专利名称：一种差分电流采样电路及线性调压器的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率输出器件的电流采样，具体地说，是涉及一种差分电流采样电路 及一种线性调压器。
背景技术：
对功率输出器件的电流采样广泛应用于各种电路系统中，如在线性调压器中。功 率输出器件的采样电流可以被反馈到误差放大器以改善环路响应速度，而且还可以被用于 实现过流保护功能。图1为现有技术中对N型场效应管(MOS)功率输出器件丽3进行电流采样的电路 示意图。运算放大器OP与反馈MOS管MN9 (N型MOS管)连接成负反馈环路，此负反馈环路 将Vs节点即丽s源极的电压调整等于VO的电压，这样丽s和功率输出器件丽3的栅极、漏 极和源极的电压都相等，从而保证MNs与功率输出器件MN3的电流成正比。如果功率输出 器件丽3与丽s的宽长比之比为N，则其电流之比也等于N。丽s与反馈MOS管MN9串联， 所以其电流相等。采样输出MOS管^eS (N型MOS管)与反馈MOS管MN9形成电流镜电路 (以下将电流镜电路简称为电流镜)，则可以实现复制出反馈MOS管MN9电流的目的。该采 样输出MOS管丽e8的漏极输出采样电流Io，功率输出器件丽3的源极一般作为线性调压器 等的输出V0。丽s的栅极为功率输出器件丽3的输入控制端MPG，漏极接入电源电压VDD。需要说明的是，所谓的电流镜是由两个或多个并联的相关电流支路组成，各支路 的电流依据一定的器件比例关系而成比例的电路。在由MOS管构成的电流镜电路中，参考 支路一般是指其栅极与漏极连接在一起的MOS管所形成的那条支路。相应的，栅极与漏极 并未直接连接在一起的MOS管所形成的那条支路称之为输出支路。以下如未特别声明，则 由MOS管构成的电流镜电路中的参考支路和输出支路皆与上述说明相同。图Ia为P型MOS管构成的电流镜电路示意图，图Ib为N型MOS管构成的电流镜 电路示意图，如图Ia和图Ib所示，电流镜电路中参考支路或输出支路与其他电路的连接均 是通过其接点(图Ia中所示的P1、P2以及图Ib中所示N1、N2、N3)连接的。本发明的发明人在实现本发明时，发现现有技术存在如下缺点(1) 一般运算放大器存在输入偏差(offset)，即由于工艺失配导致Vs和VO之间 存于一定偏差，此偏差会导致功率输出器件MN3和MNs的栅源电压之间存在相同的偏差。众 所周知，因栅源电压的偏差导致功率输出器件丽3和MNs之间的电流镜像误差远大于由于 漏源电压的偏差所导致功率输出器件丽3和MNs之间的电流镜像误差。因此运算放大器的 输入偏差(offset)将导致较大的电流采样误差。(2)运算放大器通常需要许多额外的偏置电流，这样会增加线性调压器空载下的 静态电流。对很多系统而言，这样就会增加待机电流，特别是对于电池供电系统，这一缺点 会导致待机时间的减小，降低了电池供电系统的工作效率。 (3)运算放大器通常设计复杂，所需要的芯片面积较大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于需要提供一种差分电流采样电路，克服现有技术中电流采样误差较大的缺陷。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种差分电流采样电路，用于对功率输出 器件进行电流采样，该差分电流采样电路包括第一电流镜电路和第二电流镜电路，其中该第一电流镜电路的参考支路的输出电流分流到该第二电流镜电路的第一输出 支路和该功率输出器件；该第一电流镜电路的第一输出支路的输出电流作为该第二电流镜 电路的参考支路的输入电流；该第一电流镜电路和/或该第二电流镜电路还包括第二输出支路，用于提供采样 电流或提供采样电流的参考电流。优选地，该第一电流镜电路为PMOS管构成的电流镜电路，该第二电流镜电路为 NMOS管构成的电流镜电路，该功率输出器件为NMOS管且漏极连接到该第一电流镜电路的 参考支路的接点。优选地，该第一电流镜电路的参考支路连接到该第二电流镜电路的第一输出支 路，该第一电流镜电路的第一输出支路连接到该第二电流镜电路的参考支路。优选地，还包括一电压调节电路，连接到该第一电流镜电路的参考支路的接点和 第一输出支路的接点，该第二电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路的接点，以及 漏极分别作为该第一电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路的接点的一对PMOS管 器件的栅级，用于使该对PMOS管器件的漏极电位相等。优选地，该电压调节电路包括一偏置电阻电路及栅极互连的第一 PMOS器件和第 二 PMOS管器件；该第一 PMOS器件的源极连接到该第一电流镜电路的参考支路，漏极连接到该偏 置电阻电路的第一端；该第二 PMOS管器件的源极连接到该第一电流镜电路的第一输出支路，漏极连接 到该第二电流镜电路的参考支路；该偏置电阻电路的第一端还连接到漏极分别作为该第一电流镜电路的参考支路 的接点和第一输出支路的接点的一对PMOS管器件的栅级，该偏置电阻电路的第二端连接 到该第一 PMOS器件和第二 PMOS管器件的栅极。优选地，所述第二输出支路还串联有一个或多个电流镜电路，所述第二输出支路 用于提供采样电流的参考电流，在所述串联的最后一个电流镜电路的输出支路的接点提供 采样电流。为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种差分电流采样电路，用于对功率输 出器件进行电流采样，该差分电流采样电路包括第一电流镜电路、第二电流镜电路和一限 流电路，其中该第一电流镜电路的参考支路的输出电流分流到该限流电路及该第二电流镜电 路的第一输出支路，该第一电流镜电路的第一输出支路的输出电流作为该第二电流镜电路 的参考支路的输入电流；该限流电路与该第一电流镜电路的参考支路和该功率输出器件相连接，该限流电 路的电流与该功率输出器件的电流成比例且小于该功率输出器件的电流；
该第一电流镜电路和/或该第二电流镜电路还包括第二输出支路，用于提供采样 电流或提供采样电流的参考电流。优选地，该第一电流镜电路为PMOS管构成的电流镜电路，该第二电流镜电路为 NMOS管构成的电流镜电路，该功率输出器件为NMOS管；该限流电路包括一宽长比小于该功率输出器件的NMOS管器件，该NMOS管器件与 该功率输出器件以共栅极共源极的方式连接，该NMOS管器件的漏极连接到该第一电流镜 电路的参考支路的接点，该功率输出器件的漏极连接到电源电压。优选地，该第一电流镜电路的参考支路连接到该第二电流镜电路的第一输出支 路，该第一电流镜电路的第一输出支路连接到该第二电流镜电路的参考支路。优选地，还包括一电压调节电路，连接到该第一电流镜电路的参考支路的接点和 第一输出支路的接点，该第二电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路的接点，以及 漏极分别作为该第一电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路的接点的一对PMOS管 器件的栅级，用于使该对PMOS管器件的漏极电位相等。优选地，该电压调节电路包括一偏置电阻电路及栅极互连的第一 PMOS器件和第 二 PMOS管器件；该第一 PMOS器件的源极连接到该第一电流镜电路的参考支路，漏极连接到该偏 置电阻电路的第一端；该第二 PMOS管器件的源极连接到该第一电流镜电路的第一输出支路，漏极连接 到该第二电流镜电路的参考支路；该偏置电阻电路的第一端还连接到漏极分别作为该第一电流镜电路的参考支路 的接点和第一输出支路的接点的一对PMOS管器件的栅级，该偏置电阻电路的第二端连接 到该第一 PMOS器件和第二 PMOS管器件的栅极。优选地，所述第二输出支路还串联有一个或多个电流镜电路，所述第二输出支路 用于提供采样电流的参考电流，在所述串联的最后一个电流镜电路的输出支路的接点提供 采样电流。本发明所要解决的另一技术问题，在于需要提供一种线性调压器，解决其中采样 电路的电流采样误差较大的缺陷。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种线性调压器，包括功率输出器件、过流 保护电路以及误差放大器，该线性调压器还包括如权利要求如前所述的任一种差分电流采 样电路，其中所述电流采样电路，连接所述功率输出器件、过流保护电路以及误差放大器，用于 对所述功率输出器件进行电流采样，获得采样电流提供给所述误差放大器及过流保护电
路。 与现有技术相比，本发明采样电路的一个实施例具有采样精确度高的优点。本发 明采样电路的另一个实施例不需要额外的偏置电流，节约了电能，降低了功耗。本发明采样 电路的还一个实施例电路结构简单，节省了芯片空间。本发明的差分电流采样电路，特别适 用于以N型场效应管(NMOS)作为功率输出器件的线性调压器中。
图1为现有技术中对功率输出器件进行电流采样的电路示意图；图Ia为P型MOS管构成的电流镜电路示意图；图Ib为N型MOS管构成的电流镜电路示意图；图2为本发明差分电流采样电路第一实施例的电路示意图；图2a为本发明差分电流采样电路第二实施例的电路示意图；图3为本发明差分电流采样电路第三实施例的电路示意图；图4为本发明差分电流采样电路第四实施例的电路示意图；图5为本发明线性调压器第一实施例的电路示意图；图6为本发明线性调压器第一应用实例的组成示意图；图7为本发明线性调压器第二应用实例的组成示意图；图8为本发明线性调压器第二实施例的电路示意图。
具体实施例方式以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。图2为本发明差分电流采样电路第一实施例的电路示意图。如图2所示，本实施 例包括功率输出器件丽3 (N型MOS管)，还包括第一电流镜电路210以及第二电流镜电路 220，其中该第一电流镜电路210的参考支路的输出电流，流入到该功率输出器件丽3及该 第二电流镜电路220的第一输出支路，该第一电流镜电路210的第一输出支路的输出电流 作为该第二电流镜电路220的参考支路的输入电流；该第二电流镜电路220还包括第二输出支路，用于提供采样电流。在其他实施例中，该第一电流镜电路210还包括第二输出支路(此时可以取消第 一电流镜电路的第二输出支路，也可以保留)，用于提供采样电流或提供采样电流的参考电 流。该第二电流镜电路220的第二输出支路，也可用于提供采样电流的参考电流。如图2所示，本实施例中的第一电流镜电路210主要由两个P型MOS管构成，该两 个P型MOS管分别为MPl和MP2。该MPl为第一电流镜电路210的参考支路，MP2为该第一电流镜电路210的第一 输出支路。该第一电流镜电路210中，MPl (P型MOS管)在漏极上提供一注入电流la。在 该第一电流镜电路210中，MPl的栅极连接该MP2的栅极，MPl的源极与该MP2的源极，均接 入电源电压VCC。MP2的漏极作为第一电流镜电路210的第一输出支路，用于接入该第二电 流镜电路220中。该MPl与该MP2宽长比之比可调。通过调整该MPl与该MP2宽长比之比，既可以 通过由该MP2提供一小电流来获得一较大的注入电流Ia，从而降低了对MPl的性能要求。如图2所示，该第一电流镜电路210的参考支路连接到该第二电流镜电路220的第一 输出支路，该第一电流镜电路210的第一输出支路连接到该第二电流镜电路220的参考支路。如图2所示，本第一实施例中的第二电流镜 电路220主要由MOS管丽1、丽2以及 采样输出MOS管丽e9 —起构成。
该丽1为该第二电流镜电路220的第一输出支路，其漏极连接该第一电流镜电路 210的参考支路；MN2为该第二电流镜电路220的参考支路，其漏极连接该第一电流镜电路 210的第一输出支路；采样输出MOS管丽e9为该第二电流镜电路220的第二输出支路，其 漏极提供该采样电流Ιο。在该第二电流镜电路220中，丽1的漏极连接该MPl的漏极，栅极连接丽2的栅极 和漏极，源极接地(GND)。该丽2的漏极连接第一电流镜电路210中MP2的漏极，源极接地。 采样输出MOS管丽e9的栅极连接该丽2的漏极，源极接地，漏极输出采样电流Ιο。上述第二电流镜电路220，实现了采样电流Io对抽取电流Ib的复制。通过第一电流镜电路210提供一注入电流Ia，同时又通过第二电流镜电路220从 功率输出器件丽3的漏极抽走一抽取电流Ib，由基尔霍夫电流定律(KCL)可知，功率输出器 件丽3漏极上的输出电流In3等于注入电流Ia与抽取电流Ib之差，根据注入电流Ia与抽 取电流Ib，可实现对功率输出器件丽3的输出电流In3(被采样电流)的采样。另外，通过设定注入电流Ia和抽取电流Ib的比例关系，使得通过直接复制注入电 流Ia或抽取电流Ib，即可得到与功率输出器件丽3的电流成比例的采样电流。该丽1与该丽2宽长比之比可调。通过调整该丽1与该丽2宽长比之比，既可以 通过由该丽2提供一小电流来获得一较大的抽取电流Ib，从而降低了对丽1的性能要求。 采样输出MOS管丽e9主要用于提供采样电流的输出。在本第一实施例中，MPl与MP2的宽长比之比为M 1 (MP2漏极上的电流为Ia/ M)，MN2和丽1的宽长比之比为K 1 (丽2漏极上的电流为K*Ib)，则注入电流Ia = (M*K) Ib (MP2漏极及丽2漏极流经相同的电流，因此Ia/M = K*Ib)。因功率输出器件丽3的输出 电流In3 = Ia-Ib = (MK-I) Ib，采样输出MOS管MNe9和MNl的宽长比为P，贝丨J Io = Ib*P，P =1时，Io = Ib = V(MK-I)0由于参数M和参数K都是器件比例，在集成电路制造中是 准确度非常高的值，所以图2所示的本实施例可以实现准确的电流采样。本实施例中，注入电流大于抽取电流，参数M和参数K满足M*K> 1。需要说明的是，本发明技术方案中如未特别说明，则所有的MOS管的衬底与该MOS 管自身的源极相连。一个电流镜的一个分支可由多个NMOS或P型场效应(PMOS)管串接/并接构成， 并不只限于一个NMOS管和PMOS管。在图2所示的实施例中，第一电流镜电路210和第二电流镜电路220均是采用简 单的基本结构电流镜，在其他实施例中，也可以采用共源共栅结构电流镜，dmcm(dy-namic matching current mirror)结构电流镜及其他各种结构的电流镜。另外，第一电流镜电路210和/或第二电流镜电路220的第二输出支路，还可以串联有一个或多个电流镜电路，第一电流镜电路210和/或第二电流镜电路220的第二输出 支路用于提供采样电流的参考电流，在所串联的最后一个电流镜电路的输出支路的接点提 供采样电流。图2a为本发明差分电流采样电路第二实施例的电路示意图。如图2a所示， 图2a所示实施例与图2所示实施例相比，进一步包括PMOS管MPf 1、MPf2和MPf 3、NMOS管 MNfl 禾口 MNf2，其中MPfl、MPf2以及MPf3的源极，均接入电源电压VCC ；丽f2以及^fl的源极接地；
MPfl的漏极连接采样输出MOS管丽e9的漏极；MPf2的漏极连接^fl的漏极；MPf2的栅极连接MPfl的栅极，并连接MPfl的漏极；MPf3的栅极连接MPl的栅极，漏极连接MPf2的漏极；MNfl的栅极连接丽f2的栅极，并与自身的漏极连接；其中，MPf3为第一电流镜电路210的第二输出支路，MPfl与MPf2构成第三电流 镜，MPfl与MPf2构成第四电流镜。MPf3与MPl的宽长比之比为X，因此MPf3的漏极电流为x*Ia。在第二电流镜电路220中，采样输出MOS管丽e9与丽1的宽长比之比为yl，因此 采样输出MOS管MNe9漏极上的电流为yl*Ib。在第三电流镜中，MPfl为参考支路，MPf2为输出支路；MPf2与MPf 1的宽长比之比 为y2。由于MPfl漏极上的电流即为采样输出MOS管丽e9漏极上的电流，因此MPf2漏极上 的电流为yl*y2*Ib。在第四电流镜中，MNfl为参考支路，丽f2为输出支路；MNf2与MNfl的宽 长比之比Z。由于MNfl漏极上的电流为MPf2漏极上的电流与MPf3漏极上的电流 之和即 yl*y2*Ib+x*Ia，因此 MNf2 漏极上的电流为 Io = z* (yl*y2*Ib+x*Ia)=
Z *χ*Ia+z*yl*y2*Ib。通过以上对图2a所示实施例的分析可知，采样电流Io与注入电流Ia和抽取电流 Ib为线性关系。通过调整前述的宽长比x、yl、y2以及ζ中的部分或全部，可以调整采样电 流Io与注入电流Ia和抽取电流Ib的比例关系。特别需要说明的是，在本发明的实施例中，也可以仅对注入电流Ia或者抽取电流 Ib进行复制，如同样可以在丽f2漏极上获得采样电流Io。而且，也可以在如图2a所示的 P型MOS管的漏极(如MPf3的漏极)获得采样电流。另外，在图2a所示的实施例中，也可以通过其它数量的电流镜对注入电流Ia和/ 或抽取电流Ib进行复制来获得采样电流Ιο。在图2a中，由MPfl和MPf2这两个P型MOS管构成的第三电流镜，以及由^fl禾口 丽f2这两个N型型MOS管构成的第四电流镜，是串联在丽e9后的两个电流镜电路，由MPfl 和MPf2构成的第三电流镜是串联在MPf3后的一个电流镜电路，由丽e9和MPf3提供采样 电流的参考电流，在串联的最后一个电流镜电路的输出支路(MNf2)的接点提供采样电流。图3为本发明采样电路第三实施例的电路示意图，本实施例中的采样电路还包括 电压调节电路310。该电压调节电路310连接到该第一电流镜电路210的参考支路的接 点和第一输出支路的接点，该第二电流镜电路220的参考支路的接点和第一输出支路的接 点，以及漏极分别作为该第一电流镜电路210的参考支路的接点和第一输出支路的接点的 一对PMOS管器件的栅级(在图3所示的实施例中，该对PMOS管器件即为MPl和MP2)，用于 使该对PMOS管器件的漏极电位相等。如图3所示，该电压调节电路310主要包括由一偏置电阻电路(图中以偏置电阻 Rl示出)及栅极互连的第一 PMOS器件MP3和第二 PMOS管器件MP4。该MP3的源极连接到该第一电流镜电路210的参考支路，漏极连接到该偏置电阻 电路的第一端；
该MP4的源极连接到该第一电流镜电路210的第一输出支路，漏极连接到该第二 电流镜电路220的参考支路；该偏置电阻电路的第一端还连接到漏极分别作为该第一电流镜电路210的参考 支路的接点和第一输出支路的接点的一对PMOS管器件(即MPl和MP2)的栅级，该偏置电 阻电路的第二端连接到该MP3和MP4的栅极。该MP3和MP4通过调制使得MPl的漏极电位和MP2的漏极电位相等，这样MPl和 MP2的电流会复制的更准确，从而提高了第一电流镜电路210的复制精度。图3所示采样电路第三实施例的电路，无需额外的偏置电流，所以当功率输出器 件丽3的电流为零时，此采样电路的电流消耗也为零。在该第三实施例中，丽2和丽1宽长比相等，以及MP3和MP4的宽长比也相等，是 本发明图3所示电路结构的一种具体实现方案。在实际应用中，丽2和丽1的宽长比，以及 MP3和MP4的宽长比，也可以选取其他比值。图2以及图2a所示的第一电流镜电路210的参考支路连接到该功率输出器件丽3 的漏极，仅是本发明采样电路中的一种实现方式。图3所示的采样电路第三实施例中，MPl 的电流与功率输出器件MN3的电流处于同一数量级，通常功率输出器件MN3的电流很大，这 样MPl也需设计很大的尺寸，而且采样电路的功耗较大。为了改进这一问题，在如图4所示 的本发明差分采样电路第四实施例中，采样电路包含一限流电路，该限流电路与该第一电 流镜电路210的参考支路和该功率输出器件MN3相连接，该限流电路的电流与该功率输出 器件丽3的电流成比例且小于该功率输出器件丽3的电流。该第一电流镜电路210的参考 支路的输出电流分流到该限流电路及该第二电流镜电路220的第一输出支路。在图4示出的实施例中，该限流电路包括一宽长比小于该功率输出器件丽3的 NMOS管器件丽s，该NMOS管器件丽s与该功率输出器件丽3以共栅极共源极的方式连接， 该NMOS管器件丽s的漏极连接到该第一电流镜电路210的参考支路的接点，该功率输出器 件丽3的漏极连接到电源电压。
该NMOS管器件丽s的宽长比小于丽3的宽长比(或者说^s与丽3的宽长比之 比小于1)，通过该丽s来复制功率输出器件丽3的电流，这样使得MPl的电流能小于丽3的 电流，缩小整个采样电路的整体尺寸，降低整个采样电路的功耗。如图4所示，丽s (N型MOS管)与功率输出器件丽3构成第五电流镜，丽3的漏极 连接电源电压VCC，丽S的漏极连接MPl的漏极(接入注入电流中抽走抽取电流之后的部 分)且与丽3共源共栅，即源极连接丽3的源极，栅极连接丽3的栅极即丽3的输入控制端 MPG。与现有技术不同的是，图4所示的采样电路第四实施例中，丽s和功率输出器件 MN3的源级 连接在一起，栅极也连接在一起，这样保证了 MNs的栅源电压与MN3的栅源电压 总是相等。而丽s漏源电压与丽3漏源电压的差异所导致的电流差异远小于栅源电压差异 导致的电流差异，下面详细阐述这一结论。在图4中，电压调节电路可以取消，构成本发明 的另一实施例。在其他实施例中，该丽s管也可以采用多于一个的MOS管搭建的MOS管电路进行 替换。另外，如果功率输出器件为PMOS管，则相应地该NMOS管器件MNs应该换为PMOS管 器件。
需要说明的是，图2a所示的实施例，同样可以进一步包括如图3所示的电压调节 电路，和/或图4所示的丽S。具体连接关系此处不再详细赘述，请结合图3以及图4理解。在一般线性调压器中，功率输出器件丽3工作在饱和区，根据饱和区MOS管的电 流_电压公式 其中 其中I，漏极电流；μ，迁移率；Cqx，单位栅氧电容； Wγ，宽长比；Ves，栅源电压；Vt，阈值电压；λ，沟长调制系数；Vds，漏源电压。一般λ约为0. 1/V, (Vgs-Vt) 一般小于2V，则小于0. 1，所以漏源电
压差异导致的电流差异远小于栅源电压差异导致的电流差异。MNs和功率输出器件ΜΝ3栅极连接在一起，源极也连接在一起，构成电流镜。如果 丽s和功率输出器件丽3的宽长比之比为1 N，则其电流之比也等于1 N。如前分析，如 果ΜΡ2和MPl的宽长比之比为1 Μ，丽2和丽1的宽长比之比等于K 1，则丽1的漏极 电流ΙΝ2，丽s的漏极电流Ins，和丽3的漏极电流In3满足下式
式(5)MPl的漏极电流Ipi为 根据MOS管的I/V关系，可得MPl的漏极电流Ipi和ΜΡ3的漏极电流Ip3分别为 其中μ P1和μ Ρ3分别为MPl和ΜΡ3的迁移率；
Coxpi和Crap3分别为MPl和MP3的单位栅氧电容；(W/L)P1和(W/L)P3分别为MPl和MP3的宽长比；Vgspi和Vgsp3分别为MPl和MP3的栅源电压；Vtpi和Vtp3分别为MPl和MP3的阈值电压；λ P1和λ Ρ3分别为MPl和ΜΡ3的沟长调制系数；Vdspi和Vdsp3分别为MPl和ΜΡ3的漏源电压。而I Vgspi I = I Vdspi I +1 Vdsp3 I，并且 I Vgsp3 | = IP3. Rl+1 Vdsp3 |，由此可见减小(W/L)|P3或Rl都有助于增加Vdsp3，从而有助于减小Vdspi ；增加(W/L)|P1也有助于减小Vdspi ；减小Vdspi有助于丽s和功率输出器件丽3的源漏电压差更接近，这样可以提高丽s 复制功率输出器件丽3电流的精度。图5为采用了本发明电流采样电路第四实施例的线性调压器第一实施例电路示 意图。如图5所示，该线性调压器第一实施例主要包括功率输出器件丽3、电流采样电路 510、分压电路520、过流保护电路530以及误差放大器540，其中电流采样电路510，与功率输出器件丽3、过流保护电路530及误差放大器540连 接，用于对功率输出器件ΜΝ3进行电流采样，获得采样电流提供给误差放大器540以及过流 保护电路530 ；分压电路520，与该误差放大器540及该功率输出器件ΜΝ3相连，用于对功率输出 器件丽3提供的输出电压VO进行分压，得到分压信号SF发送给误差放大器540 ；过流保护电路530，与该电流采样电路510及误差放大器540连接，用于根据电流 采样电路510提供的采样电流对功率输出器件ΜΝ3进行过流保护；误差放大器540，与该电流采样电路510、分压电路520及过流保护电路530相连， 接收一参考电压VR，用于根据该采样电流为提供功率输出器件ΜΝ3的输入控制端MPG，通过 比较分压信号SF与参考电压VR来控制输出功率器件丽3 ；具体地，根据参考电压VR调整 分压信号SF，将分压信号SF调整至与参考电压VR相等。把功率输出器件丽3的电流以一定比例反馈到误差放大器540中，有助于改善负 载响应，减小负载电流的跳变导致的输出电压的跳变，且同时可以维持较小的空载静态功 耗，原因在于当负载电流较大时，一部分负载电流被复制叠加在恒流源Ii上，增加了误差 放大器540的工作电流。误差放大器540的工作电流越大，对其输出节点MPG的充放电速 度越快，线性调压器的响应速度就越快。图5示出的实施例中，误差放大器540在另一电源VBAT (误差放大器的电源)下 工作。但是该另一电源VBAT也可以与电源电压VDD连接在一起，即误差放大器540与电流 采样电路510及功率输出器件丽3等其他电路采用同一电源。图6为本发明线性调压器应用实例的组成示意图。下边结合图6所示应用实例， 详细说明上述线性调压器第一实施例各组成部分之间的电耦合关系。结合图5所示线性调 压器第一实施例，图6所示应用实例中的分压电路520，包括第一分压电阻Rfl和第二分压电阻Rf2，其中第一分压电阻Rfl和第二分压电阻Rf2串联后，连接在丽3的源极和丽1的源极 之间(即输出电压VO与地之间)；分压信号SF从第一分压电阻Rfl和第二分压电阻Rf2的连接点Jl引出。结合图5所示线性调压器第一实施例，图6所示应用实例中的过流保护电路530， 包括MPLl (P型MOS管)、MPL2 (P型MOS管)、丽Ll (N型MOS管)以及导通电阻RLl，其中MPLl的源极连接MP2的源极，栅极连接MP2的栅极，漏极连接MPL2的源极；MPL2的栅极连接MP4的栅极，漏极连接MNLl的栅极；MNLl的漏极连接功率输出器件丽3的栅极，源极接地，栅极还经导通电阻RLl接 地；漏极为前述的输入控制端MPG。MPLl的电流为电流采样电路510提供的采样电流，与功率输出器件丽3的电流成 正比。当MPLl电流流经导通电阻RL1，会在导通电阻RLl上形成一定电压降，当此电压降超 过MNLl的阈值电压时，MNLl导通，将输入控制端MPG的节点电压拉低，输入控制端MPG控 制着功率输出器件MN3的栅极，从而功率输出器件MN3的栅极电压降低，导致功率输出器件 丽3的电流减小。这样就实现了限制功率输出器件MN3最大电流的功能。功率输出器件丽3 为栅极控制器件，NMOS的栅极和源级电压差增大，其电流增大，反之，NMOS的栅极和源级电 压差减�。涞缌骷跣�。结合图5所示线性调压器第一实施例，图6所示应用实例中的误差放大器540，包 括 MPel (P 型 MOS 管)、MPe2 (P 型 MOS 管)、MNe2 (N 型 MOS 管)、MNe3 (N 型 MOS 管)以及恒 流源II，其中MPel的源极连接VBAT，栅极连接漏极；MPe2的源极连接VBAT，栅极连接MPel的漏极；丽e2的漏极连接MPel的漏极，栅极连接VR，源极经恒流源Il接地，衬底直接接 地；MNe3的漏极连接MPe2的漏极，栅极连接分压电路520，接入分压信号SF，源极连接 丽e2的源极，衬底连接丽e2的衬底。上述误差放大器540，选用的是现有技术中常用的一种误差放大器，本发明的电流 采样电路510可以结合其他多种结构的误差放大器，组成本发明的线性调压器。图6所示的线性调压器第一应用实例，误差放大器540通过MNel进行电流采样， 该丽el和恒流源Il并联。过流保护电路530中的MPLl和MPL2也复制了电流采样电路 510的采样电流，此采样电流流经导通电阻RLl形成电压降，当复制的电流太大使得导通电 阻RLl上的电压降超过MNLl的阈值电压时，MNLl导通，将误差放大器540中的输入控制端 MPG节点电压下拉，使得功率输出器件丽3栅极电压下降，功率输出器件丽3的电流就会减 小。据此，就实现了过流保护功能。假设MPLl与MP2的宽长比之比为A，根据式(5)可得 MP2的电流Ip2满足Ip2 = KIn2 =k/N(MK-1)In3 式(9)其中MPLl的电流Ipu满足 其中
A为MPLl与MP2的宽长比之比；IP2*MP2的漏极电流。则过流保护发生时IpliRLI = Vtn式(11)其中RLl为导通电阻RLl的电阻值；Vtn为丽Ll的阈值电压。由式(10)和式(11)可获得 此IN3th即为功率输出器件丽3的过流保护阈值。本发明除了可以通过丽el复制电流，还可以通过MPLl和MPL2复制电流。当然，在 其他的实施例中，也可以通过NMOS电流镜复制。如图7所示的线性调压器第二应用实例， MPLl的栅极改为连接MPL5 (P型MOS管)的栅极；MPL5的源极接入电源电压VDD，漏极连接 自身的栅极以及MPL6 (P型MOS管)的源极；MPL2的栅极改为连接MPL6的栅极；MPL6的漏 极连接MNL3的漏极；MNL3的栅极连接MP4的漏极。MNL3与MN2、MN1构成电流镜，MNL3复制抽取电流lb。MPL5和MNL3串联，所以流 经MPL5和MNL3的电流相等。MPLl与MPL5构成电流镜，所以MPLl的电流复制了 MPL5的电 流，间接地复制了抽取电流lb。MPLl与导通电阻RLl串联，流经MPLl与导通电阻RLl的电 流相等，所以导通电阻RLl的电流间接第复制了抽取电流lb。当导通电阻RLl的电流达到 MNLl的阈值电压Vtn时，MNLl导通并下拉功率输出器件MN3的栅极电压，从而实现限制功率 输出器件丽3电流的作用。前述电流镜的复制比例可以根据设计需要而定。MPL2和MPL6 构成级联电流镜电路，使MPLl和MPL5构成的电流镜复制比例更准确。MPLl和MPL2复制采样电流，是因为MNL3与丽1、丽2的栅极、源级电压都相等，所 以MNL3和丽1、丽2构成电流镜，形成复制关系；MPLl和MPL2的栅极、源级电压都相等，所 以也构成电流镜，其电流比例等于两器件的宽长比之比，形成复制关系。图7所示线性调压器第二应用实例的其余部分，请参考图6所示第一应用实例进 行理解，此处不再赘述。需要说明的是，本发明线性调压器中的电流采样电路，也可以选用如图2、图2a或 者图3所示的电流采样电路实施例。图8为采用图2所示电流采样电路实施例所实现的线 性调压器第二实施例，请结合图2所示电流采样电路实施例以及图5所示线性调压器第一 实施例进行理解，此处不再赘述。本发明的电流采样电路在负载电流为零时消耗电流接近于零，克服了现有技术中 较大的待机电流，提高了电池供电系统的工作效率。另外，现有技术中的差分电流采样电路 会导致电流采样结果不准确，与实际功率器件的电流比例在不同芯片间存在较大差异，本 发明减小了电流采样误差。电流采样结果通常会被用于做过流保护，电流采样误差过大会导致过流保护保护阈值不准确，本发明的技术方案通过减小电流采样误差，可以提高过流保护阈值的精度。 虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采 用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本 发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化， 但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
权利要求
一种差分电流采样电路，用于对功率输出器件进行电流采样，其特征在于，该差分电流采样电路包括第一电流镜电路和第二电流镜电路，其中该第一电流镜电路的参考支路的输出电流分流到该第二电流镜电路的第一输出支路和该功率输出器件；该第一电流镜电路的第一输出支路的输出电流作为该第二电流镜电路的参考支路的输入电流；该第一电流镜电路和/或该第二电流镜电路还包括第二输出支路，用于提供采样电流或提供采样电流的参考电流。
2.根据权利要求1所述的差分电流采样电路，其特征在于该第一电流镜电路为PMOS管构成的电流镜电路，该第二电流镜电路为NMOS管构成的 电流镜电路，该功率输出器件为NMOS管且漏极连接到该第一电流镜电路的参考支路的接点ο
3.根据权利要求2所述的差分电流采样电路，其特征在于该第一电流镜电路的参考支路连接到该第二电流镜电路的第一输出支路，该第一电流 镜电路的第一输出支路连接到该第二电流镜电路的参考支路。
4.根据权利要求2所述的差分电流采样电路，其特征在于还包括一电压调节电路，连接到该第一电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路 的接点，该第二电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路的接点，以及漏极分别作为 该第一电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路的接点的一对PMOS管器件的栅级， 用于使该对PMOS管器件的漏极电位相等。
5.根据权利要求4所述的差分电流采样电路，其特征在于该电压调节电路包括一偏置电阻电路及栅极互连的第一 PMOS器件和第二 PMOS管器件；该第一 PMOS器件的源极连接到该第一电流镜电路的参考支路，漏极连接到该偏置电 阻电路的第一端；该第二 PMOS管器件的源极连接到该第一电流镜电路的第一输出支路，漏极连接到该 第二电流镜电路的参考支路；该偏置电阻电路的第一端还连接到漏极分别作为该第一电流镜电路的参考支路的接 点和第一输出支路的接点的一对PMOS管器件的栅级，该偏置电阻电路的第二端连接到该 第一 PMOS器件和第二 PMOS管器件的栅极。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的差分电流采样电路，其特征在于所述第二输出支路还串联有一个或多个电流镜电路，所述第二输出支路用于提供采样 电流的参考电流，在所述串联的最后一个电流镜电路的输出支路的接点提供采样电流。
7.一种差分电流采样电路，用于对功率输出器件进行电流采样，其特征在于，该差分电 流采样电路包括第一电流镜电路、第二电流镜电路和一限流电路，其中该第一电流镜电路的参考支路的输出电流分流到该限流电路及该第二电流镜电路的 第一输出支路，该第一电流镜电路的第一输出支路的输出电流作为该第二电流镜电路的参 考支路的输入电流；该限流电路与该第一电流镜电路的参考支路和该功率输出器件相连接，该限流电路的 电流与该功率输出器件的电流成比例且小于该功率输出器件的电流；该第一电流镜电路和/或该第二电流镜电路还包括第二输出支路，用于提供采样电流 或提供采样电流的参考电流。
8.根据权利要求7所述的差分电流采样电路，其特征在于该第一电流镜电路为PMOS管构成的电流镜电路，该第二电流镜电路为NMOS管构成的 电流镜电路，该功率输出器件为NMOS管；该限流电路包括一宽长比小于该功率输出器件的NMOS管器件，该NMOS管器件与该功 率输出器件以共栅极共源极的方式连接，该NMOS管器件的漏极连接到该第一电流镜电路 的参考支路的接点，该功率输出器件的漏极连接到电源电压。
9.根据权利要求8所述的差分电流采样电路，其特征在于该第一电流镜电路的参考支路连接到该第二电流镜电路的第一输出支路，该第一电流 镜电路的第一输出支路连接到该第二电流镜电路的参考支路。
10.根据权利要求8所述的差分电流采样电路，其特征在于还包括一电压调节电路，连接到该第一电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路 的接点，该第二电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路的接点，以及漏极分别作为 该第一电流镜电路的参考支路的接点和第一输出支路的接点的一对PMOS管器件的栅级， 用于使该对PMOS管器件的漏极电位相等。
11.根据权利要求10所述的差分电流采样电路，其特征在于该电压调节电路包括一偏置电阻电路及栅极互连的第一 PMOS器件和第二 PMOS管器件；该第一 PMOS器件的源极连接到该第一电流镜电路的参考支路，漏极连接到该偏置电 阻电路的第一端；该第二 PMOS管器件的源极连接到该第一电流镜电路的第一输出支路，漏极连接到该 第二电流镜电路的参考支路；该偏置电阻电路的第一端还连接到漏极分别作为该第一电流镜电路的参考支路的接 点和第一输出支路的接点的一对PMOS管器件的栅级，该偏置电阻电路的第二端连接到该 第一 PMOS器件和第二 PMOS管器件的栅极。
12.根据权利要求7至11中任一权利要求所述的差分电流采样电路，其特征在于所述第二输出支路还串联有一个或多个电流镜电路，所述第二输出支路用于提供采样 电流的参考电流，在所述串联的最后一个电流镜电路的输出支路的接点提供采样电流。
13.—种线性调压器，包括功率输出器件、过流保护电路以及误差放大器，其特征在于， 还包括如权利要求1至12中任一权利要求所述的差分电流采样电路，其中所述电流采样电路，连接所述功率输出器件、过流保护电路以及误差放大器，用于对所 述功率输出器件进行电流采样，获得采样电流提供给所述误差放大器及过流保护电路。
全文摘要
本发明公开了一种差分电流采样电路及线性调压器，克服现有技术中电流采样误差较大的缺陷，涉及功率输出器件的电流采样技术。其中该差分电流采样电路包括第一电流镜电路和第二电流镜电路，该第一电流镜电路的参考支路的输出电流分流到该第二电流镜电路的第一输出支路和该功率输出器件；该第一电流镜电路的第一输出支路的输出电流作为该第二电流镜电路的参考支路的输入电流；该第一电流镜电路和/或该第二电流镜电路还包括第二输出支路，用于提供采样电流或提供采样电流的参考电流。与现有技术相比，本发明采样电路的一个实施例具有采样精确度高的优点，适用于以NMOS管作为功率输出器件的线性调压器中。
文档编号G01R19/00GK101840241SQ20101013765
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者杨晓东, 王钊 申请人:北京中星微电子有限公司
专业数控铣床产品供应商
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