CN102122189A

CN102122189A - 一种宽温度范围兼容标准cmos工艺的温度补偿电流源

Info

Publication number: CN102122189A
Application number: CN2011100042299A
Authority: CN
Inventors: 廖泽鑫; 成杨; 赵喆; 周峰
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2011-07-13

Abstract

本发明属集成电路技术领域，具体为一种宽温度范围兼容标准CMOS工艺的温度补偿电流源。它由四个NMOS管、三个PMOS管、一个补偿电阻和一个运算放大器组成。运算放大器的结构为传统的两级密勒补偿运算放大器，并自带偏置电路。高增益的运算放大器保证差分输入端的电压相同，其余的四个NMOS管、三个PMOS管和一个补偿电阻构成了温度补偿电流源的主体电路，利用电阻、MOS管的迁移率和阈值电压的不同温度系数实现了一种温度系数低、面积小、适应温度变化范围大、完全与标准CMOS工艺兼容的新型温度补偿电流源。

Description

一种宽温度范围兼容标准CMOS工艺的温度补偿电流源

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种宽温度范围兼容标准CMOS工艺的新型温度补偿电流源。

背景技术

电流源是CMOS集成电路中非常重要的基本电路之一，它为芯片中其它模块提供正常工作所必需的偏置电流，因此它的性能也很大程度上影响了整个芯片的性能。与温度无关的电流源广泛应用于模数转换器、数模转换器、Viterbi解码器中。

目前，多数应用的电流源温度系数较高，大于1000ppm/℃，且能适应的温度变化范围不大，不能满足高精度电路对参考电流源的要求。虽然近年来出现了一些能够实现低温度系数的电流源，但是它们通常来源于双极型带隙基准，结构比较复杂，占用面积大，制造成本高；有些甚至需要在BiCMOS的工艺下实现，不能与标准CMOS工艺兼容。

所以，如何设计得到一种结构简单、性能稳定、占用芯片面积小，温度系数低、适应大范围温度变化、完全与标准CMOS工艺兼容的恒定电流参考源是CMOS高性能集成电路设计领域需要解决的一项重要课题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种宽温度范围兼容标准CMOS工艺的新型温度补偿电流源，以克服现有电流源面积大、电流随温度变化明显、制造工艺成本高、适应温度变化范围小的缺点，迎合当今电子产品对模拟电流源的要求。

本发明提出的宽温度范围兼容标准CMOS工艺的温度补偿电流源，由二个PMOS管4、5，三个NMOS管1、2、3，补偿电阻6，运算放大器7经电路连接构成；其中，两个PMOS管4、5，三个NMOS管1、2、3，补偿电阻6为电流源的主体电路，利用电阻、迁移率、阈值电压的不同温度系数实现电流源的温度补偿；运算放大器具有很高的增益，以保证运算放大器的输入端所连接的节点电压相同。

本发明中，新型温度补偿电流源的主体电路由第四、第五PMOS管4、5，第一、第二、第三NMOS管1、2、3，补偿电阻6经电路连接构成；其中，第四、第五PMOS管4、5的源极接电源，栅极与运算放大器的输出端26相连接，补偿电阻6的一端与第四PMOS管4的漏极相连，另一端与连接成二极管形式的第一NMOS管1的栅极相连，第一、第二、第三NMOS管1、2、3均连接成二极管形式，其中第一、第二NMOS管1、2的源极均接地，第二NMOS管2的漏极与第五PMOS管5的漏极连接在一起。

本发明中，第四、第五 PMOS管4、5，第一、第二、第三NMOS管1、2、3均工作在饱和区，其中，第一、第二、第三NMOS管1、2、3的尺寸相同，第五PMOS管5的尺寸是第四PMOS管4的两倍，以保证两条支路的电流为两倍的关系，补偿电阻6的电阻值与第三NMOS管3的跨导在同一量级以保证建立负反馈。另外，在版图设计中要求第一、第二NMOS管1、2的阈值电压相差较小，以满足实现温度补偿电流源的基本条件，第一NMOS管1的尺寸较大，第四、第五PMOS管4、5的尺寸较小，以满足整体环路的稳定要求。

本发明中，应用运算放大器7保证节点8、9电压相等，它由第十八～第二十三NMOS管18～23、第十～第十六PMOS管10～16、第一电阻16、第二电阻25、补偿电容24经电路连接构成；其中，第十八、第十九NMOS管18、19连接成电流镜的形式，第十～第十三PMOS管10～13连接成共源共栅电流镜的模式，第二电阻25连接在第十一PMOS管11的源极与电源之间，它们共同组成了放大器的偏置电路；第二十NMOS管20镜像第十九NMOS管19的电流，为运放的第一级提供尾电流源，第二十二、第二十三NMOS管22、23构成差分输入对形式，第十四、第十五PMOS管14、15为差分输入管的电流镜负载；第十七PMOS管17作为第二级运放的输入管，它的栅极与第一级运放的输出端27相接，第二十一NMOS管21作为第十七PMOS管17的负载，第一电阻16与补偿电容24串联在第一级运放的输出端与第二级运放的输出端之间，形成动态的密勒补偿，运放的输出端26与第四、第五PMOS管4、5的栅极连接在一起。其中，除了第十八NMOS管18工作在线性区，其他MOS管均工作在饱和区。为了实现低功耗、高增益的特点，MOS管的栅长大于1μm，偏置电流、MOS管的宽长比较小。

附图说明

图1 一种宽温度范围兼容标准CMOS工艺的新型温度补偿电流源的电路实现。

图2 本发明中应用的运算放大器的电路实现。

图中标号：1、2、3、18、19、20、21、22、23为NMOS管，4、5、10、11、12、13、14、15、17为PMOS管，6为补偿电阻，7为运算放大器，24为补偿电容，25为偏置电阻， 8、9为运算放大器的输入端口，26为运算放大器的输出端口。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明。

图1所示为整个温度补偿电流源的电路实现。图中，PMOS管4、5接成电流镜的形式以保证两条支路电流为二倍的关系，运算放大器7有足够高的增益使得节点8、9的电压相等，即得到电阻6与NMOS管1的栅源电压之和等于NMOS管2、3的栅源电压之和，通过这一等式关系，使得参考电流源能够利用电阻、MOS管迁移率、阈值电压的不同温度系数实现温度补偿，从而得到一个温度系数较低的参考电流源。其中，PMOS管4、5的源极接电源，栅极与放大器的输出端26相连接，补偿电阻6的一端与PMOS管4的漏极相连，另一端与连接成二极管形式的NMOS管1的栅极相连，NMOS管1、2、3均连接成二极管形式，其中NMOS管1、2的源极均接地，NMOS管2的漏极与PMOS管5的漏极连接在一起。 PMOS管4、5，NMOS管1、2、3均工作在饱和区，其中，NMOS管1、2、3的尺寸相同，PMOS管5的尺寸是PMOS管4的两倍，以保证两条支路的电流为两倍的关系，补偿电阻6的电阻值与NMOS管3的跨导在同一量级以保证建立负反馈、并在版图设计中保证NMOS管1、2的阈值电压相差较小，以满足实现温度补偿电流源的基本条件，NMOS管1的尺寸较大、PMOS管4、5的尺寸较小以满足整体环路的稳定要求。

图2所示为图1中运算放大器7的电路实现。图中NMOS管18、19连接成电流镜的形式，PMOS管10～13连接成共源共栅电流镜的模式，电阻25连接在PMOS管11的源极与电源之间，它们共同组成了放大器的偏置电路；NMOS管20镜像NMOS管19的电流，为运放的第一级提供尾电流源，NMOS管22、23构成差分输入对形式，PMOS管14、15为差分输入管的电流镜负载；PMOS管17作为第二级运放的输入管，它的栅极与第一级运放的输出端27相接，NMOS管21作为PMOS管17的负载，电阻16与电容24串联在第一级运放的输出端与第二级运放的输出端之间，形成动态的密勒补偿，运放的输出端26与PMOS管4、5的栅极连接在一起。其中，除了NMOS管18工作在线性区，其他MOS管均工作在饱和区。为了实现低功耗、高增益的特点，MOS管的栅长大于1μm，偏置电流、MOS管的宽长比较小。

本发明所实现的温度补偿电流源具有完全与标准CMOS工艺兼容、温度系数低，适应温度变化范围大、结构简单，面积小，成本低等优点，适用于各种模拟电路、模数混合电路中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下，所作出的若干改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种宽温度范围兼容标准CMOS工艺的温度补偿电流源，其特征在于由第四、第五PMOS管（4、5），第一、第二、第三NMOS管（1、2、3），补偿电阻（6），运算放大器（7）经电路连接构成；其中，运算放大器具有很高的增益，以保证运算放大器的输入端所连接的节点电压近似相等；第四、第五PMOS管（4、5），第一、第二、第三NMOS管（1、2、3），补偿电阻（8）组成电流源的主体电路，利用电阻、MOS管的迁移率和阈值电压的不同温度系数实现电流源的温度补偿；其中：

其中，第四、第五PMOS管（4、5）的源极接电源，栅极与运算放大器的输出端（26）相连接；补偿电阻（6）的一端与第四PMOS管（4）的漏极相连，另一端与连接成二极管形式的第一NMOS管（1）的栅极相连；第一、第二、第三NMOS管（1、2、3）均连接成二极管形式，第一、第二NMOS管（1、2）的源极链接地，第三NMOS管（3）的源链接到第二NMOS管（2）的漏极，第三NMOS管（3）的漏端与第五PMOS(5)的漏端相连。

2.根据权利要求1所述的电流源，其特征在于所有MOS管均工作在饱和区，其中，第一、第二、第三NMOS管（1、2、3）的尺寸相同，第五PMOS管（5）的尺寸是第四PMOS(4)的两倍，以保证两条支路的电流是二倍的关系，补偿电阻（6）的电阻值比第三NMOS管（3）的跨导大，以保证建立负反馈。

3.根据权利要求1所述的电流源，其特征在于所述的运算放大器（7）由第十八～第二十三NMOS管（18～23）、第十～第十六PMOS管（10～16）、第一电阻16、第二电阻25、补偿电容（24）经电路连接构成；其中，第十八、第十九NMOS管（18、19）连接成电流镜的形式，第十～第十三PMOS管（10～13）连接成共源共栅电流镜的模式，第二电阻（25）连接在第十一PMOS管（11）的源极与电源之间，它们共同组成运算放大器的偏置电路；第二十NMOS管（20）镜像第十九NMOS管（19）的电流，为运算放大器的第一级提供尾电流源，第二十二、第二十三NMOS管（22、23）构成差分输入对形式，第十四、第十五PMOS管（14、15）为差分输入管的电流镜负载；第十七PMOS管（17）作为第二级运放的输入管，它的栅极与第一级运放的输出端（27）相接，第二十一NMOS管（21）作为第十七PMOS管（17）的负载，第一电阻（16）与补偿电容（24）串联在第一级运放的输出端与第二级运放的输出端之间，形成动态的密勒补偿，运放的输出端（26）与第四、第五PMOS管（4、5）的栅极连接在一起。