JPH0350762A - 電流検出回路 - Google Patents

電流検出回路

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JPH0350762A
JPH0350762A JP18469389A JP18469389A JPH0350762A JP H0350762 A JPH0350762 A JP H0350762A JP 18469389 A JP18469389 A JP 18469389A JP 18469389 A JP18469389 A JP 18469389A JP H0350762 A JPH0350762 A JP H0350762A
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JP
Japan
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current
current detection
detection circuit
diffusion layer
power mos
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JP18469389A
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Yoshizo Sugie
杉江 由三
Takeaki Okabe
岡部 健明
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Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Japan Display Inc
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Hitachi Device Engineering Co Ltd
Hitachi Ltd
Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はモーターやランプ・ソレノイド等の電力負荷を
駆動するためのハイサイドまたはHブリッジ回路に係り
、特にパワーロスが無くかつ温度依存性が小さい高耐圧
・大電流出力素子の電流検出回路に関する。
〔従来の技術〕
本発明に関連する公知例としては、A HighPer
formance  Monolithic  0MO
5Bridge  for  MotorDrive 
M、IZADINIA at al PCIM ’88
 PROCIEEDINGS。
p32−p40,1988を挙げることができる。
従来、高耐圧パワーMOSトランジスタの電流検出回路
については、上記論文PCIM ’88PROCHHD
INGSにおいて報告されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記従来技術を第2図に示す。電力負荷を駆動するため
のパワーMOS(Ms)の電流を検出するために同一構
造の小面積電流センス用M OS (Me)を作り、当
該センス電流IsはバイポーラトランジスタQ工とQz
、Qsのカレントミラーを介して取り出している。駆動
用パワーMOS(Ms)と電流センス用MOS(Me)
のセル数の比は3000:2であるため、負荷電流の大
部分は駆動用パワー M OS (M Fl)を流れ、
電流検出回路でのパワーロスはほとんど生じない。また
、センス電流Isはカレントミラー回路を介して取り出
しているため、電流センス用MOS(Me)のゲート・
ソース間電圧は駆動用パワーMOS(M8)のゲート・
ソース間電圧と等しくなり、検出精度の良いパワーMO
3FETの電流検出回路が提供できる。しかしながら、
駆動用パワーMOS(Ms)の電流は電流センス用MO
S(Me)の電流を単純に定数倍して求め苦め、駆動用
パワーM OS (Ms)と電流センス用M OS (
Me)との間に特性バラツキがあると、それが電流検出
回路の精度を低下されてしまうという問題があった。ま
た、センス電流1sはpnpトランジスタQt* Qz
、Qsを介して取り出しており、前記pnp )’ラン
ジスタは逆方向に電流が流れないため、パワーMOSの
内蔵ダイオードを通して流れる回生電流を直接検出する
ことができないという問題があった。
本発明の目的はパワーロスが無くかつ温度依存性が小さ
い高精度な電流検出回路を提供することにある。また、
パワーMOSの内蔵ダイオードによる回生電流も直接検
出可能な電流検出回路を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、出力パワー素子の電流検出
を当該パワー素子の電流通路であるN+子基板たはN÷
埋込拡散層の電位変化の検出によって行なった。
また、特にHブリッジ回路において、上側(電源側)出
力素子の半導体基板または埋込拡散層間の電圧を比較し
、その比較電圧を検出することによって出力パワー素子
の電流検出を行なった。
〔作用〕
出力パワーMOSの負荷電流を電流センス用MOSを用
いて検出した場合、出力パワーMOSと電流センス用M
OSの特性バラツキによって電流検出の精度が低下して
しまう可能性がある。これに対し、出力パワーMOSの
電流を当該素子のN子基板またはN十埋込拡散層の電位
変化の検出により行なえば、出力パワーMOSの全電流
は前記N子基板またはN十埋込拡散層を通過するため、
パワーロスが無くかつ出力パワーMO5の全電流が直接
検出可能な電流検出回路が提供できる。しかも、N子基
板またはN十埋込拡散層は高濃度層であるため、温度依
存性の小さい電流検出回路が提供できる。
また、Hブリッジ回路においてモータやソレノイド等の
誘導性電力負荷を駆動する場合、出力パワーMOSの内
蔵ダイオードに回生電流が流れる場合がある。ここで上
側パワーMOSの内蔵ダイオードに回生電流が流れると
きに、上側パワーMO5の半導体基板または埋込拡散層
間の電圧比較を行なえば、出力パワーMOSの内蔵ダイ
オード電流も直接検出可能な電流検出回路を提供できる
〔実施例〕
以下、本発明を図面に示す実施例により詳述する。第1
図に本発明の第1の実施例を示す、第1図(a)は高耐
圧パワーMOSの断面図である。
当該素子のドレインはオン抵抗を小さくするために金属
電極1を用いて下から取り出しており、前記パワーMO
Sのドレイン電流は金kA電極1とN子基板2とN形エ
ピタキシャル層3を通ってソース電極に達する。このた
め、深いN十拡散層4を介して半導体表面に取り出した
電位VsはN子基板抵抗RNSυBと当該パワーMOS
のドレイン電流の積により決まるため、この電位Vsを
検出することにより当該パワーMOSのドレイン電流を
検出することができる。ここで電位Vsは当該パワーM
SOの基板電位を取り出したものであり、本電流検出回
路では原理的にパワーロスがなく全負荷電流を直接検出
することができる。またN子基板の不純物濃度は高濃度
であるため当該基板抵抗の温度係数は非常に小さく、温
度依存性がほとんどない電流検出回路となる。第1図(
b)はHブリッジ回路における電流検出回路の構成図で
ある。出力用パワーMOS (Mz、 Mz+ Mse
 Ma)をH型に構成し、モータMf&駆動する。ここ
で、ダイオードof、Dz、Uδ、D4はそれぞれパワ
ーMOS (Mst M2# Ma9M4)の内蔵ダイ
オードであり、Hブリッジ回路の負荷電流を検出するた
めに上側パワーM OS (M z * Ma)のN十
基板世位Vs工とVS21を電圧比較回路100で比較
する。
Hブリッジ回路では、一方のパワーM OS (M 1
 。
M a )がオンしているときには他方のパワーMO5
(MztMδ)は通常オフしている。たとえば、Ml。
MAがオンでM z g Maがオフの場合を考える一
M 11M4にはドレイン電流ID1が流れるためMl
の電位Vslは電源電圧Vooよりl DI−RNsu
nだけ低い電位になっている。これに対しMl、Maに
はドレイン電流が流れないため、Maの電位’Vs+は
V[)Dのままであり両者の電位差はIozに比例する
。すなわち、 (Vsa −Vsz) = Voo−(Voo −I 
os eRNsua)= I OA RNSUB ここで検出精度の高い電流検出回路を得るには、出力パ
ワーMOSがオフしている時の基板電位Vsに等しい電
圧を電圧比較回路100の基準電圧として設定しなけれ
ばならない6本発明で示したように、Hブリッジ回路の
他方の上側パワーMOSのVs It位を電圧比較回路
100の基準電圧として使用すれば、部品点数の少ない
高精度なHブリッジ回路用の電流検出回路を得ることが
できる。またHブリッジ回路において、たとえばMzが
常時オン、Mz、Msが常時オフでM4がオンリオフに
変化したときには、電流はMxのドレインからソースを
通り、Maのソースからドレインを通過して電源Von
に戻る。すなわちパワーMSO(M+s)はその内蔵ダ
イオードD8に電流が流れる。しかし、電位差(Vsa
−Vsz)はこの時゛ ン入 にも検出することができるので、パワーMOSの内蔵ダ
イオードに流れる電流も検出することになる。このため
本実施例によれば、パワーロスがなくかつ温度依存性も
ほとんどない状態でパワーMOSの負荷電流を検出でき
る。また、Hブリッジ回路において出力用パワーMOS
の″電流が順方向、逆方向とも検出可能な部品点数の少
ない電流検出回路を提供できる6 第3図は本発明の第2の実施例であり、第3図(a)は
電圧比較回路100をバイポーラ型差動増幅器で構成し
たものである。パワーMOSの基板電圧Vst* Vs
aは電圧比較回路100の入力端子に接続されており、
両人方間の電圧差を差動トランジスタQIOf とQt
oaで比較している。センス電流15ErisE工と1
 gENsEsはQ104 とQ108およびQ 1o
oとQ107のカレントミラーによりトランジスタQI
OIとQxosのコレクタ電流に等しい電流を取り出し
た。ここでQzoaとQloI5はダイオード接続され
ているので、トランジスタQ1o1とQzoaが飽和領
域にならないようにするためにQ100とQ101およ
びQ hotとQ tonをカスケード接続した。なお
、本差動増幅器の出力電流特性はバイアス電流II!a
とエミッタ抵抗REにより調整できる。第3図(b)は
パワーMOSのN子基板抵抗およびN十貫通拡散層抵抗
またはN十埋込拡散層の抵抗RNを20mΩ、電源電圧
VD+)を12■、バイアス電流Iggを100μA、
エミッタ抵抗Rεを2にΩとしたときの、本電流検出回
路の負荷電流(ID1)−センス電流(Is聞SE1*
I 5pssaa)特性の計算結果である。ただし、パ
ワーM OS (Ma)はオフとした0本計算結果より
、負荷電流(Ioi)が−1,OAからIOAの範囲に
わたり直線性のよいセンス電流特性を得ることができる
。特に、本差動増幅器の入力段トランジスタは2段とな
っているため入力電流は非常に小さくなり、パワーMO
Sの負荷電流が数Aの範囲にわたるものであれば、第3
図(c)のように本差動増幅器の一方の入力端子を電源
電圧Vooに接続しても十分精度のよい電流検出回路が
得られる。
孕ψため、N・基板抵抗を複数のMOSFETが共有し
ているパワーMOSIGの電流検出にも適用できる0以
上本実施例によれば、直線性の優れたパワーMOS用電
流検出回路を提供することができる。
第4図は本発明の第3の実施例であり、Hブリッジ回路
における電流検出の方法である。第4図(a)に示すよ
うに、パワーMOS(Ml)がオン、パワーM OS 
(Ml、 Ms>がオフ、そしてパワーMOS(Ml)
がオンからオフに切り替わるときを考える。最初、11
1流はMtからMlを通りG N L)に流れている(
期間I)が、切り換わり時にはMlからM6の内蔵ダイ
オードL)sを抜けてt源VDnに戻る(期間TI )
。このため、第4図(b)に示すように、パワーMOS
の基板電位の差(Vst−V s s )は期間■では
Δv (= Ior * RN)に対し。
期間■では2ΔVとなる。そこで、期間Hにおける電流
検出のサンプリング周期を1期間■のサンプリング周期
の(1/2)倍とすれば、検出電流は期間■、■ともに
同一の感度で電流を検出することができる。また、第4
図(c)に示すように、電圧比較回路100の出力段ト
ランジスタQtoI!pQ logとそれぞれ並列に、
そのエミッタ面積が前記トランジスタの(1/2)倍に
等しい出力用トランジスタQzoδtQzoaを接続す
る。このため第4図(d)に示すように、センス電流I
 ’ 5ENSEIおよびI ’ SI!N5BBはI
 5Enrse工およびI 5pNspaの(1/2)
倍となる。ここでI seNsgを次式で定義すれば、 I SF!n5e= (Vaa+ I sI!N5es
)+ (Vo4@ I ’ 81!NSI!3)このセ
ンス電流I sI!ngEは期間1.11ともに等しい
電流になる。このため本実施例によれば、出力用パワー
MOSが順方向動作している期間だけでなく、当該パワ
ーMO5の内蔵ダイオードに回生電流が流れている期間
についてもHブリッジ回路の出力電流を簡単に検出する
ことができる。
第5図は本発明の第4の実施例を示す、高耐圧・大電流
パワーMOSとバイポーラまたはCMOS!1子を同一
基板上に形成した半導体装置においてハーフブリッジI
Cを構成する。ここでハーフブリッジ回路の制御回路は
バイポーラまたはCMOS素子で構成し、ハーフブリッ
ジ回路は大電流パワーMOS (Ml、 Mりで構成す
る。ここでP型分離拡散層13で囲まれた下側(接地側
)パワーMOSのドレインはN十埋込拡散層11と深い
N生鉱散層12を介して半導体装置の表面から取り出す
のに対し、上側パワーMOSのドレインはN十貫通拡散
層15とN子基板2と金属電極1を介して半導体装置の
裏面から取り出すため、上側パワーMOSのオン抵抗は
小さくなり、チップ面積の小さいICが提供できる。ま
た、上側パワーMO5は、深いN生鉱散層12を介して
N十貫通拡散層15の電位Vsを半導体装置の表面から
取り出すため、この電位Vsを検出する電流検出回路を
オンチップで構成できる。特に、前記ハーフブリッジI
Cの半導体基板または埋込拡散層電位は同一種類のハー
フブリッジICならばほぼ一致するため、両ハーフブリ
ッジICの半導体鋸板または埋込拡散M電位を比較する
ことにより当該Hブリッジ回路の出力電流を精度良く検
出することができる。このため本実施例によれば、ハイ
ブリッド型のHブリッジICにおいてチップ面積が小さ
くかつ畠精度な電流検出回路得ることができる。
第6図は本発明の第5の実施例を示す。高耐圧・大電流
パワーMOSとバイポーラまたは0MO3素子を同一基
板上に形成し、Hブリッジ回路の出力部をパワーM O
S (M1# Mse Mse M番)で構成し、当該
制御回路部をバイポーラまたはCMOS素子で構成する
。特に上側パワーMOS(Ml。
Ma)のN十埋込拡散層11の電位Vsを比較するため
に、前記電位VSを深いN生鉱散層12を介して半導体
表面から取り出しているため、電流検出回路もオンチッ
プ化できる。このため本実施例によれば、電流検出回路
を搭載したオンチップ・HブリッジICを得ることがで
きる。
第7図は本発明の第6の実施例であり、高耐圧・大電流
パワーMOSの断面図である。第7図(a)は当該パワ
ーMOSのドレインをN十貫通拡散層15とN子基板2
と金属電極1を介して半導体装置の裏面から取り出して
いる。そして。
N十貫通拡散層15のt位vsを半導体表面から取り出
すために当該パワーMOSの周辺部に深いP+拡散層1
3で囲まれた深いN生鉱散層12を形成した6本素子構
造では、深いN生鉱散層12がN型エピタキシャル層3
の電位と完全に分離できるため、N型エピタキシャル層
電位分布に関係なく、N十貫通拡散層15の電位Vsを
正確に検出できる。第7図(b)は当該パワーMO5の
ドレインをN十埋込拡散層11と深いN生鉱散層12を
介して半導体表面から取り出し、当該パワーMOSの中
央に深いN+拡散A712と深いP+拡散層13で囲ま
れた深いN生鉱散層12を形成して、N十埋込拡散層1
1の電位Vsを半導体表面から取り出している。本素子
構造において、大電流パワーMOSの耐圧を確保するよ
うにソース部のP型拡散層とVs電位端子の最外周のN
生鉱散層12の距離を保てば、N型エピタキシャル層電
位分布に関係なくN十埋込拡散層11の電位Vgを正確
に検出可能な、高耐圧・大電流パワーMOSを得ること
ができる。このため本実施例によれば、パワーMOSの
N型エピタキシャル層の瞠位分布に関係なく・当該A’
)−MOSの半纏体裁板または埋込拡散層の電位Vsを
正確に検出することができる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、出力素子の電流通路であるN子基板ま
たはN十埋込拡散層の電位変化を当該素子の電流検出に
利用しているため、パワーロスが無くかつ温度依存性が
小さい電流検出回路を提供できるという効果がある。ま
た、出力素子がパワーMOSの場合、内蔵ダイオードの
電流通路は当該パワーMO5の電流通路と同じであるた
め、パワーMOSの内蔵ダイオード電流も検出可能な電
流検出回路を提供できるという効果がある。さらに、H
ブリッジ回路の上側パワーMOSのN子基板またはN十
埋込拡散層電位間を比較して電流を検出しているため、
新たに基準電圧発生回路を作る必要がなく、部品点数の
少ない電流検出回路を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例を示すパワーMO5の断
面構造とHブリッジ回路における電流検出回路の構成図
、第2図は従来の電流検出回路、第3図は本発明の第2
の実施例を示すバイポーラ型作動増幅器を用いた電流検
出回路と人出力特性、第4図は本発明の第3の実施例を
示すHブリッジ回路における電流検出回路、第5図は本
発明の第4の実施例を示す半導体装置の断面図、第6図
は本発明の第5の実施例を示す半導体装置の断面図、第
7図は本発明の第6の実施例を示すパワーMO5の断面
図である。 1・・・金属電極、2・・・N子基板、3・・・N型エ
ピタキシャル層、4,12・・・深いN生鉱散層、5・
・・P形波散層、6・・・N膨拡散層、7・・・酸化膜
、8・・・Po1y−8iゲート、9・・・AQ電極、
11・・・N十埋込層、13・・・P層分離拡散層、1
4・・・P形エピタキシャル層、15・・・N十貫通拡
散層、16・・・P−基板、100−・・電圧比較回路
、RLl、 Mz、 Ma、 M4tMs  ・・・大
電流パワーM OS 、 Ms・・・電流センス用M 
OS 、 M? −高耐圧N M OS 、 D s 
r D 2 # D a +D4・・・大電流パワーM
OSの内蔵ダイオード、Ql。 Qze  Qs、  Q104.  QIQ61  Q
xoet  Qto7*  Qsos*Qzoe−P 
n P トランジスタ、Q4t Q3y Q100゜Q
zoi* Qtoz、 Qlos°゛0npnトランジ
スタ。 R55ua・・・N子基板抵抗、RNTH・・・N十貫
通拡散層抵抗、RNBL・・・N十埋込拡散層の抵抗、
RN・・・N子基板抵抗およびN十貫通拡散層抵抗また
はN十埋込層の抵抗、RE・・・抵抗、 Vst、 V
sz・・・大電流パワーMO5のセンス電位端子、Is
、 IggsgaxsI 5ENJIE8 t I ’
 5EINS!!1 、 I ’ agssaδ…セン
ス電流、Ixoa*p Ioz・・・負荷電流、II!
!!・・・定電流源電流。 Voo・・・電源電圧、M・・・モーター(b’) 第 ス 図 第 35!l (久) 1丙 「A」 $ 3 図 ((1) L     +   −−−−1−−1o0 葛 4 圀 (^) C′0) 第 4 図 (C) L−−−−−−−−−−−−−−−−−5−−J00 (d) r、ビし 工石箕−(を4・Is川用3戸(i 丁気r*se3) 番り (α) 図 (b)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、半導体基板または埋込拡散層の電位変化を当該素子
    の電流変化として検出することを特徴とする電流検出回
    路。 2、Hブリッジ出力回路において、電源側出力素子の半
    導体基板または埋込拡散層電位を比較することを特徴と
    する第1項記載の電流検出回路。 3、入力段トランジスタがカスケード接続されたバイポ
    ーラ型差動増幅器で電圧比較することを特徴とする第2
    項記載の電流検出回路。 4、特許請求第3項記載の電流検出回路において。 バイポーラ型差動増幅器の一方の入力端子が直接電源線
    に接続されていることを特徴とする第2項記載の電流検
    出回路。 5、特許請求第3項記載の電流検出回路において、出力
    用パワーMOSの内蔵ダイオードに回生電流が流れる期
    間における電流検出のサンプリング周期を、当該パワー
    MOSがオンしている期間のサンプリング周期の(1/
    2)倍とすることを特徴とする第2項記載の電流検出回
    路。 6、特許請求第3項記載の電流検出回路において、バイ
    ポーラ型差動増幅器の出力端子が複数あり、かつ各出力
    端子の出力電流の比が1:2となっていることを特徴と
    する第2項記載の電流検出回路。 7、高耐圧・大電流トランジスタとバイポーラ素子また
    はCMOS素子を同一基板上に形成した半導体装置にお
    いてハーフブリツジICを構成し、前記同一種類のハー
    フブリッジICを2個組み合わせて構成したHブリッジ
    出力回路において、前記ハーフブリッジICの半導体基
    板または埋込拡散層電位を比較することを特徴とする第
    2項記載の電流検出回路。 8、高耐圧・大電流トランジスタとバイポーラ素子また
    はCMOS素子を同一基板上に形成した半導体装置にお
    いてHブリッジICを構成し、前記出力素子の電圧変化
    を検出することを特徴とする第2項記載の電流検出回路
    。 9、半導体基板または埋込拡散層と同一導電形の拡散層
    が反対導電形拡散層で囲まれており、当該半導体基板ま
    たは埋込拡散層の電位を前記同一導電形拡散層より取り
    出すことを特徴とする第1項記載の電流検出回路。
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