CN214253044U - 一种电流源电路与电子设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电流源电路与电子设备，用于提高电流源输出电流的精确度以及稳定性。该电路包括：电源接口，用于连接电源；补偿模块，所述补偿模块一端与所述电源接口连接，另一端与第一节点连接；第一通路，所述第一通路是所述电源接口与接地点之间的通路；所述第一节点是所述第一通路上的第一模块和第二模块之间的节点；第二通路，所述第二通路是所述电源接口与所述接地点之间的另一通路。

Description

一种电流源电路与电子设备

技术领域

本实用新型涉及合电路领域，尤其涉及一种电流源电路与电子设备。

背景技术

一个单片机系统包含电源管理模块、时钟模块、ADC/DAC等模块。其中每个模块都需要电流源电路提供偏置电流从而使电路进入工作状态。因此，偏置电流的精准影响着各个模块的工作性能。然而由于集成电路工艺及设计问题，或者由于电源电压的不稳定，会造成电流源提供的电流产生偏差，而对于各个模块的电路而言，这样的偏差有可能会影响电路性能，提高电路功耗，甚至还会导致单片机工作异常。因此，如何提供一种能够产生稳定电流的稳电流源电路，是需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型提供了一种电流源电路与电子设备，能够提高电流源所产生的电流的稳定性。

第一方面，本实用新型提供一种电流源电路，包括：

电源接口，用于连接电源；

补偿模块，所述补偿模块一端与所述电源接口连接，另一端与第一节点连接；

第一通路，所述第一通路是所述电源接口与接地点之间的通路；所述第一节点是所述第一通路上的第一模块和第二模块之间的节点；

第二通路，所述第二通路是所述电源接口与所述接地点之间的另一通路，所述第二通路上包括第三模块。

可选的，所述补偿模块包括第一晶体管；所述第一晶体管的源极和栅极与所述电源接口连接，所述第一晶体管的漏极与所述第一节点连接。

可选的，所述电路还包括：

第一电阻；所述第一电阻的一端与所述电源接口连接，另一端与所述第一晶体管的栅极连接。

可选的，所述第一模块包括第二晶体管；所述第二晶体管的源极与所述电源接口连接，所述第二晶体管的栅极和漏极与所述第一节点连接。

可选的，所述第二模块包括第三晶体管以及第二电阻；所述第三晶体管的漏极与所述第一节点连接，所述第三晶体管的栅极与所述电源接口连接，所述第三晶体管的源极与所述第二电阻连接，所述第二电阻的另一端与所述接地点连接。

可选的，所述第三模块包括第四晶体管与第五晶体管；所述第四晶体管的源极与所述电源接口连接，所述第四晶体管与所述第五晶体管具有公共栅极；所述第四晶体管的漏极与所述第五晶体管的栅极和漏极连接，所述第五晶体管的源极与所述接地点连接。

可选的，所述电流源电路还包括：第六晶体管和第七晶体管；

所述第六晶体管的漏极与所述电源接口连接，所述第六晶体管与所述第三晶体管具有公共栅极；所述第六晶体管的源极与所述第七晶体管的发射极连接；所述第七晶体管的基极和集电极与所述接地点连接。

可选的，流经所述第二模块的第一电流为流经所述第一模块的第二电流和流经所述补偿模块的第三电流之和；

当所述第一电流发生变化时，所述补偿模块调整所述第三电流，以使所述第二电流保持不变；流经所述第三模块上的电流与所述第二电流成正相关，流经所述第三模块的电流保持不变。

第二方面，本实用新型提供一种电子设备，包括：

电路板；以及，

集成在所述电路板上的电流源电路，所述电流源电路为如上述第一方面中所提供的一种电流源电路。

本实用新型所提供的一种电流源电路，通过在电流源电路中增加补偿模块，使得该电流源电路产生的电流可以不随电源电压的增大或减小而发生变化，从而可以保证电路输出电流的精确度和稳定性，确保电路的工作状态及功耗稳定。

附图说明

图1为现有技术中一种电流源电路；

图2为本实用新型提供的一种电流源电路的结构示意图；

图3为本实用新型提供的另一种电流源电路的结构示意图；

图4为本实用新型提供的另一种电流源电路的结构示意图；

图5为本实用新型提供的另一种电流源电路的结构示意图；

图6为本实用新型提供的另一种电流源电路的结构示意图；

图7为本实用新型提供的另一种电流源电路的结构示意图；

图8为本实用新型提供的另一种电流源电路的结构示意图；

图9为本实用新型提供的一种电流源电路输出电流曲线的示意图；

图10为本实用新型提供的一种电子设备的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型文件中记载的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型技术方案保护的范围。

现有技术中，电流源提供的偏置电流容易受到电源电压不稳定等因素的影响而产生偏差，这样的偏差有可能会影响电路的性能，增加电路的功耗，甚至还会导致电路中的元器件工作时发生异常状况。

鉴于此，本实用新型提供了一种电流源电路，该电路产生的电流可以不随电源电压的增大或减小而发生变化，从而可以保证电路输出电流的精确度和稳定性，确保电路的工作状态及功耗稳定。

下面结合说明书附图介绍本实用新型提供的技术方案。

图1为现有技术中一种电流源电路的结构示意图。图中包括启动电路101以及电流源电路102。

启动电路中包括：第一PMOS型晶体管103、第二PMOS型晶体管104以及第一电阻105；电源电路102中包括：第三PMOS型晶体管106、第一NMOS型晶体管107、第四PMOS型晶体管108、第二NMOS型晶体管109和第二电阻110。其中第三PMOS型晶体管106和第四PMOS型晶体管108为镜像关系，第一NMOS型晶体管107和第二NMOS型晶体管109为镜像关系。当该电流源电路连接电源电压(Volt Current Condenser，VCC)时，流经第二支路的电流的计算公式如下：

其中，W₁为第三PMOS型晶体管106的宽度，L₁为第三PMOS型晶体管106的长度，W₂为第四PMOS型晶体管107的宽度，L₂为第四PMOS型晶体管107的长度。由公式(1)可以得到I_out1。

电流源电路102虽然可以减小电源电压对电流源输出电流的影响，但是该电路有明显的一个缺点，就并是电路中会存在简点。由于简并点的存在，导致该电流源电路102在连接电源电压时，电路中的电流可能为零并一直维持在这种不正常的状态。因此，为了避免电流源电路102中产生简并点，就需要在电路中额外增加启动电路101，使得该电路在连接电源电压时，能够以正常状态工作。但是，在电流源电路中增加启动电路，虽然可以消除简并点，但也会导致电流源电路产生额外的功耗。

而本实用新型所提供的一种电流源电路，通过采用补偿的方式，消除电源电压的变化对输出电流的影响，从而保证输出电流的稳定性，而且本实用新型中的电流源电路不需要额外的启动电路，因此也不会产生额外功耗。

图2为本实用新型提供的一种电流源电路的结构示意图。

如图2所示，该电流源电路中包括：电源接口201、补偿模块202、第一通路203以及第二通路204，其中，第一通路203中包含第一模块203a以及第二模块203b，第二通路204中包含第三模块204a。其中，电源接口201用于与VCC连接，为本实用新型中的电流源电路提供电压；补偿模块202一端与电源接口201连接，另一端与第一节点B连接，用于消除电源电压的改变对输出电流的影响，保证输出电流的稳定；第一通路203时电源接口201与接地点(GND)之间的通路，第一节点B为第一通路203上第一模块203a和第二模块203b之间的一个节点；第二通路204是电源接口201与接地点(GND)之间的另一条通路。

当图中的电源接口201接通电源电压时，电路中会产生相应的电流，其中，流经第二模块203b的第一电流为流经第一模块203a的第二电流和流经补偿模块202的第三电流之和，电源电压发生变化时，流经第二模块203b的第一电流也会发生相应的变化，此时，补偿模块202可以调整第三电流，使得第一电流与所述第三电流的差值不变，从而使得流经第一模块203a的第二电流也不会随着电源电压的改变而发生变化。此外，流经第二通路204的输出电流与流经第一模块的第二电流成正相关，因此，当流经第一模块203a的第二电流不随电源电压的改变而发生变化时，该电路的输出电流也不会随电源电压的改变而变化。本实用新型提供的电流源电路，能够在不增加额外启动电路的情况下，也可以输出稳定的电流，相比于图1中的电流源电路，结构更加简单，芯片面积也更小，输出电流也更加稳定。

图3为本实用新型提供的另一种电流源电路的结构示意图，可选的，电路中的补偿模块202(图中虚线所围部分)可以包括第一晶体管301，第一晶体管301的源极和栅极与电源接口201连接，漏极与第一节点B连接，其中，第一晶体管301可以是PMOS型晶体管，也可以是PNP型晶体管。当第一晶体管301是PNP型晶体管时，发射机与基极与电源接口连接，集电极与第一节点B连接。

需要说明的是，图3中示出的补偿模块202(图中虚线所围部分)仅是对补偿模块的结构的一种举例，补偿模块也可以是其由其他元器件所组成的电路结构，只要能够实现消除电源电压的改变对输出电流的影响的目的即可。

图4为本实用新型提供的另一种电流源电路的结构示意图，可选的，电路中还可以包括第一电阻401，第一电阻401的一端与电源接口201连接，另一端与第一晶体管301的栅极连接。

其中，本实用新型不对第一电阻401的阻值、型号或者数量等作任何限定。

如图5所示，该电流源电路中的第一模块203a可以包括第二晶体管501，其中，第二晶体管501可以是PMOS型晶体管，也可以是PNP型晶体管，本实用新型不对此作限定。当第二晶体管501为PMOS型晶体管时，其源极与电源接口201连接，栅极和漏极与第一节点B连接。当第二晶体管501是PNP型晶体管时，发射机与电源接口201连接，集电极和基极与第一节点B连接。

如图6所示，可选的，第二模块203b可以包括第三晶体管601以及第二电阻602。其中，第三晶体管601可以是NMOS型晶体管，也可以是NPN型晶体管，本实用新型不对第三晶体管601的型号作任何限定。当第三晶体管601是NMOS型晶体管时，其漏极与第一节点B连接、栅极与电源接口201连接、源极与第二电阻602连接，第二电阻的另一端与接地点连接。同样，本实用新型不对第二电阻602的阻值、型号或数量不作任何限定。

如图7所示，可选的，第三模块204a可以包括第四晶体管701与第五晶体管702。其中，第四晶体管701可以是PMOS型晶体管，也可以是PNP型晶体管；第五晶体管702可以是NMOS型晶体管，也可以是NPN型晶体管。当第四晶体管701是PMOS型晶体管并且第五晶体管702是NMOS型晶体管时，第四晶体管701的源极与电源接口连接，第四晶体管701与第二晶体管501具有公共栅极，并且，第四晶体管701的漏极与第五晶体管702具有公共的漏极，第五晶体管702的栅极和漏极相连接，源极与接地点连接。

如图8所示的一种电流源电路，其中，电路中还可以包括第六晶体管801以及第七晶体管802。其中，第六晶体管801可以是NMOS型晶体管，也可以用NPN型晶体管替代；第七晶体管可以是PNP双极性晶体管，也可以用二极管替代。当第六晶体管801是NMOS型晶体管时，其漏极与电源接口201连接，第六晶体管801与第三晶体管601具有公共栅极，第六晶体管801的源极与第七晶体管802的发射极连接；第七晶体管802的基极和集电极与接地点连接。

下面基于图8对本实用新型提供的一种电流源电路进行具体说明。

如图8所示，其中所有的NMOS晶体管的衬底都接地，PMMOS管的衬底都接电源电压。当电源接口连接电源电压时，第一电阻401中产生电流，随着电源电压的升高，第一通路203中也会产生电流，流经第二模块的电流计算公式如公式(2)所示：

其中，Vbe为第七晶体管802的基极和发射极电压，Vgs₁为第六晶体管801的栅极和源极电压，Vth₂为第三晶体管602的开启电压。R₂为第二电阻602的阻值。Vbe为PN结的正偏电压，在传统硅基制程中，当第七晶体管802的工艺以及尺寸确定以后，Vbe就会确定。比如，该值为0.7V。

第三晶体管602的开启电压Vth₂计算公式如公式(3)所示。

其中，Vth0为零偏置时长沟MOS管的开启电压，当晶体管的工艺确定之后，Vth0的值将确定。γ为体效应系数，φ_s是功函数。体效应系数γ和功函数φ_s计算如式4和式5所示。

其中，q为电子电荷，ξsi是硅材料的介电常数，kB是玻尔兹曼常数，Nsubstrate是管子衬底的掺杂浓度，Coxe是栅氧电容，T为温度，ni是载留子浓度，NDEP是沟道掺杂浓度。从公式可以看出，当晶体管工艺及温度确定之后，体效应系数γ和功函数φ_s是一个定值。在M2管的开启电压Vth₂只与Vbs₂有关。在设计电路时，通过调整R2阻值使得C点与D点的电压相等，这样就有Vbs₂与Vbe相等，使Vbs₂的值也保持一个定值。这样，第三晶体管602的开启电压Vth₂也为定值。同时也就意味着I2就只与Vgs₁有关。而Vgs₁会随着电源电压VCC的变化而变化，因此I2也会随着电源电压VCC的变化而变化。

当图8所示的电路中没有第一晶体管301时，第一通路203上的电流就是I2,也就是I2与I3相等。因为第二晶体管501和第四晶体管701成镜像关系，则输出电流I_out2的计算公式如公式(6)所示：

其中，W3和L3为第二晶体管501的宽度和长度，W4和L4为第四晶体管701的宽度和长度。当第二晶体管501和第四晶体管701的尺寸确定后，输出电流I_out2仅与I3有关,又因I2与I3相等。所以，输出电流I_out2也会随着I2变化而变化，也就是说输出电流I_out2依旧会随着电源电压的变化而改变。

在本申请中添加了补偿模块202。当电源电压上升时，流经第一模块203a的电流I3与流经补偿模块202的电流I4的关系如公式(7)所示：

I₃＝I₂-I₄ (7)

由公式可看出，补偿模块使得流经第二晶体管501的电流减小，由公式(2)及上文分析可知，电流I2会随着电源电压VCC的增大而增大(或者会随着电源电压VCC的减小而减小)。

因为电源电压VCC上升时,第一晶体管301的|Vgs6|会随着电源电压的增大而增大(或者会随着电源电压VCC的减小而减小)，使得流经第一晶体管301的电流I4也会随着电源电压VCC的增大而增大(或者会随着电源电压VCC的减小而减小)。从而电流I4会在一定程度上抵消掉电流I2随着电源电压VCC的变化，使得I2相对稳定，从而避免输出电流I_out2随着电源电压的变化而变化。输出电流I_out2对于电源电压的依赖关系，可以通过系数η确定，如公式(8)所示。

当电源电压VCC的工作电压范围确定时，应尽量减小输出电流I_out2最大值和最小值之间的差值，从而减小电流随电源电压的变化系数η。

可选的，可以通过调整第一晶体管301的尺寸，改变流过第一晶体管301的电流I4，从而调整电流I3的大小，并由此对输出电流I_out2的大小进行调整。

本实用新型分别对有补偿模块的电流源电路和无补偿模块的电流源电路进行仿真，输出电流曲线如图9所示。其中，曲线901为有补偿模块时的输出电流，曲线901为无补偿模块时的输出电流。明显可以看出，相对于没有补偿模块时，加入补偿模块的电流源电路所产生的偏置电流I_out2随电源电压变化极小。当电源电压工作在在2.8ˉ5.5V范围内时，没有补偿模块的输出电流I_out2的最大值与最小值分别为6.041uA和5.005uA,则输出电流随电源电压的变化系数η为(6.041-5.005)/(5.5-2.8)＝0.38uA/V；有补偿模块的电流源电路的输出电流I_out2的最大值和最小值分别为5.238uA和5.005uA,可通过式8计算出输出电流随电源电压的变化系数η为(5.238-5.005)/(5.5-2.8)＝0.08uA/V，可见，当电源电压在工作范围内变化1V时，输出电流I_out2仅变化0.08uA，相比无补偿模块的电流变化更小。

请参见图10，基于同一构思，本实用新型提供一种电子设备，包括：

电路板1001；以及，

集成在所述电路板上的电流源电路1002，所述电流源电路1002为如上述图2至图8中所提供的任一种电流源电路。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种电流源电路，其特征在于，包括：

电源接口，用于连接电源；

补偿模块，所述补偿模块一端与所述电源接口连接，另一端与第一节点连接；

第一通路，所述第一通路是所述电源接口与接地点之间的通路；所述第一节点是所述第一通路上的第一模块和第二模块之间的节点；

第二通路，所述第二通路是所述电源接口与所述接地点之间的另一通路，所述第二通路上包括第三模块。

2.如权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，所述补偿模块包括第一晶体管；所述第一晶体管的源极和栅极与所述电源接口连接，所述第一晶体管的漏极与所述第一节点连接。

3.如权利要求2所述的电流源电路，其特征在于，所述电路还包括：

第一电阻；所述第一电阻的一端与所述电源接口连接，另一端与所述第一晶体管的栅极连接。

4.如权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，所述第一模块包括第二晶体管；所述第二晶体管的源极与所述电源接口连接，所述第二晶体管的栅极和漏极与所述第一节点连接。

5.如权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，所述第二模块包括第三晶体管以及第二电阻；所述第三晶体管的漏极与所述第一节点连接，所述第三晶体管的栅极与所述电源接口连接，所述第三晶体管的源极与所述第二电阻连接，所述第二电阻的另一端与所述接地点连接。

6.如权利要求4所述的电流源电路，其特征在于，所述第三模块包括第四晶体管与第五晶体管；所述第四晶体管的源极与所述电源接口连接，所述第四晶体管与所述第二晶体管具有公共栅极；所述第四晶体管的漏极与所述第五晶体管的栅极和漏极连接，所述第五晶体管的源极与所述接地点连接。

7.如权利要求5所述的电流源电路，其特征在于，所述电流源电路还包括：第六晶体管和第七晶体管；

所述第六晶体管的漏极与所述电源接口连接，所述第六晶体管与所述第三晶体管具有公共栅极；所述第六晶体管的源极与所述第七晶体管的发射极连接；所述第七晶体管的基极和集电极与所述接地点连接。

8.如权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，流经所述第二模块的第一电流为流经所述第一模块的第二电流和流经所述补偿模块的第三电流之和；

当所述第一电流发生变化时，所述补偿模块调整所述第三电流，以使所述第二电流保持不变；流经所述第三模块的电流与所述第二电流成正相关，流经所述第三模块的电流保持不变。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

电路板；以及，

集成在所述电路板上的电流源电路，所述电流源电路为如权利要求1至8任一项所述的电流源电路。

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