CN117310253A - 一种宽范围高精度电流检测电路及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽范围高精度电流检测电路及其检测方法，包含功率管M1、采样管M2、栅源电压钳位模块、高精度钳位运算放大器、时钟和偏置电压生成模块和调整管M3。本发明通过电阻R1调节衰减因子到非常大，从而跨导放大器G1剩余的输入失调电压可以降至很低的水平。即使所述负反馈主环路因宽范围电流变化而使环路失效，导致输入跨导放大器G1的输入失调电压V_os1增大，自调零运放辅助环路仍能够将跨导放大器G1的输入失调电压降至很低的水平，从而获得宽范围高精度的检测电流。

Description

一种宽范围高精度电流检测电路及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种电流检测电路及其检测方法，特别是一种宽范围高精度电流检测电路及其检测方法，属于半导体集成电路技术领域。

背景技术

随着科技的不断发展和进步，许多便携式电子产品对功耗的要求越来越高，例如智能手机、相机等，因此对于输出电流的检测精度要求越来越高。现有的提高电流检测精度的技术是用一个普通的运算放大器和调整管钳位使功率管和采样晶体管的源级电压相等，进而提高检测精度。

如图4所示，现有技术的电流检测电路主要包含功率管M1，采样管M2，运算放大器、调整管M3。功率管M1和采样管M2的栅极连接，用于提供相同的栅极电压，功率管M1和采样管M2的漏极与电源电压VS连接，用于接收输入电压。功率管M1的源极提供输出电流IOUT，采样管M2的源极提供与IOUT成比例的检测电流ISEN，运算放大器和调整管M3构成负反馈，钳位采样管M2的源极电压和功率管M1的源极电压，保护采样管M2和功率管M1不被损坏。

现有技术的电流检测电路主要采用运算放大器，运算放大器的失调电压会随着电源电压、输入共模电压、工艺和温度(PVT)等外界环境的变化而变化，从而影响电流检测精度。另外，输出电流的宽范围变化会导致采样电流的宽范围变化，从而影响运算放大器的输出静态工作点，导致运算放大器工作异常，进而影响电流的检测精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种宽范围高精度电流检测电路及其检测方法，提高电流检测电路的精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种宽范围高精度电流检测电路，包含功率管M1、采样管M2、栅源电压钳位模块、高精度钳位运算放大器、时钟和偏置电压生成模块和调整管M3，功率管M1的栅极与采样管M2的栅极和栅源电压钳位模块的一端连接，功率管M1的漏极与采样管M2的漏极和时钟和偏置电压生成模块的输入端连接并且连接电源电压VS，功率管M1的源极与栅源电压钳位模块的另一端、高精度钳位运算放大器的同向输入端连接并且输出第一电流IOUT和第一电压VOUT，采样管M2的源极与高精度钳位运算放大器的方向输入端和调整管M3的源极连接并输出第二电流ISEN和第二电压VN，高精度钳位运算放大器输出端与调整管M3的栅极连接并输出第三电压VG，调整管M3的漏极输出检测电流ICS，时钟和偏置电压生成模块的输出端与高精度钳位运算放大器的控制端连接。

进一步地，所述高精度钳位运算放大器包含跨导放大器G1、跨导放大器G2、电阻R1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6，开关S1的一端连接第二电压VN，开关S1的另一端与开关S3的一端和跨导放大器G1的反向输入端连接，开关S2的一端连接第一电压VOUT，开关S2的另一端与开关S3的另一端和跨导放大器G1的同向输入端连接，跨导放大器G1的输出端与跨导放大器G2的输出端、电阻R1的一端、开关S6的一端和开关S4的一端连接，电阻R1的另一端接地，开关S4的另一端与电容C2的一端、电容C1的一端和跨导放大器G2的反向输入端连接，跨导放大器G2的同向输入端与电容C1的另一端、电容C3的一端和开关S5的一端连接，电容C2的另一端和电容C3的另一端接地，开关S5的另一端连接偏置电压VBIAS，开关S6的另一端连接电容C4的一端并连接第三电压VG，电容C4的另一端接地。

进一步地，所述开关S1、开关S2和开关S6的控制端连接控制信号F1，开关S3、开关S4和开关S5的控制端连接控制信号F2。

进一步地，所述控制信号F1和控制信号F2的控制周期相等，控制信号F1和控制信号F2在一个控制周期内有且仅有一次导通和一次关断控制，并且控制信号F1和控制信号F2控制下的两组开关不同时导通。

进一步地，所述跨导放大器G1、电阻R1、电容C4和调整管M3构成负反馈主环路，跨导放大器G2、电阻R1、电容C1、电容C2和电容C3构成自调零运放辅助环路。

进一步地，所述时钟和偏置电压生成模块的第一输出端输出控制信号F1，时钟和偏置电压生成模块的第二输出端输出控制信号F2，时钟和偏置电压生成模块的第三输出端输出偏置电压VBIAS。

进一步地，所述时钟和偏置电压生成模块包含时钟生成电路和偏置电压生成电路，时钟生成电路包含反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6、反相器INV7、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8和D触发器DFF，反相器INV1的输出端与反相器INV2的输入端和电容C5的一端连接，反相器INV2的输出端与反相器INV3的输入端和电容C6的一端连接，反相器INV3的输出端与反相器INV4的输入端和电容C7的一端连接，反相器INV4的输出端与反相器INV5的输入端和电容C8的一端连接，反相器INV5的输出端与反相器INV6的输入端和反相器INV1的输入端连接，反相器INV6的输出端与D触发器DFF的Clk脚连接，D触发器DFF的D脚与D触发器DFF的Q脚连接，D触发器DFF的Q脚与反相器INV7的输入端连接并输出控制信号F2，反相器INV7的输出端输出控制信号F1，电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和电容C8的另一端接地。

一种检测方法，包含以下步骤：

开关S3、开关S4和开关S5闭合时，跨导放大器G1的输入失调电压被跨导放大器G1放大输入至自调零运放辅助环路，输出存储在电容C2的上极板，此时跨导放大器G2的输入差模分量为：

其中，G_m1是跨导放大器G1的跨导，G_m2是跨导放大器G2的跨导，V_os1是不添加自调零运放辅助环路时跨导放大器G1的输入失调电压，V_os2是跨导放大器G2的输入失调电压，R1是电阻R1的阻值；

开关S1、开关S2和开关S6闭合时，跨导放大器G2的输入差模分量折算到跨导放大器G1的输入端为：

等效输入失调电压为：

因此，即使宽范围的电流变化导致所述负反馈主环路失效，自调零运放辅助环路的高环路增益仍可以有效降低跨导放大器G1的等效输入失调电压，从而获得宽范围高精度的检测电流：

ISEN＝IOUT/K

其中，K是功率管M1和采样管M2的宽长比的比值；

调整管M3的源极接收采样管M2的源端输出的第二电流ISEN，调整管M3的漏极输出采样电流ICS，且满足：

ICS＝ISEN

通过电阻R1的大小来获得对PVT不敏感的高精度检测电流。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明提供了一种宽范围高精度电流检测电路，采用负反馈主环路加自调零运放辅助环路，实现了宽电流检测范围的高精度电流检测。

附图说明

图1是本发明的一种宽范围高精度电流检测电路的示意图。

图2是本发明的高精度钳位运算放大器的电路图。

图3是本发明的时钟生成电路的电路图。

图4是现有技术的电流检测电路的示意图。

具体实施方式

为了详细阐述本发明为达到预定技术目的而所采取的技术方案，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晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例，并且，在不付出创造性劳动的前提下，本发明的实施例中的技术手段或技术特征可以替换，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明的宽范围高精度电流检测电路，包含功率管M1、采样管M2、栅源电压钳位模块、高精度钳位运算放大器、时钟和偏置电压生成模块和调整管M3，功率管M1的栅极与采样管M2的栅极和栅源电压钳位模块的一端连接，功率管M1的栅极与采样管M2的栅极相连从而提供了相同的栅极电压。功率管M1的漏极与采样管M2的漏极和时钟和偏置电压生成模块的输入端连接并且连接电源电压VS，功率管M1的源极与栅源电压钳位模块的另一端、高精度钳位运算放大器的同向输入端连接并且输出第一电流IOUT和第一电压VOUT，采样管M2的源极与高精度钳位运算放大器的方向输入端和调整管M3的源极连接并输出第二电流ISEN和第二电压VN，其中第二电流ISEN与第一电流IOUT成比例。栅源电压钳位模块用于开启M1管，时钟和偏置电压生成模块为高精度钳位运算放大器提供时钟控制信号F1和F2以及必要的偏置电压VBIAS。高精度钳位运算放大器输出端与调整管M3的栅极连接并输出第三电压VG，调整管M3的漏极输出检测电流ICS，时钟和偏置电压生成模块的输出端与高精度钳位运算放大器的控制端连接。高精度钳位运算放大器和调整管M3构成负反馈，钳位采样管M2的源极电压和功率管M1的源极电压，从而保护采样管M2和功率管M1不被损坏。

如图2所示，高精度钳位运算放大器包含跨导放大器G1、跨导放大器G2、电阻R1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6，开关S1的一端连接第二电压VN，开关S1的另一端与开关S3的一端和跨导放大器G1的反向输入端连接，开关S2的一端连接第一电压VOUT，开关S2的另一端与开关S3的另一端和跨导放大器G1的同向输入端连接，跨导放大器G1的输出端与跨导放大器G2的输出端、电阻R1的一端、开关S6的一端和开关S4的一端连接，电阻R1的另一端接地，开关S4的另一端与电容C2的一端、电容C1的一端和跨导放大器G2的反向输入端连接，跨导放大器G2的同向输入端与电容C1的另一端、电容C3的一端和开关S5的一端连接，电容C2的另一端和电容C3的另一端接地，开关S5的另一端连接偏置电压VBIAS，开关S6的另一端连接电容C4的一端并连接第三电压VG，电容C4的另一端接地。

高精度钳位运算放大器的开关S1-S6的通断均受时钟和偏置电压生成模块输出的控制信号F1和F2控制。其中，开关S1、开关S2和开关S6的控制端连接控制信号F1，开关S3、开关S4和开关S5的控制端连接控制信号F2。

控制信号F1和控制信号F2的控制周期相等，控制信号F1和控制信号F2在一个控制周期内有且仅有一次导通和一次关断控制，并且控制信号F1和控制信号F2控制下的两组开关不同时导通。

跨导放大器G1、电阻R1、电容C4和调整管M3构成负反馈主环路，跨导放大器G2、电阻R1、电容C1、电容C2和电容C3构成自调零运放辅助环路。

自调零运放辅助环路能够将跨导放大器G1的输入失调电压降至：

其中，G_m1是跨导放大器G1的跨导，G_m2是跨导放大器G2的跨导，V_os1是不添加自调零运放辅助环路时跨导放大器G1的输入失调电压，V_os2是跨导放大器G2的输入失调电压。

由于衰减因子G_m1R1和G_m2R1是非常大，因此跨导放大器G1剩余的输入失调电压可以降至很低的水平。即使所述负反馈主环路因宽范围电流变化而使环路失效，导致输入跨导放大器G1的输入失调电压V_os1增大，自调零运放辅助环路仍能够将跨导放大器G1的输入失调电压降至很低的水平，从而获得宽范围高精度的检测电流。

时钟和偏置电压生成模块的第一输出端输出控制信号F1，时钟和偏置电压生成模块的第二输出端输出控制信号F2，时钟和偏置电压生成模块的第三输出端输出偏置电压VBIAS。

时钟和偏置电压生成模块包含时钟生成电路和偏置电压生成电路。如图3所示，时钟生成电路包含反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6、反相器INV7、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8和D触发器DFF，反相器INV1的输出端与反相器INV2的输入端和电容C5的一端连接，反相器INV2的输出端与反相器INV3的输入端和电容C6的一端连接，反相器INV3的输出端与反相器INV4的输入端和电容C7的一端连接，反相器INV4的输出端与反相器INV5的输入端和电容C8的一端连接，反相器INV5的输出端与反相器INV6的输入端和反相器INV1的输入端连接，反相器INV6的输出端与D触发器DFF的Clk脚连接，D触发器DFF的D脚与D触发器DFF的脚连接，D触发器DFF的Q脚与反相器INV7的输入端连接并输出控制信号F2，反相器INV7的输出端输出控制信号F1，电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和电容C8的另一端接地。反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4和反相器INV5构成环形振荡器，用于产生振荡波形，电容C5、电容C6、电容C7和电容C8调节振荡频率，反相器INV6和D触发器DFF将振荡波形整形并产生50％占空比的方波，该方波即为控制信号F2，控制信号F2经过反相器INV7反相得到控制信号F1，因此控制信号F1和控制信号F2是同频反相的一组方波信号，用于控制高精度钳位运算放大器的两组开关。偏置电压生成电路由偏置电流流经二极管连接的NMOS管转换成的栅端电压生成，该电路为常规电路，在此不在赘述。

一种检测方法，包含以下步骤：

开关S3、开关S4和开关S5闭合时，跨导放大器G1的输入失调电压被跨导放大器G1放大输入至自调零运放辅助环路，输出存储在电容C2的上极板，此时跨导放大器G2的输入差模分量为：

其中，G_m1是跨导放大器G1的跨导，G_m2是跨导放大器G2的跨导，V_os1是不添加自调零运放辅助环路时跨导放大器G1的输入失调电压，V_os2是跨导放大器G2的输入失调电压，R1是电阻R1的阻值。

开关S1、开关S2和开关S6闭合时，跨导放大器G2的输入差模分量折算到跨导放大器G1的输入端为：

等效输入失调电压为：

因此，即使宽范围的电流变化导致所述负反馈主环路失效，自调零运放辅助环路的高环路增益仍可以有效降低跨导放大器G1的等效输入失调电压，从而获得宽范围高精度的检测电流：

ISEN＝IOUT/K

其中，K是功率管M1和采样管M2的宽长比的比值。

调整管M3的源极接收采样管M2的源端输出的第二电流ISEN，调整管M3的漏极输出采样电流ICS，且满足：

ICS＝ISEN

通过电阻R1的大小来获得对PVT不敏感的高精度检测电流。

本发明提供了一种宽范围高精度电流检测电路，采用负反馈主环路加自调零运放辅助环路，实现了宽电流检测范围的高精度电流检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽范围高精度电流检测电路，其特征在于：包含功率管M1、采样管M2、栅源电压钳位模块、高精度钳位运算放大器、时钟和偏置电压生成模块和调整管M3，功率管M1的栅极与采样管M2的栅极和栅源电压钳位模块的一端连接，功率管M1的漏极与采样管M2的漏极和时钟和偏置电压生成模块的输入端连接并且连接电源电压VS，功率管M1的源极与栅源电压钳位模块的另一端、高精度钳位运算放大器的同向输入端连接并且输出第一电流IOUT和第一电压VOUT，采样管M2的源极与高精度钳位运算放大器的方向输入端和调整管M3的源极连接并输出第二电流ISEN和第二电压VN，高精度钳位运算放大器输出端与调整管M3的栅极连接并输出第三电压VG，调整管M3的漏极输出检测电流ICS，时钟和偏置电压生成模块的输出端与高精度钳位运算放大器的控制端连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽范围高精度电流检测电路，其特征在于：所述高精度钳位运算放大器包含跨导放大器G1、跨导放大器G2、电阻R1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和开关S6，开关S1的一端连接第二电压VN，开关S1的另一端与开关S3的一端和跨导放大器G1的反向输入端连接，开关S2的一端连接第一电压VOUT，开关S2的另一端与开关S3的另一端和跨导放大器G1的同向输入端连接，跨导放大器G1的输出端与跨导放大器G2的输出端、电阻R1的一端、开关S6的一端和开关S4的一端连接，电阻R1的另一端接地，开关S4的另一端与电容C2的一端、电容C1的一端和跨导放大器G2的反向输入端连接，跨导放大器G2的同向输入端与电容C1的另一端、电容C3的一端和开关S5的一端连接，电容C2的另一端和电容C3的另一端接地，开关S5的另一端连接偏置电压VBIAS，开关S6的另一端连接电容C4的一端并连接第三电压VG，电容C4的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的一种宽范围高精度电流检测电路，其特征在于：所述开关S1、开关S2和开关S6的控制端连接控制信号F1，开关S3、开关S4和开关S5的控制端连接控制信号F2。

4.根据权利要求3所述的一种宽范围高精度电流检测电路，其特征在于：所述控制信号F1和控制信号F2的控制周期相等，控制信号F1和控制信号F2在一个控制周期内有且仅有一次导通和一次关断控制，并且控制信号F1和控制信号F2控制下的两组开关不同时导通。

5.根据权利要求2所述的一种宽范围高精度电流检测电路，其特征在于：所述跨导放大器G1、电阻R1、电容C4和调整管M3构成负反馈主环路，跨导放大器G2、电阻R1、电容C1、电容C2和电容C3构成自调零运放辅助环路。

6.根据权利要求1所述的一种宽范围高精度电流检测电路，其特征在于：所述时钟和偏置电压生成模块的第一输出端输出控制信号F1，时钟和偏置电压生成模块的第二输出端输出控制信号F2，时钟和偏置电压生成模块的第三输出端输出偏置电压VBIAS。

7.根据权利要求1所述的一种宽范围高精度电流检测电路，其特征在于：所述时钟和偏置电压生成模块包含时钟生成电路和偏置电压生成电路，时钟生成电路包含反相器INV1、反相器INV2、反相器INV3、反相器INV4、反相器INV5、反相器INV6、反相器INV7、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8和D触发器DFF，反相器INV1的输出端与反相器INV2的输入端和电容C5的一端连接，反相器INV2的输出端与反相器INV3的输入端和电容C6的一端连接，反相器INV3的输出端与反相器INV4的输入端和电容C7的一端连接，反相器INV4的输出端与反相器INV5的输入端和电容C8的一端连接，反相器INV5的输出端与反相器INV6的输入端和反相器INV1的输入端连接，反相器INV6的输出端与D触发器DFF的Clk脚连接，D触发器DFF的D脚与D触发器DFF的脚连接，D触发器DFF的Q脚与反相器INV7的输入端连接并输出控制信号F2，反相器INV7的输出端输出控制信号F1，电容C5的另一端、电容C6的另一端、电容C7的另一端和电容C8的另一端接地。

8.一种权利要求1-7任一项所述的宽范围高精度电流检测电路的检测方法，其特征在于包含以下步骤：

开关S3、开关S4和开关S5闭合时，跨导放大器G1的输入失调电压被跨导放大器G1放大输入至自调零运放辅助环路，输出存储在电容C2的上极板，此时跨导放大器G2的输入差模分量为：

其中，G_m1是跨导放大器G1的跨导，G_m2是跨导放大器G2的跨导，V_os1是不添加自调零运放辅助环路时跨导放大器G1的输入失调电压，V_os2是跨导放大器G2的输入失调电压，R1是电阻R1的阻值；

开关S1、开关S2和开关S6闭合时，跨导放大器G2的输入差模分量折算到跨导放大器G1的输入端为：

等效输入失调电压为：

因此，即使宽范围的电流变化导致所述负反馈主环路失效，自调零运放辅助环路的高环路增益仍可以有效降低跨导放大器G1的等效输入失调电压，从而获得宽范围高精度的检测电流：

ISEN＝IOUT/K

其中，K是功率管M1和采样管M2的宽长比的比值；

调整管M3的源极接收采样管M2的源端输出的第二电流ISEN，调整管M3的漏极输出采样电流ICS，且满足：

ICS＝ISEN

通过电阻R1的大小来获得对PVT不敏感的高精度检测电流。