CN209928305U

CN209928305U - 一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构

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Publication number: CN209928305U
Application number: CN201920554935.2U
Authority: CN
Inventors: 李森; 聂海; 胡扬
Original assignee: Chengdu University of Information Technology
Current assignee: Chengdu University of Information Technology
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2029-04-22

Abstract

本实用新型公开了一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构，该结构包括电流反馈型二级运算放大器、带隙基准核心电路、启动电路和电流源偏置电路，所述电流反馈型二级运算放大器、带隙基准核心电路和低温漂高稳定性的带隙基准电流源依次连接，所述启动电路和电流源偏置电路分别与低温漂高稳定性的带隙基准电流源连接。本实用新型高稳定性，低温漂，由于电流负反馈型二极管的设计使得电路具有高的增益和大的带宽，增加了电路的稳定性，以及使用带隙基准核心电路输出一个基准电流，再用电流源偏置电路改善基准电流的温漂系数，使之输出一个具有低温漂系数的基准电流。

Description

一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构

技术领域

本实用新型属于模拟集成电路设计技术领域，涉及一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构。

背景技术

带隙基准电路包括基准电流源与基准电压源，为其他电路系统供给稳定的电流和电压。目前随着集成电路工艺的发展，片内集成的带隙基准电流源普遍的应用在模拟集成电路和混合数模电路中，比如运算放大器、模拟数字转换器。基准电路具有稳定性强，以及它对操作环境变化不敏感等特点为其它电路提供较为精确的参考点，因而，成为许多电路中不可缺少的基本单元模块。然而正因为基准电流源是电路中的核心电路，所以基准电流源的稳定性，温漂系数以及抗噪能力都会直接影响到整个系统的精度和稳定性。于是，设计一种具有低温漂系数、高稳定特性和较高电源抑制比的带隙基准电流源具有极其重大的意义。现在最常用的电流源设计方法是把带隙基准电压源在基准电阻两端产生基准电流，然后利用偏置电流源电路结构将一个由前面带隙电路产生的基准电流精确拷贝，再输出给其他电路结构，但是集成化基准电阻的工艺误差很大，无法保证基准电流值及温度系数。因而，如何改善基准电流源的性能参数和集成度显得特别重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构，其中涉及了带隙基准核心电路，电流负反馈型二级运放，启动电路，电流源偏置电路。

其具体技术方案为：

一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构，其主要结构包括带隙基准核心电路，电流反馈型二级运算放大器，启动电路，电流源偏置电路，其中：

带隙基准核心电路：该电路可以产生一个在室温下具有零温漂系数的带隙基准电流；利用带隙基准电压源的工作原理，通过对与双极型晶体管下连接的电阻阻值的调节、匹配使之电流成为零温度系数的基准电流，然后再通过偏置电路，将该电流精确复制出来，得到一个具有低温漂高稳定性的基准电流。

电流反馈型二级运算放大器：使带隙基准核心电路的输入两端获得近似相等的电压。

启动电路：用于带隙基准电流源电路能够稳定地工作在正常开启和关断两种工作状态中的任一种。

电流源偏置电路：对产生的基准电流，进行偏置以便产生精确的稳定的具有低温漂系数的电流。

在上述的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构中，所述的带隙基准核心电路采用了一种基于与绝对温度成正比(PTAT:proportional to absolute temperature)电流型带隙基准。

在上述的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构中，所述的电流反馈型二级运放结构设计了一个低压高增益运放，这种电路结构不受-3dB带宽的影响，带宽比较高，采用电流镜结构，为运算放大器本身提供偏置电流。

在上述的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构中，所述的启动电路结构当接通电源后，运算放大器的偏置电路开始工作，PMOS管M17、M18和NMOS管M20提供了到地的通路，这样便拉低了核心电路中PMOS管M13和M14的栅极电势。随着基准电流源中的电流随之增大，使得X点和Y点处的电势也跟着上升，这样放大器进入了高增益工作区，同时基准电流源电路也开始进入正常的工作状态，启动电路关闭。

在上述的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构中，所述的电流源偏置电路采用共源共栅级电流镜结构，使用电流漏的模式将带隙基准电流引出。进一步，所述带隙基准核心电路包括PMOS管M13，PMOS管M14，PMOS管M15，PMOS晶体管M16，PNP三极管 Q1，PNP三极管Q2，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4；

PMOS管M13的源极与电源相连，栅极与PMOS管M14，M15，M16的栅极相连，漏极与R2的一端相连，PMOS管M14的源极与电源相连，漏极与R1的一端相连，PMOS管 M15的源级与电源相连，漏极与R3相连，PMOS管M16的源级和漏极都连接电源，电阻 R1的一端与PNP三极管Q2的发射极相连，一端与电阻R2相接，电阻R4的一端与PNP 晶体管Q1的发射极相接，一端与地相接，电阻R2和电阻R3的另一端与地相连，PNP三级管Q1和PNP三极管Q2的基极和集电极与地相接。

进一步，所述电流反馈型二级运算放大器包括NMOS管M3，NMOS管M4，NMOS管 M5，NMOS管M6，NMOS管M10，NMOS管M11，PMOS管M0，PMOS管M1，PMOS 管M2，PMOS管M7，PMOS管M8，PMOS管M9，PMOS管M10，电阻R5；

NMOS管M3的源极与地相接，栅极与NMOS管M4的栅极与漏极相接，NMOS管M4 的源极接地，漏极与PMOS管M1的漏极相接，NMOS管M5的源极接地，漏极与NMOS 管M6的栅极和PMOS管M2的漏极相接，栅极与NMOS管M6的栅极相接，NMOS管M6 的漏极与PMOS管M8的漏极相接，源极与地相接，NMOS管M10的漏极与PMOS管M9 的漏极与栅极相接，栅极与NMOS管M11的栅极与漏极相接，源极与地相接，NMOS管 M11的漏极与电阻R5相接，源极与地相接，PMOS管M0的源极接地，栅极与PMOS管 M9的栅极相接，漏极与PMOS管M1的源极与PMOS管M2的源极相接，PMOS管M1的栅极外接PIN脚VIN，PMOS管M2的栅极外接PIN脚VIP，PMOS管M7的源极与电源相接，栅极与PMOS管M8的栅极相接，漏极与栅极与PMOS管M8的栅极相接，PMOS管 M8的源极与电源相接，PMOS管M9的源极与电源相接，栅极与PMOS管M0的栅极和NMOS 管M10的漏极相接，漏极与NMOS管M10的漏极相接。

进一步，所述的启动电路包括PMOS管M17，PMOS管M18，NMOS管M19，NMOS 管M20；

PMOS管M17的源极接电源，栅极与PMOS管M18的源极相接，漏极与PMOS管M18 的源极相接，PMOS管M18的栅极与NMOS管M19的漏极和NMOS管M20的栅极相接， NMOS管M19的栅极与所述的电阻R3相接，源极与地相接，NMOS管M20的漏极与所述的PMOS管M15的栅极相接，源极与地相接。

进一步，所述的电流源偏置电路包括PMOS管M21，PMOS管M22，PMOS管M23， NMOS管M24，NMOS管M25，NMOS管M26,NMOS管M27，NMOS管M28，NMOS管 M29，NMOS管M30；

PMOS管M21的栅极与所述的NMOS管M20的漏极相接，源极接电源，漏极接NMOS 管M21的漏极和栅极相接，PMOS管M22的源级与电源相接，栅极与PMOS管M21的栅极相接，漏极与NMOS管M25的漏极相接，PMOS管M23的源极和漏极与电源相接，栅极与PMOS管M22的栅极相接，NMOS管M24的栅极和漏极与NMOS管M25的栅极相接，源极接地，NMOS管M25的栅极与NMOS管M26的栅极相接，源级和NMOS管M27的漏极相接，NMOS管M26的漏极引出电流源PIN脚，源极与NMOS管M28的漏极相接，NMOS 管M27的栅极与NMOS管M28的栅极相接，源极与地相接，NMOS管M28的栅极与NMOS 管M30的栅极相接，源极接地，NMOS管M29的栅极与NMOS管M226的栅极相接，漏极接地，源极与NMOS管M30的漏极相接，NMOS管M30的源极接地。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型高稳定性，低温漂，由于电流负反馈型二极管的设计使得电路具有高的增益和大的带宽，增加了电路的稳定性，以及使用带隙基准核心电路输出一个基准电流，再用电流源偏置电路改善基准电流的温漂系数，使之输出一个具有低温漂系数的基准电流。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构模块示意图；

图2是本实用新型实施例的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源的电路示意图；

图3是本实用新型实施例的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源中带隙基准核心电路示意图。

图4是本实用新型实施例的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源中电流反馈型二级运放电路示意图；

图5是本实用新型实施例的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源中启动电路的示意图；

图6是本实用新型实施例的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源中电流源偏置电路的示意图；

图7是本实用新型实施例的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源系统温漂系数的仿真示意图；

图8是本实用新型实施例的一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源系统电源抑制比的仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细地说明。

本实用新型提供了一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构102，参见图1所述的低温漂高稳定性的带隙基准电流源包括：带隙基准核心电路101，电流反馈型二级运算放大器 100，启动电路103，电流源偏置电路104；

所述带隙基准核心电路101，可以根据启动信号，产生与绝对温度成正比的第一电流和与绝对温度成反比的第二电流，最后通过调节电阻产生一个低温漂系数的基准电流；

所述电流反馈型二级运算放大器100，使得带隙基准电流源电路如图2的X点和Y点有近似相等的电压，并且提高电路的增益。

所述启动电路103，用于在带隙基准电流源中，产生启动信号，使电路能够正常的开启工作。

所述电流源偏置电路104，采用共源共栅电流镜的结构，以及电流漏的模式，可以精确的复制基准电流，以及通过减少沟道长度调制效应的影响来改善电流的温漂系数。

可选地，所述带隙基准核心电路采用了一种基于与绝对温度成正比(PTAT:proportional to absolute temperature)电流型带隙基准。

该电路可以产生PTAT电流的带隙基准电压，实际上通过调节R₁和R₂的阻值，使其匹配也能达到零温度系数的电流。

由于BJT的基极-发射极电压具有负温度系数，而具有正温度系数，调节电阻R1和R2 大小可将正负温度系数抵消，从而得到一个恒温的基准电压。分析如下：

I₁＝(V_TlnN)/R₁

I₂＝(V_EB)/R₂

所以流过R₃的电流为

为了使输出电流实现零温度系数，则

在如图3所示电路中调节R₁和R₂的阻值大小，也可以使输出的电压温漂系数为零，而且调整R₃的阻值可以改变输出电压的大小。与放大器相连接的MOS管实际是作为电容使用，在版图设计中可以减小面积，而且又起到频率补偿，提高相位裕度，保证环路稳定性的作用。

可选地，所述的电流负反馈型二级运放100，采用了共源共栅电流镜负反馈电流的结构。

具体地，如图4所示该设计的是一种简单实现的电流反馈型运算放大器，这种电路结构不受-3dB带宽的影响，带宽比较高。该电路流过R的电流为：

就这个运算放大器来说，M₁₁和M₁₀，M₉和M₀构成电流镜，镜像流过电阻R的电流I为运算放大器本身提供偏置电流，通过调节电阻R或者NMOS管M₁₁的宽长比大小，就可以调节偏置电流的大小。

该电路的增益为：

可选地，所述的启动电路需要满足几个要求。第一，可以迅速的产生偏置电流来开启电路；第二，等候核心电路进入正常的工作状态后，启动电路会自动关闭。如果满足这两个条件，那么就不会影响基准电路的工作状态，而且也不影响输出的基准电流的稳定性。

具体地如图5所示，当接通电源后，运算放大器的偏置电路开始工作，M17、M18和M20 提供了到地的通路，这样便拉低了核心电路中M13和M14的栅极电势。随着基准电流源中的电流随之增大，使得X点和Y点处的电势也跟着上升，这样放大器进入了高增益工作区，同时基准电流源电路也开始进入正常的工作状态，启动电路关闭。

可选地，所述的电流源偏置电路，采用了共源共栅电流镜对。

具体地，如图6所示为了避免沟道长度效应带来的影响，确保V_X＝V_Y,根据M26的尺寸大小选择合适的M25尺寸大小，从而使得V_GS25＝V_GS26，将N节点与M26的栅相连接，可得V_GS25+V_X＝V_GS26+V_Y，因此如果(W/L)₂₆/(W/L)₂₅＝(W/L)₂₈/(W/L)₂₇,那么V_GS25＝ V_GS26，V_X＝V_Y。这样即使M0和M3存在衬底偏置效应，该结果也仍然成立。因此在本实用新型的电路设计中最后的基准电流源的输出就采用了共源共栅电流镜将带隙基准产生的基准电流精确的拷贝出来，成为了一个电流源。

本实施例中，还提供了一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源系统温漂系数如图7，通过计算可得温漂系数为3.22ppm/℃；电源抑制比的仿真示意图8,可以看出在频率为 1～10⁴HZ下，基准电流源的电源抑制比为85dB，得到该结果曲线的工作条件是电源工作电压±1.8V，采用TSMC 0.18um CMOS工艺。

综上所述，本实用新型实施例所提供的技术方案带来的有益效果是：低温漂系数，高稳定性，由于电流负反馈型二级运放的设计和电流源偏置电路的设计，使得整个电路在较大的温度范围内电流也能恒定的输出，而且在一定的频率范围内，电路对电源线上噪声的抑制能力很强，具有高的稳定性。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，本实用新型的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构，其特征在于，包括电流反馈型二级运算放大器、带隙基准核心电路、启动电路和电流源偏置电路，所述电流反馈型二级运算放大器、带隙基准核心电路和低温漂高稳定性的带隙基准电流源依次连接，所述启动电路和电流源偏置电路分别与低温漂高稳定性的带隙基准电流源连接。

2.根据权利要求1所述的低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构，其特征在于，所述带隙基准核心电路包括PMOS管M13，PMOS管M14，PMOS管M15，PMOS晶体管M16，PNP三极管Q1，PNP三极管Q2，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4；

PMOS管M13的源极与电源相连，栅极与PMOS管M14，M15，M16的栅极相连，漏极与R2的一端相连，PMOS管M14的源极与电源相连，漏极与R1的一端相连，PMOS管M15的源级与电源相连，漏极与R3相连，PMOS管M16的源级和漏极都连接电源，电阻R1的一端与PNP三极管Q2的发射极相连，一端与电阻R2相接，电阻R4的一端与PNP晶体管Q1的发射极相接，一端与地相接，电阻R2和电阻R3的另一端与地相连，PNP三级管Q1和PNP三极管Q2的基极和集电极与地相接。

3.根据权利要求1所述的低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构，其特征在于，所述电流反馈型二级运算放大器包括NMOS管M3，NMOS管M4，NMOS管M5，NMOS管M6，NMOS管M10，NMOS管M11，PMOS管M0，PMOS管M1，PMOS管M2，PMOS管M7，PMOS管M8，PMOS管M9，PMOS管M10，电阻R5；

NMOS管M3的源极与地相接，栅极与NMOS管M4的栅极与漏极相接，NMOS管M4的源极接地，漏极与PMOS管M1的漏极相接，NMOS管M5的源极接地，漏极与NMOS管M6的栅极和PMOS管M2的漏极相接，栅极与NMOS管M6的栅极相接，NMOS管M6的漏极与PMOS管M8的漏极相接，源极与地相接，NMOS管M10的漏极与PMOS管M9 的漏极与栅极相接，栅极与NMOS管M11的栅极与漏极相接，源极与地相接，NMOS管M11的漏极与电阻R5相接，源极与地相接，PMOS管M0的源极接地，栅极与PMOS管M9的栅极相接，漏极与PMOS管M1的源极与PMOS管M2的源极相接，PMOS管M1的栅极外接PIN脚VIN，PMOS管M2的栅极外接PIN脚VIP，PMOS管M7的源极与电源相接，栅极与PMOS管M8的栅极相接，漏极与栅极与PMOS管M8的栅极相接，PMOS管M8的源极与电源相接，PMOS管M9的源极与电源相接，栅极与PMOS管M0的栅极和NMOS管M10的漏极相接，漏极与NMOS管M10的漏极相接。

4.根据权利要求2所述的低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构，其特征在于，所述的启动电路包括PMOS管M17，PMOS管M18，NMOS管M19，NMOS管M20；

PMOS管M17的源极接电源，栅极与PMOS管M18的源极相接，漏极与PMOS管M18的源极相接，PMOS管M18的栅极与NMOS管M19的漏极和NMOS管M20的栅极相接，NMOS管M19的栅极与所述的电阻R3相接，源极与地相接，NMOS管M20的漏极与所述的PMOS管M15的栅极相接，源极与地相接。

5.根据权利要求4所述的低温漂高稳定性的带隙基准电流源结构，其特征在于，所述的电流源偏置电路包括PMOS管M21，PMOS管M22，PMOS管M23，NMOS管M24，NMOS管M25，NMOS管M26,NMOS管M27，NMOS管M28，NMOS管M29，NMOS管M30；

PMOS管M21的栅极与所述的NMOS管M20的漏极相接，源极接电源，漏极接NMOS管M21的漏极和栅极相接，PMOS管M22的源级与电源相接，栅极与PMOS管M21的栅极相接，漏极与NMOS管M25的漏极相接，PMOS管M23的源极和漏极与电源相接，栅极与PMOS管M22的栅极相接，NMOS管M24的栅极和漏极与NMOS管M25的栅极相接，源极接地，NMOS管M25的栅极与NMOS管M26的栅极相接，源级和NMOS管M27的漏极相接，NMOS管M26的漏极引出电流源PIN脚，源极与NMOS管M28的漏极相接，NMOS 管M27的栅极与NMOS管M28的栅极相接，源极与地相接，NMOS管M28的栅极与NMOS管M30的栅极相接，源极接地，NMOS管M29的栅极与NMOS管M226的栅极相接，漏极接地，源极与NMOS管M30的漏极相接，NMOS管M30的源极接地。