CN102129264A - 一种完全兼容标准cmos工艺的低温度系数电流源 - Google Patents

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成杨
廖泽鑫
赵喆
周锋
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Abstract

本发明属集成电路技术领域，具体为一种完全兼容标准CMOS工艺的低温度系数电流源。它由四个NMOS管、两个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、两个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、完全与标准CMOS工艺兼容的新型温度补偿电流源。

Description

一种完全兼容标准CMOS工艺的低温度系数电流源
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种完全兼容标准CMOS工艺的新型低温度系数电流源。
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/℃，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、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。
本发明提出的兼容标准CMOS工艺的温度补偿电流源，由2个PMOS管4、5，4个NMOS管1、2、3、6，补偿电阻7，运算放大器8经电路连接构成；其中，PMOS管4、5，NMOS管1、2、3、6，补偿电阻7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，温度补偿电流源的主体电路由PMOS管4、5，NMOS管1、2、3、6，补偿电阻7经电路连接构成；其中，PMOS管4、5的源极接电源，栅极与运算放大器8的输出端28相连接，补偿电阻7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的源极均接地，NMOS管2的漏极与PMOS管5的漏极、NMOS管6的栅极连接在一起，NMOS管6的漏极接电源，源极与连接成二极管形式的NMOS管3相连。
本发明中，PMOS管4、5，NMOS管1、2、3、6均工作在饱和区，其中，NMOS管2、3的尺寸相同，PMOS管4、5的尺寸相同，以保证三条支路的电流相等，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的尺寸较大以满足整体环路的稳定要求。
本发明中，应用运算放大器8保证节点9、10电压相等，它由PMOS管11～17，NMOS管19～24，电阻18、26，补偿电容25经电路连接构成；其中，NMOS管19、20连接成电流镜的形式，PMOS管11～14连接成共源共栅电流镜的模式，电阻26连接在PMOS管12的源极与地之间，它们共同组成了放大器的偏置电路；NMOS管21镜像NMOS管20的电流，为运算放大器的第一级提供尾电流源，NMOS管23、24构成差分输入对形式，PMOS管15、16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22的漏极与PMOS管17的漏极相连，作为PMOS管17的负载，电阻18与电容25串联在第一级运放的输出端与第二级运放的输出端之间，形成密勒补偿，运放的输出端28与PMOS管4、5的栅极连接在一起。其中，所有的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  一种兼容标准CMOS工艺的新型低温度系数电流源的电路实现。
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、6、19、20、21、22、23、24为NMOS管，4、5、11、12、13、14、15、16、17为PMOS管，7为补偿电阻，8为运算放大器，18为补偿电阻，25为补偿电容，26为偏置电阻，9、10为运算放大器的输入端口，27为运算放大器第一级的输出端口，28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，NMOS管2、3接成电流镜的形式以保证三条之路的电流相等，运算放大器8有足够高的增益使得节点9、10的电压相等，即得到电阻7的压降与NMOS管1的栅源电压之和等于NMOS管2、6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28相连接，补偿电阻7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的源极均接地，NMOS管2的漏极与PMOS管5的漏极、NMOS管6的栅极连接在一起，NMOS管6的漏极接电源，源极与连接成二极管形式的NMOS管3相连。PMOS管4、5，NMOS管1、2、3、6均工作在饱和区，其中，NMOS管2、3的尺寸相同，PMOS管4、5的尺寸相同，以保证三条支路的电流相等，并在版图设计中保证NMOS管1、2的阈值电压相差较小，以满足温度补偿所需的假设条件，NMOS管1的尺寸应较大以满足整体环路稳定的要求。
图2所示为图1中运算放大器9的电路实现。图中NMOS管19、20连接成电流镜的形式，PMOS管11～14连接成共源共栅电流镜的模式，电阻26连接在PMOS管12的源极与地之间，它们共同组成了放大器的偏置电路；NMOS管21镜像NMOS管20的电流，为运算放大器的第一级提供尾电流源，NMOS管23、24构成差分输入对形式，PMOS管15、16为差分输入管的电流镜负载；PMOS管17作为第二级运算放大器的输入管与第一级运算放大器的输出端27相接，NMOS管22作为PMOS管17的负载，电阻18与电容25串联在第一级运算放大器的输出端与第二级运算放大器的输出端之间，形成密勒补偿，运算放大器的输出端28与电流源主体电路中的PMOS管4、5的栅极连接在一起。其中，所有的MOS管均工作在饱和区，为了实现低功耗、高增益的特点，所有MOS管的栅长均大于1μm，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，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 (3)

1.一种完全兼容标准CMOS工艺的低温度系数电流源，其特征在于由第四PMOS管（4）、第四PMOS管（5）、第一、第二、第三、第六NMOS管（1、2、3、6）、补偿电阻（7）、运算放大器（8）经电路连接构成；其中，运算放大器（8）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，第四PMOS管（4）、第四PMOS管（5）、第一、第二、第三、第六NMOS管（1、2、3、6）、补偿电阻（7）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：
第四PMOS管（4）、第四PMOS管（5）的源极接电源，栅极与运算放大器（8）的输出端（28）相连接，补偿电阻（7）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）的源极均接地，第二NMOS管（2）的漏极与第五PMOS管（5）的漏极以及第六NMOS管（6）的栅极连接在一起，第六NMOS管（6）的漏极接电源，源极与连接成二极管形式的第三NMOS管（3）相连。
2.根据权利要求1所述的电流源，其特征在于电流源主体电路中，所有MOS管均工作在饱和区，其中，第二、第三NMOS管（2、3）的尺寸相同，第四、第五PMOS管（4、5）的尺寸相同。
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（8）由第十一～第十七PMOS管（11～17）、第十九～第二十四NMOS管（19～24）、第一、第二电阻（18、26）、补偿电容（25）经电路连接构成；其中，第十九、第二十NMOS管（19、20）连接成电流镜的形式，第十一～第十四PMOS管（11～14）连接成共源共栅电流镜的模式，第二电阻（26）连接在第十二PMOS管（12）的源极与地之间，它们共同组成运算放大器的偏置电路；第二十一NMOS管（21）镜像第二十NMOS管（20）的电流，为运算放大器的第一级提供尾电流源，第二十三、第二十四NMOS管（23、24）构成差分输入对形式，第十五、第十六PMOS管（15、16）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，第二十二NMOS管（22）作为第十七PMOS管（17）的负载， 第一电阻（18）与补偿电容（25）串联在第一级运放的输出端与第二级运放的输出端之间，形成密勒补偿，运放的输出端（28）与第四、第五PMOS管（4、5）的栅极连接在一起。
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