打开文本图片集

摘要：当今，便携式设备已成为人们生活中重要的部分，设备中芯片的集成度和复杂度随着设备功能多样化而大幅度提高，使越来越多的应用开始关注电流能耗情况，以进行过流保护或故障诊断。其中，高精度电流检测集成电路成为其检测的重要手段。PGA采用基于双运放仪表放大器结构，在满足高精度电流读取的同时，在输出误差1%以内对CR输出电压实现增益范围为1-80倍的可调放大，以达到调制器的满量程输入。Delta-Sigma调制器采用单环、单比特、前馈结构的三阶结构完成对PGA模拟输出端电压的数字转换。仿真结果显示输入频率范围为0～1kHz时，Delta-Sigma调制器的噪底均低于-110dB。

关键词：高精度;电流检测;集成电路;PGA

1、绪论

常用的电流分流检测是在检测点插入检测电阻（RS）。RS可将检测电流转化为电压。通过电流读取电路将电压信号进行放大。许多系统应用中，需要在电源共模电压范围内测量误差小于1%的供电电流。最实用的感应电流的方法是测量电流感应电阻上的电压降，在典型的应用中需要读出从几十毫伏到数百毫伏不等的电压[1]。研究具有高增益、良好的增益精度、宽共模电压范围的新型电流检测对促进芯片管理技术的进步具有重要意义。

2、电流检测方式概述（2-2.1）

2.1 高边和低边电流检测

通过在负载和接地之间连接电流传感元件，可以执行低压侧电流传感。然而，在接地路径中添加电阻可能会引入在大多数高精度系统应用中无法容忍的接地噪声。以类似的方式，高压侧电流感应需要在电源和负载之间连接电流传感器。

传统的电流传感信号链这种技术需要在负载上串联一个电阻。虽然这种电阻会降低元件消耗的功率，但被测电流产生的测量电压也会降低，这会增加输入感应放大器的误差。此外，在整个温度变化的范围内，对感应电阻（RS）的高精度的要求通常比较高，这也增加了整个系统的成本。有两种电流传感方法可以实现上述要求。第一种方法是直接感应电流。在这种方法中，RS和RG的两个电阻器按比例设计，如图2.1（a）所示。

2.2 电流读取电路设计

2.2.1 基于三运放仪表放大器的电流读取电路

三运放结构的仪表放大器如图2.2所示。令R31= R32= R3，R41= R42= R4，其输出表达式为：

图2.2 中第一级结构不仅可作为缓冲器为上级电路提供很高的输入阻抗，还能通过控制R0、R1和R2的比值，配置需要的增益。该仪表放大器结构的共模抑制比由电阻R31、R32、R41、R42的匹配精度决定，但CMOS工艺下，由于电路的不对称及电阻的失配问题难以解决，该结构的CMRR一般较低。并且，采用三个运放的结构实现的仪表放大器，功耗大也是一个明显的特征。

2.2.2 基于双运放仪表放大器的电流读取电路

图2.3是一种双运放级联结构的仪表放大器。对比三运放结构，其优势是仅需要两个放大器。在保持高输入阻抗及高线性度的同时，有效降低了功耗。令R1=R4，R2=R3，该结构输出电压为：

双运放结构降低功耗的同时也会带来新的缺点——结构不对称。当信号频率或者放大器增益发生变化时，都有可能导致高频处的CMRR发生改变，往往会随频率增加而迅速下降。因此，在实际使用中，常常需要放大器具有足够大的带宽和较低的闭环增益。

2.2.3 基于电流模仪表放大器的电流读取电路

电流模仪表放大器结构如图2.4所示。当A1，A2为理想运放时，A1，A2和R1构成缓冲器结构。差分信号Vip和Vin作用在R1上，实现电流读取;电流镜对流经R1上的电流进行复制，再经缓冲器A3进行输出。分析图2.5中的放大器结构，其CMRR主要取决于电流镜的匹配程度，且放大器的总功耗也非常接近三运放仪表放大器。此外，直流工作点对放大器性能的影响也很大。

2.2.4 基于电流反馈型仪表放大器的电流读取电路

电流反馈型仪表放大器（CFIA）结构如图2.5所示。

CFIA工作原理为：输入跨导Gm1和反馈跨导Gmf将电压信号转换为电流，并在A、B点完成反馈。当Gm2足够大时，CFIA闭环增益为：

式（2-6）中，可以看出CFIA的增益主要由R0、R11、R12、Gm1和Gmf共同决定。受工艺和温度的影响，Gm的大小在制造和工作过程中不易控制。因此，为提高CFIA闭环增益的精度，在设计过程中，要注意Gm1和Gmf的匹配。

3、高精度电流检测电路总体设计（2-4）

3.1 芯片设计指标

高精度电流检测芯片的总体设计要求具体如下表3.1所示。

特殊指标定义：

1、共模输入电压范围：电流读取路输入端共模电压范围 。

2、非线性误差：PGA输出端最大误差除以量程。

3、增益误差：电流检测 系统 中 PGA输出端的实际电压和理论之间差值。

4、被检测电流频率范围：系统能够检测电流的频率 范围 。

5、PGA放大倍数： PGA能够实现的电压放大倍数， 其大小由电流读取路输入电压决定 。

6、系统误差 、系统误差 ：电流检测系统将被进行读取、放大编码后得到数字信号，处理数字信号后得到的电流数值与理论电流值进行对比

3.2 芯片总体架构

按照电流读取、电压放大、模数转换的基本思路，本文的电流检测芯片的外围应用电路如图3.1所示。

本文的电流检测芯片内部结构如图3.2所示。按照电流读取、电压放大、模数转换的基本思路，CR电路将感测电阻Rsensor上的电压进行读取并放大，并经PGA电路再次放大。PGA为模数转换器提供满量程的输入信号。电流镜模块（CURR）和分频器（DFF）分别为CR、PGA和调制器提供方波信号和偏置电流。

3.3 芯片功能描述

芯片内部主要集成了五个部分的模块，分别是分频器模块、电流读取模块、增益放大模块、调制器模块和电流镜模块。

芯片具体的工作原理如下：当系统供电以后，控制使能端开始工作，外部将系统的偏置电压VCM和电流IB设置好以后，系统开始对感应电阻上的电流进行读取。首先，分频器产生的时钟信号将感应电阻上的电压调制到高频处，CR将此电压进行初步放大。其次PGA 将CR输出电压进行再次放大。通过调整PGA的放大倍数，使得可控增益放大器的输出电压达到调制器的满摆幅量程。调制器会将PGA的输出端电压进行采样保持，经过噪声整形以后会数字读。 的输出端电压进行采样保持，经过噪声整形以后会数字读。 该芯片可以实现检测5mA到160mA的。

4、系统验证与仿真（4-5）

4.1 系统仿真验证电路与参数选型

整体仿真电路如图4.1所示。

假定PGA的输出为ADC的满摆幅2V，且其控制档位为1，则电流读取电路的输出端电压为2V，其本身放大倍数为5，则该情况下VSENSE为0.4V。可计算出ISENSE大小为0.4A。当PGA的控制档位为80，VSENSE可计算为0.005V。此时ISENSE大小为0.005A。

4.2 系统仿真

本文利用 RRL电路将流读取中的斩波纹进行抑制， PGA将电流读取电路的输出端压进行精确放大。精确的放大能力为数字读取奠定了基础。首先为验证系统的数字读取能力， 输入信号从5mV至160mV，成2倍增加 ， 控制PGA的增益为 1，对整个系统进行仿真。将DS调制器量化输出通过Verilog代码编译的数字抽取滤波器，得到一个二进制代码编译的数字抽取滤波器，得到一个二进制Dout。数字抽取滤波器时序如图4.2所示。

将这个二进制代码Dout转换成十进制数，可以得到表4.1。

将表4.1中的十进制数据和电流数据作图可得到图4.3。

通过图4.3的曲线，归纳得到一个输出数字码与实际电流的函数解析式：

当输入信号不同且PG的增益控制不同时 ，将DS调制器量化输出通过Verilog代码编译的数字抽取滤波器，十进制转换后，可以得到表4.2。

表格4.2中 S1、S2.5、S5、S10、S20、S40、S80分别取高电平，不同检测，电流下的ADC输出结果。将表格4.2中的数据通过绘图得到图4.4。拟合图中的曲线得到其表达式 ，统计表达式做出表4.3。

表4.4可知，当PGA增益较大时，检测的精度高，但输入信号范围比较小。

5、总结

首先对当前的研究背景以及发展趋势做了简单的介绍，接着重点介绍了电流检测技术，在了解电流检测工作原理以后，说明了常见的几种电流检测的方式，并最终确定采用电流反馈型电流检测，在具体设计时，首先描述了整体电路的结构框图以及外围应用电路，并对每一部分进行了简单的功能介绍，随后针对几个重点模块电流读取、增益放大、模数转换等模块进行了详细的原理阐述，给出每一部分的具体电路设计的同时详细阐述其工作原理，并进行仿真验证。

参考文献

[1] 孙惠丽，林凌. 低功耗单双电源供电的轨对轨仪表放大器AD627[J].国外电子元器件，2002，000（007）：33-34.

[2] 杨宏.基于CMOS工艺的高性能电流模仪表放大器的设计[D].电子科技大学，2006.

[3] 王巍，王伊昌，赵汝法，等. 一种用于ECG信号采集的低功耗仪表放大器[J]. 微电子学，2019，49（02）：49-52.

[4] Wu R，Huijsing J H，Makinwa K A A . Precision Instrumentation Amplifiers and Read-Out Integrated Circuits[M]. Springer New York，2013.

[5] 柯可人.高性能、低功耗模拟前端芯片的研究与设计[D].复旦大学，2014.

[6] Witte J F，Huijsing J H，Makinwa K A A. A Current-Feedback Instrumentation Amplifier with 5μV Offset for Bidirectional High-Side Current-Sensing[C]. IEEE International Solid-state Circuits Conference. IEEE，2008，pp. 74-596.

[7] 覃玉良.应用于生物医学的可控增益放大器设计[D].桂林电子科技大学，2015.

[8] 苏汉阳.适用于音频Codec的高精度Σ-Δ调制器设计[D].浙江大学，2016.

[9] 陈华丽.高速ADC系统[J].电子设计工程，2008，16（011）：54-56.

[10] Liu W，Wei T，Li B，et al. A 12-bit 1 MS/s SAR-ADC for multi-channel detectors[J]. Journal of Semiconductors，2015，36（04）：147-154.