CN101995898B - 一种高阶温度补偿电流基准源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高阶温度补偿电流基准源，该电流基准源包括启动电路、IPTAT电流源及基准电流输出单元；其中，启动电路作为IPTAT电流源的启动电路，IPTAT电流源得到的基准电流通过基准电流输出单元输出。本发明所述电流基准源电路结构简单，且输出的基准电流受温度影响较小。

Description

一种高阶温度补偿电流基准源

技术领域

本发明涉及集成电路中的电源技术领域，特别的涉及基准电源技术领域。

背景技术

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，而传输电压时则有损失，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，会比采用电压模式工作在更高的频率，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。普通的电流基准源，由于采用互补式金属氧化物半导体(CMOS)工艺所制作的电阻都具有较大的正温度系数，所产生的电流随集成电路工作温度的增高而有百分之几十的增大，无法满足实际应用的要求，因此，要实现低温度系数的电流基准源，就必须对其进行温度补偿。

2002年3月20日公开的中国台湾专利低温度系数参考电流源产生电路，公开号为CN1340750A，该专利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与温度成正比(PTAT)的电流与与温度成反比(IPTAT)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1所示。该技术方案经计算机仿真，在-25度到75度范围，输出的基准电流变化为1.4％即140ppm，显示其随温度的变化基准电流变化较大，温度特性并不是很好。

2006年1月25日公开的中国专利高阶温度补偿电流基准源，公开号为CN1725137A，该专利文献所述电路主要包括：一第一一阶温度补偿电流发生器，以产生一个一阶温度补偿电流，其温度特性曲线为一开口向上的高次曲线；第二一阶温度补偿电流发生器，以产生另一个一阶温度补偿电流，其温度特性曲线为一开口向下的高次曲线；一比例求和电路，将第一一阶温度补偿电流发生器和第二一阶温度补偿电流发生器所产生的一阶温度补偿电流进行按比例求和。该技术方案实质上也采用了两条与温度成一定关系的电流按比例相叠加的方式，来实现温度补偿，其与公开号CN1340750A的专利文献的差别在于其修正PTAT电流为开口向上的高次曲线，以抵消非理想IPTAT电流(即文献中所述具有开口向上的高次曲线特性的电流)的非线性。其原理示意图如图2所示，两个电流发生器中各用了一个运算放大器，该技术方案经计算机仿真，在-15度到135度范围，输出的基准电流的温度系数为20ppm/℃，该技术方案的温度特性较好，但电路相对比较复杂。

因此，现有技术中缺乏一种在电路复杂度和温度特性方面都能兼顾的高阶温度补偿电流基准源。

发明内容

为解决上述在电路复杂度和温度特性方面都能兼顾的问题，本发明提出了一种高阶温度补偿电流基准源电路，该电流基准源包括启动电路、IPTAT电流源及基准电流输出单元；其中，启动电路作为IPTAT电流源的启动电路，IPTAT电流源得到的基准电流通过基准电流输出单元输出。

所述IPTAT电流源包括NMOS管M1、M2和PMOS管M3、M4，双极型三级管Q1和Q2，以及带正温度系数的电阻R₂；其中PMOS管M3、NMOS管M1和双极型三极管Q1依次串联于电源V_DD和地端V_SS之间，PMOS管M4、NMOS管M2、电阻R₁和双极型三极管Q2也依次串联于电源V_DD和地端V_SS之间，且PMOS管M3和M4镜像连接、NMOS管M1和NMOS管M2镜像连接，镜像PMOS管M3和M4的公共栅极与启动电路相连，镜像NMOS管M1和M2的公共栅极与NMOS管M1的漏极相连，PMOS管M4的栅漏相连，双极型三极管Q1和Q2的基极和发射极均接地端V_SS，电阻R₂连接于NMOS管M2的源极和地端V_SS之间。

所述基准电流输出单元包括镜像PMOS管M5，与所述IPTAT电流源中的PMOS管M3和M4镜像连接，该PMOS管M5的源极接电源电压V_DD，漏极输出电流为基准输出电流。

所述电阻R₂采用零温度系数的电阻。所述电阻R₂与电阻R₁的取值满足在双极型三极管Q₁的基极发射极电压V_BE1一阶近似时基准输出电流对温度求导的导数为零。

对于CMOS工艺，所述电阻R₂可选用N+扩散电阻、P+扩散电阻、多晶硅电阻或N阱电阻等正温度系数电阻。所述电阻R₂的阻值和正温度系数的选择满足双极型三极管Q₁的基极发射极电压V_BE1二阶近似时使基准输出电流对温度求导的导数为零。

本发明的有益效果在于，在传统三极管结构的PTAT电流产生电路的基础上，巧妙的增加一个电阻，来获得一个IPTAT电流，同时在两个电阻公共端的节点完成两个电流的叠加求和，并进一步通过选用正温度系数的电阻来补偿所获得IPTAT电流的非线性，得到高阶温度补偿的电流基准源。该技术方案经计算机仿真，在-40度到125度范围内，输出的基准电流的温度系数为8ppm/℃。与公开号为CN1340750A的专利文献相比，本电路结构约是其三分之一，但获得比其低一个数量级的温度系数；与公开号为CN1725137A的专利文献相比，在获得与其相近的低温度系数特性的基础上，本发明电路结构不超过其五分之一。因此，本发明所述电流基准源电路采用简单的电路结构获得较好的温度特性。

附图说明

图1是背景技术中公开号为CN1725137A的专利所公开的一阶温度补偿电流发生器的电路结构原理图；

图2是背景技术中公开号为CN1725137A的专利所公开的高阶温度补偿电流基准源的电路结构图；

图3是本发明具体实施方式所述高阶温度补偿电流基准源的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式所述的一种高阶温度补偿电流基准源电路图；

图5是本发明具体实施方式所述的电流基准源电路的输出电流的温度特性图；

图6是本发明具体实施方式所述采用正温度系数电阻R2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

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

如附图3所示为本发明具体实施方式所述高阶温度补偿电流基准源的结构示意图，该基准源包括启动电路101、IPTAT电流源100及基准电流输出单元102；其中，启动电路101作为IPTAT电流源100的启动电路，用以将电路启动以防止电路被锁住在零电压的位置，IPTAT电流源100得到温度特性较好的IPTAT电流，通过基准电流输出单元102输出本发明具体实施方式所述的高阶温度补偿基准电流。

如图4所示为本发明具体实施方式所述的一种高阶温度补偿电流基准源电路，其中启动电路101包括PMOS管M6和NMOS管M7、M8和M9，所述四个MOS管接于电源V_DD和地端V_SS之间，其中PMOS管M6的源极接电源V_DD，NMOS管M7的栅极和漏极相连后连接于PMOS管M6的栅极，NMOS管M8的栅极和漏极与NMOS管M7的源极和PMOS管M6的漏极均相连，NMOS管M9的栅极和漏极相连后连接于NMOS管M8的源极，NMOS管M9的源极接地。

值得注意的是，本发明启动电路不局限于本具体实施方式中如图4所示电路，其它只要满足将电路启动以防止电路被锁住在零电压的位置的电路满足本发明启动电路的要求，由此构成的整个电路属于本发明保护的范围。

所述IPTAT电流源100包括NMOS管M1、M2和PMOS管M3、M4，三级管Q1和Q2，以及带正温度系数的电阻R₂；其中PMOS管M3、NMOS管M1和双极型三极管Q1依次串联于电源V_DD和地端V_SS之间，PMOS管M4、NMOS管M2、电阻R₁和双极型三极管Q2也依次串联于电源V_DD和地端V_SS之间，且PMOS管M3和M4镜像连接、NMOS管M1和NMOS管M2镜像连接，镜像PMOS管M3和M4的公共栅极与启动电路中PMOS管M6的栅极相连，镜像NMOS管M1和M2的公共栅极与NMOS管M1的漏极相连，PMOS管M4的栅漏相连，双极型三极管Q1和Q2的基极和发射极均接地端V_SS，电阻R₂连接于NMOS管M2的源极和地端V_SS之间。

所述基准电流输出单元102包括镜像PMOS管M5，与所述IPTAT电流源100中的PMOS管M3和M4镜像连接，该PMOS管M5的源极接电源电压V_DD，从其漏极得到温度特性较好的低温度系数的基准输出电流I₀。

如图4所示本发明具体实施方式所述一种高阶温度补偿电流基准源电路的工作原理为：所述启动电路101用以将电路启动以防止电路被锁住在零电压的位置，所述IPTAT电流源100中，PMOS管M3、PMOS管M4以及所述基准电流输出单元102中的PMOS管M5构成镜像电路使得其分别所在的三条支路的电流相同，均用I₀表示，NMOS管M1和NMOS管M2构成电压箝位电路以维持A、B两点电压一致，双极型三极管Q1、Q2及电阻R₁所构成的感测电路感知温度的变化，通过检测电阻R₁上的电压ΔV，即双极型三极管Q1基极发射极电压V_BE1和双极型三极管Q2的基极发射极电压V_BE2的差，根据欧姆定律，得到电阻R₁上的电流I₁，如式(1)所示：

$I_1=\frac{\mathrm{\ΔV}}{R_1}=\frac{V_{\mathrm{EB}1}-V_{\mathrm{EB}2}}{R_1}=\frac{V_T\ln \left(\frac{{\mathrm{NI}}_0}{I_0-I_2}\right)}{R_1}---\left(1\right)$

其中，N为双极型三极管Q1和Q2的发射极面积之比，V_T＝kT/q，k为波滋曼常数，q为电子电荷，T为绝对温度，ln(I₀/I₀-I₂)＜＜1，当一阶展开时，可以忽略其随温度变化对I₁的影响，则电流I₁具有正温度系数的特性。

同时由于双极型三极管的基极发射极电压V_BE具有负温度系数的特性，因此将V_BE加载在电阻上可得到具有负温度系数的电流，在本发明具体实施方式图4所示电路中，由于V_A＝V_B，则电阻R₂两端电压V_B等于双极型三极管Q1的基极发射极电压V_BE1，则电阻R₂上的电流I₂与双极型三极管Q1的基极发射极电压V_BE1一样具有负温度系数。

基准输出电流I₀由具有正温度系数的I₁和具有负温度系数的电流I₂相加得到，如式(2)所示：

$I_0=I_1+I_2=\frac{V_T\ln \left(\frac{{\mathrm{NI}}_0}{I_0-I_2}\right)}{R_1}+\frac{V_{\mathrm{EB}1}}{R_2}---\left(2\right)$

将式(2)对温度T求导，可得到公式(3)：

$\frac{{\mathrm{dI}}_0}{\mathrm{dT}}=\frac{{\mathrm{dI}}_1}{\mathrm{dT}}+\frac{{\mathrm{dI}}_2}{\mathrm{dT}}\≈\frac{k\ln (N\×a)}{q\×R_1}+\frac{b}{R_2}---\left(3\right)$

其中令a＝I₀/I₀-I₂，因此，当对I₀一阶展开时，ln(N×a)可视为常数，b为V_BE1的温度系数，也可视为常数，其值为负。因此，在一阶情况下，通过选取合适的电阻R₁和电阻R₂的比值，可使dI₀/dT＝0，即电流I₁和电流I₂的温度系数相互抵消，从而获得低温度系数的基准输出电流I₀，经PMOS管M5镜像输出。图5所示为计算机按上述一阶模型仿真得到的基准输出电流I₀的温度特性的结果，在-40℃到125℃范围内，基准输出电流I₀的温度系数为40ppm/℃。

以下采用二阶函数近似双极型三极管的基极发射极电压V_BE，得到如式(4)所示的电压V_BE关于绝对温度T的函数在任一参考温度T₀处的展开式：

$V_{\mathrm{BE}}\left(T\right)=V_{g0}-\left(\frac{T}{T_0}\right)\·[V_{g0}-V_{\mathrm{BE}}\left(T_0\right)]-(\mathrm{\η}-1)\·\left(\frac{\mathrm{kT}}{q}\right)\·\ln \left(\frac{T}{T_0}\right)---\left(4\right)$

其中V_g0为硅的带隙电压，为常数，η为温度常量。将式(4)中V_BE对温度求导，近似得式(5)：

$\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{BE}}}{\mathrm{dT}}\≈-b_0-b_{1}T---\left(5\right)$

其中，b₀、b₁为常数。由式(5)可知，双极型三极管的基极发射极电压不是随温度线性变化的，其负温度系数随温度升高而变得更负。

当采用如式(4)所示的展开式近似双极型三极管的基极发射极电压时，则在式(2)中，若不考虑电阻R₂的温度特性，相应电流I₂具有与电压V_BE相同的温度特性，而如果选用具有正温度系数的电阻R₂则可以减缓电流I₂的负温度系数的变化。

同时，电流I₁在二阶近似时，lnI₀/I₀-I₂项不能忽略不计，则式(1)中电流I₁具有正温度系数，由于电流I₂具有负温度系数，其会导致电流I₁的正温度系数随温度升高而变小，选用具有正温度系数的电阻R₂可以减缓I₁正温度系数的变化。

综合上述两点，具有正温度系数的电阻R₂可修正基准输出电流I₀的高阶温度系数，对于CMOS工艺，该电阻R₂可选用N+扩散电阻、P+扩散电阻、多晶硅电阻或N阱电阻等正温度系数的电阻。经计算机仿真I₀的温度特性结果如图6所示，在-40℃到125℃范围内，基准输出电流I₀的温度系数为8ppm/℃，证明正温度系数电阻R₂对基准输出电流I₀的温度特性具有高阶补偿效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，该电流基准源包括启动电路、IPTAT电流源及基准电流输出单元；其中，启动电路作为IPTAT电流源的启动电路，IPTAT电流源得到的基准电流通过基准电流输出单元输出；

所述IPTAT电流源包括NMOS管M1、M2和PMOS管M3、M4，双极型三级管Q1和Q2，以及带正温度系数的电阻R₂；其中PMOS管M3、NMOS管M1和双极型三极管Q1依次串联于电源V_DD和地端V_SS之间，PMOS管M4、NMOS管M2、电阻R₁和双极型三极管Q2也依次串联于电源V_DD和地端V_SS之间，且PMOS管M3和M4镜像连接、NMOS管M1和NMOS管M2镜像连接，镜像PMOS管M3和M4的公共栅极与启动电路相连，镜像NMOS管M1和M2的公共栅极与NMOS管M1的漏极相连，PMOS管M4的栅漏相连，双极型三极管Q1和Q2的基极和发射极均接地端V_SS，电阻R₂连接于NMOS管M2的源极和地端V_SS之间。

2.根据权利要求1所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述基准电流输出单元包括镜像PMOS管M5，与所述IPTAT电流源中的PMOS管M3和M4镜像连接，该PMOS管M5的源极接电源电压V_DD，漏极输出电流为基准输出电流。

3.根据权利要求1所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R₂采用零温度系数的电阻。

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，所述电阻R₂与电阻R₁的取值满足在双极型三极管Q₁的基极发射极电压V_BE1一阶近似时基准输出电流对温度求导的导数为零。

5.根据权利要求1所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R₂采用正温度系数的电阻。

6.根据权利要求5所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R₂的阻值和正温度系数的选择满足双极型三极管Q₁的基极发射极电压V_BE1二阶近似时使基准输出电流对温度求导的导数为零。

7.根据权利要求5所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R₂为N+扩散电阻或P+扩散电阻。

8.根据权利要求5所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R₂为多晶硅电阻。

9.根据权利要求5所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R₂为N阱电阻。