具体实施方式

期望稳压器准确地测量一系列所施加的工作电极电压的工作电极电流，尽管稳压器的温度可能发生变化或工艺发生变化(即，由于制造)，这可导致稳压器中的设备失配。

本公开涵盖联接到电化学电池的稳压器电路(即，稳压器)，该电化学电池包括两个或更多个电极(例如，工作电极、参考电极、反电极)。稳压器可被配置为(i)保持(即，固定)施加到工作电极电压(即，WE电压)的电压，以及(ii)准确地测量工作电极电流(即，WE电流)，该电流可沿两个方向中的一个(即，双向)流动。本发明所公开的方法可利用电流镜来复制工作电极的路径之外的WE电流，以便增大工作电极上的电压范围。本发明所公开的稳压器还可包括共源共栅设备，该共源共栅设备以折叠共源共栅拓扑结构耦接到电流镜以扩展WE电压范围并允许在源极方向或下沉方向上测量WE电流(即，允许双向电流测量)。在一些具体实施中，本发明所公开的稳压器还包括增加(即，WE电流的)测量准确性并减小由温度波动引起的变化(即，漂移)的电流斩波器(即，斩波器)。本发明所公开的稳压器具有相对较高的功率效率，从而使得其适用于低功率和/或便携式应用。本发明所公开的稳压器可占据相对较小的管芯面积，从而使其适用于便携式和/或多沟道应用。

根据特定导电型晶体管(例如，N型晶体管)来讨论本文所述的具体实施中的许多具体实施方式。在一些具体实施中，导电型可颠倒。在一些具体实施中，电路可使用不同类型的晶体管诸如双极型晶体管等来配置。

图1示出包括电流镜的稳压器。电流镜稳压器包括耦接到晶体管(MPG)的第一放大器(A1)。第一放大器(A1)和晶体管(MPG)可被认为是反馈放大器101。反馈放大器101用于设定WE上的电压(即，vdac)。可使用包括匹配晶体管(MP1、MP2)的电流镜来复制从WE流出的电流。电流镜被配置为生成将工作电极电流(i_WE)镜像(例如，作为其副本)到输出节点的输出电流(i_输出)。如图所示，MPG、MP1和MP2可为p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。

期望适应较大范围的WE电压(例如，具有尽可能接近电源轨的电压上限的较大WE电压范围)。然而，电流镜稳压器可具有有限的WE电压范围，因为上限WE电压(即，V(WE)最大)不应高于：

电压vdd为供电电压，电压VSD_MPG为MPG两端的源极到漏极电压，并且电压VSG_MP1为二极管连接的晶体管MP1的源极-栅极电压，该源极-栅极电压取决于通过MP1的电流并且取决于其阈值，该阈值取决于技术节点。为了使工作电极电流(i_WE)和所复制电流(i_输出)之间的失配最小化，晶体管MP1和MP2应具有大面积并且必须在强反转条件下偏置。在强反转条件下，可比阈值电压(v_th)高至少0.2伏(V)。具有0.7V的阈值电压的晶体管意味着可通过建立强反转条件来消耗0.9V的WE电压范围。换句话讲，WE电压可被设定到的最大施加电压(vdac)受到该强反转条件的限制。当vdd较低(例如，3伏)时，诸如在低功率应用中，该限制可能是显著的。此外，为了测量几百微安(pA)至一百纳安(nA)范围内的电流，晶体管必须具有非常大的沟道(L)，这使得电流镜晶体管(MP1、MP2)的占据面积(即，尺寸)相当大。

图2示意性地示出根据本公开的第一具体实施的稳压器。如图所示，本发明所公开的稳压器包括用作偏置电流源205的p型MOSFET(PMOS)MP1，该偏置电流源为包括n型MOSFET(NMOS)、MN1和MN2的输出电流镜(即，i₁-电流镜)210馈电。MP1偏置电流源(i_偏置)的电流电平由所施加电压(vbp)控制。因此，最大WE电压(V(WE)_最大)不再受二极管连接的晶体管的源极-栅极电压的限制。

VDS饱和_MP1为MP1晶体管的源极漏极饱和电压。在本公开的第一具体实施中，图1中使用的二极管连接的晶体管的源极-栅极电压被替换为MP1 VDS饱和_MP3两端的低得多的电压。因此，当与电流镜稳压器(图1)相比时，WE电压可被设定到的最大施加电压(vdac)增加，并且WE电压的范围可扩展。输出电流镜210两端的电压降不限制可能的工作电极电压的范围。

图1所示的电流镜稳压器被限制为在一个方向(即离开WE的方向(即，WE上的下沉电流))上感测工作电极电流(i_WE)。在一些应用中，希望在进入WE的方向上(即，WE上的源极电流)测量工作电极电流(i_WE)。本发明所公开的稳压器通过使用可接通或断开(即，i_偏移＝0)的偏移电流源(i_偏移)来允许下沉方向或源极方向上的工作电极。在一些具体实施中，可包括开关设备(如图2所示)以执行开/关功能。换句话讲，图2的稳压器具体实施包括反馈放大器201，该反馈放大器被配置为基于设定电压vdac固定工作电极处的电压并传送工作电极电流(i_WE)。图2的稳压器具体实施还包括生成对应于(例如，取决于、相关于)工作电极电流(i_WE)的输出电流(i_输出)的电路，其中该生成不限制工作电极处可能的电压的范围。

在图2的稳压器中，i₁-电流镜210的输出电流(i_输出)(即，通过MN2的电流)等于偏置电流、工作电极电流和偏移电流的数学组合。具体地，输出电流等于工作电极电流(i_WE)加上从通过MP1的偏置电流(即，i_偏置)中减去的偏移电流(i_偏移)。

i_输出＝i₁＝i_偏置-(±i_WE+i_偏移) (3)

I₁-电流镜210的输出电流(i_输出)为工作电极电流(i_WE)、MP1晶体管的偏置电流(i_偏置)以及偏移电流(i_偏移)的函数。

图2所示的具体实施的偏置电流(i_偏置)和偏移电流(i_偏移)具有不同的方向(即，偏置电流(i_偏置)由PMOS晶体管MP1驱动，而偏移电流由NMOS晶体管MN3驱动)。因此，这些电流可能需要随温度(例如，相对于参考电流—未示出)匹配，以便在一定温度范围(即，稳压器的温度)内实现i_WE的高度准确测量。

图3示意性地示出根据本公开的第二具体实施的稳压器。对于稳压器的该具体实施，图2的电路被适配成使得偏置电流分量(i_偏置)和任选的偏移电流分量(i_偏移)从输出节点301处的输出电流(i_输出)中被有效地移除(即，消除)。该移除通过添加到图2所示的具体实施的电路和设备来实现。

添加与MP1匹配的PMOS晶体管MP2，以生成i_偏置的复制品(即，副本)(即，i_偏置副本)。因此，由MP1和MP2形成的电路可被称为i_偏置-电流复制器310(即，偏置电流复制器)，因为流过MP2的电流(i_偏置副本)为偏置电流(i_偏置)的副本。偏置电流的副本进入输出节点301，从而消除来自i_输出的偏置电流的分量。因此，图3所示的输出电流i_输出可被描述为：

i_输出＝i_偏置副本-i₁＝±i_WE+i_偏移 (4)

用于i_偏移的电流源在图3的具体实施中体现为NMOS晶体管MN3(即，偏移电流源)。MN3在其栅极处由电压(vbn)驱动。可通过向输出节点添加与i_偏移的电流源匹配的电流源来从i_输出中消除偏移电流。因此，与MN3匹配的NMOS晶体管MN4在其栅极处由相同的栅极电压(vbn)驱动，以产生作为偏移电流(i_偏移)的副本(即，复制品)的电流(i_偏移副本)。偏移电流的副本离开输出节点301以从i_输出中消除i_偏移，从而留下：

i_输出＝i_偏置副本-i₁-i_偏移副本＝±i_WE (5)

公式5假设i_偏置副本完全匹配i_偏置，并且i_偏移副本完全匹配i_偏移。

输出电流i_输出被馈送到电流-数字转换器(未示出)，该电流-数字转换器将输出节点301保持到预定义电压。电流-数字转换器可为(但不限于)双斜率电流-模式模拟-数字转换器、互阻抗放大器以及之后的模拟-数字转换器。

图4示意性地示出根据本公开的第三具体实施的稳压器。对于稳压器的该具体实施，图3的电路被适配成使得i₁-电流镜210和i_偏置-电流复制器310被修改以形成共源共栅拓扑结构(即，各自处于共源共栅配置中)。

I_偏置-共源共栅电流复制器410由晶体管MP1、MP2、MP3和MP4形成。I₁-共源共栅电流镜420由晶体管MN1、MN2、MN3、MN4和电阻器R形成。输出电流i_输出被馈送到电流-数字转换器(未示出)，该电流-数字转换器将输出节点401保持到预定义电压。与图3中的具体实施的电路拓扑结构相比，共源共栅拓扑结构可提供更好(例如，更准确)的电流副本。另外，共源共栅拓扑结构可允许更好的匹配(例如，设备匹配)性能。与图3的具体实施相比，由共源共栅拓扑结构提供的改善可减少i_输出(在输出节点401处)针对功率、温度和工艺变化的可变性。如果需要甚至更高准确性(例如，i_输出具有小于0.3％的变化)的稳压器，则可包括对图4的具体实施的进一步调整。

图5示意性地示出根据本公开的第四具体实施的稳压器。该具体实施包括i_偏置-斩波器共源共栅电流复制器510，该i_偏置-斩波器共源共栅电流复制器包括耦接在共源共栅电流镜的PMOS晶体管MP1和MP2以及PMOS晶体管MP3和MP4之间的第一斩波器(即，Chop1)。第一斩波器(Chop1)由时钟信号(f1)配置以另选地(i)使MP1的漏极耦接到MP3的源极并耦接到MP4的源极，并且(ii)使MP2的漏极耦接到MP4的源极并耦接到MP3的源极。第一斩波器(Chop1)被配置为减小(例如，消除)与共源共栅电流镜配置相关联的不匹配(例如，随机不匹配)。

I_偏置-斩波器-共源共栅-电流复制器510还包括第二放大器(A2)，该第二放大器在反相输入处耦接到MPG的源极端子和MP1的漏极端子，并且在非反相输入处耦接到MP2的漏极端子。放大器(A2)被配置为保持MP1的漏极处的电压等于MP2的漏极处的电压，而不管流过晶体管MP3(i₁)的电流的值如何。因此，放大器(A2)通过保持MP1和MP2的源极到漏极电压相等来减小MP1和MP2的系统失配(例如，由于沟道长度调制)。I_偏置-斩波器-共源共栅-电流复制器510被配置为生成偏置电流的副本(即，偏置-消除电流i_偏置副本)以消除输出节点501处的i_偏置。输出电流i_输出被馈送到电流-数字转换器(未示出)，该电流-数字转换器将输出节点501保持到预定义电压。

图5的稳压器具体实施还包括i₁-斩波器-共源共栅电流镜520，该i₁-斩波器-共源共栅电流镜包括由第二时钟信号驱动的第二斩波器(Chop2)，该第二时钟信号为第一时钟信号的两倍(即，2×f1)。在一些具体实施中，图5的稳压器具体实施可以包括i₁-斩波器-共源共栅-电流镜520，该i₁-斩波器-共源共栅-电流镜包括由第二时钟信号驱动的第二斩波器(Chop2)，该第二时钟信号不同于第一时钟信号的两倍。在一些具体实施中，信号时钟的周期(即，1/f1)可被选择为等于稳压器之后的电流-数字转换器的积聚时间的一半，以便减少短时脉冲干扰。在一些具体实施中，图5所示的电路可包括输出电流镜520中的放大器。第二斩波器被配置为改善输出节点501处的i₁的副本(即，i₂)的准确性。在一些具体实施中，第二斩波器可减小(例如，消除)输出电流镜520中的失配。

图5包括由被配置为生成i_偏移的MN5和MN7形成的偏移电流源以及由被配置为生成用于数字转换的参考电流i_ADC的MN6和MN8形成的电流源(即，i_输出为i_ADC的倍数)。图5的稳压器具体实施包括由第一时钟信号(f1)驱动的i_偏移-斩波器-共源共栅-电流复制器530(即，偏移-电流复制器、偏移-电流复制器电路)。在一些具体实施中，i_偏移-斩波器-共源共栅-电流复制器530可由第一时钟信号(f1)之外的频率驱动。I_偏移-斩波器-共源共栅-电流复制器530包括第三放大器(A3)，该第三放大器被配置为提高偏移电流源的输出阻抗(因为i_偏移连接到WE并且WE电压可变化)。I_偏移-斩波器-共源共栅-电流复制器530还包括斩波器(Chop3)，该斩波器被配置为生成具有与i_ADC类似的温度系数的偏移电流i_偏移，以便使转换的温度漂移最小化。使用斩波器允许使用小晶体管而不损害匹配性能。

图6示意性地示出根据本公开的第五具体实施的稳压器。在该具体实施中，消除i_偏移和i_偏置，使得输出电流i_输出为工作电极i_WE的直接表示。该具体实施包括生成i_偏移的副本(即，i_偏移副本)的i_偏移-斩波器-共源共栅-电流复制器530中的匹配晶体管MN5和MN6以及MN7和MN8。因此，可从输出节点中消除电流i_偏移，使得i_输出等于工作电极电流(i_WE)。输出电流i_输出被馈送到电流-数字转换器(未示出)，该电流-数字转换器将输出节点保持到预定义电压。

本文呈现的示例具体实施根据增加的准确度和/或操作范围来布置。图2所示的第一具体实施通常包括增大稳压器可适应的工作电极电压的范围并允许稳压器在任一方向(即，双向)上处理工作电极电流的电路。图3所示的第二具体实施将第一具体实施适配成包括通过消除所引入的偏置电流的影响以及(当包括时)偏移电流的影响以使输出电流更真实地表示工作电极电流的一个或多个电路。图4所示的第三具体实施将第二具体实施适配成包括使输出电流不太容易因工艺变化(即，工艺角)、功率源和温度而变化的共源共栅电流镜拓扑结构。图5所示的第四具体实施将第三具体实施适配成包括使输出电流不太容易因工艺而变化(随机变化)并消除所引入的偏置电流i_偏置的影响的共源共栅电流镜/电流复制器中的斩波器电路。此外，第四具体实施包括提高电流源的输出阻抗的放大器。图6所示的第五具体实施将第四具体实施适配成包括消除偏移电流i_偏移在转换温度漂移方面的影响的电路。

可存在对所述具体实施的变型。通过使用本文所述的电路中的一个或多个可实现提供益处(例如，当与传统电流镜方法相比时)的稳压器。这些益处可包括设定大的工作电极电压范围(例如，从功率和接地起+/-100mV)的能力。这些益处可包括测量双向工作电极电流的能力。这些益处可包括工作电极电流的高准确性(例如，小于0.3％)测量。例如，可准确地测量几百微安(pA)至几百纳安(nA)范围内的工作电极。这些益处可包括测量高温稳定性(例如，小于0.3％的变化)。这些益处可包括小尺寸稳压器。例如，使用斩波器有利于在电流镜中使用物理地小晶体管而不损害(即，减少)匹配(电流复制)性能。

在图7所示的流程图中示出用于从工作电极中测量电流而不限制可能的工作电极电压的范围(例如，增加最大可能的工作电极电压)的方法的可能的具体实施。该方法包括使用反馈放大器(例如，包括放大器A1和晶体管MPG)设定710工作电极上的电压(即，WE电压)。另外，该方法包括使用偏置电流源生成720偏置电流(i_偏置)。偏置电流源可为晶体管(例如，如图2所示的偏置电流源205)。此外，该方法包括产生730偏移电流(i_偏移)以有利于测量双向工作电极电流(i_WE)。该方法还包括在输出电流镜的输入处接收740偏置电流、工作电极电流和偏移电流(例如，i_偏置±i_WE-i_偏移)的数学组合。输出电流镜可为(但不限于)如图2和图3所示的电流镜210，如图4所示的共源共栅电流镜420，或如图5和图6所示的具有斩波器(Chop2)520的升压共源共栅电流镜。该方法还包括将偏置电流、工作电极电流和偏移电流的数学组合镜像760(即，复制)到输出节点。另外，该方法包括使用偏置电流复制器电路(即，偏置电流复制器)复制770偏置电流并将所复制的偏置电流(i_偏置副本)耦接到输出节点775。另外，该方法包括使用偏移电流复制器电路(即，偏移电流复制器)复制731偏移电流并将所复制的偏移电流(i_偏移副本)耦接到输出节点733。偏置所复制的偏置电流(i_偏置副本)和所复制的偏移电流(i_偏移副本)从输出电流(i_输出)中消除765(即，消除其影响)偏置电流(i_偏置)和偏移电流(i_偏移)的影响。

在可能的具体实施中，该方法包括输出电流镜，该输出电流镜两端的电压降745不限制工作电极上可能的电压的范围(即，不限制工作电极电压)。

在其他可能的具体实施中，偏置电流的副本可由i_偏置-电流复制器310(例如，如图3所示)、i偏置-共源共栅-电流复制器410(例如，如图4所示)或包括斩波器(Chop1)和放大器(A2)的i偏置-斩波器-共源共栅电流复制器510(例如，如图5和图6所示)产生(即，生成)。类似地，偏移电流的副本(i_偏移副本)可由i_偏移-斩波器-共源共栅-电流复制器530(例如，如图6所示)产生。

在另一可能的具体实施中，偏移电流可用于(例如，也用于)产生用于输出电流(i_输出)的数字转换的参考。在该具体实施中，偏移电流(i_偏移)可用于使用i_偏移-斩波器-共源共栅-电流复制器530(例如，如图5所示)来产生732参考电流(i_ADC)。在这种情况下，参考电流(i_ADC)可耦接734到电流-数字转换器作为输出电流i_输出的参考电平。例如，电流-数字转换器(未示出)可接收输出电流i_输出以及由i_偏移-斩波器-共源共栅-电流复制器530产生的偏移电流(i_ADC)的副本，如图5所示。电流-数字转换器可被配置为使用参考电流(i_ADC)作为数字转换的参考电平将i_输出转换736为数字信号。在这种情况下，输出节点处的输出电流中可不存在i_偏移副本。因此，在这些具体实施中，仅从输出节点处的输出电流中(即，从输出中)消除i_偏置。

本公开的技术可被实现为电化学测量系统(即，系统)。该系统包括电化学电池，该电化学电池具有工作电极。该系统还包括稳压器，该稳压器被配置为保持工作电极的工作电极电压并且被进一步配置为测量工作电极处的工作电极电流。该稳压器包括输出电流镜，该输出电流镜被配置为将对应于工作电极电流的电流复制为(即，稳压器的)输出节点处的输出电流。稳压器还包括耦接到输出电流镜的偏置电流源。

在一个可能的具体实施中，偏置电流源被配置为向输出电流镜中的晶体管(例如，二极管连接的晶体管)提供偏置电流，该晶体管具有对应于强反转条件的电压。偏置电流源和输出电流镜被布置成使得对应于强反转条件的电压不限制可能的工作电极电压的范围。此外，在该布置(即，拓扑结构)中，一系列可能的工作电极电压的较高电压大约为稳压器的供电电压。

偏置电流源耦接在电压源(即，供电电压)和反馈放大器之间并且被配置为输出偏置电流。偏置电流源的电压降低于(例如，低得多)耦接到工作电极(例如，连接在工作电极的路径上)的电流镜的电压(例如，所需电压)，诸如图1所示。

在另一可能的具体实施中，输出电流镜可处于共源共栅配置中以减小输出电流镜中的失配(例如，晶体管之间的失配)。失配的减小可有利于使用较小的晶体管，从而允许减小稳压器的尺寸(例如，具有处于共源共栅配置的输出电流镜的稳压器可物理地小于没有共源共栅配置的稳压器)。换句话讲，输出电流镜的减小的失配可对应于稳压器的尺寸的减小。

在说明书和/或附图中，已经公开了典型实施方式。本公开不限于此类示例性实施方式。术语“和/或”的使用包括一个或多个相关联列出条目的任意组合和所有组合。附图是示意性表示并且因此未必按比例绘制。除非另有说明，否则特定术语已用于通用和描述性意义，而非用于限制的目的。

应当理解，在前述描述中，当元件诸如部件被提及为连接到另一元件、电连接到另一元件、耦接到另一元件或电耦接到另一元件时，该元件可直接地连接或耦接到另一个元件，或可存在一个或多个中间元件。相比之下，当元件被提及为直接连接到另一元件、或直接耦接到另一元件时，不存在中间元件。尽管在具体实施方式中可能不会通篇使用术语直接连接到、或直接耦接到，但是被示为直接连接或直接耦接的元件可以此类方式提及。本申请的权利要求书(如果存在的话)可被修订以叙述在说明书中描述或者在附图中示出的示例性关系。

如在本说明书中所使用的，除非根据上下文明确地指出特定情况，否则单数形式可包括复数形式。除了附图中所示的取向之外，空间相对术语(例如，在…上方、在…上面、在…之上、在…下方、在…下面、在…之下、在…之以下等)旨在涵盖器件在使用或操作中的不同取向。在一些实施方式中，在…上面和在…下面的相对术语可分别包括竖直地在…上面和竖直地在…下面。在一些实施方式中，术语邻近能包括横向邻近或水平邻近。

一些实施方式可使用各种半导体处理和/或封装技术来实现。一些实施方式可使用与半导体基板相关联的各种类型的半导体处理技术来实现，该半导体基板包含但不限于，例如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)等。

虽然所描述的实施方式的某些特征已经如本文所述进行了说明，但是本领域技术人员现在将想到许多修改形式、替代形式、变化形式和等同形式。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入具体实施的范围内的所有此类修改形式和变化形式。应当理解，这些修改形式和变化形式仅仅以举例而非限制的方式呈现，并且可以进行形式和细节上的各种变化。除了相互排斥的组合以外，本文所述的装置和/或方法的任何部分可以任意组合进行组合。本文所述的实施方式能包括所描述的不同实施方式的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。