CN105468076B - 全cmos基准电流源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全CMOS基准电流源，包括启动电路和用于输出基准电流I_REF的基准电流产生电路。其中的基准电流产生电路包括4组由两个MOS管构成的电流镜结构，启动电路连接到基准电流产生电路中一个PMOS管的栅极，以在电源电压上电时对该栅极充电，以启动基准电流产生电路。基准电流产生电路输出与电源电压大小无关的基准电流；并且，通过调节基准电流产生电路中的元件参数，能够使得输出的基准电流具有低温漂系数。本发明电路结构简单，大大简化降低了常用带隙基准电流电路的复杂度，电路面积小，成本低，性能可靠，实现了低功耗设计，在正常工作时基准电流产生电路消耗的电流小，可以适用于不同的电路模块中，适用范围广。

Description

全CMOS基准电流源

技术领域

本发明涉及电流源，尤其涉及一种全CMOS基准电流源。

背景技术

偏置电流源是模拟集成电路中所必不可少的基本电路单元，广泛地应用于运算放大器、A/D转换器、D/A转换器以及其他模拟射频集成电路中，而偏置电流源的设计是基于一个已经存在的标准参考电流源的复制，然后再输出给系统的其他模块，因此高性能的模拟电路必须有一个高质量、高稳定性的基准电流源来支撑，它的性能会直接影响电路的功耗、电源抑制比、开环增益以及温度特性。

基准电流源是指在模拟集成电路中用来作为其他电路的电流基准的高精度、低温度系数的电流源。其最重要的一个指标是电流基准在宽温度范围内的工作稳定程度。基准电流的温漂系数表示输出基准电流随温度变化的情况，单位为ppm/℃，表示当温度变化1℃时，输出电流变化的百万分比。其计算公式为：

式中，T_C为基准电流源的温漂系数，I_MAX为基准电流最大值，I_MIN为基准电流最小值，I_MEAN为基准电流的平均值，T_MAX为温度的最大值，T_MIN为温度的最小值。

基准电流电路经常使用于各种电路模块中，而各种电路模块的工作电压会有所不同，因此基准电流电路还需要能在宽电源电压范围内工作，当电源电压发生变化时，输出的基准电流基本不变，基本不会随着电压的变化而发生变化。

基准电流还有一个非常重要的指标是功耗，其衡量标准是在电路正常工作的情况下静态电流的大小，为了满足各种不同电路的要求，通常会增加功耗，但是受到环境和电源电压的限制，有效的减小基准电流的功耗，依然是现在集成电路设计中需要不断努力研究的方向。

现在集成电路中使用最多的基准电流产生电路是带隙基准电流产生电路，利用双极晶体管的特性分别产生正温度系数和负温度系数的电流，然后通过合理配比因子相加得到零温度系数的基准电流。但是由于现有的CMOS工艺中的双极型器件的性能一般不好，而且带隙基准电路比较复杂，功耗比较大，集成电路设计中需要付出较大的代价。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种全CMOS基准电流源，降低传统带隙基准电流产生电路的复杂度，在宽电源电压范围内实现低功耗设计，产生低温漂系数的基准电流。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种全CMOS基准电流源，其特征在于，包括用于输出基准电流I_REF的基准电流产生电路，所述基准电流产生电路包括NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M8、第一电阻R1和第二电阻R2；所述PMOS管M3和所述PMOS管M4构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到电源电压；所述PMOS管M5和所述PMOS管M6构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到所述电源电压；所述PMOS管M6和所述PMOS管M8构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到所述电源电压；所述NMOS管M1和所述NMOS管M2构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，所述NMOS管M1的漏极与所述PMOS管M3的漏极相连，所述NMOS管M2的漏极与所述PMOS管M4的漏极相连，所述NMOS管M1的源极经过所述第一电阻R1接地，所述NMOS管M2的源极接地；所述PMOS管M5的漏极经过所述第二电阻R2接地；所述PMOS管的漏极输出所述基准电流I_REF。

进一步地，所述PMOS管M6的漏极连接到所述PMOS管M8的栅极。

进一步地，所述NMOS管M1的尺寸是所述NMOS管M2的尺寸的K倍；所述基准电流其中，μ_n是所述NMOS管M1、M2的电子迁移率，C_ox为所述NMOS管M1、M2的工艺参数，W/L为所述NMOS管M1、M2的尺寸宽长比，V_TH2为所述NMOS管M2的阈值电压。

进一步地，所述第一电阻R1和所述第二电阻R2皆为多晶硅电阻

进一步地，在温度T在参考温度T₀时，使得

其中，I_REF0为所述基准电流I_REF在参考温度T₀时的值，R₁₀为所述第一电阻R1在参考温度T₀时的值，R₂₀为所述第二电阻R2在参考温度T₀时的值，，μ_T0是的所述电子迁移率μ_n在参考温度T₀时的值，κ是所述NMOS管M2的阈值电压V_TH2的温度系数，β是多晶硅电阻的电阻温度系数。

进一步地，α等于1.5。

进一步地，基准电流产生电路还包括NMOS管M7、电容C1、第三电阻R3和第四电阻R4，所述NMOS管M7的漏极与所述PMOS管M6的漏极相连，所述NMOS管M7的源极经过所述第三电阻R3接地；所述NMOS管M7的栅极经过所述第四电阻R4和所述电容C1连接到所述PMOS管M5的漏极。

进一步地，所述全CMOS基准电流源还包括启动电路，所述启动电路连接到所述PMOS管M4的栅极，用于在所述电源电压上电时对所述PMOS管M4的栅极充电，以启动所述基准电流产生电路。

进一步地，所述启动电路包括PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11、NMOS管M12、第五电阻R5和第六电阻R6，所述PMOS管M9、所述PMOS管M10和所述PMOS管M11的源极连接到所述电源电压，所述PMOS管M9的栅极与漏极相连并通过所述第五电阻R5连接到所述NMOS管M12的漏极，所述NMOS管M12的栅极接VDD，所述NMOS管M12的源极接地，所述PMOS管M10的漏极通过所述第六电阻R6连接到所述PMOS管M9的漏极，所述PMOS管M10的栅极连接到所述PMOS管M4的栅极，所述PMOS管M11的栅极连接到所述PMOS管M10的漏极，所述PMOS管M11的漏极连接到所述NMOS管M2的漏极。

在本发明的较佳实施方式中，提供了一种全CMOS基准电流源，包括启动电路和基准电流产生电路，其中的基准电流产生电路包括4组由两个MOS管构成的电流镜结构。当电源电压上电时，启动电路启动基准电流产生电路，基准电流产生电路输出与电源电压大小无关的基准电流。并且，通过调节基准电流产生电路中的元件参数，能够使得输出的基准电流具有低温漂系数。

本发明的全CMOS基准电流源设计了低功耗、宽电源电压的CMOS基准电流产生电路，通过采用结构优化，使基准电流的产生与电源电压没有理论上的关系，由此实现宽电源电压设计。另外，本发明应用了启动电路在电源电压上电中启动基准电流产生电路，使得基准电流产生电路脱离非正常状态，但在基准电流产生电路正常工作时启动电路并不影响基准电流产生电路的工作状态。本发明具有以下优点：

1、电路结构简单，大大简化降低了常用带隙基准电流电路的复杂度，电路面积小，成本低，性能可靠；

2、电路实现低功耗设计，在正常工作时基准电流产生电路消耗的电流小；

3、利用负温度系数的晶体管阈值电压，负温度系数的晶体管电子迁移率，以及负温度系数的多晶硅电阻，产生了低温漂的基准电流。其中采用了两个负温度系数的多晶硅电阻，共有四个变量，可分别调整，提高了电路的设计自由度和灵活性，同时也保证了电路性能的实现；

4、由于基准电流的产生与电源电压没有关系，可以在宽的电源电压下正常工作，基准电流基本不随电源电压变化，因此可以适用于不同的电路模块中，适用范围广。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是在一个较佳的实施例中，本发明的全CMOS基准电流源的电路结构图。

图2显示了多晶硅电阻Rpoly和晶体管阈值电压Vth的温度特性。

图3显示了图1所示的全CMOS基准电流源对应的基准电流与温度的关系。

具体实施方式

如图1所示，在一个较佳的实施例中，本发明的全CMOS基准电流源包括用于输出基准电流I_REF的基准电流产生电路20和用于启动基准电流产生电路20的启动电路10。

基准电流产生电路20包括NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M8、第一电阻R1和第二电阻R2。其中，PMOS管M3和PMOS管M4构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到电源电压VDD；PMOS管M5和PMOS管M6构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到电源电压VDD；PMOS管M6和PMOS管M8构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到电源电压VDD；NMOS管M1和NMOS管M2构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，NMOS管M1的漏极与PMOS管M3的漏极相连，NMOS管M2的漏极与PMOS管M4的漏极相连，NMOS管M1的源极经过第一电阻R1接地，NMOS管M2的源极接地；PMOS管M6的漏极连接到PMOS管M8的栅极，PMOS管M5的漏极经过第二电阻R2接地；PMOS管的漏极输出基准电流I_REF。

NMOS管M1的尺寸是NMOS管M2的尺寸的K倍，NMOS管M1、M2的电子迁移率是μ_n，NMOS管M1、M2的工艺参数为C_ox，NMOS管M1、M2的尺寸宽长比为W/L，NMOS管M1、M2的阈值电压为V_TH1、V_TH2。第一电阻R1和第二电阻R2的阻值分别为R₁、R₂。

NMOS管M1、M2的栅极相连，因此有：

I₁、I₂分别为NMOS管M1、M2的源极处的电流。忽略晶体管的体效应影响，即有V_TH1＝V_TH2；由于PMOS管M3与M4构成电流镜结构，即有I₁＝I₂，因此化简(2)式可以得到：

第二电阻R2一端接在NMOS管M2的栅极，因此有其中I₄为第二电阻R2上的电流，V_G2为NMOS管M2的栅极电压。由于POMS管M5和M6构成电流镜结构，POMS管M8与M6也构成电流镜结构，因此输出的基准电流I_REF为：

I₃为PMOS管M7的源极处的电流。由流过NMOS管M2的电流可以得到NMOS管M2的栅极电压为：

再由(3)式可以化简(5)式得到NMOS管M2的栅极电压为：

因此，将式(6)代入式(4)并化简可以得输出的基准电流I_REF为：

这样就得到一个与电源电压VDD无关的输出基准电流。

式(7)中与温度有关的参数有R₁、R₂、NMOS晶体管的电子迁移率μ_n以及NMOS晶体管的阈值电压V_TH2。优选地，通过利用负温度系数的晶体管阈值电压Vth(如图2所示)，负温度系数的晶体管电子迁移率，以及负温度系数的多晶硅电阻的电阻Rpoly(如图2所示)，产生低温漂的基准电流。

具体地，第一电阻R1和第二电阻R2皆为多晶硅电阻，多晶硅电阻的电阻温度系数是β，R₁₀为第一电阻R1在参考温度T₀时的值，R₂₀为所述第二电阻R2在参考温度T₀时的值，有：

R₁＝R₁₀-βR₁₀(T-T₀)，R₂＝R₂₀-βR₂₀(T-T₀)。

NMOS管M2的阈值电压V_TH2的温度系数是κ，V_TH20电子迁移率为NMOS管M2的阈值电压V_TH2在参考温度T₀时的值，有V_TH2＝V_TH20-κ(T-T₀)。

μ_n在参考温度T₀时的值是μ_T0，有α为工艺参数，约等于1.5。由此可以得到电子迁移率的温度系数为：

可见，本发明中所用的多晶硅电阻是负温度系数的，晶体管的阈值电压是负温度系数的，NMOS管的电子迁移率也是负温度系数的，符合如图2所示的多晶硅电阻Rpoly以及晶体管的阈值电压Vth在不同温度下的仿真曲线图。这样，基准电流的一阶温度系数的计算公式可以表达为：

式中，I_REF0为参考温度T₀下的输出电流大小。对于具有负的温度系数β的第二电阻R2、具有负的温度系数β的第一电阻R1、具有正的温度系数的电子迁移率μ_n以及负温度系数的阈值电压V_TH2，在式(8)中只要合理的设计参数，将这四个参数的温度系数互相抵消，输出的基准电流I_REF的一阶温度系数就能够等于零，从而提高了输出的基准电流I_REF0的温度特性。

进一步地，如图1所示，基准电流产生电路20还包括NMOS管M7、电容C1、第三电阻R3和第四电阻R4。NMOS管M7的漏极与PMOS管M6的漏极相连，NMOS管M7的源极经过第三电阻R3接地；NMOS管M7的栅极经过第四电阻R4和电容C1连接到PMOS管M5的漏极。其中的第四电阻R4和电容C1构成基准电流产生电路20频率补偿电路部分。

由于NMOS管M2、PMOS管M7、PMOS管M6和PMOS管M5组成了一个负反馈环路，大大地提高了电源抑制比，可以增强输出基准电流I_REF的稳定性，扩大本发明的基准电流源的工作电压范围。同时，负反馈的引入有可能引起整个电路的不稳定，因此需要加入上述的频率补偿电路部分来稳定整个环路，稳定基准电流产生电路20。

启动电路10连接到基准电流产生电路20中的PMOS管M4的栅极，用于在电源电压VDD上电时对PMOS管M4的栅极充电，以启动基准电流产生电路20。具体地如图1所示，本实施例中的启动电路10包括PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11、NMOS管M12、第五电阻R5和第六电阻R6。其中，PMOS管M9、PMOS管M10和PMOS管M11的源极连接到电源电压VDD，PMOS管M9的栅极与漏极相连并通过第五电阻R5连接到NMOS管M12的漏极，NMOS管M12的栅极接VDD，NMOS管M12的源极接地，PMOS管M10的漏极通过第六电阻R6连接到PMOS管M9的漏极，PMOS管M10的栅极连接到PMOS管M4的栅极，PMOS管M11的栅极连接到PMOS管M10的漏极，PMOS管M11的漏极连接到NMOS管M2的漏极。

当电源电压VDD刚上电时，PMOS管M4和PMOS管M11的栅极均是低电位；然后，PMOS管M11和PMOS管M10导通，并分别对PMOS管M4和PMOS管M11的栅极进行充电，启动基准电流产生电路20工作，使其脱离可能的非正常工作区域。同时，PMOS管M9也是导通的，第五、六电阻R5、R6阻值较大(千欧姆级别，以减小启动电路的静态功耗)，通过它们分压，PMOS管导致M11的栅极可以达到电源电压VDD，从而关闭PMOS管M11、M10，不再对PMOS管M4充电，而不影响基准电流产生电路20的正常工作。

图3为输出的基准电流I_REF与温度的关系的仿真结果(本例中元件参数选用：C1＝2.1358pf、R1＝22.9547KΩ、R2＝45.9094KΩ、R3＝23.1621KΩ、R4＝21.7664KΩ、R5＝63.7618KΩ及R6＝1.4838KΩ，需要说明的是该电路在不同工艺下电容大小和电阻阻值的选取差异较大，具体电路应用建议结合实际情况选取)，从图中可以得到输出的I_REF的最大电流值为10.018192μA，输出的I_REF的最小电流值为9.938422μA，根据公式(1)可以求得本发明的全CMOS基准电流源输出的基准电流I_REF的温漂系数为63.95ppm/℃，可见其具有低温漂系数。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种全CMOS基准电流源，其特征在于，包括用于输出基准电流I_REF的基准电流产生电路；

所述基准电流产生电路包括NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M5、PMOS管M6、PMOS管M8、第一电阻R1和第二电阻R2；

所述PMOS管M3和所述PMOS管M4构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到电源电压；

所述PMOS管M5和所述PMOS管M6构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到所述电源电压；

所述PMOS管M6和所述PMOS管M8构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，它们的源极皆连接到所述电源电压；

所述NMOS管M1和所述NMOS管M2构成电流镜结构，它们的栅极彼此相连，所述NMOS管M1的漏极与所述PMOS管M3的漏极相连，所述NMOS管M2的漏极与所述PMOS管M4的漏极相连，所述NMOS管M1的源极经过所述第一电阻R1接地，所述NMOS管M2的源极接地；

所述PMOS管M5的漏极经过所述第二电阻R2接地；所述PMOS管M8的漏极输出所述基准电流I_REF；

所述PMOS管M6的漏极连接到所述PMOS管M8的栅极；

还包括NMOS管M7、电容C1、第三电阻R3和第四电阻R4，所述NMOS管M7的漏极与所述PMOS管M6的漏极相连，所述NMOS管M7的源极经过所述第三电阻R3接地；所述NMOS管M7的栅极经过所述第四电阻R4和所述电容C1连接到所述PMOS管M5的漏极；

还包括启动电路，所述启动电路连接到所述PMOS管M4的栅极，用于在所述电源电压上电时对所述PMOS管M4的栅极充电，以启动所述基准电流产生电路；其中所述启动电路包括PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11、NMOS管M12、第五电阻R5和第六电阻R6，所述PMOS管M9、所述PMOS管M10和所述PMOS管M11的源极连接到所述电源电压，所述PMOS管M9的栅极与漏极相连并通过所述第五电阻R5连接到所述NMOS管M12的漏极，所述NMOS管M12的栅极接VDD，所述NMOS管M12的源极接地，所述PMOS管M10的漏极通过所述第六电阻R6连接到所述PMOS管M9的漏极，所述PMOS管M10的栅极连接到所述PMOS管M4的栅极，所述PMOS管M11的栅极连接到所述PMOS管M10的漏极，所述PMOS管M11的漏极连接到所述NMOS管M2的漏极。

2.如权利要求1所述的全CMOS基准电流源，其中所述NMOS管M1的尺寸是所述NMOS管M2的尺寸的K倍；所述基准电流其中，μ_n是所述NMOS管M1、M2的电子迁移率，C_ox为所述NMOS管M1、M2的工艺参数，W/L为所述NMOS管M1、M2的尺寸宽长比，V_TH2为所述NMOS管M2的阈值电压；所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的阻值分别为R₁、R₂。

3.如权利要求2所述的全CMOS基准电流源，其中所述第一电阻R1和所述第二电阻R2皆为多晶硅电阻。

4.如权利要求3所述的全CMOS基准电流源，其中在温度T在参考温度T₀时，使得

$\frac{{\mathrm{dI}}_{REF}}{dT}{|}_{T=T_0}=I_{REF0}\·\mathrm{\β}+\frac{2}{{\mathrm{\μ}}_0{C}_{ox}{(W/L)}_N{R}_{10}{R}_{20}}(1-\frac{1}{\sqrt{K}})(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})-\frac{\mathrm{\κ}}{R_{20}}=0$

其中，I_REF0为所述基准电流I_REF在参考温度T₀时的值，R₁₀为所述第一电阻R1在参考温度T₀时的值，R₂₀为所述第二电阻R2在参考温度T₀时的值，μ_T0是的所述电子迁移率μ_n在参考温度T₀时的值，κ是所述NMOS管M2的阈值电压V_TH2的温度系数，β是所述多晶硅电阻的电阻温度系数。

5.如权利要求4所述的全CMOS基准电流源，其中α等于1.5。