在廣泛范圍的電流上操作的電流感測電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電流感測電路，且更特定來說，涉及在廣泛范圍的電流上操作的電流感測電路。
【背景技術】
[0002]電流感測電路是測量流入負載(例如，被測試裝置(DUT))的電流的量值的電路。電流感測電路通常借助于以下各項而實施:與所述負載串聯的感測電阻器；具有連接到所述感測電阻器的相對端的非反相輸入與反相輸入的運算放大器；及處理電路，其連接到所述運算放大器的輸出。
[0003]在操作中，所述運算放大器放大跨越所述感測電阻器的電壓降。已知所述感測電阻器的值及跨越所述感測電阻器的電壓降，所述處理電路使用眾所周知的公式V = IR或I=V/R來確定流過所述感測電阻器的電流的量值。
[0004]當潛在電流的范圍相對較小時，合并此基本方法的電流感測電路工作良好。然而，當潛在電流的范圍較大(例如，從小于I μΑ直到10mA)時，這些類型的電流感測電路經常采用電阻器開關電路以在出現較大電流時防止所述運算放大器飽和。
[0005]所述電阻器開關電路通常包含:感測電阻器組；開關電路，其將所述感測電阻器中的一或多者從所述感測電阻器組放置入所述電流感測電路；及控制電路，其確定何時需要用不同的感測電阻器替代一個感測電阻器。
[0006]使用電阻器開關電路的一個缺點是:在切斷一個感測電阻器為接通另一感測電阻器時可存在電流的短暫中斷或下降。此電流的短暫中斷或下降可導致一些負載復位或無法正常操作。因此，存在對可在廣泛范圍的電流上操作而不發生電流的任何短暫中斷或下降的電流感測電路的需要。
【發明內容】
[0007]本發明為可在廣泛范圍的電流上操作的電流感測電路。所述電流感測電路包含感測雙極晶體管，其具有基極、集電極及發射極。所述電流感測電路還包含:感測電阻器，其連接到所述感測雙極晶體管的發射極；及前端電路，其連接到所述感測雙極晶體管及所述感測電阻器。所述前端電路響應于所述感測雙極晶體管的基極-發射極電壓而產生經放大及經補償的基極-發射極電壓。所述經放大及經補償的基極-發射極電壓響應于從所述感測雙極晶體管的發射極流出的發射極電流的改變而變化。所述發射極電流實質上等于從所述感測電阻器流出的電阻器電流。
[0008]本發明還包含一種操作電流感測電路的方法。所述方法包含響應于感測雙極晶體管的基極-發射極電壓而產生經放大及經補償的基極-發射極電壓。所述經放大及經補償的基極-發射極電壓響應于從所述感測雙極晶體管的發射極流出的發射極電流的改變而變化。所述發射極電流實質上等于從感測電阻器流出的電阻器電流。所述方法還包含周期性地采樣所述經放大及經補償的基極-發射極電壓以產生表示經放大及經補償的基極-發射極電壓的一系列數字值。所述方法進一步包含對所述一系列的數字值執行轉移函數以產生一系列電流值，使得每一數字值具有對應電流值。所述一系列電流值確定所述發射極電流的量值。
[0009]通過參考以下詳細描述及附圖(其在利用本發明的原理的說明性實施例中得以闡釋)將獲取對本發明的特征及優點的更好理解。
【附圖說明】
[0010]圖1為說明根據本發明的電流感測電路100的實例的示意框圖。
[0011]圖2為說明根據本發明的替代實施例的電流感測電路200的實例的示意框圖。
【具體實施方式】
[0012]圖1展示說明根據本發明的電流感測電路100的實例的示意框圖。如下文更詳細描述，電流感測電路100利用雙極晶體管的基極-發射極結的非線性電流特性以對數地壓縮及感測電流。
[0013]如圖1中所展示，電流感測電路100包含感測雙極晶體管Ql及感測電阻器Rl。感測雙極晶體管Ql具有基極、連接到電壓源VCC的集電極及連接到感測電阻器Rl的發射極。感測電阻器Rl具有連接到雙極晶體管Ql的發射極的第一端及連接到負載112的第二端。在本實例中，電壓源VCC具有5V的值，且感測電阻器Rl具有0.1 Ω的值。
[0014]當電流感測電路100在操作中時，基極電壓VBa現在感測雙極晶體管Ql的基極上，且發射極電壓^出現在感測雙極晶體管Ql的發射極上，此外，雙極晶體管Ql的基極-發射極電壓Vbe為雙極晶體管Ql的基極電壓Vb與發射極電壓VE2間的電壓差。此外，晶體管Ql的基極-發射極電壓Vbe響應于從雙極晶體管Ql的發射極流出的發射極電流IE的改變而變化。
[0015]如進一步在圖1中所展示，電流感測電路100還包含連接到感測雙極晶體管Ql及感測電阻器Rl的前端電路114。前端電路114響應于感測雙極晶體管Ql的基極-發射極電壓而產生經放大及經補償的基極-發射極電壓VABE。
[0016]由于晶體管Ql的基極-發射極電壓Vbe響應于發射極電流I ￡的改變而變化，因此經放大及經補償的基極-發射極電壓Vabe也響應于發射極電流I ￡的改變而變化。發射極電流Ie又實質上等于從感測電阻器Rl的第二端流出的電阻器電流I R。
[0017]如圖1中另外所展示，電流感測電路100包含模/數(A/D)轉換器116及處理電路118。A/D轉換器116 (其連接到前端電路114)接收經放大及經補償的基極-發射極電壓VABE，且周期性地采樣經放大及經補償的基極-發射極電壓Vabe以產生表示經放大及經補償的基極-發射極電壓Vabe的一系列數字值DV。
[0018]處理電路118 (其連接到A/D轉換器116的輸出)接收所述一系列數字值DV且對所述一系列數字值DV執行轉移函數以形成一系列電流值，使得每一數字值DV形成電流值CV。所述一系列電流值CV確定發射極電流、的量值，其實質上等同于從感測電阻器Rl流出且流入負載112的電阻器電流IR。所述一系列電流值CV可以若干眾所周知的方式顯示以提供電流量值的視覺表示。處理電路118可借助于任何常規微處理器而實施。
[0019]在本實例中，經放大及經補償的基極-發射極電壓Vabe為發射極電流I ￡的對數測量，且所述轉移函數為倒數對數函數，其借助于公式CV= 1u0i DV)]而執行，其中K為常數，等于1.160，且J為常數，等于5。每十個(每十個單位)確定電流值CV。在本實例中，常數J等于5，因為經放大及經補償的基極-發射極電壓Vabe被放大3.3V。在硅中的電流每十個單位上升62mV，且針對3.3V，每十個單位上升0.2V (62mV*3.3V = 0.2V每十個)。在微處理器應用中，與執行除法相比更易于執行乘法，因此利用0.2的倒數5。
[0020]進一步參考圖1中所展示的前端電路114，前端電路114包含:驅動級114-1，其連接到感測雙極晶體管Ql及感測電阻器Rl ;補償級114-2，其連接到感測雙極晶體管Ql及驅動級114-1 ?’及放大級114-3，其連接到補償級114-2。
[0021]驅動級114-1感測從感測電阻器Rl的第二端流出的電阻器電流Ir的量值，且調整基極電流Ib及到感測雙極晶體管Ql的基極電壓Vb輸入的量值，使得從雙極晶體管Ql的發射極流出的發射極電流、的量值跟隨電阻器電流IR的量值的任何改變。
[0022]在本實例中，驅動級114-1包含運算放大器120、偏置電阻器R2、偏置電阻器R3及反饋電阻器R4。運算放大器120具有:非反相輸入，其連接到偏置電阻器R2及R3 ;及反相輸入，其連接到反饋電阻器R4。偏置電阻器R2連接到電壓源VCC及偏置電阻器R3，同時偏置電阻器R3連接到偏置電阻器R2及接地。反饋電阻器R4又連接到感測電阻器Rl的第二端及運算放大器120的反相輸入。
[0023]另外在本實例中，偏置電阻器R2具有6.8ΚΩ的值，而偏置電阻器R3具有15K Ω的值。偏置電阻器R2及R3形成分壓器，當電壓源VCC等于5V時，所述分壓器將約3.3V的偏置電壓置于運算放大器120的非反相輸入上。替代地，運算放大器120的非反相輸入可直接連接到3.3V電壓源(如果一個可用)。所述分壓器設定饋入到負載112的輸出電壓。此外，反饋電阻器R4具有33K Ω的值。
[0024]在操作中，當從感測電阻器Rl流出的電阻器電流Ir變化時，運算放大器120的反相輸入上的電壓歸因于反饋電阻器R4而變化。當運算放大器120的反相輸入上的電壓變化時，來自運算放大器120的基極電流Ib及基極電壓V B輸出(其驅動感測雙極晶體管Ql的基極)變化，使得發射極電流、的量值跟隨電阻器電流IR的量值的任何改變。
[0025]驅動級114-1優選地還包含AC阻尼電路122，其確保驅動級114_1的穩定性。AC阻尼電路122包含:電容器Cl，其連接到運算放大器120的輸出；及阻尼電阻器R5，其連接到電容器Cl及運算放大器120的反相輸入。在本實例中，電容器Cl具有約300pF到350pF的值，而阻尼電阻器R5具有33K Ω的值。
[0026]補償級114-2通過運算放大器120調整基極電壓Vb輸出以補償若干條件，且輸出經補償的基極電壓Vra作為響應。在本實例中，補償級114-2包含溫度補償電路124，其通過運算放大器120來調整基極電壓Vb輸出以補償溫度改變的影響，且輸出經溫度