CN109857183A - 一种带温度补偿的基准电流源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带温度补偿的基准电流源，涉及集成电路设计领域。该带温度补偿的基准电流源包括温度系数调整电路、偏置电路、电流镜电路和输出电路；温度系数调整电路，用于调整基准电流源的温度系数；偏置电路，用于为温度系数调整电路提供偏置电压；电流镜电路，用于将调整后的基准电流源镜像至输出电路；输出电路，用于将调整后的基准电流源输出至负载；温度系数调整电路包括依次连接的第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管，温度系数调整电路通过分别预设第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管的沟道宽长比以调整基准电流源的温度系数。本发明采用较简单的电路实现了电流基准的温度补偿，减小了版图面积。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种带温度补偿的基准电流源。
背景技术
基准电流源在模拟集成电路中被广泛使用，它输出的电流为其他模块提供参考电流和驱动电流。在实际应用中，通常需要电流基准源与电源电压无关，部分应用中还需要电流基准源能满足低温度系数、低电压工作、低功耗等特性。因此，设计低温度系数、与电压无关的基准电流源成为电路应用的关键。
由于工艺限制，传统与电压无关的基准源一般采用负温度系数的poly电阻，这时基准电流为正温度系数，无法满足低温度系数基准电流源的要求。同时，当电路中需要小电流(nA级)时，一般需要较大的版图面积、使用较多类型的器件，才能得到需要的基准电流，增加了电路的成本。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种带温度补偿的基准电流源，旨在减小电路的版图面积和减少工艺的要求。
为实现上述目的，本发明提供一种带温度补偿的基准电流源，包括温度系数调整电路、偏置电路、电流镜电路和输出电路；
所述温度系数调整电路，用于调整所述基准电流源的温度系数；
所述偏置电路，用于为所述温度系数调整电路提供偏置电压；
所述电流镜电路，用于将调整后的基准电流源镜像至输出电路；
所述输出电路，用于将所述调整后的基准电流源输出至负载；
所述温度系数调整电路包括依次连接的第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管，所述第一场效应管连接于所述电流镜电路、所述第三场效应管连接于所述偏置电路，所述温度系数调整电路通过分别预设所述第一场效应管、所述第二场效应管和所述第三场效应管的沟道宽长比以调整所述基准电流源的温度系数。
优选地，所述温度系数调整电路还包括连接于所述第二场效应管和所述第三场效应管的第一电阻，所述温度系数调整电路通过分别预设所述第一电阻的阻值和所述第三场效应管的沟道宽长比、以调整所述基准电流源的温度系数。
优选地，所述第一场效应管、所述第二场效应管和所述第三场效应管为NMOS管，所述第一电阻的一端连接于所述第二场效应管的源极，所述第一电阻的另一端连接于所述第三场效应管的漏极；所述第一场效应管的栅极与所述第二场效应管的栅极相互连接；所述第一场效应管的漏极连接于所述电流镜电路、源极接地；所述第二场效应管的漏极连接于所述电流镜电路；所述第三场效应管的栅极连接于所述偏置电路、源极接地。
优选地，所述偏置电路包括第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管和第七场效应管；
所述第四场效应管连接于所述温度系数调整电路和第七场效应管，所述第七场效应管连接于所述电流镜电路，所述第五场效应管连接于所述第四场效应管和所述第六场效应管，所述第六场效应管接地。
优选地，所述第四场效应管、所述第五场效应管和所述第六场效应管为NMOS管，所述第七场效应管为PMOS管；
所述第四场效应管的栅极和漏极连接于所述第三场效应管，用于开启所述第三场效应管；所述第四场效应管的源极连接于所述第五场效应管的漏极和栅极；所述第五场效应管的源极连接于所述第六场效应管的漏极和栅极；所述第六场效应管的源极接地；所述第七场效应管的漏极连接于所述第四场效应管的漏极，所述第七场效应管的源极连接于电源、栅极分别连接于所述电流镜电路和所述输出电路。
优选地，所述电流镜电路包括栅极相互连接于的第八场效应管和第九场效应管，所述第八场效应管连接于所述温度系数调整电路、所述第九场效应管连接于所述输出电路。
优选地，所述第八场效应管和所述第九场效应管为PMOS管；
所述第八场效应管和所述第九场效应的源极连接于电源；所述第八场效应管的漏极连接于所述第一场效应管；所述第九场效应管的漏极和栅极连接于第二场效应管和输出电路。
优选地，所述输出电路包括第十场效应管，所述第十场效应管为PMOS管；
所述第十场效应管的栅极连接于所述第七场效应管的栅极、所述第九场效应管的漏极；所述第十场效应管的源极连接于电源、漏极连接于负载。
优选地，所述第四场效应管、所述第五场效应管和所述第六场效应管为相同尺寸的场效应管，所述第七场效应管、所述第八场效应管、所述第九场效应管和所述第十场效应管为相同尺寸的场效应管。
优选地，所述第二场效应管的沟道宽长比是所述第一场效应管的沟道宽长比的预设倍数。
本发明技术方案利用第三场效应管的线性区电阻的正温度特性以及第一场效应管和第二场效应管迁移率的负温度特性以预设的比例权重叠加进行补偿，以使本发明可以使用简单的电路实现电流基准的温度补偿；同时，本发明通过设置第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管的沟道宽长比以调整所述基准电流源的温度系数，替代了传统电路中通过设置poly电阻调整负温度系数，减小了版图面积。
附图说明
图1为本发明带温度补偿的基准电流源的电路原理示意图；
图2为本发明实施例的电路原理示意图；
图3为本发明另一实施例的电路原理示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明提供一种带温度补偿的基准电流源，用于为负载提供近似零温度的基准电流源。
在第一实施例中：
如图1所示，该带温度补偿的基准电流源包括温度系数调整电路、偏置电路、电流镜电路和输出电路；所述温度系数调整电路，用于调整所述基准电流源的温度系数；所述偏置电路，用于为所述温度系数调整电路提供偏置电压；所述电流镜电路，用于将调整后的基准电流源镜像至输出电路；所述输出电路，用于将所述调整后的基准电流源输出至负载；所述温度系数调整电路包括依次连接的第一场效应管NM1、第二场效应管NM2和第三场效应管NM3，所述第一场效应管NM1连接于所述电流镜电路、所述第三场效应管NM3连接于所述偏置电路，所述温度系数调整电路通过分别预设所述第一场效应管NM1、所述第二场效应管NM2和所述第三场效应管NM3的沟道宽长比以调整所述基准电流源的温度系数。
本发明实施例利用第三场效应管NM3的线性区电阻的正温度特性以及第一场效应管NM1和第二场效应管NM2迁移率的负温度特性以预设的比例权重叠加进行补偿，以使本发明可以使用简单的电路实现电流基准的温度补偿；同时，通过设置第一场效应管NM1、第二场效应管NM2和第三场效应管NM3的沟道宽长比以调整所述基准电流源的温度系数，替代了传统电路中通过设置poly电阻调整负温度系数，减小了版图面积。
如图2所示，所述温度系数调整电路还包括连接于所述第二场效应管NM2和所述第三场效应管NM3的第一电阻R1，所述温度系数调整电路通过分别预设所述第一电阻R1的阻值和所述第三场效应管NM3的沟道宽长比、以调整所述基准电流源的温度系数。
具体地，所述第二场效应管NM2的沟道宽长比是所述第一场效应管NM1的沟道宽长比的预设倍数K，K为大于1的整数。通过同时调整第一场效应管NM1和第二场效应管NM2的沟道宽长比，即可改变输出的基准电流源的中心值。
所述第一场效应管NM1、所述第二场效应管NM2和所述第三场效应管NM3为NMOS管，所述第一电阻R1的一端连接于所述第二场效应管NM2的源极，所述第一电阻R1的另一端连接于所述第三场效应管NM3的漏极；所述第一场效应管NM1的栅极与所述第二场效应管NM2的栅极相互连接；所述第一场效应管NM1的漏极连接于所述电流镜电路、源极接地；所述第二场效应管NM2的漏极连接于所述电流镜电路；所述第三场效应管NM3的栅极连接于所述偏置电路、源极接地。
优选地，所述偏置电路包括第四场效应管NM4、第五场效应管NM5、第六场效应管NM6和第七场效应管PM3；
所述第四场效应管NM4连接于所述温度系数调整电路和第七场效应管PM3，所述第七场效应管PM3连接于所述电流镜电路，所述第五场效应管NM5连接于所述第四场效应管NM4和所述第六场效应管NM6，所述第六场效应管NM6接地。
优选地，所述第四场效应管NM4、所述第五场效应管NM5和所述第六场效应管NM6为NMOS管，所述第七场效应管PM3为PMOS管；
所述第四场效应管NM4的栅极和漏极连接于所述第三场效应管NM3，用于开启所述第三场效应管NM3；所述第四场效应管NM4的源极连接于所述第五场效应管NM5的漏极和栅极；所述第五场效应管NM5的源极连接于所述第六场效应管NM6的漏极和栅极；所述第六场效应管NM6的源极接地；所述第七场效应管PM3的漏极连接于所述第四场效应管NM4的漏极，所述第七场效应管PM3的源极连接于电源、栅极分别连接于所述电流镜电路和所述输出电路。
优选地，所述电流镜电路包括栅极相互连接于的第八场效应管PM1和第九场效应管PM2，所述第八场效应管PM1连接于所述温度系数调整电路、所述第九场效应管PM2连接于所述输出电路。
优选地，所述第八场效应管PM1和所述第九场效应管PM2为PMOS管；
所述第八场效应管PM1和所述第九场效应的源极连接于电源；所述第八场效应管PM1的漏极连接于所述第一场效应管NM1；所述第九场效应管PM2的漏极和栅极连接于第二场效应管NM2和输出电路。
优选地，所述输出电路包括第十场效应管PM4，所述第十场效应管PM4为PMOS管；
所述第十场效应管PM4的栅极连接于所述第七场效应管PM3的栅极、所述第九场效应管PM2的漏极；所述第十场效应管PM4的源极连接于电源、漏极连接于负载。
优选地，所述第四场效应管NM4、所述第五场效应管NM5和所述第六场效应管NM6为相同尺寸的场效应管，所述第七场效应管PM3、所述第八场效应管PM1、所述第九场效应管PM2和所述第十场效应管PM4为相同尺寸的场效应管。
在具体实施例中，如图2所示，第三场效应管NM3的驱动电压可通过等式（一）计算：
，
其中Vgs3为第三场效应管NM3的栅源电压，Vgs4为第四场效应管NM4的栅源电压，Vgs5 为第五场效应管NM5的栅源电压，Vgs6为第六场效应管NM6的栅源电压。
在小电流情况下，MOS管过驱动电压很小，为便于计算分析忽略过驱动电压，近似假设： ，，其中，VTH3为第三场效应管NM3的阈值电压，VTH4为第四场效应管NM4的阈值电压。
则，第三场效应管NM3的电流可通过等式二计算：
（二），
其中，μ为第三场效应管NM3的迁移率，Cox为第三场效应管NM3的栅氧化层的电容密度，Wn3为第三场效应管NM3的沟道宽度，Ln3为第三场效应管NM3的沟道长度，为第三场效应管NM3的沟道宽长比，VDS3为第三场效应管NM3的漏源电压。
由于，则等式二可简化为等式三：
（三）；
第三场效应管NM3的等效电阻值RNM3通过等式四计算：
（四）；
将RNM3带入等式三，即可得到基准源电流的计算等式：
其中，WN为第一场效应管NM1和第二场效应管NM2的沟道宽度，LN为第一场效应管NM1和第二场效应管NM2的沟道长度，K为第二场效应管NM2的宽长比与第一场效应管NM1的宽长比之比，K为大于1的正整数。
由于，，， ，在大部分CMOS工艺中，调整合适的，以及第一电阻R1的阻值，即能得到适当的基准源电流，并且实现电流的温度补偿。
如图3所示，在另一实施例中：
该带温度补偿的基准电流源包括温度系数调整电路、偏置电路、电流镜电路和输出电路；所述温度系数调整电路，用于调整所述基准电流源的温度系数；所述偏置电路，用于为所述温度系数调整电路提供偏置电压；所述电流镜电路，用于将调整后的基准电流源镜像至输出电路；所述输出电路，用于将所述调整后的基准电流源输出至负载；所述温度系数调整电路包括依次连接的第一PMOS管PM10、第二PMOS管PM20和第三PMOS管PM30，所述第一PMOS管PM10连接于所述电流镜电路、所述第三PMOS管PM30连接于所述偏置电路，所述温度系数调整电路通过分别预设所述第一PMOS管PM10、所述第二PMOS管PM20和所述第三PMOS管PM30的沟道宽长比以调整所述基准电流源的温度系数。
所述温度系数调整电路还包括连接于所述第二PMOS管PM20和所述第三PMOS管PM30的第二电阻R2，所述温度系数调整电路通过分别预设所述第二电阻R2的阻值和所述第三PMOS管PM30的沟道宽长比、以调整所述基准电流源的温度系数。
具体地，所述第二PMOS管PM20的沟道宽长比是第一PMOS管PM10的沟道宽长比的预设倍数K，K为大于1的正整数。通过同时调整第一PMOS管PM10和第二PMOS管PM20的沟道宽长比，即可改变输出的基准电流源的中心值。。
所述第二电阻R2的一端连接于第一PMOS管PM10的源极、另一端连接于第三PMOS管PM30的漏极，所述第一PMOS管PM10和第二PMOS管PM20的漏极连接于电流镜电路；所述第一PMOS管PM10和第二PMOS管PM20的栅极相互连接；所述第二PMOS管PM20和第三PMOS管PM30的源极连接于电源；所述第三PMOS管PM30的栅极连接于偏置电路。
电流镜电路包括栅极相互连接的第一NMOS管NM10、第二NMOS管NM20；第一NMOS管NM10的漏极连接于栅极和第一PMOS管PM10的漏极，第一NMOS管NM10的源极接地；第二NMOS管NM20的漏极连接于第二PMOS管PM20的漏极和栅极，第二NMOS管NM20的源极接地。
偏置电路包括第四PMOS管PM40、第五PMOS管PM50、第六PMOS管PM60和第三NMOS管NM30；第四PMOS管PM40的栅极和漏极连接于第三PMOS管PM30的栅极，第四PMOS管PM40的漏极连接于第三NMOS管NM30的漏极，第四PMOS管PM40的源极连接于第五PMOS管PM50栅极和漏极；第五PMOS管PM50的源极连接于第六PMOS管PM60的栅极和漏极，第六PMOS管PM60的源极连接于电源；第三NMOS管NM30的栅极连接于第二NMOS管NM20的栅极、源极接地。
输出电路包括第七PMOS管PM70，第七PMOS管PM70的栅极连接于第二PMOS管PM20的漏极，第七PMOS管PM70的源极连接于电源、漏极连接于负载。
第四PMOS管PM40、第五PMOS管PM50、第六PMOS管PM60为相同尺寸的PMOS管；第一NMOS管NM10、第二NMOS管NM20和第三NMOS管NM30为相同尺寸的NMOS管。
应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变 换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述基准电流源包括温度系数调整电路、偏置电路、电流镜电路和输出电路；
所述温度系数调整电路，用于调整所述基准电流源的温度系数；
所述偏置电路，用于为所述温度系数调整电路提供偏置电压；
所述电流镜电路，用于将调整后的基准电流源镜像至输出电路；
所述输出电路，用于将所述调整后的基准电流源输出至负载；
所述温度系数调整电路包括依次连接的第一场效应管、第二场效应管和第三场效应管，所述第一场效应管连接于所述电流镜电路、所述第三场效应管连接于所述偏置电路，所述温度系数调整电路通过分别预设所述第一场效应管、所述第二场效应管和所述第三场效应管的沟道宽长比以调整所述基准电流源的温度系数。
2.根据权利要求1所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述温度系数调整电路还包括连接于所述第二场效应管和所述第三场效应管的第一电阻，所述温度系数调整电路通过分别预设所述第一电阻的阻值和所述第三场效应管的沟道宽长比、以调整所述基准电流源的温度系数。
3.根据权利要求2所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述第一场效应管、所述第二场效应管和所述第三场效应管为NMOS管，所述第一电阻的一端连接于所述第二场效应管的源极，所述第一电阻的另一端连接于所述第三场效应管的漏极；所述第一场效应管的栅极与所述第二场效应管的栅极相互连接；所述第一场效应管的漏极连接于所述电流镜电路、源极接地；所述第二场效应管的漏极连接于所述电流镜电路；所述第三场效应管的栅极连接于所述偏置电路、源极接地。
4.根据权利要求1所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述偏置电路包括第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管和第七场效应管；
所述第四场效应管连接于所述温度系数调整电路和第七场效应管，所述第七场效应管连接于所述电流镜电路，所述第五场效应管连接于所述第四场效应管和所述第六场效应管，所述第六场效应管接地。
5.根据权利要求4所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述第四场效应管、所述第五场效应管和所述第六场效应管为NMOS管，所述第七场效应管为PMOS管；
所述第四场效应管的栅极和漏极连接于所述第三场效应管，用于开启所述第三场效应管；所述第四场效应管的源极连接于所述第五场效应管的漏极和栅极；所述第五场效应管的源极连接于所述第六场效应管的漏极和栅极；所述第六场效应管的源极接地；所述第七场效应管的漏极连接于所述第四场效应管的漏极，所述第七场效应管的源极连接于电源、栅极分别连接于所述电流镜电路和所述输出电路。
6.根据权利要求4所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述电流镜电路包括栅极相互连接于的第八场效应管和第九场效应管，所述第八场效应管连接于所述温度系数调整电路、所述第九场效应管连接于所述输出电路。
7.根据权利要求6所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述第八场效应管和所述第九场效应管为PMOS管；
所述第八场效应管和所述第九场效应的源极连接于电源；所述第八场效应管的漏极连接于所述第一场效应管；所述第九场效应管的漏极和栅极连接于第二场效应管和输出电路。
8.根据权利要求7所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述输出电路包括第十场效应管，所述第十场效应管为PMOS管；
所述第十场效应管的栅极连接于所述第七场效应管的栅极、所述第九场效应管的漏极；所述第十场效应管的源极连接于电源、漏极连接于负载。
9.根据权利要求8所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述第四场效应管、所述第五场效应管和所述第六场效应管为相同尺寸的场效应管，所述第七场效应管、所述第八场效应管、所述第九场效应管和所述第十场效应管为相同尺寸的场效应管。
10.根据权利要求1所述的带温度补偿的基准电流源，其特征在于，所述第二场效应管的沟道宽长比是所述第一场效应管的沟道宽长比的预设倍数。
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