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TWI571049B - 信號量測電路 - Google Patents

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TWI571049B
TWI571049B TW104120638A TW104120638A TWI571049B TW I571049 B TWI571049 B TW I571049B TW 104120638 A TW104120638 A TW 104120638A TW 104120638 A TW104120638 A TW 104120638A TW I571049 B TWI571049 B TW I571049B
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林柏全
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禾瑞亞科技股份有限公司
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Description

信號量測電路
本發明係有關於一種信號量測電路，特別是一種在積體電路內的信號量測電路。
請參照圖1，為用來量測電流的反相閉迴路放大器，具有一負回授電路，其中負回授電路具有一參考電阻，阻值為參考阻值R。當反相閉迴路放大器的負輸入接收到一電流輸入I時，反相閉迴路放大器的電壓輸出V的變化量與電流輸入I的變化量間的比值為一固定常數。例如，負回授電路的正輸入耦合的電位為0，輸出電壓V為輸入電流I乘上參考電阻R。因此，在電流轉換為電壓時會有阻值R的效應存在，亦即與阻值相依。
若此電路實施在積體電路的半導體製程中，將會因製程變異(process variation)造成阻值的變異。在同一積體電路中，阻值的變異特性相近，但在不同積體電路間的阻值的變異特性可能會有很大的差異，可能達到±20%。
由此可見，上述現有技術顯然存在有不便與缺陷，而極待加以進一步改進。為了解決上述存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發展完成，而一般產品及方法又沒有適切的結構及方法能夠解決上述問題，此顯然是相關業者急欲解 決的問題。因此如何能創設一種新的技術，實屬當前重要研發課題之一，亦成為當前業界極需改進的目標。
積體電路內的阻值容易隨著製程變異而有差異，可能達到±20%，造成相同的信號因製程變異在不同積體電路中會產生不同的結果。本發明提出一種信號量測電路，信號量測電路將接收到的電流輸入轉成電壓輸入後，提供給類比轉數位電路，以產生一數位輸出信號。電壓輸入與具有一第一參考阻值的電路相關，並且類比轉數位電路的參考電壓與具有一第二參考阻值的電路相關，其中具第一參考阻值的電路與具第二參考阻值的電路是由相同材質構成，使得電流輸入的改變量與數位輸出信號的值的改變量間的比值為一固定常數。本發明的目的及解決其技術問題是採用以下技術方案來實現的。依據本發明提出的一種信號量測電路，包括：類比前端電流量測電路，依據一電流輸入輸出一電壓輸出，電壓輸出與具一第一參考阻值的電路相關；一電流源，提供一參考電流；一參考電壓產生電路，依據參考電流產生一高參考電壓與一低參考電壓，其中高參考電壓與低參考電壓的電壓差與具一第二參考阻值的電路相關，並且具第一參考阻值的電路與具第二參考阻值的電路是由相同材質構成；以及一類比轉數位電路，基於參考電壓依據電壓輸出產生一數位輸出信號，其中數位輸出信號的值隨電流輸入的改變而改變，並且電流輸入的改變量與數位輸出信號的值的改變量間的比值為一固定常數，使得依據電流輸入產生的數位輸出信號不隨所述材質因溫度或/與濕度造成的特性改變而有差異。
藉由上述技術方案，本發明至少具有下列優點及有益效果： 電流輸入的改變量與數位輸出信號的值的改變量間的比值為一固定常數，使得依據電流輸入產生的數位輸出信號不隨所述材質因溫度或/與濕度造成的特性改變而有差異。
I‧‧‧電流信號
R‧‧‧電阻
V‧‧‧電壓輸出
ADC‧‧‧類比轉數位器
DAC‧‧‧數位轉類比器
VrefH‧‧‧高參考電壓
VrefL‧‧‧低參考電壓
Iref‧‧‧定電流
Vcm‧‧‧輸入電位
VF1‧‧‧第一電壓隨耦器
VF2‧‧‧第二電壓隨耦器
VF3‧‧‧第三電壓隨耦器
Pin1‧‧‧第一接點
Pin2‧‧‧第二接點
Pin3‧‧‧第三接點
r1‧‧‧第一電阻
r2‧‧‧第二電阻
R1‧‧‧第一參考阻值
R2‧‧‧第二參考阻值
圖1為習知技術中電流量測電路的示意圖；圖2為習知技術中讀取電流信號的類比轉數位器的示意圖；圖3與圖4為依據本發明提出的積體電路內的信號量測電路的示意圖；以及圖5為電流源的電路示意圖。
本發明將詳細描述一些實施例如下。然而，除了所揭露的實施例外，本發明亦可以廣泛地運用在其他的實施例施行。本發明的範圍並不受該些實施例的限定，乃以其後的申請專利範圍為準。而為提供更清楚的描述及使熟悉該項技藝者能理解本發明的發明內容，圖示內各部分並沒有依照其相對的尺寸而繪圖，某些尺寸與其他相關尺度的比例會被突顯而顯得誇張，且不相關的細節部分亦未完全繪出，以求圖示的簡潔。
請參照圖2，在進行電流輸入I的量測時，前述的電壓輸出V可以是由一類比轉數位器ADC接收，以轉換成一數位輸出信號。類比轉數位器ADC是依據高參考電壓VrefH與低參考電壓VrefL將電壓輸出轉換成數位輸出信號，因此數位輸出信號的值為2n×((V-VrefL)/(VrefH-VrefL))，其中n為數位輸出信號的位元數。
如果高參考電壓VrefH與低參考電壓分VrefL分別為工作電位VDD與接地電位GND，則數位輸出信號為2n×I×R1/VDD，與第一參考阻值R1相依。因此當第一參考阻值R1隨溫度或/與濕度改變時，同樣的電流輸入I將會產生不同數位輸出信號的值。並且在不同的積體電路中，第一參考阻值R1在相同的溫度或/與濕度下也會有不同的差異，也進而造成同樣的電流輸入I將會產生不同數位輸出信號的值。
在本發明的一範例中，高參考電壓VrefH與低參考電壓VrefL與一第二參考阻值R2相關，並且高參考電壓VrefH與低參考電壓VrefL的電位差為Iref×R2，其中Iref為定電流。數位輸出信號的值為2n×(I×R1-VrefL)/(Iref×R2)，亦即與(I×R1-VrefL)/(Iref×R2)成正比。
如果第二參考阻值R2與第一參考阻值R1都位於相同積體電路內，製程變異相近，因此第一參考阻值R1與第二參考阻值R2的比值可以是常數C，使得依據電流輸入產生的數位輸出信號不隨所述材質因溫度或/與濕度造成的特性改變而有差異。
如果高參考電壓VrefH與低參考電壓VrefL分別為Iref×R2與0(接地電位GND)，則數位輸出信號為2n×(I×R1)/(Iref×R2)=2n×I×C/Iref，使得依據電流輸入產生的數位輸出信號不隨所述材質因溫度或/與濕度造成的特性改變而有差異。
本發明更可以是包括一運算電路，計算在一第一時間與一第二時間取得的數位輸出信號的差以產生一數位差值，使得數位差值不相依或低度相依於積體電路內第一參考阻值R1與第二參考阻值R2的製程變異。例如，在第一時間與第二時間的電流信號分別為I1與I2，並且數位差 值為((I2-I1)×R1)/(Iref×R2)，其中第一參考阻值R1與第二參考阻值R2的比值為一常數C，使得((I2-I1)×C)/Iref，因此依據電流輸入產生的數位輸出信號不隨所述材質因溫度或/與濕度造成的特性改變而有差異。
由於在第一時間與第二時間取得的數位輸出信號分別為2n×(I1×R1-VrefL)/(Iref×R2)與2n×(I2×R1-VrefL)/(Iref×R2)，在會相減後VrefL會被除去，因此數位差值與不相依或低度相依VrefL不相依或低度相依。據此，在本發明的另一範例中，高參考電壓VrefH與低參考電壓VrefL分別為Vcm+Iref×R2/2與Vcm-Iref×R2/2，使得依據電流輸入產生的數位輸出信號不隨所述材質因溫度或/與濕度造成的特性改變而有差異。
請參照圖3，為本發明的一參考電壓產生電路的示意圖，用以產生前述的高參考電壓VrefH與低參考電壓VrefL。第一接點Pin1耦合於第一電壓隨耦器VF1與第一電阻r1，第一電壓隨耦器VF1由第一接點Pin1接收參考電流Iref並且輸出高參考電壓VrefH。第一電阻r1由第一接點Pin1接收參考電流Iref，並且阻值為R2/2。此外，第二接點Pin2由第一電阻r1接收參考電流Iref，並且提供給第二電阻r2，並且第三接點Pin3由第二電阻r2接收參考電流Iref，其中第二電阻r2的阻值為R2/2。第二電壓隨耦器VF2由第三接點Pin3接收參考電流Iref並且輸出低參考電壓VrefL。在本發明的一範例中，高參考電壓=第二參考阻值×參考電流，並且低參考電壓=0。
請參照圖4，為本發明的另一參考電壓產生電路的示意圖，相較於圖3，更包括第三電壓隨耦器VF3，提供輸入電位Vcm至第三接點。在本發明的另一範例中，高參考電壓=輸入電位+1/2第二參考阻值×參考電流，並且低參考電壓=輸入電位-1/2第二參考阻值×參考電流。此外， 前述的電流源可以是如圖5所示，本技術領域具有通常知識的技術人員可提知其他電流源的實施方式，在此不再贅述。
綜合上述，在本發明的一最佳模式中，為一種信號量測的電路，包括類比前端電流量測電路、電流源、參考電壓產生電路與類比轉數位電路。
類比前端電流量測電路，依據一電流輸入輸出一電壓輸出，電壓輸出與具有一第一參考阻值的電路相關。電壓輸出的變化量與電流輸入的變化量間的比值為一固定常數。例如圖1所示，具第一參考阻值的電路為第一參考電阻。
電流源提供一參考電流。在本發明的一範例中，如圖5所示，是依據一數位輸入信號產生精準的參考電流。數位輸入信號可以是由數位轉類比器轉成類比電壓提供給電流源，以產生參考電流Iref。
參考電壓產生電路是依據參考電流產生一高參考電壓與一低參考電壓，其中高參考電壓與低參考電壓的電壓差與具一第二參考阻值的電路相關，並且具第一參考阻值的電路與具第二參考阻值的電路是由相同材質構成。如圖3與圖4所示，構成第二參考阻值的電路為第一電阻r1與第二電阻r2。在本發明的一範例中，高參考電壓與低參考電壓的電壓差=參考電流×第二參考阻值。
類比轉數位電路是基於參考電壓依據電壓輸出產生一數位輸出信號，其中數位輸出信號的值隨電流輸入的改變而改變，並且電流輸入的改變量與數位輸出信號的值的改變量間的比值為一固定常數，使得依據電流輸入產生的數位輸出信號不隨所述材質因溫度或/與濕度造成的特性 改變而有差異。在本發明的一範例中，數位輸出信號的值為2n×(電壓輸出-低參考電壓)/高參考電壓與低參考電壓的電壓差，其中n為數位輸出信號的位元數。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明的申請專利範圍；凡其他為脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包括在下述的申請專利範圍。
ADC‧‧‧類比轉數位器
V‧‧‧電壓輸出
VrefH‧‧‧高參考電壓
VrefL‧‧‧低參考電壓
Iref‧‧‧定電流
Vcm‧‧‧輸入電位
VF1‧‧‧第一電壓隨耦器
VF2‧‧‧第二電壓隨耦器
VF3‧‧‧第三電壓隨耦器
Pin1‧‧‧第一接點
Pin2‧‧‧第二接點
Pin3‧‧‧第三接點
r1‧‧‧第一電阻
r2‧‧‧第二電阻

Claims (8)

  1. 一種信號量測電路，包括：一類比前端電流量測電路，依據一電流輸入輸出一電壓輸出，該電壓輸出與具有一第一參考阻值的電路相關；一電流源，提供一參考電流；一參考電壓產生電路，具有一第二參考阻值的電路，並且依據該參考電流與一輸入電位產生一高參考電壓與一低參考電壓，其中具有該第一參考阻值的所述電路與具有該第二參考阻值的電路是由相同材質構成，其中具有該第二參考阻值的所述電路包含一第一電阻與一第二電阻，該高參考電壓=該輸入電位+該第一電阻×該參考電流，該低參考電壓=該輸入電位-該第二電阻×該參考電流；以及一類比轉數位電路，基於該高參考電壓與該低參考電壓，依據該電壓輸出產生一數位輸出信號，其中該數位輸出信號的值隨著該電流輸入的改變而改變，並且該電流輸入的改變量與該數位輸出信號的值的改變量間的比值為一第一固定常數。
  2. 如申請專利範圍第1項之信號量測電路，其中該電壓輸出的變化量與該電流輸入的變化量間的比值為一第二固定常數。
  3. 如申請專利範圍第1項之信號量測電路，其中該高參考電壓與該低參考電壓的電壓差=該參考電流×該第二參考阻值。
  4. 如申請專利範圍第1項之信號量測電路，其中該參考電壓產生電路包括：一第一接點；一第一電壓隨耦器，由該第一接點接收該參考電流並且輸出該高參考電壓；該第一電阻，由該第一接點接收該參考電流，並且其阻值為該第二參考阻值的二分之一；一第二接點，由該第一電阻接收該參考電流；該第二電阻，由該第二接點接收該參考電流，並且其阻值為該第二參考阻值的二分之一；一第三接點，由該第二電阻接收該參考電流；以及一第二電壓隨耦器，由該第三接點接收該參考電流並且輸出該低參考電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項之信號量測電路，其中該參考電壓產生電路包括：一第三電壓隨耦器，提供該輸入電位至該第三接點，其中該高參考電壓=該輸入電位+1/2×該第二參考阻值×該參考電流，該低參考電壓=該輸入電位-1/2×該第二參考阻值×該參考電流。
  6. 如申請專利範圍第4項之信號量測電路，其中該數位輸出信號的值為2n×(該電壓輸出-低參考電壓)/該高參考電壓與該低參考電壓的電壓差，其中n為該數位輸出信號的位元數。
  7. 如申請專利範圍第4項之信號量測電路，其中該電流源是依據一數位輸入信號產生該參考電流。
  8. 如申請專利範圍第1項之信號量測電路，其中依據該電流輸出產生的該數位輸出信號不隨所述材質因溫度與/或濕度造成的特性改變而有差異。
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