CN103631306A - 具有低温度系数的电流源基准电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低温度系数的电流源基准电路，主要解决模拟集成电路内部基准电流源所产生的基准电流随温度变化问题。该电路包括基准电流单元(1)、温度补偿单元(2)和电流镜单元(3)，该电流镜单元包括第一电流镜(31)和第二电流镜(32)，这两个电流镜的输出端相连；基准电流单元(1)产生的负温度系数电流I_N，和温度补偿单元(2)产生的正温度系数的电流I_P分别输入到第一电流镜(31)和第二电流镜(32)中，并被第一电流镜(31)和第二电流镜(32)镜像到这两个电流镜的输出端求和，得到具有低温度系数的基准电流I_O。本发明能有效地降低基准电流I_O的温度系数，保证了芯片内各个模块在温度变化时都能够良好的工作，可用于大规模的集成电路。

Description

具有低温度系数的电流源基准电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及模拟集成电路，特别是一种具有低温度系数的电流源基准电路。

背景技术

在模拟集成电路领域，电流源得到了广泛的应用，它是一个直流量，为芯片各个模块提供偏置，影响着芯片各模块的性能，如功耗，放大倍数，噪声，工作范围等。通常，我们希望产生一个与电源电压和工艺无关、具有特定的温度特性的直流电流，在大多数应用中，所要求的温度关系采用下面的三种形式中的一种：

（1）与绝对温度成正比；

（2）与绝对温度成反比；

（3）与温度无关。

在这里，与温度无关的电流源更符合大多数模拟集成电路的需求，因此得到了最广泛的应用。

图1显示了传统的电流源基准方框图，它包括运算放大器100，电阻R，低压NMOS管M_N和电流镜单元；运算放大器100，其正向输入端a连接基准电压Vref，其反向输入端b通过电阻R连接到地，其输出端o连接到低压NMOS管M_N的栅极；该低压NMOS管M_N的漏极连接到电流源单元，其源极连接到运算放大器100的反向输入端b，从而构成负反馈环路，保证流过低压NMOS管M_N的电流I₁恒等于Vref/R。通过调节电流镜单元中MOS管的尺寸，以调节输出电流I₂～I_N的大小。通常，采用带隙结构可产生接近零温度系数的基准电压Vref，但由于电阻R具有特定的温度系数，使得流过低压NMOS管M_N的输出电流I₁随温度变化，这个输出电流通过电流镜镜像到电路的各个模块，从而影响到整个电路的性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有基准电流源的不足，提供一种具有低温度系数的电流源基准电路，以降低输出电流的温度系数，提高输出电流的准确性。

实现本发明目的技术方案是：通过增加一路温度补偿电流对输出电流进行温度补偿，降低输出电流的温度系数。整个电路包括：基准电流单元1和电流镜单元3，其特征在于：电流镜单元3包括第一电流镜31和第二电流镜32，基准电流单元1连接在第一电流镜31的输入端e，用于产生大小可调的负温度系数电流I_N；第二电流镜32的输入端f连接有温度补偿单元2，用于产生大小可调的补偿电流I_P，这两个电流镜的输出端相连，输出温度系数小于75ppm/℃的低温度系数基准电流I_O。

作为优选，所述的基准电流单元1，包括运算放大器11，第一电阻R₁，第一低压NMOS管M₁；该运算放大器11的正向输入端a连接外部带隙基准模块输出的基准电压Vref，其反向输入端b通过第一电阻R₁连接到地，其输出端o连接到第一低压NMOS管M₁的栅极；第一低压NMOS管M₁的源极连接到运算放大器11的反向输入端b，其漏极连与第一电流镜相连。

作为优选，所述的第一电流镜31，包括第三低压PMOS管M₃和第四低压PMOS管M₄，第三低压PMOS管M₃的栅极与其自身的漏极和第四低压PMOS管M₄的栅极相连，并连接基准电流单元1中第一低压NMOS管M₁的漏极，第四低压PMOS管M₄的漏极与第二电流镜相连，这两个低压PMOS管M₃与M₄的源极相连，并连接到电源VDD。

作为优选，所述的第二电流镜32，包括第五低压PMOS管M₅和第六低压PMOS管M₆，这两个低压PMOS管M5和M6的源极相连，并连接到电源VDD；第六低压PMOS管M₆的栅极与其自身的漏极和第五低压PMOS管M₅的栅极相连，并连接到温度补偿单元2，第五低压PMOS管M₅的漏极与第一电流镜中第四低压PMOS管M₄的漏极相连。

作为优选，所述的温度补偿单元2包括运算放大器21，第二电阻R₂，第二低压NMOS管M₂；该运算放大器21，其正向输入端a连接外部带隙基准模块输出的基准电压Vref，其反向输入端b通过第二电阻R₂连接到地，其输出端o连接到第二低压NMOS管M₂的栅极；该第二低压NMOS管M₂，其源极连接到运算放大器21的反向输入端b，其漏极与第二电流镜中第六低压PMOS管M₆的漏极相连。

作为优选，所述的基准电流单元1中的运算放大器11和温度补偿单元2中的运算放大器21为相同的运算放大器，该运算放大器包括低压PMOS管M₇～M₁₆，低压NMOS管M₁₇～M₂₂和第一电容C₁；

该低压PMOS管M₇～M₁₀的栅极相连构成电流镜结构，其源极共同连接到电源VDD，第七低压PMOS管M₇的漏极与自身栅极相连作为电流镜的输入端，并连接外部带隙基准模块输出的电流I_B；

该第十五低压PMOS管M₁₅和第十六低压PMOS管M₁₆，用于对输入到运算放大器外部带隙基准模块输出的基准电压Vref进行电平移位；其中第十五低压PMOS管M₁₅，其漏极连接到地，其栅极作为运算放大器的反相输入端b，其源极连接到第八低压PMOS管M₈的漏极；第十六低压PMOS管M₁₆的漏极连接到地，其栅极作为运算放大器的同相输入端a，其源极连接到第九低压PMOS管M₉的漏极；

该低压PMOS管M₁₁～M₁₄构成共源共栅电流镜结构；其中第十二低压PMOS管M₁₂与其自身的漏极和第十一低压PMOS管M₁₁的栅极相连，这两个低压PMOS管M₁₁和M₁₂的源极共同连接电源VDD，其漏极分别连接第十四低压PMOS管M₁₄与第十五低压PMOS管M₁₃的源极；第十三低压PMOS管M₁₃与其自身的漏极和第十四低压PMOS管M₁₄的栅极相连；

该第十九低压NMOS管M₁₉和第二十二低压NMOS管M₂₂串联连接，其中第十九低压NMOS管M₁₉的栅极与其自身的漏极和第二十二低压NMOS管M₂₂栅极连接，第二十二低压NMOS管M₂₂的源极连接到地，其漏极连接第十九低压NMOS管M₁₉的源极，第十九低压NMOS管M₁₉的漏极连接第十低压PMOS管M₁₀的漏极；

该的第十七低压NMOS管M₁₇和第十八低压NMOS管M₁₈，其栅极相连并连接到第十九低压NMOS管M₁₉的栅极，第十七低压NMOS管M₁₇的漏极连接第十三低压PMOS管M₁₃的漏极，第十八低压NMOS管M₁₈的漏极连接第十四低压NMOS管M₁₄的漏极，并作为运算放大器的输出端o；

该第二十低压NMOS管M₂₀和第二十一低压NMOS管M₂₁，其源极共同连接到地，这两个低压NMOS管M20和M21，其栅极分别连接第十六低压NMOS管M₁₆的源极和第十五低压NMOS管M₁₅的源极，其漏极分别连接第十七低压NMOS管M₁₇的源极和第十八低压NMOS管M₁₈的源极；

该第一电容C₁跨接于低压PMOS管M₁₅的栅极与低压PMOS管M₁₆的源极之间，作为运算放大器的补偿。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）本发明由于增加了温度补偿单元，使得电流源基准所产生的基准电流具有较低的温度系数，避免了温度变化对芯片性能的影响。

（2）本发明采用的电流镜单元包括两个电流镜，可对基准电流单元和温度补偿单元输出的电流进行镜像并求和，输出具有低温度系数的基准电流。

附图说明

图1是传统电流源基准电路结构框图；

图2是本发明的结构框图；

图3是本发明的电路图；

图4是本发明运算放大器的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照图2和图3，本发明的具有低温度系数的电流源基准电路，包括基准电流单元1、温度补偿单元2和电流镜单元3，该电流镜单元3包括第一电流镜31和第二电流镜32；

所述的基准电流单元1，用于产生负温度系数电流I_N；它包括运算放大器11，第一电阻R₁，第一低压NMOS管M₁；该运算放大器11的正向输入端a连接外部带隙基准模块输出的基准电压Vref，其反向输入端b通过第一电阻R₁连接到地，其输出端o连接到第一低压NMOS管M₁的栅极；第一低压NMOS管M₁的源极连接到运算放大器（11）的反向输入端b，从而构成负反馈环路，用于保证流过低压NMOS管M₁的负温度系数的电流I_N恒定，且I_N的值为：

$I_N=\frac{\mathrm{Vref}}{R_1},---1)$

第一低压NMOS管M₁的漏极与第一电流镜31相连，用于把基准电流单元1产生的负温度系数I_N输出到第一电流镜31；

所述的温度补偿单元2，用于产生补偿电流I_P；它包括运算放大器21，第二电阻R₂，低压NMOS管M₂；该运算放大器21，其正向输入端a连接外部带隙基准模块输出的基准电压Vref，其反向输入端b通过第二电阻R₂连接到地，其输出端o连接到第二低压NMOS管M₂的栅极；该第二低压NMOS管M₂，其源极连接到运算放大器21的反向输入端b，从而构成负反馈环路，用于保证流过低压NMOS管M₂的补偿电流I_P恒定，且I_P的值为：

$I_P=\frac{\mathrm{Vref}}{R_2},---2)$

第二低压NMOS管M₂的漏极与第二电流镜32相连，用于把温度补偿单元2产生的补偿电流I_P输出到第二电流镜32；

所述的第一电流镜31，包括第三低压PMOS管M₃和第四低压PMOS管M₄，用于把输入到该电流镜的负温度系数电流I_N镜像到第四低压PMOS管M₄，其大小为

$I_{N1}=\frac{W_4{L}_3}{W_3{L}_4}\frac{\mathrm{Vref}}{R_1},---3)$

其中，I_N1为镜像到第四低压PMOS管M₄的电流，W₄L₃/W₃L₄为第四PMOS管M₄与第三PMOS管M₃的宽度和长度比；该第三低压PMOS管M₃的栅极与其自身的漏极和第四低压PMOS管M₄的栅极相连，并连接基准电流单元1中第一低压NMOS管M₁的漏极，该第四低压PMOS管M₄的漏极与第二电流镜相连，这两个低压PMOS管M₃与M₄的源极相连，并连接到电源VDD；

所述的第二电流镜32，包括第五低压PMOS管M5和第六低压PMOS管M₆，用于把输入到该电流镜的补偿电流IP镜像到第五低压PMOS管M5，其大小为：

$I_{P1}=\frac{W_5{L}_6}{W_6{L}_5}\frac{\mathrm{Vref}}{R_1},---4)$

其中，I_P1为镜像到第五低压PMOS管M₅的电流，W₅L₆/W₆L₅为第五PMOS管M₅与第六PMOS管M₆的宽度和长度比；这两个低压PMOS管M5和M6的源极相连，并连接到电源VDD，该第六低压PMOS管M₆的栅极与其自身的漏极和第五低压PMOS管M₅的栅极相连，并连接到温度补偿单元2中第二低压NMOS管M₂的漏极，该第五低压PMOS管M₅的漏极与第一电流镜中第四低压PMOS管M₄的漏极相连，用于对流过第四PMOS管M₄的电流和第五PMOS管M₅的电流求和，并输出基准电流I_O，其大小为：

$I_0=\frac{W_4{L}_3}{W_3{L}_4}\frac{\mathrm{Vref}}{R_1}+\frac{W_5{L}_6}{W_6{L}_5}\frac{\mathrm{Vref}}{R_2},---5)$

所述的第一电阻R1，采用具有正温度系数的材料，使流过低压NMOS管M₁的负温度系数电流I_N具有负温度系数特性；

所述的第二电阻R2采用具有负温度系数的材料，使流过低压NMOS管M₂的补偿电流IP具有正温度系数特性；

通过调节第一电阻R1和第二电阻R2的大小，以及M₃、M₄构成电流镜和M₅、M₆电流镜宽度和长度的比值，得到具有低温度系数的基准电流I_O。

参照图4，基准电流单元1中的运算放大器11和温度补偿单元2中的运算放大器21为相同的运算放大器，该运算放大器包括低压PMOS管M₇～M₁₆，低压NMOS管M₁₇～M₂₂和第一电容C₁；

所述低压PMOS管M₇～M₁₀的栅极相连构成电流镜结构，用于对整个运算放大器提供电流偏置；该低压PMOS管M₇～M₁₀源极共同连接到电源VDD，第七低压PMOS管M₇的漏极与自身栅极相连作为电流镜的输入端，并连接外部带隙基准模块输出的电流I_B，

所述第十五低压PMOS管M₁₅和第十六低压PMOS管M₁₆，与低压PMOS管M₈和M₉共同构成电平移位电路，用于对输入到运算放大器的外部带隙基准模块输出的基准电压Vref进行电平移位，确保基准电压Vref很低时，运算放大器也能够稳定的工作；第十五低压PMOS管M₁₅的漏极连接到地，其栅极作为运算放大器的反相输入端b，其源极连接到第八低压PMOS管M₈的漏极；第十六低压PMOS管M₁₆的漏极连接到地，其栅极作为运算放大器的同相输入端a，其源极连接到第九低压PMOS管M₉的漏极；

所述低压PMOS管M₁₁～M₁₄构成共源共栅电流镜结构，用于使该运算放大器单端输出；第十二低压PMOS管M₁₂与其自身的漏极和第十一低压PMOS管M₁₁的栅极相连，这两个低压PMOS管M₁₁和M₁₂的源极共同连接电源VDD，其漏极分别连接第十四低压PMOS管M₁₄与第十五低压PMOS管M₁₃的源极；第十三低压PMOS管M₁₃与其自身的漏极和第十四低压PMOS管M₁₄的栅极相连；

所述第十九低压NMOS管M₁₉和第二十二低压NMOS管M₂₂串联连接，其中第十九低压NMOS管M₁₉的栅极与其自身的漏极和第二十二低压NMOS管M₂₂栅极连接，第二十二低压NMOS管M₂₂的源极连接到地，其漏极连接第十九低压NMOS管M₁₉的源极，第十九低压NMOS管M₁₉的漏极连接第十低压PMOS管M₁₀的漏极；

所述的第十七低压NMOS管M₁₇和第十八低压NMOS管M₁₈，用于提高运算放大器的增益；该第十七低压NMOS管M₁₇的漏极连接第十三低压PMOS管M₁₃的漏极，该第十八低压NMOS管M₁₈的漏极连接第十四低压NMOS管M₁₄的漏极，并作为运算放大器的输出端o，这两个低压NMOS管M₁₇和M₁₈其栅极相连，并连接到第十九低压NMOS管M₁₉的栅极；

所述第二十低压NMOS管M₂₀和第二十一低压NMOS管M₂₁，其栅极分别连接第十六低压NMOS管M₁₆的源极和第十五低压NMOS管M₁₅的源极，其漏极分别连接第十七低压NMOS管M₁₇的源极和第十八低压NMOS管M₁₈的源极，这两个低压NMOS管M₂₀和M₂₁，其源极共同连接到地；

所述第一电容C₁跨接于低压PMOS管M₁₅的栅极与低压PMOS管M₁₆的源极之间，作为运算放大器的补偿，确保运算放大器有足够的相位欲度，使运算放大器能够稳定工作。

本发明的工作原理是：当外部带隙基准模块输出的基准电压Vref加到电流源基准电路时，由基准电流单元1和温度补偿单元2分别产生负温度系数电流I_N和补偿电流I_P，由于第一电阻R₁和第二电阻R₂分别使用正温度系数和负温度系数的材料，因此这两个电流I_N和I_P分别具有负温度系数和正温度系数；负温度系数电流I_N输入到第一电流镜31中并被镜像，在第一电流镜31的输出端输出负温度系数电流I_N的镜像电流，补偿电流I_P输入到第二电流镜32中并被镜像，在第二电流镜32的输出端输出补偿电流I_P的镜像电流，由于这两个电流镜31和32的输出端相连，因此负温度系数电流I_N和补偿电流I_P的镜像电流在第一电流镜31和第二电流镜32的输出端求和，输出具有低温度系数的基准电流I_O。

以上仅是本发明的一个最佳实例，不构成对本发明的任何限制，显然在本发明的构思下，可以对其电路进行不同的变更与改进，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (8)

1.一种具有低温度系数的电流源基准电路，包括基准电流单元（1）和电流镜单元（3），其特征在于：电流镜单元（3）包括第一电流镜（31）和第二电流镜（32），基准电流单元（1）连接在第一电流镜（31）的输入端e，用于产生大小可调的负温度系数电流I_N；第二电流镜（32）的输入端f连接有温度补偿单元（2），用于产生大小可调的补偿电流I_P，这两个电流镜的输出端相连，输出温度系数小于75ppm/℃的低温度系数基准电流I_O。

2.根据权利要求1所述的电流源基准电路，其特征在于：基准电流单元（1）包括运算放大器（11），第一电阻R₁，第一低压NMOS管M₁；该运算放大器（11）的正向输入端a连接外部带隙基准模块输出的基准电压Vref，其反向输入端b通过第一电阻R₁连接到地，其输出端o连接到第一低压NMOS管M₁的栅极；第一低压NMOS管M₁的源极连接到运算放大器（11）的反向输入端b，其漏极连与第一电流镜相连。

3.根据权利要求2所述的电流源基准电路，其特征在于所述第一电阻R₁采用正温度系数的材料，用于控制负温度系数电流I_N的大小，并使其具有负温度系数特性。

4.根据权利要求1所述的电流源基准电路，其特征在于：所述第一电流镜（31），包括第三低压PMOS管M₃和第四低压PMOS管M₄，第三低压PMOS管M₃的栅极与其自身的漏极和第四低压PMOS管M₄的栅极相连，并连接基准电流单元（1）中第一低压NMOS管M₁的漏极，第四低压PMOS管M₄的漏极与第二电流镜相连，这两个低压PMOS管M₃与M₄的源极相连，并连接到电源VDD。

5.根据权利要求1所述的电流源基准电路，其特征在于：所述第二电流镜（32），包括第五低压PMOS管M₅和第六低压PMOS管M₆，这两个低压PMOS管M5和M6的源极相连，并连接到电源VDD；第六低压PMOS管M₆的栅极与其自身的漏极和第五低压PMOS管M₅的栅极相连，并连接到温度补偿单元（2），第五低压PMOS管M₅的漏极与第一电流镜中第四低压PMOS管M₄的漏极相连。

6.根据权利要求1所述的电流源基准电路，其特征在于：温度补偿单元（2）包括运算放大器（21），第二电阻R₂，第二低压NMOS管M₂；该运算放大器（21），其正向输入端a连接外部带隙基准模块输出的基准电压Vref，其反向输入端b通过第二电阻R₂连接到地，其输出端o连接到第二低压NMOS管M₂的栅极；该第二低压NMOS管M₂，其源极连接到运算放大器（21）的反向输入端b，其漏极与第二电流镜中第六低压PMOS管M₆的漏极相连。

7.根据权利要求6所述的电流源基准电路，其特征在于所述第二电阻R₂采用负温度系数的材料，用于控制补偿电流I_P的大小，并使其具有正温度系数特性。

8.根据权利要求1所述的具有低温度系数的电流源基准电路，其特征在于基准电流单元（1）中的运算放大器（11）和温度补偿单元（2）中的运算放大器（21）为相同的运算放大器，该运算放大器包括低压PMOS管M₇～M₁₆，低压NMOS管M₁₇～M₂₂和第一电容C₁；

所述低压PMOS管M₇～M₁₀的栅极相连构成电流镜结构，其源极共同连接到电源VDD，第七低压PMOS管M₇的漏极与自身栅极相连作为电流镜的输入端，并连接外部带隙基准模块输出的电流I_B；

所述第十五低压PMOS管M₁₅和第十六低压PMOS管M₁₆，用于对输入到运算放大器外部带隙基准模块输出的基准电压Vref进行电平移位；其中第十五低压PMOS管M₁₅，其漏极连接到地，其栅极作为运算放大器的反相输入端b，其源极连接到第八低压PMOS管M₈的漏极；第十六低压PMOS管M₁₆的漏极连接到地，其栅极作为运算放大器的同相输入端a，其源极连接到第九低压PMOS管M₉的漏极；

所述低压PMOS管M₁₁～M₁₄构成共源共栅电流镜结构；其中第十二低压PMOS管M₁₂与其自身的漏极和第十一低压PMOS管M₁₁的栅极相连，这两个低压PMOS管M₁₁和M₁₂的源极共同连接电源VDD，其漏极分别连接第十四低压PMOS管M₁₄与第十五低压PMOS管M₁₃的源极；第十三低压PMOS管M₁₃与其自身的漏极和第十四低压PMOS管M₁₄的栅极相连；

所述第十九低压NMOS管M₁₉和第二十二低压NMOS管M₂₂串联连接，其中第十九低压NMOS管M₁₉的栅极与其自身的漏极和第二十二低压NMOS管M₂₂栅极连接，第二十二低压NMOS管M₂₂的源极连接到地，其漏极连接第十九低压NMOS管M₁₉的源极，第十九低压NMOS管M₁₉的漏极连接第十低压PMOS管M₁₀的漏极；

所述的第十七低压NMOS管M₁₇和第十八低压NMOS管M₁₈，其栅极相连并连接到第十九低压NMOS管M₁₉的栅极，第十七低压NMOS管M₁₇的漏极连接第十三低压PMOS管M₁₃的漏极，第十八低压NMOS管M₁₈的漏极连接第十四低压NMOS管M₁₄的漏极，并作为运算放大器的输出端o；

所述第二十低压NMOS管M₂₀和第二十一低压NMOS管M₂₁，其源极共同连接到地，这两个低压NMOS管M20和M21，其栅极分别连接第十六低压NMOS管M₁₆的源极和第十五低压NMOS管M₁₅的源极，其漏极分别连接第十七低压NMOS管M₁₇的源极和第十八低压NMOS管M₁₈的源极；

所述第一电容C₁跨接于低压PMOS管M₁₅的栅极与低压PMOS管M₁₆的源极之间，作为运算放大器的补偿。

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