CN213693636U - 一种跨阻抗对数放大电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种跨阻抗对数放大电路，包括：采样电路和放大电路；采样电路用于采集输入电流信号并生成电压信号发送至放大电路；放大电路用于接收采样电路的电压信号并进行放大输出；采样电路的输出端与放大电路的输入端电连接；采样电路包括PN结器件，PN结器件的输入端与电源电连接，PN结器件的输出端与放大电路电连接；放大电路包括运算放大器，PN结器件并联于运算放大器的反相输入端和同相输入端之间；通过使用二极管或者三极管作为电流采集的器件，由于二极管或者三极管的伏安特性曲线为指数关系，实现了无论采集电流的跨度多大，运算放大器采集的电压信号的跨度都不会过大，均可被ADC等识别采集。

Description

一种跨阻抗对数放大电路

技术领域

本实用新型涉及放大电路领域，具体涉及一种跨阻抗对数放大电路。

背景技术

在测试和测量领域中放大电路是必不可少的，例如对被测设备工作电流和功耗的持续监控与测量时，需要对很小的电流进行放大测量，可能是uA甚至是nA级的工作电流以及mA甚至是A级的电流进行测量。现有技术中的做法是在测量仪器上设计有多个不同的量程档位的放大电路，通过手动或者自动的方式切换测量通道，这种做法只适用于对稳态或较小波动范围的工作电流的测量，或者对等效平均值的测量，因为切换通道的方式有以下几个弊端，无法对连续随机大范围变化的电流进行持续测量。

现有技术中的电流采样放大器通常使用采样电阻进行电流采集，由于电阻的伏安特性曲线为线性关系，导致经过放大器放大后的电压与采集电流同样成线性关系，放大器放大后的电压信号需要发送至ADC进行转换数字信号，但是ADC的电压信号采集范围的跨度无法过大，当采集电流从uA级跨度到A级时经过大器放大后的电压信号同样是跨度了10⁶级别，由于ADC的电压采集范围的跨度无法达到这么大，最后导致经过大器放大后的电压信号无法被ADC采集到。

实用新型内容

为了克服现有技术的缺陷，本实用新型所要解决的技术问题在于提出一种跨阻抗对数放大电路，通过使用二极管或者三极管作为电流采集的器件，由于二极管或者三极管的伏安特性曲线为指数关系，实现了无论采集电流的跨度多大，运算放大器采集的电压信号的跨度都不会过大，均可被ADC识别采集。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供的一种跨阻抗对数放大电路，包括：采样电路和放大电路；采样电路用于采集输入电流信号并生成电压信号发送至放大电路；放大电路用于接收采样电路的电压信号并进行放大输出；采样电路的输出端与放大电路的输入端电连接；采样电路包括PN结器件，PN结器件的输入端与电源电连接，PN结器件的输出端与放大电路电连接；放大电路包括运算放大器，PN结器件并联于运算放大器的反相输入端和同相输入端之间；电源输入电流流经采样电路，采样电路生成对应的电压，放大电路采集采样电路两端的电压后生成输出电压。

优选的，PN结器件包括二极管，二极管的正极与运算放大器反相输入端电连接，二极管的负极与运算放大器正向相输入端电连接。

优选的，PN结器件包括二极管和第三电阻，二极管与第三电阻串联，二极管的正极与运算放大器反相输入端电连接，二极管的负极与运算放大器正向相输入端电连接。

优选的，所述PN结器件包括NPN三极管，NPN三极管的集电极与运算放大器反相输入端电连接，NPN三极管的集电极与NPN三极管的基极电连接，NPN三极管的发射极与运算放大器正向相输入端电连接。

优选的，PN结器件包括NPN三极管和第四电阻，NPN三极管与第四电阻串联，NPN三极管的集电极与运算放大器反相输入端电连接，NPN三极管的发射极与运算放大器正向相输入端电连接。

优选的，PN结器件包括PNP三极管，PNP三极管的集电极于运算放大器正相输入端电连接，PNP三极管的发射极与运算放大器反相输入端电连接，PNP三极管的基极与PNP三极管的集电极电连接。

优选的，还包括测试接口，测试接口包括正极接口和负极接口，正极接口串接于PN结器件和第二电阻之间，负极接口接地。

优选的，还包括开关器件、输出电阻及输出接口，开关器件的一端与放大电路的输出端电连接，开关器件的另一端与输出电阻串接后接地，输出接口电连接于开关器件和输出电阻之间。

优选的，开关器件包括PMOS管，PMOS管的G极与运算放大器的输出端电连接，PMOS管的S极与电源电连接，PMOS管的D极与输出电阻串接后接地。

优选的，还包括第一电阻和第二电阻，第一电阻串联在PN结器件和运算放大器的反相输入端之间，第二电阻串联在PN结器件和运算放大器的同相输入端之间。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供的一种跨阻抗对数放大电路，通过使用二极管或者三极管作为电流采集的器件，当采集电流流经二极管或者三极管时，根据二极管或者三极管中PN结的伏安特性曲线，可以得知当电流在较小时随着电流的增大电压变化较为明显，但电流较大时随着电流的增大电压变化较为平缓，电流和电压的关系成对数关系，实现了无论采集电流的跨度多大，运算放大器采集的电压信号的跨度都不会过大，均可被ADC识别采集；其中加入较小阻值的采样电阻串联与二极管或三极管共同起到电流采样的效果，对于三极管来说加入电阻的加入可以使其起到和二极管大致一样的效果，对于二极管来说通过小电阻的计入，可以适当提高大信号的增益，以弥补二极管对大信号响应的不足，整体而言小电阻的加入可以适当调整增益曲线，在总体上电流采样的效果是对数放大特性这一点是不变的，可以在小信号时提供高增益的对数放大特性，在大信号输入时提供接近于线性的放大特性。能够有效的保障大信号和小信号时的输出分辨率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型具体实施方式中提供的连接结构示意图；

图2为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路图一；

图3为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路图二；

图4为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路图三；

图5为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路图四；

图6为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路图五；

图7为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路图六；

图8为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路图七；

图9为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路图八；

图10为本实用新型具体实施方式中提供的跨阻抗对数放大电路的输出电压与输入电流关系图。

附图标识：1采样电路；11PN结器件；12第一电阻；13第二电阻；2放大电路；21运算放大器；22开关器件；3测试接口；31正极接口；32负极接口；4输出接口；5输出电阻。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

如图1所示，本实施例中提供的一种跨阻抗对数放大电路，包括：采样电路1和放大电路2；采样电路1用于采集输入电流信号并生成电压信号发送至放大电路2；放大电路2用于接收采样电路1的电压信号并进行放大输出；采样电路1的输出端与放大电路2的输入端电连接；采样电路1包括PN结器件11，PN结器件11的输入端与电源电连接，PN结器件11的输出端与放大电路2电连接；放大电路2包括运算放大器21，PN结器件11并联于运算放大器21的反相输入端和同相输入端之间；电源输入电流流经采样电路1，采样电路1生成对应的电压，放大电路2采集采样电路1两端的电压后生成输出电压。

还包括第一电阻12和第二电阻13，第一电阻12串联在PN结器11件和运算放大器21的反相输入端之间，第二电阻13串联在PN结器件11和运算放大器21的同相输入端之间。具体的，PN结器件11主要用于采集输入电流的作用，电流流经PN结器件11时生成电压，运算放大器21并联在采样电路上采集PN结器件11的电压信号，并进行放大输出，运算放大器21的反向输入端更接近电源，当有电流流过PN结器件11时，运算放大器21的同相输入端电压会低于反向输入端，这样集成运算放大器21的输出电压会降低，使得PMOS的导通程度通增大，直到第一电阻12上的压降与PN结器件11相等。

参考图2，PN结器件11包括二极管，二极管的正极与运算放大器21反相输入端电连接，二极管的负极与运算放大器21正向相输入端电连接。

参考图3，优选的，PN结器件11包括二极管和第三电阻，二极管与第三电阻串联，二极管的正极与运算放大器21反相输入端电连接，二极管的负极与运算放大器21正向相输入端电连接。具体的，第三电阻可以串联于二极管和运算放大器21正向相输入端之间，也可以是串联于二极管和运算放大器21反相输入端之间。

参考图4-9，所述PN结器件11包括NPN三极管，NPN三极管的集电极与运算放大器21反相输入端电连接，NPN三极管的集电极与NPN三极管的基极电连接，NPN三极管的发射极与运算放大器21正向相输入端电连接。

优选的，PN结器件11包括NPN三极管和第四电阻，NPN三极管与第四电阻串联，NPN三极管的集电极与运算放大器21反相输入端电连接，NPN三极管的发射极与运算放大器21正向相输入端电连接。

优选的，PN结器件11包括PNP三极管，PNP三极管的集电极于运算放大器21正相输入端电连接，PNP三极管的发射极与运算放大器21反相输入端电连接，PNP三极管的基极与PNP三极管的集电极电连接。

具体的，当采用三极管作为PN结器件11时根据NPN三极管和PNP三极管内部PN结的构成不同，采用不同的摆放方式，始终让三极管内的N极与运算放大器21的正相输入端电连接，P极与运算放大器21的反相输入端电连接，使三极管起到与二极管类似的效果，同样可以在三极管的前后不同位置串联的若干个小电阻，起到辅助的作用可以适当调整增益曲线的作用。

具体的，本申请采用二极管或者三极管组成PN结器件11的主要电流采样器，利用二极管或者三极管的伏安特性是成指数关系，使得流经PN结器件11的电流在较大的范围内波动时，二极管或者三极管两端的电压相对于电流为对数关系，即使电流在较大的范围内波动电压的增长幅度也不会过大，所以电压仍然保持在一定范围内，在二极管和三极管上串联的若干个小电阻，起到辅助的作用可以适当调整增益曲线，但是总体上表现出来的对数放大特性是不变的。

优选的，还包括测试接口3，测试接口3包括正极接口31和负极接口32，正极接口31串接于PN结器件11和第二电阻13之间，负极接口32接地。具体的，电源接到测量电路的VCC和GND上进行供电，然后通过测量电路的测试接口3给被测设备供电，比如要测量一个设备的工作电流，就把该设备的电池取下，把该设备的电池接口连接到测试接口3，即可对待测设备的运行状态进行测量。

优选的，还包括开关器件22、输出电阻5及输出接口4，开关器件22的一端与放大电路2的输出端电连接，开关器件22的另一端与输出电阻5串接后接地，输出接口4电连接于开关器件22和输出电阻5之间。具体的，输出接口4用于连接ADC等测试装置，用于检测待测设备，开关器件22主要用于接收放大电路2的输出信号，放大电路2的输出信号控制开关将放大电路2的输出信号传输至外部ADC等测试装置进行接收测试的效果。

优选的，开关器件22包括PMOS管，PMOS管的G极与运算放大器21的输出端电连接，PMOS管的S极与第二电阻12串接后与电源电连接，PMOS管的D极与输出电阻5串接后接地。

具体的，二极管(PN结)伏安特性方程为

其中U_T＝kT/q，k为玻尔兹曼常数，T为华氏温度，q为电子电量，Is为二极管反向饱和电流。

结合图10可见，本申请公开的放大电路2的输出电压Vout与输入电流之间为对数关系；

当被测电流较小时，Vout随着被测电流的增大快速增大，表现出较高的增益；

当被测电流较大时，Vout随着被测电流的增大缓慢增大，表现出较低的增益；

由此可使得在很大范围内变化时，输出Vout都能保持在合适的范围内，便于进行模数转换和数字处理，无需采用多个不同电压增益的运算放大器电路21或者增益切换控制电路分段处理，实现了无论采集电流的跨度多大，运算放大器21采集的电压信号的跨度都不会过大，均可被ADC识别采集的效果；具体的，本申请公开的跨阻抗对数放大电路，尤为适合对电池供电的小功率设备进行工作电流的动态实时测量，因为电池供电的设备功率较小、工作电压不高，并且对功耗控制的要求较高，需要更准确的测量。本申请公开的跨阻抗对数放大电路同样能非常好的进行契合嵌入式设备的功耗测试和驱动优化需求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于，包括：采样电路(1)和放大电路(2)；

所述采样电路(1)用于采集输入电流信号并生成电压信号发送至放大电路(2)；

所述放大电路(2)用于接收所述采样电路(1)的电压信号并进行放大输出；

所述采样电路(1)的输出端与所述放大电路(2)的输入端电连接；

所述采样电路(1)包括PN结器件(11)，所述PN结器件(11)的输入端与电源电连接，所述PN结器件(11)的输出端与所述放大电路(2)电连接；

所述放大电路(2)包括运算放大器(21)，所述PN结器件(11)并联于所述运算放大器(21)的反相输入端和同相输入端之间；

电源输入电流流经所述采样电路(1)，所述采样电路(1)生成对应的电压，所述放大电路(2)采集所述采样电路(1)两端的电压后生成输出电压。

2.如权利要求1所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：所述PN结器件(11)包括二极管，所述二极管的正极与所述运算放大器(21)反相输入端电连接，所述二极管的负极与所述运算放大器(21)正向相输入端电连接。

3.如权利要求1所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：所述PN结器件(11)包括二极管和第三电阻，所述二极管与所述第三电阻串联，所述二极管的正极与所述运算放大器(21)反相输入端电连接，所述二极管的负极与所述运算放大器(21)正向相输入端电连接。

4.如权利要求1所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：所述PN结器件(11)包括NPN三极管，所述NPN三极管的集电极与所述运算放大器(21)反相输入端电连接，所述NPN三极管的集电极与所述NPN三极管的基极电连接，所述NPN三极管的发射极与所述运算放大器(21)正向相输入端电连接。

5.如权利要求1所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：所述PN结器件(11)包括NPN三极管和第四电阻，所述NPN三极管与所述第四电阻串联，所述NPN三极管的集电极与所述运算放大器(21)反相输入端电连接，所述NPN三极管的发射极与所述运算放大器(21)正向相输入端电连接。

6.如权利要求1所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：所述PN结器件(11)包括PNP三极管，所述PNP三极管的集电极于所述运算放大器(21)正相输入端电连接，所述PNP三极管的发射极与所述运算放大器(21)反相输入端电连接，所述PNP三极管的基极与所述PNP三极管的集电极电连接。

7.如权利要求1-6任一所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：还包括测试接口(3)和第二电阻(13)，所述第二电阻(13)串联在所述PN结器件(11)和所述运算放大器(21)的同相输入端之间，所述测试接口(3)包括正极接口(31)和负极接口(32)，所述正极接口(31)串接于所述PN结器件(11)和所述第二电阻(13)之间，所述负极接口(32)接地。

8.如权利要求1-6任一所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：还包括开关器件(22)、输出电阻(5)及输出接口(4)，所述开关器件(22)的一端与所述放大电路(2)的输出端电连接，所述开关器件(22)的另一端与所述输出电阻(5)串接后接地，所述输出接口(4)电连接于所述开关器件(22)和所述输出电阻(5)之间。

9.如权利要求8所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：所述开关器件(22)包括PMOS管，所述PMOS管的G极与所述运算放大器(21)的输出端电连接，所述PMOS管的S极与电源电连接，所述PMOS管的D极与所述输出电阻(5)串接后接地。

10.如权利要求1所述的一种跨阻抗对数放大电路，其特征在于：还包括第一电阻(12)和第二电阻(13)，所述第一电阻(12)串联在所述PN结器件(11)和所述运算放大器(21)的反相输入端之间，所述第二电阻(13)串联在所述PN结器件(11)和所述运算放大器(21)的同相输入端之间。

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