CN107422777A - Ptat电流源 - Google Patents

Ptat电流源 Download PDF

Info

Publication number
CN107422777A
CN107422777A CN201710342034.2A CN201710342034A CN107422777A CN 107422777 A CN107422777 A CN 107422777A CN 201710342034 A CN201710342034 A CN 201710342034A CN 107422777 A CN107422777 A CN 107422777A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fet
operational amplifier
current
resistance
source
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710342034.2A
Other languages
English (en)
Inventor
何力
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IPGoal Microelectronics Sichuan Co Ltd
Original Assignee
IPGoal Microelectronics Sichuan Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IPGoal Microelectronics Sichuan Co Ltd filed Critical IPGoal Microelectronics Sichuan Co Ltd
Priority to CN201710342034.2A priority Critical patent/CN107422777A/zh
Publication of CN107422777A publication Critical patent/CN107422777A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current
    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/56—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/575—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices characterised by the feedback circuit

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种PTAT电流源，其包括电压产生单元、运算放大器、电阻及电流镜像单元，一外部电压输入至所述电压产生单元，所述电压产生单元产生一正比于绝对温度的电压并输入至所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的正相输入端与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地，所述电流镜像单元分别与所述运算放大器的输出端及电阻的一端连接，以镜像流过所述电阻的电流，并输出PTAT电流。本发明的PTAT电流源具有更高的电流输出效率，降低了功耗和制造成本。

Description

PTAT电流源
技术领域
本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种PTAT电流源。
背景技术
PTAT(proportional to absolute temperature，与绝对温度成正比)电流源指的是输出电流大小与绝对温度(热力学温度)成正比例关系的电流源，即输出电流大小I(单位为安培)和其所在环境温度T(单位为开尔文)的关系满足I＝AT(A为固定常量)。PTAT电流源由于其独特的温度特性，经常以子电路的形式被用于集成电路设计领域。例如：作为温度传感器的核心单元：由于其输出电流与绝对温度成正比，因此可以通过某种机制，测量PTAT电流源输出电流大小，从而反映当前的环境温度；另外，作为运算放大器、比较器等集成电路模块提供偏置电流：通常情况下来讲，运算放大器、比较器等集成电路模块的某些性能(如开环增益，压摆率等)会随着温度的升高而降低，因此在温度较高时需要更大的偏置电流来补偿随温度升高而降低的电路性能，而PTAT电流源恰好满足该特性。
现有技术的PTAT电流源的结构如图1所示。其中，场效应管M1、M2、M3均为P型MOS管，三个场效应管M1、M2、M3的栅极连在一起，具有共同的栅源电压，因此可以近似认为三个场效应管M1、M2、M3具有相等的漏极输出电流，记为I1。运算放大器OP1使得场效应管M1、M2的漏极节点电压Vx1,Vx2相等(Vx1＝Vx2)，从而消除由于沟道长度调制效应引入的场效应管M1和M2的漏极输出电流的失配。Q1为单个PNP型BJT管，Q2为BJT管组，即为n个与Q1相同的BJT管并联后形成的组合BJT管，流入Q1和Q2发射极的电流均为I1,流入Q2中的单个BJT管的发射极电流为I1/n。其中，各个BJT管的发射极电位大小Ve与其发射极流入电流Ie近似满足以下关系：
上式中，Is表示BJT管的饱和电流，k为玻尔兹曼常量，T为绝对温度，q为单电子所带电荷量。
从图1的电路连接关系可以得出节点电压Vx1,Vx3满足以下关系:
Vx1-Vx3表示电阻R1两端电压，因此I1满足：
由于该电路输出电流大小等于I1,并且从上式可以看出I1满足与绝对温度成正比例关系的特征(比例系数为k*ln(n)/(q*R1))，因此该电路实现了输出PTAT电流的功能。
但是，现有技术的PTAT电流源采用了BJT器件，使得其在工艺厂流片时不能兼容标准的CMOS工艺，只能使用BiCMOS工艺生产。在电路总器件个数相同的情况下，BiCMOS工艺的成本较标准CMOS工艺更高。由于现有技术PTAT电流源中BJT管的存在，使得其制造成本较高。另外，为了得到一定大小的PTAT电流输出(例如大小为I1的电流,如图1所示),现有技术的PTAT电流源需要同时在图1中场效应管M1和M2的漏极处分别产生大小为I1的电流，加上输出电流，该电路总共的静态电流为3*I1(忽略运算放大器的静态电流)。电路电流输出的效率为I1/(3*I1)＝33.3％，使得有66.7％的静态电流被浪费掉了，从而增加了电路的功耗。
因此有必要提供一种可以增加电路电流输出的效率，在输出相同大小电流的情况下，电路消耗更低功耗的PTAT电流源来服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种PTAT电流源，本发明的PTAT电流源只需要MOS器件，且能兼容标准CMOS工艺，并且具有更高的电流输出效率，进一步降低了功耗和制造成本。
为实现上述目的，本发明提供一种PTAT电流源，其包括电压产生单元、运算放大器、电阻及电流镜像单元，一外部电压输入至所述电压产生单元，所述电压产生单元产生一正比于绝对温度的电压并输入至所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的正相输入端与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地，所述电流镜像单元分别与所述运算放大器的输出端及电阻的一端连接，以镜像流过所述电阻的电流，并输出PTAT电流。
较佳地，所述电压产生单元包括第一场效应管与第二场效应管，外部电压输入所述第一场效应管的漏极，第二场效应管的源极接地，所述第一场效应管的栅极、源极及第二场效应管的栅极、漏极共同连接并与所述运算放大器的反相输入端连接，以将生成的正比于绝对温度的电压输入至所述运算放大器的反相输入端。
较佳地，所述第一场效应管与第二场效应管为具有相同结构特征的N型场效应管。
较佳地，所述电流镜单元包括第三场效应管与第四场效应管，所述第三场效应管与第四场效应管的源极均与外部电源连接，所述第三场效应管与第四场效应管的栅极均与所述运算放大器的输出端连接，所述第三场效应管的漏极与所述电阻的一端连接，所述第四场效应管的漏极输出PTAT电流。
较佳地，所述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PTAT电流源，由于所述电压生成单元产生一正比于绝对温度的电压，由于运算放大器的“虚短”作用，使得运算放大器正相输入端的电压等于其指反相输入端的电；因此，流入电阻的电流大小满足PTAT特性；同时，通过电流镜单元，流入电阻的电流被镜像后输出PTAT电流；因此，在本发明的PTAT电流源电路中，除了PTAT电流外，只有一路流经电阻的静态电流，提高了电流源的效率。
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的实施例。
附图说明
图1为现有技术的PTAT电流源的电路结构图。
图2为本发明的PTAT电流源的电路结构图。
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PTAT电流源，本发明的PTAT电流源具有更高的电流输出效率，降低了功耗和制造成本。
请参考图2，图2为本发明的PTAT电流源的电路结构图。如图所示，本发明的PTAT电流原包括电压产生单元、运算放大器OP1、电阻R1及电流镜像单元；一外部电压VDD输入至所述电压产生单元，以使得所述电压产生单元产生一正比于绝对温度的电压Vx1并输入至所述运算放大器OP1的反相输入端，且流过所述电压产生单元的电流为I0；所述运算放大器OP1的正相输入端与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R1的另一端接地，所述电流镜像单元分别与所述运算放大器OP1的输出端及电阻R1的一端连接，以镜像流过所述电阻R1的电流I1，并输出PTAT电流I2，以使得I2＝I1。
具体地，请再参考图2。所述电压产生单元包括第一场效应管M1与第二场效应管M2，外部电压VDD输入所述第一场效应管M1的漏极，第二场效应管M2的源极接地，所述第一场效应管M1的栅极、源极及第二场效应管M2的栅极、漏极共同连接并与所述运算放大器OP1的反相输入端连接，以将生成的正比于绝对温度的电压Vx1输入至所述运算放大器OP1的反相输入端。且，作为本发明的优选实施例，所述第一场效应管M1与第二场效应管M2为具有相同结构特征的N型场效应管,从而使得第一场效应管M1的阈值电压Vth1与第二场效应管M2的阈值电压Vth2相同，即：Vth1＝Vth2。
进一步地，所述电流镜单元包括第三场效应管M3与第四场效应管M4，所述第三场效应管M3与第四场效应管M4的源极均与外部电源VDD连接，所述第三场效应管M3与第四场效应管M4的栅极均与所述运算放大器OP1的输出端连接，所述第三场效应管M3的漏极与所述运算放大器OP1的正相输入端连接，所述第四场效应管M4的漏极输出PTAT电流I2；也即整个电流镜像单元将所述电流I1镜像至所述四场效应管M4的漏极输出而形成PTAT电流I2；且所述第三场效应管M3及第四场效应管M4均为P型场效应管。
本发明PTAT电流源的所述电压生成单元产生一正比于绝对温度的电压Vx1，由于运算放大器OP1具有较大的直流增益，使得电路在稳定状态时，其正负输入端的电位之差近似为0，以形成“虚短”的功能结构；由于运算放大器OP1的“虚短”作用，使得运算放大器OP1正相输入端的电压Vx2等于电压Vx1，即Vx1＝Vx2；因此，流入电阻R1的电流大小I1＝Vx2/R1＝Vx1/R1，使得电流I1满足PTAT特性。通过P型场效应管M3、M4所构成的电流镜单元，电流I1被镜像至第四场效应管M4的漏极输出，形成PTAT电流I2输出，而且输出电流I2的大小等于I1，即I2＝I1＝Vx1/R1。
下面结合图2描述本发明PTAT电流源的工作原理。
由于N型的第一场效应管M1栅极和源极短接,因此其工作状态处于亚阈区，流经其沟道的电流I0的大小近似满足以下关系：
上式中p表示一与工艺有关的常量，μ表示电子迁移率，Cox为栅氧化层单位电容，W为第一场效应管M1的宽度，L为第一场效应管M1的长度，VT为热力学常用的热电压(大小约为26mV)，Vgs,Vth,Vsb分别表示第一场效应管M1的栅-源电压、阈值电压、源-衬电压，γ为体效应系数，m为亚阈区摆幅系数。
由于第一场效应管M1处于亚阈区且Vgs等于0，其电流大小I0的量级为皮安级别(10-12量级)，第二场效应管M2在如此小的电流作用下同样处于亚阈区,其沟道电流大小同样可以用上述公式表示。将电压Vx1设为未知量，由于第一场效应管M1与第二场效应管M2为串联关系，因此两场效应管的沟道电流大小相等，可以列出以下方程：
由于第一场效应管M1、第二场效应管M2均为相同工艺下的N管，可以认为Vth1＝Vth2,通过上述方程可以求解得到：
其中，
从上式中可以看出电压Vx1满足PTAT的特性，由于I1＝I2＝Vx1/R1，从而本发明的输出电流I1、I2也满足PTAT特性。
通过上述可知，由于本发明中流经第一场效应管M1、第二场效应管M2的静态电流I0大小为皮安级别，与通常情况下的输出电流I1大小相比可以忽略不计。因此在不考虑运算放大器OP1静态电流的情况下，因此，本发明的PTAT电流源电路中除了电流I1以外，只有一路流经电阻R1的静态电流I1,电路的电流输出效率为I1/(2*I1)＝50％，远远高于现有技术的PTAT电流源的效率。从而在相同电流输出的情况下，本发明的PTAT电流源具有更低的功耗；另外，因为本发明的PTAT电流源电路结构中只采用MOS管和电阻(运算放大器OP1同样可以只通过MOS管构成)，并未采用BJT管，所以可以采用标准CMOS工艺进行流片生产，制造成本更为低廉。
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 (5)

1.一种PTAT电流源，其特征在于，包括电压产生单元、运算放大器、电阻及电流镜像单元，一外部电压输入至所述电压产生单元，所述电压产生单元产生一正比于绝对温度的电压并输入至所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的正相输入端与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地，所述电流镜像单元分别与所述运算放大器的输出端及电阻的一端连接，以镜像流过所述电阻的电流，并输出PTAT电流。
2.如权利要求1所述的PTAT电流源，其特征在于，所述电压产生单元包括第一场效应管与第二场效应管，外部电压输入所述第一场效应管的漏极，第二场效应管的源极接地，所述第一场效应管的栅极、源极及第二场效应管的栅极、漏极共同连接并与所述运算放大器的反相输入端连接，以将生成的正比于绝对温度的电压输入至所述运算放大器的反相输入端。
3.如权利要求2所述的PTAT电流源，其特征在于，所述第一场效应管与第二场效应管为具有相同结构特征的N型场效应管。
4.如权利要求1所述的PTAT电流源，其特征在于，所述电流镜单元包括第三场效应管与第四场效应管，所述第三场效应管与第四场效应管的源极均与外部电源连接，所述第三场效应管与第四场效应管的栅极均与所述运算放大器的输出端连接，所述第三场效应管的漏极与所述电阻的一端连接，所述第四场效应管的漏极输出PTAT电流。
5.如权利要求4所述的PTAT电流源，其特征在于，所述第三场效应管及第四场效应管均为P型场效应管。
CN201710342034.2A 2017-05-16 2017-05-16 Ptat电流源 Pending CN107422777A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710342034.2A CN107422777A (zh) 2017-05-16 2017-05-16 Ptat电流源

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710342034.2A CN107422777A (zh) 2017-05-16 2017-05-16 Ptat电流源

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107422777A true CN107422777A (zh) 2017-12-01

Family

ID=60425902

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710342034.2A Pending CN107422777A (zh) 2017-05-16 2017-05-16 Ptat电流源

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107422777A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108170198A (zh) * 2017-12-20 2018-06-15 上海华虹宏力半导体制造有限公司 一种温度补偿的电流产生电路
CN109857183A (zh) * 2019-03-26 2019-06-07 成都锐成芯微科技股份有限公司 一种带温度补偿的基准电流源
CN112667017A (zh) * 2020-12-29 2021-04-16 上海华力微电子有限公司 并联的带隙基准电路

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030030492A1 (en) * 2001-07-13 2003-02-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Current mirror and differential amplifier for providing large current ratio and high output impedance
CN101533288A (zh) * 2009-04-09 2009-09-16 中国科学院微电子研究所 一种闭环曲率补偿cmos带隙基准电压源
CN101995301A (zh) * 2009-08-20 2011-03-30 上海华虹Nec电子有限公司 集成电路温度检测电路及其校准方法
CN102375468A (zh) * 2010-08-23 2012-03-14 联咏科技股份有限公司 能带隙参考电路及能带隙参考电流源

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030030492A1 (en) * 2001-07-13 2003-02-13 Samsung Electronics Co., Ltd. Current mirror and differential amplifier for providing large current ratio and high output impedance
CN101533288A (zh) * 2009-04-09 2009-09-16 中国科学院微电子研究所 一种闭环曲率补偿cmos带隙基准电压源
CN101995301A (zh) * 2009-08-20 2011-03-30 上海华虹Nec电子有限公司 集成电路温度检测电路及其校准方法
CN102375468A (zh) * 2010-08-23 2012-03-14 联咏科技股份有限公司 能带隙参考电路及能带隙参考电流源

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108170198A (zh) * 2017-12-20 2018-06-15 上海华虹宏力半导体制造有限公司 一种温度补偿的电流产生电路
CN108170198B (zh) * 2017-12-20 2020-01-10 上海华虹宏力半导体制造有限公司 一种温度补偿的电流产生电路
CN109857183A (zh) * 2019-03-26 2019-06-07 成都锐成芯微科技股份有限公司 一种带温度补偿的基准电流源
CN112667017A (zh) * 2020-12-29 2021-04-16 上海华力微电子有限公司 并联的带隙基准电路

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10599176B1 (en) Bandgap reference circuit and high-order temperature compensation method
CN106527572B (zh) 一种低功耗低温漂cmos亚阈值基准电路
CN107340796B (zh) 一种无电阻式高精度低功耗基准源
CN106959723A (zh) 一种宽输入范围高电源抑制比的带隙基准电压源
CN112987836B (zh) 一种高性能的带隙基准电路
CN102841629B (zh) 一种BiCMOS电流型基准电路
JP2008108009A (ja) 基準電圧発生回路
CN110320954B (zh) 一种基于凹凸曲率补偿的低温漂带隙基准电路
KR20100080958A (ko) 기준 바이어스 발생 회로
CN104156026B (zh) 一种无电阻全温补偿非带隙基准源
CN103488227A (zh) 一种带隙基准电压电路
CN109062310A (zh) 一种带高阶曲率补偿的低功耗带隙基准电路
CN105022441A (zh) 一种与温度无关的电流基准源
CN107992156A (zh) 一种亚阈值低功耗无电阻式基准电路
CN103309392A (zh) 一种二阶温度补偿的无运放全cmos基准电压源
CN107422777A (zh) Ptat电流源
GB2405707A (en) Low voltage bandgap reference circuit
CN109491433A (zh) 一种适用于图像传感器的基准电压源电路结构
CN111273722A (zh) 一种高电源抑制比的双环控制带隙基准电路
CN102809979B (zh) 一种三阶补偿带隙基准电压源
CN106020330A (zh) 低功耗电压源电路
CN111796624B (zh) 一种超高电源纹波抑制比cmos电压基准电路
CN106155171A (zh) 线性温度系数补偿的带隙电压基准电路
CN203870501U (zh) 一种与温度无关的集成电路电流基准源
CN106055007A (zh) 一种具有失调抑制和温度补偿的亚阈值cmos基准电压源电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20171201

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication