CN103034277B - 电流源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流源电路，其包括正温系数电压产生子电路、阈值电压产生子电路及电流产生子电路，电流产生子电路包括放大器与第一场效应管，正温系数电压产生子电路产生一个与温度变化趋势相同的第一电压，且将第一电压输入至放大器的反向输入端，阈值电压产生子电路产生具有固定电压值的第二电压，且将第二电压输入至放大器的正向输入端，放大器的输出端与第一场效应管的栅极连接，第一场效应管的源极与外部电源连接，第一场效应管的漏极输出产生的电流，且第一场效应管的电子迁移率是与温度变化趋势相反的工艺参数。本发明的电流源电路可有效减小温度电压，加工工艺及制程等对输出电流的影响，提高了输出电流的稳定性与准确度。

Description

电流源电路

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种电流源电路。

背景技术

电流源为集成电路中的基本单元，广泛应用于各种模拟及集成数字电路中。电流源的结构种类繁多，但在大多数的集成电路中都是采用的电压除以电阻再镜像的方式产生集成电路所需要的电流。通过这种方式产生的电流源的电阻由于受到温度，电压，加工工艺及制程等的影响，尤其温度对产生的电流的影响很大，会产生20%左右的变化，另外场效应管在不同工艺边界的参数也存在着变化，使得同一电路输出电流值会有30%以上的差异。因此在大批量生产时，产品的成品率会受到很大的影响，而且这种电流源产生的电流的精度也达不到产业要求。

因此，有必要提供一种改进的电流源电路来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流源电路，该电流源电路可有效减小温度电压，加工工艺及制程等对输出电流的影响，提高了输出电流的稳定性与准确度。

为实现上述目的，本发明提供一种电流源电路，其包括正温系数电压产生子电路、阈值电压产生子电路及电流产生子电路，所述电流产生子电路包括放大器与第一场效应管，所述正温系数电压产生子电路产生一个与温度变化趋势相同的第一电压，且将所述第一电压输入至所述放大器的反向输入端，所述阈值电压产生子电路与外部电源连接，且产生具有固定电压值的第二电压，且将所述第二电压输入至所述放大器的正向输入端，所述放大器的输出端与所述第一场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的源极与外部电源连接，所述第一场效应管的漏极输出产生的电流，且所述第一场效应管的电子迁移率为与温度变化趋势相反的工艺参数。

较佳地，所述电流产生子电路还包括第一电阻与第二电阻，所述第一电阻连接于所述正温系数电压产生子电路与所述放大器的反向输入端之间，所述第二电阻连接于所述阈值电压产生子电路与所述放大器的正向输入端之间。

较佳地，所述电流源电路还包括第三电阻与第四电阻，所述第三电阻连接于所述放大器的反向输入端与输出端之间，所述第四电阻一端与所述放大器的正向输入端连接，另一端接地。

较佳地，所述阈值电压产生子电路包括第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第一电流源及第二电流源，所述第二场效应管的栅极、漏极及所述第三场效应管的栅极均与所述第一电流源的一端连接，所述第一电流源的另一端接地，所述第二场效应管的源极、第三场效应管的漏极及所述第四场效应管的栅极均与所述第二电流源的一端连接，所述第二电流源的另一端接地，所述第四场效应管的漏极与所述第三场效应管的源极连接，所述第四场效应管的源极与外部电源连接，且所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极共同输出第二电压。

较佳地，所述第二场效应管的宽长比与所述第三场效应管的宽长比相同，所述第一场效应管的宽长比与所述第四场效应管的宽长比相同，且所述第一场效应管的宽长比为所述第二场效应管宽长比的3倍。

较佳地，所述第一电阻的阻值与第四电阻的阻值相等，所述第二电阻的阻值与第三电阻的阻值相等。

较佳地，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管均为P型场效应管。

与现有技术相比，本发明的电流源电路由于所述正温系数电压产生子电路产生一个与温度变化趋势相同的第一电压，且将所述第一电压输入至所述放大器的反向输入端，所述第一场效应管与所述放大器连接，且所述第一场效应管的电子迁移率为与温度变化趋势相反的工艺参数，且通过所述第一场效应管的漏极输出产生的电流；使得所述第一场效应管的电子迁移率与所述第一电压可相互削弱或抵消对方因温度变化对输出的电流的影响，提高了输出电流的稳定性与准确度。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明。

附图说明

图1为本发明电流源电路的结构框图。

图2为本发明电流源电路的电路原理图。

图3为本发明的阈值电压产生子电路的电路原理图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本发明提供了一种电流源电路，该电流源电路可有效减小温度电压，加工工艺及制程等对输出电流的影响，提高了输出电流的稳定性与准确度。

请参考图1，图1为本发明电流源电路的结构框图。如图所示，本发明的电流源电路包括正温系数电压产生子电路、阈值电压产生子电路及电流产生子电路，所述正温系数电压产生子电路产生一个与温度变化趋势相同的第一电压，所述阈值电压产生子电路与外部电源连接，且产生具有固定电压值的第二电压，且所述第一电压与第二电压分别输入至所述电流产生子电路，所述电流产生子电路与外部电源连接，将输入的所述第一电压、第二电压及外部电源输入的电压转化为相应的电流输出，并使输出的电流符合要求。

具体地，请再结合参考图2与图3。

所述正温系数电压产生子电路产生一个与温度变化趋势相同的第一电压V_REF，其中所述正温系数电压产生子电路为一般常用的正温系数电压产生电路，且为本领域技术人员所熟知，在此不再详细描述。

所述阈值电压产生子电路包括第二场效应管M_P1、第三场效应管M_P2、第四场效应管M_P3、第一电流源I1及第二电流源I2，所述第二场效应管M_P1的栅极、漏极及所述第三场效应管M_P2的栅极均与所述第一电流源I1的一端连接，所述第一电流源I1的另一端接地，所述第二场效应管M_P1的源极、第三场效应管M_P2的漏极及所述第四场效应管M_P3的栅极均与所述第二电流源I2的一端连接，所述第二电流源I2的另一端接地，所述第四场效应管M_P3的漏极与所述第三场效应管M_P2的源极连接，所述第四场效应管M_P3的源极与外部电源VDD连接，且所述第三场效应管M_P2的源极与所述第四场效应管M_P3的漏极共同输出第二电压V0；在本发明的优选实施方式中，所述第二场效应管M_P1的宽长比与所述第三场效应管M_P2的宽长比相同，且所述第四场效应管M_P3的宽长比为所述第三场效应管M_P2的宽长比的3倍；其中，所述第二电流源I2输出的电流为所述第一电流源I1输出的电流的2倍，并定义所述第一电流源I1输出的电流为I，则I₂=2I₁=2I。在本发明的阈值电压产生子电路中，所述第二场效应管M_P1、第三场效应管M_P2及第四场效应管M_P3的相互配合，可使所述第四场效应管M_P3的漏极输出的电压为外部电源电压VDD与任意一个场效应管（第二场效应管M_P1、第三场效应管M_P2及第四场效应管M_P3中的任意一个）的阈值电压V_THP的差值，即V_O=V_DD-|V_THP|；且所述第一电流源I1、第二电流源I2分别为第二场效应管M_P1、与第三场效应管M_P2提供电流。

所述电流产生子电路包括放大器AMP与第一场效应管M_P，所述放大器AMP的反向输入端与所述正温系数电压产生子电路连接，其正向输入端与所述阈值电压产生子电路连接，从而所述第一电压V_REF与第二电压V0分别对应作为所述放大器AMP的反向输入电压与正向输入电压输入至所述放大器AMP，且通过所述放大器AMP放大后经所述放大器AMP的输出端输出电压V_OUT；所述第一场效应管M_P的栅极与所述放大器AMP的输出端连接，所述第一场效应管的源极与外部电源VDD连接，其漏极输出设计所需电流I_REF。在本发明的优选实施方式中，所述电流产生子电路还包括第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃与第四电阻R₄，且所述放大器AMP、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4共同组成了差动放大电路，从而使所述放大器AMP正向输入电压与反向输入电压按设计要求比例相减，以得到所述放大器AMP的输出电压V_OUT，另外，所述第一电阻R1的阻值与第四电阻R4的阻值相等，第二电阻R2的阻值与第三电阻R3的阻值相等，即R1=R4，R2=R3，因此具体地，所述第一电阻R₁连接于所述正温系数电压产生子电路与所述放大器AMP的反向输入端之间，所述第三电阻R₃连接于所述放大器AMP的反向输入端与输出端之间，从而所述第一电阻R₁与所述和三电阻R₃配合调节加到所述放大器AMP反向输入端上的电压值与所述第一电压V_REF之间的比例关系；相应地，所述第二电阻R₂连接于所述阈值电压产生子电路与所述放大器AMP的正向输入端之间,所述第四电阻R₄一端与所述放大器AMP的正向输入端连接，另一端接地，从而所述第二电阻R₂及第四电阻R₄可配合调节加到所述放大器AMP正向输入端上的电压值与所述第二电压V0之间的比例关系；从而在本发明中，可通过选择合适大小阻值的第一电阻R₁、第二电阻R₂、第三电阻R₃与第四电阻R₄，调节所述放大器AMP的输出电压V_OUT的大小，进而使输出的电流I_REF的大小满足设计需求。其中，所述第一场效应管M_P的电子迁移率为与温度变化趋势相反的工艺参数，从而可部分或全部抵消所述正温系数电压产生子电路输出的第一电压V_REF因温度而对输出电流I_REF的影响，保证了输出电流I_REF的稳定性与准确度。

另外，在本发明的优选实施方式中，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管均为P型场效应管。

下面结合图2与图3描述本发明电流源电路的工作原理。

在所述阈值电压产生子电路中其输出的第二电压V0的产生过程为：

所述第二场效应管M_P1的源栅电压V_SGP1为：

$V_{\mathrm{SGP}1}=V_{\mathrm{THP}}+\sqrt{\frac{2I}{{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_1}}---\left(1\right)$

其中(W/L)₁为第一场效应管M_P1的宽长比，μ_p、c_ox与V_THP分别为第二场效应管M_P1的载流子迁移率，栅极氧化物单位面积电容量及阈值电压，由于在同一批次的场效应管中，其载流子迁移率，栅极氧化物单位面积电容量及阈值电压均相同，或差别很小，因此所述第三场效应管M_P2与第四场效应管M_P3的载流子迁移率，栅极氧化物单位面积电容量及阈值电压也都分别对应为μ_p、c_ox与V_THP。

对于第三场效应管M_2P：

$3I=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_2[2(V_{\mathrm{SGP}2}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)V_{\mathrm{SDP}2}-{V_{\mathrm{SDP}2}}^2]---\left(2\right)$

其中(W/L)₂、V_SGP2、V_SDP2为第三场效应管M_P2的宽长比，源栅电压，源漏电压。

对于第四场效应管M_P3：

$V_{\mathrm{SGP}3}=V_{\mathrm{THP}}+\sqrt{\frac{6I}{{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{\left(\frac{W}{L}\right)}_3}}---\left(3\right)$

其中(W/L)₃为第四场效应管M_P3的宽长比，V_SGP3为第四场效应管M_P3的源栅电压。

又由于

V_SGP3=V_SDP2+V_SGP1     （4）

V_O=V_DD-V_SGP3+V_SDP2    （5）

另，由于所述第二场效应管M_P1的宽长比与所述第三场效应管M_P2的宽长比相同，且所述第四场效应管M_P3的宽长比为所述第三场效应管M_P2的宽长比的3倍，则结合式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）可以得出：

V_O=V_DD-|V_THP|    （6）

即得出第二电压V0的电压值为V_DD-|V_THP|。

由于R1=R4，R2=R3，故所述放大器AMP输出的电压V_OUT为：

$V_{\mathrm{OUT}}=V_0-\frac{R_3}{R_1}{V}_{\mathrm{REF}}=V_{\mathrm{DD}}-\left|V_{\mathrm{THP}}\right|-\frac{R_3}{R_1}{V}_{\mathrm{REF}}---\left(7\right)$

其中，V_THP为第一场效应管M_P的阈值电压。

则所述第一场效应管M_P漏极输出的电流I_REF为：

$I_{\mathrm{REF}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{SGP}}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(V_{\mathrm{DD}}-V_{\mathrm{OUT}}-|V_{\mathrm{THP}}\left|\right)}^2---\left(8\right)$

其中μ_p、c_ox与V_THP分别为第一场效应管M_P的载流子迁移率，栅极氧化物单位面积电容量及阈值电压；W/L、V_SGP与分别为第一场效应管M_P的宽长比，源栅电压。

结合（7）式，（8）式可以得出：

$I_{\mathrm{REF}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{\left(\frac{R_3}{R_1}{V}_{\mathrm{REF}}\right)}^2---\left(9\right)$

（9）式中载流子迁移率μ_p为一个与温度的变化趋势相反的工艺参数。且（9）式中栅极氧化物单位面积电容量c_ox、(W/L)₂为常量，而载流子迁移率μ_p与正温度系数电压源产生电压V_REF是与温度相关的量，为使输出电流与工艺及温度无关，（9）式对温度的偏导数必须为零，从而得出

$\frac{2}{V_{\mathrm{REF}}}\×\frac{\∂V_{\mathrm{REF}}}{\∂T}=-\frac{1}{(1/2){\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_2}\×\frac{\∂\left[(1/2){\mathrm{\μ}}_p{c}_{\mathrm{ox}}{(W/L)}_2\right]}{\∂T}---\left(10\right)$

又因为

${\mathrm{\μ}}_p={\mathrm{\μ}}_0\×{\left(\frac{T}{T_0}\right)}^{-3/2}---\left(11\right)$

其中，T为实际工作热电压，T0=300K，μ₀为T0温度下的载流子迁移率。

结合（10）（11）两式，可以得出

$\frac{\∂V_{\mathrm{REF}}}{\∂T}=\frac{1.5}{T_0\×V_{\mathrm{REF}}}---\left(12\right)$

从而只需正温度系数电压产生子电路输出的第一电压V_REF满足（12）式，从（9）式中得出的电流I_REF即为一个与温度无关的常量。因此本发明电流源电路产生的电流不随工艺及温度变化，提高了输出电流I_REF的稳定性与准确度。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种电流源电路，其特征在于包括正温系数电压产生子电路、阈值电压产生子电路及电流产生子电路，所述电流产生子电路包括放大器与第一场效应管，所述正温系数电压产生子电路产生一个与温度变化趋势相同的第一电压，且将所述第一电压输入至所述放大器的反向输入端，所述阈值电压产生子电路与外部电源连接，且产生具有固定电压值的第二电压，且将所述第二电压输入至所述放大器的正向输入端，所述放大器的输出端与所述第一场效应管的栅极连接，所述第一场效应管的源极与外部电源连接，所述第一场效应管的漏极输出产生的电流，且所述第一场效应管的电子迁移率是与温度变化趋势相反的工艺参数。

2.如权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，所述电流产生子电路还包括第一电阻与第二电阻，所述第一电阻连接于所述正温系数电压产生子电路与所述放大器的反向输入端之间，所述第二电阻连接于所述阈值电压产生子电路与所述放大器的正向输入端之间。

3.如权利要求2所述的电流源电路，其特征在于，还包括第三电阻与第四电阻，所述第三电阻连接于所述放大器的反向输入端与输出端之间，所述第四电阻一端与所述放大器的正向输入端连接，另一端接地。

4.如权利要求3所述的电流源电路，其特征在于，所述阈值电压产生子电路包括第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第一电流源及第二电流源，所述第二场效应管的栅极、漏极及所述第三场效应管的栅极均与所述第一电流源的一端连接，所述第一电流源的另一端接地，所述第二场效应管的源极、第三场效应管的漏极及所述第四场效应管的栅极均与所述第二电流源的一端连接，所述第二电流源的另一端接地，所述第四场效应管的漏极与所述第三场效应管的源极连接，所述第四场效应管的源极与外部电源连接，且所述第三场效应管的源极与所述第四场效应管的漏极共同输出第二电压。

5.如权利要求4所述的电流源电路，其特征在于，所述第二场效应管的宽长比与所述第三场效应管的宽长比相同，所述第一场效应管的宽长比与所述第四场效应管的宽长比相同，且所述第一场效应管的宽长比为所述第二场效应管宽长比的3倍。

6.如权利要求4所述的电流源电路，其特征在于，所述第一电阻的阻值与第四电阻的阻值相等，所述第二电阻的阻值与第三电阻的阻值相等。

7.如权利要求4所述的电流源电路，其特征在于，所述第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管及第四场效应管均为P型场效应管。