CN102395234B - 一种低压高匹配度cmos恒定电流源电路 - Google Patents

一种低压高匹配度cmos恒定电流源电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低压高匹配度CMOS恒定电流源电路，其为其为适用于低压恒流LED的驱动电路，其包括镜像电流源电路，保证镜像电流源电路稳定的补偿电容和提供镜像电流源电路高电流匹配精度的辅助放大器。本发明提供一种LED驱动芯片的高精度，低成本，低电压的电流源电路，其拥有良好的电流匹配性能，很大的动态范围，较小的版图面积和设计成本，非常适用于特定的LED驱动芯片。

Description

一种低压高匹配度CMOS恒定电流源电路
技术领域
本发明涉及一种恒定电流源电路，更确切的说是一种用于适用于手持设备类恒流型LED驱动电路。
背景技术
CMOS恒定电流源在手持设备类LED驱动芯片中有着广泛的应用，该类型芯片要求电流源电路能够输出单通道或者多通道的恒定电流，以保证LED灯能有相同的亮度。在这类应用中，对电流源电路的要求主要有：高相对/绝对电流匹配精度；高输出阻抗，尤其在电源电压较低的情况下；并且需要有很小的版图面积。一项美国专利（US 6707286）提出一种通过放大器负反馈来获得恒定输出电流的方法，如图一所示，这种方法在电源电压较高的条件下，获得了很高的输出阻抗，但是，这种结构也存在一些缺点：
1.  在电源电压降的较低的情况下M2将进入线性区，这将使负反馈网络失去作用，从而电流源输出阻抗变小，恶化了电流镜像精度。
2.  由于M1的漏源电压近似等于M8的漏源电压，而并非与镜像源极NMOS的栅源电压相等，因此由于沟道调制效应的影响，这种结构存在一定的电流绝对误差。
3.  为了能在较低的电源电压下工作，M1要有很低的过驱动电压(Vdsat)，在LED输出电流比较大的应用中，过低的过驱动电压Vdsat将导致很大的宽长比，因此使电流源电路消耗了很大的版图面积，浪费成本。
发明内容
由于现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提出一种低压高匹配度CMOS恒定电流源电路，其可有效解决现有技术存在的上述问题。
本发明可通过以下技术方案予以解决：
    一种低压高匹配度CMOS恒定电流源电路，其为适用于低压恒流LED的驱动电路，其包括镜像电流源电路，保证镜像电流源电路稳定的补偿电容和提供镜像电流源电路高电流匹配精度的辅助放大器。
作为本发明的进一步技术特征，所述镜像电流源包括一第一N型场效应晶体管和一第二N型场效应晶体管，所述第一N型场效应晶体管和所述第二N型场效应晶体管的共用相同的栅极并连接到辅助放大器的输出端，所述第一N型场效应晶体管的漏极分别与所述辅助放大器的正向输入端和参考电源相连；所述第二N型场效应晶体管的漏极分别与辅助放大器的负向输入端和需供电的LED灯的负向端相连；所述LED灯和所述参考电源共同连接到电源上，所述电容跨接在第一N型场效应晶体管的栅极和漏极之间。
作为本发明的进一步技术特征，所述辅助放大器包括一作为其正向输入端的第三N型场效应晶体管的源极和一作为其反向输入端的第四N型场效应晶体管；所述第三N型场效应晶体管漏极和一第二P型场效应晶体管漏极相连接作为所述辅助放大器的输出端；一第一P型场效应晶体管、第二P型场效应晶体管和一第三P型场效应晶体管的源极均与供电电源连接；参考电源则串接在零电位和第一P型场效应晶体管的栅极之间
作为本发明的进一步技术特征，所述补偿电容为设于N阱中的N型场效应晶体管电容,该N型场效应晶体管的漏极和源极相连并连接到衬底。
本发明提供一种LED驱动芯片的高精度，低成本，低电压的电流源电路，其拥有良好的电流匹配性能，很大的动态范围，较小的版图面积和设计成本，非常适用于特定的LED驱动芯片。
附图说明
图1是美国专利US6707286通过放大器负反馈来获得恒定输出电流的电路图。
图2是本发明低压高匹配度CMOS恒定电流源电路图。
图3是图2中辅助放大器的电路图。
图4是图2中的补偿电容的电路图。 具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步阐述本发明：
一种低压高匹配度CMOS恒定电流源电路，其为适用于低压恒流LED的驱动电路，其包括镜像电流源，保证镜像电流源电路稳定的补偿电容和提供镜像电流源电路高电流匹配精度的辅助放大器。
如图2所示，本发明低压高匹配度CMOS恒定电流源电路图。其由第一N型场效应晶体管NMOS1、第二N型场效应晶体管NMOS2、补偿电容CC、参考电源和LED灯构成。所述第一N型场效应晶体管NMOS1的衬底和源极相连并与零电位连接；所述第二N型场效应晶体管NMOS2的源极和衬底相连接并与零电位连接；所述第一N型场效应晶体管NMOS1和所述第二N型场效应晶体管NMOS2的共用相同的栅极并连接到辅助放大器OP的输出端，所述第一N型场效应晶体管NMOS1的漏极分别与所述辅助放大器OP的正向输入端和参考电源相连；所述第二N型场效应晶体管NMOS2的漏极分别与辅助放大器OP的负向输入端和所述LED灯的负向端相连；所述LED灯和所述参考电源共同连接到供电电源VCC上，所述补偿电容CC跨接在第一N型场效应晶体管NMOS1的栅极和漏极之间，参考电源流过的电流为IIN，LED灯两端压降为VF，流过灯内的电流为ILED。
如图3所示，其为本发明的辅助放大器OP的电路图，该辅助放大器OP由第一P型场效应晶体管PMOS1、第二P型场效应晶体管PMOS2、第三P型场效应晶体管PMOS3、第三N型场效应晶体管NMOS3和第四N型场效应晶体管NMOS4构成。第三N型场效应晶体管NMOS3的源极作为所述辅助放大器OP正向输入端，所述第四N型场效应晶体管NMOS4作为所述辅助放大器OP的反向输入端；所述第三N型场效应晶体管NMOS3漏极和第二P型场效应晶体管NMOS2漏极相连接作为所述辅助放大器OP的输出端；第三N型场效应晶体管NMOS3和第四N型场效应晶体管NMOS4共用栅极并都连接到第四N型场效应晶体管NMOS4的漏极，同时与第三P型场效应晶体管NMOS3的漏极相连；第一P型场效应晶体管NMOS1，第二P型场效应晶体管PMOS2和第三P型场效应晶体管PMOS3共用栅极，并且与第一P型场效应晶体管PMOS1的漏极相连，且第一P型场效应晶体管PMOS1、第二P型场效应晶体管PMOS2和第三P型场效应晶体管PMOS3的源极均与供电电源VCC连接；参考电源则串接在零电位和第一P型场效应晶体管PMOS1的栅极之间。
如图4所示，其为本发明的补偿电容的结构示意图。N型场效应晶体管的漏极和源极相连并连接到衬底作为电容的一端，N型场效应晶体管的栅极作为电容的另一端形成补偿电容。
图2中的Iin一般是由参考电源的参考电压与电阻相除而产生的参考电流，Iin经过电流镜像管第一N型场效应晶体管NMOS1和第二N型场效应晶体管NMOS2放大N倍流入LED灯内，从而产生亮光。当供电电源VCC比较大时，即VCC>VF+VDSAT,NMOS2，其中VF为LED两端的压降，VDSAT,NMOS2为NMOS2的过驱动电压，这时第一N型场效应晶体管NMOS1和第二N型场效应晶体管NMOS2都工作在饱和区，其电流满足：I=1/2uCoxW/L(VGS-VTH)2(1+λVDSAT),（其中，u为迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容，λ为沟道调制系数，VGS为栅源之间的电压VTH为阈值电压VDSAT为过驱动电压, W/L为版图的宽长比），由于辅助放大器OP使得VA=VB，即VDSAT,NMOS1=VDSAT,NMOS2，而第一N型场效应晶体管NMOS1和第二N型场效应晶体管NMOS2又共用相同的栅极，因此，第一N型场效应晶体管NMOS1和第二N型场效应晶体管NMOS2中电流的匹配精度很高；当供电电源VCC下降后，即VCC<VF+VDSAT,NMOS2，此时, 第一N型场效应晶体管NMOS1和第二N型场效应晶体管NMOS2都工作在线性区，其电流满足：I=uCoxW/L((VGS-VTH)VDSAT-1/2V2 DSAT)，同样，由于辅助放大器OP的存在使得VA=VB，即VDSAT,NMOS1=VDSAT,NMOS2，因此第一N型场效应晶体管NMOS1和第二N型场效应晶体管NMOS2即使工作在线性区也能拥有很好的电流匹配性能。理论上，这种结构可以使供电电源VCC工作在非常低的情况下，即VB降低到几十毫伏甚至更低，但在低电源电压情况下，第一N型场效应晶体管NMOS1和第二N型场效应晶体管NMOS2的工艺参数u，Cox和版图尺寸的宽长比W/L失配将严重影响电流的匹配精度，因此需要在版图设计中格外注意，另外，在深度线性区，电流的匹配也受其漏源电压失配影响很大，因此在设计辅助放大器OP的时候，需要采取高增益结构，并且采取一定措施降低辅助放大器OP的失调电压。如图2所示，为本发明的辅助放大器OP的电路结构，本发明采用的是共源极输入放大器，第三N型场效应晶体管NMOS3和第四N型场效应晶体管NMOS4为输入对，设计中适当增大其尺寸并采用插指结构版图以获得较低的辅助放大器OP失调电压。另外这种辅助放大器OP结构可以有效避免输出摆幅受限的麻烦，以传统五管共栅极放大器为例，为实现很低的VA和VB电压，必须采用PMOS管输入结构，辅助放大器OP输出电压为VG=VDSAT,NMOS1+VTH,NMOS1，因此为保证辅助放大器OP正常工作，辅助放大器OP输入端电压VB必须小于VDSAT,NMOS1+VTH,NMOS1-VTH,P，也就是限制了令辅助放大器OP正常工作时的供电电源VCC的范围，而图2中VB的最大值要求小于VDSAT,NMOS1+VTH,NMOS1-VDSAT,NMOS3，与传统结构相比，供电电源VCC正常工作范围至少增大了几百毫伏，但这种结构相对于传统结构也有缺点，如图2所示，可得，ILED=(IIN+INMOS3)·N-INMOS4，其中N是NMOS2与NMOS1的宽长比的比值。第三N型场效应晶体管NMOS3和第四N型场效应晶体管NMOS4在输出时产生了误差电流，因此在设计时必须谨慎选择静态偏置电流Ib以保证带宽的同时，尽量降低第三N型场效应晶体管NMOS3和第四N型场效应晶体管NMOS4带来的误差电流。补偿电容CC在辅助放大器OP正常工作和第一N型场效应晶体管NMOS1处在饱和区的期间，相当于两级放大器级联形成的反馈电路，需要补偿电容CC来分裂放大器带来的极点以保证反馈电路的稳定性。本发明中的补偿电容CC采用设于N阱中的N型场效应晶体管类型电容,这种电容拥有和N型场效应晶体管NMOS电容相同的单位容值，并克服了N型场效应晶体管NMOS电容的电容死区特性,其克服了N型场效应晶体管NMOS的VGS在0~Vth没有电容的缺点，降低了工艺要求，节省设计成本，除此之外，这种结构可以大大减小版图的面积，传统结构中，为了获得大动态范围和良好的电流匹配特性，版图需要同时采用较宽的L和大的宽长比W/L，这样无形中增大了版图的面积，而本发明中，由于VA=VB，电流镜在饱和区和线性区都能很好的镜像，因此第一N型场效应晶体管NMOS1和第二N型场效应晶体管NMOS2不需要采取太宽的L和太小的过驱动电压VDSAT，因此可以大大减小电流源部分的版图面积。
在本发明中，如图1所示，NMOS1和NMOS2的尺寸比例为1：n，其中n可以为任意数值，一般根据输入参考电流和输出LED电流的关系来选择，可以选择几倍、几十倍甚至几百倍。在本发明中，ILED=20mA,IIN=400uA,则，n=50。NMOS1，NMOS2的尺寸选择需要折中电流匹配精度，面积和摆幅限制等因素，由于本发明中结构的优势，这里选择单位NMOS的宽长比为W/L=20u/1u。图3中的第三N型场效应晶体管NMOS3和第四N型场效应晶体管NMOS4的尺寸决定着辅助放大器OP的增益和失调电压，因此需要选择较大的WL和宽长比W/L，而第一P型场效应晶体管PMOS1、第二P型场效应晶体管PMOS2和第三P型场效应晶体管PMOS3需要选择大的L来保证静态偏置电流精度Ib，同时，辅助放大器OP的静态偏置电流Ib也需要谨慎选择，过小的静态偏置电流Ib导致带宽不足而响应过慢，过大的静态偏置电流Ib将会在输出电流中产生大的误差电流从而恶化绝对匹配精度，在本发明中，由于应用于低频场合，而且对精度要求比较高，因此选择静态偏置电流Ib=1uA。
但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (3)

1.一种低压高匹配度CMOS恒定电流源电路，其特征在于：其为适用于低压恒流LED的驱动电路，其包括镜像电流源电路，保证镜像电流源电路稳定的补偿电容和提供镜像电流源电路高电流匹配精度的辅助放大器，所述补偿电容为设于N阱中的N型场效应晶体管类型电容，N型场效应晶体管的漏极和源极相连并连接到衬底作为电容的一端，N型均效应晶体管的栅极作为电容的另一端形成补偿电容。 
2.根据权利要求1所述的低压高匹配度CMOS恒定电流源电路，其特征在于：所述镜像电流源包括一第一N型场效应晶体管和一第二N型场效应晶体管，所述第一N型场效应晶体管和所述第二N型场效应晶体管的共用相同的栅极并连接到辅助放大器的输出端，所述第一N型场效应晶体管的漏极分别与所述辅助放大器的正向输入端和参考电源相连；所述第二N型场效应晶体管的漏极分别与辅助放大器的负向输入端和需供电的LED灯的负向端相连；所述LED灯和所述参考电源共同连接到电源上，所述电容跨接在第一N型场效应晶体管的栅极和漏极之间。 
3.根据权利要求2所述的低压高匹配度CMOS恒定电流源电路，其特征在于：所述辅助放大器包括一作为其正向输入端的第三N型场效应晶体管的源极和一作为其反向输入端的第四N型场效应晶体管；所述第三N型场效应晶体管漏极和一第二P型场效应晶体管漏极相连接作为所述辅助放大器的输出端；一第一P型场效应晶体管、第二P型场效应晶体管和一第三P型场效应晶体管的源极均与供电电源连接；参考电源则串接在零电位和第一P型场效应晶体管的栅极之间。 
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