CN103440011A - 具有压差补偿的线性恒流源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有压差补偿的线性恒流源电路，该具有压差补偿的线性恒流源电路采用工作在线性区的NMOS管来代替现有技术中的电阻，同时利用一与输出电流相关的电压来控制NMOS管的栅极以抵消NMOS本身随电流变化带来的漏源电压变化。本发明提供的具有压差补偿的线性恒流源电路具有很好的特性，能广泛地应用于各种场合。

Description

具有压差补偿的线性恒流源电路

技术领域

本发明涉及半导体电路技术领域，特别涉及一种具有压差补偿的线性恒流源电路。

 

背景技术

LED具有节能、环保以及寿命长等优点，在工业、商用和家用等各领域受到越来越多的关注和应用。LED主要分为电压驱动和电流驱动两种方式。随着技术的发展，恒流驱动以其稳定的电流以及优异的动态响应越来越成为LED驱动的首选。其中，恒流驱动又可以分为线性恒流驱动和开关恒流驱动。对于中低功率场合，线性恒流驱动方式因结构简单、响应快、外部器件少等优点，往往成为LED的主要驱动方式。LED是属于电流敏感型器件，所以高精度电流能够精确控制LED的亮度。

传统的线性电流源如图1所示，该传统的线性电流源100包括：

基准电流源Iref、放大器2、第一电阻R1、第二电阻R2以及NMOS管N4；其中：

基准电流源Iref的一端接输入电压VIN，另一端与第一电阻R1的一端以及放大器2的正输入端（+）相连，第一电阻的另一端接地；放大器2的负输入端（-）与第二电阻R2的一端以及NMOS管N4的源极相连，第二电阻R2的另一端接地；NMOS管N4的栅极与放大器2的输出端相连，NMOS管N4的漏极作为输出端与LED串相连，LED串的另一端接输入电压VIN。并且第一电阻R1与第二电阻R2的阻值比为N：1。其工作原理如下：

基准电流源Iref产生的电流流入电阻R1产生电压V1, 电压V1输入放大器2的正输入端（+），使得放大器2的负输入端（-）的电压V2与其正输入端（+）的电压V1相等，即V2=V1。由于第一电阻R1与第二电阻R2的阻值比为N:1，所以Iout=N*Iref。

该线性电流源100可以通过调节Iref电流来实现对Iout电流的调节，并且电路结构简单。但是该电路结构存在如下缺点：

随着工艺的发展以及对板级电路简化的要求，对芯片的集成度要求越来越高，所以第一电阻R1、第二电阻R2以及NMOS管N4等器件都集成在芯片内，即第一电阻R1以及第二电阻R2为片上电阻。但是片上电阻的可承受电流密度能力小, 不适合流过较大的电流，并且会浪费很大的片上面积。

为了解决上述片上电阻承受电流能力受限的问题，提出用承受电流能力较强的NMOS管来代替片上电阻，具体的电路结构图如图2所示。该线性电流源200采用工作在线性区的第二NMOS管N2来代替图1中的第二电阻R2，由于第二NMOS管N2工作在线性区，其等效为一个电阻。同时为了具有较佳的匹配特性，采用了NMOS管比例镜像的方法，用第一NMOS管N1来代替图1中的第一电阻R1；其中，第一NMOS管N1和第二NMOS管N2是相同类型的NMOS管，他们之间的宽长比的比例是1:N，所以当流过第一NMOS管N1的电流是Iref时，流过第二NMOS管N2的电流是流过第一NMOS管N1的电流的N倍，Iout=N*Iref。该线性电流源200也是通过调节Iref电流来调节输出电流Iout的。

但是，上述图1和图2给出的线性电流源还存在另外一个问题，即当调节Iref时，V1会产生较大的变化，V2也会跟着产生变动，从而影响输出端（即NMOS管N4的漏极）到地的最小工作电压，并进一步影响LED串上的电压，从而可能使得LED串上的电流发生变化。

因此，有必要对现有的线性电流源进行改进。

 

发明内容

本发明的一目的在于提供一种具有压差补偿的线性恒流源电路，以提高线性恒流源的性能。

为了实现上述目的，本发明提供一种具有压差补偿的线性恒流源电路，包括：第一放大器、第一NMOS管、第一电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、第二NMOS管、第三PMOS管、第二电阻、偏置电流源、第二放大器、第四NMOS管以及第三NMOS管；所述第一放大器以及所述第二放大器均具有正输入端、负输入端以及输出端；其中：

所述第一放大器的正输入端输入一恒定电压，其输出端与第一NMOS管的栅极相连，其负输入端与第一NMOS管的源极相连；

所述第一NMOS管的漏极与所述第一PMOS管的漏极相连；

所述第一PMOS管的漏极与其栅极相连，且所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极以及所述第三PMOS管的栅极相连，所述第一PMOS管的源极、所述第二PMOS管的源极以及所述第三PMOS管的源极均接一供电电压；

所述第三PMOS管的漏极同时与所述第二电阻的一端、所述偏置电流源的一端、所述第二NMOS管的栅极以及所述第三NMOS管的栅极相连；所述第二电阻的另一端与所述第一电阻的一端相连，且接地；所述第一电阻的另一端与所述第一NMOS管的源极相连；所述偏置电流源的另一端接供电电压；

所述第二PMOS管的漏极与所述第二放大器的正输入端以及所述第二NMOS管的漏极相连，所述第二NMOS管的源极接地；

所述第二放大器的负输入端与所述第三NMOS管的漏极以及第四NMOS管的源极相连，所述第三NMOS管的源极接地；所述第四NMOS管的栅极与所述第二放大器的输出端相连，其漏极作为电流输出端。

其中，所述恒定电压为一带隙基准源的基准输出电压。

较佳地，所述第二NMOS管以及所述第三NMOS管均工作在线性区。

较佳地，所述第一PMOS管的宽长比与所述第二PMOS管的宽长比的比值为1：n，其中，n为大于等于1的自然数。

较佳地，所述第一PMOS管的宽长比与所述第三PMOS管的宽长比的比值为1：h，其中，h为大于等于1的自然数。

较佳地，所述第二NMOS管的宽长比与所述第三NMOS管的宽长比的比值为1：m，其中，m为大于等于1的自然数。

较佳地，所述偏置电流源流过的电流与所述第二NMOS管的阈值电压的关系为：

VTH= Ibias×R3

其中，VTH为第二NMOS管的阈值电压，Ibias为偏置电流源流过的电流，R3为第三电阻的阻值。

较佳地，所述第四NMOS管的宽长比与所述第三NMOS管的宽长比的比例大于10:1。

较佳地，所述第一电阻为片上电阻或片外电阻。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1）本发明提供的具有压差补偿的线性恒流源电路利用一NMOS管（在具体实施例中具体为第三NMOS管N3）来代替现有技术中的电阻（图1中的第三电阻R3），从而可以很方便地在片上实现，也节省了片上面积；

2）采用与输出电流相关的电压来控制第三NMOS管的栅极，以调整第三NMOS管的导通电阻，从而达到第三NMOS管不随电流变化而带来漏源极电压的压降变化，即保持Vd1和Vd2电压稳定。

 

附图说明

图1为一传统的线性电流源的电路结构图；

图2为另一传统的线性电流源的电路结构图；

图3为本发明一实施例提供的具有压差补偿的线性恒流源电路的电路结构图。

 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的具有压差补偿的线性恒流源电路作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参阅图3，图3为本发明一实施例提供的具有压差补偿的线性恒流源电路的电路结构图，如图3所示，本发明提供的具有压差补偿的线性恒流源电路300包括：第一放大器1、第一NMOS管N1、第一电阻R1、第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第二NMOS管N2、第三PMOS管P3、第二电阻R2、偏置电流源Ibias、第二放大器2、第四NMOS管N4以及第三NMOS管N3；第一放大器1以及第二放大器2均具有正输入端（+ )、负输入端（-）以及输出端；其中：

第一放大器1的正输入端（+ )输入一恒定电压，在该实施例中，具体为输入一带隙基准源301的基准输出电压Vref；其输出端与第一NMOS管N1的栅极相连，其负输入端（-）与第一NMOS管N1的源极相连；

第一NMOS管N1的漏极与第一PMOS管P1的漏极相连；

第一PMOS管P1的漏极与其栅极相连，且第一PMOS管P1的栅极与第二PMOS管P1的栅极以及第三PMOS管P3的栅极相连，第一PMOS管P1的源极、第二PMOS管P2的源极以及第三PMOS管P3的源极均接一供电电压VDD；

第三PMOS管P3的漏极同时与第二电阻R2的一端、偏置电流源Ibias的一端、第二NMOS管N2的栅极以及第三NMOS管N3的栅极相连；第二电阻R2的另一端与第一电阻R1的一端相连，且接地；第一电阻R1的另一端与第一NMOS管N1的源极相连；偏置电流源Ibias的另一端接供电电压VDD；

第二PMOS管P2的漏极与第二放大器2的正输入端（+）以及第二NMOS管N2的漏极相连，第二NMOS管N2的源极接地；

第二放大器2的负输入端（-）与第三NMOS管N3的漏极以及第四NMOS管N4的源极相连，第三NMOS管N3的源极接地；第四NMOS管N4的栅极与第二放大器2的输出端相连，其漏极作为电流输出端。当本发明实施例提供的具有压差补偿的线性恒流源电路300应用到LED领域时，该电流输出端即接LED串，且LED串的另一端接输入电压VIN。

其中，第二NMOS管N2以及第三NMOS管N3均工作在线性区，从而可以等效为电阻，并且可方便地在片上实现，并可节省片上面积。

第一PMOS管P1的宽长比与第二PMOS管P2的宽长比的比值为1：n，其中，n为大于等于1的自然数。

第一PMOS管P1的宽长比与第三PMOS管P3的宽长比的比值为1：h，其中，h为大于等于1的自然数。

第二NMOS管N2的宽长比与第三NMOS管N3的宽长比的比值为1：m，其中，m为大于等于1的自然数。

并且，偏置电流源Ibias流过的电流与述第二NMOS管N2的阈值电压的关系为：

VTH= Ibias×R3

其中，VTH为第二NMOS管N2的阈值电压，Ibias为偏置电流源流过的电流，R3为第三电阻的阻值。

第四NMOS管N4的宽长比与第三NMOS管N3的宽长比的比例大于10:1；由于工作在线性区的NMOS管可等效为一个电阻，且其等效阻值为：Ron=1/(K*(VGS-VTH))，其中K=β*W/L，β为工艺常数，W/L是NMOS的宽长比，VGS为NMOS的栅源电压，VTH为NMOS的阈值电压；因而，由于第四NMOS管N4的宽长比与第三NMOS管N3的宽长比的比例大于10:1，使得第四NMOS管N4的等效电阻远小于第三NMOS管N3的等效电阻，从而使得在电流改变量相同时，第四NMOS管N4的漏源极之间的电压的波动远小于第三NMOS管N3的漏源极之间的电压的波动。

第一电阻R1可为片上电阻或片外电阻；如果是片外电阻的话，可以由用户来设置第一电阻R1的大小以决定最后输出电流的大小；第一电阻R1如果是片内电阻，可以对其进行微调来决定输出电流大小。另外，第一电阻R1的温度特性也可以根据需要来决定。

在本发明的一个实施例中，恒定电压为带隙基准源301的基准输出电压Vref，然而应该认识到，本发明并不以此为限，只要是恒定的电压或电压产生电路均可作为第一放大器1的正输入端（+ )输入。

本发明提供的具有压差补偿的线性恒流源电路的工作原理为：

首先由带隙基准源301产生基准电压Vref，经过第一放大器1和第一NMOS管N1组成的负反馈电路，使得第一电阻R1上的压降也是Vref。所以流过第一电阻R1的电流等于Vref/R1，并且流过第一NMOS管N1和第一PMOS管P1的电流也是Vref/R1。

得到基准电流Vref/R1后，由第一PMOS管P1和第二PMOS管P2组成的电流镜把Vref/R1从第一PMOS管P1镜向到第二PMOS管P2，其中第二PMOS管P2的宽长比大小是第一PMOS管P1的n倍，所以流过第二PMOS管P2的电流变成了n* Vref/R1。

第二NMOS管N2和第三NMOS管N3是工作在线性区的NMOS管，其漏源极表现出电阻特性，电阻值大小由栅源极电压控制，NMOS管等效电阻的计算公式是R(NMOS)=1/(K*(VGS-VTH))，其中，VGS代表栅源极之间的电压，VTH是NMOS的阈值电压，R(NMOS)代表NMOS的等效电阻的阻值，K=β*W/L，β是工艺常数，W/L是NMOS的宽长比。

第二NMOS管N2和第三NMOS管N3的栅极电压是由流过第三PMOS管P3的电流、偏置电流Ibias和第二电阻R2共同决定的；第一PMOS管P1和第三PMOS管P3也组成电流镜，把第一PMOS管P1流过的电流Vref/R1从第一PMOS管P1镜向到第三PMOS管P3，流过第三PMOS管P3的电流为：I3=h* Vref /R1，其中第一PMOS管P1和第三PMOS管P3的宽长比是1:h。所以第三NMOS管N3的栅极电压VG= h*( Vref /R1)* R2+Ibias* R2。由于第二NMOS管N2和第三NMOS管N3的栅极接在一起，因此，第二NMOS管N2的栅极电压也为VG。从而，当R1减小时，I3增大，VG也增大。

由于第二NMOS管N2工作在线性区，其等效电阻为:

Ron2=1/(K*(VGS-VTH))，其中VGS是第二NMOS管N2的栅源极电压，VTH是第二NMOS管N2的阈值电压。

根据对应的工艺得到的VTH的值，设定Ibias电流，使得:

Ibias* R2=VTH；

则：Ron2=1/(K*(h*I1*R2+Ibias*R2-VTH))=1/(K*h*I1*R2)；

流过第二NMOS管N2的电流是I3，即n*I1，第二NMOS管N2漏源极的电压为:

 Vd1=I3*Ron2=n*I1/(K*h*I1*R2)=n/(K*h*R2) 

从上述第二NMOS管N2漏源极的电压的计算公式可以看出第二NMOS管N2上的压降只跟R2、第二NMOS管N2的宽长比W/L以及第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第三PMOS管P3电流镜的比例n、h相关，而与设定输出电流Iout的第一电阻R1以及基准电压Vref都没有关系。这就保证了Vd1不随设置电流的变化而变化。

由于第二NMOS管N2漏源极的电压Vd1与第三NMOS管N3漏源极的电压Vd2分别接在第二放大器2的正输入端（+）和负输入端（-），因而Vd2= Vd1。因为第三NMOS管N3的宽长比W/L是第二NMOS管N2的m倍，所以当Vd2= Vd1的时候，流过第三NMOS管N3的电流是流过第二NMOS管N2的电流的m倍。

由于流过第四NMOS管N4的电流等于流过第三NMOS管N3的电流，也就是输出电流Iout，因而输出电流 Iout=I4=m*I3=m*n*I1=m*n*Vref/R1，所以输出电流同样可以由第一电阻R1来设定。

并且，由于Vd2= Vd1，因而Vd2也不随设置电流的变化而变化。又由于第四NMOS管N4的宽长比与第三NMOS管N3的宽长比的比例大于10:1，使得第四NMOS管N4的等效电阻远小于第三NMOS管N3的等效电阻，从而使得在电流改变量相同时，第四NMOS管N4的漏源极之间的电压的波动远小于第三NMOS管N3的漏源极之间的电压的波动。因而，本发明实施例提供的具有压差补偿的线性恒流源电路，其输出端（即第四NMOS管N4的漏极）的电压基本上可视为不随输出电流的变化而改变，从而其可以广泛地应用到各种场合。本发明实施例提供的具有压差补偿的线性恒流源电路在不同的电流情况下，Vd1均是固定的，即当输出不同的电流时，最小输出电压降都是vd1，所以恒流源有很好的特性。

上述实施例仅是为了方便说明而举例，本发明所主张的权利范围应以申请专利范围所述为准，而非仅限于所述实施例。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (9)

1.一种具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，包括：第一放大器、第一NMOS管、第一电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、第二NMOS管、第三PMOS管、第二电阻、偏置电流源、第二放大器、第四NMOS管以及第三NMOS管；所述第一放大器以及所述第二放大器均具有正输入端、负输入端以及输出端；其中：

所述第一放大器的正输入端输入一恒定电压，其输出端与第一NMOS管的栅极相连，其负输入端与第一NMOS管的源极相连；

所述第一NMOS管的漏极与所述第一PMOS管的漏极相连；

所述第一PMOS管的漏极与其栅极相连，且所述第一PMOS管的栅极与所述第二PMOS管的栅极以及所述第三PMOS管的栅极相连，所述第一PMOS管的源极、所述第二PMOS管的源极以及所述第三PMOS管的源极均接一供电电压；

所述第三PMOS管的漏极同时与所述第二电阻的一端、所述偏置电流源的一端、所述第二NMOS管的栅极以及所述第三NMOS管的栅极相连；所述第二电阻的另一端与所述第一电阻的一端相连，且接地；所述第一电阻的另一端与所述第一NMOS管的源极相连；所述偏置电流源的另一端接供电电压；

所述第二PMOS管的漏极与所述第二放大器的正输入端以及所述第二NMOS管的漏极相连，所述第二NMOS管的源极接地；

所述第二放大器的负输入端与所述第三NMOS管的漏极以及第四NMOS管的源极相连，所述第三NMOS管的源极接地；所述第四NMOS管的栅极与所述第二放大器的输出端相连，其漏极作为电流输出端。

2.如权利要求1所述的具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，所述恒定电压为一带隙基准源的基准输出电压。

3.如权利要求1所述的具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，所述第二NMOS管以及所述第三NMOS管均工作在线性区。

4.如权利要求1或2或3所述的具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，所述第一PMOS管的宽长比与所述第二PMOS管的宽长比的比值为1：n，其中，n为大于等于1的自然数。

5.如权利要求1或2或3所述的具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，所述第一PMOS管的宽长比与所述第三PMOS管的宽长比的比值为1：h，其中，h为大于等于1的自然数。

6.如权利要求1或2或3所述的具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，所述第二NMOS管的宽长比与所述第三NMOS管的宽长比的比值为1：m，其中，m为大于等于1的自然数。

7.如权利要求3所述的具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，所述偏置电流源流过的电流与所述第二NMOS管的阈值电压的关系为：

VTH= Ibias×R3

其中，VTH为第二NMOS管的阈值电压，Ibias为偏置电流源流过的电流，R3为第三电阻的阻值。

8.如权利要求3所述的具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，所述第四NMOS管的宽长比与所述第三NMOS管的宽长比的比例大于10:1。

9.如权利要求1所述的具有压差补偿的线性恒流源电路，其特征在于，所述第一电阻为片上电阻或片外电阻。

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