CN1529216A - 低温度系数和低电源电压系数的参考电流源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温度系数和低电源电压系数的参考电流源，属电源技术领域。该电源中的启动电路产生一个低电压，使恒电流产生电路工作。启动电路包括：用于产生镜像电流的PMOS管，用于构成电流镜的两个NMOS管，一个用于启动恒电流产生电路NMOS管，，用于控制NMOS管的开启和关断的电阻。恒电流产生电路包括：用于构成电流镜的二个PMOS管，用于阻止电路中寄生振荡的电容，用于产生两个发射结电压PNP双极晶体管，用于对电压降进行差分放大的运算放大器。本参考电流源，通过对片上电阻的温度系数进行补偿实现输出电流的温度稳定，并得到非常低的温度系数；不需要外接元器件和外接信号，结构简单，占用的面积小，消耗的功率低。

Description

低温度系数和低电源电压系数的参考电流源

技术领域    本发明涉及一种低温度系数和低电源电压系数的参考电流源，属电源技术领域。

背景技术    电流参考电路是模拟集成电路中的重要部件。因为，对电流来说，在长金属线上没有损失，而电压则有损失，所以在有长金属线的复杂模拟电路中，电流参考源更受欢迎。另外，电流模方法设计的模拟电路比电压模的电路的工作频率要高。因此，在现代电子电路和系统中，参考电流源有广泛的用途。由于现代电子系统的应用范围很广，环境更苛刻，因此要求参考电流源在很宽的温度范围(-25℃～125℃)和很宽的电源电压范围电路都能可靠地工作。在已有技术中一般采用能隙电路来实现恒压源(参考电压源)，如：K.N.Leung，P.K.T.Mok.A sub-1-V15-ppm/℃ CMOS bandgap voltage reference without requiring low threshold voltagedevice.IEEE Journal of Solid-State Circuits.2002，37(4)：526～530。

发明内容    本发明的目的是提出一种低温度系数和低电源电压系数的参考电流源，采用能隙电路来实现恒流源。

本发明提出的低温度系数和低电源电压系数的参考电流源，包括一个启动电路和一个恒电流产生电路，其中启动电路产生一个低电压，使恒电流产生电路工作；其中的启动电路包括：

(1)一个PMOS管(M₃)，用于产生镜像电流，其源极与外接电源相接，栅极同时与NMOS管(M_s)的漏极和恒电流产生电路的输出端相连，漏极与NMOS管(M₅)的漏极和栅极相连；

(2)两个NMOS管(M₄和M₅)，用于构成电流镜，以产生二个电流，两个NMOS管(M₄和M₅)的源极接地，其栅极相互联接，并且联接到NMOS管(M₅)的漏极，NMOS管(M₄)的漏极联接到电阻Rs的一端；

(3)一个NMOS管(M_s)，用于启动恒电流产生电路，其栅极同时与电阻Rs的一端和NMOS管(M₄)的漏极相接，其源极接地；

(4)电阻Rs，用于控制NMOS管(M_s)的开启和关断，其一端与外接电源相连；

其中的恒电流产生电路包括：

(5)二个PMOS管(M₁和M₂)，用于构成电流镜，以产生二个电流(I₁、I₂)；二个PMOS管的源极与外接电源连接，其栅极互联，并且连到运算放大器(O₁)的输出端；

(6)电容(C₀)，用于阻止电路中寄生振荡，电容的一端与PMOS管(M₁)的漏极相联，另一端同时与二个PMOS管的栅极和运算放大器(O₁)的输出端联接；

(7)PNP双极晶体管(Q₁和Q₂)，用于产生两个发射结电压(V_BE1、V_BE2)，其中PNP双极晶体管Q₁的收集极与基极短路，其发射极与上述PMOS管(M₁)的漏极相接，同时与运算放大器(O₁)的反向端相接，PNP双极晶体管Q₂的发射极通过电阻(R₀)与PMOS(M₂)的漏极相接，同时与运算放大器(O₁)的同向端相接；

(8)运算放大器(O₁)，用于对V1和V2进行差分放大，其中V1是PNP双极晶体管(Q₁)的发射结电压降，V2是PNP双极晶体管(Q₂)发射结电压降与电阻(R₀)上的电压降之和；

(9)电阻(R₁、R₂)，用于对电路进行电阻补偿，电阻(R₁)的一端接地，另一端接运算放大器(O₁)的反向端，电阻(R₂)的一端接地，另一端接运算放大器(O₁)的同向端。

上述参考电流源中的运算放大器(O₁)包括：

(1)两个PMOS管(M₆和M₇)，用于产生恒定电流，两个PMOS管(M₆和M₇)的栅极互联后与恒电流产生电路的输出端相连，其源极同时与外接电源相连，PMOS管(M₆)的漏极与两个PMOS管(M₈和M₉)的源极相连，PMOS管(M₇)的漏极与NMOS管(M₁₂)的漏极相连；

(2)两个PMOS管(M₈和M₉)，构成差分对，用于输入差分信号，两个PMOS管(M₈和M₉)的栅极分别与差分信号输入端相连，PMOS管(M₈)的漏极同时与NMOS管(M₁₀)的漏极和两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)的栅极相连，PMOS管(M₉)的漏极与NMOS管(M₁₁)的漏极相连；

(3)两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)，用于构成电流镜，成为上述差分对的有源负载，并与PMOS管(M₆和M₇)和PMOS管(M₈和M₉)一起对差分信号进行第一级差分放大，两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)的源极接地，NMOS管(M₁₁)的漏极与PMOS管(M₉)的漏极相连；

(4)NMOS管(M₁₂)，用于与PMOS管(M₇)一起对上述放大信号进行第二级放大，NMOS管(M₁₂)的栅极同时接NMOS管(M₁₁)的漏极和电阻R的一端；

(5)电阻(R)和电容(C)，用于对放大器进行频率补偿，电容(C)的一端与电阻(R)相接，另一端与NMOS管(M₁₂)的漏极相接。

本发明提出的低温度系数和低电源电压系数的参考电流源，具有以下优点：

1、恒流源的核心电路是基于传统的能隙电路。通常，传统的能隙电路用来实现恒压源，但在本发明中则用来实现恒流源。

2、输出电流的温度稳定性是以对片上电阻的温度系数进行补偿来获得的，并得到非常低的温度系数。提出一种不同的优化程序。

3、本发明中的双极晶体管是基极-收集极短路的，使得可以用标准CMOS工艺来实现该电路，并且容易应用于其他复杂系统。该电路不需要外接元器件和外接信号，结构简单，占用的面积小，消耗的功耗低。

4、恒流源电路集成了一个运算放大器，获得了很好的电源电压稳定性，使其输出电流在高于1V的电源电压下都能够保持基本不变，可以在低压下、宽电源电压范围内正常工作，参考电流源输出的温度系数为50ppm/℃(温度范围：0℃～110℃)，并在电源电压范围(1V～2.3V)上的相对偏差为0.5％。

5、启动电路确保该电路在上电之后能适当地工作。

6、电容C₀的使用和运算放大器的设计保证了该电路的稳定性。

7、该恒流源有很好的工艺稳定性，能够在工艺波动的情况下正常工作，有助于获得较高的加工成品率。

附图说明

图1是本发明设计的参考电流源的结构框图。

图2是本发明设计的参考电流源的电路原理图。

图3是参考电流源中运算放大器的电路原理图。

图4是本发明设计的参考电流源输出电源的温度特性曲线。

图5是本发明设计的参考电流源输出电源与电源电压的关系曲线。

具体实施方式

本发明提出的低温度系数和低电源电压系数的参考电流源，其结构框图如图1所示，包括一个启动电路和一个恒电流产生电路，其中启动电路产生一个低电压，使恒电流产生电路工作。其电路图如图2所示，包括：

(1)一个PMOS管(M₃)，用于产生镜像电流，其源极与外接电源相接，栅极同时与NMOS管(M_s)的漏极和恒电流产生电路的输出端相连，漏极与NMOS管(M₅)的漏极和栅极相连；

(2)两个NMOS管(M₄和M₅)，用于构成电流镜，以产生二个电流，两个NMOS管(M₄和M₅)的源极接地，其栅极相互联接，并且联接到NMOS管(M₅)的漏极，NMOS管(M₄)的漏极联接到电阻Rs的一端；

(3)一个NMOS管(M_s)，用于启动恒电流产生电路，其栅极同时与电阻Rs的一端和NMOS管(M₄)的漏极相接，其源极接地；

(4)电阻Rs，用于控制NMOS管(M_s)的开启和关断，其一端与外接电源相连；

其中的恒电流产生电路包括：

(5)二个PMOS管(M₁和M₂)，用于构成电流镜，以产生二个电流(I₁、I₂)；二个PMOS管的源极与外接电源连接，其栅极互联，并且连到运算放大器(O₁)的输出端；

(6)电容(C₀)，用于阻止电路中寄生振荡，电容的一端与PMOS管(M₁)的漏极相联，另一端同时与二个PMOS管的栅极和运算放大器(O₁)的输出端联接；

(7)PNP双极晶体管(Q₁和Q₂)，用于产生两个发射结电压(V_BE1、V_BE2)，其中PNP双极晶体管Q₁的收集极与基极短路，其发射极与上述PMOS管(M₁)的漏极相接，同时与运算放大器(O₁)的反向端相接，PNP双极晶体管Q₂的发射极通过电阻(R₀)与PMOS(M₂)的漏极相接，同时与运算放大器(O₁)的同向端相接；

(8)运算放大器(O₁)，用于对V1和V2进行差分放大，其中V1是PNP双极晶体管(Q₁)的发射结电压降，V2是PNP双极晶体管(Q₂)发射结电压降与电阻(R₀)上的电压降之和；

(9)电阻(R₁、R₂)，用于对电路进行电阻补偿，电阻(R₁)的一端接地，另一端接运算放大器(O₁)的反向端，电阻(R₂)的一端接地，另一端接运算放大器(O₁)的同向端。

上述参考电流源中的运算放大器(O₁)包括：

(1)两个PMOS管(M₆和M₇)，用于产生恒定电流，两个PMOS管(M₆和M₇)的栅极互联后与恒电流产生电路的输出端相连，其源极同时与外接电源相连，PMOS管(M₆)的漏极与两个PMOS管(M₈和M₉)的源极相连，PMOS管(M₇)的漏极与NMOS管(M₁₂)的漏极相连；

(2)两个PMOS管(M₈和M₉)，构成差分对，用于输入差分信号，两个PMOS管(M₈和M₉)的栅极分别与差分信号输入端相连，PMOS管(M₈)的漏极同时与NMOS管(M₁₀)的漏极和两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)的栅极相连，PMOS管(M₉)的漏极与NMOS管(M₁₁)的漏极相连；

(3)两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)，用于构成电流镜，成为上述差分对的有源负载，并与PMOS管(M₆和M₇)和PMOS管(M₈和M₉)一起对差分信号进行第一级差分放大，两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)的源极接地，NMOS管(M₁₁)的漏极与PMOS管(M₉)的漏极相连；

(4)NMOS管(M₁₂)，用于与PMOS管(M₇)一起对上述放大信号进行第二级放大，NMOS管(M₁₂)的栅极同时接NMOS管(M₁₁)的漏极和电阻R的一端；

(5)电阻(R)和电容(C)，用于对放大器进行频率补偿，电容(C)的一端与电阻(R)相接，另一端与NMOS管(M₁₂)的漏极相接。

上述启动电路用来保证该电路在上电时能够稳定在所期望的值，而其他电路的P沟金属氧化物半导体(以下简称PMOS)晶体管和核心电路中的PMOS管的栅极连接在一起，形成电流镜，将核心电路中产生的恒定电流镜像到芯片中的其他电路中。PMOS晶体管M₁和M₂完全相同，电阻R₁和R₂也完全相同。所有的元器件均为片上实现。三个参量保证恒流源的温度稳定性。一是两个基极和收集极短接的PNP双极晶体管Q₁和Q₂的基极-发射极电压V_BE1，V_BE2它具有负温度系数；二是晶体管Q₁和Q₂的V_BE之间的差值ΔV_BE，它具有正的温度系数。；三是在片电阻的温度系数。

对于图2中的Q₁和Q₂来说，如果它们的发射极面积之比为N，而通过发射极的电流相等，则它们的VBE之间的差值ΔVBE由下式决定：

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{BE}}=V_{\mathrm{BE}1}-V_{\mathrm{BE}2}=V_T\ln \frac{I_1}{I_S}-V_T\ln \frac{I_2}{{\mathrm{NI}}_S}=V_T\ln N---\left(1\right)$

其中 $V_T=\frac{\mathrm{kT}}{q},$ T是绝对温度，而k是玻尔兹曼常数，可以看出，ΔVBE与绝对温度成正比关系。由于图中运算放大器的增益很高(直流时超过一万倍)，如果节点V1和V2之间有一个很小的电压差，该电压差经过运算放大器的放大而呈现在输出上，就将使得该运算放大器的输出饱和。由于M₁和M₂的反馈作用，使得节点V1和V2的电压相等。

运算放大器内部和它的两个输入端相接的是MOS晶体管栅极，其输入阻抗趋于无限大，因此，不会有电流流进或流出。同时电阻R₁和R₂的阻值也相等，则流过它们的电流也相等，都正比于电压V_BE1，于是考察节点V2处的各电流的关系，可以得到

$I_1=I_2=\frac{V_T\ln N}{R_0}+\frac{V_{\mathrm{BE}1}}{R_1}---\left(2\right)$

上式中

是流过电阻R₀的电流，而

则等于流过电阻R₁的电流。

为了简化分析，所有的参数对温度的特性只取一阶，也就是说假设所有的参数和温度呈线性关系。于是V_T可以表示为：

$V_T=\frac{\mathrm{kT}}{q}=\frac{{\mathrm{kT}}_0}{q}(1+\frac{1}{T_0}\mathrm{\ΔT})=\frac{{\mathrm{kT}}_0}{q}(1+\mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔT})---\left(3\right)$

其中T₀是感兴趣的温度范围的中心点，例如，如果我们分析的温度范围为(-25℃，125℃)，则T₀为50℃而ΔT＝T-T₀。

在温度T₀附近，V_BE1对温度的一阶近似可表示为：

$V_{\mathrm{BE}1}=V_{\mathrm{BE}1,T_0}(1+\frac{{\∂V}_{\mathrm{BE}1}}{\∂T}{|}_{T_0}\·\mathrm{\ΔT})=V_{\mathrm{BE}1,T_0}(1-\mathrm{\β}\·\mathrm{\ΔT})---\left(4\right)$

所有的片上电阻也都和温度相关，所以R₀可以表示为：

$R_0=R_{0,T_0}(1+\frac{{\∂R}_0}{\∂T}{|}_{T_0}\·\mathrm{\ΔT})=R_{0,T_0}(1+\mathrm{\γ}\·\mathrm{\ΔT})---\left(5\right)$

R₁和R₀采用同种类型的电阻，则它们的比值不随温度的变化而变化，如果m＝R₁/R₀，当：

$m=\frac{{\mathrm{qV}}_{\mathrm{BE}1,T0}}{{\mathrm{kT}}_0\ln N}\·\frac{(\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})}{(\mathrm{\α}-\mathrm{\γ})}---\left(6\right)$

则此时的和温度无关的电流的表达式为：

$I_1=\frac{1}{R_{0,T0}}(\frac{{\mathrm{kT}}_0}{q}\ln N+\frac{V_{\mathrm{BE}1,T_0}}{m})---\left(7\right)$

将A点连接到其他PMOS晶体管的栅极，则M₁和M₂中的温度稳定的电流就镜像到这些晶体管中。

如果Q₁的饱和电流为I_S1，则有：

$V_{\mathrm{BE}1,T_0}=\frac{{\mathrm{kT}}_0}{q}\ln \frac{I_1}{I_{S1}}---\left(8\right)$

将式(8)代入式(7)中，得到：

$I_1=\frac{1}{R_{0,T0}}\·\frac{{\mathrm{kT}}_0}{q}(\ln N+\frac{1}{m}\ln \frac{I_1}{I_{S1}})---\left(9\right)$

该表达式中的所有参数都和电源电压无关，所以它也可以获得比较好的电源电压稳定度。而且，由于运算放大器迫使电压V1和V2相等，M₁的四端极电压与M₂，的对应端极电压相等，从而确保它们的漏极电流精确地相等，减少电源电压变化引起的误差，实现低的电源电压系数。

电容C₀用来阻止可能产生的寄生振荡。

如果没有启动电路的帮助，该恒流源的输出电流将始终为零。所以，该电路需要一个启动电路来保证它在电源上电的过程中稳定到正确的状态。我们采取的方法是使电流流过图2中的M₁和M₂来将电路带出死区。我们设计的启动电路如图2所示。电阻R_S中的电流是由图2中的M₁或者M₂的电流折叠镜像过来的，如果该电流为零，则R_S两端没有电压降，N沟金属氧化物半导体(简称NMOS)管M_S的栅极电平等于电源电压。当电源电压V_DD高于M_S的阈值电压V_th时，M_S导通，从而把节点A的电平拉低到地电平，于是图2中的两个PMOS管开始导通，有电流从电源通过两个PMOS晶体管流入下面的Q₁和Q₂管中。当电流增加到一定程度，则M_S的栅极电平接近于地电平，M_S截至，将启动电路和核心电路隔离开，启动过程结束，电路进入正常工作状态。

在图2所示的电路中用到的运算放大器的电路如图3所示。由于它的输入端的共模电压为图2中Q₁的BE结压降比较低，所以输入级采用了PMOS差分对而不是通常的NMOS差分对。为了使其在电源电压1V下能够工作，该差分对的两PMOS管的衬底联到它们的源极，以消去衬底偏置效应。

为了将两个输入端口间的误差减到最小，该运放必须有非常高的增益。为此，本发明采取了两级放大结构，并用电流镜作为负载。电阻R和电容C是进行频率补偿用的，保证了运放的稳定性。另外，使用了长沟器件来减小器件之间的失配和失调。它的偏置电流是由核心电路中产生的恒定电流镜像过来的，改进电源抑制比。

该恒流源电路所输出电流与温度的关系，如图4所示。在0℃～110℃温度范围内，电流的温度系数为50ppm/℃。该恒流源电路的输出电流随电源电压变化的关系如图5所示。可以看到，当超过1V后，电流完全稳定。对于标称输出电流527μA，在电源电压1V～2.3V范围内的相对变化不超过0.5％。具有非常好的电源电压稳定性。

Claims (2)

1、一种低温度系数和低电源电压系数的参考电流源，其特征在于该参考电流源包括一个启动电路和一个恒电流产生电路，其中启动电路产生一个低电压，使恒电流产生电路工作，其中的启动电路包括：

(1)一个PMOS管(M₃)，用于产生镜像电流，其源极与外接电源相接，栅极同时与NMOS管(M_s)的漏极和恒电流产生电路的输出端相连，漏极与NMOS管(M₅)的漏极和栅极相连；

(2)两个NMOS管(M₄和M₅)，用于构成电流镜，以产生二个电流，两个NMOS管(M₄和M₅)的源极接地，其栅极相互联接，并且联接到NMOS管(M₅)的漏极，NMOS管(M₄)的漏极联接到电阻Rs的一端；

(3)一个NMOS管(M_s)，用于启动恒电流产生电路，其栅极同时与电阻Rs的一端和NMOS管(M₄)的漏极相接，其源极接地；

(4)电阻Rs，用于控制NMOS管(M_s)的开启和关断，其一端与外接电源相连；

其中的恒电流产生电路包括：

(5)二个PMOS管(M₁和M₂)，用于构成电流镜，以产生二个电流(I₁、I₂)；二个PMOS管的源极与外接电源连接，其栅极互联，并且连到运算放大器(O₁)的输出端；

(6)电容(C₀)，用于阻止电路中寄生振荡，电容的一端与PMOS管(M₁)的漏极相联，另一端同时与二个PMOS管的栅极和运算放大器(O₁)的输出端联接；

(7)PNP双极晶体管(Q₁和Q₂)，用于产生两个发射结电压(V_BE1、V_BE2)，其中PNP双极晶体管Q₁的收集极与基极短路，其发射极与上述PMOS管(M₁)的漏极相接，同时与运算放大器(O₁)的反向端相接，PNP双极晶体管Q₂的发射极通过电阻(R₀)与PMOS(M₂)的漏极相接，同时与运算放大器(O₁)的同向端相接；

(8)运算放大器(O₁)，用于对V1和V2进行差分放大，其中V1是PNP双极晶体管(Q₁)的发射结电压降，V2是PNP双极晶体管(Q₂)发射结电压降与电阻(R₀)上的电压降之和；

(9)电阻(R₁、R₂)，用于对电路进行电阻补偿，电阻(R₁)的一端接地，另一端接运算放大器(O₁)的反向端，电阻(R₂)的一端接地，另一端接运算放大器(O₁)的同向端。

2、如权利要求1所述的参考电流源，其特征在于其中所述的运算放大器(O₁)包括：

(1)两个PMOS管(M₆和M₇)，用于产生恒定电流，两个PMOS管(M₆和M₇)的栅极互联后与恒电流产生电路的输出端相连，其源极同时与外接电源相连，PMOS管(M₆)的漏极与两个PMOS管(M₈和M₉)的源极相连，PMOS管(M₇)的漏极与NMOS管(M₁₂)的漏极相连；

(2)两个PMOS管(M₈和M₉)，构成差分对，用于输入差分信号，两个PMOS管(M₈和M₉)的栅极分别与差分信号输入端相连，PMOS管(M₈)的漏极同时与NMOS管(M₁₀)的漏极和两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)的栅极相连，PMOS管(M₉)的漏极与NMOS管(M₁₁)的漏极相连；

(3)两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)，用于构成电流镜，成为上述差分对的有源负载，并与PMOS管(M₆和M₇)和PMOS管(M₈和M₉)一起对差分信号进行第一级差分放大，两个NMOS管(M₁₀和M₁₁)的源极接地，NMOS管(M₁₁)的漏极与PMOS管(M₉)的漏极相连；

(4)NMOS管(M₁₂)，用于与PMOS管(M₇)一起对上述放大信号进行第二级放大，NMOS管(M₁₂)的栅极同时接NMOS管(M₁₁)的漏极和电阻R的一端；

(5)电阻(R)和电容(C)，用于对放大器进行频率补偿，电容(C)的一端与电阻(R)相接，另一端与NMOS管(M₁₂)的漏极相接。

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