CN110716605B - 基于运放正反馈机制的快速启动ptat电流源 - Google Patents
基于运放正反馈机制的快速启动ptat电流源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，包括包括正温度系数电压产生单元、电压钳位运算放大器、正反馈机制的运算放大器单元、正向反馈功能模块、电流镜负载单元；所提出的PTAT电流源产生电路无需采用特殊工艺，在传统CMOS工艺下即可实现高性能保证；正向反馈功能模块包括触发式模块和IFast电流源，触发式模块和IFast电流源相连用于对电路的快速启动。本发明公开的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源在保证性能的同时降低功耗，实现了电路的快速启动。
Description
技术领域
本发明属于模拟集成电路片上正温度电流技术领域，具体涉及一种基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源。
背景技术
现有片上PTAT电流源常采用带隙基准产生。电流源作为整个片上系统的电流供给模块，影响了整体芯片的功能，现有PTAT电流源多采用带隙基准型结构，利用两个二极管的电压差在片上电阻上产生的电压压降，生成与温度成正比的电流，旨在解决电路可靠性、高成本等问题。现有PTAT电流源着重对电路稳定的设计进行了大量研究工作，然而PTAT电流源的稳定性定性、响应速度还有功耗将决定整个电路的性能。电流源启动时的上电特性、响应时间是决定整个系统响应时间的重要限制因素。
因此，有必要提供一种快速启动的PTAT电流源设计，达到快速、稳定输出电流源的目的。
发明内容
本发明的目的是提供基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，解决了现有PTAT电流源响应速度慢、功耗高的问题。
本发明所采用的技术方案是，基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，电流源电路提出采用电压钳位型运算放大器和正反馈机制的运算放大器模块进行电压固定，降低基极-发射极电压之间的误差；电流源包括正温度系数电压产生单元、电压钳位运算放大器、正反馈机制的运算放大器单元、正向反馈功能模块、电流镜负载单元；所提出的PTAT电流源产生电路无需采用特殊工艺，在传统CMOS工艺下即可实现高性能保证；
正向反馈功能模块包括触发式模块和IFast电流源，触发式模块和IFast电流源相连用于对电路的快速启动。
本发明的其他特点还在于，
电流源电路包括二极管Q1、二极管Q2，二极管Q1和二极管Q2的基极、集电极分别互连后再交叉相连，二极管Q1和二极管Q2的集电极接地；二极管Q1的发射极还连接有电阻R1、电阻R1的另一端还分别连接有运算放大器A1和电阻R3，电阻R1与运算放大器A1的同相输入端相连；电阻R3的另一端还分别连接有运算放大器A2和电流镜负载单元，电阻R3与运算放大器A2的反相输入端相连；二极管Q2的发射极还连接有电阻R2，电阻R2另一端还分别连接运算放大器A2的同相输入端和电流镜负载单元，二极管Q2与运算放大器A1的反相输入端相连；
电流镜负载单元包括P型晶体管M1、M2、M3和M4；晶体管M1的漏极分别连接在电阻R3和运算放大器A2的反相输入端，晶体管M2的漏极分别连接在电阻R2和运算放大器A2的同相输入端；
P型晶体管M3与晶体管M4的源极均连接电源VDD，电源VDD和IFast电流源相连；IFast电流源连接触发式模块，触发式模块还分别与运算放大器A1和运算放大器A2的输出端相连，触发式模块同时连接正温度系数电压产生单元。
二极管Q1和二极管Q2由个数比为1:8或1:15的两组二极管接法的pnp双极晶体管产生。
正温度系数电压产生单元包括N型晶体管M5、M6和P型M7、M8，晶体管M5和晶体管M6的栅极均与触发式模块、运算放大器A1的输出端以及晶体管M6的栅极相连；晶体管M7和晶体管M8的源极连接电源VDD，晶体管M7的栅极与触发式模块相连；晶体管M7的漏极和栅极与晶体管M5的漏极连接、晶体管M8的漏极和栅极与晶体管M6的漏极连接；晶体管M5和晶体管M6的栅极相连、晶体管M5和晶体管M6的源极接地；运算放大器A1用于偏置两个二极管接法的晶体管M7和晶体管M8，将晶体管M7栅极偏置在合理的偏置电压V1下、将晶体管M8栅极偏置在合理的偏置电压V2下。
触发式模块包括快速启动模块和阈值判决模块，快速启动模块分别与运算放大器A2的输出端、IFast电流源相连；阈值判决模块连接晶体管M7的栅极，快速启动模块和阈值判决模块之间设置有能够导通与阻断偏置电压V1的阈值开关，阈值开关与运算放大器A1的输出端相连。
电压钳位运算放大器，用于钳位电阻R1上端口以及Q2发射极两端的电压；采用P型晶体管输入，降低电流噪声；采用折叠型运放结构，在保证运放增益的同时，提高输出摆幅；采用双端转单端型输出结构，实现输入信号的单端输出，并用于偏置电压的产生；输出端口采用P型二极管接法，进行合理的电压产生自偏置结构；输出端口短接正反馈运放输出端，实现快速启动模式—钳位模式的自适应转化。
正反馈机制的运算放大器单元其功能是对PTAT电流源的PMOS电流镜漏极电位进行采样感应，利用正反馈机制强行将两电位拉至合理电压值，开启电流源工作状态；在上电状态，正反馈运放即可工作，对PMOS电流镜的漏极电位进行采样，进行相应正反馈工作；在电源电压上电过程中，即使没有完全上电至最终电压，该正反馈机制即可进行工作；正反馈机制采用额外加速电流源，一旦形成反馈回路，加速电路收敛时间；当电路达到稳定状态后，将通过支路进行强行断开，使得正反馈回路不影响电路的正常工作状态。
电流镜负载单元采用PMOS型共源共栅结构，进一步降低负载模块对电流源的影响；采用的共源共栅结构，精确化复制电流源。
正温度系统电压产生单元用于产生一个与温度呈正比的电压，该正温度系数电压是通过版图严格对称，流过电流相等，且个数比为1:8的两个二极管接法的pnp双极晶体管产生的Vbe，利用两者的基极-发射极电压差产生正温度系数电压△Vbe。同时，利用两维共质心原理，最大化降低工艺掺杂、刻蚀涨落等影响。将该电压除以与温度相关性小的片上电阻，得到PTAT电流。
本发明通过对传统bipolar、电阻型PTAT电流源电路的改进，引入正反馈机制的运算放大器单元以及快充电流，在提高电流精度的同时，缩短电流源系统的建立时间，进而提高电路的鲁棒性能。
采用时分工作模式，对PTAT电流源的建立以及保持进行分段处理，即在电路建立过程中，采用快充模式，在电路建立起稳定工作状态时，自动切换为钳位比较模式。
本发明的有益效果是，基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源。相比于现有技术具有以下优势：
(1)采用两维共质心布局的二极管接法的pnp双极晶体管，用于生成两组抗工艺波动的Vbe电压。
(2)采用一种双端-单端的折叠型电压钳位运算放大器，在保证性能的同时降低功耗。
(3)采用正反馈机制的运算放大器和触发式模块，实现电路的快速启动，完成了高精度的电流源设计。
(4)采用多路高匹配电流经输出阵列，实现电流镜电流的比例输出。
附图说明
图1是本发明的电路原理示意电路图；
图2是本发明电压钳位运算放大器示意图；
图3是本发明具有正反馈机制的运算放大器单元示意图；
图4是本发明正向反馈功能模块示意图；
图5是本发明电流镜负载单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源电路结构如图1所示，电路提出采用电压钳位型运算放大器和正反馈机制的运算放大器模块进行电压固定，降低基极-发射极电压之间的误差；电流源包括正温度系数电压产生单元、电压钳位运算放大器、正反馈机制的运算放大器单元、正向反馈功能模块、电流镜负载单元；所提出的PTAT电流源产生电路无需采用特殊工艺，在传统CMOS工艺下即可实现高性能保证；
正向反馈功能模块包括触发式模块和IFast电流源，触发式模块和IFast电流源相连用于对电路的快速启动。
电流源电路包括二极管Q1、二极管Q2，二极管Q1和二极管Q2的基极、集电极分别互连后再交叉相连，二极管Q1和二极管Q2的集电极接地；二极管Q1的发射极还连接有电阻R1、电阻R1的另一端还分别连接有运算放大器A1和电阻R3，电阻R1与运算放大器A1的同相输入端相连；电阻R3的另一端还分别连接有运算放大器A2和电流镜负载单元，电阻R3与运算放大器A2的反相输入端相连；二极管Q2的发射极还连接有电阻R2，电阻R2另一端还分别连接运算放大器A2的同相输入端和电流镜负载单元，二极管Q2与运算放大器A1的反相输入端相连；
电流镜负载单元包括P型晶体管M1、M2、M3和M4；晶体管M1的漏极分别连接在电阻R3和运算放大器A2的反相输入端，晶体管M2的漏极分别连接在电阻R2和运算放大器A2的同相输入端；
P型晶体管M3与晶体管M4的源极均连接电源VDD，电源VDD和IFast电流源相连；IFast电流源连接触发式模块，触发式模块还分别与运算放大器A1和运算放大器A2的输出端相连，触发式模块同时连接正温度系数电压产生单元。
二极管Q1和二极管Q2由个数比为1:8或1:15的两组二极管接法的pnp双极晶体管产生。
正温度系数电压产生单元包括N型晶体管M5、M6和P型M7、M8，晶体管M5和晶体管M6的栅极均与触发式模块、运算放大器A1的输出端以及晶体管M6的栅极相连；晶体管M7和晶体管M8的源极连接电源VDD，晶体管M7的栅极与触发式模块相连；晶体管M7的漏极和栅极与晶体管M5的漏极连接、晶体管M8的漏极和栅极与晶体管M6的漏极连接；晶体管M5和晶体管M6的栅极相连、晶体管M5和晶体管M6的源极接地；运算放大器A1用于偏置两个二极管接法的晶体管M7和晶体管M8，将晶体管M7栅极偏置在合理的偏置电压V1下、将晶体管M8栅极偏置在合理的偏置电压V2下。
触发式模块包括快速启动模块和阈值判决模块，快速启动模块分别与运算放大器A2的输出端、IFast电流源相连；阈值判决模块连接晶体管M7的栅极，快速启动模块和阈值判决模块之间设置有能够导通与阻断偏置电压V1的阈值开关，阈值开关与运算放大器A1的输出端相连。
电压钳位运算放大器，用于钳位电阻R1上端口以及Q2发射极两端的电压；采用P型晶体管输入，降低电流噪声；采用折叠型运放结构，在保证运放增益的同时，提高输出摆幅；采用双端转单端型输出结构，实现输入信号的单端输出，并用于偏置电压的产生；输出端口采用P型二极管接法，进行合理的电压产生自偏置结构；输出端口短接正反馈运放输出端，实现快速启动模式—钳位模式的自适应转化。
正反馈机制的运算放大器单元其功能是对PTAT电流源的PMOS电流镜漏极电位进行采样感应，利用正反馈机制强行将两电位拉至合理电压值，开启电流源工作状态；在上电状态，正反馈运放即可工作，对PMOS电流镜的漏极电位进行采样，进行相应正反馈工作；在电源电压上电过程中，即使没有完全上电至最终电压，该正反馈机制即可进行工作；正反馈机制采用额外加速电流源，一旦形成反馈回路，加速电路收敛时间；当电路达到稳定状态后，将通过支路进行强行断开，使得正反馈回路不影响电路的正常工作状态。
电流镜负载单元采用PMOS型共源共栅结构，进一步降低负载模块对电流源的影响；采用的共源共栅结构，精确化复制电流源。
正温度系统电压产生单元用于产生一个与温度呈正比的电压，该正温度系数电压是通过版图严格对称，流过电流相等，且个数比为1:8的两个二极管接法的pnp双极晶体管产生的Vbe，利用两者的基极-发射极电压差产生正温度系数电压△Vbe。同时，利用两维共质心原理，最大化降低工艺掺杂、刻蚀涨落等影响。将该电压除以与温度相关性小的片上电阻，得到PTAT电流。
本发明的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源电路结构如图1所示，其中，二极管Q1，二极管Q2还有电阻R1构成PTAT电流源主要形式单元。Q1，Q2采用尺寸相同，但是数量不同的晶体管实现与温度成正相关的△Vbe电压的产生，可采用数量比例为8:1或者15:1实现，以确保版图共质心对称的良好设计要求。运放A1为电压钳位运算放大器，利用运放的负反馈回路，使得电阻R1的上端与Q2上端(发射极)电位相等。A1的输出端连接在NMOS管M5和M6的栅极，用于偏置两个二极管接法的晶体管M7和M8，对其栅极偏置在合理的偏置电压V1，V2下，进而反馈到PTAT电流生成电路中的M1-M4管。电阻R3与R2为附加电阻，用于对R1以及Q2上端(发射极)的dc隔离，同时保证正反馈机制的运算放大器A2的同相或反相输入端口处于合理的共模电压下。M1-M4为电流源，用于产生偏置Q1，Q2，R1-R3的偏置电流。触发式模块用于对电路的快速启动，运算放大器A2的输出端，IFast电流源还有偏置电压V1的连接均为触发式模块的输入信号，而连接到运算放大器A1输出端的互连线为触发式模块的输出信号。
如图2所示，电压钳位运算放大器A1采用一种双端-单端的折叠型电压钳位运算放大器；P型晶体管M9，M10为运放的输入管。其中，M9的栅极为负向输入，M10的栅极为正向输入。电流源IFast为输入管的尾电流，用以M9，M10的偏置。M11，M12为折叠运放的尾部电流，受V3电压的偏置，形成相应的电流。M13与M14为共源共栅结构，受V4电源电压偏置，M15-M18形成P型电流镜双转单负载，其中M15，M16受控制电压V5的偏置，而M17的栅极由M15的漏极提供偏置电压，形成自偏置结构。电路的整体功能是：当输入晶体管M9，M10对R1还有Q2的上端电压进行采样比较，并将误差结果送至M5，M6。最终通过M1-M4，M7-M8的环路形成负反馈回路并加载在A1的输入上，形成负反馈回路，稳定运算放大器A1两个输入端的电压，降低A1两个输入端的误差。
如图3所示的是具有正反馈机制的运算放大器单元示意图。P型晶体管M19，M20为该运算放大器的输入管，M21，M22为镜像电流负载。M23，M24为该运算放大器的使能模块，M25，M26为该运放的尾电流，其二极管连接的串联接法用于增大该尾电流的输出阻抗。电路的功能为：当M23，M24的栅极电压为高时，M24断开，M23输入深线性区，使得Vout端口短接在电源地上，电路不工作；当M23，M24的栅极电压为低的时候，M23处于关闭状态，M24进入深线性区，使得尾电流与两输入管短接，电路进行工作。运算放大器A2对P型晶体管M1，M2的栅极电压进行采集，并通过Vout端口进行误差输出，连接在如图1所示的触发式模块，实现钳位功能。
如图4所示的是正向反馈功能模块示意图。触发式模块用于对电路的快速启动，运算放大器A2的输出端，IFast电流源以及电压V1均为触发式模块的输入信号，而连接到A1输出端的互连线为触发式模块的输出信号。该模块的工作原理如下：当偏置电压V1小于触发模块内部的阈值判断模块的电压时，系统进入快速启动模式，运算放大器A2的输出、IFast电流源将与运算放大器A1输出端口互联，使得IFast电流源快速注入到运算放大器A1的输出节点A1,Vout，加速电路的启动工作；当偏置电压V1大于触发模块内部的阈值判断模块的电压时，进入稳定模式，触发式模块将接在空接端口，使得其与运算放大器A1的反馈断开，避免其影响整个环路的稳定。
如图5所示的是电流镜输出阵列。图中M27，M28构成一路电流镜，M29与M30构成另外一路，以此类推，可以有多路电流复制电路，如Mn，Mn+1所示。电路的工作原理如下：当PTAT电流经处于稳定后，偏置电压V2连接在M27，M29...Mn上，而偏置电压V1将连接在M28，M30...Mn+1上，这样电流就可以通过电流镜的复制，生成与晶体管M4呈比例的电流，而该比例取决于晶体管M28，M30...Mn+1与M4的宽长比。
Claims (8)
1.基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，其特征在于，电流源电路提出采用电压钳位型运算放大器和正反馈机制的运算放大器模块进行电压固定，降低基极-发射极电压之间的误差；所述电流源包括正温度系数电压产生单元、电压钳位运算放大器、正反馈机制的运算放大器单元、正向反馈功能模块、电流镜负载单元；所述正向反馈功能模块包括触发式模块和IFast电流源，所述触发式模块和IFast电流源相连用于对电路的快速启动；
所述电流源电路包括二极管Q1、二极管Q2，所述二极管Q1和二极管Q2的基极、集电极分别互连后再交叉相连，所述二极管Q1和二极管Q2的集电极接地；所述二极管Q1的发射极还连接有电阻R1、电阻R1的另一端还分别连接有运算放大器A1和电阻R3，所述电阻R1与运算放大器A1的同相输入端相连；所述电阻R3的另一端还分别连接有运算放大器A2和电流镜负载单元，所述电阻R3与运算放大器A2的反相输入端相连；所述二极管Q2的发射极还连接有电阻R2，所述电阻R2另一端还分别连接运算放大器A2的同相输入端和电流镜负载单元，所述二极管Q2与运算放大器A1的反相输入端相连；
所述的电流镜负载单元包括P型晶体管M1、M2、M3和M4；所述晶体管M1的漏极分别连接在电阻R3和运算放大器A2的反相输入端，所述晶体管M2的漏极分别连接在电阻R2和运算放大器A2的同相输入端；
所述P型晶体管M3与晶体管M4的源极均连接电源VDD，所述电源VDD和IFast电流源相连；所述IFast电流源连接触发式模块，所述触发式模块还分别与运算放大器A1和运算放大器A2的输出端相连，所述触发式模块同时连接正温度系数电压产生单元。
2.如权利要求1所述的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，其特征在于，所述二极管Q1和二极管Q2由个数比为1:8或1:15的两组二极管接法的pnp双极晶体管产生。
3.如权利要求1所述的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，其特征在于，所述正温度系数电压产生单元包括N型晶体管M5、M6和P型M7、M8，所述晶体管M5和晶体管M6的栅极均与触发式模块、运算放大器A1的输出端以及晶体管M6的栅极相连；所述晶体管M7和晶体管M8的源极连接电源VDD，所述晶体管M7的栅极与触发式模块相连；所述晶体管M7的漏极和栅极与晶体管M5的漏极连接、所述晶体管M8的漏极和栅极与晶体管M6的漏极连接；所述晶体管M5和晶体管M6的栅极相连、所述晶体管M5和晶体管M6的源极接地；所述运算放大器A1用于偏置两个二极管接法的晶体管M7和晶体管M8，将晶体管M7栅极偏置在合理的偏置电压V1下、将晶体管M8栅极偏置在合理的偏置电压V2下。
4.如权利要求3所述的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，其特征在于，所述触发式模块包括快速启动模块和阈值判决模块，所述快速启动模块分别与运算放大器A2的输出端、IFast电流源相连；所述阈值判决模块连接晶体管M7的栅极，所述快速启动模块和阈值判决模块之间设置有能够导通与阻断偏置电压V1的阈值开关，所述阈值开关与运算放大器A1的输出端相连。
5.如权利要求1所述的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，其特征在于，所述的电压钳位运算放大器，用于钳位电阻R1上端口以及Q2发射极两端的电压；采用P型晶体管输入，降低电流噪声；采用折叠型运放结构，在保证运放增益的同时，提高输出摆幅；采用双端转单端型输出结构，实现输入信号的单端输出，并用于偏置电压的产生；输出端口采用P型二极管接法，进行合理的电压产生自偏置结构；输出端口短接正反馈运放输出端，实现快速启动模式—钳位模式的自适应转化。
6.如权利要求1所述的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，其特征在于，所述正反馈机制的运算放大器单元其功能是对PTAT电流源的PMOS电流镜漏极电位进行采样感应，利用正反馈机制强行将两电位拉至合理电压值，开启电流源工作状态；在上电状态，正反馈运放即可工作，对PMOS电流镜的漏极电位进行采样，进行相应正反馈工作；在电源电压上电过程中，即使没有完全上电至最终电压，该正反馈机制即可进行工作；正反馈机制采用额外加速电流源，一旦形成反馈回路，加速电路收敛时间；当电路达到稳定状态后，将通过支路进行强行断开，使得正反馈回路不影响电路的正常工作状态。
7.如权利要求1所述的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，其特征在于，所述电流镜负载单元采用PMOS型共源共栅结构，进一步降低负载模块对电流源的影响；采用的共源共栅结构，精确化复制电流源。
8.如权利要求1所述的基于运放正反馈机制的快速启动PTAT电流源，其特征在于，所述正温度系统电压产生单元用于产生一个与温度呈正比的电压，该正温度系数电压是通过版图严格对称，流过电流相等，且个数比为1:8的两个二极管接法的pnp双极晶体管产生的Vbe，利用两者的基极-发射极电压差产生正温度系数电压ΔVbe，同时，利用两维共质心原理，最大化降低工艺掺杂、刻蚀涨落的影响，将该电压除以与温度相关性小的片上电阻，得到PTAT电流。
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