CN101290526A - 高电压偏置pmos电流源电路 - Google Patents

Abstract

一种高电压偏置PMOS电流源电路，包括：一高增益运算放大电路；一温度和电源无关的电压产生电路通过节点2和3与高增益运算放大电路的输入端连接，从而实现钳制输出的作用；一启动电路，该启动电路的输出连接到与温度和电源无关的电压产生电路的节点2，以防止温度和电源无关的电压产生电路进入死区；一输出调节电路，该输出调节电路的输入连接到与温度和电源无关的电压产生电路的节点4，从而实现钳制输出的作用，其输出为整个带隙基准源电路的输出；一电流源偏置电路，该电流源偏置电路的输入与输出调节电路的输出连接，该电流源偏置电路由共源共栅结构电流镜构成，完成由电压到电流的转换。

Description

高电压偏置PMOS电流源电路

技术领域

本发明涉及电流源电路技术领域，特别是一种用于提供高电压偏置PMOS电流源电路。

背景技术

PMOS电流源电路是集成电路中一个重要的单元模块，是模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)以及通信电路中的一个基本元件。它的温度稳定性以及抗噪声能力是影响模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的转换精度的关键因素，甚至影响到整个系统的精度和性能。因此，设计一个好的PMOS电流源电路具有十分重要的现实意义。

PMOS电流源电路由于具有低温度系数，低电源电压以及可与标准CMOS工艺兼容等优点而获得了广泛的研究和应用，其原理如图1所示。

PMOS电流源电路的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电压和温度无关的特性，利用ΔVBE的正温度系数与双极型晶体管VBE的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压，在经过偏置电路产生电流源。如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射级电压的差值就与绝对温度成正比。例如，Q1，Q2是两个相同的NPN管(IS1＝IS2)，集电极电流分别为nIO和IO，忽略基极电流影响，可得：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}=V_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=V_T\ln \frac{n{I}_0}{I_{S1}}-V_T\ln \frac{I_0}{I_{S2}}=V_T\ln n$

上式

$V_T=\frac{\mathrm{KT}}{q},$

k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电荷，ΔV_BE就表现出正温度系数。使两个电压的温度漂移相互抵消，从而可以得到在某一温度下为零温度系数的电压基准。经过偏置电路把基准电压的输出转换得到电流源。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于提供高电压偏置PMOS电流源电路，这种方法已经被电路仿真所证明，并在芯片上实现，实验芯片的测试结果显示：与传统的电流源电路相比，该电路的输出电压可调范围可达0.5V到1.5V，使得该偏置PMOS电流源电路可以获得很高的电压动态范围，而芯片面积基本没有增加。

本发明提供一种一种高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，包括：

一高增益运算放大电路；

一温度和电源无关的电压产生电路，该温度和电源无关的电压产生电路通过节点2和3与高增益运算放大电路的输入端连接，从而实现钳制输出的作用；

一启动电路，该启动电路的输出连接到与温度和电源无关的电压产生电路的节点2，以防止温度和电源无关的电压产生电路进入死区；

一输出调节电路，该输出调节电路的输入连接到与温度和电源无关的电压产生电路的节点4，从而实现钳制输出的作用，其输出为整个带隙基准源电路的输出；

一电流源偏置电路，该电流源偏置电路的输入与输出调节电路的输出连接，该电流源偏置电路由共源共栅结构电流镜构成，完成由电压到电流的转换。

其中所用的与温度和电源无关的电压产生电路使用PNP晶体管构成。

其中所用的高增益运算放大电路由两级CMOS放大器组成。

其中所用的两级高增益运算放大电路，其中第一级是CMOS折叠式共源共栅结构的差分输入放大器，第二级为单管MOS放大器组成。

其中所用的温度和电源无关的电压产生电路由四个标准CMOS工艺中实现的双极PNP晶体管构成正负温度系数抵消电路构成。

其中其整个电路的输出电压是根据该电路中的电阻比值来调节，其调节关系由与温度和电源无关的电压产生电路的电阻和输出调节电路中的电阻的比值决定，其调节关系遵循以下公式：

VOUT＝(R2/RF2)×V1

其中：R2为电阻、RF2为电阻、V1为输出电压。

其中的电流源偏置电路由一个输入运算放大器和共源共栅结构电流镜构成，运算放大器的输出连接到共源共栅结构电流镜的输入。

附图说明

为使审查员方便简捷了解本发明的其它特征内容与优点及其所达成的功效能够更为显现，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是传统PTAT电压产生电路；

图2是经典带隙基准电路；

图3是高电压偏置PMOS电流源电路；

图4VREF随温度、电压变化的仿真波形；

图5完整的运算放大器电路。

具体实施方式

请参阅图3所示，本发明一种高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，包括：

一高增益运算放大电路10；其中所用的高增益运算放大电路10由两级CMOS放大器组成；

一温度和电源无关的电压产生电路20，该温度和电源无关的电压产生电路20通过节点2和3与高增益运算放大电路10的输入端连接，从而实现钳制输出的作用；其中所用的与温度和电源无关的电压产生电路20使用PNP晶体管构成；其中所用的温度和电源无关的电压产生电路20由四个标准CMOS工艺中实现的双极PNP晶体管构成正负温度系数抵消电路构成；

一启动电路30，该启动电路30的输出连接到与温度和电源无关的电压产生电路20的节点2，以防止温度和电源无关的电压产生电路20进入死区；

一输出调节电路40，该输出调节电路40的输入连接到与温度和电源无关的电压产生电路20的节点4，从而实现钳制输出的作用，其输出为整个带隙基准源电路的输出；

一电流源偏置电路50，该电流源偏置电路50的输入与输出调节电路40的输出连接，该电流源偏置电路由共源共栅结构电流镜构成，完成由电压到电流的转换；其中的电流源偏置电路50由一个输入运算放大器和共源共栅结构电流镜构成，运算放大器的输出连接到共源共栅结构电流镜的输入。

其中所用的两级高增益运算放大电路10，其中第一级是CMOS折叠式共源共栅结构的差分输入放大器，第二级为单管MOS放大器组成。

其中其整个电路的输出电压是根据该电路中的电阻比值来调节，其调节关系由与温度和电源无关的电压产生电路20的电阻60和输出调节电路40中的电阻70的比值决定，其调节关系遵循以下公式：

VOUT＝(R2/RF2)×V1

其中：R2为电阻70、RF2为电阻60、V1为输出电压。

根据图1，带隙基准的工作原理是根据硅材料的带隙电压与电压和温度无关的特性，利用ΔVBE的正温度系数与双极型晶体管VBE的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压。如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射级电压的差值就与绝对温度成正比。得到输出Vref≈1.22V。对于电源电压来说过高，很难将由此产生的电流利用共源共栅结构精确的复制给后级使用。

根据图2的经典带隙基准电路，由于正向偏置的PN结的结电压具有负的温度系数，T≈300K时，。因此，利用正、负温度系数的电压可以设计出一个令人满意的零温度系数的基准。

一个理想的稳定电压应该满足：

1、电压受温度的影响很小，即有很小的温度系数；

2、电压受电源电压VDD的影响很小，即有较高的电源抑制比。

带隙电压的原理如图1所示，如果两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那么它们的基极-发射级电压的差值就与绝对温度成正比。例如，晶体管Q1、Q2是两个相同的NPN管(IS1＝IS2)，集电极电流分别为nIO和IO，忽略基极电流影响，可得：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}=V_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=V_T\ln \frac{{\mathrm{nI}}_0}{I_{S1}}-V_T\ln \frac{I_0}{I_{S2}}=V_T\ln n$

上式 $V_T=\frac{\mathrm{KT}}{q},$ ，k是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是单位电荷，ΔV_BE就表现出正温度系数：

$\frac{\∂\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{BE}}}{\∂T}=\frac{k}{q}\ln n$

由于正向偏置的P N结的结电压具有负的温度系数，T≈300K时，

因此，利用正、负温度系数的电压可以设计出一个令人满意的零温度系数的基准。经典的带隙基准电路如图2所示：

晶体管QN、Q1为CMOS工艺中寄生纵向PNP三极管，晶体管QN由8个PNP管并联构成。运算放大器钳制节点2、3点的电压，使得这两端的电压相等，即(3)：

I₀·R₁+V_BEN＝V_BE1

其中IO为流过电阻R1的电流，根据上式有V_BE1-V_BEN＝V_Tlnn，于是I₀＝V_T·lnn/R₁，电流通过MOS管p1和p3复制，使得下式成立

$V_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{BE}}+I_0\·R2=V_{\mathrm{BE}}+\frac{R_2}{R_1}{V}_T\ln n$

通过调整电阻的比值可以得到温度系数很小的稳定电压，利用特许半导体(Chartered)提供的0.35m的工艺库，在HSPICE中仿真，得到输出Vref≈1.22V，温度在-20-100℃范围内变化时，ΔVref≈0.8mV，最大温度系数约为15ppm/℃；电源电压VDD在2.9V-3.7V范围内变化时，ΔVref≈0.7mV。

然而，由后面的电压-电流转换电路可知，利用这种结构产生的电压1.22V相对于3.3V的电源电压来说过高，很难将由此产生的电流利用共源共栅结构精确的复制给后级使用。利用图3所示电路便可以产生小于1V的基准电压，并利用共源共栅结构精确的复制的到电流源。

其中，电阻RF1＝RF2，运算放大器A钳制节点2、3的电压使之相等。虚线左边是启动电路，防止Bandgap电路工作在电流为零的工作点，MOS管S起到一个二级管的作用。当核心电路工作在电流为零的工作点的时候，节点S1点的电压高于节点2的电压，S管导通，启动向晶体管Q1充电，使得核心电路导通，脱离零电流的工作点。

设电阻RF＝RF1＝RF2。流过MOS管P1的电流分成两部分：一部分流过电阻RF2，另一部分流过R1，于是总电流为

$I_0=\frac{V_{\mathrm{BE}}}{R_F}+\frac{V_T}{R_1}\ln n$

MOS管P3复制P1管电流，输出电压

$V_{\mathrm{REF}}=R_2\·I_0=\frac{R_2}{R_F}(V_{\mathrm{BE}}+\frac{R_F}{R_1}{V}_T\ln n)$

在上式中，括号内表示的是带隙基准电压，很显然，可以通过调整电阻60、电阻70的比值来选择合适的电压。

本发明是一种应用于模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)的高电压偏置PMOS电流源电路(图3)，包括：高增益运算放大电路10，与温度和电源无关的电压产生电路20，启动电路30，输出调节电路40和电流源偏置电路50。由于在低电压工艺下，传统电压基准源电路的输出电压为1.22V左右已难以适应要求，所以需要设计更低输出电压的基准源。其中运算放大电路10的一个实例如图5所示，是由两级放大器组成，第一级为折叠式共源共栅结构的差分输入放大器，第二级为单管MOS放大器组成，它主要是起到运算和钳制电压的作用。而与温度和电源无关的电压产生电路20由四个标准CMOS工艺中实现的双极晶体管构成正负温度系数抵消电路构成，该电路还包括了启动电路。该电路提供一个电阻比值输出电路可输出与传统与温度和电源无关的电压产生电路输出电压成一点比例的电压值，该比例由电阻60和电阻70的比值的设计来调节。

所述的高增益运算放大电路10由两级CMOS放大器组成，其的增益大于90dB。所用的与温度和电源无关的电压产生电路使用PNP三极管构成。

所述的两级高增益运算放大电路10，其中第一级是CMOS折叠式共源共栅结构的差分输入放大器，第二级为单管MOS放大器组成。

所述的温度和电源无关的电压产生电路20由四个标准CMOS工艺中实现的双极晶体管(PNP)构成正负温度系数抵消电路构成。

所述的输出电压可根据该电路提供一个电阻比值来调节，其调节关系由与温度和电源无关的电压产生电路20的两个电阻60和电阻70的比值决定。

所述的其输出电压可根据该电路提供一个电阻比值来调节，其调节关系由式VOUT＝(R2/RF2)*V1决定。参考电压V1为传统基准源电路的输出电压。

图4为VREF随温度、电压变化的仿真波形。

以下在介绍运算放大电路的设计，该电路均是两级运算放大器，第一级是折叠式共源共栅结构，第二级都是由单管MOS放大器组成，图5既是应用本发明中的运算放大器的电路的一实施例，图中，虚线左边是偏置电路。MOS管P8、P10采用的是低电压共源共栅结构，电容CC是补偿电容，用以补偿运放的相位裕度。其大小大约与负载电容相等。

Claims (7)

1、一种高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，包括：

一高增益运算放大电路；

一温度和电源无关的电压产生电路，该温度和电源无关的电压产生电路通过节点2和3与高增益运算放大电路的输入端连接，从而实现钳制输出的作用；

一启动电路，该启动电路的输出连接到与温度和电源无关的电压产生电路的节点2，以防止温度和电源无关的电压产生电路进入死区；

一输出调节电路，该输出调节电路的输入连接到与温度和电源无关的电压产生电路的节点4，从而实现钳制输出的作用，其输出为整个带隙基准源电路的输出；

一电流源偏置电路，该电流源偏置电路的输入与输出调节电路的输出连接，该电流源偏置电路由共源共栅结构电流镜构成，完成由电压到电流的转换。

2、根据权利要求1所述的高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，其中所用的与温度和电源无关的电压产生电路使用PNP晶体管构成。

3、根据权利要求2所述的高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，其中所用的高增益运算放大电路由两级CMOS放大器组成。

4、根据权利要求3所述的高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，其中所用的两级高增益运算放大电路，其中第一级是CMOS折叠式共源共栅结构的差分输入放大器，第二级为单管MOS放大器组成。

5、根据权利要求1或4所述的高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，其中所用的温度和电源无关的电压产生电路由四个标准CMOS工艺中实现的双极PNP晶体管构成正负温度系数抵消电路构成。

6、根据权利要求1所述的高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，其中其整个电路的输出电压是根据该电路中的电阻比值来调节，其调节关系由与温度和电源无关的电压产生电路的电阻和输出调节电路中的电阻的比值决定，其调节关系遵循以下公式：

VOUT＝(R2/RF2)×V1

其中：R2为电阻、RF2为电阻、V1为输出电压。

7、根据权利要求6所述的高电压偏置PMOS电流源电路，其特征在于，其中的电流源偏置电路由一个输入运算放大器和共源共栅结构电流镜构成，运算放大器的输出连接到共源共栅结构电流镜的输入。

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