TW202202840A - 具有偏移校準的恆電位器 - Google Patents

Abstract

一種軌對軌恆電位器可能需要一偏移電流以支援在一工作電極處的一雙向工作電極電流。此偏移電流可改善由一雙斜率類比轉數位轉換器產生之該工作電極電流的測量，特別係當該工作電極電流係小的時候，但若其未經適當校準，亦可導致不準確（例如，由於溫度係數的緣故）。因此，揭示可採一正常組態來組態以用於一工作電極電流之測量或採一校準組態來組態以用於一偏移電流之測量（亦即，校準）的雙向恆電位器。該可重組態性允許依需要、按一排程、或依一使用者指定來進行校準。該可重組態性亦可允許在校準期間維持一工作電極電壓及一工作電極電流，使得使用耦接至該雙向恆電位器的一電池的一電化學實驗不受該校準影響。

Description

具有偏移校準的恆電位器

本揭露係關於用於電化學儀器的電子產品，且更具體地係關於具有偏移校準電路的雙向恆電位器。

化學實驗可使用經組態以基於化學反應產生電信號（例如，電流）的電化學電池（亦即，電池）。電池的工作電極可耦接至恆電位器電路（亦即，恆電位器）。恆電位器經組態以(i)設定/維持工作電極上的電壓，及(ii)測量在工作電極流入或流出電池的工作電極電流(iwe)。在一些應用（例如，葡萄糖感測）中，工作電極電流可在可能難以準確地感測的皮安培(pA)等級上。此困難的一個原因係起因於加至工作電極電流以改善用於測量工作電極電流之感測器之線性及允許工作電極電流之雙向測量的偏移電流。在不使用校準的情況下，偏移電流上的變化可對應於工作電極電流之感測上的誤差。

在至少一個態樣中，本揭露通常描述一種用於測量一工作電極電流的方法。該方法包括使用耦接至一工作電極的一恆電位器產生一第一輸出電流。該第一輸出電流包括一工作電極電流分量及一偏移電流分量。該方法進一步包括將該第一輸出電流轉換成一第一數位字組，及使用儲存在一記憶體中的一校準因數修改該第一數位字組以獲得該工作電極電流的一測量。該方法進一步包括偵測一校準事件。該方法進一步包括執行一校準。執行該校準包括重組態該恆電位器以用於校準。該校準進一步包括使用該經重組態恆電位器產生一第二輸出電流。該第二輸出電流包括該偏移電流分量，且不包括該工作電極電流。該校準進一步包括將該第二輸出電流轉換成一第二數位工作，並根據該第二數位字組建立/更新儲存在該記憶體中的該校準因數。

在另一態樣中，本揭露通常描述一種可採一正常組態或一校準組態來組態的雙向恆電位器。該雙向恆電位器包括一前端部分，該前端部分包括耦接至一工作電極的一第一回授放大器及不耦接至該工作電極的一複製回授放大器。在該正常組態中，該第一回授放大器耦接至一感測及數位化部分（亦即，感測/數位化部分），且該複製回授放大器與該感測/數位化部分解耦接。在該校準組態中，該第一回授放大器與該感測/數位化部分解耦接，且該複製回授放大器耦接至該傳送/數位化部分。

在一可能實施方案中，該雙向恆電位器包括一電流輸送器部分，該電流輸送器部分耦接在該前端部分與該感測及數位化部分之間。該電流輸送器部分可包括一第一電流鏡及一第二電流鏡。該第一電流鏡及該第二電流鏡可係疊接電流鏡及/或其等可各包括一截波器。

在另一態樣中，本揭露通常描述一種電池測量系統。該電池測量包括一電化學電池，該電化學電池具有一工作電極及一雙向恆電位器。該雙向恆電位器經組態成一正常組態或一校準組態。該雙向恆電位器包括一前端部分，該前端部分包括耦接至該工作電極的一第一回授放大器及不耦接至該工作電極的一複製回授放大器。在該正常組態中，該前端部分的該第一回授放大器耦接至一感測/數位化部分，且該前端部分的該複製回授放大器與該感測/數位化部分解耦接。在該校準組態中，該前端部分的該第一回授放大器與該感測/數位化部分解耦接，且該前端部分的該複製回授放大器耦接至該感測/數位化部分。該雙向恆電位器進一步包括一偏移部分，該偏移部分包括一偏移電流源及一複製偏移電流源。在該正常組態中，該偏移電流源耦接至該工作電極及該第一回授放大器，且該複製偏移電流源耦接至該複製回授放大器。在該校準組態中，該偏移電流源耦接至該複製回授放大器，且該複製偏移電流源耦接至該工作電極及該第一回授放大器。該雙向恆電位器進一步包括一電流輸送器部分，該電流輸送器部分耦接在該前端部分與該感測/數位化部分之間。該電流輸送器部分包括一第一電流鏡及一第二電流鏡。

在該電池測量系統的一可能實施方案中，該雙向恆電位器的該感測/數位化部分包括一雙斜率類比轉數位轉換器。

前述的說明性發明內容、及本揭露的其他範例目的及/或優點、以及達成其之方式係進一步解釋於下述實施方式及其隨附圖式。

[相關申請案之交互參照]

本申請案主張於2020年9月17日申請之美國專利申請案第16/948,409號之優先權，其主張於2020年2月21日申請之美國臨時專利申請案第62/979,692號之優先權。

揭示接受廣範圍（亦即，軌對軌）設定電壓並提供雙向工作電極電流之測量的恆電位器。恆電位器包括提供偏移電流之校準及取消的電路及方法，以改善經測量工作電極電流的準確度而無需對操作中的電池測量系統作任何改變。所揭示的電路及方法可有利地降低藉由恆電位器之測量的溫度漂移及工作電極電壓相依性。根據所揭示之方法之恆電位器的校準可能不會顯著地影響或中斷恆電位器的功能。所揭示的電路及方法可係有成本及時間效率的，因為其等不需要精密電路或冗長的校準時間。

圖1係根據本揭露的一實施方案之電池測量系統的方塊圖。電池測量系統100包括耦接至電池101之工作電極(we)的恆電位器110。恆電位器110經組態以根據在至恆電位器之輸入接收的設定電壓(vdac)設定工作電極電壓。額外地，恆電位器110經組態以在恆電位器的輸出提供工作電極電流(iwe)的測量。例如，該測量可係對應於工作電極電流的數位信號([iwe])。

恆電位器110可不同地實作。具有低功率及小晶粒面積要求之恆電位器的一個可能實施方案包括電流輸送器部分130。電流輸送器部分130允許電池101與感測及數位化部分（亦即，感測/數位化部分140）的感測及數位化電路系統電解耦接，使得工作電極電流不會顯著地為其測量所影響。電流輸送器部分130可包括一或多個電流鏡。一或多個電流鏡之各者可不同地實作以改善性能。例如，一或多個電流鏡可以疊接拓撲(cascode topology)實作，以降低電晶體中導因於製程之變化而不對複製電流之準確度影響。額外地，一或多個電流鏡可包括截波器電路以降低雜訊。

恆電位器110亦可包括耦接於電池101與電流輸送器部分130之間的前端電路系統（亦即，前端部分120）。圖2A係包括根據本揭露的一可能實施方案之恆電位器之前端部分的示意圖。如圖所示，前端部分220耦接至電池201的工作電極(we)，該電池具有至少一工作電極(we)及一參考電極(re)。前端部分220可包括放大器(A1)及電晶體(MPG)，該放大器及電晶體經組態以設定等於設定電壓(vdac)的工作電極電壓(vwe)並傳導工作電極電流(iwe)。

圖1之恆電位器110進一步包括經組態以感測從電流輸送器部分130接收之電流並數位化該經感測電流的電路系統（亦即，感測/數位化部分140）。感測/數位化部分140可耦接至偏移部分。如將討論的，偏移部分可幫助改善感測的線性並提供雙向操作。在允許雙向測量的同時，偏移電流可影響感測/數位化結果並可使恆電位器的溫度穩定性退化。

圖2A所示的電路組態支援在進入電池201之方向上（亦即，離開恆電位器）的工作電極電流。換言之，圖2A所示的電路組態支援由電池流入的工作電極電流（亦即，+iwe）。圖2A所示的組態不支援在離開電池之方向上（亦即，進入恆電位器）的工作電極電流。換言之，圖2A所示的電路組態支援由電池流出的工作電極電流（亦即，-iwe）。

圖2B係包括偏移電流源(ioff)以促進由電池流出之工作電極電流（亦即，-iwe）之測量之圖2A之恆電位器之前端部分的示意圖。換言之，偏移電流可提供用於流出電流以在恆電位器中流動的路徑。因此，圖1的恆電位器110可包括偏移部分150以支援雙向工作電極電流（亦即，±iwe）。換言之，圖1所示的恆電位器110可係雙向的。

圖3A係根據本揭露的一實施方案之恆電位器的示意方塊圖。恆電位器300包括偏移部分150，以提供工作電極電流(iwe)的雙向測量。前端部分120係藉由第一回授放大器321組態以在工作電極(we)調節設定電壓(vdac)。電流輸送器部分130的第一電流鏡331經組態以提供來自偏壓電流(ibias)的參考電流(ir)而不消耗（亦即，下降）上軌電壓(vdd)的顯著部分。因此，耦接至第一前端電晶體(MPG)的輸入節點335可大致在上軌電壓(vdd)。結果，設定電壓(vdac)可在實質跨越從恆電位器的下軌（例如，接地電壓）至恆電位器的上軌（亦即，vdd）之電壓範圍的範圍中。當恆電位器的軌對軌電壓係小的時候，此態樣可係特別有利的，在該情形中，藉由裝置的顯著電壓降可限制可由恆電位器施加之工作電極電壓的範圍。圖3A的恆電位器可在設定電壓範圍中避免此限制，且因此可稱為軌對軌恆電位器。

第一電流鏡進一步經組態以產生如以下方程式所示的取消參考電流(irc)。 irc = ir     (1)

電流輸送器部分130可包括第二電流鏡332。第二電流鏡332經組態以產生係第一電流(i1)之副本的第二電流(i2)，其中第一電流(i1)係由以下方程式給定。 i2 = i1 = ir - (ioff± iwe)    (2)

因此，在輸出節點336，輸出電流(iout)可由以下方程式給定。 iout = irc – i2 = ioff ± iwe (3)

換言之，輸出電流(iout)係與偏移電流組合的工作電極電流（亦即，和、差）。將輸出電流接收成至感測/數位化部分140的輸入。感測/數位化部分140經組態以產生對應於工作電極電流的數位信號([iwe])。

在一可能實施方案中，感測/數位化部分140係類比轉數位轉換器（亦即，ADC），諸如雙斜率ADC。在本揭露中，將考慮時控雙斜率ADC。時控雙斜率ADC 341經組態以充電及放電電容器。電容器可用輸出電流(iout)充電並用對應於ADC電流及輸出電流的電流（例如，iadc-iout）放電。ADC電流可由包括在偏移部分150中的電流複製器（例如，電流鏡）351產生。電流複製器351可經組態以從ADC-參考電流（未圖示）產生ADC電流（及偏移電流(ioff)）。該等電流的產生可經組態使得ADC電流係偏移電流(ioff)的重複或縮放版本。

偏移電流可根據環境（例如，溫度）或電路參數（例如，設定電壓）上的變化而改變或漂移。額外地，由電流複製器351產生的ADC電流可能不以與偏移電流完全相同的方式改變或漂移。低溫度相依性可能需要ADC電流具有非常低的溫度係數。iadc與ioff之間的任何失配可導致與工作電極電流之測量關聯的高溫度係數。

產生工作電極電流的數位化版本（亦即，[iwe]）可能需要移除（例如，減去）偏移電流(ioff)。然而，可能需要偏移電流(ioff)的準確值。例如，偏移電流可遠大於工作電極電流。因此，偏移電流中的小變化可影響工作電極電流的準確度。然而，因為偏移可改善時控雙斜率ADC的性能（例如，線性），從iout移除偏移電流（亦即，在數位化之前）可能係非所欲的。為了至少此原因，作為工作電極電流之判定中的校準步驟，測量ioff並在數位化後移除經校準ioff可係所欲的。因此，恆電位器300包括偏移校準電路系統以測量偏移電流。

恆電位器300包括校準電路系統。校準電路系統可包括在前端部分120中及在偏移部分150中。例如，前端部分120可包括用於校準的複製回授放大器322。複製回授放大器322可包括與第一回授放大器321的第一放大器(A1)實質相同的複製放大器(Arep)。複製回授放大器322可包括與第一回授放大器321的第一電晶體(MPG)實質相同的複製電晶體(MPG_rep)。偏移部分150可包括電流複製器351之用於校準的部分。例如，電流複製器351可包括部分352，以產生實質等於偏移電流的複製偏移電流(ioff_rep)。

圖3A的恆電位器係採用於正常操作（亦即，iwe測量）的組態。當針對正常操作（亦即，正常組態、正常模式）組態時，前端部分120及偏移部分150的校準電路系統不影響恆電位器的輸出（亦即，vwe、iwe）。複製電晶體(MPG_rep)連結至恆電位器的上軌(vdd)及複製偏移電流源353。校準電路系統未耦接至電流輸送器部分130或感測/數位化部分140。在一些實施方案中，校準電路系統可在正常模式期間禁用以降低電力消耗。

圖3B係根據本揭露的一實施方案之採用於校準之組態（亦即，校準組態、校準模式）之恆電位器300的示意方塊圖。在校準組態中，前端部分120的複製回授放大器322及連結至電流輸入（節點）335並連結至電流複製器351的偏移電流源354。結果，由感測/數位化部分140測量的輸出電流(iout)僅包括偏移電流（亦即，iout=ioff）。

在校準組態中，工作電極電流(iwe)係由第一回授放大器321維持，該第一回授放大器連結至上軌電壓(vdd)並連結至電流複製器351的複製偏移電流源353。結果，對應於ioff的數位信號（亦即，[ioff]）可由時控雙斜率ADC 341產生，而工作電極電壓及工作電極電流在緊接在移動至校準組態前的正常組態中未顯著地從其等值改變。換言之，工作電極電流及電壓未（顯著地）由校準中斷及改變。

偏移電流的校準可週期性地執行（例如，按排程）或依需要執行（例如，使用者選擇、環境及/或信號上的變化）。正常組態與校準組態之間的變化（且反之亦然）可使用開關及控制信號達成。控制信號可由使用者或事件觸發。例如，工作電極電壓上之高於臨限的變化或溫度變化可觸發開關信號，以將恆電位器從正常組態重組態成校準組態。然後可執行校準（例如，以獲得/儲存對應於經測量偏移的校準因數）。在校準完成後，開關信號可觸發恆電位器中的開關，以將恆電位器從校準組態（圖3B）重組態回正常組態（圖3A）。

圖4係根據本揭露的一實施方案之時控雙斜率ADC的示意方塊圖。時控雙斜率ADC藉由同步地充電及放電（例如，使用時脈信號(clk)）電容器C而操作。電容器係以電流輸送器輸出電流iout從初始電壓充電），直到橫跨電容器的電壓(vcap)與已知（例如，輸入）參考電壓位準(vref)交叉為止。在次一時脈循環，電容器使用已知電流（亦即，adc電流(iadc)）放電。充電及放電程序重複達給定積分時間(nt x tclk)。因為電容器上的電壓等於其充電/放電電流在時間上的積分，且因為所充電的電壓等於所放電的電壓，可顯示電流輸送器輸出電流(iout)相關於已知電流(iadc)、經測量充電時間(Tchrg)、及已知放電時間(Tdischrg)，如以下方程式所示。 iout = (iadc-iout)·(Tdischrg)/(Tchrg)  (4)

因此，時控雙斜率ADC 341包括電容器(C)，並可包括用於將電容器組態成充電或放電的複數個開關（S1、S2）。例如，當第二開關(S2)切斷（亦即，斷開）時，電容器上的電壓(vcap)使用輸出電流(iout)斜昇。在第二開關切斷（亦即，斷開）的同時，第一開關(S1)可經組態成導通（亦即，閉合），以保持ADC-參考電流(iadc)流動，以在充電與放電事件之間的轉變期間防止延遲或過衝。當第二開關(S2)導通（亦即，閉合）且第一開關(S1)切斷（亦即，斷開）時，電容器上的電壓(vcap)使用ADC（亦即，參考）電流(iadc)線性地減少（例如，達已知持續時間）。該程序接著重複達給定積分時間(nt x tclk)。

充電與放電之間的轉變可基於電容器電壓vcap對參考電壓vref的盛裝。因此，時控雙斜率ADC 341可進一步包括：經組態以比較vcap與vref.的比較器410；及數位邏輯（例如，鎖存器、正反器、邏輯閘等），以輸出開關信號（ph1、ph2）至個別開關以在vcap到達vref後組態放電。

時控雙斜率ADC 341可進一步包括計數器430，該計數器可經組態以計數時脈(clk)循環，同時充電電容器(C)以判定與經測量充電時間有關的數位值(n1)。

在一些實施方案中，時控雙斜率ADC 341可進一步包括第三開關S3。為在校準期間擷取恆電位器的增益，可將開關en_iadc_tp導通（例如，藉由信號，en_iadc_tp）以將ADC-參考電流(iadc)路由至輸出墊420。接著在可測量及儲存ADC-參考電流(iadc)的該點，可修整ADC-參考電流(iadc)以調整（例如，最佳化）溫度係數。ADC-參考電流(iadc)的經測量值代表恆電位器的增益。

圖5繪示與時控雙斜率ADC關聯之第一信號(vcap)的一部分。如圖所示，電容器上的電壓(vcap)在充電時間期間線性地增加。累積時脈循環在給定充電週期（亦即，i）期間的數目（亦即，n2_(i) ）。一旦電容器上的電壓(vcap)達到參考電壓(vref)，放電程序在vref之交叉後的次一時脈邊緣（例如，上昇邊緣）開始。以n1_(i) 表示時脈循環在給定放電週期（亦即，i）期間的數目。時脈循環在獲取時間(nt)期間的總數係所有充電及放電週期之n1_(i) 及n2_(i) 的總和（亦即，

）。如圖4所示，在充電周期期間，充電電容器的電流係iout，且在放電週期期間，放電電容器的電流係ADC-參考電流(iadc)與輸出電流(iout)之間的差（亦即，iadc-iout）。

恆電位器可採正常組態或採校準組態來組態。在正常組態中，iout可等於工作電極電流分量(iwe)及偏移電流分量(ioff)的總和。在校準組態中，iout可僅等於偏移電流分量(ioff)。

可使ADC-參考電流大於輸出電流（亦即，iadc ＞ iout），並可調整以放電電容器。在獲取時間期間，將電容器重複地充電及放電。對於

的獲取時間，橫跨電容器的電壓具有vref的平均值（亦即，電壓參考）。此可藉由在充電時間期間發展的總電壓（亦即，

）等於在放電時間期間發展的總電壓（亦即，

）轉化。基於此，可將其顯示成： iwe = (n1/nt)iadc – ioff     (5)

因為偏移電流(ioff)在充電及放電期間為橫跨電容器的電壓提供其繼而改善線性之可比的轉換率，其可對時控雙斜率ADC有用。所以，雖然對時控雙斜率ADC有用，偏移電流可影響工作電極電流的測量（例如，準確度）。例如，若偏移電流及ADC-參考電流隨溫度不同地漂移（亦即，具有不同的溫度係數），工作電極電流的測量可似乎具有非常高的溫度係數。因此，校準偏移電流可允許時控雙斜率ADC利用偏移電流的利益（亦即，線性）而沒有測量準確度降低的缺點。

圖6繪示根據本揭露的一實施方案的雙向恆電位器。雙向恆電位器600包括內建偏移校準（亦即，取消）電路。換言之，雙向恆電位器包括前端部分620，該前端部分可經組態用於正常（亦即，預設）操作或用於校準操作。前端部分包括第一回授放大器及第二（亦即，複製）回授放大器，該第二回授放大器可替代地耦接至電流輸送器部分630。

雙向恆電位器600進一步包括時控雙斜率ADC 640，該時控雙斜率ADC經組態以將流過工作電極(WE)的電流（亦即，在任一方向上）轉換成數位字組（例如，n1）。雙向恆電位器600可進一步經組態以使用儲存在記憶體中的校準因數修改數位工作，以獲得工作電極電流的測量。

雙向恆電位器600的電流輸送器部分630包括由電晶體MP1、MP2、MP1C、及MP2C形成的第一疊接電流鏡。第一疊接電流鏡包括耦接在第一疊接電流鏡的PMOS電晶體MP1及MP2與PMOS電晶體MPC1及MPC2之間的第一截波器（亦即，Chop1）。第一截波器(Chop1)係由時脈信號(f1)組態以交替地將(i) MP1的汲極耦接至MP1C的源極及至MP2C的源極，及將(ii) MP2的汲極耦接至MPC1的源極及MP2C的源極。第一截波器(Chop1)經組態以抑制（例如，消除）與第一疊接電流鏡組態關聯的失配（例如，隨機失配）。

第一疊接電流鏡進一步包括在反相輸入耦接至MPG之源極端子及MP1之汲極端子及在非反相輸入耦接至MP2之汲極端子的放大器(A2)。放大器(A2)經組態以將在MP1之汲極的電壓維持成等於在MP2之汲極的電壓，與流經電晶體MP1C之取決於工作電極電流iwe之值的電流(i1)的值無關。因此，放大器(A2)藉由保持MP1及MP2的源極至汲極電壓相等而減少其等的系統性失配（例如，導因於通道長度調節）。

雙向恆電位器600進一步包括由電晶體MN1、MN2、MNC1、及MNC2形成的第二疊接電流鏡。第二疊接電流鏡包括由係第一時脈信號二倍（亦即，2·f1）的第二時脈信號(f2)驅動的第二截波器(Chop2)。

雙向恆電位器600進一步包括偏移部分650，該偏移部分包括由MN3、MN4、MN3C、及MN4C形成之經組態以產生偏移電流ioff及ADC-參考電流iadc的第三疊接電流鏡（亦即，電流源）。第三疊接電流源包括第三放大器(A3)，該第三放大器經組態以提昇偏移電流源的輸出阻抗（由於ioff連接至WE且WE電壓可改變）及降低ioff與iadc之間的系統性失配。

故意使用偏移電流ioff以允許恆電位器轉換在二個方向（雙向）上流過WE的電流，且亦改善數位轉換（亦即，轉換）的線性，且因此降低增益誤差，特別係當WE電流(iwe)與ADC-參考電流(iadc)相比係低時。如圖6所示，輸出電流(iout)可由以下方程式表示，假定工作電極正從工作電極流動至電化學電池。 iout = ioff + iwe   (6)

雙向恆電位器600包括時控雙斜率ADC，該時控雙斜率ADC經組態以將輸出電流(iout)轉換成數位字組(n1)。圖7係圖6之時控雙斜率ADC 640的時序圖。如時序圖所示，在相位ph2（亦即，ph2 =高）期間，電容器以電流iadc-iout放電，而在相位ph1（亦即，ph1 =高）期間，電容器係以電流iout充電。針對給定獲取時間（亦即，nt·Tclk），在充電及放電時間期間發展的電壓相同，其導致以下方程式。 n1(iadc-iout)·Tclk = n2·iout·Tclk   (7)

可操縱方程式(7)及方程式(6)以獲得工作電極電流的方程式，如以下方程式所示。 iwe = (n1/nt)·iadc – ioff    (8)

如以上方程式所示，iwe的轉換包括ADC-參考電流(iadc)及偏移電流(ioff)，該等電流分別對應於恆電位器的增益/斜率及偏移。為達成具有非常低的溫度漂移之iwe的準確測量，電流iadc及ioff二者必須具有非常低的溫度係數。Iadc與ioff之間的失配可導致具有相反溫度係數的電流。因此，在不使用校準的情況下，iwe的溫度係數可顯著地高。除了失配效應外，ioff的有限輸出阻抗可導致顯著的電流變化以及關於所施加之WE電壓的溫度係數變化，其在軌對軌恆電位器的情形中係重要的。圖6之恆電位器包括校準電路以減輕此等效應。

雙向恆電位器的校準電路包括回授放大器的複製品（Arep及MPG_rep）、由電晶體MN3_rep及MNC3_rep形成之偏移電流的複製品、及開關s0、s0b、s1、s1b、s2、s2b、及en_idac_tp。

為擷取（亦即，測量）恆電位器的增益，將開關en_iadc_tp導通。此將ADC-參考電流(iadc)路由至輸出墊641，以將其與時控雙斜率ADC 640隔離。接著可將ADC-參考電流iadc修剪至其最佳溫度係數，測量該ADC-參考電流並儲存之。ADC-參考電流(iadc)的經測量值代表恆電位器的增益（見方程式(8)）。

偏移電流(ioff)可取決於雙向恆電位器的溫度並取決於WE電壓。雙向恆電位器600可經組態以測量（亦即，校準）並移除偏移電流以降低此等相依性的效應。圖6的經實作校準電路可校準偏移電流，同時保持恆電位器的主功能性（亦即，設定WE上的電壓並保持流過其的電流）。事實上，回授放大器（A、MPG）之傳送閘電晶體(MPG)的源極可經由開關s02b從MP1的汲極斷開（亦即，s02b設定成切斷），並透過開關s02連接至供應電壓。複製回授放大器MPG_rep的源極最初連接至供應電壓。由電晶體MN3_rep及MN3C_rep形成之偏移電流的複製品ioff_rep及偏移電流ioff分別經由開關s1及s1b從電晶體MPG_rep的汲極及MPG的汲極切換。接著通過開關s0b將MPG_rep的源極連接至MP1的汲極。在此情形中，輸出電流(iout)等於偏移電流ioff，且時控雙斜率ADC經組態以根據以下方程式僅轉換偏移電流。 ioff = (noff/nt)·iadc  (9)

可儲存值noff並用以取消偏移電流在經測量工作電極電流上的效應。

一旦將偏移電流抽出，傳送閘電晶體MPG_rep的源極可經由開關s0及s0b從MP1的汲極斷開並連接回供應電壓。偏移電流複製品ioff_rep及偏移電流ioff分別經由開關s1及s1b從電晶體MPG的汲極及MPG_rep的汲極切換。接著將MPG的源極從供應電壓斷開，然後通過開關s2b連接至MP1的汲極。在電流偏移抽出後，時控雙斜率ADC轉換由以下方程式給定。 iwe = [(nwe – noff)/(nt)]·iadc    (10)

所揭示之電路及技術可具有複數個利益。一個利益係內建的自電流偏移取消可移除偏移電流在WE電流轉換上的效應，且因此顯著地降低溫度漂移及WE電壓相依性。另一利益係內建的自電流偏移取消可不影響及/或中斷恆電位器的主功能性，因為偏移電流係在設定WE電壓且電流正在流過其時轉換（亦即，校準）的。另一利益係可能不需要專用電路以產生涵蓋用於校準之測量範圍的高精準參考電流。另一利益可係相較於另一方法（例如，最適方法），降低用於校準的時間（亦即，校準時間）。

圖8繪示根據本揭露的一實施方案之用於測量工作電極電流之方法的流程圖。在方法800中，使用雙向恆電位器（亦即，在正常組態中）在第一時間產生810輸出電流(iout)（亦即，第一輸出電流）。第一輸出電流隨工作電極電流(iwe)及偏移電流(ioff)而變動。第一輸出電流接著（例如，藉由時控雙斜率ADC）轉換820成第一數位字組。接著使用對應於偏移電流之測量的校準因數修改830數位字組。該修改可將偏移電流從數位字組移除，使得輸出890（亦即，來自恆電位器）的係工作電極電流(iwe)的測量。然而，若偵測840到校準事件，則可建立或更新880校準因數。校準事件可由各種來源觸發。例如，校準事件可係由操作狀況（例如，溫度、工作電極電壓等）上的變化所觸發的事件、由時程（例如，計時器在一期間後期滿）所觸發的事件、或由使用者（例如，使用者輸入）所觸發的事件。若偵測840到校準事件，則雙向恆電位器可重組態850以用於（偏移電流）校準而不顯著地影響工作電極電壓或工作電極電流。然後，使用經重組態恆電位器（亦即，採校準組態的恆電位器），產生860隨偏移電流（亦即，不包括工作電極電流分量）而變動的第二輸出電流。然後將第二輸出電流轉換870成表示對應於偏移電流之校準因數（亦即，偏移電流的校準因數）的第二數位字組。接著可使用第二數位字組更新880儲存在記憶體中的校準因數。替代地，在偏移電流的第一校準中，可將校準因數加至記憶體。在任一情形中，校準因數可從記憶體中檢索，並在輸出890工作電極電流（沒有偏移電流分量）之測量時用於修改830第一數位字組。

在說明書及/或圖式中，已揭示典型的實施例。本揭露不限於此類例示性實施例。用語「及/或(and/or)」之使用包括相關聯之所列項目之一或多者的任何或全部組合。圖式係示意代表圖，且因此非必然按比例繪製。除非另有說明，否則特定用語已採一般性及描述性意義來使用，而非出於限制之目的來使用。

除非另有定義，本文中使用之所有技術及科學用語具有所屬技術領域中具有通常知識者所通常瞭解的相同意義。類似或等效於本文中所述的方法及材料可用於本揭露之實施或測試中。如本說明書中及隨附申請專利範圍中所使用者，除非內文另有明確指示，否則單數形式「一(a/an)」、「該(the)」包括複數的指稱物。本文中所用之用語「包含(comprising)」及其變化詞係與用語「包括(including)」及其變化詞同義地使用，且為非限制性的開放用語。本文中所用之用語「可選的(optional)」或「可選地(optionally)」意指可發生或可不發生隨後描述的特徵、情形、或情況，及意指該描述包括發生和未發生該特徵、情形、或情況的案例。範圍在本文中可表示成從「約」一個特定值及/或至「約」另一特定值。當表示此範圍時，一態樣包括從該一特定值及/或至該另一特定值。類似地，使用前述之「約」來將值表示為近似值時，應理解該特定值會形成另一態樣。應進一步理解的是，該等範圍之各者的端點係顯著相對於另一端點，且又顯著獨立於另一端點。

一些實施方案可使用各種半導體處理及/或封裝技術來實作。一些實施方案可使用與半導體基材相關聯的各種類型半導體處理技術來實作，包括但不限於例如矽(Si)、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)、及/或等等。

雖然所描述之實施方案的某些特徵已如本文所描述而說明，但所屬技術領域中具有通常知識者現將想到許多修改、替換、改變及均等物。因此，應當理解，隨附申請專利範圍旨在涵蓋落於實施方案範圍內的所有此類修改及改變。應當理解，其等僅以實例（非限制）方式呈現，並且可進行各種形式及細節改變。本文所描述之設備及/或方法之任何部分可以任何組合進行組合，除了互斥組合之外。本文所描述之實施方案可包括所描述之不同實施方案之功能、組件及/或特徵的各種組合及/或子組合。

100:電池測量系統 101:電池 110:恆電位器 120:前端部分 130:電流輸送器部分 140:感測/數位化部分 150:偏移部分 201:電池 220:前端部分 300:恆電位器 321:第一回授放大器 322:複製回授放大器 331:第一電流鏡 332:第二電流鏡 335:輸入節點 336:輸出節點 341:時控雙斜率ADC 351:電流複製器 352:部分 353:複製偏移電流源 354:偏移電流源 410:比較器 420:輸出墊 430:計數器 600:雙向恆電位器 620:前端部分 630:電流輸送器部分 640:時控雙斜率ADC 641:輸出墊 650:偏移部分 800:方法 810:產生 820:轉換 830:修改 840:偵測 850:重組態 860:產生 870:轉換 880:建立或更新 890:輸出 [ioff]:數位信號 [iwe]:數位信號 A:回授放大器 A1:放大器 A2:放大器 A3:第三放大器 Arep:複製放大器/回授放大器的複製品 C:電容器 Chop1:第一截波器 Chop2:第二截波器 clk:時脈/時脈信號 en_iadc_tp:開關 f1:第一時脈信號 f2:第二時脈信號 i1:第一電流/電流 i2:第二電流 iadc:adc電流/電流/ADC-參考電流 iadc-iout:電流 ibias:偏壓電流 ioff:偏移電流源/偏移電流 ioff_rep:複製偏移電流/偏移電流的複製品/偏移電流複製品 iout:輸出電流 ir:參考電流 irc:取消參考電流 iwe:工作電極電流 MN1:電晶體 MN2:電晶體 MN3_rep:電晶體 MN3C_rep:電晶體 MP1:電晶體 MP1C:電晶體 MP2:電晶體 MP2C:電晶體 MPG:電晶體/回授放大器 MPG_rep:複製電晶體/回授放大器的複製品/複製回授放大器/閘電晶體 n1:數位值 nt:獲取時間 ph1:開關信號/相位 ph2:開關信號/相位 re:參考電極 s0:開關 s0b:開關 S1:開關/第一開關 s1:開關 s1b:開關 S2:開關/第二開關 s2:開關 s2b:開關 S3:第三開關 vcap:電壓 vdac:設定電壓 vdd:上軌電壓/上軌 vref:參考電壓位準/參考電壓 vwe:工作電極電壓/輸出 WE:工作電極 we:工作電極

［圖1］係根據本揭露的一實施方案之電池測量系統的方塊圖。

［圖2A］係包括根據本揭露的一可能實施方案之恆電位器之前端部分並繪示由電池流入之工作電極電流的示意圖。

［圖2B］係包括偏移電流源以促進由電池流出之工作電極電流之測量之圖2A之恆電位器之前端部分的示意圖。

［圖3A］係根據本揭露的一實施方案之採用於正常操作之組態之恆電位器的示意方塊圖。

［圖3B］係根據本揭露的一實施方案之採用於校準操作之組態之圖3A之恆電位器的示意方塊圖。

［圖4］係根據本揭露的一實施方案之時控雙斜率類比轉數位轉換器(analog-to-digital converter, ADC)的示意方塊圖。

［圖5］繪示與時控雙斜率ADC關聯之信號的一部分。

［圖6］繪示根據本揭露的一實施方案之具有偏移校準的雙向恆電位器。

［圖7］繪示根據本揭露的一實施方案之與圖6之雙向恆電位器關聯之信號的時序圖。

［圖8］繪示根據本揭露的一實施方案之用於測量工作電極電流之方法的流程圖。

圖式中之組件非必然相對於彼此按比例繪製。相似的元件符號在若干視圖中標示對應的部件。

120:前端部分

130:電流輸送器部分

140:感測/數位化部分

150:偏移部分

300:恆電位器

321:第一回授放大器

322:複製回授放大器

331:第一電流鏡

332:第二電流鏡

335:輸入節點

336:輸出節點

341:時控雙斜率ADC

351:電流複製器

352:部分

353:複製偏移電流源

354:偏移電流源

A1:放大器

Arep:複製放大器/回授放大器的複製品

clk:時脈/時脈信號

i1:第一電流/電流

i2:第二電流

iadc:adc電流/電流/ADC-參考電流

ibias:偏壓電流

ioff:偏移電流源/偏移電流

ioff_rep:複製偏移電流/偏移電流的複製品/偏移電流複製品

iout:輸出電流

ir:參考電流

irc:取消參考電流

iwe:工作電極電流

MPG:電晶體/回授放大器

MPG_rep:複製電晶體

vdac:設定電壓

vdd:上軌電壓/上軌

vref:參考電壓位準/參考電壓

we:工作電極

Claims (12)

1. 一種用於測量一工作電極電流之方法，該方法包含： 使用耦接至一工作電極的一恆電位器產生一第一輸出電流，該第一輸出電流包括一工作電極電流分量及一偏移電流分量； 將該第一輸出電流轉換成一第一數位字組； 使用儲存在一記憶體中的一校準因數修改該第一數位字組，以獲得該工作電極電流的一測量； 偵測一校準事件；及 藉由以下執行一校準： 重組態該恆電位器以用於校準； 使用該經重組態恆電位器產生一第二輸出電流，該第二輸出電流係該偏移電流的一測量； 將該第二輸出電流轉換成一第二數位字組；及 根據該第二數位字組執行儲存在該記憶體中之該校準因數的建立或更新中之至少一者。
2. 如請求項1之用於測量一工作電極電流之方法，其中： 將該第一輸出電流轉換成一第一數位字組及將該第二輸出電流轉換成一第二數位字組係使用一雙斜率類比轉數位轉換器執行； 該第一數位字組對應於使用該工作電極電流分量及該偏移電流分量充電該雙斜率類比轉數位轉換器的一電容器所耗費之時脈循環的一第一數目；及 該第二數位字組對應於使用該偏移電流分量充電該雙斜率類比轉數位轉換器之該電容器所耗費之時脈循環的一第二數目。
3. 如請求項2之用於測量一工作電極電流之方法，其中該使用儲存在一記憶體中的一校準因數修改該第一數位字組以獲得該工作電極電流的一測量包括： 從時脈循環的該第一數目減去時脈循環的該第二數目，以獲得使用該工作電極電流分量充電該雙斜率類比轉數位轉換器之該電容器所耗費之時脈循環的一第三數目。
4. 如請求項1之用於測量一工作電極電流之方法，其中該校準事件對應於(i)在該恆電位器的一操作情況上的一變化、(ii)一時程、或(iii)一使用者輸入。
5. 如請求項1之用於測量該工作電極電流之方法，其中執行該校準包括： 在執行該校準的同時，維持在該工作電極的一工作電極電壓及一工作電極電流。
6. 一種可採一正常組態或採一校準組態來組態的雙向恆電位器，該雙向恆電位器包含： 一前端部分，其包括耦接至一工作電極的一第一回授放大器及不耦接至該工作電極的一複製回授放大器，其中： 在該正常組態中，該第一回授放大器耦接至一感測及數位化部分，且該複製回授放大器與該感測及數位化部分解耦接；及 在該校準組態中，該第一回授放大器與該感測及數位化部分解耦接，且該複製回授放大器耦接至該感測及數位化部分。
7. 如請求項6之雙向恆電位器，其進一步包含： 一偏移部分，其包括一偏移電流源及一複製偏移電流源，其中： 在該正常組態中： 該偏移電流源耦接至該工作電極及該第一回授放大器， 該複製偏移電流源耦接至該複製回授放大器， 在該工作電極的一工作電極電壓及一工作電極電流係由該第一回授放大器及該偏移電流源維持，且 該感測及數位化部分經組態以接收包括一工作電極電流分量及一偏移電流分量的一第一輸出電流，並使用一校準因數以從該第一輸出電流移除該偏移電流分量，以產生該工作電極電流的一測量；及 在該校準組態中： 該偏移電流源耦接至該複製回授放大器， 該複製偏移電流源耦接至該工作電極及該第一回授放大器， 在該工作電極的該工作電極電壓及該工作電極電流係由該第一回授放大器及該偏移電流源維持，且 該感測及數位化部分經組態以接收包括該偏移電流分量的一第二輸出電流，並產生/更新對應於該偏移電流分量的該校準因數。
8. 如請求項6之雙向恆電位器，其進一步包含： 一電流輸送器部分，其耦接在該前端部分與該感測及數位化部分之間，該電流輸送器部分包括一第一電流鏡及一第二電流鏡。
9. 如請求項6之雙向恆電位器，其中該感測及數位化部分包括一雙斜率類比轉數位轉換器，該雙斜率類比轉數位轉換器經組態以產生一電容器的一充電週期的一第一測量及一電容器的一放電週期的一第二測量。
10. 如請求項6之雙向恆電位器，其中該組態成該校準組態係由一校準事件觸發，且該組態成該正常組態係在一校準因數產生或更新之後觸發。
11. 一種電池測量系統，其包含： 一電化學電池，其具有一工作電極；及 一雙向恆電位器，其可組態成一正常組態或一校準組態，該雙向恆電位器包括： 一前端部分，其包括耦接至該工作電極的一第一回授放大器及不耦接至該工作電極的一複製回授放大器，其中： 在該正常組態中，該第一回授放大器耦接至一感測及數位化部分，且該複製回授放大器與該感測及數位化部分解耦接；且 在該校準組態中，該第一回授放大器與該感測及數位化部分解耦接，且該複製回授放大器耦接至該感測及數位化部分； 一偏移部分，其包括一偏移電流源及一複製偏移電流源，其中： 在該正常組態中，該偏移電流源耦接至該工作電極及該第一回授放大器，且該複製偏移電流源耦接至該複製回授放大器；且 在該校準組態中，該偏移電流源耦接至該複製回授放大器，且該複製偏移電流源耦接至該工作電極及該第一回授放大器；及 一電流輸送器部分，其耦接在該前端部分與該感測及數位化部分之間，該電流輸送器部分包括一第一電流鏡及一第二電流鏡。
12. 如請求項11之電池測量系統，其中該感測及數位化部分包括一雙斜率類比轉數位轉換器。

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