CN102520756A - 一种偏置电流产生电路 - Google Patents

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Abstract

一种偏置电流产生电路，包括：电压-电流转换电路，将基准电压Vref转换成电流I1，产生第一偏置电压Vb1；稳定偏置电流产生电路，用来获得高稳定性的偏置电流，产生第二偏置电压Vb2；稳定偏置电流输出电路，利用NMOS管电流镜的原理产生稳定的偏置电流输出。本发明电路直接采用系统中存在的基准电压Vref（相对于电源电压Vdd），利用Vref的高精度和低温漂的特点，获得同样高精度和低温漂的偏置电流，解决了一些电路设计中对偏置电流精度和温度系数高要求的问题。

Description

一种偏置电流产生电路
技术领域
    本发明涉及偏置电流源，尤其是一种温度系数较低的偏置电流输出电路，工作时，可以获得较小温度系数的输出电流值。
背景技术
   在各类集成电路片上系统中，偏置电流源为系统的各个模拟模块提供适当的偏置，是系统中不可缺少的一部分。基于片上应用的需求，基准电流源应该不随温度、电压和各种工艺参数的变化而变化。由于目前大规模电路一般都采用CMOS 工艺，为了实现系统集成，基于CMOS 工艺的电流源成为整个电路的一个核心模块。现有的偏置电路大都采用自偏置电路结构，如图1所示，图1（a）和（b）是两个最基本的偏置电流电路，偏置电流产生电路由一个MOS管和一个电阻构成，再由MOS管构成电流镜形式进行电流拷贝，这种方法比较简单易行，但是精度不高，输出电流Ion和Iop随电源电压变化较大，同时电流存在一定的温度系数，因此输出偏置电流会随着电源电压以及应用环境的温度不同而发生变化。对于一些对电流精度要求很高的电路中，传统的偏置电路不能满足要求，要求输出电流在精度上必须有所提升。
发明内容
本发明提供了一种偏置电流产生电路，其目的在于设计对电源电压变化和温度变化的敏感程度都很小的高稳定性偏置电路。本发明利用电路中已有基准电压Vref（相对于电源电压Vdd）高稳定性和低温漂的特点，获得高稳定性低温漂的偏置电流。
本发明的目的是这样实现的：一种偏置电流产生电路，其特征是，包括：
    电压-电流转换电路，将基准电压Vref转换成电流I1，产生第一偏置电压Vb1；
    稳定偏置电流产生电路，用来获得高稳定性的偏置电流，产生第二偏置电压Vb2；
稳定偏置电流输出电路，利用NMOS管电流镜的原理产生稳定的偏置电流输出；
    电压-电流转换电路包括PMOS管M1、NMOS管M2和电容C1；电容C1连接在输入基准电压Vref和电源电压Vdd之间，PMOS管M1的栅极接基准电压Vref，PMOS管M1的源极接电源电压，PMOS管M1的漏极与NMOS管M2的漏极、栅极共同连接第一偏置电压Vb1，NMOS管M2的源极接公共地端；
稳定偏置电流产生电路包括PMOS管M3 及M5、NMOS管M4及 M6、电阻R1和R2、电容C2；PMOS管M3的源极接电源电压Vdd，电阻R1和R2串联后一端接电源电压Vdd，另一端连接PMOS管M3的栅极及PMOS管M5的源极，PMOS管M5的栅极连接PMOS管M3的漏极及NMOS管M4的漏极，NMOS管M4的栅极接电压-电流转换电路1中的第一偏置电压Vb1，NMOS管M4的源极接公共地端，NMOS管M6的栅极、漏极和PMOS管M5的漏极共同接于第二偏置电压Vb2，NMOS管M6的源极接公共地端，电容C2的一端连接NMOS管M6的漏极，另一端接公共地端，电阻R1和R2分别具有相反的温度系数；
稳定偏置电流输出电路包括m个NMOS管N1~Nm，m是正整数， NMOS管N1~Nm的源极共同连接公共地，NMOS管N1~Nm的栅极共同连接于稳定偏置电流产生电路中的第二偏置电压Vb2，NMOS管N1~Nm的漏极信号分别为Vo（1）~Vo（m），作为输出端，连接于电路系统中需要提供电流的支路，提供偏置电流In（1）~In（m）。    
本发明的优点及显着效果：
（1）本发明电路直接采用系统中存在的基准电压Vref（相对于电源电压Vdd），利用Vref的高精度和低温漂的特点，获得同样高精度和低温漂的偏置电流，解决了一些电路设计中对偏置电流精度和温度系数高要求的问题。
（2）本发明电路可以同时输出m路输出电流（m为正整数, 应用在规模较大的整体电路中，有多少条支路需要电流，这里的m就可以取多少），满足各种系统对偏置电流的需要。
（3） 本发明电路具有结构简单、功耗低的特点。
附图说明
图1是现有技术电路图；
图2是本发明电路的结构框图；
图3是本发明电路的具体电路图。
具体实施方式
参看图2、3，电压-电流转换电路1包括PMOS管M1、NMOS管M2和电容C1；电容C1连接在输入基准电压Vref和电源电压Vdd之间，PMOS管M1的栅极接基准电压Vref，PMOS管M1的源极接电源电压，PMOS管M1的漏极与NMOS管M2的漏极、栅极共同连接第一偏置电压Vb1，NMOS管M2的源极接公共地端；
稳定偏置电流产生电路2包括PMOS管M3 及M5、NMOS管M4及 M6、电阻R1和R2、电容C2；PMOS管M3的源极接电源电压Vdd，电阻R1和R2串联后一端接电源电压Vdd，另一端连接PMOS管M3的栅极及PMOS管M5的源极，PMOS管M5的栅极连接PMOS管M3的漏极及NMOS管M4的漏极，NMOS管M4的栅极接电压-电流转换电路1中的第一偏置电压Vb1，NMOS管M4的源极接公共地端，NMOS管M6的栅极、漏极和PMOS管M5的漏极共同接于第二偏置电压Vb2，NMOS管M6的源极接公共地端，电容C2的一端连接NMOS管M6的漏极，另一端接公共地端，电阻R1和R2分别具有相反的温度系数；
稳定偏置电流输出电路3包括m个NMOS管N1~Nm，m是正整数， NMOS管N1~Nm的源极共同连接公共地，NMOS管N1~Nm的栅极共同连接于稳定偏置电流产生电路中的第二偏置电压Vb2，NMOS管N1~Nm的漏极信号分别为Vo（1）~Vo（m），作为输出端，连接于电路系统中需要提供电流的支路，提供偏置电流In（1）~In（m）。    
本发明电路的工作原理：利用输入基准电压Vref（相对于电源电压Vdd）的高稳定性低温漂的特点，产生同样稳定的PMOS管M3源栅电压Vsg3，R1和R2分别采用相反温度系数的电阻（R1设计为正温度系数电阻，则R2设计成负温度系数电阻；或者相反，R1负温度系数，则R2正温度系数），通过电阻R1和R2的温度补偿，获得低温漂的稳定电流I3；通过NMOS管N1~Nm（m是正整数），拷贝稳定偏置电流产生电路2中的稳定电流，获得高稳定性和低温漂的偏置电流Io（1）~Io（m），这些输出偏置电流可以提供给电路系统中所需要的其他支路。
Vref是输入基准电压（相对于电源电压Vdd），具有随电源电压变化波动小、低温漂的特点，因此，令                                                
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE002
，则是相对于公共地端的稳定的基准电压。
根据PMOS管电流方程，可以获得：
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE006
       （1）               
M4拷贝M2的电流，于是：
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE008
                           （2）
对于M3，可以得到源栅电压为：             （3）
将式（1）和（2）代入（3），可以得到：
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE012
  （4）
其中
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE014
是PMOS管迁移率，Cox是单位氧化层电容，Vtp是PMOS管的阈值电压， k1~k4分别是M1~M4管的宽长比。
在电路设计时，取
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE016
，则由式（4）可得：
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE018
                           （5）
由此可见，PMOS管M3的源栅电压
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE020
具有与基准电压
Figure 601849DEST_PATH_IMAGE004
同样的特性，具有随电源电压变化波动小、低温漂的特点。于是：
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE022
                          （6）
在设计中，取R1和R2为相反温度系数的电阻，假设R1采用的电阻方块阻值为r1，温度系数为Kr1，R1采用的方块数为m1；R2采用的电阻方块阻值为r2，温度系数为Kr2，R2采用的方块数为m2，参考温度为T0，绝对温度为T，则：
                
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE024
                    （7）
                
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE026
                    （8）
       
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE028
       （9）
将(9)式两端对温度T求偏导，可以得到：
Figure 2011104483483100002DEST_PATH_IMAGE030
                （10）
令
Figure 329109DEST_PATH_IMAGE032
，可以获得相应的设计参数。即：    （11）
所以：         
Figure 566372DEST_PATH_IMAGE036
                                          （12）
由式（12）可见，在确定所采用的两种电阻温度系数的前提下，可以很容易获得两种电阻的方块数比例，从而在给定一个总电阻值的前提下，很容易设计出R1和R2的具体电阻值。
     根据式（6）可知，
Figure 944526DEST_PATH_IMAGE038
是个稳定的值，受电源电压波动的影响较小，温度系数小，总电阻R1+R2，经过参数设计，同样可以获得较低的温度系数，因此电流I3受电源电压影响较小，温度系数很小。
稳定偏置电流输出电路3利用电流镜的原理，拷贝稳定的偏置电流I3，从而获得输出电流Io（1）~Io（m）（m是正整数），根据宽长比的设计，获得所需要的电流值。这些输出电流都具有受电源电压影响小、温度系数小的特点。本发明电路可以为不同系统提供所需要的稳定的偏置电流。
本发明电路的工作过程：
当接通电源电源Vdd后，基准电压Vref（相对于电源电压Vdd）通过工作在饱和区的PMOS管M1将电压转换成电流I1，NMOS管M2和M4构成电流镜，电流I2流过PMOS管M3，通过合理的参数设计，可以使PMOS管M3的栅电压为Vref，是一个相对于电源电压Vdd的基准电压值，因此PMOS管M3稳定的源栅电压Vsg3，通过电阻R1和R2转换成稳定的电流I3，稳定偏置电路输出电路3中的NMOS管N1~Nm分别与NMOS管M6构成电流镜，可以输出m个稳定的电流输出Io（1）~Io（m），这些稳定输出的偏置电流可以提供给所需要的电路支路。

Claims (1)

1.一种偏置电流产生电路，其特征是，包括：
    电压-电流转换电路，将基准电压Vref转换成电流I1，产生第一偏置电压Vb1；
    稳定偏置电流产生电路，用来获得高稳定性的偏置电流，产生第二偏置电压Vb2；
稳定偏置电流输出电路，利用NMOS管电流镜的原理产生稳定的偏置电流输出；
    电压-电流转换电路包括PMOS管M1、NMOS管M2和电容C1；电容C1连接在输入基准电压Vref和电源电压Vdd之间，PMOS管M1的栅极接基准电压Vref，PMOS管M1的源极接电源电压，PMOS管M1的漏极与NMOS管M2的漏极、栅极共同连接第一偏置电压Vb1，NMOS管M2的源极接公共地端；
稳定偏置电流产生电路包括PMOS管M3 及M5、NMOS管M4及 M6、电阻R1和R2、电容C2；PMOS管M3的源极接电源电压Vdd，电阻R1和R2串联后一端接电源电压Vdd，另一端连接PMOS管M3的栅极及PMOS管M5的源极，PMOS管M5的栅极连接PMOS管M3的漏极及NMOS管M4的漏极，NMOS管M4的栅极接电压-电流转换电路1中的第一偏置电压Vb1，NMOS管M4的源极接公共地端，NMOS管M6的栅极、漏极和PMOS管M5的漏极共同接于第二偏置电压Vb2，NMOS管M6的源极接公共地端，电容C2的一端连接NMOS管M6的漏极，另一端接公共地端，电阻R1和R2分别具有相反的温度系数；
稳定偏置电流输出电路包括m个NMOS管N1~Nm，m是正整数， NMOS管N1~Nm的源极共同连接公共地，NMOS管N1~Nm的栅极共同连接于稳定偏置电流产生电路中的第二偏置电压Vb2，NMOS管N1~Nm的漏极分别作为输出端，提供1- m个偏置电流。
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