专利名称：自我平衡式主动电流电桥的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来检测连接外部装置(plugged external device)的阻抗(impedance)或信号发送端的输出电流的平衡式系统，特别是一种自我平衡式主动电流电桥(self-balanced active current bridge)。
测试阻抗一般是测量受测装置的电压对电流的关系；而侦测电流量，一般是在待测电路上串联一个电流表直接量取读数，或是用感应线圈的方式，量测因电流流过而产生的磁场，在线圈上所感应出的电压的大小。然而，以上的方法不但有其一定的限制，而且若是要整合制成一个单晶片电路则更不切实际。如果要在线路上串联一个电阻，再测量其电压降，则首先遇到的问题是电阻值不好决定，因为这个方式改变了电路本身的特性。
如果要采用一般电子仪表的阻抗测量方式，则受测装置一般必需加进一个电桥而成为电桥的一部份。所以当回到正常工作模式下，必需要有许多开关来切换电路，这将增加许多成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用来测量外部装置的阻抗的自我平衡式主动电流电桥。
本发明的再一目的在于提供一种用来测量信号发送端的输出电流的自我平衡式主动电流电桥。
为达成上述目的，本发明的一种自我平衡式主动电流电桥，用于测量外部装置的阻抗或信号发送端的输出电流，其包含一输入信号源；一运算放大器，该运算放大器通过该运算放大器的一第一输入端连接到该输入信号源；一平衡式电桥，该平衡式电桥耦合到该运算放大器的上述第一输出端与一第二输出端；一受控电压源，该受控电压源耦合到该平衡式电桥，以维持该平衡式电桥的平衡状态；一电阻器，该电阻器连接于该平衡式电桥与该受控电压源的一输出端之间；其中该受测外部装置连接至该平衡式电桥与该运算放大器的该第二输入端之间的第一节点；其中该受控电压源耦合到该平衡式电桥，以维持该平衡式电桥的平衡状态，构成该自我平衡式主动电流电桥，以通过测量该电阻器的电压降参数而用来测量该外部装置的阻抗或信号发送端的输出电流。
上述平衡式电桥更包括一第一驱动装置，用以提供电流到该受测外部装置；一第二驱动装置，其中该第一驱动装置与该第二驱动装置连接到一供电参考电压与接地电压，构成该平衡式电桥；以及其中该受控电压源耦合该第二驱动装置的输出以传输电流或电压到该平衡式电桥，并且一反馈系统形成于该平衡式电桥与该受控电压源之间，以提供给该第二驱动装置并跟随该第一驱动装置而变化，以维持该平衡状态并通过该第一驱动装置与该第二驱动装置而得到该外部装置的该输出状态。其中第一驱动装置由一第一PMOS晶体管与一第一NMOS晶体管所组成，而该第二驱动装置由一第二PMOS晶体管与一第二NMOS晶体管所组成。其中第一PMOS晶体管与该第二PMOS晶体管的栅极耦合到该运算放大器的上述第一输出端。第一NMOS晶体管与该第二NMOS晶体管的栅极耦合到该运算放大器的上述第二输出端。该第一PMOS晶体管与该第二PMOS晶体管的源极耦合到该供电参考电压。该第一PMOS晶体管的漏极耦合到该第一NMOS晶体管的漏极，而该第二PMOS晶体管的漏极耦合到该第二NMOS晶体管的漏极。该第一NMOS晶体管与该第二NMOS晶体管的源极耦合到该接地电压。该第一节点耦合到该第一PMOS晶体管与该第一NMOS晶体管的该共同漏极。该电阻器是通过一第二节点而连接到该第二驱动装置，而该第二节点耦合到该第二PMOS晶体管与该第二NMOS晶体管的该共同漏极。
而其中的受控电压源的该输出电位为该第一舆第二输入电位差的函数，而该受控电压源的该第一输入端通过该第一PMOS晶体管与该第一NMOS晶体管的该共同漏极而耦合到该运算放大器的该第二输入端，且该受控电压源的该第二输入端耦合到该第二PMOS晶体管与第二NMOS晶体管的该共同漏极。该受控电压源由另一运算放大器或一差动放大器组成。
通过本发明，外部装置的负载电阻值或输出电流可以仅通过检测电阻上的阻抗或电流的物理参数而得到。也就是说，只要测量检测电阻上的电流即可得知负载上的电流，而不会对受测电路产生任何影响。
图1为根据本发明的电路图。
具体实施例方式
上述习知技术所描述的电路中未能正确地测量外部装置的阻抗。因此，本发明提供一系统以测量自我平衡式的外部装置的阻抗。
请参阅图1，其所示为根据本发明的电路图。上述电路包括一运算放大器OPA1连接到一输入信号源V1。一PMOS晶体管MP1与一NNMOS晶体管MN1依序连接并成为上述运算放大器OPA1的输出级(Output stage)驱动晶体管。R1是被OPA1驱动的负载电阻。在本系统中，输入信号源V1是连接到上述运算放大器OPA1的第一输入端，而PMOS晶体管MP1与NMOS晶体管MN1的栅极则分别连接到运算放大器OPA1的输出端。上述负载电阻R1代表外部装置的阻抗，其是处于待测量的状态，并且通MP1与MN1的漏极的共同节点NO3连接到上述的运算放大器OPA1的第二输入端。另一对PMOS晶体管MP2与NMOS晶体管MN2与上述的MP1与MN1连接。上述的MP1与MP2通过共同节点与一供电参考电压VDD连接，而MN1与MN2则通过另共同节点与一接地电位VSS连接。值得注意的是，MP1与MP2的栅极通过共同节点NO1与OPA1的第一输出端连接。类似地，MN1与MN2的栅极通过共同节点NO2与OPA1的第二输出端连接。MP2是一个与MP1在电气特性上互相匹配的晶体管，而MN2是另一个与MN1在电气特性上互相匹配的晶体管。
一受控电压源V12用来随时维持平衡式电桥的平衡状态。此处的平衡意即维持节点NO3与节点NO4有相同的电位。节点NO4位于晶体管MP2与MN2的漏极之间。V12的第一输入端V1连接到共同节点NO3，而V12的第二输入端V2连接到晶体管MP2与MN2的漏极。上述的受控电压源V12的输出电压是其两个控制端点V1与V2之间的电位差的函数。一检测电阻R2的一端连接到节点NO4，而另一端连接到受控电压源V12的输出。因此，经过负载电阻R1上的电流将会依一定比例出现在侦测电阻R2上，上述的比例是由包含四个晶体管的电桥的特性来决定的。故从检测电阻R2两端的电压即可得知负载电阻R1流经的电流。
由习知技术可以知道，此外，本发明实施例中的附图所示的只是一个例子，事实上在图中所有的晶体管可以用任何具有放大能力的装置来取代。放大器OPA1也可以用任何不同的方式来设计，只要是能够执行减法运算的电路，皆可在本发明的系统中发挥作用。在本实施例中，OPA1、MP1与MN1形成了一个电压随耦器(Voltage follower)，但也可以改采反相放大器(invertedamplifier)或非反相放大当(Non-inverted amplifier)的形式。在本实施例中，放大器OPA1的输出级被作成包含PMOS晶体管与第一NMOS晶体管的互补式结构。另外，放大器OPA1的输出级也可以设计成非互补式的结构。受控电压源V12可以是一运算放大器或一差动放大器(differential amplifier)，只要是能够受控制的电压源或电流源皆可。
本发明的电路详细动作情形如后。当放大器OPA1接收到来自信号源V1的信号后，通过MP1与MN1提供电流，将放大后的信号送到负载电阻R1之上。在本实施例中电压放大率基本上是1。也就是说，节点电压NO3大约等于节点VIN的电压。如果负载电阻R1的电阻值很大，则流经R1之上电流就会很小。因此，MP1与MN1不需提供太多电流。由于这是一个负反馈系统，故此时节点NO1与NO2上的信号自然也很小。反之，若流经R1的电阻值很小，则R1之上的电流就会变大，MP1与MN1需提供较多的电流。由于受到负反馈的控制，此时出现在节点NO1与NO2上的信号自然也变大。从另一方面而言，假设负载电阻R1保持固定，则当信号源V1增强时，R1的电流变大，节点NO1与NO2的信号也变大。而当信号源V1减弱时，R1的电流史小，节点NO1与NO2的信号也变小。
换言之，节点NO1与NO2上的信号的大小代表负载电阻R1上的电流大小。通过晶体管MP1、MN1、MP2与MN2电桥的耦合，假设电桥被设计成在平衡时左右两侧的电流相同，亦即晶体管MP2电气特性与MP1完全相同，而MN2电气特性与MN1完全相同，则MP1的电流应该等于MP2的电流，而MN1的电流等于MN2的电流。不过，电桥的右侧缺少一个像R1这样的电阻，所以实际上电桥并不平衡，电流也不会相等。
在本发明中特地为此电桥加上一个电压源V12(如前所述，亦可改用电流源)以便随时监控，而令电桥保持在平衡状态，以形成自我平衡式主动电流电桥。通过这个机制，保持节点NO3与NO4电压的相同(如前所述，我们假设电桥被设计成在平衡时左右两侧的电流相同，节点NO3与NO4电压也相同，但亦可对平衡状态做不同的定义)，一旦有电流出现在负载电阻R1之上，致使电桥左侧的状态改变，电压源V12就会通过检测电阻R2对电桥右侧适时注入电流以保持电桥的平衡。此时出现在检测电阻R2之上的电流将会与R1之上的电流保持一定关系，例如若电桥被设计成在平衡时节点电压NO3与NO4，相同，且左右两侧的电流也是相同的话，则检测电阻R2的电流即等于R1的电流。
最后，通过本发明的设计，外部装置的负载电阻R1的电阻值或输出电流可以仅通过检测电阻R2上的阻抗或电流的物理参数而得到。也就是说，只要测量R2上的电流即可得知R1上的电流，而不会对受测电路产生任何影响。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此项技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明之保护范围当视权利要求书范围所界定者为准。
权利要求
1.一种自我平衡式主动电流电桥，用来测量外部装置的阻抗或信号发送端的输出电流，其特征是包含一输入信号源；一运算放大器，该运算放大器通过该运算放大器的一第一输入端连接到该输入信号源；一平衡式电桥，该平衡式电桥耦合到该运算放大器的上述第一输出端与一第二输出端；一受控电压源，该受控电压源耦合到该平衡式电桥，以维持该平衡式电桥的平衡状态；一电阻器，该电阻器连接于该平衡式电桥与该受控电压源的一输出端之间；其中该受测外部装置连接至该平衡式电桥与该运算放大器的该第二输入端之间的第一节点；其中该受控电压源耦合到该平衡式电桥，以维持该平衡式电桥的平衡状态，构成该自我平衡式主动电流电桥，以通过测量该电阻器的电压降参数而用来测量该外部装置的阻抗或信号发送端的输出电流。
2.如权利要求1所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该平衡式电桥更包括一第一驱动装置，用以提供电流到该受测外部装置；一第二驱动装置，其中该第一驱动装置与该第二驱动装置连接到一供电参考电压与接地电压，构成该平衡式电桥；以及其中该受控电压源耦合该第二驱动装置的输出以传输电流或电压到该平衡式电桥，并且一反馈系统形成于该平衡式电桥与该受控电压源之间，以提供给该第二驱动装置并跟随该第一驱动装置而变化，以维持该平衡状态并通过该第一驱动装置与该第二驱动装置而得到该外部装置的该输出状态。
3.如权利要求2所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该第一驱动装置由一第一PMOS晶体管与一第一NMOS晶体管所组成，而该第二驱动装置由一第二PMOS晶体管与一第二NMOS晶体管所组成。
4.如权利要求3所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该第一PMOS晶体管与该第二PMOS晶体管的栅极耦合到该运算放大器的上述第一输出端。
5.如权利要求3所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是第一NMOS晶体管与该第二NMOS晶体管的栅极耦合到该运算放大器的上述第二输出端。
6.如权利要求3所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该第一PMOS晶体管与该第二PMOS晶体管的源极耦合到该供电参考电压。
7.如权利要求3所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该第一PMOS晶体管的漏极耦合到该第一NMOS晶体管的漏极，而该第二PMOS晶体管的漏极耦合到该第二NMOS晶体管的漏极。
8.如权利要求3所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该第一NMOS晶体管与该第二NMOS晶体管的源极耦合到该接地电压。
9.如权利要求3所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该第一节点耦合到该第一PMOS晶体管与该第一NMOS晶体管的该共同漏极。
10.如权利要求3所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该电阻器是通过一第二节点而连接到该第二驱动装置，而该第二节点耦合到该第二PMOS晶体管与该第二NMOS晶体管的该共同漏极。
11.如权利要求1所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是受控电压源的该输出电位为该第一舆第二输入电位差的函数，而该受控电压源的该第一输入端通过该第一PMOS晶体管与该第一NMOS晶体管的该共同漏极而耦合到该运算放大器的该第二输入端，且该受控电压源的该第二输入端耦合到该第二PMOS晶体管与第二NMOS晶体管的该共同漏极。
12.如权利要求1所述的自我平衡式主动电流电桥，其特征是该受控电压源由另一运算放大器或一差动放大器组成。
全文摘要
一种自我平衡式主动电流电桥，用来测量外部装置的阻抗或信号发送端的输出电流，包含一输入信号源；一运算放大器，其第一输入端连接到该输入信号源；一平衡式电桥，耦合到运算放大器的上述第一输出端与一第二输出端；一电阻器，连接于该平衡式电桥与该受控电压源的一输出端之间；其中该受测外部装置连接至该平衡式电桥与该运算放大器的该第二输入端之间的第一节点；一受控电压源，耦合到该平衡式电桥，以维持该平衡式电桥的平衡状态，构成该自我平衡式主动电流电桥，以通过测量该电阻器的电压降参数而测量该外部装置的阻抗或信号发送端的输出电流；本发明的应用不会对受测电路产生任何影响。
文档编号G01R17/06GK1482467SQ02132048
公开日2004年3月17日 申请日期2002年9月9日 优先权日2002年9月9日
发明者谢文龙, 曾志宏 申请人:骅讯电子企业股份有限公司