1 导言
一般所说的电流检测是用来检测某部件、或许导线通过的电流，一般用互感器、分流器等将电流信号转化成电压信号，然后再对其进行处理扩大，作为后边电路维护、检测运用。现在，现已有许多不同的电流检测技能已被发布或施行。其间常用的直流电流检测办法首要是通过串联电阻或许依据霍尔效应原理进行，在一般情况下被测电流信号较大，串联电阻对输入电流信号的影响可以疏忽不计，但跟着科技开展的需求，被检测信号日渐减小，在体系电路中假如直接串联电阻，会影响前级电路作业，导致被测电流信号的巨细发生改动，此刻这一影响现已不能再被疏忽。
为了检测小电流信号，一起完结将输入的电流信号缩小的功用，以便满意后续处理电路的要求，本文给出了一种不同于传统电流检测电路中常用的两类完结办法–电阻检测和电流互感器检测的检测电路，差异于选用电阻、电容以及电感等无源器材作为首要结构的电路，规划了一款由MOS管为首要结构组成的电流检测电路。它可以在完结电流缩放的一起，战胜因对源电流发生较大影响而使得输入电流信号有较大改动的问题。
2 电流检测电路原理及规划优化
2.1 规划要求
本文的规划依托于轿车电子国家项目服务规划渠道，项目中要求的电流检测电路首要要求完结将大电流信号缩小，终究得到较小的电流信号输出，以便为后续电路模块供给符合要求的电流值。一起要求，在得到较小输出电流的一起要确保输入电流值不能发生改动。规划要求完结输出电流与输入电流比较到达缩小3600倍的方针，一起要求有较好的线性度。
2.2 结构规划
本文规划的电流检测电路首要是完结将输入电流缩小以便后边对电流进行其他相关操作，比方过流维护等。需求留意的是在得到较小输出电流的一起不可以改动输入电流，或许是对其发生较大的影响，因而不可以直接选用电阻分压的方式。别的还希望该电路电流改动的精度可以到达合理规模，以及具有安稳的输出电流。但是电阻在实践运用中不确认要素较大，温度、工艺等导致方块电阻的安稳性不是很好，动摇较大，或许会导致终究流片后得到的电阻值与开始规划有较大差错，影响电路功用。这两点是该电路规划需求处理的要害问题，也是进行规划的难点。
一般来说，电流镜的一个要害特性是：它可以精确地仿制电流而不受工艺和温度的影响，一起这种结构特性自身决议了它对输入电流简直没有影响。归纳考虑上述规划要求以及前端电路输出端的电路结构，终究确认选用电流镜结构完结规划。
在电流镜结构中，Iout与IREF(规范电流，这儿即为输入电流)的比值由器材尺度的比率决议，该值可以控制在合理的精度规模内。需求留意的是，电流镜中的一切晶体管一般都选用相同的栅长，以减小因为源漏区边际分散(LD)所发生的差错。而且，短沟器材的阈值电压对沟道长度有必定的依赖性。因而，电流值之比只能通过调理晶体管的宽度来完结。别的，对器材宽度的调理实践上是通过多个单元晶体管并联来完结的，而不是简略地规划改动一个器材的宽度。一起考虑到地图以及工艺对电路功用的影响，在规划时晶体管需求尽量选用对称结构。终究确认的电路结构详见图1.
图1 电流检测电路结构图
依据电路结构可以直接核算得出电路理论上完结电流缩小3600倍。电路中各个晶体管尺度的终究确认是通过对不同器材尺度电路的仿真成果比照得到的。
3 优化及其仿真
首要确认关于晶体管栅长的选取。依据电流镜结构特色，一般电流镜中的一切晶体管都选用相同的栅长。在规划时还需求考虑终究流片时所选用工艺的要求。本次流片选用的是0.5 μm的工艺，因而L值亦不能过小，不然电路的功用会对工艺准确度有很大的依赖性。通过对不同长度下电路仿真成果(如图2所示)的剖析，可以知道在L=1 μm时电路的线性度最佳，可以很好地满意合理的精度要求。
图2 MOS管L值对电路功用影响仿真
归纳考虑各方面要素，在选取MOS管的栅长时终究确认L=1 μm为较优计划进行电路的建立。这也阐明晰电流镜结构中应选用改动MOS管的宽度调理电流的份额。
接下来评论晶体管宽度的确认。晶体管宽度的份额值直接决议了整个电路对电流缩小的倍数。图3是晶体管宽度取2~8 μm顺次改动下的仿真成果图。
需求留意的是当宽度较大时，整个晶体管所占面积也会明显添加，别的运用NMOS管和PMOS管的数量也会对电路功用发生必定的影响。所以归纳考虑电路改动倍数的需求、精度的要求以及地图面积等多方面要素，终究确认图1中给出的电路结构。
图3 不同宽度下的电路功用仿真
4 功用仿真及测验成果
4.1 仿真成果
首要，对电路的输出特性进行仿真测验。给电路添加不同阻值的负载R1,别离进行仿真测验，调查其输出特性改动，成果如图4所示。
图4 不同R1下的电路功用仿真
从图4中可以很清楚地看到，当电路加载不同负载时电路的输出成果简直彻底重合，阐明负载对输出成果根本没有影响。这个成果很好地阐明晰该电路结构具有很安稳的输出特性，电路规划可以较好地完结安稳输出的规划方针。
一起从图4中标示的两个特别点可以很好地看出这种电路结构终究完结电路电流改动值与理论值相差较小。对电路进行的后仿真结构与前仿成果相差甚小，所以可以说整个电路在考虑到了工艺动摇性的前提下，可以根本满意线性度的要求，正常完结电路功用。
4.2 测验成果
图5为电流检测电路终究进行流片时的地图。可以看到整个电路中心简直全部是由MOS管构成。表l是对芯片中该电路进行测验的终究成果，因为测验条件约束，只能给出一些不接连的电流值点作为输入。在测验中，咱们对多个电路进行了丈量，大部分电路的测验成果都比较挨近，表l给出了其间较为典型的两组数据。
图5 电流检测电路的地图
表l 较为典型的两组测验数据
通过测验成果可以看出整个电路根本完结了规划的功用要求，完结了将电流缩小的功用。表格中给出的两组数据成果的扩大倍数与仿真成果相差不大，根本到达了规划要求。而在实践测验中还呈现了一组差错较大的数据，这些测验数据成果是选取不同5×5芯片内的电路进行测验的。这阐明因为工艺问题，不同方位的电路存在着必定的功用差错，单个电路的功用或许不是非常抱负。但这是在规划考虑之内的工艺差错，一起也阐明晰该工艺存在着不安稳性。
为了更直观地看到电路电流改动特性，咱们将表l的第二组数据绘制成曲线，成果见图6.通过数据收拾核算，可以知道测验成果与仿真成果相差1 μA左右，而且当输入电流值越大，差错会略有所减小，相对得到的输出电流的精度越高。整个电路可以较好地完结电路缩小功用，而且可以到达规划要求的3600倍的缩小值。一起测验成果的线性度在合理规模之内。
全体上，终究的测验成果是可以被承受的，这阐明电路可以较好地完结其功用。
5 数据提取
跟着信息工业的飞速开展，IP核的运用日益遭到业界重视。据Dataquest计算，IP核现已成为一项工业。而该电路的规划正是为了完结IP核模块的规划，所以在完结根本的电路规划以及流片、测验作业之后，还要对相关数据进行打包处理，以便于IP核的复用。数据处理包含提取电路的LEF文件以及逻辑功用(Verilog-A代码)的编写作业。
图6 电流检测电路测验成果图
LEF文件的发生运用的是Cadence公司的数据提取东西Abstracts Generating进行IP核数据提取。Abstract首要依据三种根本数据–TECH.lef、需求提取的各电路地图信息(GDSII)和MAP对电路各种器材、管脚信息进行提取，得到lef文件abstract.lef.
逻辑功用是用一种高层次模仿电路硬件描绘言语Verilog-A代码进行编写的。图7展现了该代码通过仿真验证成果与上面电路结构的仿真根本共同，阐明所写代码可以正常完结电流检测的功用。这样就完结了对该电路逻辑功用的编写以及数据提取的根本作业，为IP核的复用供给了数据支撑。
图7 VerilogA代码仿真成果
6 结语
本文中的电流检测电路选用有源器材完结电路规划，根本完结了电流检测的功用，在电路规划过程中归纳考虑功用要求以及工艺约束进行结构的优化。
