CN108762358A - 一种电流源电路及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电流源电路及其实现方法，其特征在于，包括：第一电流产生电路，用于产生正温度系数电流或者零温度系数电流；第二电流产生电路，用于产生零温度系数电流或者正温度系数电流；通过对两种温度系数电流相减，再进行比例调整，然后与零温度系数电流相加，产生最终所需的输出电流。本发明能够产生任意温度系数的电流，也可以产生在全温度范围内具有两种温度系数的电流。本发明能满足后级电路对偏置电流的温度特性需求，其结构简单，能够利用较少的面积实现高性能电流源。

Description

一种电流源电路及其实现方法

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种电流源电路及其实现方法，特别是涉及一种任意温度系数电流源电路及其实现方法。

背景技术

常用的电流源电路是集成电路设计中非常重要的电路之一，它为芯片中其它模块的正常工作提供了必要的偏置电流，它的性能在很大程度上影响着芯片的整体性能。

现有电流源电路通常是产生具有固定正温度系数、固定负温度系数电流，或者对两种温度系数电流进行叠加，产生后级需要的近似零温度系数电流。

在实际应用中固定的正温度系数、负温度系数或者零温度系数电流，因为温度系数不变，在后级电路温度特性变化的情况下，这种电流源电路往往无法满足设计需要，或者温度系数过大、或者温度系数过小。因此，需要有任意温度系数的电流源，这样才能更好的匹配后级电路的温度特性需求。

发明内容

本发明目的是提供一种电流源电路及其实现方法，此电流源能够是任意温度系数或者在全温度范围内具有两种温度系数，用以满足后级电路对偏置电流的温度特性需求。其结构简单，能够利用较少的面积实现高性能电流源。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种能够产生任意温度系数特性的电流源电路，包括：第一电流产生电路，第二电流产生电路，第一比例电流电路，第二比例电流电路和第三比例电流电路，其中，

所述第一电流产生电路的输入端连接供电电压VDD，所述第一电流产生电路的输出端与所述的第一比例电流电路的输入端相连；所述的第一比例电流电路输出电流IP1；

所述第二电流产生电路的输入端连接供电电压VDD，所述第二电流产生电路的输出端的输出电流与所述的第一比例电流电路的输出电流IP1相减，并输出到第二比例电流电路的输入端，第二比例电流电路的输出端输出电流IP2；

所述第三比例电流电路的输入端接零温度系数电流，所述第三比例电流电路的输出端输出电流IP3；

所述第二比例电流电路的输出电流IP2与第三比例电流电路的输出电流IP3相加，并输出最终电流。

当所述第一电流产生电路为正温度系数电流电路时，所述的第二电流产生电路为零温度系数电流电路；

当所述第一电流产生电路为零温度系数电流电路时，所述的第二电流产生电路为正温度系数电流电路。

优选的，所述的正温度系数电流电路包括包括MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管NM1、MOS管NM2、电阻R1、三极管Q1和三极管Q2；

MOS管PM1的源极、MOS管PM2的源极、MOS管PM3的源极和MOS管PM4的源极连接到供电电压VCC，MOS管PM1的栅极、MOS管PM2的栅极、MOS管PM3的栅极和MOS管PM4的栅极相连接，MOS管PM2的漏极与MOS管PM2的栅极连接后接到MOS管NM2的漏极；MOS管PM1的漏极连接MOS管NM1的漏极，MOS管NM1的栅极分别与MOS管NM1的漏极、MOS管NM2的栅极相连接，MOS管NM1的源极连接到三极管Q1的发射极，MOS管NM2的源极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接三极管Q2的发射极；三极管Q1的基极连接三极管Q2的基极，三极管Q1的集电极与三极管Q2的集电极接地；MOS管PM3的漏极作为正温度系数电流电路的输出端输出电流IPTAT1，MOS管PM4的漏极输出正温度系数电流IPTAT2给所述的零温度系数电流电路。

优选的，所述零温度系数电流电路包括电阻R2、三极管Q3、运算放大器、MOS管NM3、电阻R3以及由MOS管PM5、MOS管PM6和MOS管PM7组成的电流镜像单元；

三极管Q3的基极与集电极接地，三极管Q3的发射极与电阻R2的一端相连；电阻R2的另一端与正温度系数电流IPTAT2相连，并输出到运算放大器的正向输入端；所述运算放大器的负向输入端与MOS管NM3的源极和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接地；所述运算放大器的输出端与MOS管NM3的栅极相连；所述MOS管NM3的漏极与MOS管PM5的漏极和MOS管PM5的栅极相连，MOS管PM5的栅极、MOS管PM6的栅极和MOS管PM7的栅极相连接，MOS管PM5的源极、MOS管PM6的源极与MOS管PM7的源极共同连接到供电电压VDD，MOS管PM6的漏极作为所述的零温度系数电流电路的输出端，MOS管PM7的漏极输出零温度系数电流给第三比例电流电路的输入端。

优选的，所述第一比例电流电路，由MOS管NM4和MOS管NM5镜像组成；MOS管NM4的源级和MOS管NM5的源极接地，MOS管NM4的漏极和栅极相连并作为第一比例电流电路的输入端；MOS管NM5的栅极接MOS管NM4的栅极，MOS管NM5的漏极输出电流IP1；

所述第二比例电流电路，由MOS管NM6和MOS管NM7镜像组成；MOS管NM6的源级和MOS管NM7的源级接地，MOS管NM6的漏极和栅极相连并作为第二比例电流电路的输入端；MOS管NM7栅极接MOS管NM6栅极，MOS管NM7的漏极输出电流IP2；

所述第三比例电流电路，由MOS管NM8和MOS管NM9镜像组成；MOS管NM9的源级和MOS管NM8的源级接地，MOS管NM9的漏极和栅极连接并作为第三比例电流电路的输入端；MOS管NM8栅极接MOS管NM9栅极，MOS管NM8的漏极输出IP3电流。

为达到上述目的，本发明还提供一种电流源电路的实现方法，实现任意正温度系数电流或者在全温度范围内具有两种温度系数的电流，包括如下步骤：

步骤一，正温度系数电流产生电路产生两路正温度系数电流IPTAT1和IPTAT2；

步骤二，将正温度系数电流IPTAT2输出到零温度系数电流产生电路，零温度系数电流产生电路产生两路零温度系数电流IZTC1和IZTC2；

步骤三，利用第一比例电流电路将零温度系数电流IZTC1镜像为电流IP1；并与正温度系数电流IPTAT1相减，得到电流IP21输入到第二比例电流电路的输入端；

步骤四，利用第二比例电流电路将所述IP21电流镜像为电流IP2；

步骤五，利用第三比例电流电路将零温度系数电流IZTC2镜像为电流IP3；所述IP2电流和IP3电流相加，产生并输出所述任意正温度系数电流或者在全温度范围内具有两种温度系数的电流。

实现任意负温度系数电流或者在全温度范围内具有两种温度系数的电流，包括如下步骤：

步骤一，正温度系数电流产生电路产生两路正温度系数电流IPTAT1和IPTAT2；

步骤二，将正温度系数电流IPTAT2输出到零温度系数电流产生电路，零温度系数电流产生电路产生两路零温度系数电流IZTC1和IZTC2；

步骤三，利用第一比例电流电路将正温度系数电流ITPAT1镜像为电流IP1；并与零温度系数电流IZTC1相减，得到电流IP21输入到第二比例电流电路的输入端；

步骤四，利用第二比例电流电路将所述IP21电流镜像为电流IP2；

步骤五，利用第三比例电流电路将零温度系数电流IZTC2镜像为电流IP3；所述IP2电流和IP3电流相加，产生并输出所述任意负温度系数电流或者在全温度范围内具有两种温度系数的电流。

与现有的技术相比，本发明所述的一种电流源电路及其实现方法通过正温度系数电流与零温度系数电流再组合产生所需的任意温度系数电流，电路实现简单，适用于后级各种不同温度系数电流的产生。

附图说明

图1为本发明第一实施例原理框图；

图2为本发明第一实施例电路结构图；

图3为本发明第一实施例具有两种温度系数的输出电流特性曲线图；

图4为本发明第一实施例正温度系数输出电流特性曲线图；

图5为本发明第二实施例电路结构图；

图6为本发明第二实施例具有两种温度系数的输出电流特性曲线图；

图7为本发明第二实施例负温度系数输出电流特性曲线图。

具体实施方式

第一实施例

图1是本发明实施例提供的一种电流源电路原理框图。如图1所示，包括第一电流产生电路10，第二电流产生电路11，第一比例电流电路12，第二比例电流电路13，第三比例电流电路14，电流相减节点13A，电流相加节点14A。

第一电流产生电路10输出零温度系数第一电流IZTC1和第三电流IZTC2；第二电流产生电路输出与温度成正比例的第二电流IPTAT1；第一比例电流电路将第一电流IZTC1配置成需要的比例系数后，输出IP1电流；第二电流IPTAT1与第一比例电流电路输出IP1汇集于节点13A，相减并输出IP21电流到第二比例电流电路。第二比例电流电路将IP21电流配置成需要的比例系数后，输出IP2电流。第三比例电流电路将第三电流IZTC2配置成需要的比例系数后，输出IP3电流。IP2电流与IP3电流汇集于节点14A，相加后输出所需正温度系数电流IOUT。

图2是第一实施例的电路结构图。如图2所示，第二电流产生电路11，产生正温度系数电流IPTAT1和IPTAT2，包括MOS管PM1、PM2、PM3、PM4、NM1、NM2，电阻R1，三极管Q1和Q2。PM1的源极、PM2的源极、PM3的源极、PM4的源极连接到供电电压VCC，PM1的栅极、PM2的栅极、PM3的栅极、PM4的栅极相连接，PM2的漏极与PM2的栅极连接后接到NM2的漏极；PM1的漏极连接NM1的漏极，NM1的栅极分别与NM1的漏极、NM2的栅极相连接，NM1的源极连接到Q1的发射极，NM2的源极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接Q2的发射极；Q1的基极连接Q2的基极，Q1的集电极与Q2的集电极接地；PM3的漏极输出第二电流IPTAT1到电流相减节点13A，PM4的漏极输出电流IPTAT2给第一电流产生电路；其中PM1、PM2为PMOS管，NM1、NM2为NMOS管，其尺寸设置为PM1:PM2＝1:1；Q1和Q2尺寸设置为Q1:Q2＝1:N(N>1，N为整数)；设置PM3和PM4为PMOS管，单位比例镜像PM2电流PM2:PM3:PM4＝1:1:1(也可以根据需要设置不同比例电流)。输出电流IPTAT1和IPTAT2为

由上式可得，IPTAT1和IPTAT2为正温度系数电流。

如图2所示，第一电流产生电路10，产生零温度系数电流IZTC1和IZTC2。

第一电流产生电路10包括MOS管PM5、PM6、PM7、NM3、运算放大器OPA，电阻R2和R3、NPN三极管Q3，三极管Q3的基极和集电极接地，三极管Q3的发射极与R2的一端相连；R2的另一端连接电流IPTAT2，并连接到运算放大器正向输入端；所述运算放大器负向输入端与MOS管NM3的源极和R3的一端相连，R3的另一端接地；所述运算放大器输出端与NM3的管栅极相连；NM3的漏极与PM5的漏极和栅极相连，PM5的栅极、PM6的栅极、PM7的栅极相连接，PM5的源极、PM6的源极与PM7的源极共同连接到供电电压VDD，PM6的漏极输出第一电流IZTC1给第一比例电流电路的输入端，PM7的漏极输出第三电流IZTC2给第三比例电流电路的输入端。PM5管镜像到第六PMOS管和第七PMOS管，输出第一和第二零温度系数电流；所述第五PMOS管、第六PMOS管和第七PMOS管组成电流镜像单元。

第二电流产生电路产生与温度成正比例电流IPTAT2与电阻R2、三极管Q3组成电压基准电路；IPTAT2接R2电阻一端；R2电阻另一端接三极管Q3发射极，三极管Q3的基极和集电极接地；产生与温度成比例电压VREF1；

基准电压VREF1输出到运放OPA正向端，运放输出接NMOS管NM3栅极，NM3源级接电阻R3一端并输出到运放负相输入端，电阻R3另一端接地；N3漏极作为电流输出到电流镜像单元，电流镜像单元由PM5、PM6和PM7三个PMOS组成，器件尺寸按照1:1:1设置，输出电流IZTC1和IZTC2，其电流大小如下：

上式中R1、R2为同类型电阻，其温度特性相同；假设k'为与温度无关的系数。在不同的工艺中电阻R3温度特性也不相同，考虑到电阻的二阶温度系数影响很小，在此将其一阶近似为R3＝R×(1+tc1×(T-25))，其中R为电阻方阻值(常数)，tc1为电阻温度系数，T为温度(摄氏度)；tc1为正数时电阻为正温度系数特性，tc1为负数时电阻为负温度系数特性。

设置零温度系数产生电路中k'×T+V_BEQ3的温度系数和R3电阻温度系数相同，则可以得到零温度系数电流IZTC1和IZTC2。

如图2所示，第一比例电流电路12，由第四NMOS管NM4和第五NMOS管NM5组成。NM4的源级和NM5的源极接地，NM4的漏极和栅极相连并接第一电流产生电路电流IZTC1；NM5栅极接NM4栅极，NM5的漏极镜像输出IP1电流；NM4和NM5尺寸设置为NM4:NM5＝N1:M1，因此，输出电流IP1为

如图2所示，第二比例电流电路13，由第六NMOS管NM6和第七NMOS管NM7组成。NM6的源级和NM7的源级接地，NM6的漏极和栅极相连并接第二电流产生电路电流IPTAT1与第一比例电流电路输出IP1的电流相减节点13A；NM7栅极接NM6栅极，NM7的漏极镜像输出IP2电流；NM4和NM5尺寸设置为NM6:NM7＝N2:M2。因此，输出电流IP2为

如图2所示，第三比例电流电路14，由第八NMOS管NM8和第九NMOS管NM9组成。NM9的源级和NM8的源级接地，NM9的漏极和栅极连接并接第一电流产生电路电流IZTC2；NM8栅极接NM9栅极，NM8的漏极镜像输出IP3电流；NM8和NM9尺寸设置为NM8:NM9＝N3:M3，因此，输出电流IP3为

如图2所示，第二比例电流电路输出IP2与第三比例电流电路IP3汇集于节点14A，相加后输出电流IOUT

通过设置不同的N1、M1，可以得到不同温度特性的IP21电流：

通过设置不同的N2、M2，可以得到不同温度系数的IP2电流：

如图3所示，当温度为常温27℃时，设置设置不同比例的N2:M2、N3:M3，可以得到具有两种温度系数特性的输出电流IOUT。

如图4所示，当温度为低温-40℃时，设置设置不同比例的N2:M2、N3:M3，可以得到具有不同正温度系数特性的输出电流IOUT。

第二实施例

本发明另一种实施例。其结构框图与第一实施例相同，如图1。包括第一电流产生电路10，第二电流产生电路11，第一比例电流电路12，第二比例电流电路13，第三比例电流电路14，电流相减节点13A，电流相加节点14A。

与第一实施例不同之处在于，第一电流产生电路10产生正温度系数电流第一电流IPTAT1和电流IPTAT2；第二电流产生电路11产生零温度系数第二电流IZTC1和电流IZTC2；第一比例电流电路输入电流为第一电流IPTAT1；第二比例电流电路的输入电流IP21由第二电流产生电路输出IZTC1与第一比例电流电路输出IP1相减得到；第三比例电流电路输入电流IZTC2由第二电流产生电路生成。

输出电流IOUT仍然由IP2电流与IP3电流相加得到，输出电流IOUT为负温度系数电流。

图5是第二实施例的电路结构图。如图5所示，第一电流产生电路10为正温度系数电流产生电路，与实施例一第二电流产生电路结构相同，原理不再赘述。第二电流产生电路11为零温度系数电流产生电路与第一实施例第一电流产生电路相同，原理不再赘述。

如图5所示，第一比例电流电路12结构与第一实施例相同。其输入端接第一电流产生电路电流IPTAT1；NM4和NM5尺寸设置为NM4:NM5＝N1:M1，因此，输出电流IP1为

如图5所示，第二比例电流电路13结构与第一实施例相同。其输入接第二电流产生电路电流IZTC1与第一比例电流电路输出IP1的连接端13A；NM6和NM7尺寸设置为NM6:NM7＝N2:M2。因此，输出电流IP2为

如图5所示，第三比例电流电路14结构与第一实施例完全相同。其输出电流IP3为

如图5所示，第二比例电流电路输出IP2与第三比例电流电路IP3汇集于节点14A，相加后输出电流IOUT

通过设置不同的N1、M1，可以得到不同温度特性的IP21电流：

通过设置不同的N2、M2，可以得到不同温度系数的IP2电流：

如图6所示，当温度为常温27℃时，设置设置不同比例的N2:M2、N3:M3，可以得到具有两种温度系数特性的输出电流IOUT。

如图7所示，当温度为高温125℃时，设置设置不同比例的N2:M2、N3:M3，可以得到具有不同负温度系数特性的输出电流IOUT。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，比如增加电流修调功能，对电流镜像比例进行调整，对不同温度系数的拐点进行调整，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围，这里不再用实施例赘述，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种电流源电路，其特征在于：包括第一电流产生电路，第二电流产生电路，第一比例电流电路，第二比例电流电路和第三比例电流电路；

所述第一电流产生电路的输入端连接供电电压VDD，所述第一电流产生电路的输出端与所述的第一比例电流电路的输入端相连；所述的第一比例电流电路输出电流IP1；

所述第二电流产生电路的输入端连接供电电压VDD，所述第二电流产生电路的输出端的输出电流与所述的第一比例电流电路的输出电流IP1相减，并输出到第二比例电流电路的输入端，第二比例电流电路的输出端输出电流IP2；

所述第三比例电流电路的输入端接零温度系数电流，所述第三比例电流电路的输出端输出电流IP3；

所述第二比例电流电路的输出电流IP2与第三比例电流电路的输出电流IP3相加，并输出最终电流。

2.根据权利要求1所述的电流源电路，其特征在于：

当所述第一电流产生电路为正温度系数电流电路时，所述的第二电流产生电路为零温度系数电流电路；

当所述第一电流产生电路为零温度系数电流电路时，所述的第二电流产生电路为正温度系数电流电路。

3.根据权利要求2所述的电流源电路，其特征在于：所述的正温度系数电流电路包括包括MOS管PM1、MOS管PM2、MOS管PM3、MOS管PM4、MOS管NM1、MOS管NM2、电阻R1、三极管Q1和三极管Q2；

MOS管PM1的源极、MOS管PM2的源极、MOS管PM3的源极和MOS管PM4的源极连接到供电电压VCC，MOS管PM1的栅极、MOS管PM2的栅极、MOS管PM3的栅极和MOS管PM4的栅极相连接，MOS管PM2的漏极与MOS管PM2的栅极连接后接到MOS管NM2的漏极；MOS管PM1的漏极连接MOS管NM1的漏极，MOS管NM1的栅极分别与MOS管NM1的漏极、MOS管NM2的栅极相连接，MOS管NM1的源极连接到三极管Q1的发射极，MOS管NM2的源极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接三极管Q2的发射极；三极管Q1的基极连接三极管Q2的基极，三极管Q1的集电极与三极管Q2的集电极接地；MOS管PM3的漏极作为正温度系数电流电路的输出端输出电流IPTAT1，MOS管PM4的漏极输出正温度系数电流IPTAT2给所述的零温度系数电流电路。

4.根据权利要求3所述的电流源电路，其特征在于：所述零温度系数电流电路包括电阻R2、三极管Q3、运算放大器、MOS管NM3、电阻R3以及由MOS管PM5、MOS管PM6和MOS管PM7组成的电流镜像单元；

三极管Q3的基极与集电极接地，三极管Q3的发射极与电阻R2的一端相连；电阻R2的另一端与正温度系数电流IPTAT2相连，并输出到运算放大器的正向输入端；所述运算放大器的负向输入端与MOS管NM3的源极和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接地；所述运算放大器的输出端与MOS管NM3的栅极相连；所述MOS管NM3的漏极与MOS管PM5的漏极和MOS管PM5的栅极相连，MOS管PM5的栅极、MOS管PM6的栅极和MOS管PM7的栅极相连接，MOS管PM5的源极、MOS管PM6的源极与MOS管PM7的源极共同连接到供电电压VDD，MOS管PM6的漏极作为所述的零温度系数电流电路的输出端，MOS管PM7的漏极输出零温度系数电流给第三比例电流电路的输入端。

5.根据权利要求2所述的电流源电路，其特征在于：

所述第一比例电流电路，由MOS管NM4和MOS管NM5镜像组成；MOS管NM4的源级和MOS管NM5的源极接地，MOS管NM4的漏极和栅极相连并作为第一比例电流电路的输入端；MOS管NM5的栅极接MOS管NM4的栅极，MOS管NM5的漏极输出电流IP1；

所述第二比例电流电路，由MOS管NM6和MOS管NM7镜像组成；MOS管NM6的源级和MOS管NM7的源级接地，MOS管NM6的漏极和栅极相连并作为第二比例电流电路的输入端；MOS管NM7栅极接MOS管NM6栅极，MOS管NM7的漏极输出电流IP2；

所述第三比例电流电路，由MOS管NM8和MOS管NM9镜像组成；MOS管NM9的源级和MOS管NM8的源级接地，MOS管NM9的漏极和栅极连接并作为第三比例电流电路的输入端；MOS管NM8栅极接MOS管NM9栅极，MOS管NM8的漏极输出IP3电流。

6.一种电流源电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，正温度系数电流产生电路产生两路正温度系数电流IPTAT1和IPTAT2；

步骤二，将正温度系数电流IPTAT2输出到零温度系数电流产生电路，零温度系数电流产生电路产生两路零温度系数电流IZTC1和IZTC2；

步骤三，利用第一比例电流电路将零温度系数电流IZTC1镜像为电流IP1；并与正温度系数电流IPTAT1相减，得到电流IP21输入到第二比例电流电路的输入端；

步骤四，利用第二比例电流电路将所述IP21电流镜像为电流IP2；

步骤五，利用第三比例电流电路将零温度系数电流IZTC2镜像为电流IP3；所述IP2电流和IP3电流相加，产生并输出所述任意正温度系数电流或者在全温度范围内具有两种温度系数的电流。

7.一种电流源电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，正温度系数电流产生电路产生两路正温度系数电流IPTAT1和IPTAT2；

步骤二，将正温度系数电流IPTAT2输出到零温度系数电流产生电路，零温度系数电流产生电路产生两路零温度系数电流IZTC1和IZTC2；

步骤三，利用第一比例电流电路将正温度系数电流ITPAT1镜像为电流IP1；并与零温度系数电流IZTC1相减，得到电流IP21输入到第二比例电流电路的输入端；

步骤四，利用第二比例电流电路将所述IP21电流镜像为电流IP2；

步骤五，利用第三比例电流电路将零温度系数电流IZTC2镜像为电流IP3；所述IP2电流和IP3电流相加，产生并输出所述任意负温度系数电流或者在全温度范围内具有两种温度系数的电流。