一種用于低邊電流檢測的可編程增益放大器

李明明，潘文光

（1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049；3.南京中科微電子有限公司，江蘇南京 210018）

電流檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)，例如DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器、可調(diào)速電機驅(qū)動器和電池管理系統(tǒng)[1-7]。經(jīng)典的電流檢測結(jié)構(gòu)由電流傳感器和電流感應(yīng)放大器（Current Sense Amplifier，CSA）組成[8]。根據(jù)電流傳感器的位置，該技術(shù)可以分為高、低邊兩種基本類型。由于低邊采樣電阻法具有成本低廉、采樣精度高、設(shè)計簡單的優(yōu)點，所以被廣泛使用。為了降低功耗與電阻壓降，采樣電阻的取值一般較低[9]，導(dǎo)致采樣信號幅度較低，所以電流感應(yīng)放大器常采用可編程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）來提高檢測動態(tài)范圍[10]。

傳統(tǒng)CSA 采用電壓模PGA 結(jié)構(gòu)，閉環(huán)增益網(wǎng)絡(luò)直接與采樣電阻相連，會形成電流通道，產(chǎn)生輕微漏電流。當(dāng)采樣電流較小時，由于系統(tǒng)外圍電阻和電路寄生電阻的存在，漏電流會產(chǎn)生電壓損耗，影響電流檢測精度。為了減小閉環(huán)增益網(wǎng)絡(luò)漏電流對采樣電路的影響，進一步提高電流檢測精度，該文采用0.5 μm BCD 工藝設(shè)計了一款電流模[11]結(jié)構(gòu)的PGA，其主要由一個高精度全差分可變跨導(dǎo)放大器和一個高增益運放組成。

1 電流模PGA原理分析與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1（a）是經(jīng)典的電壓模結(jié)構(gòu)可編程增益放大器原理圖[12]，待測電流經(jīng)過采樣電阻Rsense產(chǎn)生分壓，電壓信號經(jīng)過可編程增益放大器PGA 放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）處理。R1與R2組成閉環(huán)增益網(wǎng)絡(luò)，通過控制電阻R1與R2的比值即可實現(xiàn)可變增益。由于R1直接與采樣電阻相連，形成電流通道，因此會產(chǎn)生輕微漏電流。

為了降低漏電流，提高電流檢測精度，該文采用了電流模結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖1（b）所示。其中PGA由跨導(dǎo)放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）和運算放大器（Operational Amplifier，OPA）組成。OTA 與采樣電阻直接相連，合理設(shè)計OTA 的結(jié)構(gòu)即可將PGA 與采樣電阻隔離，減小漏電流。

圖1 可編程增益放大器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)OTA 的跨導(dǎo)是Gm，OPA 為理想運放，則PGA輸出電壓Vout為：

其中，Vin=I?Rsense，因此有：

通過式（2）可以看出，當(dāng)已知采樣電阻阻值、PGA 增益GmRf和輸出電平Vout，即可算出檢測電流的大小。PGA 的可變增益可以通過改變反饋電阻Rf或者OTA 跨導(dǎo)Gm來實現(xiàn)。該文通過改變OTA 跨導(dǎo)來實現(xiàn)4、16、64、256 倍可變增益。

由于反饋電阻Rf和跨導(dǎo)Gm會隨工藝、溫度產(chǎn)生變化，為了產(chǎn)生一個精確的放大倍數(shù)，跨導(dǎo)Gm應(yīng)正比于1∕Rf，使放大倍數(shù)僅由電阻的比值來決定。

因此，設(shè)計一個高精度跨導(dǎo)正比于1∕Rf的OTA是整個PGA 的關(guān)鍵所在。

1.2 高精度可變OTA設(shè)計

跨導(dǎo)放大器OTA 的目的是將輸入電壓轉(zhuǎn)換為電流，同時配合后級的OPA 組成閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)。一個經(jīng)典的OTA 電路是帶源級負反饋的共源級放大器，如圖2（a）所示。

根據(jù)小信號等效電路，可以得出圖2（a）的輸出電阻與等效跨導(dǎo)為：

由式（4）可知，跨導(dǎo)約等于反饋電阻Rs的倒數(shù)，但是存在兩個誤差項1∕gm和Rs∕gmro。

其中，誤差項1∕gm的值比較大，當(dāng)Rs取值較小時會引入比較大的誤差，且該誤差隨工藝和溫度的變化而變化；Rs∕gmro與Rs相比，引入的誤差相對較小，可忽略不計。因此該種結(jié)構(gòu)的OTA 增益誤差較大，在10%～20%左右。

為了進一步減小增益誤差，提高跨導(dǎo)線性度，該文設(shè)計了一個全差分高精度OTA，具體的電路圖如圖2（b）所示。

圖2 OTA電路圖

由于OTA 直接與外部采樣電阻相連，輸入信號幅度較低，因此采用了PMOS 源級跟隨器作為輸入級，同時為了降低噪聲，輸入管M5、M6 取的尺寸較大。輸出級采用的是M1、M4 管組成的帶源級負反饋的共源級放大器，另外M2、M3 引入了一個環(huán)路反饋。三極管Q1、Q2 作為輸入級的電流源負載，Rd作為輸出級OTA 電流源的負載。

根據(jù)小信號模型可計算輸出電阻為：

對比式（5）和式（3），可以看出，設(shè)計的OTA 輸出阻抗進一步增大，更加接近理想電流源。

同理可得等效跨導(dǎo)為：

對比式（6）和式（4），式（4）中的主要誤差項是1∕gm，該項誤差在式（6）中變?yōu)榱?∕gm1gm2ro2，減小了近百倍，式（6）的主要誤差變?yōu)榱薘s∕gm2ro2，與Rs相比可以忽略不計。

從公式對比結(jié)果可以看出，該結(jié)構(gòu)的OTA 具有更大的輸出阻抗和更小的跨導(dǎo)誤差。通過改變反饋電阻Rs的阻值即可實現(xiàn)一個精確的正比于1∕Rf的可變跨導(dǎo)。

同時，為了改善頻率響應(yīng)，引入了密勒補償電容C1與電阻R1，其中C1為可變電容，根據(jù)不同的增益調(diào)整零極點。

1.3 高增益OPA設(shè)計

OPA 電路需要具有高的開環(huán)增益來降低閉環(huán)增益誤差[13]和大的驅(qū)動電流來適應(yīng)ADC 高速采樣。該文采用了折疊式放大器結(jié)構(gòu)設(shè)計了一個高增益OPA。

在輸入折疊管的選取上，采用了三極管提供更高的跨導(dǎo)，同時降低了1∕f噪聲。為了提高動態(tài)范圍，采用了SCC（Self-cascode structures）[14]電流源結(jié)構(gòu)。

在輸出級的設(shè)計上，為了配合ADC 高速的采樣速率，能夠快速建立信號，所以使用了浮動電壓源型AB類輸出級[15]。

OPA 核心電路如圖3 所示。

圖3（a）是輸入級電路圖，其中Q1、Q2 是輸入級三極管，M1、M2、M3、M6 組成兩個SCC 電流源，其中M1、M2 工作在線性區(qū)。

圖3 OPA原理圖

輸出級電路如圖3（b）所示，采用了浮動電壓源型AB 類輸出級，其中M16、M17 分別給M20 和M15提供偏置，組成了跨導(dǎo)線性環(huán)，a、b 兩點分別被M16和M17 隔離，且接收到的小信號幅值一致。通過合理選擇M15 和M20 的寬長比，便可實現(xiàn)不同比例的電流復(fù)制，提供足夠大的動態(tài)電流驅(qū)動能力，并且獨立于電源電壓。

由于輸出級對共模電平比較敏感，所以在M13、M19 引入了共模反饋[16]。同時為了改善頻率特性，引入了密勒補償電阻R與電容C。

2 仿真結(jié)果與版圖設(shè)計

該文設(shè)計的可編程增益放大器采用0.5 μm BCD工藝完成設(shè)計與版圖布局，其整體版圖布局如圖4所示，PGA 的輸入級和反饋電阻采用了共質(zhì)心的匹配布局，用來提高版圖的匹配性，整體芯片面積為1.5 mm×1.5 mm。

圖4 整體版圖設(shè)計

圖5 是可編程增益放大器在不同增益下的頻率響應(yīng)，仿真結(jié)果顯示在不同增益下，其增益帶寬均大于100 kHz，相位裕度大于65°，具有良好的頻率特性。

圖5 PGA閉環(huán)增益與相位圖

從仿真結(jié)果可以看出實際增益與理想值存在偏差，主要原因有兩方面：一是控制增益網(wǎng)絡(luò)的傳輸門存在導(dǎo)通電阻；二是版圖寄生電阻的影響。所以造成跨導(dǎo)放大器反饋電阻Rs與設(shè)計值存在偏差。該誤差可以通過數(shù)字校準(zhǔn)來補償。

由于晶體管的非線性，放大器的輸出會產(chǎn)生非線性失真。圖6 是可編程增益放大器在輸入頻率為1 kHz，幅度變化在1～150 mV 正弦信號條件下，仿真得出的總諧波失真隨增益和不同輸入幅度的變化曲線。

圖6 PGA總諧波失真仿真

從圖中可以看出，最大總諧波失真發(fā)生在輸入信號幅度為4.5 mV，PGA 放大倍數(shù)為248 倍的情況下。這是因為在最大放大倍數(shù)時，OTA 反饋電阻Rs的取值最小，導(dǎo)致OTA 的跨導(dǎo)線性度有所下降。

根據(jù)仿真結(jié)果，PGA 在整個工作量程內(nèi)具有良好的線性度，滿足應(yīng)用需求。

圖7 是在輸入電流為10～1 500 A，采樣電阻為100 μΩ時，整個PGA 測量誤差的仿真結(jié)果圖。

圖7 PGA測量誤差

從圖中可以看出，設(shè)計的電流檢測電路最大測量誤差為3.11%，該誤差通過后續(xù)數(shù)字校準(zhǔn)可以進一步降低，滿足應(yīng)用的需求。

將該文設(shè)計的PGA 與文獻[17]中的電流感應(yīng)放大器進行了對比，如表1 所示。從對比結(jié)果可以看出該文的電路結(jié)構(gòu)測量誤差更小，具有較好的電源抑制比與共模抑制比。

表1 PGA指標(biāo)對比

3 結(jié)束語

該文設(shè)計了一種用于低邊電流檢測的電流?？删幊淘鲆娣糯笃?，相比傳統(tǒng)的電壓模放大器，避免了增益網(wǎng)絡(luò)漏電流對采樣電路的影響，進一步提高了電流檢測的精度。利用全差分可變OTA 來實現(xiàn)4、16、64、256 倍可變增益，電路版圖面積為1.5 mm×1.5 mm，后仿真結(jié)果表明，總諧波失真小于0.021%，設(shè)計的電路具有良好的線性度，滿足應(yīng)用需求。