CN111966158B - 一种互补式低漂移的恒流源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于模拟集成电路领域；涉及一种互补式低漂移的恒流源及其控制方法；所述恒流源包括等效电阻以及由NPN管和PNP管构成的互补电流镜；等效电阻产生相对恒定电流，并提供给互补电流镜和MOS电容；在NPN管和PNP管之间设置有MOS电容；上电瞬间，MOS电容通过交流短路拉低NPN管集电极的电位，从而PNP管的基极电位被拉低，使得上电时互补电流镜中各个PNP管快速导通；通过金属膜电阻对互补电流镜进行修调，互补电流镜通过反馈补偿的方式产生温漂较小的PTAT电流；由于互补电流镜结构的作用，电路内部自身形成了电流映射关系；可通过后期金属膜电阻激光修调来进行电流值控制，这也为实际生产提供了较好的解决方案。

Description

一种互补式低漂移的恒流源及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种互补式低漂移的恒流源及其控制方法，主要应用领域是模拟集成电路中的电流基准源。

背景技术

在运算放大器领域，电流基准源可以为芯片内各模块提供具有确定温度特性的参考偏置电流，主要为芯片内部提供一个稳定的参考工作电流。通常电流源结构为单端输出，且输出电流会受到电源纹波及温度变化的影响而出现波动，特别是在高精度电路中，电流源较大的波动会直接导致内部电路各个部分的参数特性变化，因此能够提供上下对称电流且具有低漂移特性的电流源尤为重要。

发明内容

本发明公开一种应用于电流源的互补式低漂移技术，其通过采用新型架构，通过片内方式产生一个恒定电流，然后通过温度补偿电路，可以显著提升电流源的抗电源纹波及温度变化影响的能力，同传统电流源结构相比，稳定性更高，可以在全频域使电流源拥有较小的工作电流及温漂离散性，同时满足电流源对于高集成度的要求。

在互补式低漂移恒流源设计中，针对常规恒流源实现方式存在的缺陷，本发明提出一种互补式低漂移的恒流源及其控制方法，以提升电流源稳定性。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

在本发明的第一方面，本发明提供了一种互补式低漂移的恒流源，所述恒流源包括等效电阻以及由NPN管和PNP管构成的互补电流镜；所述等效电阻产生相对恒定电流，并提供给互补电流镜和MOS电容；在一个NPN管和一个PNP管之间设置有所述MOS电容；所述MOS电容在上电瞬间通过交流短路拉低该NPN管集电极的电位，从而该PNP管的基极电位被拉低，使得所述互补电流镜中各个PNP管快速导通；通过金属膜电阻对所述互补电流镜进行修调，并以所述互补电流镜通过反馈补偿的方式产生温漂较小的PTAT电流。

进一步的，所述NPN管和所述PNP管均为纵向管，即所述NPN管为纵向NPN管，所述PNP管为纵向PNP管。

进一步的，所述等效电阻包括提供微电流的常规电阻、N沟道结型场效应管或者P沟道结型场效应管。

进一步的，所述第二纵向PNP管与第三纵向PNP管相同。

进一步的，所述金属膜电阻设置在等效电阻直接连接PNP管的发射极与上输出端之间或者在等效电阻没有直接连接的NPN的发射极与下输出端之间。

进一步的，所述金属膜电阻为低温漂的电阻，并可采用正负温度系数的不同类型来组合实现。

在本发明第一方面的基础上，在本发明的第二方面，本发明提供了一种互补式低漂移的恒流源控制方法，所述方法包括以下步骤：

等效电阻提供相对恒定电流，并输入到互补电流镜和MOS电容中；

在上电瞬间，所述MOS电容通过交流短路拉低NPN管集电极的电位，从而该PNP管的基极电位被拉低，让所述互补电流镜中各个PNP管快速导通；

所述互补电流镜通过金属膜电阻进行修调，调整所输出的PTAT电流的电流值大小。

互补式低漂移恒流源电路可以产生一个随电源变化和温度变化较小的电流值，为运算放大器内部输入级、增益级、输出级电路提供相对稳定的偏置电流，可以减小电源纹波和温度变化导致的电流值波动，提升电流源的稳定性。电流基准核采用传统NJFET、PJFET或者大电阻结构，能够产生一个与电压值关系很小的电流值，为后续的模块提供参考电流，互补电流镜用以形成温度补偿，稳定电流产生电路，使恒定电流产生电路更趋向于理想电流的特性。

本发明的有益效果：

本发明引入等效电阻与互补电流镜组合的结构。恒流源电路单元内部的等效电阻作为一个提供相对恒定小电流的大电阻来使用。与传统技术不同的是，本发明由于互补电流镜结构的作用，单元电路内部自身形成了电流映射关系。考虑到NFET、PFET电流可能随工艺波动存在一定的变化，而单元电路整体电流可通过后期进行电阻激光修调来控制，这也为实际生产提供了较好的解决方案。本发明所采用的互补式低漂移恒流源方案通过产生局部恒定电流产生，相较于传统方式，电路结构简单，稳定性好，应用适应性相对更加广泛。

附图说明

图1为一个实施例中的互补式低漂移的恒流源的结构框图；

图2为一个实施例中采用NJFET结构的互补式低漂移的恒流源的电路示意图；

图3为一个实施例中采用PJFET结构的互补式低漂移的恒流源的电路示意图；

图4为一个实施例中采用大电阻结构的互补式低漂移的恒流源的电路示意图；

图5为一个实施例中金属膜电阻位置发生调整后的互补式低漂移的恒流源的电路示意图；

图6为一个实施例中的互补式低漂移的恒流源的控制方法流程图。

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。

为了使本发明实现的技术手段、创作特征易于明白了解，结合附图，进一步说明本发明。

需要说明的是，由于本发明实施例关注的是信号的电流或电压，因此本文中以各模块/单元/器件所输入/输出的为电流或电压进行说明，本领域技术人员应当理解的是，实际上各模块/单元/器件所输入/输出的为电流或者电压信号。

图1是一个实施例中的互补式低漂移的恒流源的结构框图，如图1所示，在本实施例中，所述互补式低漂移的恒流源包括：

等效电阻以及由NPN管和PNP管构成的互补电流镜；所述等效电阻产生相对恒定电流，并提供给互补电流镜和MOS电容；在一个NPN管和一个PNP管之间设置有所述MOS电容；所述MOS电容，在上电瞬间通过交流短路拉低该NPN管集电极的电位，从而该PNP管的基极电位被拉低，使得所述互补电流镜中各个PNP管快速导通；通过金属膜电阻对所述互补电流镜进行修调，并以所述互补电流镜通过反馈补偿的方式产生温漂较小的PTAT电流。

其中，本发明的等效电阻是一个较大的等效电阻，其产生的恒定电流是一个相对于较小的电流；可以理解的是，本发明中等效电阻的大小概念和恒定电流是相对概念，等效电阻的大小是相对于整个电路结构中的电阻的大小而言，而恒定电流的大小则是一个与电压值关系很小的电流值，可以为后续的模块包括互补电流镜和MOS电容提供参考电流。

在上述实施例中，所述NPN管和所述PNP管优选纵向管，以PNP纵向管为例做说明，所述PNP纵向管是以P型衬底作为集电极，因此只有集成元器件之间采用PN结隔离槽的集成电路才能制作这种结构的管子。由于这种结构管子的载流子是沿着晶体管断面的垂直方向运动的，故称为纵向PNP管。这种管子的基区可准确地控制使其很薄，因此它的电流放大系数较大。所以本发明中选择纵向管进行恒流源控制。

图2是一个实施例中的互补式低漂移的恒流源的电路结构图，如图2所示，在本实施例中，所述互补式低漂移的恒流源由NJFET管、纵向NPN管、纵向PNP管、MOS电容、金属膜电阻组成，具体包括：

如图2所示，所述恒流源中的连接方式包括第二纵向PNP管Q5、第三纵向PNP管Q6的发射级与上输出端Iin连接，第二纵向PNP管Q5以及第三纵向PNP管Q6的基极均与第一纵向PNP管Q4的发射级、第三纵向PNP管Q6的集电极、NJFET管J1的漏极连接，第二纵向PNP管Q5集电极以及第一纵向PNP管Q4的基极均与第三纵向NPN管Q6的集电极连接，MOS电容C1与第一纵向PNP管Q4的基极和集电极连接，第一纵向PNP管Q4的集电极、第三纵向NPN管Q3基极、第二纵向NPN管Q2的集电极分别与NJFET管J1的源极连接；第一纵向NPN管Q1的基极和集电极均与第二纵向NPN管Q2基极、第三纵向NPN管Q3发射级连接，第一纵向NPN管Q1发射级与金属膜电阻R_E连接，第二纵向NPN管Q2的发射级、金属膜电阻R_E分别与下输出端Iout连接，NJFET管J1的栅极和负电源V-连接。

图3是一个实施例中的互补式低漂移的恒流源的电路结构图，如图3所示，在本实施例中，所述互补式低漂移的恒流源由PJFET管、纵向NPN管、纵向PNP管、MOS电容、金属膜电阻组成，具体包括：

所述恒流源中的连接方式包括第二纵向PNP管Q5、第三纵向PNP管Q6的发射级与上输出端Iin连接，第二纵向PNP管Q5以及第三纵向PNP管Q6的基极均与第一纵向PNP管Q4的发射级、第三纵向PNP管Q6的集电极、PJFET管J2的源极连接，第二纵向PNP管Q5集电极以及第一纵向PNP管Q4的基极均与第三纵向NPN管Q3的集电极连接，MOS电容C1与第一纵向PNP管Q4的基极和集电极连接，第一纵向PNP管Q4的集电极、第三纵向NPN管Q3基极、第二纵向NPN管Q2的集电极分别与PJFET管J2的漏极连接；第一纵向NPN管Q1的基极和集电极均与第二纵向NPN管Q2基极、第三纵向NPN管Q3发射级连接，第一纵向NPN管Q1发射级与金属膜电阻R_E连接，第二纵向NPN管Q2发射级、金属膜电阻R_E分别与下输出端Iout连接，PJFET管J2的栅极和正电源V+连接。

图4是一个实施例中的互补式低漂移的恒流源的电路结构图，如图4所示，在本实施例中，所述互补式低漂移的恒流源由大电阻R、纵向NPN管、纵向PNP管、MOS电容、金属膜电阻组成，具体包括：

所述恒流源中的连接方式包括第二纵向PNP管Q5、第三纵向PNP管Q6的发射级与上输出端连接，第二纵向PNP管Q5以及第三纵向PNP管Q6的基极均与第一纵向PNP管Q4的发射级、第三纵向PNP管Q6的集电极、大电阻R的一端连接，第二纵向PNP管Q5集电极以及第一纵向PNP管Q4的基极均与第三纵向NPN管Q3的集电极连接，MOS电容C1与第一纵向PNP管Q4的基极和集电极连接，第一纵向PNP管Q4的集电极、第三纵向NPN管Q3基极、第二纵向NPN管的Q2集电极分别与大电阻R的另一端连接；第一纵向NPN管Q1的基极和集电极均与第二纵向NPN管Q2基极、第三纵向NPN管Q3发射级连接，第一纵向NPN管Q1发射级与金属膜电阻连接，第二纵向NPN管Q2发射级、金属膜电阻R_E分别与下输出端Iout连接。

图5是一个实施例中的互补式低漂移的恒流源的电路结构图，如图5所示，在本实施例中，所述互补式低漂移的恒流源仍然由NJFET管、纵向NPN管、纵向PNP管、MOS电容、金属膜电阻组成，与上述实施例不同的是，本实施例中将金属膜电阻的位置调整到PNP管的发射极，仍然实现上述功能。

对上述实施例的工作原理进行如下阐述：

为了从电路设计上考虑更多的应用适应性，规避工艺制作偏差影响，我们引入等效电阻与互补电流镜组合的结构。电路单元内部的等效电阻作为一个提供相对恒定小电流的大电阻来使用，可以采用常规的大电阻R、N沟道结型场效应管或者P沟道结型场效应管等。不同的是，由于电流镜结构的作用，单元电路内部自身形成了电流映射关系。考虑到NJFET、PJFET电流可能随工艺波动存在一定的变化，而单元电路整体电流可通过后期进行电阻激光修调来控制，这也为实际生产提供了较好的解决方案。

MOS电容可起到上电时电路的快速开启作用，因电路上电瞬间，晶体管均不导通，此时第三纵向NPN管Q3的集电极电位快速拉低，即第一纵向PNP管Q4的基极电位被拉低，Q4快速导通，从而使得第二纵向PNP管Q5和第三纵向PNP管Q6快速导通。

在本实施例中，将第一纵向NPN管Q1、第二纵向NPN管Q2之间的面积比假设设置为8：1，第二纵向NPN管Q2的电流(设第二纵向NPN管的电流为I_C)主要由NJFET管J1和第一纵向PNP管Q4提供，其中J1的电流基本恒定。第一纵向NPN管Q1的电流I₁在理想情况下由第二纵向PNP管Q5、第三纵向PNP管Q6的映射关系确定(因第二纵向PNP管、第三纵向PNP管大小相等，第一纵向NPN管Q1的电流的大小也为I_C)，因此满足：

V_BE2-V_BE1＝V_T ln8 (1)

I₁R_E＝V_BE2-V_BE1 (2)

其中，V_BE2表示Q2管的V_BE电压，V_BE1表示Q1管的V_BE电压；V_T表示热电压，一般而言，V_T代表正温度系数，PN结电压V_BE代表负温度系数；由(1)代入(2)可得：

其中R_E为金属膜电阻，R_E作为一个修调电阻，其温漂极小，从(3)式可以看出，通过调节Q1和Q2之间的面积比以及R_E的阻值大小，可以对I₁的电流值大小进行调节。因此I₁为一个PTAT电流，其温漂系数比例大约为0.33％。

在一个优选实施例中，若对温漂系数有更严格的要求，因为V_T为正温度系数，所以可将R_E替换为具有正温度系数的扩散电阻(通常温漂系数比例大约为0.2％)，从(3)式看出可抵消电流值I₁随温度的变化。

本发明用基本的电流镜组合来实现逻辑结构，这种组合利用简单的PNP管和NPN管都可以实现，利于实际的生产制备。

图6是一种互补式低漂移的恒流源控制方法流程图，如图6所示，所述控制方法包括：

等效电阻提供相对恒定电流，并输入到互补电流镜和MOS电容中；

在上电瞬间，所述MOS电容通过交流短路拉低NPN管集电极的电位，从而使得该PNP管的基极电位被拉低，让所述互补电流镜中各个PNP管快速导通；

所述互补电流镜通过金属膜电阻进行修调，调整所输出的PTAT电流的电流值大小。

本实施例通过控制等效的大电阻产生相对恒定的小电流，利用互补镜结构对恒定电流进行修调，按照反馈补偿的方式抵消所输出的PTAT电流的电流值随温度的变化，从而输出温漂较小的PTAT电流。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种互补式低漂移的恒流源，其特征在于，所述恒流源包括等效电阻以及由NPN管和PNP管构成的互补电流镜；所述等效电阻产生相对恒定电流，并提供给互补电流镜和MOS电容；在一个NPN管和一个PNP管之间设置有所述MOS电容；所述MOS电容在上电瞬间通过交流短路拉低NPN管集电极的电位，从而使得PNP管的基极电位被拉低，互补电流镜中各个PNP管快速导通；通过金属膜电阻对所述互补电流镜进行修调，并以所述互补电流镜通过反馈补偿的方式产生温漂较小的PTAT电流；所述等效电阻包括提供微电流的常规电阻、N沟道结型场效应管或者P沟道结型场效应管；

其中，所述恒流源的连接方式包括：

第二PNP管、第三PNP管的发射级与上输出端连接，第二PNP管以及第三PNP管的基极均与第一PNP管的发射级、第三PNP管的集电极、N沟道结型场效应管的漏极连接，第二PNP管集电极以及第一PNP管的基极均与第三NPN管的集电极连接，MOS电容与第一PNP管的基极和集电极连接，第一PNP管的集电极、第三NPN管基极、第二NPN管的集电极分别与N沟道结型场效应管的源极连接；第一NPN管的基极和集电极均与第二NPN管基极、第三NPN管发射级连接，第一NPN管发射级与金属膜电阻连接，第二NPN管发射级、金属膜电阻分别与下输出端连接，N沟道结型场效应管的栅极和负电源连接；

或者，第二PNP管、第三PNP管的发射级与上输出端连接，第二PNP管以及第三PNP管的基极均与第一PNP管的发射级、第三PNP管的集电极、P沟道结型场效应管的源极连接，第二PNP管集电极以及第一PNP管的基极均与第三NPN管的集电极连接，MOS电容与第一PNP管的基极和集电极连接，第一PNP管的集电极、第三NPN管基极、第二NPN管的集电极分别与P沟道结型场效应管的漏极连接；第一NPN管的基极和集电极均与第二NPN管基极、第三NPN管发射级连接，第一NPN管发射级与金属膜电阻连接，第二NPN管发射级、金属膜电阻分别与下输出端连接，P沟道结型场效应管的栅极和正电源连接；

或者，第二PNP管、第三PNP管的发射级与上输出端连接，第二PNP管以及第三PNP管的基极均与第一PNP管的发射级、第三PNP管的集电极、提供微电流的常规电阻的一端连接，第二PNP管集电极以及第一PNP管的基极均与第三NPN管的集电极连接，MOS电容与第一PNP管的基极和集电极连接，第一PNP管的集电极、第三NPN管基极、第二NPN管的集电极分别与提供微电流的常规电阻的另一端连接；第一NPN管的基极和集电极均与第二NPN管基极、第三NPN管发射级连接，第一NPN管发射级与金属膜电阻连接，第二NPN管发射级、金属膜电阻分别与下输出端连接。

2.根据权利要求1所述的一种互补式低漂移的恒流源，其特征在于，所述NPN管和所述PNP管均为纵向管。

3.根据权利要求1所述的一种互补式低漂移的恒流源，其特征在于，所述第二PNP管与第三PNP管相同。

4.根据权利要求1所述的一种互补式低漂移的恒流源，其特征在于，所述金属膜电阻设置在等效电阻直接连接PNP管的发射极与上输出端之间或者在等效电阻没有直接连接的NPN的发射极与下输出端之间。

5.根据权利要求1所述的一种互补式低漂移的恒流源，其特征在于，所述金属膜电阻为低温漂的电阻，并可采用正负温度系数的不同类型来组合实现。

6.一种用于如权利要求1～5任一所述互补式低漂移的恒流源的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

等效电阻提供相对恒定电流，并输入到互补电流镜和MOS电容中；

在上电瞬间，所述MOS电容通过交流短路拉低NPN管集电极的电位，使得该PNP管的基极电位被拉低，让所述互补电流镜中各个PNP管快速导通；

所述互补电流镜通过金属膜电阻进行修调，调整所输出的PTAT电流的电流值大小。

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