CN112558681A - 一种电流源电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种电流源电路，包括电流镜电路、开关选择电路以及比值计算电路，电流镜电路用于根据接收到的基准电流得到输出电流，此外电流镜电路包括电流输入支路和多个电流输出支路，开关选择电路用于在第一模式下根据时钟信号循环导通所述多个电流输出支路，以及在第二模式下同时导通所述多个电流输出支路，比值计算电路用于得到所述第一模式下所述电流镜电路的第一输出电流和第二模式下所述电流镜电路的第二输出电流之间的电流比，其中第一输出电流和第二输出电流之间的电流比为恒定的数值。

Description

一种电流源电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，更具体地，涉及一种电流源电路。
背景技术
电流源在模拟集成电路中用来作为其他电路的高精度、低温度系数的基准电流源。电流源广泛应用于放大器、振荡器、比较器、锁相环、以及ADC/DAC等电路中，电流源的精确度在很大程度上决定了功能电路的稳定性。例如数字温度传感器通常采用两个成比例的电流源通过一个连接成二极管形式的NPN或PNP晶体管，用于测量不同电流所导致的VBE变化，使用模数转换器对电压采样并将数值转换成数字格式。电流源一般采用约1:N的比例。通过比例电流和测量两个VBE的差值，可消除二极管上IS这一与工艺相关参数的一阶效应。
如图1示出根据现有技术的一种电流源电路的结构示意图。如图1所示，电流源电路100包括基准电流源I1、以及晶体管M1至M5。基准电流源I1和晶体管M1串联连接于电源电压VDD和地之间，晶体管M4和晶体管M2依次串联连接于输出端和地之间，晶体管M5和晶体管M3依次串联连接于输出端和地之间，晶体管M2和晶体管M3分别与晶体管M1构成电流镜，晶体管M1至M3的宽长比之比为1:1:N。第一控制信号Ton_1和第二控制信号Ton_2分别用于控制晶体管M4和晶体管M5的导通和关断。当晶体管M4导通时，根据晶体管M1和晶体管M2构成的电流镜的电流比例，第一输出电流Iout1＝Iref；当晶体管M5导通时，根据晶体管M1和晶体管M3构成的电流镜的电流比例，第二输出电流Iout2＝N*Iref。
在现有技术的电流源电路中，受沟道长度调制效应、工艺匹配、温度、封装压力以及芯片使用时间的影响，第一输出电流Iout1和第二输出电流Iout2之间的电流比可能与设计值产生偏差，从而降低电流源比例的精确度。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种电流源电路，可提供具有恒定电流比的第一输出电流和第二输出电流。
根据本发明实施例提供了一种电流源电路，包括：电流镜电路，用于根据接收到的基准电流得到输出电流，所述电流镜电路包括电流输入支路和多个电流输出支路，所述电流输入支路用于接收所述基准电流，所述多个电流输出支路的公共端作为输出端，用于提供所述输出电流；开关选择电路，用于在第一模式下根据时钟信号循环导通所述多个电流输出支路，以及在第二模式下同时导通所述多个电流输出支路；以及比值计算电路，用于得到所述第一模式下所述电流镜电路的第一输出电流和第二模式下所述电流镜电路的第二输出电流之间的电流比。
优选地，所述多个电流输出支路并联连接。
优选地，每个所述电流输出支路用于在导通时提供相应的支路电流，其中，所述第一输出电流等于所述多个电流输出支路的支路电流的平均值，所述第二输出电流等于所述多个电流输出支路的支路电流的叠加值。
优选地，所述电流源电路还包括基准电流源，用于产生所述基准电流。
优选地，所述电流输入支路包括第一晶体管，所述第一晶体管的第一端和控制端与所述基准电流源连接，所述第一晶体管的第二端接地。
优选地，每个所述电流输出支路包括串联连接于所述输出端与地之间的控制开关和第二晶体管，其中，所述第二晶体管与所述第一晶体管构成电流镜，所述控制开关的控制端与所述开关选择电路连接以接收相应的控制信号。
优选地，所述开关选择电路通过循环移位寄存器实现。
优选地，所述控制开关选自N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
优选地，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别选自相同的N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
本发明实施例的一种电流源电路包括电流镜电路、开关选择电路以及比值计算电路，电流镜电路用于根据接收到的基准电流得到输出电流，此外电流镜电路包括电流输入支路和多个电流输出支路，开关选择电路用于在第一模式下根据时钟信号循环导通所述多个电流输出支路，以及在第二模式下同时导通所述多个电流输出支路，比值计算电路用于得到所述第一模式下所述电流镜电路的第一输出电流和第二模式下所述电流镜电路的第二输出电流之间的电流比。在本发明实施例的电流源电路中，第一输出电流和第二输出电流之间的电流比与沟道长度调制效应、工艺匹配、温度、封装压力以及芯片使用时间无关，因此第一输出电流和第二输出电流之间的电流比可以保持恒定。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据现有技术的电流源电路的结构示意图；
图2示出根据本发明实施例的电流源电路的结构示意图；
图3示出图2中电流镜电路的电路示意图；
图4示出根据本发明实施例的电流源电路第一模式下的时钟信号和控制信号波形示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
在本申请中，MOSFET包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图2示出根据本发明实施例的电流源电路的结构示意图。如图2所示，电流源电路200包括开关选择电路210、电流镜电路220以及比值计算电路230。
电流镜电路220用于根据接收到的基准电流Iref得到输出电流Iout。请参考图3，电流镜电路220包括电流输入支路(如图3示出一个电流输入支路，由晶体管M0组成)和多个电流输出支路(如图2示出的电流输出支路221-22n，n为大于0的整数)。
电流输入支路与基准电流源240连接以接收所述基准电流Iref。电流输出支路221-22n之间相互并联连接，电流输出支路221-22n的公共端作为输出端，用于提供所述输出电流Iout。
每个电流输出支路都包括一个控制开关SWi(i＝1，2，3……，n)和晶体管Mi(i＝1，2，3……，n)，控制开关SWi和晶体管Mi依次串联连接于输出端和地之间，每个晶体管Mi都与晶体管M0构成一个电流镜，控制开关SWi的控制端用于接收对应的控制信号Ti(i＝1，2，3……，n)。控制信号Ti通过控制开关SWi的导通和关断以控制相应的电流输出支路的导通和关断。
在本实施例中，晶体管M0、晶体管Mi(i＝1，2，3……，n)以及控制开关SWi(i＝1，2，3……，n)分别通过N型MOSFET实现，且晶体管M0和晶体管Mi采用完全相同的晶体管实现。当然，本发明不以此为限制，在本发明其他的实施例中，晶体管M0、晶体管Mi(i＝1，2，3……，n)以及控制开关SWi(i＝1，2，3……，n)也可以分别通过NPN达林顿管、NPN型双极性晶体管、PNP型双极性晶体管、以及P型MOSFET等实现。
继续参考图2，开关选择电路210用于生成控制电流镜电路220中的电流输出支路221-22n的控制信号T1-Tn，n为大于0的整数。其中，所述开关选择电路210用于在第一模式下根据接收到的时钟信号CLK循环导通电流镜电路220中的电流输出支路221-22n，电流镜电路220提供第一输出电流Iout1，所述开关选择电路210还用于在第二模式下同时导通电流输出支路221-22n，电流镜电路220提供第二输出电流Iout2。其中，第一输出电流Iout1和第二输出电流Iout2之间具有恒定的电流比。所述“恒定的电流比”表示第一输出电流Iout1和第二输出电流Iout2之间的比值是固定的，也即第一输出电流Iout1和第二输出电流Iout2可以变化，但其之间的比值始终保证恒定。
比值计算电路230与电流镜电路220连接以接收所述输出电流，并得到所述第一模式下电流镜电路220的第一输出电流Iout1和第二模式下电流镜电路220的第二输出电流Iout2之间的电流比。
进一步而言，每个电流输出支路用于在导通时提供相应的支路电流Ii(i＝1，2，3……，n)。例如，当控制开关SW1导通，根据晶体管M1和晶体管M0构成的电流镜的电流比例，电流输出支路221输出支路电流I1；当控制开关SW2导通时，根据晶体管M2和晶体管M0构成的电流镜的电流比例，电流输出支路222输出支路电流I2；当控制开关SW3导通时，根据晶体管M3和晶体管M0构成的电流镜的电流比例，电流输出支路223输出支路电流I3，以此类推。
在现有技术中，电流镜电路的输出电流受沟道长度调制效应、工艺匹配、温度、封装压力以及芯片使用时间的影响，因此在长时间使用之后第一输出电流和第二输出电流之间的电流比可能与设计值产生偏差，降低电流源比例的精确度。
为了提高电流源比例电路的精确度，得到电流比恒定的第一输出电流和第二输出电流。本发明实施例的开关选择电路210通过循环移位寄存器实现，开关选择电路210根据接收到的开关控制信号Ton_1和Ton_2以及时钟信号CLK产生所述控制信号T1-Tn，时钟信号CLK用于提供循环移位寄存器的内部工作时钟，以使得开关选择电路210在第一模式下根据时钟信号CLK循环导通多个电流输出支路221-22n，以及在第二模式下同时导通多个电流输出支路221-22n。
图4示出根据本发明实施例的电流源电路第一模式下的时钟信号和控制信号波形示意图。在图4中，Ti(i＝1，2，3，……，n)为电流镜电路220中对应的控制开关SWi(i＝1，2，3，……，n)的控制端接收的控制信号。控制信号Ti的高电平持续时间为一个时钟周期，例如在第一个周期中，控制信号T1的高电平在时钟信号CLK的第1个上升沿产生，在时钟信号CLK的第2个上升沿消失；控制信号T2的高电平在时钟信号CLK的第2个上升沿产生，在时钟信号CLK的第3个上升沿消失；……；控制信号Tn在时钟信号CLK的第N个上升沿产生，在时钟信号CLK的第N+1个上升沿消失。在第二个周期中，控制信号T1的高电平又在时钟信号CLK的第N+1个上升沿产生，在时钟信号CLK的第N+2个上升沿消失，控制信号T2的高电平在时钟信号CLK的第N+2个上升沿产生，在时钟信号CLK的第N+3个上升沿消失，以此类推。
当开关控制信号Ton_1为高电平、开关控制信号Ton_2为低电平时，开关选择电路210在时钟信号CLK的第一个时钟周期导通控制开关SW1，在时钟信号CLK的第二个时钟周期导通控制开关SW2，在时钟信号CLK的第三个时钟周期导通控制开关SW3，……，在时钟信号CLK的第N个时钟周期导通控制开关SWn。然后在下一周期中，开关选择电路210又在时钟信号CLK的第N+1个时钟周期导通控制开关SW1，在时钟信号CLK的第N+2个时钟周期导通控制开关SW2，以此类推。此时电流镜电路220的第一输出电流等于电流输出支路221-22n提供的支路电流的平均值，即第一输出电流为：
Iout1＝(I1+I2+I3+…+In)/N
其中，I1-In分别表示电流输出支路221-22n提供的支路电流，N表示电流镜电路220中电流输出支路的数量。
当开关控制信号Ton_1为低电平、开关控制信号Ton_2为高电平时，开关选择电路210中的循环移位寄存器被关闭，开关选择电路210同时导通控制开关SW1-SWn。此时电流镜电路220的第二输出电流等于电流输出支路221-22n提供的支路电流的叠加值，即第二输出电流为：
Iout2＝I1+I2+I3+…+In
其中，I1-In分别表示电流输出支路221-22n提供的支路电流，N表示电流镜电路220中电流输出支路的数量。
进一步的，第一输出电流Iout1和第二输出电流Iout2之间的电流比为：
Figure BDA0002214734920000071
由上式可以看出，在本发明实施例的电流源电路中，第一输出电流和第二输出电流之间的电流比仅与电流镜电路210中电流输出支路的数量有关，与沟道长度调制效应、工艺匹配、温度、封装压力以及芯片使用时间无关，因此第一输出电流和第二输出电流之间的电流比可以保持恒定。
综上所述，本发明实施例的一种电流源电路包括电流镜电路、开关选择电路以及比值计算电路，电流镜电路用于根据接收到的基准电流得到输出电流，此外电流镜电路包括电流输入支路和多个电流输出支路，开关选择电路用于在第一模式下根据时钟信号循环导通所述多个电流输出支路，以及在第二模式下同时导通所述多个电流输出支路，比值计算电路用于得到所述第一模式下所述电流镜电路的第一输出电流和第二模式下所述电流镜电路的第二输出电流之间的电流比。在本发明实施例的电流源电路中，第一输出电流和第二输出电流之间的电流比与沟道长度调制效应、工艺匹配、温度、封装压力以及芯片使用时间无关，因此第一输出电流和第二输出电流之间的电流比可以保持恒定。
依照本发明的实施例如上文，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种电流源电路，其特征在于，包括：
电流镜电路，用于根据接收到的基准电流得到输出电流，所述电流镜电路包括电流输入支路和多个电流输出支路，所述电流输入支路用于接收所述基准电流，所述多个电流输出支路的公共端作为输出端，用于提供所述输出电流；
开关选择电路，用于在第一模式下根据时钟信号循环导通所述多个电流输出支路，以及在第二模式下同时导通所述多个电流输出支路；以及
比值计算电路，用于得到所述第一模式下所述电流镜电路的第一输出电流和第二模式下所述电流镜电路的第二输出电流之间的电流比。
2.根据权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，所述多个电流输出支路并联连接。
3.根据权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，每个所述电流输出支路用于在导通时提供相应的支路电流，
其中，所述第一输出电流等于所述多个电流输出支路的支路电流的平均值，
所述第二输出电流等于所述多个电流输出支路的支路电流的叠加值。
4.根据权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，还包括基准电流源，用于产生所述基准电流。
5.根据权利要求4所述的电流源电路，其特征在于，所述电流输入支路包括第一晶体管，所述第一晶体管的第一端和控制端与所述基准电流源连接，所述第一晶体管的第二端接地。
6.根据权利要求5所述的电流源电路，其特征在于，每个所述电流输出支路包括串联连接于所述输出端与地之间的控制开关和第二晶体管，
其中，所述第二晶体管与所述第一晶体管构成电流镜，所述控制开关的控制端与所述开关选择电路连接以接收相应的控制信号。
7.根据权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，所述开关选择电路通过循环移位寄存器实现。
8.根据权利要求6所述的电流源电路，其特征在于，所述控制开关选自N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
9.根据权利要求6所述的电流源电路，其特征在于，所述第一晶体管和所述第二晶体管分别选自相同的N型的金属氧化物半导体场效应晶体管。
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