專利名稱：電流采樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流采樣技術(shù)，特別是通用串行總線(USB)中的電流采樣裝置。
背景技術(shù)：
隨著電子產(chǎn)品的廣泛使用，采用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞降玫窖杆俚陌l(fā)展。參考 圖1，USB裝置可包括USB控制單元101、USB開關(guān)102以及USB端口 103。在USB傳輸數(shù)據(jù) 過程中，USB控制單元101根據(jù)USB開關(guān)102所反饋的指示信號(FLAG)產(chǎn)生控制信號，并 將所述控制信號輸入至USB開關(guān)102，通過USB開關(guān)102對USB端口 103進(jìn)行供電；USB端 口在USB控制單元101的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，USB開關(guān)中通常采用功率單元進(jìn)行 輸出，所述功率單元的輸入端連接USB開關(guān)的輸入端(IN)，所述功率單元的輸出端連接USB 開關(guān)的輸出端(OUT)，并且USB開關(guān)提供控制所述功率單元開啟或關(guān)閉的控制電壓Vg。為 保證USB端口所輸出的電流恒定，USB開關(guān)通常還包括電流采樣電路，用于對USB開關(guān)中功 率單元所輸出的電流進(jìn)行采樣?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常采用采樣電阻對電流進(jìn)行采樣。按照USB使用規(guī)范，USB端口需 要與之連接的USB開關(guān)有能力提供0.5安培(A)的工作電流，并且到所述USB端口的電壓 損耗不能超過100毫伏(mV)。因此，根據(jù)歐姆定律 也就是說，等效的導(dǎo)通電阻不能超過200毫歐(πιΩ)?？紤]到PCB板布線、芯片封 裝、USB開關(guān)和USB端口的電阻值以及其他寄生電阻的影響，采樣電阻必須很小。參考圖2，一種應(yīng)用采樣電阻的電流采樣裝置可包括采樣電阻202，電流限制反 饋單元203。將所述電流采樣電路對USB開關(guān)中的功率管201串聯(lián)，并對其進(jìn)行電流采樣， 其中，采樣電阻202的一端與電流限制反饋單元203的一端相連接作為所述電流采樣電路 的第一端，連接至功率管201的襯底，采樣電阻202的另一端與電流限制反饋單元203的另 一端相連接作為所述電流采樣電路的第二端，連接至功率管201的源極。在USB開關(guān)工作過程中，輸入電壓Vin連接至所述電流采樣電路的第一端，提供功 率管201以及所述電流采樣電路正常工作的電壓，在控制電壓Vg的作用下，功率管201導(dǎo) 通，其漏極產(chǎn)生電流并向外輸出。采樣電阻202對串聯(lián)的功率管201進(jìn)行1 1的電流采 樣，然后將采樣電流轉(zhuǎn)化為電壓并反饋至電流限制反饋單元203，電流限制反饋單元203根 據(jù)反饋的電壓對流經(jīng)功率管201中的電流進(jìn)行控制。上述應(yīng)用采樣電阻的電流采樣電路的方案存在這樣一些問題由于將采樣電阻與 功率管串聯(lián)連接，增加了 USB開關(guān)的導(dǎo)通電阻；而且，通過采樣電阻對流經(jīng)功率管201的電 流進(jìn)行1 1的電流采樣，使得采樣電流與輸出電流相同，增加了電阻采樣電路以及芯片的 功耗；另外，由于采用低阻值的采樣電阻，增加了芯片的面積；此外，在工藝實現(xiàn)上，電阻精 度的偏差也限制了采樣電流的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種電流采樣裝置，占用芯片面積小，功耗低，導(dǎo)通電阻 低，并且采樣精度高。為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種電流采樣裝置，用于對USB開關(guān)中的功率單 元進(jìn)行采樣，所述功率單元包括輸入端、輸出端和控制端，包括采樣單元、運算放大器和調(diào) 節(jié)單元，其中，所述采樣單元的輸入端作為所述電流采樣裝置的第一輸入端，與所述功率單 元的輸入端相連接；所述采樣單元的控制端作為所述電流采樣裝置的第二輸入端，與所述 功率單元的控制端相連接；所述采樣單元的輸出端與所述調(diào)節(jié)單元的第一輸入端、以及所 述運算放大器的第一輸入端相連接；所述運算放大器的第二輸入端與所述功率單元的輸出 端相連接；所述調(diào)節(jié)單元的第二輸入端與所述運算放大器的輸出端相連接；所述調(diào)節(jié)單元 的輸出端作為所述電流采樣裝置的輸出端?？蛇x的，所述采樣單元和所述功率單元分別為采樣管和功率管，其中，所述采樣管 和所述功率管為PMOS管，所述采樣單元的輸入端為所述采樣管的源極，所述采樣單元的控 制端為所述采樣管的柵極，所述采樣單元的輸出端為所述采樣管的漏極；所述功率單元的 輸入端為所述功率管的源極，所述功率單元的控制端為所述功率管的柵極，所述功率單元 的輸出端為所述功率管的漏極?？蛇x的，當(dāng)所述采樣管與所述功率管具有相同的溝道長度調(diào)制系數(shù)、溝道長度以 及閾值電壓時，所述采樣管采集到的電流與流經(jīng)所述功率管的電流比值為所述采樣管與所 述功率管的溝道寬度比。可選的，當(dāng)所述采樣管與所述功率管具有相同的溝道長度調(diào)制系數(shù)、溝道寬度以 及閾值電壓時，所述采樣管采集到的電流與流經(jīng)所述功率管的電流比值為所述采樣管與所 述功率管的溝道長度比?？蛇x的，當(dāng)所述采樣管與所述功率管具有相同的溝道長度調(diào)制系數(shù)和溝道寬長比 時，所述采樣管采集到的電流與流經(jīng)所述功率管的電流比值為所述采樣管與所述功率管的 閾值電壓比?？蛇x的，當(dāng)所述采樣管與所述功率管具有相同的溝道寬長比和閾值電壓時，所述 采樣管采集到的電流與流經(jīng)所述功率管的電流比值為所述采樣管與所述功率管的溝道調(diào) 制系數(shù)比?？蛇x的，所述調(diào)節(jié)單元為場效應(yīng)管，其源極與所述采樣單元的輸出端以及所述運 算放大器的第一輸入端相連接，其柵極與所述運算放大器的輸出端相連接，其漏極輸出由 所述采樣單元采樣的電流?？蛇x的，所述調(diào)節(jié)單元包括第一電阻和第二電阻，其中，所述第一電阻連接于所述 調(diào)節(jié)單元的第一輸入端與其輸出端之間，所述第二電阻連接于所述調(diào)節(jié)單元的第二輸入端 與其輸出端之間。可選的，所述采樣單元包括多個采樣管，每個所述采樣管為pMOS管，其中，每個所 述采樣管的源極相連接作為所述采樣單元的輸入端，每個所述采樣管的柵極相連接作為所 述采樣單元的控制端，每個所述采樣管的漏極相連接作為所述采樣單元的輸出端?？蛇x的，所述功率單元包括多個功率管，每個所述功率管為pMOS管，其中，每個所 述功率管的源極相連接作為所述功率單元的輸入端，每個所述功率管的柵極相連接作為所述功率單元的控制端，每個所述功率管的漏極相連接作為所述功率單元的輸出端?？蛇x的，所述一個或多個采樣管位于多個所述功率管版圖分布的質(zhì)心位置。可選的，所述采樣管和所述功率管的數(shù)目比例為1 1至1 10000之間任一比 例。可選的，所述運算放大器為寬輸入擺幅運算放大器。可選的，還包括控制單元，用于根據(jù)所述采樣電流，輸出柵極電壓以控制所述功 率單元中的輸出電流；其中，所述控制單元的輸入端連接所述調(diào)節(jié)單元的輸出端，所述控制 單元的輸出端與所述功率單元及所述采樣單元的控制端相連接?？蛇x的，所述控制單元比較所述采樣電流與參考電流，根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生柵極電 壓值。可選的，所述采樣單元和所述功率單元分別為pMOS管時，當(dāng)所述采樣電流小于所 述參考電流時，所述控制單元輸出低電平電壓；當(dāng)所述采樣電流大于所述參考電流時，所述 控制單元輸出高電平電壓?？蛇x的，所述控制單元包括用于產(chǎn)生參考電流的恒定電流源?？蛇x的，所述控制單元接收來自所述電流采樣裝置外部的參考電流?？蛇x的，所述控制單元包括電流比較器，用于比較所述采樣電流與所述參考電流， 并根據(jù)所述比較結(jié)果輸出電壓值。可選的，所述控制單元包括比較器，用于比較所述采樣電流與所述參考電流，并 輸出數(shù)字信號的比較結(jié)果；柵壓產(chǎn)生單元，用于根據(jù)所接收到的數(shù)字信號，產(chǎn)生電壓值?？蛇x的，所述柵壓產(chǎn)生單元為選通器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點采用運算放大器電壓鉗位電流鏡實現(xiàn)了 按比例對電流進(jìn)行采樣，通過所述采樣管與所述功率管源極和源極、柵極和柵極對應(yīng)連接 的并聯(lián)設(shè)計，實現(xiàn)了較低的導(dǎo)通電阻，以及通過采用所述采樣管，節(jié)省了芯片面積，提高了 集成度，降低了成本。


圖1是USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖；圖2是USB開關(guān)電阻采樣電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明電流采樣裝置一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明電流采樣裝置當(dāng)所述調(diào)節(jié)單元為場效應(yīng)管時實施方式的結(jié)構(gòu)示意 圖；圖5是本發(fā)明電流采樣裝置當(dāng)所述調(diào)節(jié)單元為電阻時實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明電流采樣裝置另一種實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本發(fā)明電流采樣裝置中控制單元一種具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明電流采樣裝置中控制單元另一種具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施方式提供了 一種電流采樣裝置，用于對USB開關(guān)中的功率單元進(jìn)行采 樣，所述功率部件包括輸入端、輸出端和控制端，其中，所述電流采樣裝置包括采樣單元、
6運算放大器和調(diào)節(jié)單元；所述采樣單元的輸入端作為所述電流采樣裝置的第一輸入端，與 所述功率單元的輸入端相連接；所述采樣單元的控制端作為所述電流采樣裝置的第二輸入 端，與所述功率單元的控制端相連接；所述采樣單元的輸出端與所述調(diào)節(jié)單元的第一輸入 端、以及所述運算放大器的第一輸入端相連接；所述運算放大器的第二輸入端與所述功率 單元的輸出端相連接；所述調(diào)節(jié)單元的第二輸入端與所述運算放大器的輸出端相連接；所 述調(diào)節(jié)單元的輸出端作為所述電流采樣裝置的輸出端。在具體工作過程中，通過將采樣單 元與待測的功率單元輸入端、控制端分別對應(yīng)連接，構(gòu)成電流鏡，并通過運算放大器的輸入 端電壓鉗位，使采樣單元具有和待測的功率單元相同的輸出端電壓，實現(xiàn)按比例地對功率 單元中電流進(jìn)行采樣，占用芯片面積小，功耗低，導(dǎo)通電阻低，并且采樣精度高。在一種具體實施方式
中，參考圖3，本發(fā)明電流采樣裝置300包括采樣管301、運 算放大器302和調(diào)節(jié)單元303。應(yīng)用電流采樣裝置300對USB開關(guān)中的輸出功率管304進(jìn) 行電流采樣，其中，采樣管301的源極作為電流采樣裝置300的第一輸入端，與功率管304 的源極相連接；采樣管301的柵極作為電流采樣裝置300的第二輸入端，與功率管304的柵 極相連接；采樣管301的漏極與調(diào)節(jié)單元303的第一輸入端、以及運算放大器302的第一輸 入端相連接；運算放大器302的第二輸入端與功率管304的漏極相連接；調(diào)節(jié)單元303的第 二輸入端與運算放大器302的輸出端相連接；調(diào)節(jié)單元303的輸出端作為所述電流采樣裝 置300的輸出端。在一種具體實施方式
中，所述電流采樣裝置300中所包含的采樣管數(shù)目為一個， 即采樣管301。采樣管301在運算放大器302以及調(diào)節(jié)單元303的作用下，對流經(jīng)功率管 304的電流進(jìn)行采樣。具體來說，USB開關(guān)向所述電流采樣裝置300的第一輸入端提供使所述電流采樣 裝置300正常工作的輸入電壓Vin，并向所述電流采樣裝置300的第二輸入端提供控制采樣 管301導(dǎo)通的控制電壓Vg。其中，所述控制電壓Vg可為電源電壓Vcc與零之間的任一電壓 值，例如在初始條件下，所述控制電壓Vg也可為電源電壓Vcc。在USB工作過程中，當(dāng)功率管304的漏源電壓大于其閾值電壓時，功率管304導(dǎo) 通，其漏極產(chǎn)生電流Im2并向外輸出，所述電流采樣裝置通過采樣管301對流經(jīng)功率管304 的電流Im2進(jìn)行采樣，獲得電流Imi。具體來說，流經(jīng)采樣管301的電流Imi為 流經(jīng)功率管304電流Im2為 其中，μ為電子遷移率，Cox為單位面積柵極氧化層電容，λ工和λ 2分別為采樣管 301和功率管304的溝道長度調(diào)制系數(shù),W1Zl1和W2/L2分別為采樣管301和功率管304的寬 長比，Vgsl和Vgs2分別為采樣管301和功率管304的柵源電壓，Vthl和Vth2分別為采樣管301 和功率管304的閾值電壓，Vdsi和Vds2分別為采樣管301和功率管304的漏源電壓。根據(jù)上式(1)和(2)，可獲得流經(jīng)采樣管301的電流與流經(jīng)功率管304的電流具有以下關(guān)系 由于采樣管301和功率管304的柵極與柵極、源極與源極對應(yīng)連接，因此采樣管 301和功率管304具有相同的柵源電壓，即Vgsl = Vgs2，而且由于運算放大器302輸入電壓的 鉗位，采樣管301和功率管304的漏極電壓相同，因此采樣管301和功率管304具有相同的 漏源電壓，即Vdsi = Vds20結(jié)合式(3)，由于在本發(fā)明電流采樣裝置實施方式中，采樣管301與功率管304構(gòu) 成電流鏡像，流經(jīng)采樣管301的電流與流經(jīng)功率管304的電流呈比例關(guān)系，從而實現(xiàn)了可利 用采樣管301按比例對流經(jīng)功率管304的電流進(jìn)行采樣。具體來說，其采樣比例與采樣管 301和功率管304的溝道長度調(diào)制系數(shù)、寬長比以及閾值電壓有關(guān)。在一種具體實施例中，通過調(diào)節(jié)采樣管301的工藝參數(shù)，使采樣管301具有和功率 管304相同的溝道長度L、溝道調(diào)制系數(shù)λ以及閾值電壓Vth，則上式(3)可簡化為下式 其中，M為采樣管301和功率管304溝道寬度比。也就是說，采樣管301中的電流與流經(jīng)功率管304的電流的比值即為兩者溝道寬 度比，其電流比值與采樣精度僅與兩者的溝道寬度比值M有關(guān)。在另一種實施方式中，還可通過調(diào)節(jié)采樣管301的工藝參數(shù)或者采樣管301與功 率管304的布圖方式，使采樣管301具有和功率管304相同的溝道寬度W、溝道調(diào)制系數(shù)λ 以及閾值電壓Vth，使得采樣管301中的電流與流經(jīng)功率管304的電流的比值即為兩者溝道 長度比。在又一種實施方式中，還可通過調(diào)節(jié)采樣管301的工藝參數(shù)或者采樣管301與功 率管304的布圖方式，使采樣管301具有和功率管304相同的溝道寬長比W/L和溝道調(diào)制 系數(shù)λ，使得采樣管301中的電流與流經(jīng)功率管304的電流的比值即為兩者閾值電壓的比值。此外，在其它的實施方式中，還可通過調(diào)節(jié)采樣管301和功率管304的工藝參數(shù)， 使采樣管301具有和功率管304相同的溝道寬長比W/L和閾值電壓Vth，使得采樣管301中 的電流與流經(jīng)功率管304的電流的比值僅與兩者溝道調(diào)制系數(shù)有關(guān)。所采樣的電流通過調(diào)節(jié)單元303進(jìn)行輸出，并且通過調(diào)節(jié)單元303對采樣管301 的漏極電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。 參考圖4，在一種具體實施方式
中，調(diào)節(jié)單元303可為場效應(yīng)管305，其源極作為調(diào) 節(jié)單元303的第一輸入端，與采樣管301的漏極以及運算放大器302的第一輸入端相連接； 其柵極作為調(diào)節(jié)單元303的第二輸入端，與運算放大器302的輸出端相連接；其漏極作為調(diào) 節(jié)單元303的輸出端，也就是所述電流采樣裝置300的輸出端。 參考圖5，在另一種實施方式中，調(diào)節(jié)單元303可包括第一電阻Rl和第二電阻R2， 其中，第一電阻Rl連接于調(diào)節(jié)單元303的第一輸入端與其輸出端之間，第二電阻R2連接于調(diào)節(jié)單元303的第二輸入端與其輸出端之間。在不同的實施方式中，運算放大器302可為寬輸入擺幅運算放大器。相較于傳統(tǒng)的電阻采樣電路，上述電流采樣裝置各實施方式中，可通過調(diào)節(jié)工藝 參數(shù)，使采樣管301與功率管304的電流比值和采樣精度僅與兩者的溝道寬度的比值、或 溝道長度的比值、或閾值電壓的比值、或溝道調(diào)制系數(shù)的比值有關(guān)，大大減小了對工藝精度 的依賴性；并且，由于采樣管是按照比例對功率管中的電流進(jìn)行采樣，因此可使采樣電流僅 為功率管中電流的很小一部分，從而實現(xiàn)通過較小的采樣電流減小電流采樣裝置300的功 耗；另外，采樣管301與功率管304采用源極和源極、柵極和柵極對應(yīng)連接的并聯(lián)設(shè)計，可實 現(xiàn)較低的導(dǎo)通電阻；此外，所述電流采樣裝置可應(yīng)用于USB開關(guān)芯片中，相較于傳統(tǒng)的電阻 采樣，節(jié)省了芯片面積，進(jìn)而提高了集成度，降低了成本。在其它實施方式中，還可根據(jù)實際需要，在所述電流采樣裝置中設(shè)置數(shù)目多于一 個的采樣管。其中，當(dāng)所述采樣管多于一個時，每個所述采樣管之間源極與源極、柵極與柵 極、漏極與漏極分別對應(yīng)連接，并且，每個所述采樣管的源極連接至所述電流采樣裝置的第 一輸入端，每個所述采樣管的柵極連接至所述電流采樣裝置的第二輸入端，每個所述采樣 管的漏極都連接至所述調(diào)節(jié)單元的第一輸入端以及所述運算放大器的第一輸入端。也可應(yīng)用所述電流采樣裝置對USB開關(guān)中多個輸出功率管進(jìn)行采樣，所述采樣管 和所述功率管的數(shù)目比例可為1 1至1 10000之間任一比例。例如，采樣管和對應(yīng)的 功率管的數(shù)目比例可為1 10，1 100,1 5000,1 10000，甚至1 100000。當(dāng)輸出 功率管多于一個時，每個功率管之間源極與源極、柵極與柵極、漏極與漏極分別對應(yīng)連接， 并且每個所述功率管的源極連接至所述電流采樣裝置的第一輸入端，每個所述功率管的柵 極連接至所述電流采樣裝置的第二輸入端，每個所述功率管的漏極連接至所述運算放大器 的第二輸入端。在具體的版圖設(shè)計中，當(dāng)采用一個或多個采樣管對多個功率管進(jìn)行采樣時，可采 用共質(zhì)心版圖設(shè)計方法，將所述一個或多個采樣管放置于所述多個功率管版圖分布的質(zhì)心 處，以獲得較好的匹配。參考圖6，在另一種實施方式中，本發(fā)明電流采樣裝置可包括采樣管502、調(diào)節(jié)單 元503、運算放大器504以及控制單元505，應(yīng)用所述電流采樣裝置對USB中的輸出功率管 501進(jìn)行采樣，其中，功率管501的源極與采樣管502的源極相連接；采樣管502的漏極與 調(diào)節(jié)單元503的第一輸入端、以及運算放大器504的第一輸入端相連接；調(diào)節(jié)單元503的第 二輸入端與運算放大器504的輸出端相連接；控制單元505的輸入端連接調(diào)節(jié)單元503的 輸出端，輸出端與功率管501的柵極以及采樣管502的柵極相連接。控制單元505用于根 據(jù)所述采樣電流，提供柵極電壓以控制功率管501中的輸出電流。具體來說，調(diào)節(jié)單元503 可為場效應(yīng)管，其源極作為調(diào)節(jié)單元503的第一輸入端，其柵極作為調(diào)節(jié)單元503的第二輸 入端，其漏極作為調(diào)節(jié)單元503的輸出端。在工作過程中，采樣管502對功率管501的電流進(jìn)行采樣，并將采樣電流通過調(diào)節(jié) 單元503輸入至控制單元505 ；控制單元505將調(diào)節(jié)單元503所輸出的采樣電流與參考電 流進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果，對功率管501的柵極與采樣管502的柵極進(jìn)行控制。所述參 考電流可由控制單元505內(nèi)部的電流源組成，也可由所述電流采樣裝置外部的裝置產(chǎn)生。具體來說，在采樣管502和功率管501采用pMOS管的情況下，當(dāng)所述采樣電流小
9于所述參考電流時，也就是說，功率管501所輸出的電流小于預(yù)定值，則通過控制單元505 減小輸出至功率管501和采樣管502柵極的電壓，例如輸出低電平電壓，從而使功率管501 和采樣管502完全導(dǎo)通，使功率管501所輸出的電流變大。當(dāng)所述采樣電流大于所述參考 電流時，也就是說，功率管501所輸出的電流大于預(yù)定值，則通過控制單元505提高輸出至 功率管501和采樣管502柵極的電壓，例如，將其提高至某預(yù)定電壓值V1 ；由于柵壓與閾值 電壓之差的平方與漏極電流成正比關(guān)系，因此當(dāng)柵壓增大時，功率管501所輸出的電流也 隨之增大，且通過將柵壓設(shè)定為預(yù)定電壓值，從而可獲得恒定的輸出電流。
在一種具體實施例中，參考圖7，控制單元505可包括電流比較器601，用于比較 所述采樣電流與所述參考電流，并根據(jù)所述比較結(jié)果輸出相應(yīng)的電壓值；以及恒定電流源 602，用于提供恒定的參考電流。電流比較器601的第一輸入端與調(diào)節(jié)單元503的輸出端相 連接，其第二輸入端與恒定電流源602的輸出端相連接，其輸出端與功率管501的柵極以及 采樣管502的柵極相連接。在工作過程中，調(diào)節(jié)單元503將采樣電流輸入至電流比較器601，并且恒定電流源 602也將所產(chǎn)生的參考電流輸入至電流比較器601，接著，電流比較器601對兩者進(jìn)行比較 并輸出電壓值。例如，當(dāng)所述采樣電流大于所述參考電流時，電流比較器601輸出高電平 電壓；當(dāng)所述采樣電流小于所述參考電流時，電流比較器601輸出低電平電壓，例如接地電壓。在另一種具體實施例中，參考圖8，控制單元505可包括比較器701，用于接收參 考電流，比較所述采樣電流與所接收的參考電流，并輸出數(shù)字信號的比較結(jié)果；柵壓產(chǎn)生單 元702，用于根據(jù)所接收到的數(shù)字信號，產(chǎn)生電壓值。比較器701的輸入端連接調(diào)節(jié)單元503 的輸出端；柵壓產(chǎn)生單元702的輸入端與比較器701的輸出端相連接，其輸出端與功率管 501的柵極以及采樣管502的柵極相連接。其中，當(dāng)所述采樣電流大于所述參考電流時，比較器701輸出0 ；當(dāng)所述采樣電流 小于所述參考電流時，比較器701輸出1。柵壓產(chǎn)生單元702可為選通器，其數(shù)據(jù)輸入端分別接收高電平電壓和低電平電 壓，比較器701輸出的數(shù)字信號作為選通器的選通信號。當(dāng)所述選通器接收比較器701輸 出的數(shù)字信號為0時，選擇輸出低電平電壓；當(dāng)所述選通器接收比較器701輸出的數(shù)字信號 為1時，選擇輸出高電平電壓。在本發(fā)明上述各種電流采樣裝置實施方式中，采樣單元和功率單元可采用絕緣柵 場效應(yīng)管(M0S管)，例如，可為pMOS管，也可為nMOS管；此外，采樣單元和功率單元也可采 用結(jié)型場效應(yīng)管，或者采樣單元和功率單元還可采用三極管。上述電流采樣裝置實施方式根據(jù)采樣電流與參考電流的比較結(jié)果對采樣進(jìn)行控 制，通過設(shè)置合理的參考電流，可有效地控制采樣電流的大小，節(jié)省芯片功耗，提高采樣精度。雖然本發(fā)明已通過較佳實施例說明如上，但這些較佳實施例并非用以限定本發(fā) 明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)有能力對該較佳實施例做出各 種改正和補(bǔ)充，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種電流采樣裝置，用于對USB開關(guān)中的功率單元進(jìn)行采樣，所述功率單元包括輸入端、輸出端和控制端，其特征在于，所述電流采樣裝置包括采樣單元、運算放大器和調(diào)節(jié)單元，其中，所述采樣單元的輸入端作為所述電流采樣裝置的第一輸入端，與所述功率單元的輸入端相連接；所述采樣單元的控制端作為所述電流采樣裝置的第二輸入端，與所述功率單元的控制端相連接；所述采樣單元的輸出端與所述調(diào)節(jié)單元的第一輸入端、以及所述運算放大器的第一輸入端相連接；所述運算放大器的第二輸入端與所述功率單元的輸出端相連接；所述調(diào)節(jié)單元的第二輸入端與所述運算放大器的輸出端相連接；所述調(diào)節(jié)單元的輸出端作為所述電流采樣裝置的輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述采樣單元和所述功率單元分 別為采樣管和功率管，其中，所述采樣管和所述功率管為PMOS管，所述采樣單元的輸入端 為所述采樣管的源極，所述采樣單元的控制端為所述采樣管的柵極，所述采樣單元的輸出 端為所述采樣管的漏極；所述功率單元的輸入端為所述功率管的源極，所述功率單元的控 制端為所述功率管的柵極，所述功率單元的輸出端為所述功率管的漏極。
3.如權(quán)利要求2所述的電流采樣裝置，其特征在于，當(dāng)所述采樣管與所述功率管具有 相同的溝道長度調(diào)制系數(shù)、溝道長度以及閾值電壓時，所述采樣管采集到的電流與流經(jīng)所 述功率管的電流比值為所述采樣管與所述功率管的溝道寬度比。
4.如權(quán)利要求2所述的電流采樣裝置，其特征在于，當(dāng)所述采樣管與所述功率管具有 相同的溝道長度調(diào)制系數(shù)、溝道寬度以及閾值電壓時，所述采樣管采集到的電流與流經(jīng)所 述功率管的電流比值為所述采樣管與所述功率管的溝道長度比。
5.如權(quán)利要求2所述的電流采樣裝置，其特征在于，當(dāng)所述采樣管與所述功率管具有 相同的溝道長度調(diào)制系數(shù)和溝道寬長比時，所述采樣管采集到的電流與流經(jīng)所述功率管的 電流比值為所述采樣管與所述功率管的閾值電壓比。
6.如權(quán)利要求2所述的電流采樣裝置，其特征在于，當(dāng)所述采樣管與所述功率管具有 相同的溝道寬長比和閾值電壓時，所述采樣管采集到的電流與流經(jīng)所述功率管的電流比值 為所述采樣管與所述功率管的溝道調(diào)制系數(shù)比。
7.如權(quán)利要求1所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)單元為場效應(yīng)管，其源極 與所述采樣單元的輸出端以及所述運算放大器的第一輸入端相連接，其柵極與所述運算放 大器的輸出端相連接，其漏極輸出由所述采樣單元采樣的電流。
8.如權(quán)利要求1所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述調(diào)節(jié)單元包括第一電阻和第 二電阻，其中，所述第一電阻連接于所述調(diào)節(jié)單元的第一輸入端與其輸出端之間，所述第二 電阻連接于所述調(diào)節(jié)單元的第二輸入端與其輸出端之間。
9.如權(quán)利要求1所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述采樣單元包括多個采樣管， 每個所述采樣管為PMOS管，其中，每個所述采樣管的源極相連接作為所述采樣單元的輸入 端，每個所述采樣管的柵極相連接作為所述采樣單元的控制端，每個所述采樣管的漏極相 連接作為所述采樣單元的輸出端。
10.如權(quán)利要求1所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述功率單元包括多個功率管， 每個所述功率管為PMOS管，其中，每個所述功率管的源極相連接作為所述功率單元的輸入 端，每個所述功率管的柵極相連接作為所述功率單元的控制端，每個所述功率管的漏極相連接作為所述功率單元的輸出端。
11.如權(quán)利要求10所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述采樣管位于多個所述功率 管版圖分布的質(zhì)心位置。
12.如權(quán)利要求10所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述采樣管和所述功率管的數(shù) 目比例為1 1至1 10000之間任一比例。
13.如權(quán)利要求1所述的電流采樣裝置，所述運算放大器為寬輸入擺幅運算放大器。
14.如權(quán)利要求1所述的電流采樣裝置，其特征在于，還包括控制單元，用于根據(jù)所述 采樣電流，輸出柵極電壓以控制所述功率單元中的輸出電流；其中，所述控制單元的輸入端 連接所述調(diào)節(jié)單元的輸出端，所述控制單元的輸出端與所述功率單元及所述采樣單元的控 制端相連接。
15.如權(quán)利要求14所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述控制單元比較所述采樣電 流與參考電流，根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生柵極電壓值。
16.如權(quán)利要求15所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述采樣單元和所述功率單元 分別為PMOS管時，當(dāng)所述采樣電流小于所述參考電流時，所述控制單元輸出低電平電壓； 當(dāng)所述采樣電流大于所述參考電流時，所述控制單元輸出高電平電壓。
17.如權(quán)利要求14所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述控制單元包括用于產(chǎn)生參 考電流的恒定電流源。
18.如權(quán)利要求14所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述控制單元接收來自所述電 流采樣裝置外部的參考電流。
19.如權(quán)利要求17或18所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述控制單元包括電流比 較器，用于比較所述采樣電流與所述參考電流，并根據(jù)所述比較結(jié)果輸出電壓值。
20.如權(quán)利要求17或18所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述控制單元包括比較 器，用于比較所述采樣電流與所述參考電流，并輸出數(shù)字信號的比較結(jié)果；柵壓產(chǎn)生單元， 用于根據(jù)所接收到的數(shù)字信號，產(chǎn)生電壓值。
21.如權(quán)利要求20所述的電流采樣裝置，其特征在于，所述柵壓產(chǎn)生單元為選通器。
全文摘要
一種電流采樣裝置，對USB開關(guān)的功率單元進(jìn)行采樣，該電流采樣裝置包括采樣單元、運算放大器和調(diào)節(jié)單元，所述采樣單元輸入端作為所述電流采樣裝置的第一輸入端，與所述功率單元輸入端相連接；所述采樣單元控制端作為所述電流采樣裝置的第二輸入端，與所述功率單元控制端相連接；所述采樣單元輸出端與所述調(diào)節(jié)單元第一輸入端、以及所述運算放大器第一輸入端相連接；所述運算放大器第二輸入端與所述功率單元輸出端相連接；所述調(diào)節(jié)單元第二輸入端與所述運算放大器輸出端相連接；所述調(diào)節(jié)單元輸出端作為所述電流采樣裝置輸出端。本發(fā)明按比例對功率單元電流進(jìn)行采樣，占用芯片面積小，功耗低，導(dǎo)通電阻低，且采樣精度高。
文檔編號G05F3/28GK101924547SQ20091014744
公開日2010年12月22日 申請日期2009年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月12日
發(fā)明者于立明, 林武源, 郭亮 申請人:蘇州源賦創(chuàng)盈微電子科技有限公司