專利名稱：適用于低電壓供電的無運放高精度電流采樣電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計領(lǐng)域，用于對通過晶體管的電流進(jìn)行精確采樣，具體涉及一種 適合低電壓供電場合的、不需要運算放大器、結(jié)構(gòu)簡單的高精度電流采樣電路。
背景技術(shù)：
電流采樣技術(shù)是電流模式控制環(huán)路和電流保護(hù)電路中的關(guān)鍵技術(shù)，在利用電流形成閉環(huán) 控制的集成電路中，電流采樣是必不可少的電路組成部分，尤其是在電流反饋控制的開關(guān)電 源類集成電路中，電流采樣電路的性能直接關(guān)系到電路整體的性能。
電流采樣的方法中最常見的是在被采樣電流通路上直接串聯(lián)一個小阻值的采樣電阻，從 電阻的壓降得到通過被采樣的電流管的電流。這種方法簡單易行，但是采樣電阻串聯(lián)在主電 流通路商，會消耗大量的功率，降低整個芯片的工作效率，并且隨著輸出電壓的降低，采樣 電阻所消耗的功率在整個芯片中的功耗中的比重會進(jìn)一步加大。
為了避免采樣電阻對電流輸出通路的影響，通常采用電位復(fù)制的方法。圖1中是一種采 用運放結(jié)構(gòu)的電流采樣方法，這種方法利用運算放大器輸入端"虛短"的特性，將被采樣電 流管MP1的漏端電壓"復(fù)制"到采樣管MP2的漏端，由于構(gòu)成電流鏡的采樣管MP2與被采樣 電流管MP1的溝道長度相同，寬度成比例縮小，因此MP2可以精確的按比例鏡像流過電流管 MP1的電流，從而實現(xiàn)電流采樣。不妨假設(shè)MP1與MP2管的寬度比例為M，基本偏置電流為 Ib，電路對負(fù)載的輸出電流為IL,采樣得到的感應(yīng)電流為Isense，那么根據(jù)由MP1和MP2構(gòu) 成的電流鏡的比例關(guān)系可以得到等式(1)。
^二MxA匿+(M一l)x4 (1)
等式(1)中多項式的第一項為理想的比例電流采樣關(guān)系，第二項為采樣誤差，因此該電 路的電流采樣精度為等式(2)。可見該電路存在固有的采樣誤差，并且這個誤差隨著電流管 輸出電流的減小而不斷增大。此外，由于運算放大器的存在，加大了電路設(shè)計的難度，運算 放大器的增益和響應(yīng)速度直接關(guān)系到整體采樣的精度和響應(yīng)速度。并且，在該電路中，從電 源到地，最多存在4級串聯(lián)的晶體管，這就使得該電路不可能工作電源電壓較低的電路中。為了避免使用運算放大器類的敏感部件，降低設(shè)計難度和電路功耗，圖2給出了一種常 見的無運放結(jié)構(gòu)的電流采樣電路。該電路使用電流鏡結(jié)構(gòu)取代了運放，利用電流鏡結(jié)構(gòu)的完 全對稱特性，精確復(fù)制電流輸出管MP1的漏端電壓，從而實現(xiàn)精確的電流采樣。圖2給出的 電流采樣點路的優(yōu)點在于，由于不使用運算放大器，電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計實現(xiàn)難度小，同時 由于電源與地之間最多只串聯(lián)3級晶體管，使得該電路的工作電壓能夠進(jìn)一步降低。但是， 該電路的不足之處也是比較明顯的。首先等式(1) (2)對于該電路仍然成立，因此采樣精度 同樣受限于電流管輸出電流的大小；此外，由于采樣主體電路收電流開關(guān)信號的控制，因此 在每個采樣周期內(nèi)，主體電路都將經(jīng)歷一次從截止到開啟的過程，這無疑將引入更多的噪聲 和誤差，并大大限制了電路的響應(yīng)性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了降低采樣電路的工作電壓，避免對運算放大器類復(fù)雜敏感電路的采用，并且提高電 路的采樣精度和速度，本發(fā)明結(jié)合前文所述圖l和圖2的采樣電路的優(yōu)點，提出新的電流采 樣電路的結(jié)構(gòu)。
精確的電流采樣的基本出發(fā)點，就在于能夠在采樣周期內(nèi)精確的復(fù)制被采樣的電流管的 漏、源、柵的電位，并通過比例復(fù)制形成采樣電流輸出。為了實現(xiàn)這個設(shè)計目標(biāo)，需要解決 這樣幾個問題
1. 對電流管形成比例鏡像；
2. 為了實現(xiàn)足夠的采樣響應(yīng)速度，必須保持采樣電路的基礎(chǔ)工作狀態(tài)，避免出現(xiàn)頻繁的 截止-開啟的切換，因此需要設(shè)計基本的工作偏置；
3. 由于基本偏置的存在，為了補(bǔ)償該偏置對于采樣精度的影響，必須提供專用的偏置補(bǔ) 償，即消除等式(1)的多項式第二項；
4. 為了避免使用復(fù)雜的運算放大器，利用電流鏡與尾電流源的形式構(gòu)成電壓跟蹤電路， 實現(xiàn)電位復(fù)制。
具體的電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。
電流管MP1為電流采樣的目標(biāo)，需要按比例復(fù)制流經(jīng)MP1管的電流，MP1管通過漏端對外 部負(fù)載輸出電流。晶體管MS1為并接在MP1管上的采樣開關(guān)，由于MP1管的尺寸較大，并且MS1管工作在開關(guān)狀態(tài)，因此MS1管的漏源電壓較小，可以忽略。這個結(jié)構(gòu)的主要作用在于 通過MS1管取得電流管MP1的漏端電位。
由于在采樣周期內(nèi)采樣使能信號Q為低，因此MP2管與電流管MP1構(gòu)成電流鏡關(guān)系，電 流復(fù)制比例為1/M，而由于MP3和MP2管構(gòu)成全對稱的等比例電流鏡關(guān)系，因此電流12和 13相等。并且由于MP4和MP5管構(gòu)成的自偏置電流鏡和尾限流管MN3和MN4的存在，VA和 VB點的電位相等。而由于MP4和MP5管構(gòu)成的自偏置電流鏡具有嚴(yán)格的比例關(guān)系，因此電流 12中只有大小等于偏置電流Ib的部分流過電流鏡MP4，同樣也只有Ib大小的電流流過電流 鏡MP5。同時由于補(bǔ)償電流源IS2的存在，使得Isense電流嚴(yán)格等于流經(jīng)電流管MPl的電流 的1/M。
由電流源IS1和鏡像管MN2構(gòu)成的基本偏置產(chǎn)生電路，產(chǎn)生大小等于Ib的偏置電流，并 通過顧3管和MN4管鏡像到主體電路。而由于鏡像產(chǎn)生的電流13等于12，其中同樣包含了 由偏置產(chǎn)生的Ib部分，因此專門設(shè)置電流大小等于Ib電流源IS2與MP3管并聯(lián)，補(bǔ)償由偏 置電路帶來的采樣誤差。
根據(jù)上面的分析，可以得到這樣的等式
/3",丄x/, (3)
/ =/ +/ (4)
,2 = A + 7扁=73 = (5)
由等式(3) (4) (5)可得采樣精度的表達(dá)式為
77 = ^^^x100% (6) 丫i
由于采樣電流和偏置電流均遠(yuǎn)小于電流管的輸出電流，此外還可以通過專門的設(shè)計，使 得偏置電流Ib較小，從而完全可以忽略等式(6)中的第二項，因此采樣精度接近于定植。
本發(fā)明的優(yōu)勢在于
1. 利用完全對稱的電流鏡結(jié)構(gòu)保證了 VA和VB點的電位精確復(fù)制，避免了引入運算放大 器帶來的設(shè)計復(fù)雜度。
2. 利用專門的偏置電流使得采樣主體電流保持工作狀態(tài)，避免因電流鏡在截止到開啟轉(zhuǎn) 換過程中帶來的電流過沖，提高了響應(yīng)速度，減小了采樣誤差。
3. 專門設(shè)計了誤差補(bǔ)償電流，與電流鏡并聯(lián)，抵消了采樣結(jié)果中由固定偏置帶來的采樣誤差項，提高了采樣精度。 4.減小了晶體管的堆疊，電源與地之間最多串聯(lián)3層晶體管，使得電路能夠在較低的供
電電壓下工作。


圖1已有的采用運算放大器結(jié)構(gòu)的電流采樣電路； 圖2已有的無運放結(jié)構(gòu)的低電壓電流采樣電路；
圖3本發(fā)明公開的適合低電壓供電的無運放結(jié)構(gòu)的電流采樣電路； 圖4本發(fā)明公開的電流采樣電路在不同電流大小時的采樣精度曲線； 圖5本發(fā)明公開的電流采樣電路在不同溫度時的采樣精度曲線。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)說明本發(fā)明公開的適合低電壓供電的無運放結(jié)構(gòu)的電流采樣電路的 結(jié)構(gòu)和工作過程。
圖3所示為本發(fā)明公丌的適合低電壓供電的無運放結(jié)構(gòu)的電流采樣電路。 主體電流由級聯(lián)的電流鏡結(jié)構(gòu)組成，MN3管和MN4管構(gòu)成的尾電流通路，源極接地，柵極 并聯(lián)，同時連接到基本偏置電路中MN2管的柵極和漏極，鏡像來自于偏置電路中MN2管的電 流；MP4管和MP5管構(gòu)成自偏置電路，并形成電流鏡結(jié)構(gòu)，其中MP4管的柵、漏級相連，并 連接到到MP5管的柵極和尾電流管顧3的漏極，MP5管的漏極連接MN4管的漏極，并連接到 輸出電流-電壓轉(zhuǎn)換電路中MR管的柵極；MP3和MP2管構(gòu)成全對稱結(jié)構(gòu)，并鏡像來自電流管 MP1的電流，其中MP2管的源極接電源VDD，柵極接地，漏極連接MP4管的源極以及采樣開關(guān) 管MS1的漏極，MP3管的源極接電源VDD，柵極接地，漏極連接MP5管的源極并輸出到電流-電壓轉(zhuǎn)換電路中MR管的漏極；MR管和敏感電阻R構(gòu)成電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，其中MR管的源 極連接電流管MP3的漏極，柵極連接尾電流管MN4的漏極，源極接電阻R并作為最終的采樣 電壓輸出，電阻R的另一端接地，MR管的漏極還連接到固定偏置補(bǔ)償電路的輸出；固定偏置 補(bǔ)償電路由電流源IS2構(gòu)成，電流源與MP3管并聯(lián)，其輸入接電源VDD，輸出連接MP3管的 漏極;基本偏置電路由電流源IS1和電流管MN2串聯(lián)構(gòu)成，其中電流源IS1的輸入接電源VDD， 其輸出連接電流管MN2的漏極和柵極，并連接到麗3管和MN4管的柵極，MN2管的源極接地； 釆樣開關(guān)由串聯(lián)在電流管MP1上的開關(guān)管MS1構(gòu)成，其中電流管MP1作為被采樣的電流管，其源極接電源VDD，柵極與開關(guān)管MS1的柵極相連并接受開關(guān)信號Q的控制，MP1的漏極連接 外部負(fù)載并連接到開關(guān)管MS1的源極，MSI的漏極連接到電流管MP2的漏極；外部負(fù)載由儲 能電感L、濾波電容C、實際負(fù)載RL和續(xù)流管麗1組成，其中電感L的一端連接到電流管MP1 的漏極和續(xù)流管MN1的漏極，另一端連接到濾波電容C的一端和實際負(fù)載RL的一段，濾波電 容C和實際負(fù)載RL并聯(lián)，另一端接地，續(xù)流管MN1的源極接地，柵極接開關(guān)控制信號5。
在采樣周期之外，采樣丌關(guān)Q為高電位，5為低電位，電流管MP1截止，不對外部負(fù)載 提供電流，外部負(fù)載的由儲能電感L和續(xù)流管麗1構(gòu)成回路，并維持工作電流。此時，由于 MP2、 MP3與MP1不構(gòu)成鏡像關(guān)系，因此主體電路依靠基本偏置電流Ib維持工作，由于MP2 和MP3是完全對稱的，此時有關(guān)系式
<formula>formula see original document page 7</formula>
此時由顧4提供的偏置電位使得MR管開啟，由于偏置補(bǔ)償電路IS2的存在，因此流過采 樣電阻R上的電流為Ib，因此采樣輸出電壓為<formula>formula see original document page 7</formula>
在采樣周期內(nèi)，釆樣開關(guān)Q為低電位，5為高電位，打開電流管MP1對外部負(fù)載輸出電 流，續(xù)流管MN1截止，同時采樣開關(guān)MS1管打開。由于MS1管尺寸較小，并且工作于飽和區(qū)， 因此MS1的漏源電壓降可以忽略。此時MP2/MP3管與電流管MP1構(gòu)成電流鏡，由于自偏置電 流鏡電路MP4和MP5以及尾電流管MN3和MN4的存在，在VA和VB點，由MP2/MP3鏡像產(chǎn)生 的電流只能分別向左和向右流出，向右流出的部分匯入負(fù)載電流，由于這部分電流為微安級 別，對負(fù)載電流的影響可以忽略，而向左流出的電流經(jīng)過固定偏置補(bǔ)償之后，形成精確的復(fù) 制電流流過敏感電阻R，形成采樣電壓輸出。由MN4管提供的偏置電位保證了MR管的順利開 啟。
由于MP2/MP3管的尺寸為MP1的1/M，因此等式(3)成立。此外，由基爾霍夫電流定律 可以得到等式一(4)和(5)。經(jīng)過簡單變換即可得到本發(fā)明公開的電流采樣電路的采樣誤差， 如等式(6)表示。
在等式(6)中，由于Isense和Ib均為微安級別的微小電流，因此可以保持相當(dāng)高的采 樣精度。圖4和圖5分別給出了本發(fā)明公開的電流采樣電路在不同輸出電流和不同溫度下的 采樣精度曲線，圖中可見該電路的具有很高的采樣精度。
權(quán)利要求
1、一種電路結(jié)構(gòu)，包括針對低電壓供電系統(tǒng)中高精度電流采樣的需求，利用電流鏡的電流精確復(fù)制能力，將被采樣器件的漏、源、柵的電位精確復(fù)制到采樣(MOS)管上，通過比例電流在固定電阻上產(chǎn)生的壓降來拾取待測電流的比例電壓，實現(xiàn)精確的電流采樣，其特征在于采樣開關(guān)由掛接在電流管(MP1)上的開關(guān)管(MS1)構(gòu)成，電流管(MP1)的源極接電源(VDD)，漏極鏈接開關(guān)管(MS1)的源極，并連接到外部負(fù)載，開關(guān)管(MS1)的柵極連接電流管(MP1)的柵極，并接受開關(guān)信號(Q)的控制；外部負(fù)載由電感(L)、續(xù)流管(MN1)、電容(C)和實際負(fù)載(RL)組成，其中續(xù)流管(MN1)的源極接地，柵極接控制信號(Q)，漏極接電流管(MP1)的電流輸入，并連接到電感(L)的一端，電感的另一端連接電容(C)的一端和實際負(fù)載(RL)的輸入端，電容(C)和實際負(fù)載(RL)的另一端接地；基本偏置電路由電流源(IS1)和電流管(MN2)組成，電流源(IS1)的輸入端接電源，輸出端與電流管(MN2)的漏極和柵極相連，電流管(MN2)的源極接地，電流管(MN2)的柵極作為基本偏置電位的輸出；主體電路結(jié)構(gòu)由尾限流偏置管(MN3)和(MN4)、全鏡像結(jié)構(gòu)(MP4)和(MP5)、電流采樣管(MP2)和(MP3)組成，其中(MN3)和(MN4)分別與基本偏置電路中的(MN2)管構(gòu)成電流鏡，(MN3)管的源極接地，柵極接(MN2)管的柵極和(MN4)管的柵極，漏極連接(MP4)的柵極、漏極以及(MP5)的柵極，(MN4)管的源極接地，漏極連接(MP5)的漏極，電流采樣管(MP2)的源極接電源(VDD)，柵極接地，漏極接到(MP4)的源極和電流開關(guān)管(MS1)的漏極，電流采樣管(MP3)的源極接電源(VDD)，柵極接地，漏極接到(MP5)的源極，并作為采樣電流的輸出；固定偏置補(bǔ)償由電流源(IS2)構(gòu)成，其輸入接電源(VDD)，輸出接主體電路的采樣電流輸出和電流-電壓采樣輸出電路的輸入；電流-電壓采樣輸出電路由負(fù)載管(MR)和采樣電阻(R)組成，其中負(fù)載管(MR)的漏極接主體電路的采樣電流輸出，柵極接(MP5)的漏極，源極接采樣電阻(R)并作為最終的采樣電壓輸出，采樣電阻(R)的另一端接地。
全文摘要
電流采樣電路廣泛應(yīng)用于各種以電流為媒介的集成電路之中，隨著集成電路工藝水平的不斷提高，供電電壓不斷下降，傳統(tǒng)的電流采樣結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再適用于低電壓供電的集成電路類應(yīng)用。本發(fā)明公開了一種用于開關(guān)電源控制回路的高精度電流采樣電路，利用電流鏡結(jié)構(gòu)代替了運算放大器，簡化了電路結(jié)構(gòu)，利用微安級的固定偏置提高了電流采樣電路的響應(yīng)速度，并對由固定偏置引入的采樣誤差進(jìn)行了主動修正，提高了采樣精度。電路由主體結(jié)構(gòu)、基本偏置、電流-電壓采樣輸出、固定偏置補(bǔ)償、電流管與采樣開關(guān)和外部負(fù)載六個部分組成。
文檔編號G01R19/00GK101629973SQ20091004364
公開日2010年1月20日 申請日期2009年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者張民選, 李少青, 浩 王, 趙振宇, 陽 郭, 陳吉華, 陳怒興, 卓 馬 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)