CN213934003U - 一种电流测量电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电流测量电路，包括：采样电阻、第一至第六电阻、第一至第三运算放大器、滤波器、模数转换器和双通道模拟开关，采样电阻连接输入电源和第一电阻，另一端连接待测芯片和第一运算放大器正输入端，第一运算放大器负输入端连接其输出端和第二电阻，第二电阻连接第二运算放大器负输入端和第二通道第一端，第一电阻连接第二运算放大器正输入端和第一通道第一端，第二运算放大器输出端连接第三运算放大器正输入端、第五电阻和第六电阻，第三运算放大器负输入端连接其输出端和滤波器，滤波器连接数模转换器；第三电阻连接第一通道第三端，第四电阻连接第一通道第二端；第五电阻连接第二通道第三端，第六电阻连接第二通道第二端。

Description

一种电流测量电路

技术领域

本实用新型涉及电流测量技术领域，尤其涉及一种增益可变的高精度电流测量电路。

背景技术

目前，随着消费电子和可穿戴设备技术往小型化、长续航方向发展，对其中应用到的各种芯片和传感器的工作电流和深睡眠电流(待机电流)有着严格的要求，使芯片或传感器电流(或功耗)的测量技术应用越来越广泛。如指纹识别、触摸屏控制和蓝牙等芯片量产时都需要进行电流的测试。传统的电流测量方法主要有以下几种：

1、在芯片电源引脚与供电电源之间串联电阻，通过模数转换器(ADC)测量电阻两端的电压之差除以电阻值计算出电流大小。在测量工作电流时由于电流较大，需要串联阻值较小的电阻，以免影响芯片的供电，导致无法正常工作，而在测量深睡眠电流时由于电流较小，需要串联阻值较大的电阻，以免电阻两端压差太小导致ADC无法分辨，这种方法在芯片只在一种功耗模式下工作时，即只测量一种功耗时较为方便，但两种阻值的电阻切换较为困难，难以做到自动测量工作功耗与深睡眠功耗，进而影响芯片的量产效率。

2、采用专用电流测量方案。这种方案采用固定阻值大小，且阻值小的采样电阻，提供可编程增益，测量电流范围广、精度高，但价格较贵、供电电压高、不适应低供电电压测量环境。

实用新型内容

本说明书实施方式的目的在于提供一种电流测量电路，旨在提供一种方法简单、精度高、测量范围广、增益可变、成本较低和适应低供电电压环境的芯片电流测量电路，测量范围可从最小5μA到最高40mA，既能测量芯片工作电流，又能测量芯片深睡眠电流。

本申请一实施例中提供一种电流测量电路，包含采样电阻、第一至第六电阻、第一至第三运算放大器、滤波器、模数转换器和双通道模拟开关，所述双通道模拟开关包括第一通道和第二通道，其中：

所述采样电阻的一端连接输入电源和所述第一电阻的一端，所述采样电阻的另一端连接待测芯片和所述第一运算放大器的正输入端，所述第一运算放大器的负输入端连接其输出端和所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述第二运算放大器的负输入端和所述第二通道的第一端，所述第一电阻的另一端连接所述第二运算放大器的正输入端和所述第一通道的第一端，所述第二运算放大器的输出端连接所述第三运算放大器的正输入端和所述第五电阻和所述第六电阻，所述第三运算放大器的负输入端连接其输出端和所述滤波器，所述滤波器连接所述数模转换器；

所述第三电阻连接所述第一通道的第三端，所述第四电阻连接所述第一通道的第二端；

所述第五电阻连接所述第二通道的第三端，所述第六电阻连接所述第二通道的第二端；

所述第一通道的第四端连接第一选择信号，所述第二通道的第四端连接第二选择信号。

优选的，所述采样电阻阻值的取值范围为10Ω至100Ω。

优选的，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等，阻值的取值范围为1KΩ至5KΩ。

优选的，所述第三电阻和所述第五电阻的阻值相等，阻值的取值范围为10KΩ至50KΩ。

优选的，所述第四电阻和所述第六电阻的阻值相等，阻值的取值范围为300KΩ至500KΩ至。

优选的，所述滤波器包括第七电阻和电容，所述第七电阻的一端连接所述第三运算放大器的输出端，另一端连接所述模数转换器和所述电容，所述电容的另一端连接地端，所述第七电阻的取值范围为1KΩ至5KΩ，所述电容的取值范围为1μF至10μF。

优选的，所述第一通道还包括第五端和第六端，所述第五端为电源端，所述第六端为接地端。

优选的，所述第二通道还包括第五端和第六端，所述第五端为电源端，所述第六端为接地端。

相对于现有技术，本实用新型至少具有以下有益效果：

1.本实用新型中的运算放大器为精密轨至轨运放，采用2.2V至5.5V低供电电压的ADA4528，适应低供电电压环境，且精度高，噪声小。

2.本实用新型在采样电阻输出端与第二电阻之间使用第一运算放大器的电压跟随器隔离，防止当电流采样电阻输出端电压高于第二运算放大器输出端时电流从采样电阻输出端流往第二运算放大器输出端，和第二运算放大器输出端电压高于采样电阻输出端电压时电流从第二运算放大器输出端流往电流采样电阻输出端造成电流测量误差，保证电流测量精度。

3.本实用新型通过TMUX1136双通道精密模拟开关切换反馈电阻的大小实现运放增益(放大倍数)可变。

4.本实用新型使用价格低、精度高的16位模数转换器ADS1113采集测量数据，以少量的元器件实现了5μA至40mA宽范围电流的测试。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中电流采样电路的示意图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

以下依本实用新型的不同特征举出数个不同的实施例。本实用新型中特定的元件及安排是为了简化，但本实用新型并不以这些实施例为限。为简明起见，本实用新型在不同例子中以重复的元件符号及/或字母表示，但不代表所述各实施例及/或结构间具有特定的关系。

本申请一实施例中提供一种电流测量电路，图1是本申请一实施例中的电流测量电路的示意图，该电路包含采样电阻Rsense、第一至第六电阻R1至R6、第一至第三运算放大器OPA1至OPA3、滤波器、模数转换器ADC1和双通道模拟开关MUX1，所述双通道模拟开关MUX1包括第一通道MUX1_chanel1和第二通道MUX1_chanel2。

所述采样电阻Rsense的一端连接输入电源POWER_IN和所述第一电阻R1的一端，所述采样电阻Rsense的另一端连接待测芯片DUT1和所述第一运算放大器OPA1的正输入端，所述第一运算放大器OPA1的负输入端连接其输出端和所述第二电阻R2的一端，所述第二电阻R2的另一端连接所述第二运算放大器OPA2的负输入端和所述第二通道MUX1_chanel2的第一端D1，所述第一电阻R1的另一端连接所述第二运算放大器OPA2的正输入端和所述第一通道MUX1_chanel1的第一端D2，所述第二运算放大器OPA2的输出端连接所述第三运算放大器OPA3的正输入端、所述第五电阻R5的一端和所述第六电阻R6的一端，所述第三运算放大器OPA3的负输入端连接其输出端和所述滤波器，所述滤波器连接所述数模转换器ADC1。在一个实施例中，所述滤波器包括第七电阻R7和电容C1，所述第七电阻R7的一端连接所述第三运算放大器OPA3的输出端，另一端连接所述模数转换器ADC1和所述电容C1，所述电容C1的另一端连接地端GND。在一个实施例中，所述第七电阻R7的取值范围为1KΩ至5KΩ，优选的，1KΩ，所述电容C1的取值范围为1μF至10μF，优选的，1μF。

所述第三电阻R3的一端连接所述第一通道MUX1_chanel1的第三端S1B，另一端连接地端GND。所述第四电阻R4的一端连接所述第一通道MUX1_chanel1的第二端S1A，另一端连接地端GND。

所述第五电阻R5的另一端连接所述第二通道MUX1_chanel2的第三端S2B，所述第六电阻R6的另一端连接所述第二通道MUX1_chanel2的第二端S2A。

所述第一通道MUX1_chanel1的第四端SEL1连接第一选择信号，用于实现增益控制(GAIN CTRL)，所述第二通道MUX1_chanel1的第四端SEL2连接第二选择信号，用于实现增益控制(GAIN CTRL)。

在一个实施例中，所述第一通道MUX1_chanel1还包括第五端和第六端，所述第五端为电源端VDD，所述第六端为接地端GND。

在一个实施例中，所述第二通道MUX1_chanel2还包括第五端和第六端，所述第五端为电源端VDD，所述第六端为接地端GND。

在一个实施例中，所述采样电阻Rsense阻值的取值范围为10Ω至100Ω。优选的，采样电阻Rsense阻值取10Ω。

在一个实施例中，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的阻值相等，阻值的取值范围为1KΩ至5KΩ。优选的，第一电阻R1和第二电阻R2阻值取1KΩ。

在一个实施例中，所述第三电阻R3和所述第五电阻R5的阻值相等，阻值的取值范围为10KΩ至50KΩ。优选的，第三电阻R3和第五电阻R5阻值取10KΩ。

在一个实施例中，所述第四电阻R4和所述第六电阻R6的阻值相等，阻值的取值范围为300KΩ至500KΩ。优选的，第四电阻R4和第六电阻R6阻值取300KΩ。

本申请中，通过控制双通道模拟开关MUX1的SEL1和SEL2引脚电平可以切换反馈电阻，选择放大倍数，实现增益可变。

下面以图1为示例说明电流采样的过程。应当理解，以下描述仅为了详细说明，而不对本申请进行限定。

本实施例中，精密采样电阻Rsense精度为0.1％，阻值为10Ω，精密电阻R1和R2精度为0.1％，阻值为1KΩ，运算放大器OPA1、OPA2和OPA3为精密轨至轨运放OPA1、OPA2和OPA3，精密电阻R3和R5精度为0.1％，阻值为10KΩ，精密电阻R4和R6精度为0.1％，阻值为300KΩ，精密电阻R7阻值为1KΩ，电容C1容值为1μF。

在一实施例中，精密轨至轨运放OPA1、OPA2和OPA3的型号可以为ADA4528。精密模拟开关MUX1的型号可以为TMUX1136。模数转换器ADC1的型号可以为ADS1113。

采样电阻Rsense输入端连接供电电源，输出端连接被测芯片DUT1的VDD引脚，电阻R1连接Rsense输入端，用于采集Rsense输入端电压，另一端与精密运放OPA2同相端和精密模拟开关的一通道MUX1_chanel1的D1引脚相连接。通过将MUX1_chanel1的SEL1引脚置高电平，可选择D1引脚与S1A引脚导通，经过电阻R4接地，通过将MUX1_chanel1的SEL1置低电平，可选择D1引脚与S1B引脚导通，经过电阻R3接地。精密运放OPA1同相端连接Rsense的输出端，用于采集Rsense输出端电压，OPA1反相端直接连接OPA1输出端用作电压跟随器，OPA1输出端再与电阻R2一端相连，电阻R2另一端与精密运放OPA2反相端和精密模拟二通道MUX1_chanel2的D2引脚相连接，通过将MUX1_chanel2的SEL2引脚置高电平，可选择D2引脚与S2A引脚导通，经过电阻R6与OPA2的输出端相连，通过将MUX1_chanel2的SEL2引脚置低电平，可选择D2引脚与S2B引脚导通，经过电阻R5与OPA2的输出端相连，形成一个反馈电阻可选的差分放大电路，用于放大Rsense两端的压差。运放OPA2的输出端连接精密运放OPA2的同相输入端，OPA3的反相输入端与其输出端短接，用作电压跟随器。

电阻R7与C1形成RC滤波电路，OPA3输出端经过RC滤波电路与模数转换器ADC1输入端相连接，由ADC1对测量结果进行采样。

对运算放大器OPA1、OPA2、OPA3，双通道模拟开关MUX1和模数转换器ADC1均采用5V供电。模数转换器ADC1为16位，使用内部参考电压4.096V，可测量范围为-4.096V～+4.096V，分辨率＝(4.096V-(-4.096V))/(2¹⁶)＝125μV，Iload为芯片正常工作或深睡眠时的消耗的电流。

设采样电阻Rsense输入端电压为V1，Rsense输出端电压为V2，设运算放大器OPA2输出端电压为Vout1，运算放大器OPA3输出端电压为Vout2，运算放大器OPA2用于对采集的Rsense两端电压差进行放大，即对(V1-V2)进行放大，放大输出结果为Vout1，Vout1经运算放大器OPA3后输出为Vout2，Vout2＝Vout1。

若测量毫安(mA)级电流，SEL1与SEL2同时置低电平，电阻R3和R5被选择为反馈电阻，根据差分运放公式

Vout1＝V1*(R3/(R1+R3))*((R5+R2)/R2)-V2*(R5/R2)

可知，由于运算放大器R3与R5阻值相等均为10K，公式可简化为

Vout1＝(V1-V2)*(R5/R2)，

此时放大倍数为R5/R2＝10/1＝10倍，输出结果Vout1＝(V1-V2)*10。

若测量微安(μA)级电流，SEL1与SEL2同时置高电平，电阻R4和R6被选择为反馈电阻，根据差分运放公式

Vout1＝V1*(R4/(R1+R4))*((R6+R2)/R2)-V2*(R6/R2)

可知，由于R4与R6阻值相等均为300K，公式可简化为

Vout1＝(V1-V2)*(R6/R2)，

此时放大倍数为R6/R2＝300/1＝300倍,输出结果Vout1＝(V1-V2)*300。

之后，Vout1经运算放大器OPA3后输出为Vout2，经过RC滤波电路滤波后输出到ADC1输入端。

再以测量电流范围下限5μA和上限40mA为例：通过欧姆定律可知，采样电阻Rsense上电流Iload＝Rsense两端压差(V1-V2)/Rsense阻值，根据ADC1采样到的Vout2值可以反推出Iload电流值大小。若采样电阻Rsense上电流为10μA时，采样电阻Rsense两端压差(V1-V2)＝5μA*10Ω＝50μV，通过对SEL1与SEL2同时置高电平放大300倍，Vout1输出15mV。若采样电阻Rsense上电流为40mA时，采样电阻Rsense两端压差(V1-V2)＝40mA*10Ω＝400mV，通过SEL1与SEL2同时置低电平放大10倍，Vout1输出为4V，两种情况都在ADC1的测量量程之内，可根据被测电流大小选择合适放大倍数。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电流测量电路，其特征在于，包含采样电阻、第一至第六电阻、第一至第三运算放大器、滤波器、模数转换器和双通道模拟开关，所述双通道模拟开关包括第一通道和第二通道，其中：

所述采样电阻的一端连接输入电源和所述第一电阻的一端，所述采样电阻的另一端连接待测芯片和所述第一运算放大器的正输入端，所述第一运算放大器的负输入端连接其输出端和所述第二电阻的一端，所述第二电阻的另一端连接所述第二运算放大器的负输入端和所述第二通道的第一端，所述第一电阻的另一端连接所述第二运算放大器的正输入端和所述第一通道的第一端，所述第二运算放大器的输出端连接所述第三运算放大器的正输入端、所述第五电阻和所述第六电阻，所述第三运算放大器的负输入端连接其输出端和所述滤波器，所述滤波器连接所述数模转换器；

所述第三电阻连接所述第一通道的第三端，所述第四电阻连接所述第一通道的第二端；

所述第五电阻连接所述第二通道的第三端，所述第六电阻连接所述第二通道的第二端；

所述第一通道的第四端连接第一选择信号，所述第二通道的第四端连接第二选择信号。

2.根据权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述采样电阻阻值的取值范围为10Ω至100Ω。

3.根据权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相等，阻值的取值范围为1KΩ至5KΩ。

4.根据权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述第三电阻和所述第五电阻的阻值相等，阻值的取值范围为10KΩ至50KΩ。

5.根据权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述第四电阻和所述第六电阻的阻值相等，阻值的取值范围为300KΩ至500KΩ至。

6.根据权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述滤波器包括第七电阻和电容，所述第七电阻的一端连接所述第三运算放大器的输出端，另一端连接所述模数转换器和所述电容，所述电容的另一端连接地端，所述第七电阻的取值范围为1KΩ至5KΩ，所述电容的取值范围为1μF至10μF。

7.根据权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述第一通道还包括第五端和第六端，所述第五端为电源端，所述第六端为接地端。

8.根据权利要求1所述的电流测量电路，其特征在于，所述第二通道还包括第五端和第六端，所述第五端为电源端，所述第六端为接地端。

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