TWI221534B - Current detection circuit for high speed driving stage - Google Patents

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Description

1221534 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 發明所屬之技術領域 本發明係關於一種高速驅動級之電流偵測電路，特別是 關於一種可降低功率消耗之高速驅動級之電流偵測電路 先前技術 對高電壓或高電流之電路而言，為了避免過負載 (over-loading)的情形發生，經常需在驅動級加入一電 流偵測電路，以偵測電流之異常變化。 傳統驅動級之電流偵測電路需在驅動級串聯一電 流偵測電阻，並使用運算放大器將偵測電阻的電壓加 以放大且轉換成電流，以進行後續之訊號處理。因此 習知之電流偵測電路具有如下之缺點： 1 .使用串聯電阻會增加功率消耗，降低效率。 2 .使用運算放大器會使電路複雜，且工作速度不易 提南。 3 .在積體電路内部之串聯電阻會隨著製程變化而造 成偵測電流的誤差。 另一種電流感測電路揭示於美國專利號 6,3 8 4，6 3 6 (以下稱，6 3 6 專利），標題為 「FAST AND PRECISE CURRENT-SENSE CIRCUIT FOR HIGH-VOLTAGE SWITCH」之專利 說明書内。該’ 6 3 6專利之電流感測電路包含負載電流 開關所形成之第一導通路徑和分壓器所形成之第二 導通路徑，且其利用一輸出電路量測該第二導通電路 之輸出電流和偏壓電流之差值以判斷負載電流之變 H:\HU\LBZ\ 其他之中說\82232PTO.DOC -6- 1221534
(2) 化。然，該’ 6 3 6專利因電路設計之特性而必需製造出 三倍之偏壓電流，因而增加功率消耗。此外，該’ 6 3 6 專利需使用差動輸出的方式才得以判斷負載電流之 變化，因此設計上較為複雜且較佔據晶片面積。 鑒於習知技藝存在的問題，本發明提出一新穎的高速驅 動級之電流偵測電路，以克服上述缺點。 發明内容 本發明之主要目的係提供一種高速驅動級之電流偵測 電路及其方法，可適用於低功率消耗之偵測電路之應用需 求。 本發明揭示之高速驅動級之電流偵測電路之主要功能 為可線性地偵測驅動級電晶體的輸出電流，並利用電晶體 的幾何比例直接將偵測電流縮小到適當的值，以方便後級 訊號處理電路做為控制之用。 為了達到上述目的，本發明揭示之高速驅動級之電流偵 測電路包含一輸入級、一位準轉換單元、一回授單元、一 電流鏡單元及一分流單元。該輸入級用於控制和該高速驅 動級同時啟動和關閉，且該位準轉換單元用於轉換該輸入 級之輸出電壓。該回授單元用於將該位準轉換單元之輸出 電壓轉換為電流，且該電流鏡單元用於產生和該回授單元 等比例之輸出電流。該分流單元用於分流該電流鏡單元之 輸出電流，而產生和該鬲速驅動級等比例之電流。 本發明之高速驅動級之電流偵測電路包含步驟（a)至步 驟（d)。步驟（a)為擷取該高速驅動級之輸出電壓。步驟（b)
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為利用私阻和第—電流源調整該高速·驅動級之輸出電壓 步發T(C)為利用一回授單元轉換該電壓準位至一參 考包心步驟（d)為由該參考電流分流出一輸出電流，其 中4輸出電流作$卜卜人上分上 ，、 比&该南速驅動級之輸出電流及該電 阻和該高速驅動級之尺寸比例。
本發月亦可使用差動輸出的方式，然其在設計上較為複 雜’且較佔據晶片面積。此外，本發明之部分電晶體亦可 利用電阻加以取代，其具有等效之功用。 實施方式 之高速驅動級之電流偵測 位準轉換單元12、一回授單 圖1係本發明之第一實施例 電路。该電 >見彳貞測電路包含一 元1 3、一電流鏡單元j 4 一分流單元1 5及一輸入級丨6。一
般而。回速驅動級1 1之輸出級電晶體1 1 1為減少功率消 耗，其汲源極電壓（Vds)會控制在少於Q2v以下，也就是 K(u〇 m。然對於電流偵測電路而f，仍有必要將該輸 出迅壓f(zj〇進_步縮小，以減少功率消耗。本發明之輸入 級16包含電晶體1 12和1丨3,可將高速驅動級丨丨之輸出電壓 F(ZX)取出且作分壓控制。該分壓電壓的值很小，通 常小於0.1伏特，可降低電路之功率消耗。此夕卜，該電晶 月豆1 1 2和同速驅動級丨i之輸出級電晶體i丨丨之閘極開關係 由同一式唬控制，因此將同時開啟和關閉，可節省該高速 驅動級1 1未啟動前之電能消耗。 該位準轉換早疋12包含一第一電流源（〗B) 171、第一電 體U4及電晶體115。該第一電晶體114之VDS«VGS，因
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(4) 此係操作於三極區（triode region)内而作為一個電阻之功 能，其作用在於提升其汲極之位準。該電晶體1 1 5可作為 緩衝（buffer)之用。 該回授單元13包含一第二電流源172、電晶體116〜 120。該第二電流源172之電流可設定為該第一電流源171 h 之二分之一，即2，且電晶體1 1 6〜1 2 0之幾何大小可設定 為電晶體1 1 5之二分之一。相同於電晶體1 1 4，該電晶體1 1 6 之VDS<<VGS，因此係操作於三極區内而作為一個電阻之 功能。換言之，電晶體1 14和1 16的電阻值
Rds = ψ [juCoxx--x(yGS-VT)] 其中K為電晶體之臨界電壓 W_ Z為電 晶體之幾何大小，丨為通道載子之移動率（mobility )，^^為 電晶體閘極氧化層之電容值。本發明可將電晶體1 1 2、 1 13、1 14和1 16設定為同一型式，因其且心〉L，所 1 Ό ίη 、 (―) V(ISEN) = V(LX、xX ^ , 以其‘(⑶）正比於Y/ V 7尺，其中尤為電晶體1 1 2 和1 1 3之分壓比。 電晶體1 1 4和1 1 6的作用是配合第一電流源1 7 1、第二電 流源1 7 2及電晶體1 1 5、1 1 7、1 1 8、1 1 9和1 2 0組合成的回授 電路，將7(d)的電壓訊號轉換成電流，其電性公式如（式 1 )所示，其中Μ代表電晶體，而Μ之後之數字代表該電 晶體之編號，心為流經電晶體1 1 8之電流。 V(ISEN) + IB xRm 14 -f-VGS(Ml 15) = VGS(Ml +1x)xRMU6 ······(式" 若調整及M114 =及M116 = &，L(M115) = L(M117)，則可得如下結果： V(ISEN) + IBxRe=(^-^Ix)xRe (^2) H:\HU\LBZ\ 其他之中說 \82232PTO.DOC -9- 1221534
(5) 繼續推導則可得如下結果： ..........................................(式 3) K 2 此外，電晶體118可作為單倍放大器（unit gain amplifier)，使該回授單元13之工作電壓不隨電源電 壓V e e而變化，且使產生之電流較穩定。該電晶體1 1 7 可作為緩衝之用，且可將其源極電壓維持在0 . 1伏特 以下 。 該電流鏡單元1 4包含電晶體1 2 1和1 2 2，用於產生一 和等比例之電流。 該分流單元1 5包含一第三電流源1 7 3和分流點 SLOP，其中該第三電流源1 7 3具有電流丛，且該分流 2 點SLOP具有分流電流/_。因為，則由（式3 ) 可得再推得如下結果： τ ............(式 4)
slop R 因為 ，而 =丄 xF(IX)，將其套入（式 4)
K 可得如下結果，其中/。為驅動級1 1之負載電流。 1 slop V(ISEN) 1 V{LX)
K R K 丄xLx-l1 2 3 (式5 ) 因此可得如下結果
L 式6 H:\HU\LBZ\ 其他之中說 \82232PTO.DOC -10- 1 slop 乂 h 乂 ψ 2 I - 3
L 1221534
⑹ 所以可知/_為等比例縮小後的/。。 本發明之第二電流源1 7 2和第三電流源1 7 3未必需 等於第一電流源1 7 1之電流之二分之一，只要第二電 流源1 7 2和第三電流源1 7 3之電流之總和等於第一電 流源1 7 1之電流即可。 圖2係本發明之第二實施例之高速驅動級之電流偵 測電路，其係將第一實施例之Μ O S電晶體1 1 5、1 1 7 和118更改為雙載子電晶體211、212和213，以增加其 驅動能力。本發明亦可將電晶體1 1 2〜1 2 2變更為其他 型式，凡符合本發明之技術思想，均在本發明之權利 範圍之内。 圖3係本發明之第三實施例之高速驅動級之電流偵 測電路，其係將電晶體1 1 2和1 1 3變更為電阻3 1 1和 3 1 2。此時分流電流為以下所示。 (式7 ) 麗 7 (f)(M114) 却-i?311 + i?312X ϋ\Κ.){Μλη)
L 圖4係本發明之第四實施例之南速驅動級之電流4貞 測電路，其係顯示第一至第三電流源1 7 1〜1 7 3之電路 結構。 圖 5係本發明之第五實施例之高速驅動級之電流偵測 電路，其係顯示將第一實施例之電流偵測電路之電晶體極 H:\HU\LBZ\ 其他之中說\82232PTO.DOC -11-
1221534 性予以交換；即將NMOS電晶體變更為PMOS電晶體， 且將PMOS電晶體變更為NMOS電晶體。 综而言之，本發明之高速驅動級之電流偵測電路具有下 列優點： 1.所偵測的電流可精由輸出級電晶體ill和第一電晶 體1 1 4的幾何比例而加以調整，並可和驅動級負載電 流八維持一階的線性度。 2 .所偵測的電流7却只和電晶體的幾何比例有關，所以可 適應製程參數的變化。 3 .回授單元1 3只使用一級的回授電路，所以較傳統之運 算放大器更為簡單，且速度更快。 4.直接偵測驅動級1 1之輸出級電晶體1 1 1的輸出電壓 ，並未加串聯電阻，所以未再消耗額外功率。 本發明之技術内容及技術特點巳揭示如上，然而熟悉本 項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種 不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範 圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明 之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。 圖式之簡單說明 本發明將依照後附圖式來說明，其中： 圖 1係本發明之第一實施例之高速驅動級之電流偵測 電路； 圖 2係本發明之第二實施例之高速驅動級之電流偵測 H:\HU\LBZ\ 其他之中說\82232PTO.DOC -12- 1221534 ⑻ 電路； 圖 3係本發明之第 三實 電路 圖 4係本發明之第 四實 電路 ；及 圖 5係本發明之第 五實 電路 〇 元件符號說明 11 高速驅動級 13 回授單元 15 分流單元 111 高速驅動級之電 晶體 1 14 第一電晶體 172 第二電流源 2 1 1〜2 1 3 雙載子電晶體 之高速驅動級之電流偵測 之高速驅動級之電流偵測 之高速驅動級之電流偵測 位準轉換單元 電流鏡單元 輸入級 〜122 電晶體 第一電流源 第三電流源 、3 1 2 電阻 H:\HU\LBZ\ 其他之中說 \82232PTO.DOC -13-

Claims (1)

1221534 拾、申請專利範圍 1 . 一種高速驅動級之電流偵測電路，包含： 一輸入級，和該高速驅動級同時啟動和關閉； 一位準轉換單元，用於轉換該輸入級之輸出電壓； 一回授單元，用於將該位準轉換單元之輸出電壓轉 換為電流， 一電流鏡單元，用於產生和該回授單元等比例之輸 出電流；以及 一分流單元，用於分流該電流鏡單元之輸出電流而 產生和該高速驅動級等比例之電流。 2.如申請專利範圍第1項之電流偵測電路，其中該位準轉 換單元包含一第一電晶體、一第一電流源及一電阻。 3 .如申請專利範圍第2項之電流偵測電路，其中該電阻為 一工作於三極區之電晶體。 4.如申請專利範圍第1項之電流偵測電路，其中該回授單 元之電晶體尺寸和電流源之電流係寺比例於該弟'^電 晶體和第一電流源之電流。 5 .如申請專利範圍第1項之電流偵測電路，其中該回授單 元之電晶體尺寸和電流源之電流係該第一電晶體和第 〆 一電流源之電流之二分之一。 6.如申請專利範圍-第1項之電流偵測電路，其中該分流單 元之輸出電流係該電流鏡單元之輸出電流扣除一第三 電流源之電流，其中該第三電流源之電流係等比例於 第一電流源之電流。 H:\HU\LBZ\ 其他之中說\82232PTO.DOC 1221534 #讀轉 I戀II丨釀讓丨1議議1議議5義議鐘麗靈讓獒 7 .如申請專利範圍第6項之電流偵測電路，其中該第三電 流源之電流加上該回授單元之電流源之電流係等於該 第一電流源之電流。 8 .如申請專利範圍第1項之電流偵測電路，其中該輸入級 更包含分壓之功能。 9. 一種高速驅動級之電流偵測方法，包含下列步驟： 擷取該高速驅動級之輸出電壓； 利用電阻和第一電流源調整該高速驅動級之輸出電 壓準位； 利用一回授單元轉換該電壓準位至一參考電流；以及 由該參考電流分流出一輸出電流，其中該輸出電流係 正比於該高速驅動級之輸出電流及該電阻和該高速驅 動級之尺寸比例。 1 0.如申請專利範圍第9項之電流偵測方法，其更包含一 將該高速驅動級之輸出電壓進行分壓之步騾。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之電流偵測方法，其中該輸出 電流係正比於該分壓之比例。 1 2.如申請專利範圍第9項之電流偵測方法，其中該回授 單元包含一第二電流源，該參考電流連接至一第三電 流源，且該第二電流源加上該第三電流源之電流係等 於該第一電流源之電流。 1 3 .如申請專利範圍第9項之電流偵測方法，其中該電阻 為一工作於三極區之電晶體。 H:\HU\LBZ\ 其他之中說 \82232PTO.DOC -2-
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