一种用于低边电流检测的可编程增益放大器

李明明，潘文光

（1.中国科学院微电子研究所，北京 100029；2.中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049；3.南京中科微电子有限公司，江苏南京 210018）

电流检测技术广泛应用于电力电子系统，例如DC-DC 电源转换器、可调速电机驱动器和电池管理系统[1-7]。经典的电流检测结构由电流传感器和电流感应放大器（Current Sense Amplifier，CSA）组成[8]。根据电流传感器的位置，该技术可以分为高、低边两种基本类型。由于低边采样电阻法具有成本低廉、采样精度高、设计简单的优点，所以被广泛使用。为了降低功耗与电阻压降，采样电阻的取值一般较低[9]，导致采样信号幅度较低，所以电流感应放大器常采用可编程增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）来提高检测动态范围[10]。

传统CSA 采用电压模PGA 结构，闭环增益网络直接与采样电阻相连，会形成电流通道，产生轻微漏电流。当采样电流较小时，由于系统外围电阻和电路寄生电阻的存在，漏电流会产生电压损耗，影响电流检测精度。为了减小闭环增益网络漏电流对采样电路的影响，进一步提高电流检测精度，该文采用0.5 μm BCD 工艺设计了一款电流模[11]结构的PGA，其主要由一个高精度全差分可变跨导放大器和一个高增益运放组成。

1 电流模PGA原理分析与设计

1.1 系统结构设计

图1（a）是经典的电压模结构可编程增益放大器原理图[12]，待测电流经过采样电阻Rsense产生分压，电压信号经过可编程增益放大器PGA 放大后送入模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）处理。R1与R2组成闭环增益网络，通过控制电阻R1与R2的比值即可实现可变增益。由于R1直接与采样电阻相连，形成电流通道，因此会产生轻微漏电流。

为了降低漏电流，提高电流检测精度，该文采用了电流模结构，其原理图如图1（b）所示。其中PGA由跨导放大器（Operational Transconductance Amplifier，OTA）和运算放大器（Operational Amplifier，OPA）组成。OTA 与采样电阻直接相连，合理设计OTA 的结构即可将PGA 与采样电阻隔离，减小漏电流。

图1 可编程增益放大器系统结构

设OTA 的跨导是Gm，OPA 为理想运放，则PGA输出电压Vout为：

其中，Vin=I∙Rsense，因此有：

通过式（2）可以看出，当已知采样电阻阻值、PGA 增益GmRf和输出电平Vout，即可算出检测电流的大小。PGA 的可变增益可以通过改变反馈电阻Rf或者OTA 跨导Gm来实现。该文通过改变OTA 跨导来实现4、16、64、256 倍可变增益。

由于反馈电阻Rf和跨导Gm会随工艺、温度产生变化，为了产生一个精确的放大倍数，跨导Gm应正比于1∕Rf，使放大倍数仅由电阻的比值来决定。

因此，设计一个高精度跨导正比于1∕Rf的OTA是整个PGA 的关键所在。

1.2 高精度可变OTA设计

跨导放大器OTA 的目的是将输入电压转换为电流，同时配合后级的OPA 组成闭环反馈网络。一个经典的OTA 电路是带源级负反馈的共源级放大器，如图2（a）所示。

根据小信号等效电路，可以得出图2（a）的输出电阻与等效跨导为：

由式（4）可知，跨导约等于反馈电阻Rs的倒数，但是存在两个误差项1∕gm和Rs∕gmro。

其中，误差项1∕gm的值比较大，当Rs取值较小时会引入比较大的误差，且该误差随工艺和温度的变化而变化；Rs∕gmro与Rs相比，引入的误差相对较小，可忽略不计。因此该种结构的OTA 增益误差较大，在10%～20%左右。

为了进一步减小增益误差，提高跨导线性度，该文设计了一个全差分高精度OTA，具体的电路图如图2（b）所示。

图2 OTA电路图

由于OTA 直接与外部采样电阻相连，输入信号幅度较低，因此采用了PMOS 源级跟随器作为输入级，同时为了降低噪声，输入管M5、M6 取的尺寸较大。输出级采用的是M1、M4 管组成的带源级负反馈的共源级放大器，另外M2、M3 引入了一个环路反馈。三极管Q1、Q2 作为输入级的电流源负载，Rd作为输出级OTA 电流源的负载。

根据小信号模型可计算输出电阻为：

对比式（5）和式（3），可以看出，设计的OTA 输出阻抗进一步增大，更加接近理想电流源。

同理可得等效跨导为：

对比式（6）和式（4），式（4）中的主要误差项是1∕gm，该项误差在式（6）中变为了1∕gm1gm2ro2，减小了近百倍，式（6）的主要误差变为了Rs∕gm2ro2，与Rs相比可以忽略不计。

从公式对比结果可以看出，该结构的OTA 具有更大的输出阻抗和更小的跨导误差。通过改变反馈电阻Rs的阻值即可实现一个精确的正比于1∕Rf的可变跨导。

同时，为了改善频率响应，引入了密勒补偿电容C1与电阻R1，其中C1为可变电容，根据不同的增益调整零极点。

1.3 高增益OPA设计

OPA 电路需要具有高的开环增益来降低闭环增益误差[13]和大的驱动电流来适应ADC 高速采样。该文采用了折叠式放大器结构设计了一个高增益OPA。

在输入折叠管的选取上，采用了三极管提供更高的跨导，同时降低了1∕f噪声。为了提高动态范围，采用了SCC（Self-cascode structures）[14]电流源结构。

在输出级的设计上，为了配合ADC 高速的采样速率，能够快速建立信号，所以使用了浮动电压源型AB类输出级[15]。

OPA 核心电路如图3 所示。

图3（a）是输入级电路图，其中Q1、Q2 是输入级三极管，M1、M2、M3、M6 组成两个SCC 电流源，其中M1、M2 工作在线性区。

图3 OPA原理图

输出级电路如图3（b）所示，采用了浮动电压源型AB 类输出级，其中M16、M17 分别给M20 和M15提供偏置，组成了跨导线性环，a、b 两点分别被M16和M17 隔离，且接收到的小信号幅值一致。通过合理选择M15 和M20 的宽长比，便可实现不同比例的电流复制，提供足够大的动态电流驱动能力，并且独立于电源电压。

由于输出级对共模电平比较敏感，所以在M13、M19 引入了共模反馈[16]。同时为了改善频率特性，引入了密勒补偿电阻R与电容C。

2 仿真结果与版图设计

该文设计的可编程增益放大器采用0.5 μm BCD工艺完成设计与版图布局，其整体版图布局如图4所示，PGA 的输入级和反馈电阻采用了共质心的匹配布局，用来提高版图的匹配性，整体芯片面积为1.5 mm×1.5 mm。

图4 整体版图设计

图5 是可编程增益放大器在不同增益下的频率响应，仿真结果显示在不同增益下，其增益带宽均大于100 kHz，相位裕度大于65°，具有良好的频率特性。

图5 PGA闭环增益与相位图

从仿真结果可以看出实际增益与理想值存在偏差，主要原因有两方面：一是控制增益网络的传输门存在导通电阻；二是版图寄生电阻的影响。所以造成跨导放大器反馈电阻Rs与设计值存在偏差。该误差可以通过数字校准来补偿。

由于晶体管的非线性，放大器的输出会产生非线性失真。图6 是可编程增益放大器在输入频率为1 kHz，幅度变化在1～150 mV 正弦信号条件下，仿真得出的总谐波失真随增益和不同输入幅度的变化曲线。

图6 PGA总谐波失真仿真

从图中可以看出，最大总谐波失真发生在输入信号幅度为4.5 mV，PGA 放大倍数为248 倍的情况下。这是因为在最大放大倍数时，OTA 反馈电阻Rs的取值最小，导致OTA 的跨导线性度有所下降。

根据仿真结果，PGA 在整个工作量程内具有良好的线性度，满足应用需求。

图7 是在输入电流为10～1 500 A，采样电阻为100 μΩ时，整个PGA 测量误差的仿真结果图。

图7 PGA测量误差

从图中可以看出，设计的电流检测电路最大测量误差为3.11%，该误差通过后续数字校准可以进一步降低，满足应用的需求。

将该文设计的PGA 与文献[17]中的电流感应放大器进行了对比，如表1 所示。从对比结果可以看出该文的电路结构测量误差更小，具有较好的电源抑制比与共模抑制比。

表1 PGA指标对比

3 结束语

该文设计了一种用于低边电流检测的电流模可编程增益放大器，相比传统的电压模放大器，避免了增益网络漏电流对采样电路的影响，进一步提高了电流检测的精度。利用全差分可变OTA 来实现4、16、64、256 倍可变增益，电路版图面积为1.5 mm×1.5 mm，后仿真结果表明，总谐波失真小于0.021%，设计的电路具有良好的线性度，满足应用需求。