M6工作在亚阈值区,其源漏电压vds为75mV;在进行采样时,第六MOS管M6处于亚阈值区的饱和状态能够正常工作;在步骤S203结束带隙基准电压后,第六MOS管M6和第七MOS管M7处于正常工作状态,第七MOS管M7会自动补充损失的电荷来维持采样电压信号不变;在上述运行情况下,设置采样保持电路的采样时间为2ms,保持时间为18ms,能够使得out端输出的采样电压信号在整个工艺角和温度范围内都能保持±5%的误差(该精度为与输入电压相比较,不包括基准电压本身的上下浮动),电路的总功耗为15nA+30nA*2/20=18nA,实现了超低功耗的采样保持。
第三方面,请参照图5,本申请一些实施例中提供的一种采样保持装置,用于控制第一方面提供的采样保持电路运行以实现采样保持功能,装置包括:
采样启动模块301,用于建立并输入带隙基准电压,打开第二开关管S2、第三开关管S3及第一开关管S1,使电路输出端运放输出与供电电源VDD一致的采样电压信号,以进行采样;
采样结束模块302,用于在采样达到第一预设时间后,关断第二开关管S2及第三开关管S3;
保持模块303,用于结束带隙基准电压,并利用保持环路对电路输出端进行电荷补偿以保持采样电压信号;
重复模块304,用于在保持采样电压信号达到第二预设时间后,再次触发启动采样启动模块301。
本申请实施例采样保持装置,在采样启动模块301建立带隙基准电压,并通过采样保持电路的in端输入,在带隙基准电压建立并稳定后,利用由第一MOS管M1、第二MOS管M2、第三MOS管M3、第四MOS管M4及第五MOS管M5组成的运算放大器实现采样运放,此时闭合第一开关管S1、第二开关管S2及第三开关管S3,使得out端输出采样电压信号,在采样结束时,关断第二开关管S2及第三开关管S3,再结束带隙基准电压,此时,保持环路依然保持正常工作状态,与供电电源VDD连接的保持环路结合第一电容C1构成一个有源的电压保持源,能在漏电流从第一开关管S1和第二开关管S2流走时,自动补充损失的电荷来保持采样电压信号不变,使得本申请实施例的采样保持电路在采样结束(带隙基准电压结束)后,仍能保持out端输出稳定的采样电压信号,在保持采样电压信号达到第二预设之间后,带隙基准电压即将重新建立,故重新开始启动采样,如此循环以实现连续的采样保持过程;其中,在整个采样保持过程中,对于电流检测电路的供电电源VDD而言,第一MOS管M1最大的典型电流只有30nA,保持环路的约为其一半,因此,整个采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容C1进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
在一些优选的实施方式中,本申请实施例的采样保持装置用于执行上述第二方面提供的采样保持方法。
第四方面,本申请一些实施例中提供的一种电流检测电路,包括第一方面提供的采样保持电路。
具体地,如图6所示,电流检测电路还包括用于支撑采样保持电路运行的逻辑电路、振荡器电路、电荷泵电路以及带隙基准电路等,上述电路可采用现有电路结构,在此不做赘述。
更具体地,电流检测电路还包括利用采样保持电路输出的采样电压信号进行电流检测的检测模块,此为现有技术,在此不作图示和赘述。
本申请实施例的电流检测电路的采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容C1进行电荷补偿,能保证采样结束后,采样电压信号保持稳定不变。
综上,本申请实施例提供了一种采样保持电路、采样保持方法、装置及电流检测电路,其中,采样保持电路在采样结束时,关断第二开关管S2及第三开关管S3,再结束带隙基准电压,与供电电源VDD连接的保持环路结合第一电容C1构成一个有源的电压保持源,能在漏电流从第一开关管S1和第二开关管S2流走时,自动补充损失的电荷来保持采样电压信号不变,使得本申请实施例的采样保持电路在采样结束后,仍能保持out端输出稳定的采样电压信号;在整个采样保持过程中,整个采样保持电路的功耗为纳安级,能实现超低功耗的采样保持,即基于有源的保持环路和第一电容C1进行电荷补偿,能保证采样结束后采样电压信号保持稳定不变。
在本申请所提供的实施例中,应该理解到,所揭露装置和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,又例如,多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
另外,作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者,在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分,也可以是各个模块单独存在,也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请的保护范围,对于本领域的技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。