CN110061703A - 一种宽输入电压的高精度电压跟随器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其包括耐高压的NMOS管M10和M11、运算放大电路、钳位电路和恒流源，所述NMOS管M10为电压跟随器的输出级连接电压输出端，NMOS管M11为电压跟随器的输入级连接电压输入端，所述运算放大电路是由多个低压器件构成的标准运放电路，该运放电路分别连接电压输入端、高压端和浮地端，且其两端间最大压差通过所述钳位电路进行钳制，所述恒流源为电路提供恒定的电流，其包括恒流源I1、恒流源I2和恒流源I3，恒流源I1设置在浮地端，恒流源I2设置在高压端，恒流源I3设置在输出端。本发明用低成本，实现了高精度，宽范围的电压采样跟随通用电路，可以广泛应用于高压宽范围电压跟随器领域。

Description

一种宽输入电压的高精度电压跟随器
技术领域
本发明涉及一种宽输入电压的高精度电压跟随器，属于微电子技术领域。
背景技术
在高电压输入情况下，比如在新能源汽车及其他工业领域，在电源电压为6到40伏，要实现对一个输入范围很宽的电压进行高精度的跟踪并且输入到电路内部方便后续处理，特别是在电池管理***中(BMS)，需要高精度的实现高电压的采样输入，而由于新能源汽车的电池是由多节电池串联而成，串联电池的电压根据节数的不同，会使需要检查的电压有很大的变化范围。因此，高精度宽范围的电压跟随器就成为必需。
由于现有的集成电路中的MOS器件一般栅源电压(Vgs)就在5V或者以下，当输入电压大于5V的时候，普通的由运算放大器构成的电压跟随器(buffer)电路就不能满足要求了。为了实现对高压的检测，也可对被检测的高压进行电阻串分压处理为适当的低电压，进而用低压的器件构成的电压跟随器来处理，但使用分压电阻，不仅影响跟随器精度，而且会使被采样电路损失额外电流，改变被采样电压的负载情况，从而影响电压采样精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现宽范围高精度的高压电压采样的电压跟随器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其包括耐高压的NMOS管M10、耐高压的NMOS管M11、运算放大电路、钳位电路和恒流源，所述NMOS管M10为电压跟随器的输出级连接电压输出端，NMOS管M11为电压跟随器的输入级连接电压输入端，所述运算放大电路是由多个低压器件构成的标准运放电路，该运放电路分别连接电压输入端、高压端和浮地端，且其两端间最大压差通过所述钳位电路进行钳制，所述恒流源为电路提供恒定的电流，其包括恒流源I1、恒流源I2和恒流源I3，所述恒流源I1设置在浮地端，恒流源I2设置在高压端，恒流源I3设置在输出端。
进一步的，所述运算放大电路是由低压场效应管M1，M2，M3，M4，M5，M9和M12构成的标准运放电路，其中场效应管M1、M2、M5和M9为PMOS管，场效应管M3、M4和M12为NMOS管；PMOS管M5和M9的源极通过恒流源I2连接高压端VB，NMOS管M3、M4和M12的源极分别连接浮地端Vlow和恒流源I1。
进一步的，所述恒流源I1的输入端连接浮地端Vlow，输出端接地；所述恒流源I2的输入端连接高压端VB，输出端连接；所述恒流源I3的输入端连接NMOS管M10的源极，输出端接地。
进一步的，所述恒流源I1为60uA，恒流源I2为40uA，恒流源I3为10uA。
进一步的，所述PMOS管M9的栅极连接PMOS管M5的栅极、漏极连接NMOS管M10的栅极以及NMOS管M12的漏极，所述PMOS管M5的漏极连接PMOS管M1和M2的源极，PMOS管M1和M2的漏极分别连接NMOS管M3和M4漏极，且PMOS管M1的栅极连接电压输入端，PMOS管M2的栅极连接电压输出端。
进一步的，所述钳位电路由NMOS管M6，M7和M8通过栅极漏极相连的方式组成，且NMOS管M6的源端和NMOS管M8的源端分别连接在恒流源I1的输入端和恒流源I2的输出端。
进一步的，所述PMOS管M1、M2、M5、M8和M9为3.3V的PMOS器件，所述NMOS管M3、M4、M6、M7和M12为3.3V的NMOS器件。
进一步的，所述钳位电路两端的浮动电源端Vhigh和浮地端Vlow之间的最大电压差不超过3.3V。
进一步的，所述NMOS管M10的漏极连接高压端VB，源极连接电压输出端和恒流源I3的输入端。
进一步的，所述NMOS管M11的栅极连接电压输入端，源极连接浮地端Vlow，漏极连接高压端VB。
与现有技术相比，本发明的如下有益效果：
本发明使用低压常规MOS器件(3.3V器件)实现了宽范围高精度的高压电压采样，解决了全部使用高压特殊器件带来的成本和精度损失。而且不需要从被采样电压处分流电流，解决了用电阻分压结构采样的不足，并且提供了比电阻分压结构宽的多的电压采样跟随范围。
本发明用低成本，实现了高精度，宽范围的电压采样跟随通用电路，可以广泛应用于高压宽范围电压跟随器领域。比如在新能源汽车电池管理***中(BMS)，经过本发明提出的采样跟随电路输出的电压，就可以被后续电路自由的处理(比如，进行电阻分压处理)，而不会影响到被采样电压。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其包括耐高压的NMOS管M10、耐高压的NMOS管M11、运算放大电路、钳位电路和恒流源，所述NMOS管M10为电压跟随器的输出级连接电压输出端，NMOS管M11为电压跟随器的输入级连接电压输入端，所述运算放大电路是由多个低压器件构成的标准运放电路，该运放电路分别连接电压输入端、高压端和浮地端，且其两端间最大压差通过所述钳位电路进行钳制，所述恒流源为电路提供恒定的电流，其包括恒流源I1、恒流源I2和恒流源I3，所述恒流源I1设置在浮地端，恒流源I2设置在高压端，恒流源I3设置在输出端。
本实施例中，所述运算放大电路是由低压场效应管M1，M2，M3，M4，M5，M9和M12构成的标准运放电路，其中场效应管M1、M2、M5和M9为PMOS管，场效应管M3、M4和M12为NMOS管；PMOS管M5和M9的源极通过恒流源I2连接高压端VB，NMOS管M3、M4和M12的源极分别连接浮地端Vlow和恒流源I1。
本实施例中，所述恒流源I1为60uA，恒流源I2为40uA，恒流源I3为10uA。恒流源I1的输入端连接浮地端Vlow，输出端接地；恒流源I2的输入端连接高压端VB，输出端连接；恒流源I3的输入端连接NMOS管M10的源极，输出端接地。
本实施例中，所述钳位电路由NMOS管M6，M7和M8通过栅极漏极相连的方式组成，且NMOS管M6的源端和NMOS管M8的源端分别连接在恒流源I1的输入端和恒流源I2的输出端。钳位电路两端的浮动电源端Vhigh和浮地端Vlow之间的最大电压差不超过3.3V。
本电路原理如下：
低压器件M1，M2，M3，M4，M5，M9和M12构成典型的运算放大电路。其中M1和M2为3.3V的PMOS器件，M5，M8和M9为3.3V的PMOS器件。M3，M4和M6，M7及M12为3.3V的NMOS器件。
M10是一个高漏源电压(VDS)的NMOS管，其VDS电压可以承受VB到GND的电压差，M10为这个电压跟随器(buffer)的输出级。
M11是一个高漏源电压(VDS)的NMOS管，其VDS电压可以承受VB到GND的电压差。
M8，M7，M6及恒流源I2和恒流源I1决定运放电路的浮动电源(Vhigh)和浮动地(Vlow)的最大电压差。I1和I2构成该运放电路的浮动电源和地，它们之间(浮动电源Vhigh和浮动地Vlow)的最大电压差不超过VGS8+VGS7+VGS6，大约为3.3V。
当输入(input)电压低于VLow电压和VthM11(VthM11是M11器件的阈值电压)之和时，器件M11不会导通，又由于I1＝60uA>I2＝40uA，恒流源I1会使Vlow电压向地(GND)电位趋近，直到I1电流减小到和I2电流一样时，VLow电压基本为地(GND)电位。整个运放可以正常的工作。
当输入(input)电压高于VLow电压和VthM11(VthM11是M11器件的阈值电压)之和时，器件M11导通，当输入电压继续增加使IM11(IM11是M11中流过的电流)和I2之和为I1时(IM11+I2＝I1)，VLow电压就会跟随输入电压增加而增加，而且由于M1，M2，M3，M4，M5和M9，M12构成典型的运算放大电路的作用，Vout电压会精确的跟随输入(input)电压。
即使输入电压快接近VB电压，整个跟随器(buffer)仍然可以工作。M10还可以对后续电路提供大电流驱动。总之该电路可以在很宽的范围内，对输入电压进行精确的跟踪。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：包括耐高压的NMOS管M10、耐高压的NMOS管M11、运算放大电路、钳位电路和恒流源，所述NMOS管M10为电压跟随器的输出级连接电压输出端，NMOS管M11为电压跟随器的输入级连接电压输入端，所述运算放大电路是由多个低压器件构成的标准运放电路，该运放电路分别连接电压输入端、高压端和浮地端，且其两端间最大压差通过所述钳位电路进行钳制，所述恒流源为电路提供恒定的电流，其包括恒流源I1、恒流源I2和恒流源I3，所述恒流源I1设置在浮地端，恒流源I2设置在高压端，恒流源I3设置在输出端。
2.根据权利要求1所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述运算放大电路是由低压场效应管M1，M2，M3，M4，M5，M9和M12构成的标准运放电路，其中场效应管M1、M2、M5和M9为PMOS管，场效应管M3、M4和M12为NMOS管；PMOS管M5和M9的源极通过恒流源I2连接高压端VB，NMOS管M3、M4和M12的源极分别连接浮地端Vlow和恒流源I1。
3.根据权利要求2所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述恒流源I1的输入端连接浮地端Vlow，输出端接地；所述恒流源I2的输入端连接高压端VB，输出端连接；所述恒流源I3的输入端连接NMOS管M10的源极，输出端接地。
4.根据权利要求1或3所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述恒流源I1为60uA，恒流源I2为40uA，恒流源I3为10uA。
5.根据权利要求2所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述PMOS管M9的栅极连接PMOS管M5的栅极、漏极连接NMOS管M10的栅极以及NMOS管M12的漏极，所述PMOS管M5的漏极连接PMOS管M1和M2的源极，PMOS管M1和M2的漏极分别连接NMOS管M3和M4漏极，且PMOS管M1的栅极连接电压输入端，PMOS管M2的栅极连接电压输出端。
6.根据权利要求2所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述钳位电路由NMOS管M6，M7和M8通过栅极漏极相连的方式组成，且NMOS管M6的源端和NMOS管M8的源端分别连接在恒流源I1的输入端和恒流源I2的输出端。
7.根据权利要求6所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述PMOS管M1、M2、M5、M8和M9为3.3V的PMOS器件，所述NMOS管M3、M4、M6、M7和M12为3.3V的NMOS器件。
8.根据权利要求6所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述钳位电路两端的浮动电源端Vhigh和浮地端Vlow之间的最大电压差不超过3.3V。
9.根据权利要求1所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述NMOS管M10的漏极连接高压端VB，源极连接电压输出端和恒流源I3的输入端。
10.根据权利要求1所述的一种宽输入电压的高精度电压跟随器，其特征在于：所述NMOS管M11的栅极连接电压输入端，源极连接浮地端Vlow，漏极连接高压端VB。
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