CN102890522B - 一种电流基准电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流基准电路，包括至少两个第一MOS管、与第一MOS管数量相等的第二MOS管、与第一MOS管及第二MOS管数量之和相等的可控开关及电压比较电路，基准电压源提供基准电压V_ref1以加载到可调电阻上，产生基准电流，第一MOS管和第二MOS管通过可控开关组成电流镜，电压比较电路用于控制全部可控开关的导通与断开，以控制电流镜的结构，调整电流镜两侧MOS管的宽长比。通过本发明的电流基准电路，能够在提供较大范围的基准电流的同时保证提供的基准电流具有较高的精度。

Description

一种电流基准电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体涉及电流基准电路。

背景技术

在集成电路中，电流基准电路得到了十分广泛的应用。随着外围应用环境对芯片性能要求的不断提高，对电流基准电路提供电流的范围及精度的要求也越来越高。现有的提供高精度、大范围基准电流较为常见的做法是：在芯片内设计一个高精度电压基准电路，产生与电源电压、温度、工艺无关的基准电压，然后将此基准电压加到片外电阻上，通过改变片外电阻的大小得到各种电流值。如图1所示，为典型的电流基准电路的电路图。V'_ref为片内产生的高精度基准电压，R'_ext为外接电阻，放大器AMP'₁与NMOS'₁形成负反馈回路，使得R'_ext上的压降恒定为V'_ref，因此得到基准电流基准电流通过PMOS'₁、PMOS'₂镜像到输出通道输出，使用AMP'₂与PMOS'₃形成的负反馈回路，保证PMOS'₁和PMOS'₂的源漏电压相等，从而确保电流精确镜像。

然而，此电路的电流范围受各MOS管饱和区范围的限制。由于R'_ext两端的电压通过AMP'₁环路反馈，固定为V'_ref，因此NMOS'₁的源漏电压V_DSN与PMOS'₁的源漏电压V_DSP满足V_DSN+V_DSP＝V'_DD-V'_ref。若要保证NMOS'₁工作在饱和区，则需要满足下式条件：

V_GSN-V_THN+V_GSP-V_THP≤V′_DD-V′_ref，其中，V_GSN、V_THN为NMOS'₁的栅源电压及阈值电压，V_GSP、V_THP为PMOS'₁的栅源电压及阈值电压。由此可见，NMOS'₁的过驱动电压被电源电压V'_DD与基准电压V'_ref的差值限制住，因而基准电流范围中的最大电流值受到了限制，而对于基准电流范围中最小电流值的限制则在于：在基准电流很小时，PMOS'₁和PMOS'₂会进入亚阈值，漏电的影响会导致电流拷贝精度的下降。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种电流基准电路，能够在提供较大基准电流范围的同时保证在提供大电流及小电流时的电流精度高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电流基准电路，包括基准电压源、至少两个第一MOS管、与第一MOS管数量相等的第二MOS管、与第一MOS管及第二MOS管数量之和相等的可控开关及一可调电阻，所述基准电压源用于提供一基准电压V_ref1以加载到可调电阻上，产生基准电流，全部第一MOS管和全部第二MOS管通过所述全部的可控开关组成电流镜，用于镜像输出基准电流至电流输出端，所述电流基准电路还包括一电压比较电路；

所述电压比较电路用于控制全部可控开关的导通与断开，并在产生的基准电流小于或等于第一预定值时，通过与全部第一MOS管对应的可控开关控制一个第一MOS管接入电流基准电路，作为电流镜的一侧，通过与全部第二MOS管对应的可控开关控制一个第二MOS管接入电流基准电路，作为电流镜的另一侧；

所述电压比较电路还用于在产生的基准电流大于或等于第二预定值时，通过与全部第一MOS管对应的可控开关控制全部第一MOS管并联接入电流基准电路，作为电流镜的一侧，通过与全部第二MOS管对应的可控开关控制全部第二MOS管并联接入电流基准电路，作为电流镜的另一侧，其中，第二预定值大于第一预定值。

本发明的有益效果在于：

在提供较大范围的基准电流的同时能够保证提供的基准电流具有较高的精度，相对于现有电路增加的电子元件数量也在可控的范围内，不会对电路成本及电路面积产生大的影响。

附图说明

图1为典型的电流基准电路的电路图；

图2为本发明的电流基准电路的电路图；

图3为图2中的电流基准电路相比图1中的典型电流基准电路的仿真图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

如图2所示，为本发明的电流基准电路的电路图。相对图1而言，本发明的电流基准电路100将图1中的PMOS'₁管替换为两个或多个MOS管通过多个可控开关S连接，PMOS'₂管替换为两个或多个MOS管通过多个可控开关S连接，从而根据产生基准电流的大小控制可控开关S的导通与断开，从而控制电流镜两侧MOS管的宽长比大小。当基准电流过小时，通过可控开关S控制电流镜两侧MOS管的宽长比减小，从而保证电流镜两侧的MOS管不会进入亚阈值区；当基准电流过大时，通过可控开关S控制电流镜两侧MOS管的宽长比变大，从而保证电流镜两侧的MOS管不会进入线性区。因此，可以在电路面积变化不大的情况下，使得电流基准电路提供的基准电流上下限都得到拓宽。在本实施方式中，所述全部可控开关S采用传输门或单个MOS管来实现开关的功能。

具体而言，如图2所示，电流基准电路100包括基准电压源(图中未示)、至少两个第一MOS管(电流镜10一侧101的MOS管)、与第一MOS管数量相等的第二MOS管(电流镜10另一侧102的MOS管)、与第一MOS管及第二MOS管数量之和相等的可控开关S及一可调电阻R_ext，所述基准电压源用于提供一基准电压V_ref1以加载到可调电阻R_ext上，产生基准电流I_out，全部第一MOS管和全部第二MOS管通过所述全部的可控开关S组成电流镜10，用于镜像输出基准电流I_out至电流输出端。

所述电流基准电路100还包括一电压比较电路20，所述电压比较电路20用于控制全部可控开关S的导通与断开，并在产生的基准电流I_out小于或等于第一预定值时，通过与全部第一MOS管对应的可控开关S控制一个第一MOS管接入电流基准电路100，作为电流镜10的一侧101，通过与全部第二MOS管对应的可控开关S控制一个第二MOS管接入电流基准电路100，作为电流镜10的另一侧102。所述电压比较电路20还用于在产生的基准电流I_out大于或等于第二预定值时，通过与全部第一MOS管对应的可控开关S控制全部第一MOS管并联接入电流基准电路100，作为电流镜10的一侧102，通过与全部第二MOS管对应的可控开关S控制全部第二MOS管并联接入电流基准电路100，作为电流镜10的另一侧102，其中，第二预定值大于第一预定值。

所述电流基准电路100还包括第一放大器301和第三MOS管M₃，所述第一放大器301和M₃组成第一反馈电路30，接在基准电压源与可调电阻R_ext之间，用于使可调电阻R_ext上的压降为稳定的基准电压V_ref1。具体的，第一放大器301的一个输入端连接至基准电压源，另一个输入端连接M₃的源极，输出端连接M₃的栅极，M₃的漏极连接至电流镜10的所述一侧101，M₃的源极和第一放大器301的所述一个输入端分别通过可调电阻R_ext接地。所述第一反馈电路30可以根据实际需要设定或者取消。

在本实施方式中，以所述第一MOS管及第二MOS管的数量分别为两个、所述可控开关S的数量为四个为例进行说明。第一个第一MOS管M₁₁的栅极通过第一可控开关S₁与电源电压V_DD相连，并通过第二可控开关S₂与第二个第一MOS管M₁₂的漏极相连，源极与电源电压V_DD相连，漏极与第一反馈电路30中的M₃的漏极相连，M₁₂的栅极与漏极相连后连接至M₃管的漏极，M₁₂的栅极还与第一个第二MOS管M₂₁的栅极相连，M₁₂的源极与电源电压V_DD相连，M₂₁的栅极通过第三可控开关S₃与第二个第二MOS管M₂₂的栅极相连，源极与电源电压V_DD相连，漏极输出基准电流I_out，M₂₂的栅极通过第四可控开关S₄与电源电压V_DD相连，源极与电源电压V_DD相连，漏极与M₂₁的漏极相连。

所述电流基准电路100还包括第二放大器401和第四MOS管M₄，所述第二放大器401和M₄组成第二反馈电路40，接在电流镜10上及电流镜10与电流输出端之间，用于使电流镜10精确镜像。具体的，所述第二放大器401的一个输入端连接至M₁₂的栅极，另一个输入端连接M₂₁的漏极，输出端连接第四MOS管M₄的栅极，M₄的源极连接M₂₁的漏极，M₄的漏极作为基准电流输出端。所述第二反馈电路40可以根据实际需要设定或者取消。

所述电压比较电路20包括一迟滞电压比较器201和一反相器202，迟滞电压比较器201的一个输入端连接至第一反馈电路30的第三MOS管M₃的漏极(在其他实施方式中，所述端接入一随基准电流大小单向变化的量即可)，另一个输入端连接至一参考电压V_ref2，输出端接反相器202，所述迟滞电压比较器201及反相器202的的输出信号分别用于控制第一可控开关S₁、第二可控开关S₂、第三可控开关S₃及第四可控开关S₄的导通与断开。在产生的基准电流小于或等于第一预定值时，迟滞电压比较器201的输出端输出信号控制第一可控开关S₁及第四可控开关S₄导通，反相器202的输出端输出信号控制第二可控开关S₂及第三可控开关S₃断开；在产生的基准电流大于或等于第二预定值时，迟滞电压比较器201的输出端输出信号控制第一可控开关S₁及第四可控开关S₄断开，反相器202的输出端输出信号控制第二可控开关S₂及第三可控开关S₃导通。

具体分析如下，当产生的基准电流I大于或等于第二预定值时，M₃的漏极电压低，此时的漏极电压设为V_DL1，设置基准电压V_ref2的值大于V_DL1，则比较器201输出的控制信号EN控制S₁及S₄断开，反相器202的输出端输出信号NEN控制开关S₂及S₃导通。此时，M₁₁与M₁₂并联为一个MOS管，同理，M₂₁与M₂₂也合并为一个MOS管，合并后M₃的漏极电压上升为V_DH2。

当产生的基准电流I小于第一预定值时，M₃的漏极电压较高，此时的漏极电压设为V_DH1，设计V_ref2要低于V_DH1，即

V_DL1<V_ref2<V_DH1

比较器201的输出控制信号及反相器的输出控制信号分别控制开关S₁、S₄导通及开关S₂、S₃断开。此时M₁₁与M₁₂断开并将M₁₁关断，M₂₁与M₂₂断开并将M₂₂关断，基准电流I由M₃、M₁₂支路产生。同理，PM₂₁与M₄负责将基准电流传输给负载，电流支路切换后，M₃的漏极电压下降为V_DL2。

因为在电流支路切换的瞬间，M₃的漏极电压会有变化，为了保证比较器201不会在切换的瞬间误判断，导致电路在切换时震荡。在本实施方式中，V_DL2的值小于V_DH2的值，V_DH2的值小于V_DH1的值，将电流增大过程中比较器201对应的切换电压记为(取值可与V_DL1相等，即此值对应的基准电流I为第二预定值)，将电流减小过程中比较器201对应的切换电压记为(取值可与V_DH1相等，即此值对应的基准电流I为第一预定值)。要保证比较器201有足够的迟滞区间而在切换时不发生震荡，电流基准电路100的参数特性必须满足：

$V_{\mathrm{TRP}}^{-}-V_{\mathrm{TRP}}^{+}>\mathrm{MAX}\{(V_{\mathrm{DH}1}-V_{\mathrm{DH}2}),(V_{\mathrm{DL}1}-V_{\mathrm{DL}2})\}$

如图3所述，为图1中电路仿真与图2中电路仿真的效果对比图。图中曲线1为图1中电路输出基准电流与输入电流(即基准电压V'_ref与R'_ext的比值)的比值随R_ext的变化曲线，曲线2为图2中电路100的输出基准电流与输入电流(即基准电压V_ref1与R_ext的比值)的比值随R_ext的变化曲线。从图中可以看到，在R_ext越来越小或R_ext越来越大时，即电流越来越大或越来越小时，曲线1均出现了较大的偏离，无法保证电流基准电路提供精准的电流，而本发明中的电流基准电路100在提供大基准电流和小基准电流时均具有比曲线1更好的精度。

在本实施方式中，全部第一MOS管、全部第二MOS管及第四MOS管均为PMOS管，第三MOS管为NMOS管。可以理解的是，在其他实施方式中，MOS管为PMOS管还是NMOS管可以根据实际设计进行选择。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电流基准电路，包括基准电压源、至少两个第一MOS管、与第一MOS管数量相等的第二MOS管、与第一MOS管及第二MOS管数量之和相等的可控开关及一可调电阻，所述基准电压源用于提供一基准电压V_ref1以加载到可调电阻上，产生基准电流，其特征在于，全部第一MOS管和全部第二MOS管通过所述全部的可控开关组成电流镜，用于镜像输出基准电流至电流输出端，所述电流基准电路还包括一电压比较电路；

所述电流基准电路还包括第一放大器和第三MOS管，所述第一放大器和第三MOS管组成第一反馈电路接在基准电压源与可调电阻之间，用于使可调电阻上的压降为稳定的基准电压；

所述电压比较电路包括一迟滞电压比较器和一反相器，迟滞电压比较器的一个输入端连接至第三MOS管的漏极，另一个输入端连接至一参考电压V_ref2，输出端接反相器，所述迟滞电压比较器及反相器的输出信号分别控制全部可控开关的导通与断开；

所述电压比较电路用于控制全部可控开关的导通与断开，并在产生的基准电流小于或等于第一预定值时，此时第三MOS管的漏极电压设为V_DH1，通过与全部第一MOS管对应的可控开关控制一个第一MOS管接入电流基准电路，作为电流镜的一侧，通过与全部第二MOS管对应的可控开关控制一个第二MOS管接入电流基准电路，作为电流镜的另一侧，此时第三MOS管的漏极电压下降为V_DL2；

所述电压比较电路还用于在产生的基准电流大于或等于第二预定值时，此时第三MOS管的漏极电压设为V_DL1，通过与全部第一MOS管对应的可控开关控制全部第一MOS管并联接入电流基准电路，作为电流镜的一侧，通过与全部第二MOS管对应的可控开关控制全部第二MOS管并联接入电流基准电路，作为电流镜的另一侧，此时第三MOS管的漏极电压上升为V_DH2；其中，第二预定值大于第一预定值；

将电流增大过程中比较器对应的切换电压记为将电流减小过程中比较器对应的切换电压记为电流基准电路的参数特性必须满足：

$V_{\mathrm{TRP}}^{-}-V_{\mathrm{TRP}}^{+}>\mathrm{MAX}\{(V_{\mathrm{DH}1}-V_{\mathrm{DH}2}),(V_{\mathrm{DL}1}-V_{\mathrm{DL}2})\}.$

2.如权利要求1所述的电流基准电路，其特征在于，所述电流基准电路还包括第二放大器和第四MOS管，所述第二放大器和第四MOS管组成第二反馈电路接在电流镜上及电流镜与电流输出端之间，用于使电流镜精确镜像。

3.如权利要求2所述的电流基准电路，其特征在于，第一放大器的一个输入端连接至基准电压源，另一个输入端连接第三MOS管的源极，输出端连接第三MOS管的栅极，第三MOS管的漏极连接至电流镜的所述一侧，第三MOS管的源极和第一放大器的所述一个输入端分别通过可调电阻接地。

4.如权利要求3所述的电流基准电路，其特征在于，所述第一MOS管及第二MOS管的数量分别为两个，所述可控开关的数量为四个，第一个第一MOS管的栅极通过第一可控开关与电源电压V_DD相连，并通过第二可控开关与第二个第一MOS管的漏极相连，源极与电源电压V_DD相连，漏极与第三MOS管的漏极相连，第二个第一MOS管的栅极与漏极相连后连接至第三MOS管的漏极，第二个第一MOS管的栅极还与第一个第二MOS管的栅极相连，第二个第一MOS管的源极与电源电压V_DD相连，第一个第二MOS管的栅极通过第三可控开关与第二个第二MOS管的栅极相连，源极与电源电压V_DD相连，漏极输出基准电流，第二个第二MOS管的栅极通过第四可控开关与电源电压V_DD相连，源极与电源电压V_DD相连，漏极与第一个第二MOS管的漏极相连。

5.如权利要求4所述的电流基准电路，其特征在于，所述第二放大器的一个输入端连接至第二个第一MOS管的栅极，另一个输入端连接第一个第二MOS管的漏极，输出端连接第四MOS管的栅极，第四MOS管的源极连接第一个第二MOS管的漏极，第四MOS管的漏极作为基准电流输出端。

6.如权利要求5所述的电流基准电路，其特征在于，在产生的基准电流小于或等于第一预定值时，迟滞电压比较器的输出端输出信号控制第一可控开关及第四可控开关导通，控制第二可控开关及第三可控开关断开，在产生的基准电流大于或等于参考电压时，迟滞电压比较器的输出端输出信号控制第二可控开关及第三可控开关导通，控制第一可控开关及第四可控开关断开。

7.如权利要求1所述的电流基准电路，其特征在于，所述全部可控开关采用传输门或单个MOS管来实现开关的功能。

8.如权利要求7所述的电流基准电路，其特征在于，全部第一MOS管、全部第二MOS管及第四MOS管均为PMOS管，第三MOS管为NMOS管。