CN116318049A - 一种高精度电阻电路 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及测量电路技术领域,具体涉及一种高精度电阻电路,其中电源电压vdd依次通过第一电流镜结构的第一支路及电流源接地;还通过第一电流镜结构的第二支路及第一参考电阻接地;还通过第一电流镜结构的第二支路连接至第一运算放大器的反相输入端;还通过第一电流镜结构的第三支路及第一输出开关管接地;还通过第一电流镜结构的第三支路连接至第一运算放大器的同相输入端;第一运算放大器的输出端连接至第一输出开关管的控制端及第二输出开关管的控制端;第一输出开关管与第二输出开关管构成第二电流镜结构。上述电路采用较少的mos管即可形成任意阻值的电阻,从而减小了电路面积,降低了电路成本。
Description
技术领域
本申请涉及测量电路技术领域,具体涉及一种高精度电阻电路。
背景技术
半导体控制芯片是指在半导体片材上进行浸蚀,布线,制成的能实现某种功能的半导体控制器件。
目前,由于在半导体控制芯片中,对中等阻值电阻的制备相对容易,因此,当需要在半导体控制芯片中设置阻值较大或者阻值较小的电阻时,通常是采用对某个中等阻值的电阻进行串联或者并联的方式得到需要的大阻值或小阻值。例如,当需要获得1欧姆的电阻时,可以采用100个100欧姆的电阻并联得到;因此,若需要的电阻阻值越大或者越小,则需要越多的中等阻值电阻进行串联或者并联。
在上述方案中,而随着中等阻值电阻数量的增加,控制芯片内部电路的成本和面积都会增加,同时,对多个中等阻值电阻进行串联或者并联时,需要用到金属导线,但是金属导线自身存在寄生电阻,故随着中等阻值电阻数量的增加,需要的金属导线越来越多,金属导线给串联或者并联结果带来的误差就会越来越大。
发明内容
本申请提供了一种高精度电阻电路,采用较少的mos管即可形成任意阻值的电阻,从而减小了电路面积,降低了电路成本,该技术方案如下。
一方面,提供了一种高精度电阻电路,在所述高精度电阻电路中,电源电压vdd依次通过第一电流镜结构的第一支路及电流源i1接地;
所述电源电压vdd还依次通过第一电流镜结构的第二支路及第一参考电阻ra接地;
所述电源电压vdd还通过第一电流镜结构的第二支路连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过第一电流镜结构的第三支路及第一输出开关管Ma接地;
所述电源电压vdd还通过第一电流镜结构的第三支路连接至所述第一运算放大器A1的同相输入端;所述第一运算放大器A1的输出端连接至所述第一输出开关管Ma的控制端及第二输出开关管Ms的控制端;所述第一输出开关管Ma与所述第二输出开关管Ms构成第二电流镜结构。
在一种可能的实施方式中,所述第一电流镜结构的第一支路包括第一开关管M1;所述第一电流镜结构的第二支路包括第二开关管M2;所述第一电流镜结构的第三支路包括第三开关管M3;
所述第一开关管M1的控制端与所述第二开关管M2的控制端及所述第三开关管M3的控制端连接;
所述电源电压vdd依次通过所述第一开关管M1及电流源i1接地;
所述电源电压vdd还依次通过所述第二开关管M2及第一参考电阻ra接地;
所述电源电压vdd还通过所述第二开关管M2连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过所述第三开关管M3及第一输出开关管Ma接地;
所述电源电压vdd还通过所述第三开关管M3连接至所述第一运算放大器A1的同相输入端。
在一种可能的实施方式中,所述第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3为PMOS管;
或者,所述第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3为PNP三极管。
在一种可能的实施方式中,所述第一输出开关管Ma和第二输出开关管Ms的宽长比为1:C。
又一方面,提供了一种包括高精度电阻电路的开关电源电路,所述包括高精度电阻电路的开关电源电路包括如上所述的高精度电阻电路。
在一种可能的实施方式中,所述包括高精度电阻电路的开关电源电路还包括:功率电感IL、负载电阻rL及滤波电容cL;
输入电源vin的负电源端接地,所述输入电源vin的正电源端依次通过第一开关S1、第二开关S2连接至输出端vout;
所述输入电源vin的正电源端还依次通过所述第一开关S1、所述功率电感IL、所述高精度电阻电路中的第二输出开关管Ms接地;所述第二输出开关管Ms用于作为检流电阻对流过所述功率电感IL的电流进行检测;
所述输出端vout还分别通过负载电阻rL及滤波电容cL接地。
再一方面,提供了一种高精度小电阻电路,在所述高精度小电阻电路中,电源电压vdd依次通过第三电流镜结构的第一支路及电流源i1接地;
所述电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第二支路及第一参考电阻ra接地;
所述电源电压vdd还通过第三电流镜结构的第二支路连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第三支路、第一输出开关管Ma及第二参考电阻rb接地;
所述电源电压vdd还通过第三电流镜结构的第三支路连接至所述第一运算放大器A1的同相输入端;所述第一运算放大器A1的输出端连接至所述第一输出开关管Ma的控制端;
所述第一输出开关管Ma的控制端依次通过跟随器结构、第三参考电阻rc及第四电流镜结构的第一支路接地;
所述第一输出开关管Ma的控制端还依次通过跟随器结构及第三参考电阻rc连接至第二输出开关管Ms的控制端;所述第二输出开关管Ms接地;
所述电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第四支路及第四电流镜结构的第二支路接地。
在一种可能的实施方式中,所述第三电流镜结构的第一支路包括第一开关管M1;所述第三电流镜结构的第二支路包括第二开关管M2;所述第三电流镜结构的第三支路包括第三开关管M3;所述第三电流镜结构的第四支路包括第四开关管M4;
所述第一开关管M1的控制端与所述第二开关管M2的控制端、所述第三开关管M3及所述第四开关管M4的控制端连接;
所述电源电压vdd依次通过所述第一开关管M1及电流源i1接地;
所述电源电压vdd还依次通过所述第二开关管M2及第一参考电阻ra接地;
所述电源电压vdd还通过所述第二开关管M2连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过所述第三开关管M3、第一输出开关管Ma及第二参考电阻rb接地;
所述电源电压vdd还通过所述第三开关管M3连接至所述第一运算放大器A1的同相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过所述第四开关管M4及第四电流镜结构的第二支路接地。
在一种可能的实施方式中,所述第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和所述第四开关管M4为PMOS管;
或者,所述第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和所述第四开关管M4为PNP三极管。
在一种可能的实施方式中,第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4的宽长比为1:1:1:1。
在一种可能的实施方式中,所述第四电流镜结构的第一支路包括第六开关管M6;所述第四电流镜结构的第二支路包括第五开关管M5;所述第六开关管M6的控制端与所述第五开关管M5的控制端连接;
所述第一输出开关管Ma的控制端依次通过跟随器结构、第三参考电阻rc及所述第六开关管M6接地;
所述电源电压vdd还依次通过第四开关管M4及所述第五开关管M5接地。
在一种可能的实施方式中,所述跟随器结构包括第二运算放大器A2;
所述第一输出开关管Ma的控制端连接至所述第二运算放大器A2的同相输入端,所述第二运算放大器A2的输出端通过所述第三参考电阻rc及所述第六开关管M6接地;所述第二运算放大器A2的输出端还与所述第二运算放大器A2的反相输入端连接。
在一种可能的实施方式中,所述第五开关管M5和所述第六开关管M6为NMOS管;
或者,所述第五开关管M5和所述第六开关管M6为NPN三极管。
在一种可能的实施方式中,所述第五开关管M5和所述第六开关管M6的宽长比为1:1。
在一种可能的实施方式中,所述第一输出开关管Ma和所述第二输出开关管Ms为参数相同的开关管。
在一种可能的实施方式中,所述第二参考电阻rb与所述第三参考电阻rc的阻值相等。
又一方面,提供了一种包括高精度小电阻电路的开关电源电路,所述包括高精度小电阻电路的开关电源电路包括如上所述的高精度小电阻电路。
在一种可能的实施方式中,所述包括高精度小电阻电路的开关电源电路还包括:功率电感IL、负载电阻rL及滤波电容cL;
输入电源vin的负电源端接地,所述输入电源vin的正电源端依次通过第一开关S1、第二开关S2连接至输出端vout;
所述输入电源vin的正电源端还依次通过所述第一开关S1、所述功率电感IL、所述高精度小电阻电路中的第二输出开关管Ms接地;所述第二输出开关管Ms用于作为检流电阻对流过所述功率电感IL的电流进行检测;
所述输出端vout还分别通过负载电阻rL及滤波电容cL接地。
本申请提供的技术方案可以包括以下有益效果:
本申请中的高精度电阻电路和高精度小电阻电路采用较少的mos管即可形成任意阻值的电阻,从而减小了控制芯片内部电路的成本和面积;同时,该高精度电阻电路和高精度小电阻电路借助第一运算放大器A1提高了第一电流镜结构和第三电流镜结构的精度,从而提高了电阻电路的精度;
本申请利用该高精度电阻电路替代开关电源电路中的检流电阻,得到一种包括高精度电阻电路的开关电源电路,从而提高了开关电源电路的精度,减小了开关电源电路的体积,还降低了开关电源电路的成本;
本申请中的高精度小电阻电路通过选取合适的第一参考电阻ra、第二参考电阻rb和第三参考电阻rc即可得到所需的高精度小电阻;同时,在该高精度小电阻电路中,电流镜结构的各个关联开关管的宽长比均为1,因此,当需要得到高精度电阻,特别是高精度小电阻时,该电阻值与开关管的面积无关,从而进一步减小了当高精度电阻电路输出小电阻值时所需要的芯片面积,节约成本;
本申请利用该高精度小电阻电路替代开关电源电路中的检流电阻,得到一种包括高精度小电阻电路的开关电源电路,从而进一步减小开关电源电路的体积,进一步降低开关电源电路的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本申请的一些实施方式,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的附图。
图1是根据一示例性实施例示出的一种高精度电阻电路的电路结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种现有的开关电源电路的电路结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种包括高精度电阻电路的开关电源电路的电路结构示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的一种高精度小电阻电路的电路结构示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种包括高精度小电阻电路的开关电源电路的电路结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,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,都属于本申请保护的范围。
图1是根据一示例性实施例示出的一种高精度电阻电路的电路结构示意图。如图1所示,该高精度电阻电路包括第一电流镜结构、第一输出开关管Ma、第二输出开关管Ms、电流源i1、第一参考电阻ra和第一运算放大器A1。
在该高精度电阻电路中,电源电压vdd依次通过第一电流镜结构的第一支路及电流源i1接地;
该电源电压vdd还依次通过第一电流镜结构的第二支路及第一参考电阻ra接地;
该电源电压vdd还通过第一电流镜结构的第二支路连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
该电源电压vdd还依次通过第一电流镜结构的第三支路及第一输出开关管Ma接地;
该电源电压vdd还通过第一电流镜结构的第三支路连接至该第一运算放大器A1的同相输入端;该第一运算放大器A1的输出端连接至该第一输出开关管Ma的控制端及第二输出开关管Ms的控制端;该第一输出开关管Ma与该第二输出开关管Ms构成第二电流镜结构。
在一种可能的实施方式中,该第一电流镜结构的第一支路包括第一开关管M1;该第一电流镜结构的第二支路包括第二开关管M2;该第一电流镜结构的第三支路包括第三开关管M3;
该第一开关管M1的控制端与该第二开关管M2的控制端及该第三开关管M3的控制端连接;
该电源电压vdd依次通过该第一开关管M1及电流源i1接地;
该电源电压vdd还依次通过该第二开关管M2及第一参考电阻ra接地;
该电源电压vdd还通过该第二开关管M2连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
该电源电压vdd还依次通过该第三开关管M3及第一输出开关管Ma接地;
该电源电压vdd还通过该第三开关管M3连接至该第一运算放大器A1的同相输入端。
在一种可能的实施方式中,该第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3为PMOS管;
或者,该第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3为PNP三极管。
进一步的,当该第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3为PMOS管时,该第一开关管M1的控制端、第二开关管M2的控制端及该第三开关管M3的控制端分别为各自的栅极;当该第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3为PNP三极管时,该第一开关管M1的控制端、第二开关管M2的控制端及该第三开关管M3的控制端分别为各自的基极。
在一种可能的实施方式中,该第一输出开关管Ma和第二输出开关管Ms的宽长比为1:C。
基于图1的一种高精度电阻电路的电路结构,其工作原理可以如下所示:
在本领域中,由于MOS管特殊的导通特性,可以将MOS管等效成一个电阻,该等效电阻的两端分别对应MOS管的漏极以及源极;并且,在具体的应用中,当MOS管的栅源电压差非常小时,该MOS管就会处于截止状态,此时,其等效成的电阻的阻值也会非常大;而当该MOS管的栅源电压差非常大时,该MOS管就会处于导通状态,此时,其等效成的电阻的阻值也会非常小;因此,利用该MOS管特殊的导通特性,通过控制MOS管的栅源电压差不仅可以得到很大的电阻阻值,还可以得到很小的电阻阻值。
在图1的电路结构中,首先,该电流源i1拉低该第一电流镜结构中第一开关管M1的控制端、第二开关管M2的控制端和第三开关管M3的控制端,使得第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3均导通,此时,该第一开关管M1中流过的电流为i1,又由于该第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3的宽长比为,因此,该第二开关管M2中流过的电流i2为i1/A,且该第三开关管M3中流过的电流i3为B×i1。
其次,由于该第一运算放大器A1的反相输入端无法流入电流,也无法流出电流,因此该第二开关管M2中流过的电流i2会全部流入到与该第二开关管M2串联的第一参考电阻ra中,使得该第一运算放大器A1的反相输入端的输入电压vd2=ra×i1/A;此时由上述分析可知,该第三开关管M3已经导通,因此,该第三开关管M3会将该第一运算放大器A1的同相输入端的输入电压vd3拉高至电源电压vdd,此时该第一运算放大器A1输出端会输出高电平的输出电压vga,使得该第一输出开关管Ma导通,进而拉低该第一运算放大器A1的同相输入端的输入电压vd3,因此,此时该第一运算放大器A1输出端输出低电平的输出电压vga,进而关断该第一输出开关管Ma;因此,在第一运算放大器A1的作用下,当电路达到稳态后,该第一运算放大器A1的同相输入端的输入电压vd3与第一运算放大器A1的反相输入端的输入电压vd2相等,且由于该第一运算放大器A1的同相输入端无法流入电流,也无法流出电流,因此,该第三开关管M3中流过的电流i3会全部流入至第一输出开关管Ma中。
因此,由上述分析可知,当电路达到稳态时,vd2=ra×i1/A=vd3=B×i1×rma,其中,rma表示该第一输出开关管Ma的电阻值;并且,当电路达到稳态后,由于该第一电流镜结构中的第二开关管M2和第三开关管M3的漏极电压、源极电压和栅极电压三者均相等,因此可以保证该第二开关管M2中流过的电流i2和该第三开关管M3中流过的电流i3之间的电流比例会与设计值完全相等,故此时,可以得出该第一输出开关管Ma的精确电阻值rma为ra/(A×B)。
此时,由于该第一输出开关管Ma和该第二输出开关管Ms构成第二电流镜结构,且该第一输出开关管Ma和该第二输出开关管Ms的宽长比为1:C,也就是说,该第二输出开关管Ms是由C个第一输出开关管Ma并联得到的,因此该第二输出开关管Ms的电阻等于ra/(A×B×C)。
由上述分析可知,图1中的高精度电阻电路利用MOS管作为电阻,当需要得到同样阻值的电阻时,示例性的,如果需要将电阻值设计为ra/1000时,此时若采用现有技术中电阻并联的方法,则必须使用1000个电阻值为ra的电阻进行并联,而采用本申请的技术方案,则只需要将A×B×C的乘积设计为1000即可得到所需要的ra/1000的电阻值,因此,采用本申请的技术方案所需要的开关管数量远小于1000。
同样的,如果需要将电阻值设计为1000ra,若采用本申请的技术方案所需的开关管数量也将远小于现有技术中串联电阻的方法所需要的电阻数量,因此,本申请采用较少的mos管就能形成小阻值电阻或大阻值的电阻,从而减小电路面积,降低电路成本;同时,图1中的高精度电阻电路借助第一运算放大器A1提高了第一电流镜结构的精度,从而保证该第二开关管M2中流过的电流i2和该第三开关管M3中流过的电流i3的电流比例与设计值完全相等,使得第二输出开关管Ms的电阻精确等于ra/(A×B×C);此外,当设计A×B×C大于1时,该第二输出开关管Ms的电阻将小于ra,当设计A×B×C小于1时,该第二输出开关管Ms的电阻将大于ra,因此,通过选取不同大小的A值、B值和C值,即可得到任意阻值的第二输出开关管Ms。
综上所述,本申请中的高精度电阻电路采用较少的mos管即可形成任意阻值的电阻,从而减小了控制芯片内部电路的成本和面积;同时,该高精度电阻电路借助第一运算放大器A1提高了第一电流镜结构的精度,从而提高了电阻电路的精度。
图2示出了一种现有的开关电源电路的电路结构示意图,如图2所示,该现有的开关电源电路包括功率电感IL以及与功率电感IL串联的检流电阻rsen;该开关电源电路通过检流电阻rsen对流过功率电感IL中的电流进行检测;
目前,开关电源电路中与功率电感IL串联的检流电阻rsen通常需要采用小阻值电阻,此时采用小阻值电阻主要有以下两点原因:第一,该功率电感IL的电流可能很大,因此需要采用小阻值的检流电阻rsen进行检流;第二,小阻值电阻的功率损耗小,可以提高电路的效率。
因此,此时为了提高开关电源电路中检流电阻rsen的精度,减小检流电阻的面积,降低检流电阻的成本,可将图2中的检流电阻rsen设计为图1中的高精度电阻电路,从而得到如图3所示的一种包括高精度电阻电路的开关电源电路的电路结构示意图,此时,ra/(A×B×C)=rsen。
如图3所示,该包括高精度电阻电路的开关电源电路除了包括图1示出的高精度电阻电路结构外,还包括功率电感IL、负载电阻rL及滤波电容cL;
其中,输入电源vin的负电源端接地,该输入电源vin的正电源端依次通过第一开关S1、第二开关S2连接至输出端vout;
该输入电源vin的正电源端还依次通过该第一开关S1、该功率电感IL、该高精度电阻电路中的第二输出开关管Ms接地;该第二输出开关管Ms用于作为检流电阻对流过该功率电感IL的电流进行检测;
该输出端vout还分别通过负载电阻rL及滤波电容cL接地。
综上所述,本申请中的高精度电阻电路采用较少的mos管即可形成任意阻值的电阻,从而减小了控制芯片内部电路的成本和面积;同时,该高精度电阻电路借助第一运算放大器A1提高了第一电流镜结构的精度,从而提高了电阻电路的精度;
本申请利用该高精度电阻电路替代开关电源电路中的检流电阻,得到一种包括高精度电阻电路的开关电源电路,从而提高了开关电源电路的精度,减小了开关电源电路的体积,还降低了开关电源电路的成本。
由上述对图1的工作原理分析结论可知,该第二输出开关管Ms的电阻等于ra/(A×B×C),因此,第二输出开关管Ms的电阻值越小,B和C则越大,即第三开关管M3和第二输出开关管Ms的面积越大;因此,为了进一步减小当该高精度电阻电路输出小电阻值时所需要的芯片面积,可得到如图4所示的一种高精度小电阻电路的结构示意图。
图4是在图1所示的电路结构上进行修改得到的高精度小电阻电路结构,首先可以对图1中的第一电流镜结构进行修改,增加了第四支路,从而构成了第三电流镜结构;如图4所示,在该高精度小电阻电路中,电源电压vdd依次通过第三电流镜结构的第一支路及电流源i1接地;
该电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第二支路及第一参考电阻ra接地;
该电源电压vdd还通过第三电流镜结构的第二支路连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
该电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第三支路、第一输出开关管Ma及第二参考电阻rb接地;
该电源电压vdd还通过第三电流镜结构的第三支路连接至该第一运算放大器A1的同相输入端;该第一运算放大器A1的输出端连接至该第一输出开关管Ma的控制端;
该第一输出开关管Ma的控制端依次通过跟随器结构、第三参考电阻rc及第四电流镜结构的第一支路接地;
该第一输出开关管Ma的控制端还依次通过跟随器结构及第三参考电阻rc连接至第二输出开关管Ms的控制端;该第二输出开关管Ms接地;
该电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第四支路及第四电流镜结构的第二支路接地。
在一种可能的实施方式中,该第三电流镜结构的第一支路包括第一开关管M1;该第三电流镜结构的第二支路包括第二开关管M2;该第三电流镜结构的第三支路包括第三开关管M3;该第三电流镜结构的第四支路包括第四开关管M4;
该第一开关管M1的控制端与该第二开关管M2的控制端、该第三开关管M3及该第四开关管M4的控制端连接;
该电源电压vdd依次通过该第一开关管M1及电流源i1接地;
该电源电压vdd还依次通过该第二开关管M2及第一参考电阻ra接地;
该电源电压vdd还通过该第二开关管M2连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
该电源电压vdd还依次通过该第三开关管M3、第一输出开关管Ma及第二参考电阻rb接地;
该电源电压vdd还通过该第三开关管M3连接至该第一运算放大器A1的同相输入端;
该电源电压vdd还依次通过该第四开关管M4及第四电流镜结构的第二支路接地。
在一种可能的实施方式中,该第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和该第四开关管M4为PMOS管;
或者,该第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和该第四开关管M4为PNP三极管。
进一步的,当该第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和该第四开关管M4为PMOS管时,该第一开关管M1的控制端、第二开关管M2的控制端、该第三开关管M3的控制端及该第四开关管M4的控制端分别为各自的栅极;当该第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4为PNP三极管时,该第一开关管M1的控制端、第二开关管M2的控制端、该第三开关管M3的控制端及该第四开关管M4的控制端分别为各自的基极。
在一种可能的实施方式中,第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4的宽长比为1:1:1:1。
在一种可能的实施方式中,该第四电流镜结构的第一支路包括第六开关管M6;该第四电流镜结构的第二支路包括第五开关管M5;该第六开关管M6的控制端与该第五开关管M5的控制端连接;
该第一输出开关管Ma的控制端依次通过跟随器结构、第三参考电阻rc及该第六开关管M6接地;
该电源电压vdd还依次通过该第四开关管M4及该第五开关管M5接地。
在一种可能的实施方式中,该跟随器结构包括第二运算放大器A2;
该第一输出开关管Ma的控制端连接至该第二运算放大器A2的同相输入端,该第二运算放大器A2的输出端通过该第三参考电阻rc及该第六开关管M6接地;该第二运算放大器A2的输出端还与该第二运算放大器A2的反相输入端连接。
在一种可能的实施方式中,该第五开关管M5和该第六开关管M6为NMOS管;
或者,该第五开关管M5和该第六开关管M6为NPN三极管。
进一步的,当该第五开关管M5和该第六开关管M6为NMOS管时,该第五开关管M5的控制端和第六开关管M6的控制端分别为各自的栅极;当该第五开关管M5和该第六开关管M6为NPN三极管时,该第五开关管M5的控制端和第六开关管M6的控制端分别为各自的基极。
在一种可能的实施方式中,该第五开关管M5和该第六开关管M6的宽长比为1:1。
在一种可能的实施方式中,该第一输出开关管Ma和该第二输出开关管Ms为参数相同的开关管。
在一种可能的实施方式中,该第二参考电阻rb与该第三参考电阻rc的阻值相等。
基于图4的一种高精度小电阻电路的电路结构,其工作原理可以如下所示:
在图4的电路结构中,首先,该电流源i1拉低该第三电流镜结构中第一开关管M1的控制端、第二开关管M2的控制端、第三开关管M3的控制端和第四开关管M4的控制端,使得第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4均导通,此时,又由于该第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4的宽长比为1:1:1:1,因此,该第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4中流过的电流相等,大小均为i1。
其次,由于该第一运算放大器A1的反相输入端无法流入电流,也无法流出电流,因此该第二开关管M2中流过的电流i2会全部流入到与该第二开关管M2串联的第一参考电阻ra中,使得该第一运算放大器A1的反相输入端的输入电压vd2=ra×i1;此时由上述分析可知该第三开关管M3已经导通,因此,该第三开关管M3会将该第一运算放大器A1的同相输入端的输入电压vd3拉高至电源电压vdd,此时该第一运算放大器A1输出端会输出高电平的输出电压vga,使得该第一输出开关管Ma导通,进而拉低该第一运算放大器A1的同相输入端的输入电压vd3,因此,此时该第一运算放大器A1输出端输出低电平的输出电压vga,进而关断该第一输出开关管Ma;因此,在第一运算放大器A1的作用下,当电路达到稳态后,该第一运算放大器A1的同相输入端的输入电压vd3与第一运算放大器A1的反相输入端的输入电压vd2相等,且由于该第一运算放大器A1的同相输入端无法流入电流,也无法流出电流,因此,该第三开关管M3中流过的电流i3会全部流入至第一输出开关管Ma和第二参考电阻rb中。
因此,由上述分析可知,当电路达到稳态时,vd2=ra×i1=vd3=i1×(rma+rb),其中,rma表示该第一输出开关管Ma的电阻值;并且,当电路达到稳态后,由于该第三电流镜结构中的第二开关管M2和第三开关管M3的漏极电压、源极电压和栅极电压三者均相等,因此可以保证该第二开关管M2中流过的电流i2和该第三开关管M3中流过的电流i3完全相等,故此时,可以得出该第一输出开关管Ma的精确电阻值rma为ra-rb,并且,此时该第一输出开关管Ma的栅源电压差为vga-vsa,其中vga为该第一输出开关管Ma的栅极电压,且如图4所示,vga也为该第二运算放大器A2的正相输入电压,vsa为第一输出开关管Ma的源极电压,且vsa= rb×i1。
此时,由于该第四开关管M4中的电流流入至该第四电流镜结构的第五开关管M5中,且该第五开关管M5和第六开关管M6构成该第四电流镜结构,该第五开关管M5和第六开关管M6的宽长比为1:1,因此,该第六开关管M6中流过的电流也为i1;同时由于第二运算放大器A2构成了上述的跟随器结构,因此,当电路达到稳态时,该第二运算放大器A2的输出端电压与第二运算放大器A2的正相输入电压相等,即vy=vga。
同时,由于该第二输出开关管Ms的源极设置为接地,因此该第二输出开关管Ms的栅源电压差即为该第二输出开关管Ms的栅极电压vx,此时,结合图4的电路结构可知,该第二输出开关管Ms的栅极电压vx=vy-i1×rc= vga-i1×rb=vga-vsa,此时可以得出该第一输出开关管Ma的栅源电压差与第二输出开关管Ms的栅源电压差相等,同时由于第一输出开关管Ma和第二输出开关管Ms为参数相同的开关管,在栅源电压差相同的情况下,该第一输出开关管Ma和该第二输出开关管Ms的电阻值也相等,因此该第二输出开关管Ms的精确电阻值rms等于ra-rb。
由上述分析可知,图4示出的高精度小电阻电路通过选取合适的第一参考电阻ra、第二参考电阻rb和第三参考电阻rc即可得到所需的高精度小电阻;同时,在该高精度小电阻电路中,电流镜结构中的各个关联开关管的宽长比均为1,因此,当需要得到高精度电阻,特别是高精度小电阻时,采用图4示出高精度小电阻电路所得到的电阻值与开关管的面积无关,从而进一步减小了当高精度电阻电路输出小电阻值时所需要的芯片面积。
综上所述,本申请中的高精度电阻电路采用较少的mos管即可形成任意阻值的电阻,从而减小了控制芯片内部电路的成本和面积;同时,该高精度电阻电路借助第一运算放大器A1提高了第三电流镜结构的精度,从而提高了电阻电路的精度;
本申请中的高精度小电阻电路通过选取合适的第一参考电阻ra、第二参考电阻rb和第三参考电阻rc即可得到所需的高精度小电阻;同时,在该高精度小电阻电路中,电流镜结构的各个关联开关管的宽长比均为1,因此,当需要得到高精度电阻,特别是高精度小电阻时,该电阻值与开关管的面积无关,从而进一步减小了当高精度电阻电路输出小电阻值时所需要的芯片面积,节约成本;
此时,为了进一步减小开关电源电路的体积,可将图2中的检流电阻rsen设计为图4的高精度小电阻电路,从而得到如图5所示的一种包括高精度小电阻电路的开关电源电路的电路结构示意图,此时,rsen=ra-rb。
如图5所示,该包括高精度小电阻电路的开关电源电路除了包括如上所述的高精度小电阻电路外,还包括:功率电感IL、负载电阻rL及滤波电容cL;
其中,输入电源vin的负电源端接地,该输入电源vin的正电源端依次通过第一开关S1、第二开关S2连接至输出端vout;
该输入电源vin的正电源端还依次通过该第一开关S1、该功率电感IL、该高精度小电阻电路中的第二输出开关管Ms接地;该第二输出开关管Ms用于作为检流电阻对流过该功率电感IL的电流进行检测;
该输出端vout还分别通过负载电阻rL及滤波电容cL接地。
综上所述,本申请中的高精度小电阻电路采用较少的mos管即可形成任意阻值的电阻,从而减小了控制芯片内部电路的成本和面积;同时,该高精度小电阻电路借助第一运算放大器A1提高了第三电流镜结构的精度,从而提高了电阻电路的精度;
本申请中的高精度小电阻电路通过选取合适的第一参考电阻ra、第二参考电阻rb和第三参考电阻rc即可得到所需的高精度小电阻;同时,在该高精度小电阻电路中,电流镜结构的各个关联开关管的宽长比均为1,因此,当需要得到高精度电阻,特别是高精度小电阻时,该电阻值与开关管的面积无关,从而进一步减小了当高精度电阻电路输出小电阻值时所需要的芯片面积,节约成本;
本申请利用该高精度小电阻电路替代开关电源电路中的检流电阻,得到一种包括高精度小电阻电路的开关电源电路,从而进一步减小开关电源电路的体积,进一步降低开关电源电路的成本。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后,将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是,本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (19)
1.一种高精度电阻电路,其特征在于,在所述高精度电阻电路中,电源电压vdd依次通过第一电流镜结构的第一支路及电流源i1接地;
所述电源电压vdd还依次通过第一电流镜结构的第二支路及第一参考电阻ra接地;
所述电源电压vdd还通过第一电流镜结构的第二支路连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过第一电流镜结构的第三支路及第一输出开关管Ma接地;
所述电源电压vdd还通过第一电流镜结构的第三支路连接至所述第一运算放大器A1的同相输入端;所述第一运算放大器A1的输出端连接至所述第一输出开关管Ma的控制端及第二输出开关管Ms的控制端;所述第一输出开关管Ma与所述第二输出开关管Ms构成第二电流镜结构。
2.根据权利要求1所述的高精度电阻电路,其特征在于,所述第一电流镜结构的第一支路包括第一开关管M1;所述第一电流镜结构的第二支路包括第二开关管M2;所述第一电流镜结构的第三支路包括第三开关管M3;
所述第一开关管M1的控制端与所述第二开关管M2的控制端及所述第三开关管M3的控制端连接;
所述电源电压vdd依次通过所述第一开关管M1及电流源i1接地;
所述电源电压vdd还依次通过所述第二开关管M2及第一参考电阻ra接地;
所述电源电压vdd还通过所述第二开关管M2连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过所述第三开关管M3及第一输出开关管Ma接地;
所述电源电压vdd还通过所述第三开关管M3连接至所述第一运算放大器A1的同相输入端。
3.根据权利要求2所述的高精度电阻电路,其特征在于,所述第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3为PMOS管;
或者,所述第一开关管M1、第二开关管M2和第三开关管M3为PNP三极管。
5.根据权利要求1至4任一所述的高精度电阻电路,其特征在于,所述第一输出开关管Ma和第二输出开关管Ms的宽长比为1:C。
6.一种包括高精度电阻电路的开关电源电路,其特征在于,所述包括高精度电阻电路的开关电源电路包括如权利要求1至5任一所述的高精度电阻电路。
7.根据权利要求6所述的包括高精度电阻电路的开关电源电路,其特征在于,所述包括高精度电阻电路的开关电源电路还包括:功率电感IL、负载电阻rL及滤波电容cL;
输入电源vin的负电源端接地,所述输入电源vin的正电源端依次通过第一开关S1、第二开关S2连接至输出端vout;
所述输入电源vin的正电源端还依次通过所述第一开关S1、所述功率电感IL、所述高精度电阻电路中的第二输出开关管Ms接地;所述第二输出开关管Ms用于作为检流电阻对流过所述功率电感IL的电流进行检测;
所述输出端vout还分别通过负载电阻rL及滤波电容cL接地。
8.一种高精度小电阻电路,其特征在于,在所述高精度小电阻电路中,电源电压vdd依次通过第三电流镜结构的第一支路及电流源i1接地;
所述电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第二支路及第一参考电阻ra接地;
所述电源电压vdd还通过第三电流镜结构的第二支路连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第三支路、第一输出开关管Ma及第二参考电阻rb接地;
所述电源电压vdd还通过第三电流镜结构的第三支路连接至所述第一运算放大器A1的同相输入端;所述第一运算放大器A1的输出端连接至所述第一输出开关管Ma的控制端;
所述第一输出开关管Ma的控制端依次通过跟随器结构、第三参考电阻rc及第四电流镜结构的第一支路接地;
所述第一输出开关管Ma的控制端还依次通过跟随器结构及第三参考电阻rc连接至第二输出开关管Ms的控制端;所述第二输出开关管Ms接地;
所述电源电压vdd还依次通过第三电流镜结构的第四支路及第四电流镜结构的第二支路接地。
9.根据权利要求8所述的高精度小电阻电路,其特征在于,所述第三电流镜结构的第一支路包括第一开关管M1;所述第三电流镜结构的第二支路包括第二开关管M2;所述第三电流镜结构的第三支路包括第三开关管M3;所述第三电流镜结构的第四支路包括第四开关管M4;
所述第一开关管M1的控制端与所述第二开关管M2的控制端、所述第三开关管M3及所述第四开关管M4的控制端连接;
所述电源电压vdd依次通过所述第一开关管M1及电流源i1接地;
所述电源电压vdd还依次通过所述第二开关管M2及第一参考电阻ra接地;
所述电源电压vdd还通过所述第二开关管M2连接至第一运算放大器A1的反相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过所述第三开关管M3、第一输出开关管Ma及第二参考电阻rb接地;
所述电源电压vdd还通过所述第三开关管M3连接至所述第一运算放大器A1的同相输入端;
所述电源电压vdd还依次通过所述第四开关管M4及第四电流镜结构的第二支路接地。
10.根据权利要求9所述的高精度小电阻电路,其特征在于,所述第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和所述第四开关管M4为PMOS管;
或者,所述第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和所述第四开关管M4为PNP三极管。
11.根据权利要求10所述的高精度小电阻电路,其特征在于,第一开关管M1、第二开关管M2、第三开关管M3和第四开关管M4的宽长比为1:1:1:1。
12.根据权利要求8至11任一所述的高精度小电阻电路,其特征在于,所述第四电流镜结构的第一支路包括第六开关管M6;所述第四电流镜结构的第二支路包括第五开关管M5;所述第六开关管M6的控制端与所述第五开关管M5的控制端连接;
所述第一输出开关管Ma的控制端依次通过跟随器结构、第三参考电阻rc及所述第六开关管M6接地;
所述电源电压vdd还依次通过第四开关管M4及所述第五开关管M5接地。
13.根据权利要求12所述的高精度小电阻电路,其特征在于,所述跟随器结构包括第二运算放大器A2;
所述第一输出开关管Ma的控制端连接至所述第二运算放大器A2的同相输入端,所述第二运算放大器A2的输出端通过所述第三参考电阻rc及所述第六开关管M6接地;所述第二运算放大器A2的输出端还与所述第二运算放大器A2的反相输入端连接。
14.根据权利要求12所述的高精度小电阻电路,其特征在于,所述第五开关管M5和所述第六开关管M6为NMOS管;
或者,所述第五开关管M5和所述第六开关管M6为NPN三极管。
15.根据权利要求14所述的高精度小电阻电路,其特征在于,所述第五开关管M5和所述第六开关管M6的宽长比为1:1。
16.根据权利要求8至11任一所述的高精度小电阻电路,其特征在于,所述第一输出开关管Ma和所述第二输出开关管Ms为参数相同的开关管。
17.根据权利要求8至11任一所述的高精度小电阻电路,其特征在于,所述第二参考电阻rb与所述第三参考电阻rc的阻值相等。
18.一种包括高精度小电阻电路的开关电源电路,其特征在于,所述包括高精度小电阻电路的开关电源电路包括如权利要求8至17任一所述的高精度小电阻电路。
19.根据权利要求18所述的包括高精度小电阻电路的开关电源电路,其特征在于,所述包括高精度小电阻电路的开关电源电路还包括:功率电感IL、负载电阻rL及滤波电容cL;
输入电源vin的负电源端接地,所述输入电源vin的正电源端依次通过第一开关S1、第二开关S2连接至输出端vout;
所述输入电源vin的正电源端还依次通过所述第一开关S1、所述功率电感IL、所述高精度小电阻电路中的第二输出开关管Ms接地;所述第二输出开关管Ms用于作为检流电阻对流过所述功率电感IL的电流进行检测;
所述输出端vout还分别通过负载电阻rL及滤波电容cL接地。
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