CN102654780A - 应用于集成电路的温度补偿电流基准电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于集成电路的温度补偿电流基准电路，它包括：第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1:1；第九晶体管、第十晶体管是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1；第一晶体管和第二晶体管是相互匹配的NPN三极管；第三晶体管和第四晶体管相互匹配；第一电阻采用高值多晶电阻，第二电阻采用P型离子注入电阻。正温度系数电流和负温度系数电流相加得到温度补偿基准电流，再利用电流镜将温度补偿基准电流提供给其他电路使用。其优点是：本发明是一个产生温度补偿基准电流的集成电路，该基准电流在一定的温度变化范围内（-40℃到130℃）变化非常微小。

Description

应用于集成电路的温度补偿电流基准电路

技术领域

本发明涉及一种集成电路的电流基准，具体是一种应用于集成电路的温度补偿电流基准电路。

背景技术

在集成电路中产生一个与温度无关的基准电流往往比较困难，因为在集成电路制造工艺中，通常是通过扩散或者是离子注入的方法来制造电阻器，这种电阻器具有某一特定的温度系数，这意味着电阻值会随着集成电路工作温度的变化而改变。电阻值的温度相关性导致基准电流值随温度变化。

为了克服上述基准电流随温度变化的问题，可以采用外部电阻R11和带隙电压基准Bandgap构成一个与温度无关的电流源，如图1所示，MP11、MP12、MP13是相互匹配的电流镜，电流镜MN11、电阻R11和运算放大器OP构成一个简单电流源，电流由带隙电压基准Bandgap电压和外部电阻R11决定。由于外部电阻R11具有低温度系数（Temperature Coefficient，T.C.）和绝对值精确的优点，因此可以产生精确的、与温度无关基准电流。但是需要一个额外的引脚和器件（外部电阻），增加集成电路成本。

另一种方法是在集成电路内部采用低温度系数的电阻代替外部电阻。但是在目前集成电路制造工艺中，低温度系数的电阻，单位面积电阻值非常小，为了在芯片内部得到微安级别的基准电流，需要耗费大量的集成电路面积来制造该电阻，同样会增加集成电路成本。而且低温度系数电阻采用扩散工艺制造，其绝对值难以控制。

因此，为了降低集成电路成本，非常需要在现有的集成电路制造工艺下，设计一个与温度无关的电流基准。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种应用于集成电路的温度补偿电流基准电路，其产生的基准电流受温度影响非常小。

按照本发明提供的技术方案，所述应用于集成电路的温度补偿电流基准电路包括：第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1:1；第九晶体管、第十晶体管是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1；第六晶体管发射极、第七晶体管发射极、第八晶体管发射极均接高电平，第六晶体管基极、第七晶体管基极和集电极、第八晶体管基极相连，第六晶体管集电极连接第一晶体管集电极，第一晶体管基极连接自身集电极，并连接第二晶体管基极，第二晶体管集电极接第七晶体管集电极，第八晶体管集电极连接第三晶体管集电极和第五晶体管基极，第五晶体管集电极接高电平，第五晶体管发射极连接第三晶体管基极和第四晶体管基极，第三晶体管基极和发射极之间连接第二电阻，第三晶体管发射极连接第九晶体管集电极，第九晶体管基极与自身集电极相连，并连接第十晶体管基极，第十晶体管集电极连接第四晶体管发射极，第四晶体管集电极产生温度补偿基准电流；第一晶体管发射极、第九晶体管发射极、第十晶体管发射极接地，第二晶体管通过第一电阻接地。

所述第六晶体管、第七晶体管、第八晶体管采用PMOS晶体管或PNP三极管。

所述第一晶体管和第二晶体管是相互匹配的NPN三极管，其中第二晶体管的发射极面积是第一晶体管的8倍。

所述第三晶体管和第四晶体管相互匹配，发射极面积比例是1:1。

所述第九晶体管、第十晶体管是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1，第九晶体管、第十晶体管采用NMOS晶体管或NPN三极管。

所述第一电阻采用高值多晶电阻，第二电阻采用P型离子注入电阻。

本发明利用第一晶体管和第二晶体管的基极-射极电压差值ΔV_BE产生正温度系数电压，第一电阻具有负温度系数，正温度系数电压除以第一电阻得到正温度系数电流。第三晶体管的基极-射极电压V_BE具有负温度系数，第二电阻具有正温度系数，负温度系数电压除以正温度系数电阻得到负温度系数电流。正温度系数电流和负温度系数电流相加得到温度补偿基准电流，再利用电流镜将温度补偿基准电流提供给其他电路使用。

本发明的优点是：本发明是一个产生温度补偿基准电流的集成电路，该基准电流在一定的温度变化范围内（-40℃到130℃）变化非常微小。

附图说明

图1是利用外部电阻和带隙电压基准产生温度补偿基准电流的简化示意图。

图2是本发明具体实施方式电路图。

图3是本发明基准电流温度特性示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明所设计的温度补偿电流基准电路如图2所示，I_REF是本发明所产生的温度补偿基准电流。MP1、MP2、MP3是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1:1，其类型可以是PMOS晶体管，也可是PNP三极管；晶体管Q1和Q2是相互匹配的NPN三极管，其中Q2的发射极面积是Q1的8倍；电阻R1采用温度系数为-2341ppm/℃的高值多晶电阻；晶体管Q3和Q4相互匹配，发射极面积比例是1:1；MN1、MN2是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1，其类型可以是NMOS晶体管，也可是NPN三极管；电阻R2采用温度系数为+1115ppm/℃的P型离子注入电阻；晶体管Q5为电阻R2提供偏置电流。

具体连接关系为：第六晶体管MP1发射极、第七晶体管MP2发射极、第八晶体管MP3发射极均接高电平VDD，第六晶体管MP1基极、第七晶体管MP2基极和集电极、第八晶体管MP3基极相连，第六晶体管MP1集电极连接第一晶体管Q1集电极，第一晶体管Q1基极连接自身集电极，并连接第二晶体管Q1基极，第二晶体管Q2集电极接第七晶体管MP2集电极，第八晶体管MP3集电极连接第三晶体管Q3集电极和第五晶体管Q5基极，第五晶体管Q5集电极接高电平VDD，第五晶体管Q5发射极连接第三晶体管Q3基极和第四晶体管Q4基极，第三晶体管Q3基极和发射极之间连接第二电阻R2，第三晶体管Q3发射极连接第九晶体管MN1集电极，第九晶体管MN1基极与自身集电极相连，并连接第十晶体管MN2基极，第十晶体管MN2集电极连接第四晶体管Q4发射极，第四晶体管Q4集电极产生温度补偿基准电流I_REF；第一晶体管Q1发射极、第九晶体管MN1发射极、第十晶体管MN2发射极接地，第二晶体管Q2通过第一电阻R1接地。

三极管Q1和Q2的差值电压ΔV_BE在电阻R1上产生正温度系数电流I₁，电流I₁被电流镜MP1复制，并送给Q1作为偏置电流，MP1、MP2、Q1、Q2、R1构成了一个自偏置结构电流基准，图2省略了该类型电路所需要的上电启动电路。晶体管MP3复制电流I₁为三极管Q3提供集电极电流。三极管Q3的基极-射极电压V_BE和电阻R2产生负温度系数电流I₂，三极管Q5为电阻R2提供偏置电流。两种温度系数极性相反的电流在晶体管MN1的漏极完成相加，通过电流镜MN2得到一个经过温度补偿的基准电流I_REF。

由于电流镜MP1和MP2的作用，使得三极管Q1和Q2的集电极电流相等，Q1和Q2的差值电压ΔV_BE可以表示成：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}=V_T\·\ln \left(\frac{{\mathrm{AQ}}_2}{{\mathrm{AQ}}_1}\right)$

其中V_T=K·T/q，K是波尔兹曼常数，T是开尔文绝对温度，q是电子电荷，AQ表示发射极面积，常温下V_T=26mV，因此ΔV_BE=26mV·ln8=54mV。室温下，将其换算成常用的ppm表示为：+0.087mV/℃/26mV=+3346ppm/℃，表示ΔV_BE具有正温度系数+3346ppm/℃。电阻R1的温度系数为-2341ppm/℃，电流I₁的温度系数是+3346ppm/℃-（-2341ppm/℃）=+5687ppm/℃。

硅三极管基极-射极电压V_BE的温度系数是常温下V_BE=600mV，将其换算成常用的ppm表示为：-2mV/℃/600mV=-3333ppm/℃。电阻R2的温度系数为+1115ppm/℃，电流I₂的温度系数是-3333ppm/℃-1115ppm/℃=-4448ppm/℃。

$I_{\mathrm{REF}}=I_1(1+T_{C,I_1})+I_2(1+T_{C,I_2})$

令

即可在得到电流值随温度变化非常小的基准电流，假设需要设计I_REF＝10uA的电流基准：

I_REF=I₁+I₂=10uA

$I_1{\·T}_{C,I_1}=-I_2\·T_{C,I_2}$

$\frac{I_1}{I_2}=-\frac{T_{C,I_2}}{T_{C,I_1}}=\frac{4448}{5687}$

$\frac{4448}{5687}{I}_2+I_2=10\mathrm{uA}$

I₂=5.6uA，I₁=4.4uA

$R_1=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}}{I_1}=\frac{54\mathrm{mV}}{4.4\mathrm{uA}}=12.27\mathrm{K\Ω}$

$R_2=\frac{V_{\mathrm{BE}}}{I_2}=\frac{600\mathrm{mV}}{5.6\mathrm{uA}}=107.14\mathrm{K\Ω}$

图3显示了电流I₁具有正温度系数，I₂具有负温度系数，两个不同极性温度系数电流相加可以得到温度补偿基准电流I_REF。在常温下可以得到10uA的零温度系数基准电流，在-40℃到130℃温度范围内，基准电流I_REF变化小于±1.28%。

综上所述，三极管Q1和Q2的基极-射极电压差ΔV_BE在第一电阻R1上产生正温度系数的电流I₁；第二电阻R2和三极管Q3并联，Q3的基极-射极电压V_BE在第二电阻R2上产生负温度系数电流I₂；正温度系数电流I₁通过电流镜MP3送给MN1，和负温度系数电流I₂在MN1完成相加，最终得到经过温度补偿的基准电流I_REF。

Claims (6)

1.应用于集成电路的温度补偿电流基准电路，其特征是，包括：第六晶体管（MP1）、第七晶体管（MP2）、第八晶体管（MP3）是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1:1；第九晶体管（MN1）、第十晶体管（MN2）是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1；第六晶体管（MP1）发射极、第七晶体管（MP2）发射极、第八晶体管（MP3）发射极均接高电平（VDD），第六晶体管（MP1）基极、第七晶体管（MP2）基极和集电极、第八晶体管（MP3）基极相连，第六晶体管（MP1）集电极连接第一晶体管（Q1）集电极，第一晶体管（Q1）基极连接自身集电极，并连接第二晶体管（Q1）基极，第二晶体管（Q2）集电极接第七晶体管（MP2）集电极，第八晶体管（MP3）集电极连接第三晶体管（Q3）集电极和第五晶体管（Q5）基极，第五晶体管（Q5）集电极接高电平（VDD），第五晶体管（Q5）发射极连接第三晶体管（Q3）基极和第四晶体管（Q4）基极，第三晶体管（Q3）基极和发射极之间连接第二电阻（R2），第三晶体管（Q3）发射极连接第九晶体管（MN1）集电极，第九晶体管（MN1）基极与自身集电极相连，并连接第十晶体管（MN2）基极，第十晶体管（MN2）集电极连接第四晶体管（Q4）发射极，第四晶体管（Q4）集电极产生温度补偿基准电流（IREF）；第一晶体管（Q1）发射极、第九晶体管（MN1）发射极、第十晶体管（MN2）发射极接地，第二晶体管（Q2）通过第一电阻（R1）接地。

2.如权利要求1所述应用于集成电路的温度补偿电流基准电路，其特征是，所述第六晶体管（MP1）、第七晶体管（MP2）、第八晶体管（MP3）采用PMOS晶体管或PNP三极管。

3.如权利要求1所述应用于集成电路的温度补偿电流基准电路，其特征是，所述第一晶体管（Q1）和第二晶体管（Q2）是相互匹配的NPN三极管，其中第二晶体管（Q2）的发射极面积是第一晶体管（Q1）的8倍。

4.如权利要求1所述应用于集成电路的温度补偿电流基准电路，其特征是，所述第三晶体管（Q3）和第四晶体管（Q4）相互匹配，发射极面积比例是1:1。

5.如权利要求1所述应用于集成电路的温度补偿电流基准电路，其特征是，所述第九晶体管（MN1）、第十晶体管（MN2）是相互匹配的电流镜，电流镜比例是1:1，第九晶体管（MN1）、第十晶体管（MN2）采用NMOS晶体管或NPN三极管。

6.如权利要求1所述应用于集成电路的温度补偿电流基准电路，其特征是，所述第一电阻（R1）采用高值多晶电阻，第二电阻（R2）采用P型离子注入电阻。

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