DE102006043452A1

DE102006043452A1 - Referenzstromquelle

Info

Publication number: DE102006043452A1
Application number: DE102006043452A
Authority: DE
Inventors: Iriarte Garcia
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2007-04-19
Also published as: US7573325B2; US20070075766A1

Abstract

Eine CMOS-Referenzstromquelle umfasst zwei zwischen Versorgungsanschlüsse parallel geschaltete Schaltungszweige. Der erste Schaltungszweig enthält eine Reihenschaltung einer Vorstromquelle (Bias-Stromquelle) (MP1) und eines ersten MOS-Transistors (MN1) mit einer ersten Leitfähigkeit. Der zweite Schaltungszweig enthält eine Reihenschaltung eines als Diode geschalteten MOS-Transistors (MP2) mit einer zweiten Leitfähigkeit, eines zweiten MOS-Transistors (MN2) mit der ersten Leitfähigkeit und eines dritten MOS-Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit. Das Gate des ersten MOS-Transistors (MN1) mit der ersten Leitfähigkeit ist mit dem Drain des dritten MOS-Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit verbunden. Das Gate des zweiten MOS-Transistors (MN2) mit der ersten Leitfähigkeit ist mit dem Drain des ersten MOS-Transistors (MN1) mit der ersten Leitfähigkeit verbunden. Das Gate des dritten MOS-Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit ist mit einer Vorstromquelle (MN4) verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine CMOS-Referenzstromquelle.
Stromreferenzquellen sind Grundbausteine analoger Schaltungsanordnungen. In einigen Anwendungen mit sehr geringer Leistungsaufnahme wird eine Stromquelle benötigt, die nicht mehr als z.B. 20nA bereitstellen muss. Mit einem herkömmlichen Ansatz werden Widerstände mit einem sehr hohen Wert (in der Größenordnung von mehreren MΩ) benötigt. Widerstände mit einem hohen Wert benötigen eine große Fläche auf dem Chip. Wenn auch Stromquellen ebenfalls ohne Widerstände entworfen werden können, so weisen diese alle einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und sind nicht für Anwendungen geeignet, die einen negativen Temperaturkoeffizienten benötigen wie zum Beispiel einige Oszillatorarten.
Die in den beigefügten Ansprüchen definierte, erfindungsgemäße CMOS-Referenzstromquelle umfasst zwei zwischen Versorgungsanschlüsse parallel geschaltete Schaltungszweige. Der erste Schaltungszweig enthält eine Reihenschaltung einer Vorstromquelle (Bias-Stromquelle) (MP1) und eines ersten MOS-Transistors (MN1) mit einer ersten Leitfähigkeit. Der zweite Schaltungszweig, enthält eine Reihenschaltung eines als Diode geschalteten MOS-Transistors (MP2) mit einer zweiten Leitfähigkeit, eines zweiten MOS-Transistors (MN2) mit der ersten Leitfähigkeit und eines dritten MOS-Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit. Das Gate des ersten MOS-Transistors (MN1) mit der ersten Leitfähigkeit ist mit dem Drain des dritten MOS-Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit verbunden. Das Gate des zweiten MOS-Transistors (MN2) mit der ersten Leitfähigkeit ist mit dem Drain des ersten MOS-Transistors (MN1) mit der ersten Leitfähigkeit verbunden. Das Gate des dritten MOS-Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit ist mit einer Vorstromquelle (MN4) verbunden. Die erfindungsgemäße CMOS-Referenzstromquelle verwendet nur MOS-Transistoren und kann in einem Standard-CMOS-Verfahren implementiert werden. Sie hat eine sehr geringe Leistungsaufnahme und erfordert lediglich eine geringe Fläche auf dem Chip. Es werden keine Widerstände oder bipolaren Bauelemente benötigt. Die erfindungsgemäße CMOS-Referenzstromquelle ist als Vorstromquelle (Bias-Stromquelle) für einen RC-Oszillator mit sehr geringer Leistungsaufnahme besonders vorteilhaft.
In der erfindungsgemäßen Referenzstromquelle ist der erzeugte Strom ungefähr proportional zu der Transistor-Schwellenspannung, die wiederum umgekehrt proportional zu der Temperatur ist. Dementsprechend weist der erzeugte Strom den erwünschten negativen Temperaturkoeffizienten auf. In einer Ausführungsform, in der sämtliche Vorströme mit einem MOS-Transistor erzeugt werden, ist der erzeugte Strom sogar umgekehrt proportional zu dem Quadrat der Temperatur. In alternativen Ausführungsformen, in denen kein negativer Temperaturkoeffizient erwünscht ist, werden Vorströme mit einer herkömmlichen Anordnung erzeugt, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, der dem negativen Temperaturkoeffizienten der Transistor-Schwellenspannung entgegenwirkt und dadurch eine einigermaßen temperaturkompensierte Referenzstromquelle bereitstellt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer herkömmlichen Referenzstromquelle mit einem negativen Temperaturkoeffizienten;
2 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Referenzstromquelle;
3 ein Schaltbild einer bestimmten Ausführungsform; und
4 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform.
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen wird die herkömmliche Referenzstromquelle gezeigt, die für eine Anwendung mit sehr geringer Leistungsaufnahme einen Widerstand R mit einem sehr hohen Wert erfordert. Die Schaltung in 1 weist zwei Schaltungszweige auf, die zwischen den Versorgungsanschluss V_DD und Masse GND parallel geschaltet sind. Der erste Zweig ist eine Reihenschaltung eines p-Kanal-MOS-Transistors MP1 und eines n-Kanal-MOS-Transistors MN1. Der zweite Zweig ist eine Reihenschaltung eines als Diode geschalteten p-Kanal-Transistors MP2, eines n-Kanal-MOS-Transistors MN2 und eines Widerstands R. Die Gates der Transistoren MP1 und MP2 sind miteinander verbunden. Das Gate des Transistors MN1 ist mit dem Sourceknoten des Transistors MN2 verbunden, dessen Gate mit dem Drainknoten des Transistors MN1 verbunden ist. Folglich wird ein Referenzstrom I_REF erzeugt, der durch den Widerstand R fließt. Unter Verwendung eines weiteren p-Kanal-MOS-Transistors, der so geschaltet ist, dass er den Referenzstrom I_REF spiegelt, wird ein Ausgangsstrom I_OUT bereitgestellt. Es ist leicht verständlich, dass die Gate-Source-Spannung V_GS des Transistors MN1 über den Widerstand R angelegt wird und dass die Größe des Ausgangsstroms I_OUT ungefähr proportional zu der Schwellenspannung V_TH des Transistors MN1 geteilt durch den Widerstandswert des Widerstands R ist: IOUT ≅ VGS/R ≅ VTH/R
Da V_TH umgekehrt proportional zu der Temperatur ist, hat I_OUT einen negativen Temperaturkoeffizienten. Für die Niedrigstleistungsanwendungen, die hier von Interesse sind, liegt der Widerstandswert des Widerstands R typischerweise in einer Spanne zwischen 5 und 50 MΩ, was viel Platz auf dem Chip erfordert.
In 2 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die erfindungsgemäße Schaltung gemäß 2 weist denselben Grundaufbau wie die Schaltung in 1 auf, aber der zweite Schaltungszweig umfasst einen n-Kanal-Transistor MN3 an Stelle des Widerstands R in 1. Außerdem stellt ein dritter Schaltungszweig, der zwischen die Versorgungsanschlüsse V_DD und GND geschaltet ist, den Vorstrom für das Gate des Transistors MN3 bereit. Dieser dritte Schaltungszweig umfasst einen p-Kanal-Transistor MP3, der so geschaltet ist, dass er den Referenzstrom I_REF spiegelt, und der in Reihe mit einem als Diode geschalteten n-Kanal-Transistor MN4 geschaltet ist. Der Drainknoten des Transistors MN4 stellt dem Gate des Transistors MN3 den Vorstrom bereit. Wie in der Anordnung gemäß 1 wird der Ausgangsstrom durch einen weiteren Stromspiegel, der durch den p-Kanal-Transistor MP4 gebildet wird, bereitgestellt. Da der Vorstrom für den Transistor MN3 in diesem Ausführungsbeispiel durch einen MOS-Transistor innerhalb derselben Schaltung bereitgestellt wird, d.h. Transistor MN4, ist der Ausgangsstrom I_OUT proportional zu dem Quadrat des Transistor-Schwellenwerts: IOUT ∝ μ·VTH 2,wobei μ die Elektronenbeweglichkeit ist.
Da die Transistor-Schwellwertspannung V_TH umgekehrt proportional zu der Temperatur ist und die Elektronenbeweglichkeit μ ebenfalls einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, hat der Ausgangsstrom I_OUT einen starken negativen Temperaturkoeffizienten wie er für bestimmte Anwendungen erwünscht ist.
In der Ausführungsform gemäß 3 wird der Vorstrom für den Transistor MN3 einfach durch den Drainknoten des Transistors MN1 bereitgestellt, wodurch der Schaltungszweig mit den Transistoren MP3 und MN4 aus der Ausführungsform gemäß 2 entfernt wird. Der restliche Aufbau und der Betrieb der Ausführungsform gemäß 3 ist allgemein gleich wie in der Ausführungsform gemäß 2.
In der Ausführungsform gemäß 4 wird an Stelle des Transistors MP1 aus der Ausführungsform gemäß 2 eine Vorstromquelle I_BIAS1 bereitgestellt. Auf ähnliche Weise wird an Stelle des Transistors MP3 aus der Ausführungsform gemäß 2 eine Vorstromquelle I_BIAS2 bereitgestellt. Wenn für die Vorstromquellen I_BIAS1 und I_BIAS2 eine herkömmliche Anordnung ohne Widerstände und mit einem positiven Temperaturkoeffizienten gewählt wird, ist die sich ergebende Ausgangsspannung im Wesentlichen temperaturkompensiert: IOUT ∝ μ·VT·VTH,wobei VT gleich k·T/q ist, mit

k: Boltzmann-Faktor,
T: Temperatur; und
q: Elektronenladung.

Claims

CMOS-Referenzstromquelle, umfassend: – einen ersten Schaltungszweig, der zwischen Versorgungsanschlüsse geschaltet ist und eine Reihenschaltung einer Vorstromquelle (MP1, I_BIAS1) und eines ersten MOS-Transistors (MN1) mit einer ersten Leitfähigkeit enthält; – einen zweiten Schaltungszweig, der zwischen die Versorgungsanschlüsse parallel zu dem ersten Schaltungszweig geschaltet ist und eine Reihenschaltung eines als Diode geschalteten MOS-Transistors (MP2) mit einer zweiten Leitfähigkeit, eines zweiten MOS-Transistors (MN2) mit der ersten Leitfähigkeit und eines dritten Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit enthält; wobei das Gate des ersten MOS-Transistors (MN1) mit der ersten Leitfähigkeit mit dem Drain des dritten MOS-Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit verbunden ist, das Gate des zweiten MOS-Transistors (MN2) mit der ersten Leitfähigkeit mit dem Drain des ersten MOS-Transistors (MN1) mit der ersten Leitfähigkeit verbunden ist, und das Gate des dritten MOS-Transistors (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit mit einer Vorstromquelle (MN4; I_BIAS2) verbunden ist.
CMOS-Referenzstromquelle gemäß Anspruch 1, bei der die Vorstromquelle (I_BIAS1) in dem ersten Schaltungszweig einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.
CMOS-Referenzstromquelle gemäß Anspruch 1, bei der die Vorstromquelle in dem ersten Schaltungszweig durch einen MOS-Transistor (MP1) mit der zweiten Leitfähigkeit gebildet wird, der so geschaltet ist, dass er den Strom in dem zweiten Schaltungszweig spiegelt.
CMOS-Referenzstromquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Vorstrom für den dritten MOS-Transistor (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit durch den Drainknoten des ersten MOS-Transistors (MN1) mit der ersten Leitfähigkeit bereitgestellt wird.
CMOS-Referenzstromquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Vorstrom für den dritten MOS-Transistor (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit durch einen dritten, zwischen die Versorgungsanschlüsse geschalteten Schaltungszweig bereitgestellt wird, wobei der dritte Schaltungszweig einen dritten MOS-Transistor (MP3) mit der zweiten Leitfähigkeit, der in Reihe mit einem als Diode geschalteten, vierten MOS-Transistor (MN4) mit der ersten Leitfähigkeit geschaltet ist, umfasst.
CMOS-Referenzstromquelle gemäß Anspruch 5, bei der dritte MOS-Transistor (MP3) mit der zweiten Leitfähigkeit so geschaltet ist, dass er den Strom in dem zweiten Schaltungszweig spiegelt.
CMOS-Referenzstromquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Vorstrom für den dritten MOS-Transistor (MN3) mit der ersten Leitfähigkeit durch eine Stromquelle (I_BIAS2) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten bereitgestellt wird.