TWI658278B - Current detection circuit - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電流檢測電路，可抑制因NBTI造成的差動放大器的非反相輸入端子側的PMOS電晶體的特性變化，從而電流檢測電路的輸出電壓發生反相的臨限值不會變化。在差動放大器的非反相輸入端子與反相輸入端子側的PMOS電晶體的源極之間，具備限制電壓降的電壓限制電路。

Description

電流檢測電路
本發明是有關於一種監視電流的電流檢測電路，更詳細而言，本發明是有關於一種將藉由差動放大器來對被***電源線的電阻的兩端電壓進行測定所得的結果予以輸出的電路。
對電源線的電流進行監視的做法，作為對電源線與接地線(ground line)的短路(short)、或連接於電源線的零件脫落等異常進行檢測的手段而重要。
圖3表示以往的電流檢測電路的電路圖。以往的電流檢測電路具備：電阻301，用於將流經電源線300的電流轉換為電壓；以及差動放大器320，用於放大電阻301兩端的差電壓。差動放大器320包含電阻306、電阻307、P通道金屬氧化物半導體(P channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS)電晶體(transistor)308、PMOS電晶體309、電流源310、電流源311、非反相輸入端子303、反相輸入端子302以及輸出端子304。
如上所述的電流檢測電路具有以下述方式進行動作而監視電流的功能。
當箭頭方向的電流流經電阻301時(IS=+電流)，非反相輸入 端子303較之反相輸入端子302而成為高電壓，PMOS電晶體309的源極(source)與閘極(gate)間電壓成為比PMOS電晶體308的源極與閘極間電壓大的電壓，因此輸出端子304的電壓上升，表示有+電流流經。
當電流朝與箭頭相反的方向流經電阻301時(IS=-電流)，反相輸入端子302較之非反相輸入端子303而成為高電壓，PMOS電晶體309的源極與閘極間電壓成為比PMOS電晶體308的源極與閘極間電壓小的電壓，因此輸出端子304的電壓下降，表示有-電流流經。
當電阻306與電阻307的電阻值相等，PMOS電晶體308與PMOS電晶體309的特性相等，電流源310與電流源311的電流值相等時，輸出端子304的電壓發生反相的臨限值成為電流不會流經電阻301的條件(IS=0mA)。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：美國專利第5969574號說明書
然而，該電路存在下述問題：PMOS電晶體309的特性因負偏壓溫度不穩定性(Negative Biase Temperature Instability，NBTI)而發生變化，因而導致電流檢測電路的輸出端子304的電壓發生反相的臨限值產生變化。以下對其動作進行說明。
所謂NBTI，是指下述現象，即：若相對於電晶體的基 板而持續對閘極施加負(minus)電壓，即相對於閘極而持續對基板施加正(plus)電壓，則電晶體的臨限電壓會發生變化。電壓差越大，則臨限電壓的變化越大，因此作為防止該現象的一個方法，考慮減小電壓差。
圖4表示將非反相輸入端子303的電壓設為固定電壓，將電阻301的電阻值設為RS，將流經電阻301的電流設為IS，而使IS電流變化時的動作波形。當設電阻306與電阻307的電阻值相等且為R，PMOS電晶體308與PMOS電晶體309的特性相等，電流源310與電流源311的電流值相等且為I，非反相輸入端子303的電壓為VIN+時，PMOS電晶體309的源極電壓(VS3)為VS3=(VIN+)-(I×R)
而且，若將PMOS電晶體308的源極與閘極間電壓設為VSG31，則電流IS發生變化時的PMOS電晶體308與PMOS電晶體309的閘極電壓(VG3)為VG3=(VIN+)-(IS×RS)-(I×R)-(VSG31)
根據以上，PMOS電晶體309的源極與閘極間電壓VSG32為VSG32=(VS3)-(VG3)=(IS×RS)+(VSG31)
因而，VSG32與IS的增加成比例而電壓變大。因此，具有下述課題，即：PMOS電晶體309的特性因NBTI而發生變化，從而電流檢測電路的反相的臨限值發生變化。
本發明提供一種解決所述課題的電流檢測電路。
為了解決以往的課題，本發明的電流檢測電路採用了如下所述的結構。
電流檢測電路包括感測電阻及差動放大器，所述感測電阻被設置於電源線，所述差動放大器藉由感測電阻的兩端電壓來對流經所述電源線的電流進行檢測，其中，差動放大器中，第一電阻、第一PMOS電晶體及第一電流源串聯連接於反相輸入端子與接地(GND)之間，第二電阻、第二PMOS電晶體及第二電流源串聯連接於非反相輸入端子與GND之間，第一PMOS電晶體的閘極和汲極連接於第二PMOS電晶體的閘極，第二PMOS電晶體的汲極連接於差動放大器的輸出端子，在非反相輸入端子與第一PMOS電晶體的源極之間，具備限制電壓降的電壓限制電路。
根據本發明的電流檢測電路，可根據非反相輸入端子的電壓來限制PMOS電晶體的閘極的電壓降，因此具有下述效果：抑制因NBTI造成的差動放大器的非反相輸入端子側的PMOS電 晶體的特性變化，從而電流檢測電路的反相的臨限值不會發生變化。
100、300‧‧‧電源線
101、106、107、301、306、307‧‧‧電阻
102、302‧‧‧反相輸入端子
103、303‧‧‧非反相輸入端子
104、304‧‧‧輸出端子
108、109、212、308、309‧‧‧PMOS電晶體
110、111、310、311‧‧‧電流源
112‧‧‧NMOS電晶體
120、220、320‧‧‧差動放大器
IS‧‧‧電流
R、RS‧‧‧電阻值
VG1、VG3‧‧‧閘極電壓
VIN+、VIN-、VSG11、VSG31‧‧‧電壓
Vth‧‧‧臨限電壓
圖1是第一實施形態的電流檢測電路的電路圖。
圖2是第二實施形態的電流檢測電路的電路圖。
圖3是以往的電流檢測電路的電路圖。
圖4是表示電流檢測電路的動作的波形。
以下，參照圖式來說明本實施形態。
[第1實施形態]
圖1是第一實施形態的電流檢測電路的電路圖。
第一實施形態的電流檢測電路具備作為感測(sense)電阻的電阻101以及差動放大器120。差動放大器120具備電阻106、電阻107、PMOS電晶體108、PMOS電晶體109、電流源110、電流源111以及NMOS電晶體112。
電阻101將流經電源線100的電流轉換為電壓。差動放大器120對電阻101中產生的電壓進行檢測。
電阻101將兩端連接於差動放大器120的非反相輸入端子103與反相輸入端子102。
電阻106的其中一個端子連接於反相輸入端子102，另一個端子連接於PMOS電晶體108的源極。電阻107的其中一個端子連接於非反相輸入端子103，另一個端子連接於PMOS電晶體109的源極。PMOS電晶體108的閘極和汲極(drain)連接於電流源110的其中一個端子和電晶體109的閘極。PMOS電晶體109的汲極連接於電流源111的其中一個端子和輸出端子104。NMOS電晶體112的閘極和汲極連接於非反相輸入端子103，源極連接於PMOS電晶體108的源極，基板連接於GND。
圖4表示將非反相輸入端子103的電壓設為固定電壓，將電阻101的電阻值設為RS，將流經電阻101的電流設為IS，而使IS電流變化時的動作波形。當設電阻106與電阻107的電阻值相等且為R，PMOS電晶體108與PMOS電晶體109的特性相等，電流源110與電流源111的電流值相等且為I，非反相輸入端子103的電壓為VIN+時，PMOS電晶體109的源極電壓VS1為VS1=(VIN+)-I×R
而且，若將PMOS電晶體108的源極與閘極間電壓設為VSG11，則電流IS發生變化時的PMOS電晶體108與PMOS電晶體109的閘極電壓VG1為VG1=(VIN+)-IS×RS-I×R-VSG11
根據以上，PMOS電晶體109的源極與閘極間電壓VSG12為VSG12=VS1-VG1=IS×RS+VSG11
可知的是，若電流IS增加至+，則閘極電壓VG1將下降，源極與閘極間電壓VSG12將變大。
此處，由於連接有NMOS電晶體112，因此閘極電壓VG1的電壓降受到限制。NMOS電晶體112具有使充分的電流流動的電晶體特性，若將臨限電壓設為Vth，則為VG1'=(VIN+)-Vth-VSG11
從而受該電壓限制。根據以上，PMOS電晶體109的源極與閘極間電壓VSG12為VSG12'=VS1-VG1'=Vth+VSG11-I×R
因而，防止源極與閘極間電壓VSG12即使在電流IS增加至+的情況下，亦與電流IS無關地成為固定值以下的電壓。
因而，抑制因NBTI造成的差動放大器的PMOS電晶體109的特性變化，因此電流檢測電路使輸出電壓VOUT反相的臨 限值不會發生變化。另一方面，在電流IS增加至-的情況下，不會對電流檢測電路的動作造成影響。
圖2是第二實施形態的電流檢測電路的電路圖。與第一實施形態的電流檢測電路的不同之處在於，取代NMOS電晶體112而具備PMOS電晶體212。PMOS電晶體212的源極連接於非反相輸入端子103，閘極和汲極連接於PMOS電晶體108的源極，基板連接於電路內的最高的電源。
由於連接有PMOS電晶體212，因此PMOS電晶體108與PMOS電晶體109的閘極電壓VG1的電壓降受到限制。PMOS電晶體212具有使充分的電流流經的電晶體特性，若將臨限電壓設為｜Vth｜，則為VG1'=(VIN+)-｜Vth｜-VSG11
從而受該電壓限制。根據以上，PMOS電晶體109的源極與閘極間電壓VSG12為VSG12'=VS1-VG1'=｜Vth｜+VSG11-I×R
因而，防止PMOS電晶體109的源極與閘極間電壓VSG12即使在電流IS增加至+的情況下，亦與電流IS無關地成為固定值以下的電壓。
因而，抑制因NBTI造成的差動放大器的PMOS電晶體109的特性變化，因此電流檢測電路使輸出電壓反相的臨限值不會發生變化。另一方面，在電流IS增加至-的情況下，不會對電路動作造成影響。
如以上所說明般，根據本實施形態的電流檢測電路，可根據非反相輸入端子的電壓來限制PMOS電晶體的閘極的電壓降，因此具有下述效果，即：抑制因NBTI造成的差動放大器的非反相輸入端子側的PMOS電晶體的特性變化，因此電流檢測電路的輸出電壓發生反相的臨限值不會變化。

Claims (3)

  1. 一種電流檢測電路，包括感測電阻及差動放大器，所述感測電阻被設置於電源線，所述差動放大器藉由所述感測電阻的兩端電壓來對流經所述電源線的電流進行檢測，所述電流檢測電路的特徵在於， 所述感測電阻的兩端連接於所述差動放大器的反相輸入端子與非反相輸入端子， 所述差動放大器中， 第一電阻、第一P通道金屬氧化物半導體電晶體及第一電流源串聯連接於所述反相輸入端子與接地之間， 第二電阻、第二P通道金屬氧化物半導體電晶體及第二電流源串聯連接於所述非反相輸入端子與接地之間， 所述第一P通道金屬氧化物半導體電晶體的閘極和汲極連接於所述第二P通道金屬氧化物半導體電晶體的閘極， 所述第二P通道金屬氧化物半導體電晶體的汲極連接於所述差動放大器的輸出端子， 在所述非反相輸入端子與所述第一P通道金屬氧化物半導體電晶體的源極之間，包括限制電壓降的電壓限制電路。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中 所述電壓限制電路是一N通道金屬氧化物半導體電晶體， 所述N通道金屬氧化物半導體電晶體的閘極和汲極連接於所述非反相輸入端子，所述N通道金屬氧化物半導體電晶體的源極連接於所述第一P通道金屬氧化物半導體電晶體的源極。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電流檢測電路，其中 所述電壓限制電路是一第三P通道金屬氧化物半導體電晶體， 所述第三P通道金屬氧化物半導體電晶體的源極連接於所述非反相輸入端子，所述第三P通道金屬氧化物半導體電晶體的閘極和汲極連接於所述第一P通道金屬氧化物半導體電晶體的源極。
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