CN101320278A

CN101320278A - Cmos基准源

Info

Publication number: CN101320278A
Application number: CNA2008100221403A
Authority: CN
Inventors: 贾海珑; 石寅
Original assignee: SUZHOU ZHONGKE
Current assignee: Kweifa Semiconductor Suzhou Co ltd
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: CN101320278B

Abstract

一种CMOS基准源，包括用于输出恒定跨导值电流的恒定跨导值电流源电路、用于输出基准电压的恒定电压基准产生电路、用于输出恒定电流值的恒定电流值电流源电路，通过电阻得到比较电压，恒定电压基准产生电路加压至可调电阻阵列，得到恒定电流值电流源电路的输出电流；需要一个片外电阻，通过管脚分别接入恒定跨导值电流源电路和恒定电流值电流源电路，组成开关并联电路；电阻、比较器、数字控制模块组成用于校正恒定电流值电流源电路输出电流值的反馈校正系统。在CMOS集成电路内部为各核心模块单元电路提供不受温度变化、电源电压变化以及制作工艺偏差影响的、稳定的、高精度的CMOS基准源——恒定跨导值电流源和恒定电流值电流源。

Description

CMOS基准源

技术领域

本发明涉及一种CMOS基准源，具体的，本发明涉及一种随温度、电源电压以及工艺变化稳定的CMOS基准源。

背景技术

基准电压、电流源是CMOS集成电路中非常重要的单元模块电路，它为芯片中其它的单元模块提供正常工作所必需的偏置电压、偏置电流，因此它的性能也很大程度上影响整个芯片的性能。

关于CMOS基准电压源的设计，基本都是基于带隙基准源(band gap)技术。利用带隙结构可以得到温度系数极低(小于8ppm)的电压参考源；并且一般在电源电压变化10％的情况下，得到的电压基准基本不受影响。同时利用电压基准与CMOS工艺下电阻的比例相关，而与电阻的绝对阻值无关的方法，得到了基本不受工艺制造参数变化影响的基准参考电压源，基本实现了与温度变化、电源电压变化以及制作工艺偏差都无关的基准电压源的设计。

但现代CMOS工艺下，为了提高参考源的精确度进而提高芯片性能，一般芯片内部的参考源都采用恒定电流值参考源。这就需要在参考电压源上串接一个电阻来产生电流。这个电阻的引入导致恒定电流值参考源的精确度受到制造工艺偏差的影响很大。一般电阻的制造误差可达到15％，因此产生恒定电流值参考源的电流值误差也可能达到15％。这个误差在有些要求较高的芯片内部是会对整个芯片性能产生较大影响的。

因此，如何得到稳定的、高精度的，不受温度变化、电源电压变化以及制作工艺偏差影响的恒定电流值参考源，是CMOS高性能集成电路设计领域的一个重要问题。

发明内容

本发明的目的在于，在CMOS高性能集成电路内部为各个核心模块单元电路提供不受温度变化、电源电压变化以及制作工艺偏差影响的、稳定的、高精度的CMOS基准源、恒定电流值电流源。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种CMOS基准源，包括用于输出恒定跨导值电流并且带有设置在片外的电阻的恒定跨导值电流源电路、用于输出基准电压的恒定电压基准产生电路、用于输出恒定电流值的恒定电流值电流源电路，恒定电流值电流源电路的输出电流通过电阻得到比较电压，恒定电压基准产生电路加压至可调电阻阵列，得到恒定电流值电流源电路的输出电流；电阻为片外电阻，通过管脚分别接入恒定跨导值电流源电路和恒定电流值电流源电路，组成两条并联支路；恒定电压基准产生电路还输出参考电压；恒定电流值电流源电路还包括用于比较参考电压与比较电压的比较器、根据比较器的输出信号调整可调电阻阵列阻值的数字控制模块，电阻、比较器、数字控制模块组成用于校正恒定电流值电流源电路输出电流值的反馈校正系统。

一种恒定电流值电流源，包括用于产生基准电压的恒定电压基准产生电路、串接在片外的电阻，恒定电压基准产生电路还输出参考电压；它还包括一个可调电阻阵列，恒定电压基准产生电路加压至可调电阻阵列，得到电流源的电流输出；反馈校正系统，由电阻、比较器和数字控制模块组成，其中，电流源输出的电流值通过电阻得到比较电压，比较器用于比较参考电压与比较电压电压值并根据比较结果输出控制信号至数字控制模块，数字控制模块根据该控制信号调整可调电阻阵列的阻值。

一种利用片外电阻输出恒定电流值电流的方法，它包括如下步骤：生成恒定基准电压和参考电压，其中基准带压用于产生输出的电流值；设定由位二进制数表示的可调电阻阵列初始值及其变化范围～、计数值；输出电流经过片外电阻得到比较电压，比较电压与参考电压进行比较，得到控制信号；根据上述控制信号，输出二进制位控制信号至可调电阻阵列，可调电阻阵列根据调整电阻值。

一种利用恒定跨导值电流源的片外电阻输出恒定电流值电流的方法，它包括如下步骤：生成恒定基准电压和参考电压，其中，基准电压加压至可调电阻阵列后得到恒定电流值电流输出；设定由位二进制数表示的可调电阻阵列初始值及其变化范围～、计数值、使能端开放时间；电源初始上电的内，使能端控制片外电阻接入恒定电流值电流发生电路，输出电流经过片外电阻得到比较电压，比较电压与参考电压进行比较，得到控制信号，根据上述控制信号，得到二进制位控制信号，可调电阻阵列根据调整电阻值；当计时时间时，使能端控制片外电阻接入恒定跨导值电流源电路，同时输出恒定跨导值电流和恒定电流值电流。

由于上述技术方案的采用，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

基准电压源电路结合片外电阻和包含有可调电阻阵列、比较器、数字控制模块的反馈校正系统，实现了稳定的、高精度的，不受温度变化、电源电压变化以及制作工艺偏差影响的恒定电流值参考源。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为恒定电流值电流源以及恒定电压基准产生电路的电路图；

图3为本发明恒定跨导值电流源电路图；

图4为发明可调电阻阵列部分的拓扑结构图；

其中：1、恒定跨导值电流源电路；2、恒定电压基准产生电路；3、恒定电流值电流源电路；6、比较器；7、数字控制模块；81、第一MOS开关管；82、第二MOS开关管；9、时钟控制电路；10、反馈校正系统；11、管脚。

具体实施方式

一种CMOS基准源，包括用于输出恒定跨导值电流并且带有设置在片外的电阻的恒定跨导值电流源电路1、用于输出基准电压的恒定电压基准产生电路2、用于输出恒定电流值的恒定电流值电流源电路3。

恒定电压基准产生电路2加压至可调电阻阵列，得到恒定电流值电流源电路3的输出电流；恒定电流值电流源电路3的输出电流通过电阻得到比较电压；电阻为片外电阻，通过管脚11分别接入恒定跨导值电流源电路1和恒定电流值电流源电路3，组成两条并联支路；恒定电压基准产生电路2还输出参考电压；恒定电流值电流源电路3还包括用于比较参考电压与比较电压的比较器6、根据比较器6的输出信号调整可调电阻阵列阻值的数字控制模块7，电阻、比较器6、数字控制模块7组成用于调节恒定电流值电流源电路3输出电流值的反馈校正系统10。

本发明所涉及的CMOS基准源还包括插入恒定跨导值电流源电路1与电阻串联通路的第一MOS开关管81、插入恒定电流值电流源电路3与电阻串联通路的第二MOS开关管82，第一MOS开关管81和第二MOS开关管82分别带有使能控制信号输入端。

第二MOS开关管82与电阻的连接端输出比较电压至比较器6。

比较器6根据电压比较结果输出一位控制字至数字控制模块7，数字控制模块7输出用于控制可调电阻阵列阻值调整的位控制字。

恒定电流值电流源电路3还包括接入数字控制模块7的时钟控制电路9。

时钟控制电路9产生频率为10M的时钟信号CLK，当时能控制信号为0时，时钟控制电路9输出时钟信号C1k，当时能控制信号为1时，时钟控制电路9输出0电平。

下面提供一种本发明的实施例：

根据图1，该基准源需要一个管脚11来外接电阻，电阻是一种高精度金属膜电阻，阻值取为4.42K欧姆。

该系统主要包括恒定电流值电流源电路3(如图2所示)和恒定跨导值电流源电路1(如图3所示)两部分电路。

恒定跨导值电流源(如图3所示)正常工作时，需要在片外接一个稳定、精确的电阻来产生补偿温度、工艺偏差的恒定跨导(constant Gm)偏置电流。

恒定电流值电流源电路3由恒定电压基准产生电路2、可调电阻阵列和反馈校正系统10组成。

在初始上电的30uS内，利用反馈校正系统和片外的精确电阻来校正可调电阻阵列(图4)的值，使输出电流值达到预先设计的指标，这个过程校正了电阻制造工艺偏差对恒流源的精度的影响。具体过程如下：

比较器6对输入的两个电压值进行比较，输出高电平1或者低电平0的数字电平控制信号。数字控制块7为硬件描述语言(HDL)Verilog HDL综合的数字电路，当使能控制端En 8为0时，第二MOS开关管82打开，反馈校正系统10工作在10M的时钟频率下。当校正完毕，n位控制字Rcal_1，......Rcal_n锁定后，使能控制端En 8将被置为1，第二MOS开关管82关闭，同时，第一MOS开关管81打开，片外电阻接到恒定跨导值电流源上，整个电流电压偏置系统正常工作，为片上其它工作电路提供与工艺偏差、温度变化以及电源电压变化无关的恒定电压、恒定电流以及恒定跨导值电流。

反馈校正系统10的工作过程如下：

我们取可调电阻阵列的控制字位数为8bit，根据制造电阻的最大误差为15％，在数字控制模块7中设定由位二进制数表示的可调电阻阵列的变化范围～、初始值、计数值、使能端开放时间。

电源初始上电的内，使能端控制片外电阻接入恒定电流值电流发生电路，输出电流经过片外电阻得到比较电压，比较电压与参考电压进行比较，得到控制信号，根据上述控制信号，得到二进制位控制信号，可调电阻阵列根据调整电阻值；

当计时时间时，使能端控制片外电阻接入恒定跨导值电流源电路，同时输出恒定跨导值电流和恒定电流值电流。

当的阻值调节至设定的变化范围端值或时，对可调电阻阵列的阻值调节过程停止，输出恒定电流值电流。

具体的，当比较器6输出的数字电平控制信号为高电平1且控制信号所对应的可调电阻阵列的值未达到最大端值时，控制信号+1，可调电阻阵列根据控制信号调整至相应的电阻值；

当比较器6输出的数字电平控制信号为低电平0且控制信号所对应的可调电阻阵列的值未达到最小端值时，控制信号-1，可调电阻阵列根据控制信号调整至相应的电阻值。

当可调电阻阵列的值在电阻值变化范围～内的相邻两阻值之间连续跳跃的累计次数达到计数值时，可调电阻阵列的阻值调节过程停止，输出恒定电流值电流。

当取可调电阻阵列Rc的控制信号的位数取为8bit，根据制造电阻的最大误差为15％，将可调电阻的阻值变化范围设定为15.912K到19.448K，默认值为17.68K；对应的控制字依次为＝11111111，＝00000000，＝00001111。得到的温度系数小于10ppm的恒流源基准电流大小为20u；得到的一系列参考电压基准的温度系数小于6ppm。

下面结合附图对具体电路结构进行描述：

对于图2的恒定电压基准产生电路2部分，PNP管P1、P2和电阻R0、运放1组成了带隙恒定电压基准产生电路2的核心部分。

PNP管P1与P2的基极、集电极接地，PNP管P1的发射极分别与PMOSFET M3和PMOSFET M2的漏极相连接，PNP管P2的发射极与PMOSFET M4的漏极相连接，PMOSFET M3和M4的栅极连接有运放1的输出端，PMOSFET M2、M3、M4的源极接入电源结点Vdd，运放1的两个输入端分别连接电阻R1和R2，电阻R1和R2的另一端接地。

运放1的输出端还与PMOSFET M1、M5、M6的栅极连接，PMOSFET M1、M5、M6的源极与电源结点Vdd连接。

PMOSFET M2的栅极与PMOSFET M1的漏极、NMOSFET M0的漏极相连接，PMOSFET M0的栅极与电源结点Vdd相连接，NMOSFET M0的源极接地。NMOSPET M0、PMOSPET M1和PMOSPET M2组成恒定电压基准产生电路的启动电路，去除带隙电压源的死锁。

PMOSFET M5的漏极经过电阻R3连接到地，PMOSFET M5与电阻R 3之间的内部节点输出参考电压。PMOSFET M6的源极与电源结点Vdd连接，PMOSFET M6的漏极通过电阻R4连接到地，PMOSFET M6与电阻R4之间的内部节点输出恒定基准电压。调整PNP管P1、P2的比例，以及电阻R0和R3的值，可以得到不同的参考电压值。

下面介绍基于上述恒定电压基准产生电路2的恒定电流值电流源电路3：

运放2的一个输入端与PMOSFET M6与电阻R4之间的内部节点相连接，其另一个输入端经过可调电阻阵列接地，运放2的输出端接入NMOSFET M9的栅极，NMOSPET M9的源极通过可调电阻阵列接地。

PMOSFET M7、M8、M11的栅极接入NMOSFET M9的漏极，PMOSPET M7的漏极与NMOSPET M9的漏极连接，。PMOSFET M8的漏极与第二MOS开关管82的漏极相连接，第二MOS开关管82的源极连接管脚11，该管脚11外接电阻R，PMOSPETM11的漏级作为恒定电流值电流电路的恒定电流值电流的输出端。PMOSPET M7、M8、M11的源极接入电源结点Vdd。第二MOS开关管82的栅极作为使能控制信号输入端。

反馈校正系统10接入第二MOS开关管82的源极与管脚11之间的内部节点。具体的，比较器6的一个输入端通过上述内部节点接入恒定电流值电流源电路3，参考电压输入比较器6的另一输入端。

所有电阻用1K的阻值进行串、并联来调整电阻大小，以获取更高的制造精度。

图3给出了恒定跨导值电流源电路1的一种实施例，它包括源极接入电源结点Vdd的NMOSPET M12，源极接入电源结点Vdd的PMOSFET M13、M20、M22、M24，源极分别与PMOSFET M13、M20、M22、M24的漏极相连接的PMOSFET M14、M21、M23、M25，PMOSPET M14的源极与PMOSPET M13、M20、M22、M24的栅极相连接，PMOSPET M14、M21、M23、M25的栅极与NMOSPET M12的栅极相连接。NMOSFETM15、M16的栅极相连，他们的漏极分别与PMOSPET M14、M21的漏极连接，同时，PMOSPET M14、M21、M23、M25的栅极还分别与NMOSFET M15的漏极连接。PMOSPET M23、M25的漏极输出恒定跨导值电流。NMOSFET M16的栅极与漏极相连，NMOSFET M12的源极与NMOSFET M16的漏极相连接。NMOSFET M17、M18的栅极相连，他们的漏极分别与PMOSPET M15、M16的源极连接相连接，NMOSFET M18的栅极与漏极相连，NMOSFET M17的源极接入第一MOS开关管81的漏极，第一MOS开关管81的漏极接M17的源极，第一MOS开关管81的源极连接管脚11，管脚11通过外接电阻R接地。第一MOS开关管81的栅极作为使能控制信号输入端。NMOSFET M18的源极接地。

图4给出了可调电阻阵列部分的拓扑结构图，它包括n个开关MOS管Rcal_1～Rcal_n，每个开关MOS管与一个定值电阻Rx串接，每个定值电阻Rx的阻值相同，每两条开关MOS管与定制电阻Rx的串联支路之间通过定值电阻Ry桥接，多个定值电阻Ry的阻值不同。每个开关MOS管的栅极作为使能控制端，分别与数字控制模块的n位输出相连接。

反馈校正系统输出的控制信号的位数n的选择取决于面积与精度的折衷：位数越多，芯片面积越大，但Rc的阻值可调精度越高，CMOS基准源的精度越高。

Claims

1.一种CMOS基准源，包括用于输出恒定跨导值电流并且带有设置在片外的电阻的恒定跨导值电流源电路(1)、用于输出基准电压的恒定电压基准产生电路(2)、用于输出恒定电流值的恒定电流值电流源电路(3)，所述的恒定电流值电流源电路(3)的输出电流经过所述的电阻得到比较电压，其特征在于：

所述的恒定电压基准产生电路(2)加压至可调电阻阵列，得到所述的恒定电流值电流源电路(3)的输出电流；

所述的电阻为片外电阻，通过管脚(11)分别接入所述的恒定跨导值电流源电路(1)和所述的恒定电流值电流源电路(3)，组成两条并联支路；

所述的恒定电压基准产生电路(2)还输出参考电压；

所述的恒定电流值电流源电路(3)还包括用于比较所述的参考电压与所述的比较电压的比较器(6)、根据所述的比较器(6)的输出信号调整所述的可调电阻阵列阻值的数字控制模块(7)，所述的电阻、所述的比较器(6)、所述的数字控制模块(7)组成用于校正所述的恒定电流值电流源电路(3)输出电流值的反馈校正系统(10)。

2、根据权利要求1所述的CMOS基准源，其特征在于：所述的恒定电压基准产生电路(2)为带隙基准电压源。

3、根据权利要求1所述的CMOS基准源，其特征在于：它还包括插入所述的恒定跨导值电流源电路(1)与所述的电阻串联通路的第一MOS开关管(81)、插入所述的恒定电流值电流源电路(3)与所述的电阻串联通路的第二MOS开关管(82)，所述的第一MOS开关管(81)和第二MOS开关管(82)分别带有使能控制信号输入端。

4、根据权利要求3所述的CMOS基准源，其特征在于：所述的第二MOS开关管(82)与所述的管脚(11)之间的内部节点输出比较电压至所述的比较器(6)。

5、根据权利要求1所述的CMOS基准源，其特征在于：所述的可调电阻阵列带有n个使能控制输入端。

6、根据权利要求1所述的CMOS基准源，其特征在于：所述的比较器(6)根据电压比较结果输出一位控制字至所述的数字控制模块(7)，所述的数字控制模块(7)输出n位控制字至所述的可调电阻阵列的n个使能控制输入端。

7、根据权利要求1所述的CMOS基准源，其特征在于：所述的恒定电流值电流源电路(3)还包括接入所述的数字控制模块(7)的时钟控制电路(9)。

8、根据权利要求6或7所述的CMOS基准源，其特征在于：所述的时钟控制电路(9)产生频率为10M的时钟信号C1K，当使能控制信号为0时，所述的时钟控制电路(9)输出时钟信号C1k，当时能控制信号为1时，所述的时钟控制电路(9)输出0电平。

9、一种恒定电流值电流源，包括用于产生基准电压的恒定电压基准产生电路(2)、通过管脚(11)串接在片外的电阻，其特征在于：

所述的恒定电压基准产生电路(2)还输出参考电压；

它还包括可调电阻阵列，所述的恒定电压基准产生电路(2)加压至所述的可调电阻阵列，得到电流源的电流输出；

反馈校正系统(10)，由所述的电阻、比较器(6)和数字控制模块(7)组成，其中，电流源输出的电流值通过电阻得到比较电压，所述的比较器(6)用于比较所述的参考电压与所述的比较电压值并根据比较结果输出控制信号至所述的数字控制模块(7)，所述的数字控制模块(7)根据该控制信号调整所述的可调电阻阵列的阻值。

10、根据权利要求9所述的恒定电流值电流源，其特征在于：所述的恒定电压基准产生电路(2)为带隙基准电压源。

11、根据权利要求9所述的恒定电流值电流源，其特征在于：所述的可调电阻阵列带有n个使能控制输入端。

12、根据权利要求11所述的CMOS基准源，其特征在于：所述的比较器(6)根据电压比较结果输出一位控制字至所述的数字控制模块(7)，所述的数字控制模块(7)输出n位控制字至所述的可调电阻阵列的n个使能控制输入端。

13、一种利用片外电阻输出恒定电流值电流的方法，其特征在于：

生成恒定基准电压和参考电压，其中恒定基准带压用于产生输出的电流值；

设定由位二进制数表示的可调电阻阵列初始值及其变化范围～、计数值；

输出电流经过片外电阻得到比较电压，比较电压与参考电压进行比较，得到控制信号；

根据上述控制信号，输出二进制位控制信号至可调电阻阵列，可调电阻阵列根据调整电阻值。

14、根据权利要求13所述的利用片外电阻输出恒定电流值电流的方法，其特征在于：当Rc的值在电阻值变化范围～内的相邻两阻值之间连续跳跃的累计次数达到计数值时，可调电阻阵列的阻值调节过程停止，输出恒定电流值电流。

15、根据权利要求13所述的利用片外电阻输出恒定电流值电流的方法，其特征在于：当的阻值调节至设定的变化范围端值或时，对可调电阻阵列的阻值调节过程停止，输出恒定电流值电流。

16、一种利用恒定跨导值电流源的片外电阻输出恒定电流值电流的方法，其特征在于：

生成恒定基准电压和参考电压，其中，恒定基准电压加压至可调电阻阵列后得到恒定电流值电流输出；

设定由位二进制数表示的可调电阻阵列初始值及其变化范围～、计数值、使能端开放时间；

17、根据权利要求16所述的利用恒定跨导值电流源的片外电阻输出恒定电流值电流的方法，其特征在于：当Rc的值在电阻值变化范围～内的相邻两阻值之间连续跳跃的累计次数达到计数值时，可调电阻阵列的阻值调节过程停止，输出恒定电流值电流。

18、根据权利要求16所述的利用恒定跨导值电流源的片外电阻输出恒定电流值电流的方法，其特征在于：当的阻值调节至设定的变化范围端值或时，对可调电阻阵列的阻值调节过程停止，输出恒定电流值电流。