CN1252480C - 低压电流检测放大器电路 - Google Patents

Abstract

电流检测放大器包括互导放大器，测量流过检测电阻的电流和产生表示测量电流的参考电流。电流镜电路被连接到互导放大器，并接收用于放大的参考电流和产生放大的输出电流。级联电路被串联连接到电流镜电路，提高放大器在产生的放大输出电流的输出端处的输出阻抗。电流检测放大器的电流镜电路和级联电路每个由共用公共的控制节点的一对晶体管形成，晶体管是用双极性或MOS技术实现的。

Description

低压电流检测放大器电路

                         技术领域

本发明涉及电流检测放大器。

                         背景技术

电流检测放大器典型地被使用来在各种类型的电子设备中测量由器件或部件提供的电流量或加到器件或部件的电流量。现在参考图1，图上显示了电流检测放大器10的典型的实施例的电路图。要被检测的电流(称为I_load)从第一检测节点(R_s+)通过检测电阻(R_sense)流到第二检测节点(R_s-)。第一检测节点(R_s+)通过电阻R1被连接到运算放大器12的第一输入端(+)。第二检测节点(R_s-)通过电阻R2被连接到运算放大器12的第二输入端(-)。运算放大器12的输出被连接到晶体管14的基极，液晶体管14集电极被连接到第一输入端(+)。电流(被称为I_ref)流过第一输入端(+)与晶体管14的集电极之间的连接线路。晶体管14的发射极产生输入电流(被称为I_in)，以及被连接到1∶n电流镜16的输入端。Vcc通过负载电阻R3被连接到电流镜16的输出端，用于产生输出电流(被称为I_out)。

运算放大器12的第二输入端(-)呈现相对较高的阻抗。忽略第二输入端(-)处任何输入偏置电流的存在，可以看到，没有电流从第二检测节点(R_s-)流过第二电阻R2。所以，在第一输入端(+)和第二输入端(-)处的电压等于在第二检测节点(R_s-)处的电压。电阻R1上的电压降因此等于I_load和R_sense的乘积。从而输入电流I_in等于电流I_ref，理想地有：

I_ref＝I_load*(R_sense/R1)；                         (1)

I_out＝n*I_in；                                     (2)

I_out＝n*I_load*(R_sense/R1).                         (3)

然而，实际上，晶体管14的基极电流值不能被忽略，因为它在电流镜16中也乘以n的因子，改变(公式3的)输出电流I_out数值不同于理想值。而且，将会看到，具有大的因子(例如，对于Wilson电流镜，n约等于20)的电流镜16不特别精确。输入电流值实际上被设定为如下：

I_in＝I_ref*(1+1/β)                        (4)

其中β是晶体管14的电流增益。

现在参考图2，图上显示1∶n电流镜16的电路图。这个电流镜具有传统的结构，它是本领域技术人员熟知的。因此。不需要详细说明电流镜16的部件、互联和运行。继续以上的分析，具体对于电流镜16，在输入电流I_in与输出电流I_out之间的关系由下式给出：

$I_{\mathrm{out}}=I_{\mathrm{in}}\·\frac{n\·{\mathrm{\β}}^2+n\·\mathrm{\β}+\mathrm{\β}}{{\mathrm{\β}}^2+(n+1)\·\mathrm{\β}+n+1}...\left(5\right)$

其中β是电流镜16内的匹配晶体管的电流增益。

从式4和5，输出电流I_out的实际值由下式给出：

$I_{\mathrm{out}}=n\·I_{\mathrm{ref}}\·(1-\frac{(n-\frac{1}{n}-1)\·\mathrm{\β}+(n-\frac{1}{n})}{{\mathrm{\β}}^2+(n+1)\·\mathrm{\β}+n+1});...\left(6\right)$

以及考虑到式(1)，有：

$I_{\mathrm{out}}=n\·I_{\mathrm{load}}\·\left(\frac{R_{\mathrm{sense}}}{R1}\right)\·(1-\frac{(n-\frac{1}{n}-1)\·\mathrm{\β}+(n-\frac{1}{n})}{{\mathrm{\β}}^2+(n+1)\·\mathrm{\β}+n+1})....\left(7\right)$

现在，从上式的比较，将会看到，电流镜16的实际输出电流(见式7)和电流n*I_ref(应当优选地(和理想地)从电流镜被输出)近似地互相相差以下的因子(在式7的括号内表示)：

$(n-\frac{1}{n}-1)/\mathrm{\β}.$

给定n是相对较大(例如，大于或等于10)和β是相对较小的情形，这个因子可给出测量电流的重大的差别。在这种结构中，图1的电流检测放大器电路不能使用来产生精确的电流放大器输出。

                        发明内容

根据本发明的电流检测放大器，包括：

互导放大器，用于测量流过检测电阻的电流，产生表示测量电流的参考电流；

电流镜电路，被连接到互导放大器，放大参考电流和产生放大的输出电流；以及

级联电路，被连接在电流镜电路与产生的放大输出电流的输出端之间。

互导放大器测量流过检测电阻的电流，以便产生表示测量电流的参考电流。被连接到互导放大器的电流镜电路放大参考电流，产生放大的输出电流。级联的电路被连接在电流镜电路于产生的放大输出电流的输出端之间。

                        附图说明

当结合附图参考以下的详细说明时可以的更完全地了解本发明的方法和设备，其中：

图1，如前所述，是电流检测放大器的典型实施例的电路图；

图2，如前所述，是图1的放大器电路中使用的传统的电流镜的电路图；

图3是按照本发明的电流检测放大器的吸收电流、双极性晶体管

实施例的电路图；

图4是按照本发明的电流检测放大器的源电流、双极性晶体管实施例的电路图；

图5是按照本发明的电流检测放大器的吸收电流、MOS晶体管实施例的电路图；

图6是按照本发明的电流检测放大器的源电流、MOS晶体管实施例的电路图；以及

图7是显示在图1和3的放大器之间的直流工作特性的比较的图。

                      具体实施方式

现在参照图3，图上显示按照本发明的电流检测放大器100的吸收电流、双极性晶体管实施例的电路图。要被检测的电流(称为I_load)从第一检测节点(R_s+)通过检测电阻(R_sense)流到第二检测节点(R_s-)。第一检测节点(R_s+)通过电阻R1被连接到运算放大器102的第一输入端(+)。第二检测节点(R_s-)通过电阻R2被连接到运算放大器102的第二输入端(-)。放大器102由此被设置为工作在差分模式。

运算放大器102的输出端被连接到一对具有1∶n的、匹配的NPN晶体管104a和104b的基极。晶体管104a和104b的发射极被互相连接和连接到地。运算放大器102和第一晶体管104a形成基本互导放大器105。晶体管对104a和104b形成电流镜电路106。重要地，运算放大器102的输出被用来驱动电流镜106的基极电流(Ib)。电压偏置信号(V_bias)被加到另一对也具有1∶n增益比的、匹配的NPN晶体管108a和108b的共同连接的基极。这些匹配晶体管108a和108b形成级联电路110。信号值V_bias优选地被设置为地加上两倍的晶体管108的基极-发射极电压，它可通过把两个串联的(匹配的)NPN晶体管114以二极管结构连接在V_bias与地之间而被提供，这些晶体管的偏置电流从电流源(I_bias)被提供。级联的电路110的晶体管和电流镜电路106的晶体管被串联连接，有效地提高放大器100的输出阻抗(在输出端112)。更具体地，级联电路110的第一晶体管108a的发射极被连接到电流镜电路106的第一晶体管104a的集电极。同样地，级联电路110的第二晶体管108b的发射极被连接到电流镜电路106的第二晶体管104b的集电极。运算放大器的第一输入端(+)被连接到级联电路110的第一晶体管108a的集电极。电流(被称为I_ref)流过晶体管108a的第一输入端(+)与集电极之间的连接。Vcc通过负载电阻R3(在输出端112处)被连接到第二晶体管108b的集电极，用于产生输出电流(被称为I_out)。电流检测放大器100的部件可以分立地安装，但优选地在单片集成电路芯片116上实施(也许用其它部件(未明显示出)执行其它功能)。

运行时，晶体管104和108可工作在饱和区，允许电路100提供从Vcc到接近地电位的很宽的输出电压范围。而且，电路100能够在约2伏的相对较低的Vcc下工作。晶体管108a的集电极的电流(即，电流I_ref)是：

I_ref＝I_load*(R_sense/R1)

晶体管108b的集电极的电流(即，电流I_out)因此是：

I_out＝n*I_ref；或

I_out＝n*I_load*(R_sense/R1)，

如果忽略流到运算放大器102的输入偏置电流的影响的话。在这种电路结构中，可以忽略电流镜106的晶体管104的基极电流的影响，因为基极电流由运算放大器102的输出提供(因为与现有技术电路(图1)的电流镜(图2)的自产生不同)。因此，晶体管104b的集电极电流和晶体管108b的发射极电流被非常精确地设定，以及由下式给出：

I_c(104b)＝n*I_c(104a)；

I_e(108b)＝n*I_e(108a).

装置100的增益(G)被给出为：

$G=\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{sense}}}=n\·\frac{R3}{R1}$

因此，装置100的增益可以通过正确地选择电阻R1和R3的电阻值而被非常精确地设定。

现在参照图4，图上显示按照本发明的电流检测放大器100′的源电流、双极性晶体管实施例的电路图。放大器100′中相同或相似的部件具有与图3的放大器100相同的参考数字。对于放大器100′，在图4和3的电路之间的注意到的差别包括：

(a)具有包括PNP双极性晶体管的匹配晶体管；

(b)具有通过电阻R1连接到运算放大器102的第二输入端(-)的第一检测节点(R_s+)，以及通过电阻R2连接到运算放大器102的第一输入端(+)的第二检测节点(R_s-)；

(c)被连接到晶体管104a和104b的发射极的Vcc；以及

(d)通过电阻R 3和输出端112被连接到晶体管108b的集电极的地。

放大器100′的运行基本上相似于以上对于图3的放大器100描述的运行。鉴于上述的内容，除结合图3给出的内容以外的、对图4的另外的详细说明看来是不必要的。

现在参照图5，图上显示根据本发明的电流检测放大器200的吸收电流、MOS晶体管实施例的电路图。要被检测的电流(称为I_load)从第一检测节点(R_s+)通过检测电阻(R_sense)流到第二检测节点(R_s-)。第一检测节点(R_s+)通过电阻R1被连接到运算放大器202的第一输入端(+)。因此放大器202被设置以差分模式工作。第二检测节点(R_s-)通过电阻R2被连接到运算放大器202的第二输入端(-)。运算放大器202的输出端被连接到一对具有1∶n增益比的、匹配的NMOS晶体管204a和204b的共同连接的栅极。晶体管204a和204b的源极被互相连接和连接到地。运算放大器202和第一晶体管204a形成基本的互导放大器205。晶体管对204a和204b形成电流镜电路206。重要地，运算放大器202的输出被使用来驱动电流镜206的栅极电流(I_b)。电压偏置信号(V_bias)被加到另一对也具有1∶n增益比的、匹配的NMOS晶体管208a和208b的共同连接的栅极。这些匹配晶体管208a和208b形成级联电路210。信号值V_bias优选地被设置为地电位加上两倍的晶体管208的基极-发射极电压，它可通过把两个串联的(匹配的)NMOS晶体管114以二极管结构连接在V_bias与地之间，而被提供，这些晶体管的基极电流由电流源(I_bias)提供。级联的电路210的晶体管和电流镜电路206的晶体管被串联连接，有效地提高放大器200的输出阻抗(在输出端212)。更具体地，级联电路210的第一晶体管208a的源极被连接到电流镜电路206的第一晶体管204a的漏极。同样地，级联电路210的第二晶体管208b的源极被连接到电流镜电路206的第二晶体管204b的漏极。运算放大器的第一输入端(+)被连接到级联电路210的第一晶体管208a的漏极。电流(被称为I_ref)流过在第一输入端(+)与第一晶体管208a的漏极之间的连接。Vcc通过负载电阻R3(在输出端212处)被连接到第二晶体管208b的漏极，用于产生输出电流(被称为I_out)。电流检测放大器200的部件可以分立地安装，但优选地在单片集成电路芯片216上实施(也许用其它部件(未明显示出)执行其它功能)。

运行时，晶体管204和208可工作在三极管区，允许电路200提供从Vcc到地的很宽的输出电压范围。而且，电路200能够在约2.0伏的相对较低的Vcc下工作。晶体管208a的漏极电流(即，电流I_ref)是：

I_ref＝I_load*(R_sense/R1)

晶体管208b的漏极电流(即，电流I_out)因此是：

I_out＝n*I_ref；或

I_out＝n*I_load*(R_sense/R1)，

如果忽略流到运算放大器202的输入偏置电流的影响的话。由于与相对于图3和4的电流镜106中基极电流阐述的原因相同，可以忽略电流镜206的晶体管204a的栅极电流的影响。因此，装置200的增益(G)给出为：

$G=\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{sense}}}=n\·\frac{R3}{R1}$

因此，装置200的增益可以通过正确地选择电阻R1和R3的电阻值而被非常精确地设定。

现在参照图6，图上显示按照本发明的电流检测放大器200′的源电流、MOS晶体管实施例的电路图。放大器200′中相同或相似的部件具有与图5的放大器200相同的参考数字。在图6和5的电路之间的注意到的差别包括，对于放大器200′：

(a)具有包括PMOS晶体管的匹配晶体管；

(b)具有通过电阻R1连接到运算放大器202的第二输入端(-)的第一检测节点(R_s+)，以及通过电阻R2连接到运算放大器202的第一输入端(+)的第二检测节点(R_s-)；

(c)被连接到晶体管204a和204b的源极的Vcc；以及

(d)通过电阻R3和输出端212被连接到晶体管208b的漏极的地。

放大器200′的运行基本上相似于以上对于图5的放大器200描述的运行。鉴于上述的内容，除结合图5给出的内容以外的、对图6的另外的详细说明看来是不必要的。

现在参照图7，图上显示在图1和3的放大器之间的直流工作特性的比较的图。x轴代表检测的电流(I_load)，而轴代表输出电流(I_out)对参考电流(I_ref)的比值(它在理想情况下是电流检测放大器的增益/放大值n)。对于图7所示的每条曲线，对放大器10和100的配置作出某些假设，即：

R_sense＝10mΩ；

R1＝R2＝R3＝2kΩ；

n＝20；

I_bias＝40μA；以及

β＝60.

曲线300给出图1的放大器10的DC特性(Vcc被设定为5伏)，以及曲线302给出图1的放大器10的DC特性(Vcc被设定为2伏)。对于曲线300和302，注意到两个重要的情形。首先，曲线300和302，虽然具有基本上相同的形状，但由于Vcc数值的改变它们具有不同的幅度。放大器10因此对于工作电压的改变，在运行时是不稳定的。第二，曲线的相似的形状当检测电流(I_load)增加时，明显地以输出电流(I_out)对参考电流I_ref的测量的比值的斜坡增加。换句话说，放大器的增益随测量的负载电流增加而增加。从以上看出，图1的放大器10的运行在于，实际输出电流和电流n*I_ref互相相差一个因子：

$(n-\frac{1}{n}-1)/\mathrm{\β}.$

这个差别由曲线300和302的效率显示，并进一步说明在其中n相对较大(例如大于或约等于10)和β相对较小(例如小于或约等于60)给定情形后，图1的电流检测放大器电路为什么不能被使用来产生精确的电流放大器输出。

另一方面，曲线304提供图3的放大器的直流特性(Vcc被给定为2V或5V)。比较曲线300和302时，关于曲线304最要指出的是，它不单对于2V和5V运行是相同的，而且对于测量的负载电流的改变基本上是恒定的(无斜率)。因此图3的放大器100对现有技术电路给出显著改进的性能，以及很好地适合于使用来产生精确的电流放大器输出。曲线304也代表分别在图4、5和6上显示的放大器100′，200和200′的运行。

因此假定，本发明的放大器提供一个电路，具有简单的结构，良好的电源隔离比，通过电阻比设定的精确的电流增益；大的放大因子(例如，大于或等于20)；宽的输出电压范围；以及支持低的Vcc值。

虽然在附图上显示和在以上的详细说明中描述了本发明的方法和装置的优选实施例，将会看到，本发明并不限于所揭示的实施例，但能够作出多种重新安排，修正和替换，而不背离由以下的权利要求阐述和规定的本发明的精神。

Claims (10)

1.电流检测放大器，包括：

互导放大器，用于测量流过检测电阻的电流，产生表示测量电流的参考电流；

电流镜电路，被连接到互导放大器，放大参考电流和产生放大的输出电流；以及

级联电路，被连接在电流镜电路与产生的放大输出电流的输出端之间。

2.如权利要求1中的放大器，其特征在于，其中从输出电流对参考电流的比值计算的数值对于流过检测电阻的测量电流的改变基本上是稳定的。

3.如权利要求1中的放大器，其特征在于，其中从输出电流对参考电流的比值计算的数值对于放大器工作电压从约2V扩展到约5V的范围内改变基本上是稳定的。

4.如权利要求1中的放大器，其特征在于，其中电流镜电路包括共用第一公共控制节点的第一对晶体管，其中级联电路包括共用第二公共控制节点的第二对晶体管，以及第一和第二对晶体管被相互串联以实行级联电路和电流镜电路的连接。

5.如权利要求4中的放大器，其特征在于，其中串联连接是通过把第一对晶体管中的第一晶体管的节点连接到第二对晶体管中的第一晶体管的节点，以及把第一对晶体管中的第二晶体管的节点连接到第二对晶体管中的第二晶体管的节点而完成的。

6.如权利要求5中的放大器，其特征在于，其中互导放大器包括：

运算放大器，具有输出端；以及

晶体管，具有被连接到运算放大器输出端的控制节点。

7.如权利要求6中的放大器，其特征在于，其中互导放大器的晶体管是包括电流镜电路的第一对晶体管中的第一晶体管。

8.如权利要求6中的放大器，其特征在于，其中第二对晶体管中的第一晶体管的节点被连接到运算放大器的输入端，接收参考电流。

9.如权利要求6中的放大器，其特征在于，其中第一对晶体管是匹配的晶体管，以及第二对晶体管是匹配的晶体管。

10.如权利要求1中的放大器，其特征在于，其中电流检测放大器的部件在集成电路芯片上实现。

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