專利名稱：電流測量電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流測量電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
DE 198 44 465 A1描述了一種采用電流鏡像電路的電流測量電路結(jié)構(gòu)，并且其具有第一支路和第二支路，其中用電設(shè)備連接到第一支路而求值電路連接到第二支路。第一支路由分流電阻器，晶體管，兩個附加電阻器和具有接地發(fā)射極的開關(guān)晶體管的串聯(lián)電路構(gòu)成。作為用電設(shè)備的歐姆負載連接在將分流電阻器與上述晶體管相連的節(jié)點處。電流鏡像電路的第二支路由電阻器，晶體管和另一電阻器的串聯(lián)電路構(gòu)成，其中電流鏡像電路通過將兩個晶體管的基極相連來實現(xiàn)。此外，其記載了將齊納二極管與由電流鏡像電路的第一支路中的分流電阻器、第一晶體管和電阻器構(gòu)成的電路并聯(lián)連接從而調(diào)節(jié)電壓。在這個電路結(jié)構(gòu)中，流過分流電阻器的電流在電流鏡像電路處分支，使得第一部分電流流過用電設(shè)備而第二部分電流流過電流鏡像電路的第一支路。因此，電流鏡像電路的第二支路中的電流不同于通過用電設(shè)備的被測電流，使得用于測量通過用電設(shè)備的電流的測量精度很差，并且該文獻還指出其只有大約5％。此外，由于用電設(shè)備旨在用作機動車前燈所以其電阻相對較低。因此，負載電流在大約4A到12A的數(shù)量級。
US 5,845,275示出了一種利用非線性元件測量電流的電路結(jié)構(gòu)，該非線性元件利用非線性半導(dǎo)體元件以模糊邏輯處理器的形式將電流變換為電壓。
EP 1 298 778 A2描述了一種恒流源，其控制環(huán)中采用鋸齒波發(fā)生器。
EP 1 372 261 A1示出了一種具有由MOS晶體管構(gòu)成的電流鏡像電路的電流測量電路。該電路用于控制光電二極管的電流。
最后，EP 1 211 776 A2描述了一種感應(yīng)功率分配系統(tǒng)，其具有當因電感而出現(xiàn)諧振時用于將輸出電壓保持在給定限度內(nèi)的電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于測量幾nA到幾μA的范圍的很小的電流。這樣的小電流出現(xiàn)在λ(lambda)探測器中，其用于內(nèi)燃機的催化轉(zhuǎn)化器中。這種十分小的電流表示由λ探測器檢測的氣體濃度。普通λ探測器的電阻值為大約500kΩ到幾MΩ的數(shù)量級，例如5MΩ左右。在機動車輛的通常工作電壓下，流過λ探測器的電流則在上述幾nA到幾μA的數(shù)量級。常規(guī)λ探測器基于陶瓷材料并且工作在400℃數(shù)量級的高溫下。在這樣的高溫下，電阻值就持續(xù)升高。因此，流過λ探測器的必須測量的電流就很小。
所以，在實際中，為測量電流會采用非常高精度的測量電阻器，其借助激光束進行修整并且被調(diào)節(jié)到特定的測量范圍。測量電阻器的激光修整非常耗時。此外，這種測量電阻器有相對高的溫度依賴性并且在干擾場中的電磁兼容性很差。因此，在像機動車輛這樣的不利環(huán)境中，使用這種精度的測量電阻器會有問題，而且由于制造成本高使得價格昂貴。
因此，本發(fā)明的問題是設(shè)計一種電路結(jié)構(gòu)，其能夠測量很小的電流，產(chǎn)生高精度的測量結(jié)果，不受干擾，并且制造成本低。
該問題通過權(quán)利要求1所記載的特征解決。本發(fā)明有利的實施例和修改將體現(xiàn)在其從屬權(quán)利要求中。
本發(fā)明的基本原理在于使用電流鏡像電路，其第一支路中設(shè)置有高電阻用電設(shè)備而第二支路中連接有求值電路。在電流鏡像電路中，兩個支路中流過的電流大小相等。例如，流過第一支路和用電設(shè)備像λ探測器的電流，反射到第二電路中，其中第二電路不加載第一電路也因此不竄改測量結(jié)果。為了進一步在求值電路中處理這種小電流，將跨阻抗放大器連接到電流鏡像電路的第二支路，其將通過第二支路的電流變換為電壓值，從而執(zhí)行用于求值電路的信號調(diào)節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的有利的發(fā)展，用電設(shè)備是具有500kΩ到大約5MΩ數(shù)量級的電阻值的λ探測器。
根據(jù)另一有利的發(fā)展，通過PWM變換器執(zhí)行信號調(diào)節(jié)，其將輸入的信號變換為脈寬調(diào)制信號。這樣的好處是即使在像機動車這樣的嘈雜環(huán)境中，也能夠不因長距離的傳輸而干擾脈寬調(diào)制信號。優(yōu)選地，PWM變換器由比較器和鋸齒波發(fā)生器構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的另一有利的發(fā)展，電流鏡像電路在高于車輛的電池電壓的更高的工作電壓下運行。為此，設(shè)置升壓變換器或者電荷泵，其從現(xiàn)有電池電壓產(chǎn)生用于電流鏡像電路的更高工作電壓。
優(yōu)選地，升壓變換器或者電荷泵在其工作中與負載相關(guān)，使得開關(guān)頻率作為通過用電設(shè)備的電流的函數(shù)來變化。其目的是給電流鏡像電路提供恒定的工作電壓，而不管給定的負載。
根據(jù)本發(fā)明的另一發(fā)展，整個電路的電源的輸入和/或電路的信號輸出各自具有防止電壓浪涌和靜電電荷積累的電路，其優(yōu)選通過變阻器來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一發(fā)展，除用電設(shè)備即負載之外，整個電路結(jié)構(gòu)構(gòu)造為一個專用集成電路(ASIC)。


下面將結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明進行詳細描述。所示為圖1是本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)的方框圖；和圖2是對電流鏡像電路的漏源電壓所繪制的電流曲線圖。
具體實施例方式
圖1示出了本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)，其用于測量流過用電設(shè)備R1的電流。用電設(shè)備R1在此用電阻器表示。例如，它可以是λ探測器，其在正常工作期間(例如，在大約400℃的環(huán)境溫度下)具有幾MΩ數(shù)量級的很高的電阻值。為測量流過用電設(shè)備R1的電流，設(shè)置電流鏡像電路1，其具有兩個并聯(lián)支路，每個都由晶體管T1和T2形成。優(yōu)選地，采用工作在夾斷區(qū)的自偏壓FET晶體管。兩個晶體管T1和T2的源極端S連接在一起并且由工作電壓UB供電，這將進一步在下文討論。第一支路中晶體管T1的漏極端D連接到用電設(shè)備R1的一個端子，其另一端接地。兩個晶體管T1和T2的柵極端G彼此相連并且連接到晶體管T1的漏極端。由于第一晶體管T1的柵極和漏極被短路UDS＝UGS并且UGD＝0借助電流鏡像電路的特性，流過用電設(shè)備R1的電流ID1，其也流過晶體管T1的源漏溝道，正好對應(yīng)于流過第二晶體管T2的源漏溝道的電流ID2。該電流ID2被輸入到跨阻抗放大器2，在此轉(zhuǎn)換為比例電壓并且從此處流向PWM變換器3，該PWM變換器3將跨阻抗放大器2的輸出信號轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制信號。PWM變換器3包括例如比較器4，其一個輸入接收跨阻抗放大器2的輸出信號而另一輸入接收鋸齒波發(fā)生器5的輸出信號。鋸齒波發(fā)生器5以公知的方式產(chǎn)生隨時間線性增加并接著基本垂直下降的周期性輸出信號。如果鋸齒波發(fā)生器5的鋸齒波電壓超出了跨阻抗放大器的輸出電壓，則比較器4就根據(jù)端子的極性從“高電平”轉(zhuǎn)換到“低電平”或者從“低電平”轉(zhuǎn)換到“高電平”，從而形成脈寬調(diào)制信號。
本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)主要用于測量通過機動車輛的λ探測器的電流。在大多數(shù)機動車輛中根據(jù)車輛的類型常規(guī)電池電壓Ubatt為12或24V。另一方面，大多數(shù)λ探測器必須工作在30V數(shù)量級的更高電壓UB下，以獲得合適的測量結(jié)果。為了將電池電壓Ubatt轉(zhuǎn)換為較高的工作電壓UB，設(shè)置電壓轉(zhuǎn)換器6，其優(yōu)選地被配置為具有電荷泵的升壓變換器。然而，也可以采用具有電感器的升壓變換器。這種公知的變換器通過電子開關(guān)來操作，該電子開關(guān)根據(jù)負載以變化速率啟動，以在它們的輸出端產(chǎn)生恒定的電壓。升壓變換器6因此具有連接到晶體管T1的漏極端D的控制輸入7，并以此來改變作為電流ID1的大小的函數(shù)的升壓變換器6的開關(guān)頻率，使得在升壓變換器的輸出端8上出現(xiàn)例如30V的期望電壓。這個電壓UB被施加到兩個晶體管T1和T2的源極端S。
升壓變換器的一個輸入端9通過線性電壓控制器10和保護電路11連接到電池電壓Vbatt。保護電路11包括充當換極保護的正向偏壓二極管D1，以及用于防止電壓浪涌和形成靜電積累的變阻器V1。這樣的部件也是公知的ESD(靜電放電)保護器件并且如所示，連接在電池電壓Ubatt和地之間。
在利用λ探測器測量電流的實際應(yīng)用中，PWM變換器3的輸出還連接到限流器12，具有開路漏極輸出。該輸出還可以以變阻器V2的形式來提供ESD保護。
兩個晶體管T1和T2優(yōu)選為(p溝道)增強型并且是自偏壓的。
所有部件可以組合在集成電路中，如ASIC中。
一個實施例中的鋸齒波發(fā)生器工作在100kHz左右的恒定頻率下。上述應(yīng)用中PWM變換器3輸出的PWM信號因此具有10比特的分辨率。通過將鋸齒波電壓的頻率增加到400kHz或1.6MHz，也可以分別得到12或14比特的分辨率。
結(jié)合圖2對電流鏡像電路1的工作模式進行說明。自偏壓FET晶體管T1和T2工作在夾斷區(qū)。因此，工作點是電阻線R1的交叉點。由于晶體管T2受與晶體管T1相同的電壓UGS的控制，所以漏極電流ID2等于負載電流ID1。
最后，還應(yīng)該提及用作集成電路的幾個模塊是可買到的。例如，AnalogDevices制造的ADP667型的“低壓降線性電壓調(diào)節(jié)器”可以用作圖1中的線性電壓10。Linear Technology公司制造的LT1615型的“小系統(tǒng)運行試驗(ThinSOT)中微功率升壓DC/DC變換器”，或者STMicroelectronics制造的AN603型的“PFC升壓變換器中的渦輪開關(guān)(turboswitch)”可以用作圖1的升壓變換器6。
權(quán)利要求
1.一種用于測量流過用電設(shè)備的電流的電流測量電路結(jié)構(gòu)，有具有第一支路(T1)和第二支路(T2)的電流鏡像電路(1)，其中所述用電設(shè)備(R1)連接到所述第一支路(T1)，而求值電路(3，4，5)連接到所述第二支路(T2)，其特征在于所述用電設(shè)備(R1)具有高電阻，所述用電設(shè)備(R1)與所述第一支路(T1)串聯(lián)連接，并且跨阻抗放大器(2)連接在所述電流鏡像電路(1)的第二支路(T2)和所述求值電路(3，4，5)之間。
2.權(quán)利要求1所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述用電設(shè)備(R1)是具有500kΩ到5MΩ數(shù)量級的電阻值的λ探測器。
3.權(quán)利要求1或2所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述求值電路具有電壓/脈寬調(diào)制變換器(3)。
4.權(quán)利要求3所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電壓/脈寬調(diào)制變換器具有鋸齒波發(fā)生器(5)和比較器(4)，所述比較器(4)的一個輸入端接收所述鋸齒波發(fā)生器(5)的輸出信號而另一輸入端接收所述電流鏡像電路(1)或所述跨阻抗放大器(2)的輸出信號。
5.權(quán)利要求1至4之一所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電流鏡像電路(1)具有兩個增強型自偏壓場效應(yīng)晶體管(T1，T2)。
6.權(quán)利要求1至5之一所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電流鏡像電路(1)的電流由升壓變換器(6)提供，所述升壓變換器(6)由電池電壓(Ubatt)供電并且產(chǎn)生高于所述電池電壓的輸出電壓(UB)。
7.權(quán)利要求6所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電流鏡像電路(1)的一個支路連接到所述升壓變換器(6)的控制輸入(7)，所述升壓變換器(6)的開關(guān)頻率因此作為流過所述電流鏡像電路(1)的該支路的電流的函數(shù)受到控制。
8.權(quán)利要求6或7所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于線性電壓控制器(10)與所述升壓變換器(6)串聯(lián)連接。
9.權(quán)利要求6、7或8之一所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于保護電路(11)與所述升壓變換器(6)串聯(lián)連接。
10.權(quán)利要求9所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述保護電路(11)具有至少一個變阻器(V1)。
11.權(quán)利要求9或10所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于所述保護電路具有正向偏壓二極管(D1)。
12.權(quán)利要求3或4所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于限流器(12)連接到負載側(cè)的所述電壓/脈寬調(diào)制變換器。
13.權(quán)利要求3、4或12所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于變阻器(V2)連接到負載側(cè)的限流器(12)或電壓/脈寬調(diào)制變換器(3)。
14.權(quán)利要求1至13之一所述的電路結(jié)構(gòu)，其特征在于除所述用電設(shè)備(R1)之外，電路結(jié)構(gòu)的所有模塊都組合在一個集成電路中。
全文摘要
一種用于測量流過高電阻用電設(shè)備(R1)的電流的電路結(jié)構(gòu)，其包括電流鏡像電路(1)，在其第一支路(T1)中串聯(lián)連接有高電阻用電設(shè)備而在其第二支路中連接有求值電路(3，4，5)。高電阻用電設(shè)備具體是內(nèi)燃機的催化轉(zhuǎn)化器中的λ探測器(R1)，其阻值在幾MΩ的數(shù)量級并且工作在大約400℃的高工作溫度下。因此，必須測量在幾nA到幾μA數(shù)量級的小電流。由于電流鏡像電路，能夠在第二支路中產(chǎn)生等于流過第一支路和用電設(shè)備(R1)的電流(I
文檔編號G01R19/00GK1800861SQ200510136398
公開日2006年7月12日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者F·伯頓 申請人:波恩斯公司