CN102955492A - 参考电流产生电路 - Google Patents

Abstract

一种参考电流产生电路，其并非直接利用依据能隙电压所产生的电流来做为参考电流，而是依据能隙电压所产生的电流来调整输出的参考电流，在不需利用外接电阻的情形下产生参考电流，进而有效降低生产成本。

Description

参考电流产生电路

技术领域

本发明是有关于一种参考电流产生技术，且特别是有关于一种适用于芯片内部的参考电流产生电路。

背景技术

图1所示为传统电流源电路的示意图。请参照图1，传统的电流源电路100包括一能隙电压产生器102、一运算放大器104、一外接电阻Rext、N型晶体管M1以及P型晶体管Q1～Q3。其中运算放大器104的正输入端耦接能隙电压产生器102，负输入端耦接N型晶体管M1的源极，运算放大器104的输出端则耦接N型晶体管M1的栅极。外接电阻Rext耦接于N型晶体管M1的源极与接地之间。另外，P型晶体管Q1的栅极与漏极相互耦接，且P型晶体管Q1的漏极耦接N型晶体管M1的漏极，而P型晶体管Q1的源极耦接一电源电压VDD。另外，P型晶体管Q2、Q3的栅极耦接至P型晶体管Q1的栅极，P型晶体管Q2、Q3的源极则耦接电源电压VDD。

如图1所示，以往要在芯片内部产生一个与温度、工艺及参考电压无关的参考电流，是利用能隙电压产生器102产生一精准的参考电压VBG之后，再透过运算放大器104利用负回授的方式将此电压复制在芯片的外接电阻Rext，以在P型晶体管Q1的通道产生所需的参考电流，而P型晶体管Q2、Q3则用以复制流经P型晶体管Q1的参考电流，并于其漏极输出所复制的参考电流。已知技术的参考电流虽可产生精确的参考电流，但需增加芯片的外接脚位，且外接电阻Rext必定耗费大量空间，如此将增加生产成本，非常不符合经济效益。

发明内容

本发明提出一种参考电流产生电路，包括一参考电压产生单元、一操作电流产生单元、一比较模块、一调整模块以及一第一输出级。其中参考电压产生单元用以产生一参考电压以及一比较电压。操作电流产生单元用以接收参考电压后产生一第一操作电流与一第二操作电流。比较模块用以根据接收参考电压、第一操作电流以及第二操作电流产生一输出电压，并使输出电压与比较电压进行比较，产生一比较信号输出。调整模块用以接收比较信号后，产生一第一致能信号与一调整电流。第一输出级用以接收调整电流、第一致能信号与第二操作电流后，输出一第一参考电流。

基于上述，本发明利用并非直接利用依据能隙电压所产生的电流来做为参考电流，而是利用比较模块、调整模块以及输出级来依据操作电流(其为依据能隙电压所产生)进行调整参考电流的调整，而在不需利用外接电阻的情形下来产生参考电流，进而有效降低生产成本。

附图说明

图1所示为传统电流源电路的示意图。

图2所示为本发明第一实施例的参考电流产生电路的示意图。

图3所示为图2实施例的参考电流产生电路的详细电路图。

图4所示为图3实施例中部份信号的波形示意图。

图5所示为本发明第二实施例的参考电流产生电路的示意图。

图6所示为本发明第二实施例的操作电流产生电路的示意图。

图7所示为本发明第三实施例的参考电流产生电路的示意图。

图8所示为本发明第四实施例的参考电流产生电路的示意图。

图9所示为图7实施例的参考电流产生电路的部份信号波形示意图。

具体实施方式

图2所示为本发明一实施例的参考电流产生电路的示意图。请参照图2，参考电流产生电路200包括一参考电压产生单元202、一操作电流产生单元204、一比较模块206、一调整模块208以及一输出级210。其中操作电流产生单元204耦接参考电压产生单元202，比较模块206耦接参考电压产生单元202、操作电流产生单元204以及调整模块208，输出级210则耦接操作电流产生单元204与调整模块208。

参考电压产生单元202用以产生一参考电压Vb以及一比较电压Vr，操作电流产生单元204用以接收参考电压Vb后，产生一操作电流lint1与一操作电流lint2，亦即操作电流产生单元204反应于参考电压Vb而产生操作电流lint1与操作电流lint2。比较模块206用以根据接收的参考电压Vb、操作电流lint1以及操作电流lint2，产生一输出电压Vout(请参图3所示，其为比较模块206内部所产生的一电压信号)，并使输出电压Vout与比较电压Vr进行比较，以产生一比较信号SC1。进一步来说，比较模块206更反应于一时脉信号CKB与一时脉信号CK而对输出电压Vout与比较电压Vr进行比较，以输出比较信号SC1。调整模块208用以接收比较信号SC1而产生一致能信号EN1与一调整电流Ir1。输出级210则用以接收致能信号EN1与操作电流lint2以及一调整电流Ir1后，输出一参考电流Iout。亦即输出级210反应于致能信号EN1而输出关联于操作电流lint2与调整电流Ir1的参考电流Iout。

如上所述，藉由调整比较电压Vr的电压值，即可改变调整模块208所输出的调整电流Ir1，进而使输出级210产生一精确的参考电流Iout。如此一来，便可不需如已知技术的电流源电路般，利用外接电阻来调整参考电流，亦即可不需增加芯片的外接脚位，即可降低生产成本。

图3所示为图2实施例的参考电流产生电路的详细电路图。请参照图3，在本实施例中，参考电压产生单元202可例如为一能隙电压产生电路，而参考电压Vb与比较电压Vr可例如为依据能隙电压而产生。比较模块206包括一运算放大器302、一开关SW1、一开关SW2、一电阻R1、一电容元件304以及一比较器306。其中运算放大器302的正输入端耦接参考电压Vb，运算放大器302的负输入端耦接开关SW2的一端，开关SW2的另一端则耦接操作电流产生单元204。开关SW1的一端耦接运算放大器302的负输入端，另一端则耦接操作电流产生单元204。在本实施例中，开关SW1与开关分别由一N型晶体管M2与一N型晶体管M3所构成。其中N型晶体管M2的源极耦接运算放大器302的负输入端，漏极耦接操作电流产生单元204，N型晶体管M2的栅极则接收时脉信号CKB。N型晶体管M3的源极耦接操作电流产生单元204，漏极耦接运算放大器302的负输入端，N型晶体管M2的栅极则接收时脉信号CK。

电阻R1的一端耦接于开关SW1与操作电流产生单元204的共同接点，另一端则耦接运算放大器302的输出端。值得注意的是，若本实施例的参考电流产生电路200应用在芯片内部的话，则电阻R1可为芯片内部的电阻，而非外接的电阻。电容元件304耦接于运算放大器302的负输入端与输出端之间，在本实施例中电容元件304为由一P型低电压晶体管LP1所构成，P型低电压晶体管LP1的栅极耦接运算放大器302的输出端，P型低电压晶体管LP1的漏极、源极以及基底耦接运算放大器302的负输入端。另外运算放大器302的输出端更耦接比较器306的负输入端，比较器306的正输入端耦接比较电压Vr，比较器306的输出端则耦接调整模块208。

另外，调整模块208包括一计数器308、一闩锁单元310以及一可调式电流产生单元312。其中计数器308耦接比较模块206与闩锁单元310，可调式电流产生单元312耦接闩锁单元310与输出级210。在本实施例中，输出级210为由一N型晶体管M4所构成，其中N型晶体管M4的源极耦接操作电流产生单元204，栅极接收致能信号EN1，漏极则用以输出参考电流Iout。

图4所示为图3实施例中部份信号的波形示意图。以下将配合图3与图4来说明参考电流产生电路300的作动。当时脉信号CKB为高电压准位，而时脉信号CK为低电压准位时，参考电流产生电路300处于重置模式。此时开关SW1将被导通，而开关SW2则为关闭状态，而运算放大器302在负输入端上的电压将被箝制在参考电压Vb，操作电流lint1经由电阻R1流向运算放大器302的输出端，而于运算放大器302的输出端产生一输出电压Vout，以驱动电容元件304。其中运算放大器302输出端的输出电压Vout可如下列式子所示：

Vout＝Vb-lint1×R1     (1)

另外，当时脉信号CKB为低电压准位，而时脉信号CK为高电压准位时，参考电流产生电路300处于充电模式。此时开关SW1为关闭状态，而开关SW2将被导通，运算放大器302在负输入端上的电压仍被箝制在参考电压Vb。由于开关SW2为导通状态，因此操作电流lint2将透过开关SW2对电容元件304进行充电。而由于运算放大器302的负输入端电压被箝制在参考电压Vb，亦即电容元件304的一端电压被固定在参考电压Vb，因此操作电流lint2对电容元件304进行充电将使得电容元件304的另一端电压(亦即输出电压Vout)下降。如图4所示，当时脉信号CK开始转态为高电压准位时，输出电压Vout亦随着下降，直到时脉信号CK再度开始转态时，输出电压Vout才停止下降，并慢慢回到参考电流产生电路300处于重置模式时的电压准位。

另一方面，比较器306比较输出电压Vout与比较电压Vr，并依据其比较结果输出比较信号SC1。在参考电流产生电路300处于充电模式时，若输出电压Vout大于比较电压Vr，计数器308进行累加计数并将累加的计数值输出至闩锁单元310。闩锁单元310用以暂存计数值，并随着参考电流产生电路300的操作时脉信号将计数值传送至可调式电流产生单元312，以使可调式电流产生单元312依据计数值输出调整电流Ir1。其中当计数值越大时，可调式电流产生单元312所输出调整电流Ir1的电流值越大。

如此藉由时脉信号CKB与时脉信号CK反复地切换参考电流产生电路300的模式，将使电容元件304的充电电流随之越来越大，因此输出电压Vout下降的幅度也将越来越大。当输出电压Vout下降至小于比较电压Vr时，比较器306输出的比较信号SC1将随之转态，而计数器308此时便依据比较信号SC1输出致能信号EN1(亦即将致能信号EN1拉至高电压准位)。输出级210则依据致能信号EN1输出参考电流Iout，亦即N型晶体管M4被导通而于其漏极输出参考电流Iout(其包括操作电流lint2与调整电流Ir1)。

值得注意的是，在部分实施例中，使用者亦可设计当计数器308计数至一门坎值时，使计数器308输出一溢位信号Sov1，以控制可调式电流产生单元312将其每次调整电流的幅度加大，以加快输出电压Vout下降的速度，进而使输出电压Vout低于比较电压Vr，避免参考电流产生电路300迟迟无法输出参考电流Iout。另外，上述实施例的开关SW1、开关SW2以及输出级210虽皆为由利用N型晶体管来实施，然并不以此为限。另外，电容元件304亦不限定于必须利用P型低电压晶体管来实施。实际应用上亦可以具有相同功能、特性的元件来实施。例如电容元件304亦可以一电容来实施。

图5所示为本发明第二实施例的参考电流产生电路的示意图。请参照图5，本实施例的参考电流产生电路500与图3的参考电流产生电路300的不同之处在于，参考电流产生电路500更包括一开关SW3以及一N型晶体管M5，其中开关SW3的一端耦接操作电流产生单元204，另一端则耦接N型晶体管M5的漏极。N型晶体管M5的栅极与漏极相互耦接，其源极则耦接至接地。在本实施例中，开关SW3为由一N型晶体管M6所构成，其源极耦接操作电流产生单元204，其漏极耦接N型晶体管M5的漏极，N型晶体管M6的栅极则接收时脉信号CKB。

开关SW3的导通状态受控于时脉信号CKB，当开关SW2关闭受控于时脉信号CK而关闭时，开关SW3将受控于时脉信号CKB同时地被导通，使操作电流lint2可经由N型晶体管M6以及M5流向接地。如此便可在开关SW2再度被开启时，使开关SW2上的电流回复时间缩短。

详细来说，一般在实际应用上，电容元件304在充放电时皆会有漏电流的情形发生。为了使参考电流产生电路所产生的参考电流Iout的准确性不因此受到影响，上述的操作电流产生单元204可包括如图6所示的操作电流产生电路204A，其用以产生可补偿电容元件304的漏电流效应的操作电流lint1。请参照图6，操作电流产生电路204A包括一运算放大器602、电阻R2、R3、N型晶体管M7、P型晶体管Q4～Q5、一电容元件604、一缓冲器606以及一电流源IA1。其中运算放大器602的正输入端例如可耦接能隙电压产生器，以接收参考电压Vb，运算放大器602的负输入端耦接N型晶体管M7的源极。另外，P型晶体管Q4的栅极与漏极相互耦接，且P型晶体管Q4的漏极耦接N型晶体管M7的漏极，而P型晶体管Q4的源极耦接一电源电压VDD。另外，P型晶体管Q5的栅极耦接至P型晶体管Q4的栅极，P型晶体管Q5的源极耦接电源电压VDD，P型晶体管Q5的漏极则耦接开关SW1以及电阻R1。电容元件604耦接于缓冲器606与运算放大器602之间，缓冲器606更耦接至电流源IA1与电阻R3的共同接点。电阻R3则耦接于电流源IA1与接地之间。

其中，电阻R3上的跨压等于参考电流产生电路500在重置模式时的输出电压Vout，使用者可透过适当调整电流源IA1所提供电流的电流值或电阻R3的电阻值大小来达成此设定。在本实施例中，电容元件604和电容元件304具有相同的电容特性，然并不以此为限。此外，在本实施例中电容元件604为由一P型低电压晶体管LP2所构成，P型低电压晶体管LP2的栅极耦接缓冲器606，P型低电压晶体管LP1的漏极、源极以及基底则耦接运算放大器602的负输入端。

如图6所示，运算放大器602利用负回授的方式将参考电压Vb复制在电阻R2与N型晶体管M7的共同接点上，由于电阻R2与N型晶体管M7的共同接点上的电压值等于参考电压Vb，且电阻R3与电流源IA1的共同接点上的电压值等于参考电流产生电路在重置模式时的输出电压Vout，因此电容元件604上的跨压在参考电流产生电路处于重置模式时将与电容元件304上的跨压相同，加上电容元件604和电容元件304具有相同的电容特性，因此流经电容元件604的漏电流Ik1将等于流经电容元件304的漏电流。

如此一来，流经N型晶体管M7与P型晶体管Q4的电流将等于电流Ib1的电流值加上漏电流Ik1的电流值，进而使P型晶体管Q5所输出的操作电流lint1的电流值等于电流Ib1的电流值加上漏电流Ik1的电流值。其中，由于流经电容元件304的漏电流可藉由漏电流Ik1的电流成分得到补偿，因此输出电压Vout的电压值将不会受到电容元件304的漏电流的影响，而使参考电流产生电路所产生的参考电流Iout得以保持其准确性。

类似地，操作电流产生单元204所提供的操作电流lint2亦可以图6的操作电流产生电路204A的电路架构来产生，亦即操作电流产生单元204更包括另一与操作电流产生电路204A具有相同电路架构的电路来产生操作电流lint2，以排除电容元件304的漏电流效应。其中P型晶体管Q5的漏极则耦接开关SW2以及输出级210，另外需略作修改的是，电阻R3上的跨压需依据参考电流产生电路在重置模式时的输出电压Vout与比较电压Vr来设定，以有效补偿电容元件304的漏电流。举例来说，可设计电阻R3上的跨压为等于参考电流产生电路在重置模式时的输出电压Vout与比较电压Vr的平均值，然并不以此为限。

值得注意的是，当输出级210受控于致能信号EN1而输出参考电流Iout时，为避免操作电流产生电路所提供的操作电流lint2中补偿电容元件304的漏电流效应的电流成分影响到参考电流Iout的准确性，在输出级210输出参考电流Iout时，缓冲器606将被一禁能信号DE1所禁能。

图7所示为本发明第三实施例的参考电流产生电路的示意图。请参照图7，在本实施例的参考电流产生电路700与图5的参考电流产生电路500的不同之处在于，参考电流产生电路700更包括一电流分流单元702以及一参考电流调整电路500′。其中电流分流单元702耦接输出级210以及参考电流调整电路500′。电流分流单元702用以接收参考电流Iout后产生多个分流电流，亦即电流分流单元702分流输出级210所输出的参考电流Iout而输出多个分流电流。

参考电流调整电路500′具有与参考电流产生电路500相同的电路结构。如图7所示，参考电流调整电路500′包括一参考电压产生单元202′、一操作电流产生单元204′、一比较模块206′、一调整模块208′以及一输出级210′。其中具有与参考电流产生电路500中元件类似标号的构件具有相同的功能或特性。参考电流调整电路500′与参考电流产生电路500的差异处在于，调整模块208′中的可调式电流产生单元312′为依据电流分流单元702所输出多个分流电流来调整其输出的调整电流Ir1′。也就是说，可调式电流产生单元312′为依据计数器308′的计数值来选择输出至少一分流电流作为调整电流Ir1′，将分流电流做为参考电流Iout′的一部份，进而调整参考电流Iout′的电流值。由于分流电流来自于参考电流产生电路500的参考电流Ir1，其已经由参考电流产生电路500校准过一次，利用分流电流做为参考电流的调整单位将使得参考电流调整电路500′所输出的参考电流Iout′较参考电流Iout更为精准。

图8所示为本发明第四实施例的参考电流产生电路的示意图。图9所示为图7实施例的参考电流产生电路的部份信号波形示意图。请同时参照图8与9，本实施例的参考电流产生电路800为图7实施例的参考电流产生电路700的电路简化结果，由于图7中参考电流产生电路500与参考电流调整电路500′为依据具有不同致能期间的时脉信号运作(如图9所示)，因此可省略参考电流产生电路700中部分的电路元件。如图8所示，与图5的参考电流产生电路500相比，本实施例的参考电流产生电路800仅更包括了电流分流单元702、可调式电流产生单元312′、开关SW2′、SW3′以及输出级210′。其中开关SW2′、SW3′以及输出级210′分别受控于时脉信号CK2、CK2B以及致能信号EN1′。如此藉由共享部分的元件即可在得到更精准的参考电流Iout′的同时，亦降低参考电流产生电路的生产成本。

综上所述，本发明利用并非直接利用依据能隙电压所产生的电流来做为参考电流，而是利用比较模块、调整模块以及输出级来依据操作电流(其为依据能隙电压所产生)进行调整参考电流的调整，而在不需利用外接电阻的情形下来产生参考电流，进而有效降低生产成本。另外亦可依据校准后的参考电流以相同的方式再进行一次或多次的校准，以进一步提高参考电流的精确度。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (15)

1.一种参考电流产生电路，其特征在于，包括：

参考电压产生单元，用以产生参考电压以及比较电压；

操作电流产生单元，用以接收上述参考电压后产生第一操作电流与第二操作电流；

比较模块，用以根据接收上述参考电压、上述第一操作电流以及上述第二操作电流产生输出电压，并使上述输出电压与上述比较电压进行比较，产生比较信号输出；

调整模块，用以接收上述比较信号后，产生第一致能信号与调整电流；以及

第一输出级，用以接收上述调整电流、上述第一致能信号与上述第二操作电流后，输出第一参考电流。

2.根据权利要求1所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述比较模块包括：

第一运算放大器，其正输入端耦接上述参考电压，于其输出端输出上述输出电压；

第一开关，耦接于上述操作电流产生单元与上述第一运算放大器的负输入端之间，接收上述第一操作电流，上述第一开关的导通状态受控于第一时脉信号；

第二开关，耦接上述第一运算放大器的负输入端与上述操作电流产生单元，并接收上述第一参考电流，上述第二开关的导通状态受控于第二时脉信号，其中上述第一时脉信号与上述第二时脉信号互为反相；

第一电阻，耦接于上述第一开关与上述第一运算放大器的输出端；

第一电容元件，耦接于上述第一运算放大器的负输入端与输出端；以及

比较器，其正输入端耦接上述比较电压，上述比较器的负输入端耦接上述第一运算放大器的输出端，并输出上述比较信号。

3.根据权利要求2所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述第一电容元件为由P型低电压晶体管所构成。

4.根据权利要求2所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述比较模块更包括：

第三开关，其一端耦接上述操作电流产生单元，上述第三开关的导通状态受控于上述第一时脉信号；以及

N型晶体管，其栅极与漏极相互耦接上述第三开关的另一端，其源极接地。

5.根据权利要求2所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述操作电流产生单元包括：

第二运算放大器，其正输入端接收上述参考电压；

N型晶体管，其栅极耦接上述第二运算放大器的输出端，其源极耦接上述第二运算放大器的负输入端；

第一P型晶体管，其栅极与漏极相互耦接至上述N型晶体管的漏极，其源极耦接电源电压；

第二P型晶体管，其栅极耦接上述第一P型晶体管的栅极，其源极耦接上述电源电压，上述第二P型晶体管的漏极耦接上述第一开关；

第二电阻，耦接于上述第二运算放大器的负输入端与接地；

第二电容元件，其一端耦接上述第二运算放大器的负输入端；

缓冲器，耦接上述第二电容元件的另一端；

电流源，耦接上述缓冲器；以及

第三电阻，耦接于上述电流源与上述接地。

6.根据权利要求5所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述第二电容元件为由P型低电压晶体管所构成。

7.根据权利要求5所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中于上述第一输出级输出上述第一参考电流时，上述缓冲器被禁能信号所禁能。

8.根据权利要求7所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述第三电阻上的跨压等于上述输出电压与上述比较电压的平均值。

9.根据权利要求2所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中当上述第一时脉信号为高电压准位时，上述参考电流产生电路处于重置模式，当上述第一时脉信号为低电压准位时，上述参考电流产生电路处于充电模式。

10.根据权利要求9所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述调整模块包括：

计数器，耦接上述比较模块，于上述充电模式时，依据上述比较信号输出计数值或上述第一致能信号；

闩锁单元，耦接上述计数器，暂存上述计数值；以及

第一可调式电流产生单元，依据上述计数值输出上述调整电流。

11.根据权利要求10所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中当上述输出电压大于上述比较电压时，上述计数器输出上述计数值，当上述输出电压小于上述比较电压时，上述计数器输出上述第一致能信号。

12.根据权利要求10所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中当上述计数器计数至第一门坎值时，上述计数器更输出第一溢位信号，上述第一可调式电流产生单元更依据上述第一溢位信号调整上述调整电流。

13.根据权利要求12所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述操作电流产生单元更输出第三操作电流，且上述计数器更依据上述比较信号输出第二致能信号，上述参考电流产生电路更包括：

电流分流单元，耦接上述第一输出级，接收上述第一参考电流后产生多个分流电流；

第二可调式电流产生单元，耦接上述电流分流单元，并依据上述计数值输出至少上述这些分流电流；

第三开关，其一端耦接于上述第一运算放大器的负输入端，上述第三开关的另一端耦接上述操作电流产生单元与上述第二可调式电流产生单元，接收上述这些分流电流与上述第三操作电流，上述第三开关的导通状态受控于第三时脉信号；以及

第二输出级，耦接上述操作电流产生单元与上述第二可调式电流产生单元，接收上述这些分流电流与上述第三操作电流，依据上述第二致能信号输出第二参考电流。

14.根据权利要求13所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中当上述计数器计数至第二门坎值时，上述计数器更输出第二溢位信号，上述第二可调式电流产生单元更依据上述第二溢位信号输出上述这些分流电流，以调整上述调整电流。

15.根据权利要求13所述的参考电流产生电路，其特征在于，其中上述参考电流产生电路更包括：

第四开关，其一端耦接上述操作电流产生单元，上述第四开关的导通状态受控于第四时脉信号，其中上述第三时脉信号与上述第四时脉信号互为反相；以及

N型晶体管，其栅极耦接至上述N型晶体管的漏极，上述N型晶体管的源极接地。

Images