專利名稱：低溫度系數(shù)和低電源電壓系數(shù)的參考電流源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫度系數(shù)和低電源電壓系數(shù)的參考電流源，屬電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電流參考電路是模擬集成電路中的重要部件。因為，對電流來說，在長金屬線上沒有損失，而電壓則有損失，所以在有長金屬線的復(fù)雜模擬電路中，電流參考源更受歡迎。另外，電流模方法設(shè)計的模擬電路比電壓模的電路的工作頻率要高。因此，在現(xiàn)代電子電路和系統(tǒng)中，參考電流源有廣泛的用途。由于現(xiàn)代電子系統(tǒng)的應(yīng)用范圍很廣，環(huán)境更苛刻，因此要求參考電流源在很寬的溫度范圍(-25℃～125℃)和很寬的電源電壓范圍電路都能可靠地工作。在已有技術(shù)中一般采用能隙電路來實現(xiàn)恒壓源(參考電壓源)，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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種低溫度系數(shù)和低電源電壓系數(shù)的參考電流源，采用能隙電路來實現(xiàn)恒流源。
本發(fā)明提出的低溫度系數(shù)和低電源電壓系數(shù)的參考電流源，包括一個啟動電路和一個恒電流產(chǎn)生電路，其中啟動電路產(chǎn)生一個低電壓，使恒電流產(chǎn)生電路工作；其中的啟動電路包括(1)一個PMOS管(M3)，用于產(chǎn)生鏡像電流，其源極與外接電源相接，柵極同時與NMOS管(Ms)的漏極和恒電流產(chǎn)生電路的輸出端相連，漏極與NMOS管(M5)的漏極和柵極相連；(2)兩個NMOS管(M4和M5)，用于構(gòu)成電流鏡，以產(chǎn)生二個電流，兩個NMOS管(M4和M5)的源極接地，其柵極相互聯(lián)接，并且聯(lián)接到NMOS管(M5)的漏極，NMOS管(M4)的漏極聯(lián)接到電阻Rs的一端；(3)一個NMOS管(Ms)，用于啟動恒電流產(chǎn)生電路，其柵極同時與電阻Rs的一端和NMOS管(M4)的漏極相接，其源極接地；(4)電阻Rs，用于控制NMOS管(Ms)的開啟和關(guān)斷，其一端與外接電源相連；其中的恒電流產(chǎn)生電路包括(5)二個PMOS管(M1和M2)，用于構(gòu)成電流鏡，以產(chǎn)生二個電流(I1、I2)；二個PMOS管的源極與外接電源連接，其柵極互聯(lián)，并且連到運算放大器(O1)的輸出端；(6)電容(C0)，用于阻止電路中寄生振蕩，電容的一端與PMOS管(M1)的漏極相聯(lián)，另一端同時與二個PMOS管的柵極和運算放大器(O1)的輸出端聯(lián)接；
(7)PNP雙極晶體管(Q1和Q2)，用于產(chǎn)生兩個發(fā)射結(jié)電壓(VBE1、VBE2)，其中PNP雙極晶體管Q1的收集極與基極短路，其發(fā)射極與上述PMOS管(M1)的漏極相接，同時與運算放大器(O1)的反向端相接，PNP雙極晶體管Q2的發(fā)射極通過電阻(R0)與PMOS(M2)的漏極相接，同時與運算放大器(O1)的同向端相接；(8)運算放大器(O1)，用于對V1和V2進行差分放大，其中V1是PNP雙極晶體管(Q1)的發(fā)射結(jié)電壓降，V2是PNP雙極晶體管(Q2)發(fā)射結(jié)電壓降與電阻(R0)上的電壓降之和；(9)電阻(R1、R2)，用于對電路進行電阻補償，電阻(R1)的一端接地，另一端接運算放大器(O1)的反向端，電阻(R2)的一端接地，另一端接運算放大器(O1)的同向端。
上述參考電流源中的運算放大器(O1)包括(1)兩個PMOS管(M6和M7)，用于產(chǎn)生恒定電流，兩個PMOS管(M6和M7)的柵極互聯(lián)后與恒電流產(chǎn)生電路的輸出端相連，其源極同時與外接電源相連，PMOS管(M6)的漏極與兩個PMOS管(M8和M9)的源極相連，PMOS管(M7)的漏極與NMOS管(M12)的漏極相連；(2)兩個PMOS管(M8和M9)，構(gòu)成差分對，用于輸入差分信號，兩個PMOS管(M8和M9)的柵極分別與差分信號輸入端相連，PMOS管(M8)的漏極同時與NMOS管(M10)的漏極和兩個NMOS管(M10和M11)的柵極相連，PMOS管(M9)的漏極與NMOS管(M11)的漏極相連；(3)兩個NMOS管(M10和M11)，用于構(gòu)成電流鏡，成為上述差分對的有源負載，并與PMOS管(M6和M7)和PMOS管(M8和M9)一起對差分信號進行第一級差分放大，兩個NMOS管(M10和M11)的源極接地，NMOS管(M11)的漏極與PMOS管(M9)的漏極相連；(4)NMOS管(M12)，用于與PMOS管(M7)一起對上述放大信號進行第二級放大，NMOS管(M12)的柵極同時接NMOS管(M11)的漏極和電阻R的一端；(5)電阻(R)和電容(C)，用于對放大器進行頻率補償，電容(C)的一端與電阻(R)相接，另一端與NMOS管(M12)的漏極相接。
本發(fā)明提出的低溫度系數(shù)和低電源電壓系數(shù)的參考電流源，具有以下優(yōu)點1、恒流源的核心電路是基于傳統(tǒng)的能隙電路。通常，傳統(tǒng)的能隙電路用來實現(xiàn)恒壓源，但在本發(fā)明中則用來實現(xiàn)恒流源。
2、輸出電流的溫度穩(wěn)定性是以對片上電阻的溫度系數(shù)進行補償來獲得的，并得到非常低的溫度系數(shù)。提出一種不同的優(yōu)化程序。
3、本發(fā)明中的雙極晶體管是基極-收集極短路的，使得可以用標準CMOS工藝來實現(xiàn)該電路，并且容易應(yīng)用于其他復(fù)雜系統(tǒng)。該電路不需要外接元器件和外接信號，結(jié)構(gòu)簡單，占用的面積小，消耗的功耗低。
4、恒流源電路集成了一個運算放大器，獲得了很好的電源電壓穩(wěn)定性，使其輸出電流在高于1V的電源電壓下都能夠保持基本不變，可以在低壓下、寬電源電壓范圍內(nèi)正常工作，參考電流源輸出的溫度系數(shù)為50ppm/℃(溫度范圍0℃～110℃)，并在電源電壓范圍(1V～2.3V)上的相對偏差為0.5％。
5、啟動電路確保該電路在上電之后能適當?shù)毓ぷ鳌?br> 6、電容C0的使用和運算放大器的設(shè)計保證了該電路的穩(wěn)定性。
7、該恒流源有很好的工藝穩(wěn)定性，能夠在工藝波動的情況下正常工作，有助于獲得較高的加工成品率。


圖1是本發(fā)明設(shè)計的參考電流源的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是本發(fā)明設(shè)計的參考電流源的電路原理圖。
圖3是參考電流源中運算放大器的電路原理圖。
圖4是本發(fā)明設(shè)計的參考電流源輸出電源的溫度特性曲線。
圖5是本發(fā)明設(shè)計的參考電流源輸出電源與電源電壓的關(guān)系曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的低溫度系數(shù)和低電源電壓系數(shù)的參考電流源，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括一個啟動電路和一個恒電流產(chǎn)生電路，其中啟動電路產(chǎn)生一個低電壓，使恒電流產(chǎn)生電路工作。其電路圖如圖2所示，包括(1)一個PMOS管(M3)，用于產(chǎn)生鏡像電流，其源極與外接電源相接，柵極同時與NMOS管(Ms)的漏極和恒電流產(chǎn)生電路的輸出端相連，漏極與NMOS管(M5)的漏極和柵極相連；(2)兩個NMOS管(M4和M5)，用于構(gòu)成電流鏡，以產(chǎn)生二個電流，兩個NMOS管(M4和M5)的源極接地，其柵極相互聯(lián)接，并且聯(lián)接到NMOS管(M5)的漏極，NMOS管(M4)的漏極聯(lián)接到電阻Rs的一端；(3)一個NMOS管(Ms)，用于啟動恒電流產(chǎn)生電路，其柵極同時與電阻Rs的一端和NMOS管(M4)的漏極相接，其源極接地；(4)電阻Rs，用于控制NMOS管(Ms)的開啟和關(guān)斷，其一端與外接電源相連；其中的恒電流產(chǎn)生電路包括(5)二個PMOS管(M1和M2)，用于構(gòu)成電流鏡，以產(chǎn)生二個電流(I1、I2)；二個PMOS管的源極與外接電源連接，其柵極互聯(lián)，并且連到運算放大器(O1)的輸出端；(6)電容(C0)，用于阻止電路中寄生振蕩，電容的一端與PMOS管(M1)的漏極相聯(lián)，另一端同時與二個PMOS管的柵極和運算放大器(O1)的輸出端聯(lián)接；(7)PNP雙極晶體管(Q1和Q2)，用于產(chǎn)生兩個發(fā)射結(jié)電壓(VBE1、VBE2)，其中PNP雙極晶體管Q1的收集極與基極短路，其發(fā)射極與上述PMOS管(M1)的漏極相接，同時與運算放大器(O1)的反向端相接，PNP雙極晶體管Q2的發(fā)射極通過電阻(R0)與PMOS(M2)的漏極相接，同時與運算放大器(O1)的同向端相接；(8)運算放大器(O1)，用于對V1和V2進行差分放大，其中V1是PNP雙極晶體管(Q1)的發(fā)射結(jié)電壓降，V2是PNP雙極晶體管(Q2)發(fā)射結(jié)電壓降與電阻(R0)上的電壓降之和；(9)電阻(R1、R2)，用于對電路進行電阻補償，電阻(R1)的一端接地，另一端接運算放大器(O1)的反向端，電阻(R2)的一端接地，另一端接運算放大器(O1)的同向端。
上述參考電流源中的運算放大器(O1)包括(1)兩個PMOS管(M6和M7)，用于產(chǎn)生恒定電流，兩個PMOS管(M6和M7)的柵極互聯(lián)后與恒電流產(chǎn)生電路的輸出端相連，其源極同時與外接電源相連，PMOS管(M6)的漏極與兩個PMOS管(M8和M9)的源極相連，PMOS管(M7)的漏極與NMOS管(M12)的漏極相連；(2)兩個PMOS管(M8和M9)，構(gòu)成差分對，用于輸入差分信號，兩個PMOS管(M8和M9)的柵極分別與差分信號輸入端相連，PMOS管(M8)的漏極同時與NMOS管(M10)的漏極和兩個NMOS管(M10和M11)的柵極相連，PMOS管(M9)的漏極與NMOS管(M11)的漏極相連；(3)兩個NMOS管(M10和M11)，用于構(gòu)成電流鏡，成為上述差分對的有源負載，并與PMOS管(M6和M7)和PMOS管(M8和M9)一起對差分信號進行第一級差分放大，兩個NMOS管(M10和M11)的源極接地，NMOS管(M11)的漏極與PMOS管(M9)的漏極相連；(4)NMOS管(M12)，用于與PMOS管(M7)一起對上述放大信號進行第二級放大，NMOS管(M12)的柵極同時接NMOS管(M11)的漏極和電阻R的一端；(5)電阻(R)和電容(C)，用于對放大器進行頻率補償，電容(C)的一端與電阻(R)相接，另一端與NMOS管(M12)的漏極相接。
上述啟動電路用來保證該電路在上電時能夠穩(wěn)定在所期望的值，而其他電路的P溝金屬氧化物半導(dǎo)體(以下簡稱PMOS)晶體管和核心電路中的PMOS管的柵極連接在一起，形成電流鏡，將核心電路中產(chǎn)生的恒定電流鏡像到芯片中的其他電路中。PMOS晶體管M1和M2完全相同，電阻R1和R2也完全相同。所有的元器件均為片上實現(xiàn)。三個參量保證恒流源的溫度穩(wěn)定性。一是兩個基極和收集極短接的PNP雙極晶體管Q1和Q2的基極-發(fā)射極電壓VBE1，VBE2它具有負溫度系數(shù)；二是晶體管Q1和Q2的VBE之間的差值ΔVBE，它具有正的溫度系數(shù)。；三是在片電阻的溫度系數(shù)。
對于圖2中的Q1和Q2來說，如果它們的發(fā)射極面積之比為N，而通過發(fā)射極的電流相等，則它們的VBE之間的差值ΔVBE由下式?jīng)Q定ΔVBE=VBE1-VBE2=VTlnI1IS-VTlnI2NIS=VTlnN---(1)]]>
其中VT=kTq,]]>T是絕對溫度，而k是玻爾茲曼常數(shù)，可以看出，ΔVBE與絕對溫度成正比關(guān)系。由于圖中運算放大器的增益很高(直流時超過一萬倍)，如果節(jié)點V1和V2之間有一個很小的電壓差，該電壓差經(jīng)過運算放大器的放大而呈現(xiàn)在輸出上，就將使得該運算放大器的輸出飽和。由于M1和M2的反饋作用，使得節(jié)點V1和V2的電壓相等。
運算放大器內(nèi)部和它的兩個輸入端相接的是MOS晶體管柵極，其輸入阻抗趨于無限大，因此，不會有電流流進或流出。同時電阻R1和R2的阻值也相等，則流過它們的電流也相等，都正比于電壓VBE1，于是考察節(jié)點V2處的各電流的關(guān)系，可以得到I1=I2=VTlnNR0+VBE1R1---(2)]]>上式中 是流過電阻R0的電流，而 則等于流過電阻R1的電流。
為了簡化分析，所有的參數(shù)對溫度的特性只取一階，也就是說假設(shè)所有的參數(shù)和溫度呈線性關(guān)系。于是VT可以表示為VT=kTq=kT0q(1+1T0ΔT)=kT0q(1+α·ΔT)---(3)]]>其中T0是感興趣的溫度范圍的中心點，例如，如果我們分析的溫度范圍為(-25℃，125℃)，則T0為50℃而ΔT＝T-T0。
在溫度T0附近，VBE1對溫度的一階近似可表示為VBE1=VBE1,T0(1+∂VBE1∂T|T0·ΔT)=VBE1,T0(1-β·ΔT)---(4)]]>所有的片上電阻也都和溫度相關(guān)，所以R0可以表示為R0=R0,T0(1+∂R0∂T|T0·ΔT)=R0,T0(1+γ·ΔT)---(5)]]>R1和R0采用同種類型的電阻，則它們的比值不隨溫度的變化而變化，如果m＝R1/R0，當m=qVBE1,T0kT0lnN·(β+γ)(α-γ)---(6)]]>則此時的和溫度無關(guān)的電流的表達式為I1=1R0,T0(kT0qlnN+VBE1,T0m)---(7)]]>將A點連接到其他PMOS晶體管的柵極，則M1和M2中的溫度穩(wěn)定的電流就鏡像到這些晶體管中。
如果Q1的飽和電流為IS1，則有VBE1,T0=kT0qlnI1IS1---(8)]]>將式(8)代入式(7)中，得到I1=1R0,T0·kT0q(lnN+1mlnI1IS1)---(9)]]>該表達式中的所有參數(shù)都和電源電壓無關(guān)，所以它也可以獲得比較好的電源電壓穩(wěn)定度。而且，由于運算放大器迫使電壓V1和V2相等，M1的四端極電壓與M2，的對應(yīng)端極電壓相等，從而確保它們的漏極電流精確地相等，減少電源電壓變化引起的誤差，實現(xiàn)低的電源電壓系數(shù)。
電容C0用來阻止可能產(chǎn)生的寄生振蕩。
如果沒有啟動電路的幫助，該恒流源的輸出電流將始終為零。所以，該電路需要一個啟動電路來保證它在電源上電的過程中穩(wěn)定到正確的狀態(tài)。我們采取的方法是使電流流過圖2中的M1和M2來將電路帶出死區(qū)。我們設(shè)計的啟動電路如圖2所示。電阻RS中的電流是由圖2中的M1或者M2的電流折疊鏡像過來的，如果該電流為零，則RS兩端沒有電壓降，N溝金屬氧化物半導(dǎo)體(簡稱NMOS)管MS的柵極電平等于電源電壓。當電源電壓VDD高于MS的閾值電壓Vth時，MS導(dǎo)通，從而把節(jié)點A的電平拉低到地電平，于是圖2中的兩個PMOS管開始導(dǎo)通，有電流從電源通過兩個PMOS晶體管流入下面的Q1和Q2管中。當電流增加到一定程度，則MS的柵極電平接近于地電平，MS截至，將啟動電路和核心電路隔離開，啟動過程結(jié)束，電路進入正常工作狀態(tài)。
在圖2所示的電路中用到的運算放大器的電路如圖3所示。由于它的輸入端的共模電壓為圖2中Q1的BE結(jié)壓降比較低，所以輸入級采用了PMOS差分對而不是通常的NMOS差分對。為了使其在電源電壓1V下能夠工作，該差分對的兩PMOS管的襯底聯(lián)到它們的源極，以消去襯底偏置效應(yīng)。
為了將兩個輸入端口間的誤差減到最小，該運放必須有非常高的增益。為此，本發(fā)明采取了兩級放大結(jié)構(gòu)，并用電流鏡作為負載。電阻R和電容C是進行頻率補償用的，保證了運放的穩(wěn)定性。另外，使用了長溝器件來減小器件之間的失配和失調(diào)。它的偏置電流是由核心電路中產(chǎn)生的恒定電流鏡像過來的，改進電源抑制比。
該恒流源電路所輸出電流與溫度的關(guān)系，如圖4所示。在0℃～110℃溫度范圍內(nèi)，電流的溫度系數(shù)為50ppm/℃。該恒流源電路的輸出電流隨電源電壓變化的關(guān)系如圖5所示?？梢钥吹?，當超過1V后，電流完全穩(wěn)定。對于標稱輸出電流527μA，在電源電壓1V～2.3V范圍內(nèi)的相對變化不超過0.5％。具有非常好的電源電壓穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種低溫度系數(shù)和低電源電壓系數(shù)的參考電流源，其特征在于該參考電流源包括一個啟動電路和一個恒電流產(chǎn)生電路，其中啟動電路產(chǎn)生一個低電壓，使恒電流產(chǎn)生電路工作，其中的啟動電路包括(1)一個PMOS管(M3)，用于產(chǎn)生鏡像電流，其源極與外接電源相接，柵極同時與NMOS管(Ms)的漏極和恒電流產(chǎn)生電路的輸出端相連，漏極與NMOS管(M5)的漏極和柵極相連；(2)兩個NMOS管(M4和M5)，用于構(gòu)成電流鏡，以產(chǎn)生二個電流，兩個NMOS管(M4和M5)的源極接地，其柵極相互聯(lián)接，并且聯(lián)接到NMOS管(M5)的漏極，NMOS管(M4)的漏極聯(lián)接到電阻Rs的一端；(3)一個NMOS管(Ms)，用于啟動恒電流產(chǎn)生電路，其柵極同時與電阻Rs的一端和NMOS管(M4)的漏極相接，其源極接地；(4)電阻Rs，用于控制NMOS管(Ms)的開啟和關(guān)斷，其一端與外接電源相連；其中的恒電流產(chǎn)生電路包括(5)二個PMOS管(M1和M2)，用于構(gòu)成電流鏡，以產(chǎn)生二個電流(I1、I2)；二個PMOS管的源極與外接電源連接，其柵極互聯(lián)，并且連到運算放大器(O1)的輸出端；(6)電容(C0)，用于阻止電路中寄生振蕩，電容的一端與PMOS管(M1)的漏極相聯(lián)，另一端同時與二個PMOS管的柵極和運算放大器(O1)的輸出端聯(lián)接；(7)PNP雙極晶體管(Q1和Q2)，用于產(chǎn)生兩個發(fā)射結(jié)電壓(VBE1、VBE2)，其中PNP雙極晶體管Q1的收集極與基極短路，其發(fā)射極與上述PMOS管(M1)的漏極相接，同時與運算放大器(O1)的反向端相接，PNP雙極晶體管Q2的發(fā)射極通過電阻(R0)與PMOS(M2)的漏極相接，同時與運算放大器(O1)的同向端相接；(8)運算放大器(O1)，用于對V1和V2進行差分放大，其中V1是PNP雙極晶體管(Q1)的發(fā)射結(jié)電壓降，V2是PNP雙極晶體管(Q2)發(fā)射結(jié)電壓降與電阻(R0)上的電壓降之和；(9)電阻(R1、R2)，用于對電路進行電阻補償，電阻(R1)的一端接地，另一端接運算放大器(O1)的反向端，電阻(R2)的一端接地，另一端接運算放大器(O1)的同向端。
2.如權(quán)利要求1所述的參考電流源，其特征在于其中所述的運算放大器(O1)包括(1)兩個PMOS管(M6和M7)，用于產(chǎn)生恒定電流，兩個PMOS管(M6和M7)的柵極互聯(lián)后與恒電流產(chǎn)生電路的輸出端相連，其源極同時與外接電源相連，PMOS管(M6)的漏極與兩個PMOS管(M8和M9)的源極相連，PMOS管(M7)的漏極與NMOS管(M12)的漏極相連；(2)兩個PMOS管(M8和M9)，構(gòu)成差分對，用于輸入差分信號，兩個PMOS管(M8和M9)的柵極分別與差分信號輸入端相連，PMOS管(M8)的漏極同時與NMOS管(M10)的漏極和兩個NMOS管(M10和M11)的柵極相連，PMOS管(M9)的漏極與NMOS管(M11)的漏極相連；(3)兩個NMOS管(M10和M11)，用于構(gòu)成電流鏡，成為上述差分對的有源負載，并與PMOS管(M6和M7)和PMOS管(M8和M9)一起對差分信號進行第一級差分放大，兩個NMOS管(M10和M11)的源極接地，NMOS管(M11)的漏極與PMOS管(M9)的漏極相連；(4)NMOS管(M12)，用于與PMOS管(M7)一起對上述放大信號進行第二級放大，NMOS管(M12)的柵極同時接NMOS管(M11)的漏極和電阻R的一端；(5)電阻(R)和電容(C)，用于對放大器進行頻率補償，電容(C)的一端與電阻(R)相接，另一端與NMOS管(M12)的漏極相接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低溫度系數(shù)和低電源電壓系數(shù)的參考電流源，屬電源技術(shù)領(lǐng)域。該電源中的啟動電路產(chǎn)生一個低電壓，使恒電流產(chǎn)生電路工作。啟動電路包括用于產(chǎn)生鏡像電流的PMOS管，用于構(gòu)成電流鏡的兩個NMOS管，一個用于啟動恒電流產(chǎn)生電路NMOS管，，用于控制NMOS管的開啟和關(guān)斷的電阻。恒電流產(chǎn)生電路包括用于構(gòu)成電流鏡的二個PMOS管，用于阻止電路中寄生振蕩的電容，用于產(chǎn)生兩個發(fā)射結(jié)電壓PNP雙極晶體管，用于對電壓降進行差分放大的運算放大器。本參考電流源，通過對片上電阻的溫度系數(shù)進行補償實現(xiàn)輸出電流的溫度穩(wěn)定，并得到非常低的溫度系數(shù)；不需要外接元器件和外接信號，結(jié)構(gòu)簡單，占用的面積小，消耗的功率低。
文檔編號G05F1/46GK1529216SQ20031010047
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月17日
發(fā)明者石秉學(xué), 陳繼偉, 廖青 申請人:清華大學(xué), 上海清華晶芯微電子有限公司