JPH09171415A - Cmos電流源回路 - Google Patents
Cmos電流源回路Info
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- G05F3/262—Current mirrors using field-effect transistors only
Abstract
圧、及び温度の変化に拘わらず恒常一定な基準電流を発
生し得るCMOS電流源回路を提供しようとするもので
ある。 【解決手段】スタート信号によりCMOS電流源回路を
動作させるスタート部と、該スタート部の動作によりア
ナログ電圧Vdd、基板電圧、及び温度変化に従うバイ
アス電流を発生するバイアス電流発生部と、該バイアス
電流の入力される電流入力部と、アナログ電圧、基板電
圧、及び温度の変化に従い前記バイアス電流を補償し基
準電流を発生する電流補償部と、からCMOS電流源回
路が構成される。
Description
路に係るもので、詳しくは、アナログ供給電圧Vdd
a、基板電圧Vbb、及び温度Tの変化に拘わりなく恒
常一定な基準電流Irefを発生し得るCMOS電流源
回路に関するものである。
は、メモリのアクセスタイムを短縮するためDLL(De
lay-Locked Loop)のようなアナログ回路が使用される
が、該DLLは温度及びアナログ供給電圧Vddaに大
いに影響を受けるので、各要素に拘わりなく恒常一定な
基準電流Irefを発生する電流源回路が必要となる。そ
して、従来、電流源回路においては、図4に示すよう
に、PMOSトランジスタMP1、MP4、及びMP5
と、PMOSトランジスタMP2及びMP3と、NMO
SトランジスタMN3及びMN4とが、夫々電流ミラー
を形成して構成されていた。
度Tが増加されると、ベースーエミッタ電圧Vbe2が抵
抗R1に掛かって電流I1は次の式(1)に示したよう
になる。 I1=Vbe2/R1 … 式(1) このとき、該式(1)の電流I1は、ベースーエミッタ
Vbe2がー2mV/℃ずつ減少するので、温度に反比例
して減少される。叉、電流I2は、寄生バイポーラトラ
ンジスタQ2のベースーエミッタ電圧Vbe2と寄生バイ
ポーラトランジスタQ1のベースーエミッタVbe1との
差が抵抗R2に掛かって形成され、次式(2)のように
なる。
SトランジスタNM4がNMOSトランジスタNM3の
幅/長さ(W/L)比と同様に設定された場合、電流I
3は電流I2と同様に流れるようになる。更に、それら
PMOSトランジスタMP1、MP4、及びMP5は電
流ミラーをなしているため、PMOSトランジスタMP
1を通って電流I3が流れ、叉、PMOSトランジスタ
MP2及びMP3が電流ミラーをなしているため、前記
電流I1がPMOSトランジスタMP2を通って流れ
る。
流I3との合算値となって、次式(3)にて表示され
る。 Ibias=I1+I3=Vbe2 /R1+nT/R2 … 式(3) 従って、温度Tが増加するときバイアス電流Ibias
は、温度Tの増加に従い減少する電流I1と増加する電
流I2との合算値であるため、一定に流れるようにな
る。
来電流源回路においては、一定なバイアス電流Ibia
sを発生させるため、nウェル工程中P+拡散層をエミ
ッタとし、nウェルをベースにし、pー基板をコレクタ
とする寄生バイポーラトランジスタQ1、Q2を用いる
ため、電流源回路動作時に必然的に基板電流が形成さ
れ、該基板電流は内部抵抗成分に従い変化され、しきい
電圧VTが変化されて前記寄生バイポーラトランジスタ
Q1、Q2の特性が変化され、一定な基板電圧Vbbを
必要とするアナログ素子に悪い影響を及ぼすという不都
合な点があった。
程に容易に用いるように、アナログ電圧Vdda、基板
電圧Vbb、及び温度Tの変化に従うバイアス電流Ib
iasの変化を補償し、恒常一定な基準電流IREFを
発生し得るCMOS電流源回路を提供しようとするもの
である。
明のCMOS電流源回路においては、スタート信号によ
りCMOS電流源回路を動作させるスタート部と、該ス
タート部の動作によりアナログ電圧Vdda、基板電圧
Vbb、及び温度Tの変化に従うバイアス電流Ibia
sを発生するバイアス電流発生部と、該バイアス電流I
biasの入力される電流入力部と、該電流入力部のバ
イアス電流Ibiasを受け、アナログ電圧Vdda、
基板電圧Vbb、及び温度Tの変化に従い該バイアス電
流Ibiasを補償し基準電流Irefを発生する電流
補償部と、から構成される。
図面を用いて説明する。本発明のCMOS電流源回路に
おいては、図1に示すように、外部から入力するスター
ト信号によりCMOS電流源回路を動作させるスタート
部10と、該スタート部10によりアナログ電圧Vdd
a、基板電圧Vbb、及び温度Tの変化に従うバイアス
電流Ibiasを発生するバイアス電流発生部20と、
該バイアス電流Ibiasの入力される電流入力部30
と、該電流入力部30のバイアス電流Ibiasによ
り、アナログ電圧Vdda、基板電圧Vbb、及び温度
Tの変化に従う前記バイアス電流Ibiasを補償し基
準電流Irefを発生する電流補償部40と、から構成
されている。
ンバーター11とトランジスタ12とを備えている。
叉、前記バイアス電流発生部20においては、電流ミラ
ーを形成する第1PMOSトランジスタ21、第2PM
OSトランジスタ22、及び第3PMOSトランジスタ
25と、ドレイン端子が前記第2PMOSトランジスタ
22のドレイン端子に連結されゲート端子は前記第1P
MOSトランジスタ21のドレイン端子に共通連結され
るNMOSトランジスタ23と、ドレイン端子が前記第
1PMOSトランジスタ21のドレイン端子に連結され
ソース端子は接地されゲート端子は前記第1NMOSト
ランジスタ23のソース端子に共通連結される第2NM
OSトランジスタ24と、一方側端が前記第1NMOS
トランジスタ23のソース端子に連結され他方側端は接
地される抵抗Rxと、を備えている。
流ミラーを形成する第3NMOSトランジスタ31及び
第4NMOSトランジスタ32を備えている。そして、
前記電流補償部40においては、ゲート端子及びドレイ
ン端子が共通連結して接地されソース端子が前記第3N
MOSトランジスタ31のソース端子に連結された第4
PMOSトランジスタ41と、各ドレイン端子が前記第
3及び第4NMOSトランジスタ31、32の各ソース
端子に夫々連結され電流ミラーを形成する第5NMOS
トランジスタ42及び第6NMOSトランジスタ43
と、ゲート端子が前記第6NMOSトランジスタ43の
ドレイン端子に連結された第7NMOSトランジスタ4
4とを備えている。且つ、前記全てのトランジスタには
アナログ電圧Vddaが入力される。
流源回路の作用を説明する。先ず、ローレベルのスター
ト信号がスタート部10に入力すると、インバーター1
1はハイレベルの信号をNMOSトランジスタ12のゲ
ート端子に印加し、バイアス電流発生部20が動作され
る。次いで、第1及び第2PMOSトランジスタ21、
22を夫々通って各電流IP1、電流IP2が流れ、第
1及び第2NMOSトランジスタ23、24は線形領域
叉は飽和領域で動作される。この場合、アナログ供給電
圧Vdda、基板電圧Vbb、及び温度が変化すると
き、電流ミラーを形成する前記第1ー第3PMOSトラ
ンジスタ21、22、25のチャネル幅/長さ(W/
L)の比が同様に設定されたと仮定すると、図2(A)
に示すように、電流(IR=IP2)と抵抗RXに掛か
る両端電圧VXにより決定される動作点でバイアス電流
Ibiasを求めることができる。
入力部30を通ったバイアス電流Ibiasを受け、第
4PMOSトランジスタ41に流れる電流Icmpを調
節して第5NMOSトランジスタ42へ流れる電流IN
1を調節し、叉、該電流IN1の調節により基準電流I
ref=n×In(nは常数)に従って一定な基準電流
Irefを発生する。一般に、電流源回路の基準電流I
refは、アナログ供給電圧Vddaに拘わりなく、基
板電圧Vbb及び温度等の変化にも恒常一定に維持され
るべきであるが、該基準電流Irefバイアス電流Ib
iasに従い決定されるため、先ず、バイアス電流Ib
iasと前記要素との関係に対し説明する。
に掛かる電圧VXは次式(4)にて表示される。 VX =RX ×IR 、 IR =1/RX ×VX … 式(4) 且つ、前記第1及び第2PMOSトランジスタ21、2
2を通って流れる電流IP1、IP2は次式(5)にて
表示される。 IP1=IP2=KP /2×W/L(VX −VT )2 =IR … 式(5) 従って、図2(A)に示すように、前記式(4)及び式
(5)により動作点a及びバイアス電流Ibiasが求
められ、このとき、バイアス電流Ibiasはアナログ
供給電圧Vddと無関係であることが分かる。
biasとの関係を説明すると、しきい電圧VTは工程
上の変化及び基板電圧Vbbの変化に影響を受け、式
(6)で表示される。 VT =A+B(|Vbb|)1/2 … 式(6) 従って、図2(B)に示すように、基板電圧Vbbが増
加すると、しきい電圧VTはVTからVT’に△VTだ
け増加され、該△VTの増加により動作点がaからbに
変化してバイアス電流Ibiasはバイアス電流Ibi
as’に△Ibiasだけ増加される。
アス電流Ibias’は、電流入力部30を通って電流
補償部40に入力され、第4PMOSトランジスタ41
を通って流れる電流Icampと第5NMOSトランジ
スタ42を通って流れる電流INIとに夫々分離され
る。従って、基板電圧Vbbの範囲(ー2〜1.4V)
内で前記PMOSトランジスタのチャネルの幅/長さ
(W/L)比を調節し、前記第4PMOSトランジスタ
41を通って流れる電流Icampを増加させると、電
流INI=IbiasーIcmp式によりNMOSトラ
ンジスタ42を通って流れる電流INIは殆ど一定に維
持される。
は常数)式により基板電圧Vbbが増加されても基準電
流Irefは一定に維持され、この場合、前記第4PM
OSトランジスタ41の代わりに、前記バイアス電流発
生部20で使用された抵抗Rxに代置しても同様な結果
を得ることができる。次いで、温度Tとバイアス電流I
biasとの関係において温度が増加すると、抵抗RX
は+1400ppm、しきい電圧VTはー1000pp
m、温度係数KPはー4000ppm程度に夫々変化さ
れる。
作点は、図3(A)に示すように(a)から(c)に変
化され、該動作点の変化に従いバイアス電流Ibias
はバイアス電流Ibias’に△Ibiasだけ減少さ
れる。次いで、△Ibiasだけ減少されたバイアス電
流Ibias’は電流入力部30を通って電流補償部4
0に入力し、第4PMOSトランジスタ41を通って流
れる電流Icmpと第5NMOSトランジスタ42を通
って流れる電流INIとに分離される。
(Vsgー|VTP|)1/2 式により、前記PMOSトラン
ジスタ41でチャネルの幅/長さ(W/L)比を調節す
ることにより、電流Icmp自体の固有な特性の変動な
しに変動範囲のみ変えてIcmpをIcmp’に変化さ
せる。例えば、0℃〜100℃で前記電流Icmpが1
μAから0.9μAに0.1μA(10%)減少される
とき、電流Icmp’を10μAから9μAに1μAだ
け(10%)減少させることにより、電流Icmp’
は、図3(B)に示すように、バイアス電流Ibias
の変化と同様に増加叉は減少されて、NMOSトランジ
スタ42を通って流れる電流INIは一定に維持され
る。
は常数)式により電流INIが一定に維持されるため、
温度変化に従って基準電流Irefは一定に維持され、
前記バイアス電流発生部20の抵抗RXが陽の温度係数
を有すると、第4PMOSトランジスタ41の代わりに
前記バイアス電流発生部20で使用された抵抗RXに代
置しても同様な結果を得ることができる。しかし、バイ
アス電流発生部20の抵抗RXが陰の温度係数を有する
ときは、前記第4PMOSトランジスタ41の代わりに
抵抗RXのみが使用される。
一定に維持する叉他の方法は、バイアス電流発生部20
で予め第1PMOSトランジスタ21に対する第2PM
OSトランジスタ22の比率を調節して、バイアス電流
Ibias自体の温度係数を変化させる方法がある。
S電流源回路においては、標準CMOS工程中アナログ
供給電圧Vddaに拘わりなく、基板電圧Vbb及び温
度Tの変化に従うバイアス電流Vbiasの変化を能動
的に相殺させて恒常一定な基準電流Irefを発生し得
るようになっているため、チップの他の部分に影響を及
ぼすことなく基準電流源の必要な回路に容易に適用し得
るという効果がある。
アス電流の変化を示したグラフである。
変化を示したグラフである。
MOSトランジスタ 20:バイアス電流発生部 21、22、25、41:PMOSトランジスタ 30:電流入力部 40:電流補償部
Claims (8)
- 【請求項1】CMOS電流回路であって、 スタート信号によりCMOS電流源回路を動作させるス
タート部と、 該スタート部により動作され、アナログ電圧Vdd、基
板電圧Vbb、及び温度Tの変化に従うバイアス電流
(Ibias)を発生するバイアス電流発生部と、 該バイアス電流発生部からのバイアス電流が入力される
電流入力部と、 該電流入力部のバイアス電流(Ibias)を受け、ア
ナログ電圧(Vdda)、基板電圧(Vbb)、及び温
度(T)の変化に従うバイアス電流(Ibias)を補
償し基準電流(Vref)を発生する電流補償部と、か
ら構成されたCMOS電流源回路。 - 【請求項2】前記バイアス電流発生部は、電流ミラーを
形成する第1、第2、第3PMOSトランジスタと、ド
レイン端子が前記第2PMOSトランジスタのドレイン
端子に連結されゲート端子は前記第1PMOSトランジ
スタのドレイン端子に共通連結される第1NMOSトラ
ンジスタと、ドレイン端子が前記第1PMOSトランジ
スタのドレイン端子に連結されソース端子は接地されゲ
ート端子は前記第1NMOSトランジスタのソース端子
に共通連結される第2NMOSトランジスタと、前記第
1NMOSトランジスタのソース端子に一方側端が連結
され他方側端は接地される抵抗(RX)と、から構成さ
れる請求項1記載のCMOS電流源回路。 - 【請求項3】前記電流補償部は、ゲート端子とドレイン
端子とが共通連結して接地され、入力されたバイアス電
流(Ibias)を補償する第4PMOSトランジスタ
と、ドレイン端子が前記第4PMOSトランジスタのド
レイン端子に共通連結され電流補償に従い一定な電流を
出力する第5NMOSトランジスタと、該第5NMOS
トランジスタと電流ミラーを形成する第6NMOSトラ
ンジスタと、ゲート端子が該第6NMOSトランジスタ
のドレイン端子に連結され基準電流(Iref)を出力
する第7NMOSトランジスタと、から構成されるCM
OS電流源回路。 - 【請求項4】前記第4PMOSトランジスタは、陽の温
度係数を有し前記バイアス電流発生部の抵抗(RX)と
対置し得るようになる請求項3記載のCMOS電流源回
路。 - 【請求項5】第4PMOSトランジスタは、前記バイア
ス電流発生部の抵抗(RX)が陰の温度係数を有すると
き、該バイアス電流発生部の抵抗(RX)の役割を行う
ようになる請求項3記載のCMOS電流源回路。 - 【請求項6】前記第4PMOSトランジスタは、基板電
圧Vbbが増加すると補償電流(Icmp)を多く流
し、基板電圧Vbbが減少すると補償電流(Icmp)
を少なく流して第5NMOSトランジスタを通って流れ
る電流の量を一定に維持させる請求項3記載のCMOS
電流源回路。 - 【請求項7】第4PMOSトランジスタは、温度変化に
従いチャネルの幅/長さ(W/L)の比率を調整し、補
償電流(Icmp)がバイアス電流(Ibias)の変
化率と同様な変化率を有するようにする第3記載のCM
OS電流源回路。 - 【請求項8】前記第1、第2PMOSトランジスタは、
温度の変化に従いチャネルの幅/長さ(W/L)の比率
を異に調整し、バイアス電流(Ibias)自体の温度
係数を変化させる請求項2記載のCMOS電流源回路。
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