【摘 要】
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如今,便携式设备在人们生活中的使用已经越来越多,其复杂度和集成度伴随着设备功能的丰富而大幅提高,导致能耗越来越成为设计人员关注的重要指标,以便进行电源管理、过流保护和故障诊断,因此对电流监测集成电路的性能提出了更高的要求。本文在电流分流监测技术的基础上,采用华润上华0.18μm BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺,研究和设计了一款无需可控增益放大器且具备高分辨率、宽共模电压输入范围的
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如今,便携式设备在人们生活中的使用已经越来越多,其复杂度和集成度伴随着设备功能的丰富而大幅提高,导致能耗越来越成为设计人员关注的重要指标,以便进行电源管理、过流保护和故障诊断,因此对电流监测集成电路的性能提出了更高的要求。本文在电流分流监测技术的基础上,采用华润上华0.18μm BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺,研究和设计了一款无需可控增益放大器且具备高分辨率、宽共模电压输入范围的高精度电流监测电路。其主体由Delta-Sigma调制器、宽共模电压输入电路、缓冲器等子模块构成。在没有引入高压电源的前提下,本文采用基于交叉耦合高压开关的宽共模电压输入电路,能够将逻辑电平为0～3.3V时钟信号转换成逻辑电平为30～33.3V的时钟信号,从而实现对开关的有效控制,进而完成对宽共模输入范围电压信号的采样。采样获得的监测电阻上的电压降信号经过Delta-Sigma调制器实现高精度的数字化转换。最后利用Verilog代码编译的数字滤波器把Delta-Sigma调制器的量化输出进行滤波处理,得到转换后的数字信号。可见,该结构可直接数字化高边电流监测电阻上的电压降信号,避免了使用高压仪表放大器,从而显著降低系统的复杂程度与整体电路功耗。本设计中Delta-Sigma调制器还采用相关双采样技术实现了对低频1/f噪声和失调信号的有效抑制;电压缓冲器保证了各子模块电路所需要基准共模电压的稳定性。仿真结果表明,本文设计的电流监测电路在3.3V电源电压下,可实现输入共模电压范围为1.5～30V,输入差分范围为10～160m V,采样频率1.6MHz,具备1～16A大电流的监测能力。其中,在TT工艺角、25℃室温下,电流监测增益误差为9.20%,Delta-Sigma调制器信噪比为92.1d B,信噪失真比为88.6d B,有效位数为14bit,带宽为2.5k Hz。整体电路功耗为4.59m W,总面积为1.18mm~2。与论文[55]相比,本文所研究的电流监测电路拥有宽共模输入电压范围,且低频段的闪烁噪声得到了有效抑制,运算放大器的失调电压也明显降低。综上所述,本文所设计的电流监测电路拥有比较优良的性能指标。
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