CN111552343A - 一种低电压小电流偏置电流电路 - Google Patents

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    • G05F1/56—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
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Abstract

本发明公开了一种低电压小电流偏置电流电路，包括电流源电路、有源电阻MR和有源电阻控制电路，有源电阻控制电路产生控制信号Vmr，调节有源电阻MR的阻值大小和温度特性参数，实现对偏置电流的电流大小和温度特性的控制，本发明的低电压小电流偏置电流电路采用有源器件替代普通电阻，能够很好的兼容现有芯片工艺制程，节省芯片面积和MASK层次，具备良好的电流精度和PSRR性能，并可以灵活调节偏置电流的大小和温度特性。

Description

一种低电压小电流偏置电流电路
技术领域
本发明涉及半导体集成电路技术领域，具体是一种低电压小电流偏置电流电路。
背景技术
偏置电流电路作为产生整个电路系统偏置电流的重要部分，广泛应用于消费类电子器件，通信设备，工业控制系统和医疗器件中。随着便携式设备的广泛应用，低电源电压，以及低功耗的电路系统变的越来越重要。
图1给出了传统的三支路偏置电流电路的示意图，电路采用闭环工作方式，通过Mp2和Mb2组成的共源放大器控制偏置电流大小，能够在不增加cascade电路的情况下实现较高的PSRR和电流精度。电路可以通过调节Mb1和Mb2的宽长比的比例Nb和R1电阻值大小调节三支路偏置电流电路的电流大小。三支路偏置电流电路一般可以应用于产生uA级的偏置电流，但是如果需要实现nA级甚至更小的偏置电流，R1电阻值需要很大，会显著增大芯片面积；如果采用高阻poly电阻则需要增加多一层MASK，显著增加芯片成本。如果减小Mb1和Mb2的宽长比的比例Nb，则会增大电路器件工艺失配对偏置电流的影响，导致电路批量精度变差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低电压小电流偏置电流电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种低电压小电流偏置电流电路，包括电流源电路、有源电阻MR和有源电阻控制电路，有源电阻控制电路产生控制信号Vmr，调节有源电阻MR的阻值大小和温度特性参数，实现对偏置电流的电流大小和温度特性的控制。
作为本发明的进一步技术方案：所述电流源电路包括MOS管Mp1、MOS管Mp2、MOS管Mp3、MOS管Mb1、MOS管Mb2、MOS管Mb3和电容Cc。
作为本发明的进一步技术方案：所述有源电阻MR为MOS管MR。
作为本发明的进一步技术方案：所述有源电阻控制电路包括MOS管Ma1、MOS管Ma2、MOS管Mrr、MOS管Mp4、MOS管Mp6和MOS管Mp5。
作为本发明的进一步技术方案：所述MOS管Mp1的源极连接MOS管Mp2的源极、电源VDD和MOS管Mp3的源极，MOS管Mp1的栅极连接MOS管Mp2的栅极、MOS管Mb3的漏极和MOS管Mp3的栅极，MOS管Mp1的漏极连接MOS管Mb1的漏极、MOS管Mb1的栅极、MOS管Mtail的栅极和MOS管Mb2的栅极，MOS管Mp2的漏极连接MOS管Mb2的漏极、MOS管Mb3的栅极和电容Cc，MOS管Mb1的源极连接MOS管MR的漏极，MOS管MR的栅极连接MOS管Ma1的漏极和MOS管Mp5的漏极，MOS管Mp5的源极连接MOS管Mp6的源极、MOS管Mp4的源极和电源VDD，MOS管Mp5的栅极连接MOS管Mp6的栅极、MOS管Mp6的漏极和MOS管Mp2的漏极，MOS管Ma1的源极连接MOS管Ma2的源极和MOS管Mtail的漏极，MOS管Ma2的栅极连接MOS管Mrr的漏极、MOS管Mrr的栅极和MOS管Mp4的漏极。
作为本发明的进一步技术方案：所述MOS管Mrr和MOS管MR尺寸相同或成比例。
作为本发明的进一步技术方案：所述MOS管Mtail、MOS管Ma1、MOS管Ma2、MOS管Mp5和MOS管Mp6组成压差生成电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的低电压小电流偏置电流电路采用有源器件替代普通电阻，能够很好的兼容现有芯片工艺制程，节省芯片面积和MASK层次，具备良好的电流精度和PSRR性能，并可以灵活调节偏置电流的大小和温度特性。
附图说明
图1是传统的三支路偏置电流电路的示意图。
图2是低电压小电流偏置电流电路的原理示意图。
图3是低电压小电流偏置电流电路一种实现方式的示意图。
图4是低电压小电流偏置电流电路中有源电阻MOS管MR和参考MOS管Mrr的I-V特性曲线关系的示意图。
图5是低电压小电流偏置电流电路另一种实现方式的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，实施例1：一种低电压小电流偏置电流电路，包括电流源电路、有源电阻MR和有源电阻控制电路，有源电阻控制电路产生控制信号Vmr，调节有源电阻MR的阻值大小和温度特性参数，实现对偏置电流的电流大小和温度特性的控制。
电流源电路包括MOS管Mp1、MOS管Mp2、MOS管Mp3、MOS管Mb1、MOS管Mb2、MOS管Mb3和电容Cc。有源电阻MR为MOS管MR。有源电阻控制电路包括MOS管Ma1、MOS管Ma2、MOS管Mrr、MOS管Mp4、MOS管Mp6和MOS管Mp5。MOS管Mp1的源极连接MOS管Mp2的源极、电源VDD和MOS管Mp3的源极，MOS管Mp1的栅极连接MOS管Mp2的栅极、MOS管Mb3的漏极和MOS管Mp3的栅极，MOS管Mp1的漏极连接MOS管Mb1的漏极、MOS管Mb1的栅极、MOS管Mtail的栅极和MOS管Mb2的栅极，MOS管Mp2的漏极连接MOS管Mb2的漏极、MOS管Mb3的栅极和电容Cc，MOS管Mb1的源极连接MOS管MR的漏极，MOS管MR的栅极连接MOS管Ma1的漏极和MOS管Mp5的漏极，MOS管Mp5的源极连接MOS管Mp6的源极、MOS管Mp4的源极和电源VDD，MOS管Mp5的栅极连接MOS管Mp6的栅极、MOS管Mp6的漏极和MOS管Mp2的漏极，MOS管Ma1的源极连接MOS管Ma2的源极和MOS管Mtail的漏极，MOS管Ma2的栅极连接MOS管Mrr的漏极、MOS管Mrr的栅极和MOS管Mp4的漏极。MOS管Mrr和MOS管MR尺寸相同或成比例。MOS管Mtail、MOS管Ma1、MOS管Ma2、MOS管Mp5和MOS管Mp6组成压差生成电路。
MOS管MR为有源电阻，通过控制MOS管MR的栅极电压Vmr来调节有源电阻的阻值。有源电阻MOS管MR的迁移率为负温度特性。
MOS管Mrr和MOS管MR尺寸相同或成比例，用于产生参考电压Vmrr。
Mtail、Ma1、Ma2、Mp5和Mp6组成压差生成电路。Ma1和Ma2宽长比的比例为Na，从而MOS管MR的栅极电压Vmr和参考电压Vmrr之间产生一个差值dVgsa。dVgsa为正温度特性，由Ma1和Ma2宽长比的比例Na决定，和偏置电流大小以及工艺变化无关，Na越大dVgsa越大。
电流源电路中，Mb1和Mb2宽长比的比例为Nb，Mb1和Mb2的Vgs差值作为MOS管MR的漏极电压dVgsb。dVgsb为正温度特性，由Mb1和Mb2宽长比的比例Nb决定，和偏置电流大小以及工艺变化无关，Nb越大dVgsb越大。
如图4所示，为低电压小电流偏置电流电路中有源电阻MOS管MR和参考MOS管Mrr的I-V特性曲线关系的示意图。实线为有源电阻MOS管MR的电流Imr，虚线为参考MOS管Mrr的电流Imrr。由于MOS管MR的栅极电压Vmr和参考电压Vmrr的差值dVgsa和MOS管MR的漏极电压dVgsb基本不随偏置电流变化，所以电流Imr和电压Vmrr近似线性关系曲线，电流Imrr和电压Vmrr近似平方关系曲线或指数关系曲线。当电流Imr和Imrr的比例等于电流镜Mp1和Mp4的比例时，电路达到电路工作的稳态点。
通过调节Ma1和Ma2宽长比的比例Na、有源电阻MOS管MR的宽长比、Mb1和Mb2宽长比的比例Nb可以调节偏置电流的大小和温度特性。比例Na和比例Nb越大，有源电阻MOS管MR的宽长比越大，偏置电流越大；反之，偏置电流越小。有源电阻MOS管MR的宽长比越大，偏置电流的温度特性越偏向正温度系数特性；反之，偏置电流的温度特性越偏向负温度系数特性。
实施例2，在实施例1的基础上，如图5所示，为低电压小电流偏置电流电路另一种实现方式的示意图。有源电阻控制电路中的压差生成电路增加了运放第二级电路：共源放大管Mp7、补偿电容Cc2和电流镜Mmir。由于采用了两级运放，环路增益变大；并且差分对管Ma1和Ma2的漏级电压保持一致，从而可以在不增加cascade电路的情况下获得较高的PSRR和较低的工作电压。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种低电压小电流偏置电流电路，包括电流源电路、有源电阻MR和有源电阻控制电路，其特征在于，有源电阻控制电路产生控制信号Vmr，调节有源电阻MR的阻值大小和温度特性参数，实现对偏置电流的电流大小和温度特性的控制。
2.根据权利要求1所述的一种低电压小电流偏置电流电路，其特征在于，所述电流源电路包括MOS管Mp1、MOS管Mp2、MOS管Mp3、MOS管Mb1、MOS管Mb2、MOS管Mb3和电容Cc。
3.根据权利要求2所述的一种低电压小电流偏置电流电路，其特征在于，所述有源电阻MR为MOS管MR。
4.根据权利要求3所述的一种低电压小电流偏置电流电路，其特征在于，所述有源电阻控制电路包括MOS管Ma1、MOS管Ma2、MOS管Mrr、MOS管Mp4、MOS管Mp6和MOS管Mp5。
5.根据权利要求4所述的一种低电压小电流偏置电流电路，其特征在于，所述MOS管Mp1的源极连接MOS管Mp2的源极、电源VDD和MOS管Mp3的源极，MOS管Mp1的栅极连接MOS管Mp2的栅极、MOS管Mb3的漏极和MOS管Mp3的栅极，MOS管Mp1的漏极连接MOS管Mb1的漏极、MOS管Mb1的栅极、MOS管Mtail的栅极和MOS管Mb2的栅极，MOS管Mp2的漏极连接MOS管Mb2的漏极、MOS管Mb3的栅极和电容Cc，MOS管Mb1的源极连接MOS管MR的漏极，MOS管MR的栅极连接MOS管Ma1的漏极和MOS管Mp5的漏极，MOS管Mp5的源极连接MOS管Mp6的源极、MOS管Mp4的源极和电源VDD，MOS管Mp5的栅极连接MOS管Mp6的栅极、MOS管Mp6的漏极和MOS管Mp2的漏极，MOS管Ma1的源极连接MOS管Ma2的源极和MOS管Mtail的漏极，MOS管Ma2的栅极连接MOS管Mrr的漏极、MOS管Mrr的栅极和MOS管Mp4的漏极。
6.根据权利要求5所述的一种低电压小电流偏置电流电路，其特征在于，所述MOS管Mrr和MOS管MR尺寸相同或成比例。
7.根据权利要求5所述的一种低电压小电流偏置电流电路，其特征在于，所述MOS管Mtail、MOS管Ma1、MOS管Ma2、MOS管Mp5和MOS管Mp6组成压差生成电路。
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