专利名称：适用于低电压供电的无运放高精度电流采样电路的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计领域，用于对通过晶体管的电流进行精确采样，具体涉及一种 适合低电压供电场合的、不需要运算放大器、结构简单的高精度电流采样电路。
背景技术：
电流采样技术是电流模式控制环路和电流保护电路中的关键技术，在利用电流形成闭环 控制的集成电路中，电流采样是必不可少的电路组成部分，尤其是在电流反馈控制的开关电 源类集成电路中，电流采样电路的性能直接关系到电路整体的性能。
电流采样的方法中最常见的是在被采样电流通路上直接串联一个小阻值的采样电阻，从 电阻的压降得到通过被采样的电流管的电流。这种方法简单易行，但是采样电阻串联在主电 流通路商，会消耗大量的功率，降低整个芯片的工作效率，并且随着输出电压的降低，采样 电阻所消耗的功率在整个芯片中的功耗中的比重会进一步加大。
为了避免采样电阻对电流输出通路的影响，通常采用电位复制的方法。图1中是一种采 用运放结构的电流采样方法，这种方法利用运算放大器输入端"虚短"的特性，将被采样电 流管MP1的漏端电压"复制"到采样管MP2的漏端，由于构成电流镜的采样管MP2与被采样 电流管MP1的沟道长度相同，宽度成比例縮小，因此MP2可以精确的按比例镜像流过电流管 MP1的电流，从而实现电流采样。不妨假设MP1与MP2管的宽度比例为M，基本偏置电流为 Ib，电路对负载的输出电流为IL,采样得到的感应电流为Isense，那么根据由MP1和MP2构 成的电流镜的比例关系可以得到等式(1)。
^二MxA匿+(M一l)x4 (1)
等式(1)中多项式的第一项为理想的比例电流采样关系，第二项为采样误差，因此该电 路的电流采样精度为等式(2)。可见该电路存在固有的采样误差，并且这个误差随着电流管 输出电流的减小而不断增大。此外，由于运算放大器的存在，加大了电路设计的难度，运算 放大器的增益和响应速度直接关系到整体采样的精度和响应速度。并且，在该电路中，从电 源到地，最多存在4级串联的晶体管，这就使得该电路不可能工作电源电压较低的电路中。为了避免使用运算放大器类的敏感部件，降低设计难度和电路功耗，图2给出了一种常 见的无运放结构的电流采样电路。该电路使用电流镜结构取代了运放，利用电流镜结构的完 全对称特性，精确复制电流输出管MP1的漏端电压，从而实现精确的电流采样。图2给出的 电流采样点路的优点在于，由于不使用运算放大器，电路结构简单，设计实现难度小，同时 由于电源与地之间最多只串联3级晶体管，使得该电路的工作电压能够进一步降低。但是， 该电路的不足之处也是比较明显的。首先等式(1) (2)对于该电路仍然成立，因此采样精度 同样受限于电流管输出电流的大小；此外，由于采样主体电路收电流开关信号的控制，因此 在每个采样周期内，主体电路都将经历一次从截止到开启的过程，这无疑将引入更多的噪声 和误差，并大大限制了电路的响应性能。
发明内容
为了降低采样电路的工作电压，避免对运算放大器类复杂敏感电路的采用，并且提高电 路的采样精度和速度，本发明结合前文所述图l和图2的采样电路的优点，提出新的电流采 样电路的结构。
精确的电流采样的基本出发点，就在于能够在采样周期内精确的复制被采样的电流管的 漏、源、栅的电位，并通过比例复制形成采样电流输出。为了实现这个设计目标，需要解决 这样几个问题
1. 对电流管形成比例镜像；
2. 为了实现足够的采样响应速度，必须保持采样电路的基础工作状态，避免出现频繁的 截止-开启的切换，因此需要设计基本的工作偏置；
3. 由于基本偏置的存在，为了补偿该偏置对于采样精度的影响，必须提供专用的偏置补 偿，即消除等式(1)的多项式第二项；
4. 为了避免使用复杂的运算放大器，利用电流镜与尾电流源的形式构成电压跟踪电路， 实现电位复制。
具体的电路结构如图3所示。
电流管MP1为电流采样的目标，需要按比例复制流经MP1管的电流，MP1管通过漏端对外 部负载输出电流。晶体管MS1为并接在MP1管上的采样开关，由于MP1管的尺寸较大，并且MS1管工作在开关状态，因此MS1管的漏源电压较小，可以忽略。这个结构的主要作用在于 通过MS1管取得电流管MP1的漏端电位。
由于在采样周期内采样使能信号Q为低，因此MP2管与电流管MP1构成电流镜关系，电 流复制比例为1/M，而由于MP3和MP2管构成全对称的等比例电流镜关系，因此电流12和 13相等。并且由于MP4和MP5管构成的自偏置电流镜和尾限流管MN3和MN4的存在，VA和 VB点的电位相等。而由于MP4和MP5管构成的自偏置电流镜具有严格的比例关系，因此电流 12中只有大小等于偏置电流Ib的部分流过电流镜MP4，同样也只有Ib大小的电流流过电流 镜MP5。同时由于补偿电流源IS2的存在，使得Isense电流严格等于流经电流管MPl的电流 的1/M。
由电流源IS1和镜像管MN2构成的基本偏置产生电路，产生大小等于Ib的偏置电流，并 通过顧3管和MN4管镜像到主体电路。而由于镜像产生的电流13等于12，其中同样包含了 由偏置产生的Ib部分，因此专门设置电流大小等于Ib电流源IS2与MP3管并联，补偿由偏 置电路带来的采样误差。
根据上面的分析，可以得到这样的等式
/3",丄x/, (3)
/ =/ +/ (4)
,2 = A + 7扁=73 = (5)
由等式(3) (4) (5)可得采样精度的表达式为
77 = ^^^x100% (6) 丫i
由于采样电流和偏置电流均远小于电流管的输出电流，此外还可以通过专门的设计，使 得偏置电流Ib较小，从而完全可以忽略等式(6)中的第二项，因此采样精度接近于定植。
本发明的优势在于
1. 利用完全对称的电流镜结构保证了 VA和VB点的电位精确复制，避免了引入运算放大 器带来的设计复杂度。
2. 利用专门的偏置电流使得采样主体电流保持工作状态，避免因电流镜在截止到开启转 换过程中带来的电流过冲，提高了响应速度，减小了采样误差。
3. 专门设计了误差补偿电流，与电流镜并联，抵消了采样结果中由固定偏置带来的采样误差项，提高了采样精度。 4.减小了晶体管的堆叠，电源与地之间最多串联3层晶体管，使得电路能够在较低的供
电电压下工作。
图1已有的采用运算放大器结构的电流采样电路； 图2已有的无运放结构的低电压电流采样电路；
图3本发明公开的适合低电压供电的无运放结构的电流采样电路； 图4本发明公开的电流采样电路在不同电流大小时的采样精度曲线； 图5本发明公开的电流采样电路在不同温度时的采样精度曲线。
具体实施例方式
以下结合附图，详细说明本发明公开的适合低电压供电的无运放结构的电流采样电路的 结构和工作过程。
图3所示为本发明公丌的适合低电压供电的无运放结构的电流采样电路。 主体电流由级联的电流镜结构组成，MN3管和MN4管构成的尾电流通路，源极接地，栅极 并联，同时连接到基本偏置电路中MN2管的栅极和漏极，镜像来自于偏置电路中MN2管的电 流；MP4管和MP5管构成自偏置电路，并形成电流镜结构，其中MP4管的栅、漏级相连，并 连接到到MP5管的栅极和尾电流管顧3的漏极，MP5管的漏极连接MN4管的漏极，并连接到 输出电流-电压转换电路中MR管的栅极；MP3和MP2管构成全对称结构，并镜像来自电流管 MP1的电流，其中MP2管的源极接电源VDD，栅极接地，漏极连接MP4管的源极以及采样开关 管MS1的漏极，MP3管的源极接电源VDD，栅极接地，漏极连接MP5管的源极并输出到电流-电压转换电路中MR管的漏极；MR管和敏感电阻R构成电流-电压转换电路，其中MR管的源 极连接电流管MP3的漏极，栅极连接尾电流管MN4的漏极，源极接电阻R并作为最终的采样 电压输出，电阻R的另一端接地，MR管的漏极还连接到固定偏置补偿电路的输出；固定偏置 补偿电路由电流源IS2构成，电流源与MP3管并联，其输入接电源VDD，输出连接MP3管的 漏极;基本偏置电路由电流源IS1和电流管MN2串联构成，其中电流源IS1的输入接电源VDD， 其输出连接电流管MN2的漏极和栅极，并连接到丽3管和MN4管的栅极，MN2管的源极接地； 釆样开关由串联在电流管MP1上的开关管MS1构成，其中电流管MP1作为被采样的电流管，其源极接电源VDD，栅极与开关管MS1的栅极相连并接受开关信号Q的控制，MP1的漏极连接 外部负载并连接到开关管MS1的源极，MSI的漏极连接到电流管MP2的漏极；外部负载由储 能电感L、滤波电容C、实际负载RL和续流管丽1组成，其中电感L的一端连接到电流管MP1 的漏极和续流管MN1的漏极，另一端连接到滤波电容C的一端和实际负载RL的一段，滤波电 容C和实际负载RL并联，另一端接地，续流管MN1的源极接地，栅极接开关控制信号5。
在采样周期之外，采样丌关Q为高电位，5为低电位，电流管MP1截止，不对外部负载 提供电流，外部负载的由储能电感L和续流管丽1构成回路，并维持工作电流。此时，由于 MP2、 MP3与MP1不构成镜像关系，因此主体电路依靠基本偏置电流Ib维持工作，由于MP2 和MP3是完全对称的，此时有关系式
<formula>formula see original document page 7</formula>
此时由顧4提供的偏置电位使得MR管开启，由于偏置补偿电路IS2的存在，因此流过采 样电阻R上的电流为Ib，因此采样输出电压为<formula>formula see original document page 7</formula>
在采样周期内，釆样开关Q为低电位，5为高电位，打开电流管MP1对外部负载输出电 流，续流管MN1截止，同时采样开关MS1管打开。由于MS1管尺寸较小，并且工作于饱和区， 因此MS1的漏源电压降可以忽略。此时MP2/MP3管与电流管MP1构成电流镜，由于自偏置电 流镜电路MP4和MP5以及尾电流管MN3和MN4的存在，在VA和VB点，由MP2/MP3镜像产生 的电流只能分别向左和向右流出，向右流出的部分汇入负载电流，由于这部分电流为微安级 别，对负载电流的影响可以忽略，而向左流出的电流经过固定偏置补偿之后，形成精确的复 制电流流过敏感电阻R，形成采样电压输出。由MN4管提供的偏置电位保证了MR管的顺利开 启。
由于MP2/MP3管的尺寸为MP1的1/M，因此等式(3)成立。此外，由基尔霍夫电流定律 可以得到等式一(4)和(5)。经过简单变换即可得到本发明公开的电流采样电路的采样误差， 如等式(6)表示。
在等式(6)中，由于Isense和Ib均为微安级别的微小电流，因此可以保持相当高的采 样精度。图4和图5分别给出了本发明公开的电流采样电路在不同输出电流和不同温度下的 采样精度曲线，图中可见该电路的具有很高的采样精度。
权利要求
1、一种电路结构，包括针对低电压供电系统中高精度电流采样的需求，利用电流镜的电流精确复制能力，将被采样器件的漏、源、栅的电位精确复制到采样(MOS)管上，通过比例电流在固定电阻上产生的压降来拾取待测电流的比例电压，实现精确的电流采样，其特征在于采样开关由挂接在电流管(MP1)上的开关管(MS1)构成，电流管(MP1)的源极接电源(VDD)，漏极链接开关管(MS1)的源极，并连接到外部负载，开关管(MS1)的栅极连接电流管(MP1)的栅极，并接受开关信号(Q)的控制；外部负载由电感(L)、续流管(MN1)、电容(C)和实际负载(RL)组成，其中续流管(MN1)的源极接地，栅极接控制信号(Q)，漏极接电流管(MP1)的电流输入，并连接到电感(L)的一端，电感的另一端连接电容(C)的一端和实际负载(RL)的输入端，电容(C)和实际负载(RL)的另一端接地；基本偏置电路由电流源(IS1)和电流管(MN2)组成，电流源(IS1)的输入端接电源，输出端与电流管(MN2)的漏极和栅极相连，电流管(MN2)的源极接地，电流管(MN2)的栅极作为基本偏置电位的输出；主体电路结构由尾限流偏置管(MN3)和(MN4)、全镜像结构(MP4)和(MP5)、电流采样管(MP2)和(MP3)组成，其中(MN3)和(MN4)分别与基本偏置电路中的(MN2)管构成电流镜，(MN3)管的源极接地，栅极接(MN2)管的栅极和(MN4)管的栅极，漏极连接(MP4)的栅极、漏极以及(MP5)的栅极，(MN4)管的源极接地，漏极连接(MP5)的漏极，电流采样管(MP2)的源极接电源(VDD)，栅极接地，漏极接到(MP4)的源极和电流开关管(MS1)的漏极，电流采样管(MP3)的源极接电源(VDD)，栅极接地，漏极接到(MP5)的源极，并作为采样电流的输出；固定偏置补偿由电流源(IS2)构成，其输入接电源(VDD)，输出接主体电路的采样电流输出和电流-电压采样输出电路的输入；电流-电压采样输出电路由负载管(MR)和采样电阻(R)组成，其中负载管(MR)的漏极接主体电路的采样电流输出，栅极接(MP5)的漏极，源极接采样电阻(R)并作为最终的采样电压输出，采样电阻(R)的另一端接地。
全文摘要
电流采样电路广泛应用于各种以电流为媒介的集成电路之中，随着集成电路工艺水平的不断提高，供电电压不断下降，传统的电流采样结构已经不再适用于低电压供电的集成电路类应用。本发明公开了一种用于开关电源控制回路的高精度电流采样电路，利用电流镜结构代替了运算放大器，简化了电路结构，利用微安级的固定偏置提高了电流采样电路的响应速度，并对由固定偏置引入的采样误差进行了主动修正，提高了采样精度。电路由主体结构、基本偏置、电流-电压采样输出、固定偏置补偿、电流管与采样开关和外部负载六个部分组成。
文档编号G01R19/00GK101629973SQ20091004364
公开日2010年1月20日 申请日期2009年6月9日 优先权日2009年6月9日
发明者张民选, 李少青, 浩 王, 赵振宇, 阳 郭, 陈吉华, 陈怒兴, 卓 马 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学