CN112817362B - 一种低温度系数参考电流及电压产生电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温度系数参考电流及电压产生电路。该低温度系数参考电流及电压产生电路，包括：自举电流镜、第一晶体管、第二晶体管和至少一个第三晶体管；自举电流镜包括控制信号输出端和参考电流输出端；第一晶体管的栅极连接控制信号输出端，第一晶体管的第一极与第一电源线电连接；第二晶体管的第一极连接参考电流输出端，第二晶体管的第二极连接第二电源线；至少一个第三晶体管串联于第一晶体管的第二极和第二晶体管的第一极之间，各第三晶体管的栅极和第二晶体管的栅极依次电连接，第一晶体管的第二极和第三晶体管的连接点作为参考电压输出端。本发明提供的低温度系数参考电流及电压产生电路，实现了对工艺依赖小，温度系数低的效果。

Description

一种低温度系数参考电流及电压产生电路
技术领域
本发明实施例涉及模拟集成电路技术，尤其涉及一种低温度系数参考电流及电压产生电路。
背景技术
参考电流产生电路是模拟和混合信号集成电路的重要组成部分，它被广泛应用于低压差线性稳压器、温度传感器、数据转换器、射频收发器、Flash存储器等电路中。
参考电流产生电路作为整个集成电路的“准绳”，其性能直接影响电路的性能，因此，参考电流产生电路应该具有良好的抗干扰能力。以如图1所示的传统自举电路为例，这种基于阈值电压的MOS管电流产生电路已经被证明可以作为参考电流产生电路使用，并且可以适应较低的供电电压。再例如图3所示的简单参考电压产生电路，可以产生供各种集成电路使用的参考电压，但是以上电路功能的实现很大程度上依赖于工艺参数，产生的参考电流和电压温度系数较大，无法作为高性能模拟电路的参考电流和参考电压使用。
发明内容
本发明提供一种低温度系数参考电流及电压产生电路，实现了低温度系数参考电流及电压产生电路对工艺依赖小，温度系数低的效果。
本发明实施例提供了一种低温度系数参考电流及电压产生电路，其中，包括：自举电流镜、第一晶体管、第二晶体管和至少一个第三晶体管；所述自举电流镜包括控制信号输出端和参考电流输出端；所述第一晶体管的栅极连接所述控制信号输出端，所述第一晶体管的第一极与第一电源线电连接；所述第二晶体管的第一极连接所述参考电流输出端，所述第二晶体管的第二极连接第二电源线；所述至少一个第三晶体管串联于第一晶体管的第二极和所述第二晶体管的第一极之间，各所述第三晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极依次电连接，所述第一晶体管的第二极和所述第三晶体管的连接点作为参考电压输出端。
可选地，所述第一晶体管为P沟道MOS管；所述第二晶体管和所述第三晶体管为N沟道MOS管。
可选地，所述自举电流镜，还包括：第四晶体管、第五晶体管、至少一个第六晶体管和第七晶体管；所述第四晶体管的第一极和所述第五晶体管的第一极均与所述第一电源线电连接；所述第四晶体管的栅极和所述第五晶体管的栅极均与所述第四晶体管的第二极电连接，连接点作为所述控制信号输出端；所述第六晶体管的第一端和所述第七晶体管的第一端分别与所述第四晶体管的第二端和所述第五晶体管的第二端电连接；所述第六晶体管的栅极和所述第七晶体管的栅极均与所述第七晶体管的第一极电连接；所述第六晶体管的第二极作为所述参考电流输出端，所述第七晶体管的第二极连接所述第二电源线。
可选地，所述第四晶体管和所述第五晶体管为P沟道MOS管；所述第六晶体管和所述第七晶体管为N沟道MOS管。
可选地，所述第三晶体管的数量大于等于2。
可选地，所述第六晶体管的数量大于等于2.
可选地，所述第二晶体管的正向导通电阻的温度系数小于同阻值电阻器的温度系数。
可选地，所述第二电源线接地。
本发明提供的一种低温度系数参考电流及电压产生电路，通过将自举电流镜的参考电流输出端与温度系数较低的晶体管的连接降低参考电流的温度系数，并通过将参考电流输出端作为参考电压电路的一个电流输入，将参考电压输出端设计在了第三晶体管的第一极，使得参考电压值加入了负温度系数的阈值电压，以降低参考电压的温度系数，在未增加电路复杂度的情况下减小了参考电流和参考电压的温度系数，达到了低温度系数参考电流及电压产生电路对工艺依赖小，温度系数低的效果。
附图说明
图1为现有技术中的一种传统自举电路的电路图；
图2为现有技术中的一种简单参考电压产生电路电路图；
图3为本发明实施例提供的一种低温度系数参考电流及电压产生电路的示意图；
图4为本发明提供的另一种低温度系数参考电流及电压产生电路的电路图；
图5为本发明实施例提供的一种低温度系数参考电流及电压产生电路产生的参考电流随温度变化的趋势图；
图6为本发明实施例提供的一种低温度系数参考电流及电压产生电路产生的参考电压随温度变化的趋势图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本发明实施例提供了一种低温度系数参考电流及电压产生电路100。图3为本发明实施例提供的一种低温度系数参考电流及电压产生电路100的示意图，参见图3，该电路包括：自举电流镜110、第一晶体管M1、第二晶体管M2和至少一个第三晶体管M3；自举电流镜110包括控制信号输出端120和参考电流输出端130；第一晶体管M1的栅极连接控制信号输出端120，第一晶体管M1的第一极与第一电源线VDD电连接；第二晶体管M2的第一极连接参考电流输出端130，第二晶体管M2的第二极连接第二电源线V0；至少一个第三晶体管M3串联于第一晶体管M1的第二极和第二晶体管M2的第一极之间，各第三晶体管M3的栅极和第二晶体管M2的栅极依次电连接，第一晶体管M1的第二极和第三晶体管M3的连接点作为参考电压输出端140。
其中，自举电流镜110是由电流镜组成的自举电路，可以产生参考电流；自举电流镜110导通时，控制信号输出端120将控制信号传输至第一晶体管M1的栅极，用于控制第一晶体管M1的导通和关断，第一晶体管M1的导通和关断状态和自举电流镜110的导通和关断状态保持一致；第一晶体管M1导通后流过第一晶体管M1第二极的电流为I1；参考电流输出端130用于输出该低温度系数参考电流及电压产生电路100产生的参考电流I2，参考电压输出端140用于输出该低温度系数参考电流及电压产生电路100产生的参考电压；例如，第一晶体管M1为P沟道MOS管，第二晶体管M2和第三晶体管M3均为N沟道MOS管；第一电源线VDD提供电源电压，第二电源线V0接地。示例性地，当第一电源线VDD提供的电压信号使自举电流镜110导通时，控制信号输出端120将控制信号传输至第一晶体管M1的栅极，该控制信号小于第一电源线VDD提供的电压信号，且与第一电源线VDD的电压差大于第一晶体管M1的导通阈值电压，第一晶体管M1的导通，通过第一晶体管M1的电流记为I1，此时电压信号则传输至第二晶体管M2和第三晶体管M3的栅极，导通第二晶体管M2和第三晶体管M3；同时，自举电流镜110产生的参考电流I2经参考电流输出端130传输至第二晶体管M2的第一极，并流经第二晶体管M2，由于第二晶体管M2的等效电阻的温度系数要小于如图1所示的参考电流产生电路中的电阻的温度系数，所以会降低自举电流镜110产生的参考电流的温度系数；另一方面，若将通过第一晶体管M1的电流I1用参考电流I2表示，记做NI2，则参考电流输出端130与第二晶体管M2的第一极的连接点的电压Vx可以用公式表示为
Figure BDA0002877475240000051
其中，
Figure BDA0002877475240000052
Figure BDA0002877475240000053
I为第三晶体管M3的特征饱和电流，
Figure BDA0002877475240000054
为热电压，n为斜率因子，Cox为栅氧化层单位电容，S3为第三晶体管M3的宽长比，S2为第二晶体管M2的宽长比，P、Q、M均为中间符号，则由以上公式可以得出，Vx的值与热电压成正相关，而热电压具有正的温度系数，则Vx具有正的温度系数，参考电压输出端140的电压Vref等于Vx加上Vgs，其中Vgs是第三晶体管M3的第二极和栅极之间的电压，且Vgs＝Vth+Vov，Vth为第三晶体管M3的阈值电压，Vov为第三晶体管M3的过驱动电压，其中，过驱动电压是第三晶体管M3的第二极和栅极之间的电压达到阈值电压Vth之后继续增加的电压值，因为MOS管本身的阈值电压具有负温度系数，即第三晶体管M3的阈值电压Vth具有负温度系数，所以参考电压输出端140的电压Vref的温度系数小于Vx的温度系数。
需要特别说明的是，在如图1背景技术的传统自举电路中，参考电流输出端接电阻，电阻的温度系数较高，所以会导致产生的参考电流温度系数较高，而在本发明中，参考电流输出端连接温度系数较小的晶体管，这一设计将会大大减小产生的参考电流的温度系数；在图2所示的简单参考电压产生电路中，一般会将两个晶体管第一极和第二极的连接点x作为参考电压输出端，这一点电压的温度系数为正数，而在本发明实施例中，参考电压输出端为第三晶体管M3的第一极，该点的电压是第三晶体管M3的第二极与第二晶体管M2的第二极的连接点电压再加上第三晶体管M3的第二极和栅极之间的电压差Vgs，这一电压差Vgs和温度呈负相关，这一设计既增大了输出的参考电压，又降低了参考电压的温度系数。
本实施例提供的低温度系数参考电流及电压产生电路，通过将自举电流镜的参考电流输出端与温度系数较低的晶体管的连接降低参考电流的温度系数，并通过将参考电流输出端作为参考电压电路的一个电流输入，将参考电压输出端设计在了第三晶体管的第一极，使得参考电压值加入了负温度系数的阈值电压，以降低参考电压的温度系数，在未增加电路复杂度的情况下减小了参考电流和参考电压的温度系数，达到了低温度系数参考电流及电压产生电路对工艺依赖小，温度系数低的效果。
图2为本发明提供的另一种低温度系数参考电流及电压产生电路100的电路图，可选地，自举电流镜110，还包括：第四晶体管M4、第五晶体管M5、至少一个第六晶体管M6和第七晶体管M7；第四晶体管M4的第一极和第五晶体管M5的第一极均与第一电源线VDD电连接；第四晶体管M4的栅极和第五晶体管M5的栅极均与第四晶体管M4的第二极电连接，连接点作为控制信号输出端120；第六晶体管M6的第一端和第七晶体管M7的第一端分别与第四晶体管M4的第二端和第五晶体管M5的第二端电连接；第六晶体管M6的栅极和第七晶体管M7的栅极均与第七晶体管M7的第一极电连接；第六晶体管M6的第二极作为参考电流输出端130，第七晶体管M7的第二极连接第二电源线V0。
其中，第四晶体管M4和第五晶体管M5形成电流镜，第一晶体管M1的栅极连接第四晶体管M4的栅极和第五晶体管M5的栅极，也就是说第四晶体管的M4的栅极作为控制信号输出端。而且第一晶体管M1的第一极与第四晶体管M4一样，连接于第一电源线VDD，所以在第四晶体管M4和第五晶体管M5导通的同时，第一晶体管M1也会镜像导通；第六晶体管M6和第七晶体管M7形成电流镜；第四晶体管M4和第五晶体管M5均为P沟道MOS管，第六晶体管M6和第七晶体管M7均为N沟道MOS管；第六晶体管M6的数量增加，由于各个第六晶体管M6都会镜像导通，且各个第六晶体管M6的第二端均电连接，参考电流I2的值等于各个第六晶体管M6的第二极电流的总和，所以参考电流I2的值会随着第六晶体管M6数量的增加而越大；同样地，第三晶体管M3的数量增加，由于各个第三晶体管M3的栅极均电连接，则各个第三晶体管M3会同时导通，参考电压输出端140的电压Vref的值为Vx加上各个第三晶体管M3的栅源电压Vgs，所以参考电压输出端140的电压Vref的值会随第三晶体管M3数量的增加而增加。。
示例性地，第六晶体管M6的个数为1，第三晶体管M3的数量为2，当第一电源线VDD提供的电压信号传输至第四晶体管M4的第一极，且使第四晶体管M4的栅极和第二极电压差大于阈值电压，第四晶体管M4导通，由于第四晶体管M4和第五晶体管M5形成电流镜，第五晶体管M5同时导通，电压信号传输至第六晶体管M6和第七晶体管M7的栅极，导通两个第六晶体管M6和第七晶体管M7，参考电流I2经参考电流输出端130流至第二晶体管M2的第一极；另一方面，由于第一晶体管M1的栅极经控制信号输出端120连接第四晶体管M4的栅极和第五晶体管M5的栅极，所以在第四晶体管M4和第五晶体管M5导通的同时，第一晶体管M1导通，通过第一晶体管M1的电流记为I1，此时电压信号则传输至第二晶体管M2和第三晶体管M3的栅极，导通第二晶体管M2和第三晶体管M3；I1和I2流经第二晶体管M2，由于第二晶体管M2的等效电阻的温度系数要小于如图1所示的参考电流产生电路中的电阻的温度系数，所以会降低自举电流镜110产生的参考电流的温度系数；此外，将第三晶体管M3的第一极与第一晶体管M1的第二极的连接点作为参考电压输出端140，参考电压输出端140的电压Vref大于第三晶体管M3数量为1电路参考电压输出端140的电压，等于Vx加上2Vgs，其中Vgs是第三晶体管M3的第二极和栅极之间的电压差，且Vgs＝Vth+Vov，Vth为第三晶体管M3的阈值电压，Vov为第三晶体管M3的过驱动电压，因为MOS管本身的阈值电压具有负温度系数，即Vth具有负温度系数，所以参考电压输出端140的电压Vref的温度系数小于Vx的温度系数。
图5为本发明实施例提供的一种低温度系数参考电流及电压产生电路100产生的参考电流随温度变化的趋势图，如图5所示，随着温度的变化参考电流变化较小，尤其是在0度至30度之间，参考电流的变化速率达到最小，接近于0；图6为本发明实施例提供的一种低温度系数参考电流及电压产生电路100产生的参考电压随温度变化的趋势图，如图6所示，该低温度系数参考电流及电压产生电路产生的参考电压随温度变化较小。
本实施例提供的低温度系数参考电流及电压产生电路，通过将自举电流镜的参考电流输出端与温度系数较低的晶体管的连接降低参考电流的温度系数，并通过将参考电流输出端作为参考电压电路的一个电流输入，将参考电压输出端设计在了第三晶体管的第一极，使得参考电压值加入了负温度系数的阈值电压，即增大了参考电压的值还降低了参考电压的温度系数，在未增加电路复杂度的情况下减小了参考电流和参考电压的温度系数，达到了低温度系数参考电流及电压产生电路对工艺依赖小，温度系数低的效果。
可选地，第一晶体管为P沟道MOS管；第二晶体管和第三晶体管为N沟道MOS管。
可选地，第四晶体管和第五晶体管为P沟道MOS管；第六晶体管和第七晶体管为N沟道MOS管。
可选地，第三晶体管的数量大于等于2。
其中，第三晶体管的数量越多，该低温度系数参考电流及电压产生电路输出的参考电压值越大。
本实施例提供的低温度系数参考电流及电压产生电路，在未增加电路复杂度的情况下增大了参考电压和参考电流的值还减小了参考电流和参考电压的温度系数，达到了低温度系数参考电流及电压产生电路对工艺依赖小，温度系数低的效果。
可选地，第六晶体管的数量大于等于2。
其中，第六晶体管的数量越多，该低温度系数参考电流及电压产生电路输出的参考电流的值越大。
可选地，第二晶体管的正向导通电阻的温度系数小于同阻值电阻器的温度系数。
本实施例提供的低温度系数参考电流及电压产生电路，使用MOS管替换了传统参考电流产生电路中的电阻，在未增加电路复杂度的情况下增大了参考电压和参考电流的值还减小了参考电流和参考电压的温度系数，达到了低温度系数参考电流及电压产生电路对工艺依赖小，温度系数低的效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种低温度系数参考电流及电压产生电路，其特征在于，包括：
自举电流镜，所述自举电流镜包括控制信号输出端和参考电流输出端；
第一晶体管，所述第一晶体管的栅极连接所述控制信号输出端，所述第一晶体管的第一极与第一电源线电连接；
第二晶体管，所述第二晶体管的第一极连接所述参考电流输出端，所述第二晶体管的第二极连接第二电源线；
至少一个第三晶体管，所述至少一个第三晶体管串联于第一晶体管的第二极和所述第二晶体管的第一极之间，各所述第三晶体管的栅极和所述第二晶体管的栅极依次电连接，所述第一晶体管的第二极和所述第三晶体管的连接点作为参考电压输出端；
所述自举电流镜还包括：
第四晶体管和第五晶体管，所述第四晶体管的第一极和所述第五晶体管的第一极均与所述第一电源线电连接；所述第四晶体管的栅极和所述第五晶体管的栅极均与所述第四晶体管的第二极电连接，连接点作为所述控制信号输出端；
至少一个第六晶体管和第七晶体管，所述第六晶体管的第一端和所述第七晶体管的第一端分别与所述第四晶体管的第二端和所述第五晶体管的第二端电连接；所述第六晶体管的栅极和所述第七晶体管的栅极均与所述第七晶体管的第一极电连接；所述第六晶体管的第二极作为所述参考电流输出端，所述第七晶体管的第二极连接所述第二电源线。
2.根据权利要求1所述的低温度系数参考电流及电压产生电路，其特征在于，所述第一晶体管为P沟道MOS管；所述第二晶体管和所述第三晶体管为N沟道MOS管。
3.根据权利要求1所述的低温度系数参考电流及电压产生电路，其特征在于，所述第四晶体管和所述第五晶体管为P沟道MOS管；所述第六晶体管和所述第七晶体管为N沟道MOS管。
4.根据权利要求1所述的低温度系数参考电流及电压产生电路，其特征在于，所述第三晶体管的数量大于等于2。
5.根据权利要求1所述的低温度系数参考电流及电压产生电路，其特征在于，所述第六晶体管的数量大于等于2。
6.根据权利要求1所述的低温度系数参考电流及电压产生电路，其特征在于，所述第二晶体管的正向导通电阻的温度系数小于同阻值电阻器的温度系数。
7.根据权利要求1所述的低温度系数参考电流及电压产生电路，其特征在于，所述第二电源线接地。
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