電流檢測電路設計圖詳解 —電路圖天天讀（150）

　　通常所說(shuō)的電流檢測是用來(lái)檢測某部件、或者導線(xiàn)通過(guò)的電流，一般用互感器、分流器等將電流信號轉化成電壓信號，然后再對其進(jìn)行處理放大，作為后面電路保護、檢測使用。目前，已經(jīng)有很多不同的電流檢測技術(shù)已被公布或實(shí)施。其中常用的直流電流檢測方法主要是通過(guò)串聯(lián)電阻或者基于霍爾效應原理進(jìn)行，在通常情況下被測電流信號較大，串聯(lián)電阻對輸入電流信號的影響可以忽略不計，但隨著(zhù)科技發(fā)展的需要，被檢測信號日漸減小，在系統電路中如果直接串聯(lián)電阻，會(huì )影響前級電路工作，導致被測電流信號的大小發(fā)生改變，此時(shí)這一影響已經(jīng)不能再被忽略。

　　電流檢測電路原理及設計優(yōu)化

　　本文的設計依托于汽車(chē)電子國家項目服務(wù)設計平臺，項目中要求的電流檢測電路主要要求實(shí)現將大電流信號縮小，最終得到較小的電流信號輸出，以便為后續電路模塊提供符合要求的電流值。同時(shí)要求，在得到較小輸出電流的同時(shí)要保證輸入電流值不能發(fā)生變化。設計要求實(shí)現輸出電流與輸入電流相比達到縮小3600倍的目標，同時(shí)要求有較好的線(xiàn)性度。

　　結構設計

　　一般而言，電流鏡的一個(gè)關(guān)鍵特性是：它可以精確地復制電流而不受工藝和溫度的影響，同時(shí)這種結構特性本身決定了它對輸入電流幾乎沒(méi)有影響。綜合考慮上述設計要求以及前端電路輸出端的電路結構，最終確定采用電流鏡結構實(shí)現設計。在電流鏡結構中，Iout與IREF（標準電流，這里即為輸入電流）的比值由器件尺寸的比率決定，該值可以控制在合理的精度范圍內。需要注意的是，電流鏡中的所有晶體管通常都采用相同的柵長(cháng)，以減小由于源漏區邊緣擴散（LD）所產(chǎn)生的誤差。而且，短溝器件的閾值電壓對溝道長(cháng)度有一定的依賴(lài)性。因此，電流值之比只能通過(guò)調節晶體管的寬度來(lái)實(shí)現。另外，對器件寬度的調節實(shí)際上是通過(guò)多個(gè)單元晶體管并聯(lián)來(lái)實(shí)現的，而不是簡(jiǎn)單地設計改變一個(gè)器件的寬度。同時(shí)考慮到版圖以及工藝對電路性能的影響，在設計時(shí)晶體管需要盡量采用對稱(chēng)結構。最終確定的電路結構詳見(jiàn)圖1。

　　圖1 電流檢測電路結構圖

　　根據電路結構可以直接計算得出電路理論上實(shí)現電流縮小3600倍。電路中各個(gè)晶體管尺寸的最終確定是通過(guò)對不同器件尺寸電路的仿真結果對比得到的。

　　優(yōu)化及其仿真

　　首先確定對于晶體管柵長(cháng)的選取。根據電流鏡結構特點(diǎn)，通常電流鏡中的所有晶體管都采用相同的柵長(cháng)。在設計時(shí)還需要考慮最終流片時(shí)所采用工藝的要求。本次流片采用的是0.5 μm的工藝，因此L值亦不能過(guò)小，否則電路的性能會(huì )對工藝準確度有很大的依賴(lài)性。通過(guò)對不同長(cháng)度下電路仿真結果（如圖2所示）的分析，可以知道在L=1 μm時(shí)電路的線(xiàn)性度最佳，能夠很好地滿(mǎn)足合理的精度要求。

　　圖2 MOS管L值對電路性能影響仿真

　　綜合考慮各方面因素，在選取MOS管的柵長(cháng)時(shí)最終確定L=1 μm為較優(yōu)方案進(jìn)行電路的搭建。這也說(shuō)明了電流鏡結構中應采用改變MOS管的寬度調節電流的比例。接下來(lái)討論晶體管寬度的確定。晶體管寬度的比例值直接決定了整個(gè)電路對電流縮小的倍數。圖3是晶體管寬度取2~8 μm依次改變下的仿真結果圖。需要注意的是當寬度較大時(shí)，整個(gè)晶體管所占面積也會(huì )明顯增加，另外使用NMOS管和PMOS管的數量也會(huì )對電路性能產(chǎn)生一定的影響。所以綜合考慮電路變化倍數的需要、精度的要求以及版圖面積等多方面因素，最終確定圖1中給出的電路結構。

　　圖3 不同寬度下的電路性能仿真

　　本設計采用CSMC 0.5 μm 120 V BCD工藝。不同于傳統電流檢測電路，該電路直接對電流信號進(jìn)行處理，輸出具有較好的線(xiàn)性度，同時(shí)對輸入信號基本無(wú)影響，并且電路結構較為簡(jiǎn)單，能夠較好地滿(mǎn)足IP核應用的需要。通過(guò)仿真驗證以及流片、測試，證明該電路具有良好的功能性。文中同時(shí)給出該電路IP數據提取過(guò)程以及后續電路。