CN100373283C - 负温度补偿电流产生电路及温度补偿电流基准源 - Google Patents

Abstract

负温度补偿电流产生电路及温度补偿电流基准源，属于电源技术领域，具体涉及一种温度补偿电流产生电路及温度补偿电流基准源。所述负温度补偿电流产生电路由一个MOS管、一个PNP三极管和一个电阻构成，根据输入电流的一阶温度系数，通过调整PNP三极管和电阻的参数，能够输出一种三阶温度系数为零，一阶和二阶温度系数为负的补偿电流。所述温度补偿电流基准源包括：启动电路、一阶正温度补偿电流产生电路、二阶正温度补偿电流产生电路、三阶负温度补偿电流产生电路、比例求和电路以及输出电路。其实质是将单元电路所产生的一阶正温度系数补偿电流、二阶正温度系数补偿电流和三阶温度系数为零的负温度系数补偿电流通过比例叠加，以实现非常低的温度系数(可达0.7ppm/℃)。

Description

负温度补偿电流产生电路及温度补偿电流基准源

技术领域

负温度补偿电流产生电路及温度补偿电流基准源，属于电源技术领域，具体涉及一种温度补偿电流产生电路及温度补偿电流基准源。

背景技术

在模拟、数模混合、甚至纯数字电路中都需要参考电流源，参考电流源的稳定性直接决定了电路性能的优劣。描述参考电流源稳定性的指标主要有：电源抑制比、温度系数等。为了满足电路在恶劣的外界温度环境下正常工作的要求，参考电流源必须具有非常小的温度系数，即非常高的温度稳定性。

电流基准源的功能是向电路中其他功能模块提供基准电流，是模拟集成电路中非常重要的功能模块，常为振荡器、滤波器、数模转换和精确的时间延迟模块提供基准电流。对电流来说，在长金属线上传输时没有损失，而电压则有损失，所以，在有长互连金属线的模拟电路中，更倾向使用电流基准源。另外，如果电路采用电流模式，会比采用电压模式能在更高的频率下工作，以提高电路的速度，但是，电流模式电路在大温度范围内工作时的准确性和稳定性直接决定于电流源的温度稳定性。

公开号CN1340750A的专利文献(申请号：00123710.1，发明名称：低温度系数参考电流源产生电路)公开了一种低温度系数参考电流源产生电路，主要包括：一用于产生能带间隙参考电压源的电路，其提供一低温度系数的能带间隙参考电压及一正温度系数的电流；一电压追随器，是产生追随该低温度系数能带间隙参考电压的电压，以驱动一具有正温度系数的电阻，而产生一负温度系数的电流；以及一电流镜电路，以将该正温度系数的电流及负温度系数的电流作比例组合，而获得一低温度系数的参考电流。该技术方案实质上采用了PTAT(与温度成正比)的电流与IPTAT(与温度成反比)的电流按比例相叠加的方式，来实现一阶温度补偿，输出基准电流，其原理示意图如图3所示。该技术方案经计算机仿真，在-25℃～+75℃的范围内，输出的基准电流变化为1.4％即140ppm，显示其温度特性并不是很好。

发明内容

本发明提供一种负温度补偿电流产生电路，通过电路结构可以实现使其输出电流的三阶温度系数为零，其一阶和二阶温度系数小于零；同时本发明提供基于该负温度补偿电流产生电路的温度补偿的基准电流源，该基准电流源具有非常低的温度系数。

本发明所述电流基准源的温度补偿原理如图1所示，先分别产生一支一阶正温度补偿电流、一支二阶正温度补偿电流和一支三阶负温度补偿电流(其三阶温度系数为零，一阶和二阶温度系数小于零)。其中，一阶正温度补偿电流的温度特性曲线为一条直线a，二阶正温度补偿电流的温度特性曲线为开口向上的二次曲线b，三阶负温度补偿电流的温度特性曲线为开口向下的二次曲线c(因为，通过电路结构实现其三阶温度系数为零，所以温度特性表现为二次曲线)。然后，将这三支温度补偿电流按一定比例叠加，得到输出温度特性曲线为d所示的高阶温度补偿电流源。

本发明详细技术方案如下：

一种负温度补偿电流产生电路，如图4所示，由一个NMOS管M20、一个电阻R4和一个PNP三极管Q3组成，其特征在于，所述NMOS管M20的栅极通过电阻R4连接到PNP三极管Q3的发射极，其源极与PNP三极管Q3的基极和集电极共同接地；输入电流I(T)(I(T)＝CT，其中C为任意常数)从NMOS管M20的栅极和电阻R4的连接点输入，输出电流I_VBE(T^m)从NMOS管M20的漏极输出；所述电阻R4和所述PNP三极管Q3满足关系式： $\frac{V_{g0-V_{\mathrm{BE}}\left(T_O\right)}}{T_0}-\frac{k(\mathrm{\η}-1)}{q}\ln T=C{R}_4,$ 式中，V_g0。为PNP三极管Q3的BE结带隙基准电压，V_BE(T₀)为T＝T₀时PNP三极管Q3的BE结电压，R₄为电阻R4的阻值，C为与I(T)＝CT式中相同的常数。

一种负温度补偿电流产生电路，如图5所示，由一个PMOS管M21、一个电阻R4和一个PNP三极管Q3组成，其特征在于，PNP三极管Q3的基极与集电极短接并与PMOS管M21的栅极相连，其发射极通过电阻R4与PMOS管M21的源极相连并接外接电源；输入电流I(T)(I(T)＝CT，其中C为任意常数)从PNP三极管Q3的集电极输入，输出电流I_VBE(T^m)从PMOS管M21的漏极输出，所述电阻R4和所述PNP三极管Q3满足关系式： $\frac{V_{g0-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)}}{T_0}-\frac{k(\mathrm{\η}-1)}{q}\ln T={\mathrm{CR}}_4,$ 式中，V_g0为PNP三极管Q3的BE结带隙基准电压，V_BE(T₀)为T＝T₀时PNP三极管Q3的BE结电压，R₄为电阻R4的阻值，C为与I(T)＝CT式中相同的常数。

一种高阶温度补偿电流基准源，如图2所示，其特征在于，包括：启动电路、一阶正温度补偿电流产生电路、二阶正温度补偿电流产生电路、三阶负温度补偿电流产生电路、比例求和电路和输出电路；所述启动电路为一阶正温度补偿电流产生电路、二阶正温度补偿电流产生电路、三阶负温度补偿电流产生电路和比例求和电路提供启动偏置电压；所述一阶正温度补偿电流产生电路产生一个一阶正温度补偿电流I(T)，其温度特性曲线为一条直线；所述二阶正温度补偿电流产生电路产生一个二阶正温度补偿电流I(T²)，其温度特性曲线为一开口向上的二次曲线；所述三阶负温度补偿电流产生电路产生一个三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)，其温度特性曲线为一开口向下的二次曲线(通过电路结构实现输出补偿电流I_VBE(T^m)的三阶温度系数为零，所以温度特性曲线为二次曲线)；所述比例求和电路将一阶、二阶正温度补偿电流产生电路和三阶负温度补偿电流产生电路所产生的一阶、二阶正温度补偿电流和三阶负温度补偿电流进行按比例求和；所述输出电路输出经高阶温度补偿后的电流。

高阶温度补偿电流基准源，具体电路结构为图6所示，包括：启动电路、一阶正温度补偿电流I(T)产生电路、二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路、三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)产生电路、比例求和电路以及输出电路。

所述启动电路包括一个NMOS管(MS2)和三个PMOS管(MS1，MS3，MS4)。NMOS管MS2的源极接地；PMOS管(MS1，MS3，MS4)的源极连接外接电源；NMOS管MS2的栅极与PMOS管MS1的栅极相连接，同时连接运算放大器OP的输出端；NMOS管MS2的漏极与PMOS管MS1的漏极相连接，同时连接PMOS管MS3和MS4的栅极；PMOS管MS3的漏极连接到PNP三极管Q2的发射级，PMOS管MS4的漏极连接NMOS管M13的漏极。

所述一阶正温度补偿电流I(T)产生电路包括两个PMOS管(M1，M2)，两个PNP三极管管(Q1，Q2)和一个电阻R1和一个运算放大器OP。两个PMOS管(M1，M2)构成电流镜，其源极与外接电源连接，其栅极共同连至一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端(即运算放大器OP的输出端)，PMOS管M1的漏极连到运算放大器OP的正输入端，PMOS管M2的漏极连到运算放大器OP的负输入端；PNP管(Q1，Q2)的基极与集电极短接并共同接地；PNP管Q1发射极通过电阻R1连接运算放大器OP的正输入端；PNP管Q2发射极接电阻运算放大器的负输入端。

所述二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路包括两个PMOS管(M12，M15)，两个NMOS管(M13，M14)和一个电阻R2。PMOS管M12与NMOS管(M13，M14)共同组成电流镜电路；PMOS管M12的漏极与NMOS管M13的漏极连接，PMOS管M12的源极连接外接电源，M12的栅极连接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端(即运算放大器OP的输出端)；NMOS管M13的漏极与栅极连接同时连接NMOS管M14的栅极，NMOS管(M13，M14)的源极共同连接至地；NMOS管M14的漏极连接电阻R2的一端，同时连接PMOS管M15的栅极；电阻R2的另一端与PMOS管M15的源极共同连接至外接电源，PMOS管M15的漏极连接输出电路。

所述三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)产生电路包括两个PMOS管(M18，M19)，一个NMOS管M20，一个PNP管Q3，两个电阻(R3，R4)。NMOS管M20的栅极连接电阻R4，电阻R4的另一端连接PNP管Q3的发射极，把PNP管Q3的基极和集电极短接并与NMOS管M20的源极共同接地，NMOS管M20的漏极连接PMOS管M18的漏极；PMOS管M18为二极管连接方式，PMOS管M18的源极连外接电源；PMOS管M20的栅极连接电阻R3的一端，电阻R3的另外一端连接PMOS管M19的漏极，PMOS管M19的栅极连接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端(即运算放大器OP的输出端)，源极连外接电源。

所述比例求和电路包括三个PMOS管(M15，M16，M17)；三个PMOS管(M15，M16，M17)源极互连；PMOS管M16的栅极接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端(即运算放大器OP的输出端)；PMOS管M15本身就是二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路的一部分，同时也作为比例求和电路的一部分，PMOS管M15的栅极连接NMOS管M14的漏极；三个PMOS管(M15，M16，M17)的漏极互连作为比例求和电路的输出端。

所述输出电路包括一个NMOS管M11，其源极接地，其漏极和栅极互连并接比例求和电路的输出端(即比例求和电路中互连的三个PMOS管<M15，M16，M17>)的漏极)，向外提供电流输出。

高阶温度补偿电流基准源，具体电路结构为图7所示，包括：启动电路、一阶正温度补偿电流I(T)产生电路、二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路、三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)产生电路、比例求和电路以及输出电路。

所述启动电路包括一个NMOS管(MS2)和三个PMOS管(MS1，MS3，MS4)。NMOS管MS2的源极接地；PMOS管(MS1，MS3，MS4)的源极连接外接电源；NMOS管MS2的栅极与PMOS管MS1的栅极相连接，同时连接运算放大器OP的输出端；NMOS管MS2的漏极与PMOS管MS1的漏极相连接，同时连接PMOS管MS3和MS4的栅极；PMOS管MS3的漏极连接到PNP三极管Q2的发射级，PMOS管MS4的漏极连接NMOS管M13的漏极。

所述一阶正温度补偿电流I(T)产生电路包括两个PMOS管(M1，M2)，两个PNP三极管管(Q1，Q2)和一个电阻R1和一个运算放大器OP。两个PMOS管(M1，M2)构成电流镜，其源极与外接电源连接，其栅极共同连至一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端(即运算放大器OP的输出端)，PMOS管M1的漏极连到运算放大器OP的正输入端，PMOS管M2的漏极连到运算放大器OP的负输入端；PNP管(Q1，Q2)的基极与集电极短接并共同接地；PNP管Q1发射极通过电阻R1连接运算放大器OP的正输入端；PNP管Q2发射极接电阻运算放大器的负输入端。

所述二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路包括两个PMOS管(M12，M15)，两个NMOS管(M13，M14)和一个电阻R2。PMOS管M12与NMOS管(M13，M14)共同组成电流镜电路；PMOS管M12的漏极与NMOS管M13的漏极连接，PMOS管M12的源极连接外接电源，M12的栅极连接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端(即运算放大器OP的输出端)；NMOS管M13的漏极与栅极连接同时连接NMOS管M14的栅极，NMOS管(M13，M14)的源极共同连接至地；NMOS管M14的漏极连接电阻R2的一端，同时连接PMOS管M15的栅极；电阻R2的另一端与PMOS管M15的源极共同连接至外接电源，PMOS管M15的漏极连接输出电路。

所述三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)产生电路包括一个NMOS管M19，一个PMOS管M21，一个PNP管Q3，两个电阻(R3，R4)。PNP三极管Q3的基极与集电极短接并与PMOS管M21的栅极相连，其发射极通过电阻R4与PMOS管M21的源极相连并接外接电源，其集电极通过电阻R3与NMOS管M19的漏极相连；NMOS管M19的源极接地，其栅极与NMOS管(M13、M14)的栅极相连；PMOS管M21的漏极接输出电路；输入电流I(T)(I(T)＝CT，其中C为任意常数)从PNP三极管Q3的集电极输入，输出电流I_VBE(T^m)从PMOS管M21的漏极输出，所述电阻R4和所述PNP三极管Q3满足关系式： $\frac{V_{g0}-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)}{T_0}-\frac{k(\mathrm{\&eta;}-1)}{q}\ln T={\mathrm{CR}}_4,$ 式中，V_g0为PNP三极管Q3的BE结带隙基准电压，V_BE(T₀)为T＝T₀时PNP三极管Q3的BE结电压，R₄为电阻R4的阻值，C为与I(T)＝CT式中相同的常数。

所述比例求和电路包括两个PMOS管(M15，M16)；两个PMOS管(M15，M16)源极互连；PMOS管M16的栅极接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端(即运算放大器OP的输出端)；PMOS管M15本身就是二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路的一部分，同时也作为比例求和电路的一部分，PMOS管M15的栅极连接NMOS管M14的漏极；两个PMOS管(M15，M16)的漏极互连作为比例求和电路的输出端。

所述输出电路包括一个NMOS管M11，其源极接地，其漏极和栅极互连并接比例求和电路的输出端(即比例求和电路中互连的两个PMOS管<M15，M16>)的漏极)，向外提供电流输出。

本发明所述的负温度补偿电流产生电路，根据输入电流的一阶温度系数，通过调整电路参数，能够输出一种三阶温度系数为零，一阶和二阶温度系数为负的补偿电流。

本发明所述的高阶温度补偿电流基准源，具有非常好的温度稳定性和非常低的温度系数，可以应用在电流模式电路、高精度数模转换电路和有长金属线的模拟集成电路中。其中图6所述的电路实施方式在温度-10℃～+150℃范围内，输出的基准电流的温度系数为0.7ppm/℃。

附图说明

图1：本发明所述的高阶温度补偿电流基准源的高阶温度补偿原理示意图。

图2：本发明所述的高阶温度补偿电流基准源的电路结构框图。

图3：一阶温度补偿电流发生器的温度补偿原理图。

图4：本发明所述的负温度补偿电流产生电路的一种实现方式。

图5：本发明所述的负温度补偿电流产生电路的另外一种实现方式。

图6：本发明所述的一种温度补偿电流基准源电路图。

图7：本发明所述的另一种温度补偿电流基准源电路图。

图8：图6所示的电流基准源电路的输出电流的温度特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行高阶温度补偿的具体实施方式、结构、特征进行详细说明。

该电流基准源的高阶温度补偿原理如图1所示：直线a是一阶正温度补偿电流的温度特性曲线，曲线b是二阶正温度补偿电流的温度特性曲线，曲线c是三阶负温度补偿电流的温度特性曲线。曲线d是将这三支温度补偿电流按一定比例叠加，得到的输出电流温度特性曲线。考虑到各种集成电路中各种非理想效应，曲线c最终不会是标准的直线，画作直线只是用于原理说明。

下面对图6所示的电流基准源的工作原理进行阐述。

图6所示的电流基准源电路包括一阶正温度补偿电流I(T)产生电路、二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路、三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)产生电路、比例求和电路以及输出电路。其中：

启动电路其作用是保证电路在上电时工作在所期望的正常状态。工作原理是：电路刚接通电源时，MS1和MS2的栅极为高电位，从而MS3和MS4导通，所以，MS3和MS4的漏极为高电平，使Q1，Q2，M13和M14导通。当电路进入平衡状态后，由于MS1和MS2的栅极为低电位，MS3和MS4的栅极为高电位，所以MS3和MS4截止。

一阶温度补偿电流发生器输出一阶温度补偿电流I(T)，运算放大器的作用是使PMOS管(M1，M2)的漏极电位相等，从而使得流过PMOS管(M1，M2)的电流相等。它是一个I(T)电流产生电路。

从图中我们可以得到： $\left(T\right)=I_{\mathrm{PTAT}}\left(T\right)=N\frac{V_T\ln M}{R_1}\frac{\mathrm{Nk}\ln M}{{\mathrm{qR}}_1}---\left(2\right)$

其中，M＝A₁/A₂(A₁，A₂分别为Q1和Q2的发射极面积)，N＝(W/L)₁₂/(W/L)((W/L)₁,(W/L)₂，(W/L)₁₂分别为M₁，M₂，M₁₂的宽长比)，(W/L)₁＝(W/L)₂并且 $C=\frac{\mathrm{Nk}\ln M}{q{R}_l}.$

二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路输入电流为IPTAT，经过由M13和M14所组成的电流镜，流过电阻R2上的电流为IPTAT。由于I_Ds～V_Gs ²～I_pTAT ²，所以晶体管M15流过的电流为I(T²)。于是我们可以得到以下等式：

$I\left(T^2\right)=I_{\mathrm{ds}15}=\mathrm{\&beta;}\left(\right|V_{\mathrm{GS}15}|-|V_{\mathrm{thp}}|{)}^2=\mathrm{\&beta;}{R}_2^2\&CenterDot;I^2\left(T\right)-2\mathrm{\&beta;}{R}_2\left|V_{\mathrm{thp}}\right|\&CenterDot;I\left(T\right)+\mathrm{\&beta;}{V}_{\mathrm{thp}}^2---\left(3\right)$

负温度补偿电流I_VBE(T^m)产生电路如图4、图5所示，图4和图5分别是两种实现方式，下面以图4为例详细说明其结构和工作原理：假设BJT晶体管集电极电流的温度系数为I_C∝T^x(x＝1)，在本文中V_BE的表达式如下：

$V_{\mathrm{BE}}\left(T\right)=V_{g0}-\left(\frac{T}{T_0}\right)\&CenterDot;\&lsqb;V_{g0}-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)\&rsqb;-(\mathrm{\&eta;}-x)\&CenterDot;\left(\frac{\mathrm{kT}}{q}\right)\&CenterDot;\ln \left(\frac{T}{T_0}\right)$

$=V_{g0}-[\frac{V_{g0}-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)}{T_0}-\frac{k(\mathrm{\&eta;}-x)}{q}\&CenterDot;\ln T_0]\&CenterDot;T-[\frac{k(\mathrm{\&eta;}-x)}{q}]\&CenterDot;T\ln T$

$=a_0-a_1\&CenterDot;T-a_2\&CenterDot;T\ln T$

其中，a₀＝V_g0， $a_1=\frac{V_{g0}-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)}{T_0}-\frac{k(\mathrm{\&eta;}-x)}{q}\ln T,$ $a_2=\frac{k(\mathrm{\&eta;}-x)}{q}.$ 这里，x＝1，因为晶体管Q₃的偏置电流正比于T(即I(T)＝IPTAT∝T)。a₀，a₁和a₂的值均为常数。

式(4)中TlnT这一项可以用泰勒级数在T_r＝1处展开，我们可以得到： $T\ln T\&ap;\frac{1}{2}{T}^2-\frac{1}{2}.$ 那么式(4)可以重新写成： $V_{\mathrm{BE}}\left(T\right)=(a_0+\frac{a_2}{2})-a_{1}T-\frac{a_2}{2}{T}^2$

在图4中，V_Gs20(T)＝V_BE(T)+R₄·I(T)，I_VBE(T^m)＝β[V_Gs20(T)-V_thn]²，将(2)式和(5)式分别代入上式，整理后我们可以得到：

$I_{\mathrm{BVE}}\left(T^m\right)=\mathrm{\&beta;}{(a}_0+\frac{a_2}{2}-V_{\mathrm{thn}}{)}^2-2\mathrm{\&beta;}(a_0+\frac{a_2}{2}-V_{\mathrm{thn}})(a_1-R_{4}C)T-\mathrm{\&beta;}\left[a_2\right(a_0+\frac{a_2}{2}-V_{\mathrm{thn}})-(a_1-R_{4}C{)}^2\left)\right]T^2$

${\mathrm{\&beta;\&alpha;}}_2({\mathrm{\&alpha;}}_1-R_{4}C)T^3+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_2\mathrm{\&beta;}}{4}{T}^4$

$=b_0-b_{1}T-b_2{T}^2+{\mathrm{\&beta;}\text{a}}_2(a_1-R_{4}C)T^3+\frac{a_2\mathrm{\&beta;}}{4}{T}^4---\left(6\right)$

其中， $b_0=\mathrm{\&beta;}{(a_0+\frac{a_2}{2}-V_{\mathrm{thn}})}^2,$ $b_1=2\mathrm{\&beta;}(a_0+\frac{a_2}{2}-V_{\mathrm{thn}})(a_1-R_{4}C),b_2=\mathrm{\&beta;}\&lsqb;a_2(a_0+\frac{a_2}{2}-V_{\mathrm{thn}})-{(a_1-R_{4}C)}^2{\&rsqb;}^2.$

在(6)式中，如果我们令“a₁＝R₄C”，则I_VBE(T^m)的三阶温度系数为零。于是，我们通过图4的电路结构产生了一支三阶温度系数为零的负温度系数电流(电流值随温度升高而减小)。

至此，我们所需要的三支用于高阶温度补偿的电流都产生了，分别是I(T)、I(T²)和I_VBE(T^m)。

比例求和电路中的PMOS管M16与一阶正温度补偿电流产生电路中的PMOS管M1构成电流镜，PMOS管M17与三阶负温度补偿电流产生电路中的PMOS管M18构成电流镜，PMOS管本身二阶正温度补偿电流产生电路的一部分，用于产生二阶正温度补偿电流。显然，根据电流叠加原理，流过NMOS管M11的电流可以表示为：

I_REF(T)＝I(M11)＝I(T)+I(T²)+I_VBE(T^m)    (m≠3)    (1)

即，将(2)、(3)、(6)式代入(1)式，则电路输出的基准电流可以写成：

$I_{\mathrm{REF}}(T^m)=(b_0+{\mathrm{\&beta;V}}_{\mathrm{thp}}^2)[(1-{2\mathrm{\&beta;R}}_2|V_{\mathrm{thp}}\left|\right)C-b_1]\&CenterDot;T+({\mathrm{\&beta;R}}_2^2{C}^2-b_2)\&CenterDot;T^2$ ${\mathrm{\&beta;a}}_2(a_1-R_{4}C)\&CenterDot;T^3+\frac{a_2\mathrm{\&beta;}}{4}{T}^4$

因为a₀，a₁，a₂和b₀，b₁，b₂，C的值都是常数。所以，从(7)式可以看出，如果我们通过设定a₀，a₁，a₂ and b₀,b₁,b₂，C的值可以将输出基准电流的一阶温度系数、二阶温度系数和三阶温度系数去除(即温度系数为零)。从而得到经过高阶温度补偿的具有非常高的温度稳定性的电流基准源。

图8所示是图6所示的电路的输出温度特性曲线。经HSPICE仿真验证结果表明，当温度在-10℃～+150℃此种结构的电流基准源输出的温度系数可以低至0.7ppm/℃。

Claims (5)

1.一种负温度补偿电流产生电路，由一个NMOS管M20、一个电阻R4和一个PNP三极管Q3组成，其特征在于，所述NMOS管M20的栅极通过电阻R4连接到PNP三极管Q3的发射极，其源极与PNP三极管Q3的基极和集电极共同接地；输入电流I(T)从NMOS管M20的栅极和电阻R4的连接点输入，输出电流I_VBE(T^m)从NMOS管M20的漏极输出，其中输入电流I(T)＝CT，C为任意常数；所述电阻R4和所述PNP三极管Q3满足关系式： $\frac{V_{g0}-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)}{T_0}-\frac{k(\mathrm{\&eta;}-1)}{q}\ln T=C{R}_4,$ 式中，V_g0为PNP三极管Q3的BE结带隙基准电压，V_BE(T₀)为T＝T₀时PNP三极管Q3的BE结电压，R₄为电阻R4的阻值，C为与I(T)＝CT式中相同的常数。

2.一种负温度补偿电流产生电路，由一个PMOS管M21、一个电阻R4和一个PNP三极管Q3组成，其特征在于，PNP三极管Q3的基极与集电极短接并与PMOS管M21的栅极相连，其发射极通过电阻R4与PMOS管M21的源极相连并接外接电源；输入电流I(T)从PNP三极管Q3的集电极输入，输出电流I_VBE(T^m)从PMOS管M21的漏极输出，其中输入电流I(T)＝CT，C为任意常数；所述电阻R4和所述PNP三极管Q3满足关系式： $\frac{V_{g0}-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)}{T_0}-\frac{k(\mathrm{\&eta;}-1)}{q}\ln T=C{R}_4,$ 式中，V_g0为PNP三极管Q3的BE结带隙基准电压，V_BE(T₀)为T＝T₀时PNP三极管Q3的BE结电压，R₄为电阻R4的阻值，C为与I(T)＝CT式中相同的常数。

3.一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，包括：启动电路、一阶正温度补偿电流产生电路、二阶正温度补偿电流产生电路、三阶负温度补偿电流产生电路、比例求和电路和输出电路；所述启动电路为一阶正温度补偿电流产生电路、二阶正温度补偿电流产生电路、三阶负温度补偿电流产生电路和比例求和电路提供启动偏置电压；所述一阶正温度补偿电流产生电路产生一个一阶正温度补偿电流I(T)，其温度特性曲线为一条直线；所述二阶正温度补偿电流产生电路产生一个二阶正温度补偿电流I(T²)，其温度特性曲线为一开口向上的二次曲线；所述三阶负温度补偿电流产生电路产生一个三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)，其温度特性曲线为一开口向下的二次曲线；所述比例求和电路将一阶、二阶正温度补偿电流产生电路和三阶负温度补偿电流产生电路所产生的一阶、二阶正温度补偿电流和三阶负温度补偿电流进行按比例求和；所述输出电路输出经高阶温度补偿后的电流。

4.根据权利要求3所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，

所述启动电路包括一个NMOS管MS2和三个PMOS管MS1、MS3和MS4；NMOS管MS2的源极接地；PMOS管MS1、MS3和MS4的源极连接外接电源；NMOS管MS2的栅极与PMOS管MS1的栅极相连接，同时连接运算放大器OP的输出端；NMOS管MS2的漏极与PMOS管MS1的漏极相连接，同时连接PMOS管MS3和MS4的栅极；PMOS管MS3的漏极连接到PNP三极管Q2的发射级，PMOS管MS4的漏极连接NMOS管M13的漏极；

所述一阶正温度补偿电流I(T)产生电路包括两个PMOS管M1和M2，两个PNP三极管管Q1和Q2和一个电阻R1和一个运算放大器OP；两个PMOS管M1和M2构成电流镜，其源极与外接电源连接，其栅极共同连至运算放大器OP的输出端并作为一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端，PMOS管M1的漏极连到运算放大器OP的正输入端，PMOS管M2的漏极连到运算放大器OP的负输入端；PNP管Q1和Q2的基极与集电极短接并共同接地；PNP管Q1发射极通过电阻R1连接运算放大器OP的正输入端；PNP管Q2发射极接电阻运算放大器OP的负输入端；

所述二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路包括两个PMOS管M12和M15，两个NMOS管M13和M14和一个电阻R2；PMOS管M12与NMOS管M13和M14共同组成电流镜电路；PMOS管M12的漏极与NMOS管M13的漏极连接，PMOS管M12的源极连接外接电源，PMOS管M12的栅极连接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端；NMOS管M13的漏极与栅极连接同时连接NMOS管M14的栅极，NMOS管M13和M14的源极共同连接至地；NMOS管M14的漏极连接电阻R2的一端，同时连接PMOS管M15的栅极；电阻R2的另一端与PMOS管M15的源极共同连接至外接电源，PMOS管M15的漏极连接输出电路；

所述三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)产生电路包括两个PMOS管M18和M19，一个NMOS管M20，一个PNP管Q3，两个电阻R3和R4；NMOS管M20的栅极连接电阻R4，电阻R4的另一端连接PNP管Q3的发射极，把PNP管Q3的基极和集电极短接并与NMOS管M20的源极共同接地，NMOS管M20的漏极连接PMOS管M18的漏极；PMOS管M18为二极管连接方式，PMOS管M18的源极连外接电源；PMOS管M20的栅极连接电阻R3的一端，电阻R3的另外一端连接PMOS管M19的漏极，PMOS管M19的栅极连接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端，PMOS管M19的源极连外接电源；

所述比例求和电路包括三个PMOS管M15、M16和M17；三个PMOS管M15、M16和M17源极互连；PMOS管M16的栅极接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端；PMOS管M15本身就是二阶正温度补偿电流I(T2)产生电路的一部分，同时也作为比例求和电路的一部分，PMOS管M15的栅极连接NMOS管M14的漏极；三个PMOS管M15、M16和M17的漏极互连作为比例求和电路的输出端；

所述输出电路包括一个NMOS管M11，其源极接地，其漏极和栅极互连并接比例求和电路的输出端，即比例求和电路中互连的三个PMOS管M15、M16和M17的漏极，向外提供电流输出。

5.根据权利要求3所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，

所述启动电路包括一个NMOS管MS2和三个PMOS管MS1、MS3和MS4；NMOS管MS2的源极接地；PMOS管MS1、MS3和MS4的源极连接外接电源；NMOS管MS2的栅极与PMOS管MS1的栅极相连接，同时连接运算放大器OP的输出端；NMOS管MS2的漏极与PMOS管MS1的漏极相连接，同时连接PMOS管MS3和MS4的栅极；PMOS管MS3的漏极连接到PNP三极管Q2的发射级，PMOS管MS4的漏极连接NMOS管M13的漏极；

所述一阶正温度补偿电流I(T)产生电路包括两个PMOS管M1和M2，两个PNP三极管管Q1和Q2和一个电阻R1和一个运算放大器OP；两个PMOS管M1和M2构成电流镜，其源极与外接电源连接，其栅极共同连至运算放大器OP的输出端并作为一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端，PMOS管M1的漏极连到运算放大器OP的正输入端，PMOS管M2的漏极连到运算放大器OP的负输入端；PNP管Q1和Q2的基极与集电极短接并共同接地；PNP管Q1发射极通过电阻R1连接运算放大器OP的正输入端；PNP管Q2发射极接电阻运算放大器的负输入端；

所述二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路包括两个PMOS管M12和M15，两个NMOS管M13、M14和一个电阻R2；PMOS管M12与NMOS管M13、M14共同组成电流镜电路；PMOS管M12的漏极与NMOS管M13的漏极连接，PMOS管M12的源极连接外接电源，PMOS管M12的栅极连接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端；NMOS管M13的漏极与栅极连接同时连接NMOS管M14的栅极，NMOS管M13、M14的源极共同连接至地；NMOS管M14的漏极连接电阻R2的一端，同时连接PMOS管M15的栅极；电阻R2的另一端与PMOS管M15的源极共同连接至外接电源，PMOS管M15的漏极连接输出电路；

所述三阶负温度补偿电流I_VBE(T^m)产生电路包括一个NMOS管M19，一个PMOS管M21，一个PNP管Q3，两个电阻R3、R4；PNP三极管Q3的基极与集电极短接并与PMOS管M21的栅极相连，其发射极通过电阻R4与PMOS管M21的源极相连并接外接电源，其集电极通过电阻R3与NMOS管M19的漏极相连；NMOS管M19的源极接地，其栅极与NMOS管M13、M14的栅极相连；PMOS管M21的漏极接输出电路；输入电流I(T)从PNP三极管(Q3)的集电极输入，输出电流I_VBE(T^m)从PMOS管(M21)的漏极输出，其中输入电流I(T)＝CT，C为任意常数；所述电阻R4和所述PNP三极管Q3满足关系式： $\frac{V_{g0}-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)}{T_0}-\frac{k(\mathrm{\&eta;}-1)}{q}\ln T={\mathrm{CR}}_4,$ 式中，V_g0为PNP三极管Q3的BE结带隙基准电压，V_BE(T₀)为T＝T₀时PNP三极管Q3的BE结电压，R₄为电阻R4的阻值，C为与I(T)＝CT式中相同的常数；

所述比例求和电路包括两个PMOS管M15、M16；两个PMOS管M15、M16源极互连；PMOS管M16的栅极接一阶正温度补偿电流I(T)产生电路的输出端并与运算放大器OP的输出端相连；PMOS管M15本身就是二阶正温度补偿电流I(T²)产生电路的一部分，同时也作为比例求和电路的一部分，PMOS管M15的栅极连接NMOS管M14的漏极；两个PMOS管M15、M16的漏极互连作为比例求和电路的输出端；

所述输出电路包括一个NMOS管M11，其源极接地，其漏极和栅极互连并接比例求和电路的输出端，即比例求和电路中互连的两个PMOS管M15、M16的漏极，向外提供电流输出。

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