CN110568903B - 一种包含自偏置低压电流镜的高精度电流源 - Google Patents
一种包含自偏置低压电流镜的高精度电流源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种包含自偏置低压电流镜的高精度电流源，具有零温系数、宽工作电压范围，包括基准电流产生电路和自偏置电流镜。本发明对传统的串级电流镜和基准电流产生电路进行了改进，通过此设计可显著提高电流源输出电流的精确度、稳定性和抗温度干扰能力，普遍适用于模拟芯片的电流源设计。本发明可用于高精度电流源的设计，提高电流源输出电流的精确度、稳定性和抗温度干扰能力，并且可在低电源电压环境下正常工作。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种包含自偏置低压电流镜的高精度电流源。
背景技术
传统串级镜像电流源电路中采用一对的MOS管组成一对基本镜像电流源；另外一对为基本镜像电流源源端同时与基本电流源的漏端和栅极相接，源极和栅极相连并接入基准电流。4个MOS管特性对称且在正常工作状态的时候，均工作在饱和区。由于MOS管开启电压的关系，采用上述方式会增大串级镜相电流源所需要的最小输入电压，缩小了实际可应用范围。
基准电流的产生方式，较为常见的有采用电阻和二极管连接性器件产生基准电流，采用二极管连接型器件的NMOS管栅极和漏极接入电源电压，漏端接到串级镜相电流源。两者对电源电压的固有误差、电流镜MOS管参数不同、温度变化等引起的电流误差没有良好的自适应能力。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种包含自偏置低压电流镜的高精度电流源，涉及一种宽电压范围的高精度电流源和一种高抗干扰力的自偏置电流镜技术，本方案可用于低压电流源设计，提高电流源输出电流的精确度、稳定性和抗温度干扰能力的同时可在低电源电压环境下正常工作。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种包含自偏置低压电流镜的高精度电流源，包括基准电流源电路，以及与所述基准电流源电路连接的自适应电流镜电路。
本发明的有益效果是：本发明提供一种具有零温系数、宽电压范围的高精度自偏置电流镜，对传统的串级电流镜和基准电流产生电路进行了改进，通过此设计可显著提高电流镜输出电流的精确度、稳定性和抗温度干扰能力。
进一步地，所述基准电流源电路包括由限流电阻R1、限流电阻R2和BJT管T1构成分压子电路、基准电流电阻R3以及MOS管M1；
所述基准电流电阻R3的a3端分别与所述分压子电路以及所述MOS管M1的源极连接，所述MOS管M1的漏极与所述自适应电流镜电路连接，所述MOS管M1的栅极与所述分压子电路连接，所述基准电流电阻R3的b3端与所述分压子电路连接，并接地。
再进一步地，所述分压子电路将所述基准电流源电路的电压分成四个部分，其包括限流电阻R1的电压、BJT管T1集电极和基极之间的电压Ucb、BJT管T1基极和发射极之间的电压Ube和限流电阻R2的电压。
上述进一步方案的有益效果是：本发明采用分压电路控制基准电流电阻R3两端的电压，进而控制基准电流，分压电路流过电流值控制的较小的情况下，BJT管T1的基极与发射极之间基本无电流流过，根据电路分压关系即可得出基准电流控制电阻R3两端的电压，电压控制精确。
再进一步地，所述限流电阻R1的a1端连接电源VDD，限流电阻R1的b1端分别与BJT管T1的集电极以及MOS管M1的栅极连接，所述BJT管T1的基极分别与MOS管M1的源极以及基准电流控制电阻R3的a3端连接，所述BJT管T1的发射极与限流电阻R2的a2端连接，限流电阻R2的b2端与基准电流控制电阻R3的b3端连接并接地，所述MOS管M1的漏极与所述自适应电流镜电路连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中BJT管T1的基极和发射极之间的电压呈现出负温度系数，限流电阻R2上的电压呈现出正温度系数，合适的参数选用可使得两个电压相加值对温度变化呈现出零温度系数，本发明通过基准电流源产生精准的基准电流，其正常工作温度区间较大、应用范围较广。
再进一步地，所述自适应电流镜电路包括共源共栅电流镜，以及用于控制所述共源共栅电流镜工作状态的栅压控制电阻R4。
再进一步地，所述共源共栅电流镜包括CS放大子电路和CG放大子电路；
所述栅压控制电阻R4的a4端与所述CS放大子电路的MOS管栅端连接；
所述栅压控制电阻R4的b4端与所述CG放大子电路的MOS管栅端连接。
再进一步地，所述CS放大子电路包括MOS管M2和MOS管M3；所述CG放大子电路包括MOS管M4和MOS管M5；
所述MOS管M2的源极与所述MOS管M3的源极连接，并连接电源VDD，所述MOS管M2的栅极分别与所述MOS管M3的栅极、所述MOS管M4的漏极以及栅压控制电阻R4的a4端连接，所述MOS管M2的漏极与所述MOS管M4的源极连接，所述MOS管M4的栅极分别与所述MOS管M5的栅极以及栅压控制电阻R4的b4端连接，栅压控制电阻R4的b4端还与MOS管M1的漏极连接，所述MOS管M3的漏极与所述MOS管M5的源极连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中电流镜采用的是串级镜像电流源的连接方式，Iout1流过的电路为共源共栅结构，该结构可极大的抑制电路基准电流的波动，使用栅压控制电阻R4调节、控制电流镜的栅压，相比传统串级电流镜，更便于调节CS放大子电路和CG放大子电路的MOS电压裕度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，101-基准电流源电路，102-自适应电流镜电路。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例
如图1所示，本发明提供一种包含自偏置低压电流镜的高精度电流源，具有零温系数且工作电压范围宽，能普遍适用于模拟芯片的电流源的设计。在元件参数选择合适的情况下，该电流源可极大降低基准电流随温度的变化程度，有效降低基准电流波动，并且可适用于低压工作环境，其包括基准电流源电路101，以及与所述基准电流源电路101连接的自适应电流镜电路102，所述基准电流源电路101包括由限流电阻R1、限流电阻R2和BJT管T1构成分压子电路、基准电流电阻R3以及MOS管M1；所述基准电流电阻R3的a3端分别与所述分压子电路以及所述MOS管M1的源极连接，所述MOS管M1的漏极与所述自适应电流镜电路102连接，所述MOS管M1的栅极与所述分压子电路连接，所述基准电流电阻R3的b3端与所述分压子电路连接，并接地，所述分压子电路将所述基准电流源电路101的电压分成四个部分，其包括限流电阻R1的电压、BJT管T1集电极和基极之间的电压Ucb、BJT管T1基极和发射极之间的电压Ube和限流电阻R2的电压，所述限流电阻R1的a1端连接电源VDD，限流电阻R1的b1端分别与BJT管T1的集电极以及MOS管M1的栅极连接，所述BJT管T1的基极分别与MOS管M1的源极以及基准电流控制电阻R3的a3端连接，所述BJT管T1的发射极与限流电阻R2的a2端连接，限流电阻R2的b2端与基准电流控制电阻R3的b3端连接并接地，所述MOS管M1的漏极与所述自适应电流镜电路102连接，所述自适应电流镜电路102包括共源共栅电流镜，以及用于控制所述共源共栅电流镜工作状态的栅压控制电阻R4，所述共源共栅电流镜包括CS放大子电路和CG放大子电路；所述栅压控制电阻R4的a4端与所述CS放大子电路的栅端连接；所述栅压控制电阻R4的b4端与所述CG放大子电路的栅端连接，所述CS放大子电路包括MOS管M2和MOS管M3；所述CG放大子电路包括MOS管M4和MOS管M5；所述MOS管M2的源极与所述MOS管M3的源极连接，并连接电源VDD，所述MOS管M2的栅极分别与所述MOS管M3的栅极、所述MOS管M4的漏极以及栅压控制电阻R4的a4端连接，所述MOS管M2的漏极与所述MOS管M4的源极连接，所述MOS管M4的栅极分别与所述MOS管M5的栅极以及栅压控制电阻R4的b4端连接，栅压控制电阻R4的b4端还与MOS管M1的漏极连接，所述MOS管M3的漏极与所述MOS管M5的源极连接。
本实施例中，在所述的基准电流产生电路101中，MOS管M1的栅极与BJT管T1的集电极相接同时接到分压限流电阻R1的b1端，MOS管M1的源极与BJT管T1的基极相接同时接到基准电流控制电阻R3的a3端，BJT管T1管的发射极接到分压限流电阻R2的a2端，限流电阻R2的b2和基准电流控制电阻R3的b3端接到地，限流电阻R1的a1接到电源VDD。
本实施例中，在自偏置共源共栅电流镜102中，MOS管M2、MOS管M3等共源共栅电流镜共栅级的源极接在VDD上，栅极均接在栅压控制电阻R4的a4端，漏极分别接到MOS管M4、MOS管M5等共源共栅电流镜共源级的源极；共源共栅电流镜共源级的栅极均和栅压控制电阻R4的b4端同时接到基准电流部分的电流输出，共源级中MOS管M4的漏极与共源共栅电流镜的共栅级栅压连接到栅压控制电阻R4的a4端，除MOS管M4之外的其它共源级MOS管的漏极均输出镜相电流。
本实施例中，基准电流产生电路101用于产生精准的基准电流。理想温度条件下，由于在基准电流电路101的分压电路电阻实际选用时，采用的电阻较大，分压电路的电流被控制到了几微安，根据BJT管T1的基极电流-集电极比值关系，基极电流基本可以忽略不记。BJT管T1基极-集电极和R2与R3并联，基准电流控制电阻R3两端的电压强制等于限流电阻R2和BJT管T1的基极-发射极的电压之和。实际使用环境下，BJT管T1的基极发射极电压呈现负温度系数，而限流电阻R2上的电压呈现正温度系数，所以在限流电阻R2取值适合的情况下流过基准电流控制电阻R3的电流可以呈现出零温度系数。最终，基准电流产生电路101生成与温度、MOS管以及电阻等参数无关的电流，并将电流输出给自偏置串级镜像电流源102。
本实施例中，在基准电流产生电路101中，分压部分电阻应取较大，根据电源电压的大小，一般将分压电路的电流控制到几微安。分压限流电阻R1和限流电阻R2的比值根据电路设计能提供的电源电压大小确定，控制分压电路电流的同时保证自偏置电流镜有足够的电压调节余度。根据需要基准电流的值和BJT管T1基极-发射极之间的电压计算基准电流电阻的电阻值。
本实施例中，自偏置串级镜像电流源102接收基准电流产生电路101生成的基准电流，并将该电流镜像到后级电路。自偏置串级镜像电流源102栅极电压由栅压控制电阻R4决定，CS放大子电路的栅源电压差为MOS管M2、MOS管M4的源漏电压差之和，正常工作下基本电流源工作于饱和状态；栅压控制电阻R4通过调节MOS管M4的栅压使得CG放大子电路工作于饱和状态，在基准电流基本不变的情况下，CS放大子电路和CG放大子电路的栅压为定值，极大的提高了镜像电流源的输出电流稳定性。
本实施例中，为保证共源共栅电流镜的各个PMOS管的栅-源电压值均相同，各路所使用的PMOS管除宽长比不同之外，其余参数也应相同，共源共栅电流镜部分每条电路上的共源共栅结构的共栅部分和共源部分的PMOS管宽长比为常数且相等。同时根据基准电流和需要电流的比值确定IOUT1所在通路上的PMOS管与其它输出电路上同一位置的PMOS管尺寸比值。栅压控制电阻R4根据实际需要调整大小，必须保证电流镜内所有的PMOS管处于饱和状态之外。
本发明为宽电压的高精度电流镜技术，要求最后输出电流温度系数为零，BJT管T1在实际使用中基极与发射极之间的电压呈现出负温度系数，同时BJT管T1基极和发射极之间的电压Ube的变化引起分压电路电流的变化，限流电阻R2上的电压呈现出正温度系数。限流电阻R2的取值要能够保证在器件在规定的工作温度范围内，电路正温度系数与负温度系数引起的电流变化最后抵消。
综上所述，本发明整体电路电流控制到较小；分压电路、BJT管T1和NMOS管相互限制精确控制无温度变化时基准电流产生电阻两端电压；BJT管T1基极发射极之间电压呈现出的负温度系数与限流电阻R2呈现出的正温度系数相互抵消。上述三个方面的设计使得本发明提供的电流镜在输出电流精度和稳定性有极大提高的同时不随环境温度的变化发生改变。
Claims (4)
1.一种包含自偏置低压电流镜的高精度电流源，其特征在于，包括基准电流源电路(101)，以及与所述基准电流源电路(101)连接的自适应电流镜电路(102)；
所述自适应电流镜电路(102)包括共源共栅电流镜，以及用于控制所述共源共栅电流镜工作状态的栅压控制电阻R4；
所述共源共栅电流镜包括CS放大子电路和CG放大子电路；
所述栅压控制电阻R4的a4端与所述CS放大子电路的MOS管栅端连接；
所述栅压控制电阻R4的b4端与所述CG放大子电路的MOS管栅端连接；
所述CS放大子电路包括MOS管M2和MOS管M3；所述CG放大子电路包括MOS管M4和MOS管M5；
所述MOS管M2的源极与所述MOS管M3的源极连接，并连接电源VDD，所述MOS管M2的栅极分别与所述MOS管M3的栅极、所述MOS管M4的漏极以及栅压控制电阻R4的a4端连接，所述MOS管M2的漏极与所述MOS管M4的源极连接，所述MOS管M4的栅极分别与所述MOS管M5的栅极以及栅压控制电阻R4的b4端连接，栅压控制电阻R4的b4端还与MOS管M1的漏极连接，所述MOS管M3的漏极与所述MOS管M5的源极连接。
2.根据权利要求1所述的包含自偏置低压电流镜的高精度电流源，其特征在于，所述基准电流源电路(101)包括由限流电阻R1、限流电阻R2和BJT管T1构成分压子电路、基准电流电阻R3以及MOS管M1；
所述基准电流电阻R3的a3端分别与所述分压子电路以及所述MOS管M1的源极连接，所述MOS管M1的漏极与所述自适应电流镜电路(102)连接，所述MOS管M1的栅极与所述分压子电路连接，所述基准电流电阻R3的b3端与所述分压子电路连接，并接地。
3.根据权利要求2所述的包含自偏置低压电流镜的高精度电流源，其特征在于，所述分压子电路将所述基准电流源电路(101)的电压分成四个部分，其包括限流电阻R1的电压、BJT管T1集电极和基极之间的电压Ucb、BJT管T1基极和发射极之间的电压Ube和限流电阻R2的电压。
4.根据权利要求3所述的包含自偏置低压电流镜的高精度电流源，其特征在于，所述限流电阻R1的a1端连接电源VDD，限流电阻R1的b1端分别与BJT管T1的集电极以及MOS管M1的栅极连接，所述BJT管T1的基极分别与MOS管M1的源极以及基准电流控制电阻R3的a3端连接，所述BJT管T1的发射极与限流电阻R2的a2端连接，限流电阻R2的b2端与基准电流控制电阻R3的b3端连接并接地，所述MOS管M1的漏极与所述自适应电流镜电路(102)连接。
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| 一种低功耗高精度电流源设计;郭嘉诚;《通信电源技术》;20180425;第35卷(第4期);93-95,103 * |
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