CN108664070A - 低功耗温度补偿电流源电路 - Google Patents

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    • G05F1/46—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
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    • G05F1/565—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 sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor
    • G05F1/567—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 sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

一种用于电子标签的低功耗温度补偿电流源的电路，其特征在于，包括产生一个正温度电流的晶体管单元，和产生负温度补偿的温度控制单元，所述温度控制单元包括至少一个二极管D1，电流输入二极管D1产生一个随温度变化的电压值。本发明的二极管产生的负温度系数电压控制MOS管栅极形成正温度系数的电阻，实现了负温度特性的电流，与原有的正温度系数电流互补得到零温度系数的电流。可以在极低功耗条件下达到电流源的良好温度特性。

Description

低功耗温度补偿电流源电路
技术领域
本发明属于射频模拟识别技术领域，涉及电子标签的低功耗温度补偿技术。
背景技术
随着物联网的普及，电子标签得以广泛应用，高性能、低功耗的标签需求日益突出。传统的设计思路已经不能满足应用需求。其中低功耗下电子标签的电流源温度特性成为亟待解决的问题。
标签的性能优劣直接决定其应用范围的大小，特别是标签在不同温度下的性能表现尤为重要。如何控制标签在不同温度下均有良好的性能表现成为当前设计的一大难题。传统的温度补偿技术由于功耗的限制，在标签设计方面已经无法满足要求。电流源参考作为模拟电路设计中最重要的一部分，对功耗控制和芯片性能起着至关重要的作用。
如图1所示传统的温度补偿的电流电压结构采用三极管和运放的方式实现输出电流和电压的温度补偿。三极管和运放均需要较大的功耗才能实现良好的温度补偿，对于无源的电子标签无法满足要求。
本发明结合电子标签芯片的设计实现特点，给出相应的整体实现方案。
发明内容
本发明为解决上面提出的问题，提供了一种用于电子标签的低功耗温度补偿电流源电路，可以为电子标签提供低功耗温度补偿的电流源，在极低功耗条件下达到电子标签电流源的良好温度特性。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样的：
一种用于电子标签的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，包括产生一个正温度电流的晶体管单元，和产生负温度补偿的温度控制单元，所述温度控制单元包括至少一个二极管D1，电流输入二极管D1产生一个随温度变化的电压值。
所述二极管D1的结构可以是集成电路工艺中产生的任意类型的具有二极管特性的结构。
所述二极管D1为pn结、npn、pnp和MOS器件的二极管接法。
所述二极管D1产生的电压值控制所述温度控制单元的MOS管的栅极，通过调控MOS管的电阻值实现电流源的负温度特性。
所述MOS管的电阻与传统电阻串联或者并联的形式共同作用实现电流的零温度系数特性。
所述二极管D1产生的负温度系数电压控制MOS管栅极形成正温度系数的电阻，配合五管单元结构形成一个负温度系数的电流，最终实现整体电流的零温度系数。
所述晶体管单元的晶体管M1的栅端与晶体管M2、M3端连接，构成电流镜像，为二极管D1提供一个稳定的电流。
所述温度控制单元包括MOS管，MOS管栅极与二极管D1的负极相连，所述二极管D1产生的电压值控制所述温度控制单元的MOS管的栅极，通过调控MOS管的电阻值实现电流源的负温度特性。
所述MOS管的电阻与传统电阻串联或者并联的形式共同作用实现电流的零温度系数特性。
所述二极管D1产生的负温度系数电压控制MOS管栅极形成正温度系数的电阻，配合所述晶体管单元形成一个负温度系数的电流，最终实现整体电流的零温度系数。
本发明提供一种低功耗温度补偿电流源电路，二极管产生的负温度系数电压控制MOS管栅极形成正温度系数的电阻，配合五管单元结构形成一个负温度系数的电流，最终实现整体电流的零温度系数。本发明通过电压-电阻-电流之间的不同温度特性转换创新性的实现了负温度特性的电流，并且巧妙的与原有的正温度系数电流互补得到零温度系数系数的电流。在极低功耗条件下达到电子标签电流源的良好温度特性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：
图1表示传统的温度补偿电流电压电路示意图。
图2A表示根据本发明一个实施例的低功耗温度补偿电流源PMOS电路示意图；图2B表示根据本发明一个实施例的低功耗温度补偿电流源NMOS电路示意图。
图3表示根据本发明一个实施例的电流温度补偿原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
无源射频电子标签自身没有电源，工作所需能量来源于电磁场空间耦合，射频电路通过整流限幅等结构设计将空间的交流能量转变为芯片工作需要的直流电源，以激活芯片内部电路，完成标签和卡机之间的通讯。标签通过射频脉冲的变化进行命令的解调和数据传输，通过模拟模块和数字模块的配合接收指令完成数据存储、发送或其他操作。标签返回数据的方式是通过控制天线接口的阻抗，由阻抗变化改变天线的反射系数，从而对载波信号完成调制。整个工作过程需要空间电磁场供给能量完成通讯数据的双向传输。
由于无源电子标签的能量来源于电磁场空间耦合，而且在通讯过程中通过阻抗的变化完成数据的传输，标签的能量接收非常有限，需要对标签的模拟和数字电路进行全面的低功耗设计，以期满足各种应用场景的性能要求。
本发明提供了一种用于电子标签的低功耗温度补偿电流源电路，结合电子标签芯片设计中低功耗、小面积的特点，给出了一个低功耗带温度补偿的电流源的详细解决方案。
无源电子标签主要通过空间电场或电磁场的耦合获得能量，所以传统的产生电流源的电路结构大部分由于功耗过大而不能应用于该领域。本发明采用一种最简单的五管单元的电路结构来产生一个基本的电流源，如图1中M2～M5和R1构成的结构(M2’～M5’与R1’类似)。其中晶体管M2、M3构成PMOS电流镜，晶体管M4、M5构成NMOS电流镜，电阻R1与晶体管M4的源端连接，调整晶体管M4器件的工作状态。通过合理选择器件尺寸，可以得到一个正温度系数的电流源。考虑到电子标签中低功耗的应用特点，在电阻R1与晶体管M4、M5的相对尺寸选择上需要特别关注。晶体管M5器件通过二极管的连接结构，即MOS的栅漏短接，源端接地，保证在很大电流范围内晶体管M4端的栅极电压基本不变。电阻R1通过电阻负反馈的方式与晶体管M5分别控制晶体管M4器件的源端和栅端保证晶体管M4器件流过的电流维持在一个稳定值。
图2A和图2B中分别给出了PMOS输出电流和NMOS输出电流两种方式，两种结构均可以达到理想的温度补偿特性。
图2A表示根据本发明一个实施例的低功耗温度补偿电流源电路示意图，图中为PMOS输出电流方式。PMOS输出电流方式中电路是电流流出。
图2B表示根据本发明一个实施例的低功耗温度补偿电流源电路示意图，图中为NMOS输出电流方式。NMOS输出电流方式中电路是电流流入。
如图2A所示，晶体管M2、M3、M4、M5和电阻R1共同构成了一个基本的电流源产生单元；晶体管M1、二极管D1和晶体管M6构成了一个温度控制单元；通过两部分的配合产生一个理想的低功耗带温度补偿的PMOS输出电流源电路。NMOS电流输出结构与之类似。如图2B所示，晶体管M2’、M3’、M4’、M5’和电阻R1’共同构成了一个基本的电流源产生单元；晶体管M1’、二极管D1’和晶体管M6’构成了一个温度控制单元；通过两部分的配合产生一个理想的低功耗带温度补偿的NMOS输出电流源电路。
以下以图2A的PMOS输出电流方式为例进行说明。
晶体管M2和晶体管M3构成电流镜像保证两条支路电流维持固定比例，晶体管M5采用NMOS栅漏短接的结构，控制晶体管M4栅极电压在一个较小的范围内，通过晶体管M4与电阻R1配合控制电流在一个较小的范围内。
晶体管M1通过镜像晶体管M2的电流为二极管D1提供电流，保证二极管D1正常工作。晶体管M6栅极与二极管D1的正极相连，联合控制晶体管M6的温度特性，配合电流源产生单元得到一个理想温度的电流源输出。
电流输入一个二极管D1产生一个随温度变化的电压值。该二极管结构可以是集成电路工艺中产生的任意类型的具有二极管特性的结构。如pn结、npn、pnp和MOS器件的二极管接法等。二极管产生的电压值控制MOS器件的栅极，通过调控MOS管的电阻值实现电流源的负温度特性。MOS管的电阻与传统电阻串联或者并联的形式共同作用实现电流的零温度系数特性。这里的传统电阻例如指的是常见的电阻器。二极管产生的负温度系数电压控制MOS管栅极形成正温度系数的电阻，配合五管单元结构形成一个负温度系数的电流，最终实现整体电流的零温度系数。本发明通过电压-电阻-电流之间的不同温度特性转换创新性的实现了负温度特性的电流，并且巧妙的与原有的正温度系数电流互补得到零温度系数的电流。
通过对电路结构分析可知以上由晶体管M2～M5和电阻R1构成的五管单元结构产生的电流源为一个正温度系数的电流源。为了得到一个理想的零温度系数的电流输出，我们需要增加一个负温度系数的调整参数，使得电流输出随温度不变。为此我们增加了晶体管M1、二极管D1和晶体管M6部分用于实现这部分功能。晶体管M1的栅端与晶体管M2、M3端连接，构成电流镜像，为二极管D1提供一个稳定的电流。二极管D1器件的正极与晶体管M6器件的栅端连接，用于产生一个随温度变化的可控电压，晶体管M6器件的漏端与电阻R1串联，源端接地。这样晶体管M6器件的栅极电压随着温度变化控制着M6的电阻变化，该电阻值与电阻R1串联共同决定晶体管M4的源端电压范围，补偿产生的电流随温度的变化，得到一个理想的零温度系数变化的电流源。图3给出了电流温度补偿原理的示意图，在-40～85℃的温度范围内，由晶体管M2～M5和电阻R1构成的五管单元产生一条正温度系数的电流曲线。由晶体管M1、二极管D1和晶体管M6构成的部分产生一条负温度系数的电流曲线。合理选择两条曲线的变化趋势进行电流求和，得到在整个温度范围内电流基本不变的一条曲线。
电流源产生电路功耗很低，电流源不随温度变化，可以很好的应用于低功耗、带温度补偿的电流应用环境。本发明设计的低功耗温度补偿方法可以在极低功耗条件下达到标签电流源的良好温度特性，符合传统的芯片设计工艺，实现成本低，配置灵活、功耗极低，可以充分满足电子标签的应用需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种用于电子标签的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，包括产生一个正温度电流的晶体管单元，和产生负温度补偿的温度控制单元，所述温度控制单元包括至少一个二极管D1，电流输入二极管D1产生一个随温度变化的电压值。
2.如权利要求1所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述二极管D1的结构可以是集成电路工艺中产生的任意类型的具有二极管特性的结构。
3.如权利要求2所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述二极管D1为pn结、npn、pnp和MOS器件的二极管接法。
4.如权利要求3所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述温度控制单元包括MOS管，MOS管栅极与二极管D1的正极相连，所述二极管D1产生的电压值控制所述温度控制单元的MOS管的栅极，通过调控MOS管的电阻值实现电流源的负温度特性。
5.如权利要求4所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述MOS管的电阻与传统电阻串联或者并联的形式共同作用实现电流的零温度系数特性。
6.如权利要求5所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述二极管D1产生的负温度系数电压控制MOS管栅极形成正温度系数的电阻，配合所述晶体管单元形成一个负温度系数的电流，最终实现整体电流的零温度系数。
7.如权利要求6所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述晶体管单元的晶体管M1的栅端与晶体管M2、M3端连接，构成电流镜像，为二极管D1提供一个稳定的电流。
8.如权利要求3所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述温度控制单元包括MOS管，MOS管栅极与二极管D1的负极相连，所述二极管D1产生的电压值控制所述温度控制单元的MOS管的栅极，通过调控MOS管的电阻值实现电流源的负温度特性。
9.如权利要求8所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述MOS管的电阻与传统电阻串联或者并联的形式共同作用实现电流的零温度系数特性。
10.如权利要求9所述的低功耗温度补偿电流源电路，其特征在于，所述二极管D1产生的负温度系数电压控制MOS管栅极形成正温度系数的电阻，配合所述晶体管单元形成一个负温度系数的电流，最终实现整体电流的零温度系数。
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