CN1271116A

CN1271116A - 电流源

Info

Publication number: CN1271116A
Application number: CN00104012A
Authority: CN
Inventors: R·J·霍顿; E·J·斯塔尔
Original assignee: Infenion Tech North America Corp; International Business Machines Corp
Current assignee: Infenion Tech North America Corp; International Business Machines Corp; Infineon Technologies North America Corp
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2000-10-25
Also published as: EP1035460A1; US6087820A; KR20000071425A; TW469364B; JP2000330658A

Abstract

一种产生输出电流的方法和电路,将两热温度系数相反的电流相加产生输出电流。两电流的第一电流I₁为温度补偿带隙基准电路中产生的电流按比例模拟的电流。两电流的第二电流是带隙电路产生的温稳电压除以正温度系数电阻得出的。两电流相加得出的电流I₁+I₂形成输出电流。所述电路包括第一电路、第二电路和第三电路。第一电路供产生(i)正温度系数的基准电流,和(ii)在输出端在预定范围内大致不受电源电压和温度变化影响的输出电压。

Description

电流源

本发明总的说来涉及电流源，更具体地说，涉及适宜产生不受温度和外部电压源变化的影响的电流的电流源。

如本技术领域所周知的那样，在许多应用场合需要使用电流源。美国纽约John Wiley & Sons公司1993年出版、Paul R.Gray和RobertG.Meyer编写的《模拟集成电路分析与设计》一书(第三版)第4章介绍了各种类型的电流源。如该书中所述的那样，这些电流源既用作偏置元件，也用作放大级的负荷器件。此外，在本技领域中，大家都知道，经常需要配备适宜产生不受温度和外部电压源变化影响的电流的电流源。

本发明的一个目的是提供一种产生输出电流的方法。这种方法是将两种温度系数相反的电流加起来产生这种输出电流。两种电流中的第一种电流I₁是温度补偿带隙基准电路产生的电流按比例模拟的电流。两电流中的第二种电流I₂是从带隙电路产生的稳温电压除以正温度电阻值得出的。叠加电流I₁+I₂形成输出电流。

按本发明的另一目的是提供一种电流源。这种电流源包括第一电路、第二电路和第三电路。第一电路供产生(i)正温度系数的基准电流；和(ii)在输出节点在预定范围内基本不受供电电压和温度变化影响的输出电压。电流源包括第二电路，第二电路接所述输出节点，供产生从基准电流获得的第一电流，第一电流的温度系数为正。还配置了第三电路，第三电路接所述输出节点，供产生从输出电压获得的第二电流，第二电流的电流温度系数为负。第一电流和第二电流在所述输出节点相加，在所述输出节点产生与第一和第二电流的总和有关的输出电流，这种输出电流在预定的范围内基本上不受温度和供电电压变化的影响。

按照本发明的另一个实施例，第二电路包括电流反射镜。

按照本发明的另一个实施例，第三电路电阻器。

按照一个实施例，第一电路包括带隙基准电路。

按照一个实施例，所述带隙基准电路是个自偏压带隙基准电路。

按照一个实施例，所述自给偏压带隙基准电路包括CMOS(互补型金属氧化物半导体)晶体管。

本发明提供的电流源，其带隙基准电路适宜耦合到供电电压。所述带隙基准电路产生正温度系数的带隙基准电流，并在输出电流求和节点产生在预定范围内基本上不受供电电压和温度变化影响的输出电压。电流源配备有一个电流相加电路，此电路有一对电流通路，其中一个电流通路产生从带隙基准电流获得的第一电流。第一电流的温度系数为正。另一个电流通路产生从输出电压获得的第二电流。第二电流的电流温度系数为负。第一和第二电流在求和节点相加，在求和节点产生在预定范围内基本上不受温度和供电电压变化影响的电流。

按照本发明的一个实施例，本发明提供的电流源有一个带隙基准电路，供产生随温度而增加的温度相关电流和温稳电压，此外还配备有一个差动放大器。放大器的一对输入端馈以所述温稳电压，放大器的输出端连接一个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的栅极。MOSFET的源极或漏极以负反馈的方式连接放大器的其中一个输入端，漏极或源极耦合到一个电压源。放大器的输出端设有求和节点，一个电阻器与求和节点连接，电阻器的作用是传送所述求和节点的第一电流。求和节点的第二电流由一个电流反射镜传送，随温度变化的电流即馈给此电流反射镜。MOSFET让与第一与第二电流的总和有关的第三电流流过其源极和漏极，这种第三电流不受温度的影响。

结合附图阅读下面的详细说明可以更清楚地了解本发明及其其它特点。附图中：

图1是本发明电流源的原理图；

图2是图1电路中产生的电流随温度T而变化的示意图；

图3是图1电路SPICE(集成电路专用模拟程序)模拟效果的曲线图。

现在参阅图1，图中示出了不受温度和电压源影响的电流源10。电流源10有一个带隙基准电路12，供产生随温度T的上升而增加的温度相关电流I_BGR，并根据温度相关电流I_BGR在电路12的输出端11产生温稳电压V_BGR。电流源10还有一个差动放大器14，放大器14的一个输入端(这里为倒相输入端(一))馈以温稳电压V_BGR。P沟道MOSFET T₁的栅极接放大器14的输出端。MOSFET T₁的源极或漏极(这里为漏极)以负反馈的方式接另一个输入端(这里为放大器14的同相输入端(+))。MOSFET T₁漏极或源极(这里为源极)通过电流反射镜20耦合到电压源18。求和节点22接MOSFET T₁的漏极。电阻器R接求和节点22，供传送求和节点22的电流I_R，其电阻R(T)随温度T而增大。更具体地说，电阻器R连接在求和节点22与基准电位(这里为地)之间，如图中所示。

电流反射镜部分26根据带隙基准电路12中产生的随温度变化的电流I_BGR传送求和节点22的第二电流nI_BGR，其中n为比例因子，其选择方式稍后即将说明。但这里可以这样说，求和节点22处的电压V’_BGR由放大器14和MOSFET _T1形成的反馈线路使其基本上不随温度和电源18的变化而变化。就是说，求和节点22的电压V’_BGR传送到馈给放大器14倒相输入端(-)的基准电压V_BGR(即带隙基准电路12产生的隙基准电压)。稍后即将谈到，如上面所述的那样，电流I_BGR随温度T而增加。因此，电流nI_BGR也随温度T而增加，如图2中所示。另一方面，由于电阻器R的电阻R(T)随温度而增加，而电压V’_BGR基本上不随温度T变化，因而从求和节点22通过电阻器R接地的电流I_R随温度T而减小，如图2中所示。电阻器R的电阻值和n值选择得使电流nI_BGR和I_R的总和基本上不随温度T而变化，如图2中所示。

换句话说，电流源10工作时产生基本上不随温度T的变化和电源18的变化而变化、流入求和节点22的输出电流I_REF＝nI_BGR+I_R。电路10通过将两个温度系数相反的电流相加产生这种不随温度/电源变化而变化的电流I_REF，从而产生这个输出电流。两电流中的第一电流nI_BGR为温度补偿带隙基准电路12中产生的电流I_BGR按比例的模拟电流，两电流中的第二电流I_R是将带隙电路12产生的温稳电压V_BGR除以正温度系数电阻值(即电阻器R的电阻)得出的，如此相加的电流nI_BGR+I_R即为输出电流I_REF。

电流反射镜20(图1)用来产生电流I_OUT＝[M/N]I_REF，其中M/N为电流反射镜20中使用的P沟道晶体管T₂和T₃规定的比例因子。

更具体地说，带隙基准电路10包括P沟道MOSFET T₄，T₅和T₆、n沟道MOSFET T₇和T₈、二极管A₀和A₁，如图中所示那样配置。带隙基准电路12接电压值大于二极管D₁两端正向电压降、晶体管T₅的阈电压和晶体管T₈的阈电压三者的电压总和的+电压源18。带隙基准电路12还包括电阻器R₁和二极管D₁，如图中所示那样配置。二极管D₁，A₀和A₁在热性能上彼此相当。在稳定状态下，流过二极管A₁的电流(即带隙基准电流I_BGR)按函数V_T＝kT/q而增加，其中k为波耳兹曼常数，T为温度，q为电子的电荷。硅的k/q约为0.086毫伏/℃。此电流I_BGR由晶体管T₅，T₆，T₇和T₈的电路反映出来，从而使电流I_BGR通过二极管A₁和二极管D₁，但带隙基准电路12输出端11的电压(即电压V_BGR)由于尽管流过电阻器R1、反映电流I_BGR的电流也会随温度而增加，但二极管D1两端的电压会按-2毫伏/℃随温度而降低，因而基本上不变。这样，11处的输出电压(即电压V_BGR)可用V_BGR＝V_BE+αV_T表示，其中α是常数。

现在以代数的方法举例说明如何选取使总和电流I_REF不受温度影响的R值。这里假设，在理想情况下一次电阻器R₂和R在有关温度范围内(即电路10的标定工作温度范围内)与温度线性相关，于是：

R₂＝R_2T0(aT+b)；且R＝R_T0(aT+b)其中，R_2T0和R_T0为基准温度T₀下的电阻值；a为电阻器R₂和R的电阻温度系数；b为常数。

带隙基准电路10中产生的电流I_BGR(流过电阻器R₁的电流也同样)是从所周知的，可用下式表示：

I_{BGR} = \frac{1}{R_{2} (T)} \frac{kT}{q} \ln (\frac{A_{1}}{A_{0}})

其中，A₁/A₀为二极管的面积比(一般为10)，kT/q为温度电位(即k为波耳兹曼常数，T为温度，q为电子的电荷)。

流过电阻器R的电流为

I_{R} = \frac{V_{BGR}}{R (T)}

通过设计选择使V_BGR不受温度的影响。总和电流I_REF是I_BGR乘上电流反射镜部分26提供的增益系数n加上流过R的电流值得出的结果。这可用下面的代数式表示：

将上式乘以(aT+b)并重新整理各项得出：

\frac{nk}{R_{2 T 0} q} \ln (\frac{A_{1}}{A_{2}}) T + \frac{V_{BGR}}{R_{T 0}} = {aI}_{REF} T + {bI}_{REF}

为达到不受温度的影响，T的系数常数必须相等。因此，

\frac{nk}{R_{2 T 0} q} \ln (\frac{A_{1}}{A_{0}}) = {aI}_{REF}

而为使等式成立：

\frac{V_{BGR}}{R_{T 0}} = {bI}_{REF}

通过消掉I_REF并求出R_T0将上述后两式结合起来得出：

R_{T 0} = \frac{\frac{a}{b} V_{BGR}}{\frac{nk}{q} \ln (\frac{A_{1}}{A_{0}})} R_{2 T 0}

上述最后一式中R_T0的全部值是已知的。电阻温度特性用常数a和b限定。从带隙基准电路的设计确定A₀，A₁，R_2T0和V_BGR。因子n由设计员选取。N的值一般取n＝1。常数k和q是已知的物理常数，如上所述。

通过上述分析，有一点很重要必须指出，温度补偿不是电阻器R的值的函数。只有电流I_BGR的绝对值与电阻器R的阻值有关。电路在同一片半导体芯片上形成时，在制造工艺变化的情况下，电阻比R₂/R应不变。这是本发明显著的优点。

举个设计实例。

二极管面积比A₁/A₀＝10；

在T₀为摄氏83度时，R₂＝71千欧或0.071兆欧；

k/q＝86.17×10^-6伏/开氏度数

V_BGR＝1.2伏

T₀＝摄氏83度＝开氏356度(k)＝基准温度；

a＝0.00131/k

b＝0.537；

n＝1；

R在摄氏83度下等于1040千欧或1.04兆欧。

用此R值并将其代入上式求I_REF，得出下面I_REF与温度的关系式：

用此设计实例相同的数值进行SPICI模拟演算证实了上述计算是对的。此模拟演算的结果如图3中所示。图中示出了在-10℃至+90℃的温度范围内温度斜率相反的两电流I_BGR和I_p及其不受温度影响的电流总和I_REF。

其它实施例都在所附权利要求书的精神实质和范围内。

Claims

1.一种产生不受温度影响的电流的方法，其特征在于，包括将两个温度系数相反的电流相加的步骤。

2.一种产生不受温度影响的电流的方法，其特征在于，包括将温度补偿带隙基准产生的电流与通过温度相关电阻器的电流相加的步骤。

3.一种产生输出电流的方法，包括下列步骤：

将两温度系数相反的电流相加，产生输出电流，两电流中的第一电流I₁为温度补偿带隙基准电路中产生电流的按比例模拟的电流，两电流中的第二电流I₂是带隙电路产生的温稳电压除以正温度系数电阻值获得的，如此相加得出的电流I₁+I₂即为输出电流。

4.一种电流源，包括第一电路、第二电路和第三电路，第一电路供产生(i)正温度系数的基准电流；和(ii)输出端在预定范围内基本上不受电源电压和温度变化影响的输出电压；第二电路供产生从基准电流获得的第一电流，第一电流的温度系数为正；第三电路接输出节点，供产生从输出电压得出的第二电流，第二电流的电流系数为负；

其中，第一电流和第二电流在输出节点相加，在输出节点产生与第一和第二电流的总和有关的输出电流，这个输出电流在预定范围内基本上不受温度变化的影响。

5.如权利要求4所述的电流源，其特征在于，第二电路包括一个电流反射镜。

6.如权利要求4所述的电流源，其特征在于，第三电路包括一个电阻器。

7.如权利要求6所述的电流源，其特征在于，第二电路包括一个电流反射镜。

8.如权利要求4所述的电流源，其特征在于，第一电路包括一个带隙基准电路。

9.如权利要求8所述的电流源，其特征在于，所述带隙基准为自偏压带隙基准电路。

10.如权利要求9所述的电流源，其特征在于，所述自偏压带隙基准电路包括多个CMOS晶体管。

11.如权利要求9所述的电流源，其特征在于，所述第二电路包括一个电流反射镜。

12.如权利要求10所述的电流源，其特征在于，第三电路包括一个电阻器。

13.如权利要求12所述的电流源，其特征在于，第二电路包括一个电流反射镜。

14.一种电流源，包括：

一个带隙基准电路，适宜耦合到电源电压；产生正温度系数的带隙基准电流，并在输出电流求和节点产生在预定范围内基本上不受电源电压和温度变化的影响的输出电压；

一个电流相加电路，包括：一对电流通路，其中一个电流通路产生从带隙基准电流获得的第一电流，第一电流的温度系数为正，另一个电流通路产生从输出电压获得的第二电流，第二电流的温度系数为负；

其中，第一和第二电流在求和节点相加，在求和节点产生在预定范围内基本上不受温度变化影响的电流。

15.如权利要求14所述的电流源，其特征在于，所述电流相加电路包括一个电流反射镜，根据带隙基准电流产生第一电流。

16.如权利要求15所述的电流源，其特征在于，所述电流相加电路包括一个连接求和节点的电阻器。

17.一种电流源，包括：

一个带隙基准电路，供产生随温度的上升而增大的温度相关电流和温稳电压；

一个差动放大器，其一对输入端其中之一馈以温稳电压；

一个晶体管，其栅极连接放大器的输出端，其源极或漏极以负反馈的方式连接放大器的其中一个输入端，其漏极或源极耦合到一个电压源；

一个求和节点，连接放大器的输出端；

一个电阻器，接求和节点，供传送求和节点的第一电流；

一个电流反射镜，馈以随温度变化的电流，供传送求和节点的第二电流；

这个晶体管让与第一和第二电流的总和有关的第三电流流过其源极和漏极。

18.一种电流源，包括：

一个带隙基准电路，供产生基本上不随温度变化的带隙基准电压和具有正温度系数的电流，包括由一个二极管和一个第一电阻器组成的串联电路，所述正温度系数电流流过所述串联电路；

一个差动放大器，其一对输入端馈以带隙基准电压；

一个晶体管，其栅极接放大器的输出端，其源极或漏极以负反馈的方式连接放大器一对输入端的另一个输入端，其漏极或源极耦合到一个电压源；

一个求和节点，连接放大器的输出端；

第二电阻器，连接求和节点，供传送求和节点的第一电流；

此晶体管让与第一和第二电流的总和有关的第三电流流过其源极和漏极。