ITMI972485A1

ITMI972485A1 - Circuito di rilevamento di corrente con elevata impedenza di ingresso

Info

Publication number: ITMI972485A1
Application number: IT002485A
Authority: IT
Inventors: Luca Bertolini
Original assignee: Sgs Thomson Microelectronics
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 1999-05-06
Also published as: EP0915346A2; US6072339A; EP0915346A3; IT1296072B1

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda un circuito di rilevamento di corrente con elevata impedenza di ingresso.

Più particolarmente, il trovato riguarda un circuito di rilevamento di una corrente tramite una tensione rilevata ai capi di un resistore, con riferimento ad una tensione di modalità comune arbitraria, come illustrato nella Fig. 1.

In tale figura è illustrato lo schema di principio del rilevamento della corrente sopra descritto, in cui la corrente da rilevare, indicata con Is, scorre attraverso un resistore Rs (ai cui capi è quindi definita una tensione Vi), mentre una tensione di modo comune Vcm è applicata ad un capo del resistore Rs, opposto all'estremità in cui fluisce la corrente Is da misurare.

La tensione rilevata ai capi del resistore Rs è quindi amplificata mediante un amplificatore operazionale 1 il cui guadagno differenziale è definito da Gd. Il guadagno dell'amplificatore dovrebbe in teoria essere costante in modo da amplificare con precisione la tensione rilevata e potrebbe in alcuni casi essere utilizzato per regolare l'amplificazione come desiderato .

La tensione di uscita dall'amplificatore operazionale 1, indicata con Vo, è quindi data dal prodotto della tensione di ingresso Vi per il guadagno differenziale Gd.

I requisiti di base del circuito illustrato nella Fig. 1 sono i seguenti:

-elevata impedenza ai morsetti del resistore Rs e quindi in ingresso all'amplificatore operazionale 1;

-guadagno differenziale Gd preciso ed insensibile a variazioni;

-tensione di uscita indipendente dalla tensione di modo comune Vcm, ossia si desidera un elevato rapporto di reiezione di modo comune (CMRR);

-intervallo di ingresso di ampia linearità;

-consumo minimo di area di silicio per implementazioni integrate. La Fig. 2 illustra una prima forma di realizzazione di tipo noto del circuito illustrato nella Fig. 1 in cui i terminali A e B indicano i punti di ingresso della tensione ai capi del resistore Rs, come analogamente illustrato nella Fig. 1.

La Fig. 3 illustra invece una seconda forma di realizzazione di tipo noto del circuito illustrato schematicamente nella Fig. 1.

In entrambe le figure sopra citate i guadagni di amplificazione sono determinati da rapporti tra resistor!, quattro nella Fig. 2 e sei nella Fig. 3. Inoltre, mentre nel circuito della Fig. 2 è impiegato un unico amplificatore operazionale 2, nel circuito della Fig. 3 sono impiegati tre amplificatori operazionali 3-5.

Dato che i guadagni dei circuiti delle figure 2 e 3 sono dati, come detto, dai rapporti dei resistor!, al fine di avere un’amplificazione accurata occorre che tali resistor! siano il più possibile uguali fra loro per non influenzare l'offset e il rapporto di reiezione di modo comune.

Inoltre, l'impedenza di ingresso del circuito della Fig. 2 è intrinsecamente bassa.

Per quanto riguarda invece il circuito della Fig. 3, l'inconveniente maggiore è dato dal fatto che risulta costoso a causa del numero di amplificatori operazionali necessari e inoltre l'occupazione di area di silicio non è trascurabile.

Compito precipuo del presente trovato è quindi quello di realizzare un circuito di rilevamento di corrente in cui la tensione di uscita sia indipendente dalla tensione di modo comune applicata tra un terminale del resistore attraverso cui scorrela corrente da misurare, e massa.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito di rilevamento di corrente che abbia un'elevata impedenza di ingresso.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito di rilevamento di corrente che consenta una misura precisa e con elevata ripetibilità.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito di rilevamento di corrente che occupi la minima area di silicio possibile, per implementazioni integrate.

Ancora un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un circuito di rilevamento di corrente in cui la tensione di riferimento impiegata nel circuito di amplificazione non sia necessariamente legata come valore al valore della tensione ai morsetti del resistore mediante il quale di rileva il flusso di corrente.

Non ultimo scopo del presente trovato e quello di realizzare un circuito di rilevamento della corrente che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi e altri scopi che meglio appariranno in seguito sono raggiunti da un circuito di rilevamento di corrente ad elevata impedenza di ingresso, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo amplificatore a transconduttanza collegato ai capi di un resistore attraverso il quale scorre una corrente da misurare, un amplificatore di tensione collegato in cascata a detto primo amplificatore a transconduttanza, ed un secondo amplificatore a transconduttanza collegato in retroazione tra l'uscita dell'amplificatore di tensione ed un nodo di massa virtuale di detto amplificatore di tensione, il rapporto tra la tensione di uscita dell'amplificatore di tensione e la tensione ai capi di detto resistore essendo in valore assoluto pari al rapporto delle transconduttanze di detto primo e secondo amplificatore a transconduttanza.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del circuito secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la Fig. 1 è uno schema circuitale di principio di un circuito di rilevamento della corrente che scorre in un resistore;

la Fig. 2 è una prima forma di realizzazione, di tipo noto, di un circuito di rilevamento della corrente, implementato in base allo schema della Fig. 1;

la Fig. 3 è una seconda forma di realizzazione, di tipo noto, del circuito di rilevamento della corrente, implementato in base allo schema della Fig. 1;

la Fig. 4 è uno schema circuitale del circuito di rilevamento della corrente realizzato secondo il presente trovato, in base allo schema della Fig. 1; e

la Fig. 5 è uno schema circuitale di una porzione del circuito illustrato nella Fig. 4, secondo il presente trovato.

Le figure da 1 a 3 non verranno più descritte in quanto precedentemente spiegate per illustrate le problematiche alla base del presente trovato.

Con riferimento quindi alle figure 4 e 5, il circuito di rilevamento della corrente secondo il presente trovato comprende un amplificatore operazionale 7 al cui nodo di ingresso al terminale invertente (nodo di massa virtuale C) è collegato un primo amplificatore a transconduttanza 8 collegato ai terminali A e B, ai capi del resistore Rs in cui scorre la corrente Is da misurare.

Al nodo di massa virtuale C dell'amplificatore operazionale 7 è altresì collegato un secondo amplificatore a transconduttanza 9 collegato in retroazione tra l'uscita dell'amplificatore operazionale 7 e tale nodo di massa virtuale C.

L'amplificatore a transconduttanza 8 trasforma la tensione Vi di ingresso rilevata ai capi del resistore Rs in una corrente li che viene immessa all 'amplificatore operazionale 7, unitamente ad una prima tensione di riferimento Vref.

La tensione di uscita Vo dall'amplificatore operazionale 7 viene immessa in retroazione al secondo amplificatore a transconduttanza 9, unitamente ad una seconda tensione di riferimento Vref.

La prima e la seconda tensione di riferimento possono essere scelte per comodità uguali fra loro, dato che all'interno di un medesimo circuito non risulta pratico avere due tensioni di riferimento differenti. Tuttavia, concettualmente nulla vieta che la prima e la seconda tensione di riferimento siano diverse fra loro.

La Fig. 5 illustra una possibile forma di realizzazione del primo e del secondo amplificatore a transconduttanza 8 e 9.

Un primo ed un secondo transistore MOS 10 e 11 sono rispettivamente collegati con i loro terminali di gate ai terminali A e B a cui è applicata la tensione Vi. I terminali di drain dei transistori 10 e 11 sono collegati a rispettivi transistori 12 e 13 collegati a diodo e con i terminali di source collegati a massa.

I terminali di source dei transistori MOS 10 e 11 sono polarizzati da un generatore di corrente 14 con in parallelo un resistore 15.

Eseguendo la somma delle correnti che entrano nel nodo di massa virtuale C dell'amplificatore di tensione 7 si ha la seguente equazione: li If = 0

dove li = gml * Vi

If = gm2 * Vo

dove gml e gm2 sono rispettivamente le transconduttanze del primo e del seconda amplificatore a transconduttanza 8 e 9.

II guadagno di amplificazione, G, è dato da:

G = Vo/Vi = -gml/gm2

La prima e la seconda tensione di riferimento Vref sono assolutamente arbitrarie e slegate dalla tensione Vi ai capi del resistore Rs. Tali tensioni di riferimento possono quindi essere ad esempio basse tensioni in confronto ad un’alta tensione che può essere presente ai capi di Rs.

L'unico vincolo è dato dalla compatibilità tra gli amplificatori a transconduttanza 8 e 9 e il guadagno delll'amplificatore di tensione 7.

Per quanto riguarda gli amplificatori a transconduttanza 8 e 9, i vantaggi di una loro implementazione con transistori MOS rispetto a transistori BJT sono dati dal fatto che i MOS hanno un'impedenza di ingresso il cui valore e quello massimo possibile, hanno un intervallo di linearità di ingresso ampio e inoltre comportano un’occupazione di area di silicio minore.

E' noto che una transistore MOS in zona di saturazione presenta una transconduttanza data da:

dove W è la larghezza del canale del MOS;

L è la lunghezza del canale;

Id è la corrente di drain del MOS;

K è il guadagno del MOS.

La medesima relazione vale per una coppia differenziale di transistori polarizzati a 2*Id, mediante il generatore di corrente 14, come illustrato nella Fig. 5.

Dato che il guadagno G del circuito, come visto in precedenza, è dato da un rapporto di transconduttanze, è possibile annullare il comportamento non lineare di tali transconduttanze, almeno per calcoli del primo ordine.

Inoltre, la dipendenza delle transconduttanze da una radice quadrata consente di allargare l'intervallo di linearità per una coppia differenziale di transistori MOS, come illustrato nella Fig. 5, nei confronti dell’impiego di analoghi transistori di tipo BJT.

Il rapporto di forma W/L dei transistori MOS può inoltre essere usato per ridurre il valore assoluto della transconduttanza (mediante un incremento di L), consentendo un ulteriore incremento dell'intervallo lineare della tensione di ingresso.

Infine, valori relativamente elevati W*L per la coppia differenziale di transistori MOS di ingresso consentono di ottenere tensioni di offset contenute .

Si è in pratica constatato come il circuito secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto consente di ottenere una misura della corrente Is che scorre in un resistere Rs, mediante misura della tensione Vi ai capi di tale resistore, in modo tale che la tensione di uscita misurata sia indipendente dalla tensione di modo comune applicata tra un terminale del resistore e massa.

Il circuito così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Così, ad esempio, i transistori MOS impiegati nella porzione circuitale illustrata nella Fig. 5 possono essere complementari rispetto a quelli illustrati in tale figura: ossia è possibile utilizzare transistori MOs di tipo P al posto dei transistori MOS di tipo N e viceversa.

Infine, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l’uso specifico, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigen-

ze e lo stato della tecnica

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Circuito di rilevamento di corrente ad elevata impedenza di ingresso, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo amplificatore a transconduttanza collegato ai capi di un resistore attraverso il quale scorre una corrente da misurare, un amplificatore di tensione collegato in cascata a detto primo amplificatore a transconduttanza, ed un secondo amplificatore a transconduttanza collegato in retroazione tra l'uscita dell'amplificatore di tensione ed un nodo di massa virtuale di detto amplificatore di tensione, il rapporto tra la tensione di uscita dell'amplificatore di tensione e la tensione ai capi di detto resistore essendo in valore assoluto pari al rapporto delle transconduttanze di detto primo e secondo amplificatore a transconduttanza.
2. Circuito di rilevamento di corrente secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto amplificatore di tensione riceve in ingresso ad un suo terminale non invertente una prima tensione di riferimento ed al suo nodo di massa virtuale confluiscono una corrente di uscita da detto primo amplificatore a transconduttanza e una corrente di retroazione in uscita da detto secondo amplificatore a transconduttanza.
3. Circuito di rilevamento di corrente secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto primo amplificatore a transconduttanza riceve ai suoi terminali di ingresso la tensione presente ai capi di detto resistore, per emettere detta corrente di uscita.
4. Circuito di rilevamento di corrente secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto secondo amplificatore a transconduttanza riceve in ingresso una seconda tensione di riferimento e detta tensione di uscita dell'amplificatore di tensione, per emettere detta corrente di retroazione .
5. Circuito di rilevamento di corrente secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detto primo e detto secondo amplificatore a transconduttanza comprende una prima coppia di transistori collegati a drain comune ed una seconda coppia di transistori collegati a drain comune, detta prima e seconda coppia di transistori essendo collegate tra una tensione di polarizzazione e massa.
6. Circuito di rilevamento di corrente secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta prima e seconda coppia di transistori comprendono ciascuna un transistore MOS di tipo N ed un transistore MOS di tipo P.
7 . Circuito di rilevamento di corrente secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una o più delle caratteristiche descritte e/o illustrate.