專利名稱：全npn晶體管的與絕對溫度成正比的電流源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及根據權利要求1的電路。
背景技術：
電流參考電路是眾所周知的電路，廣泛應用于從A/D轉換器和D/A轉換器到電壓調整器、存儲器和偏置電路的寬廣范圍。電流參考電路中最重的一種是稱為與絕對溫度成正比(PTAT)的電流源，其產生線性地隨溫度變化的電流。圖8表示簡化的普通PTAT電流源方案，其例如可在H.C Nauta和E.H Nordholt，“New class of high-performance PTAT currentsources”，(Electron.Lett，vol.21，pp.384-386，Apr.1985)中找到。
這種PTAT參考電路的基本概念是以兩個npn-晶體管和一個電阻R為核心。相等的電流被供給晶體管T1和T2，它們由兩個npn-晶體管T4和T3構成的電流鏡產生。因此，相等的集電極電流Ic1、Ic2被強制流入晶體管T1和T2兩者。因為晶體管T1和T2的結面積相差一個系數n，所以在晶體管T1和T2中有不相同的電流強度，引起晶體管T1和T2的基-發(fā)射極電壓Vbe1和Vbe2之間的差。這個差被用來在電阻R中產生PTAT電流。假定晶體管T1和T2都是理想的并且是正向偏置，則下列關系成立IR=Vbe2-Vbe1R=ηVTRln(n)---(1)]]>在等式(1)中，VT=kTq]]>是波耳茲曼常數k和絕對溫度T相乘再除以電子電荷q所確定的熱電壓，η是正向發(fā)射系數。由于分別在晶體管T1和T2中的集電極電流Ic1、Ic2是相同的，所以輸出的PTAT電流可寫為
IPTAT=2IR=ηVTRln(n)---(2)]]>由等式(2)可以看出，輸出電流IPTAT與絕對溫度成正比，而與電源電壓無關。
但是，在圖8的電路中，具有另一種可能的穩(wěn)定狀態(tài)，那里電流為零。因此，在普通PTAT電流源的實際實現(xiàn)中，需要對圖8的電路進行更為精巧的修改。例如，外加啟動電路以避免零電流狀態(tài)。A.Faber，“Bidirectional current-controlled PTAT current source”(IEEE Trans.On Cir.And Sys.-I，vol 41，No.12，Dec 1994)中披露了一種不用啟動電路的更精致的裝置，該裝置提供雙向PTAT電流。
但是，已知的PTAT電流源的缺點是需要n-型和P-型兩種晶體管。如果這些電路要在像磷化銦(InP)、砷化鍺(GaAs)(例如最好用于RF(射頻)和微波用途)、絕緣基底硅片(SOI)(例如用于RF標簽的新興市場)那樣的工藝過程中實現(xiàn)，或者在只適用于n-型或P-型半導體器件二者擇一，或互補型半導體性能較差的任何其他生產技術中完成，這會是一個主要問題。此外，上述PTAT電流源原則上需要兩個面積不同的雙極型晶體管以便產生不同的基-發(fā)射極電壓。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種PTAT電流源，其也能以相同的晶體管實現(xiàn)依賴于溫度的電壓差。本發(fā)明的另一目的是推薦一種不需要啟動電路的PTAT電路布局技術。本發(fā)明的又一目的是僅使用n-型半導體器件。
本發(fā)明由獨立的權利要求確定。附屬權利要求確定有利的實施方式。
本發(fā)明提供一種用于產生與絕對溫度成正比的電流的電路，該電路包括第一電流通路，其包含第一電阻元件和與第一節(jié)點耦連的第一晶體管裝置，和與第一電流通路并聯(lián)的第二電流通路，其包含第二電阻元件和與第二節(jié)點耦連的第二晶體管裝置。本發(fā)明進一步提供一條與第一和第二電流通路并聯(lián)的PTAT電流通路，其包括配置為由從所述第一節(jié)點來的信號控制的第一電流源，配置為由從所述第二節(jié)點來的信號控制的第二電流源，以及分別于第三節(jié)點和第四節(jié)點耦連在所述第一電流源與所述第二電流源之間的電流敏感元件。第一晶體管裝置的控制端耦連至第四節(jié)點，第二晶體管裝置的控制端耦連至第三節(jié)點。
根據本發(fā)明，利用各個基-發(fā)射極電壓和相應的集電極電流之間的對數關系，在第一和第二晶體管中產生并強制流動合適的集電極電流，免除了普通PTAT電流源所需要的互補晶體管。而且，PTAT電流源也可以用相同的第一和第二晶體管裝置實現(xiàn)。
根據第一實施例，電路進一步包括第三電流通路，其包含配置為由所述第二節(jié)點的所述信號控制、并將參考電流模壓至電流鏡裝置的第三電流源。有利的是，所述第二電流源能用所述電流鏡裝置的鏡像電流源構成，其由所述第二節(jié)點的所述信號通過所述第三電流源間接地控制。
根據第二實施例，電路進一步包括第五電流通路，其包含第三電阻元件和第三晶體管裝置。所述第三晶體管裝置的控制端耦連至所述第三節(jié)點。
根據第三實施例，所述電路進一步包括第六電流通路，其包含在第五節(jié)點上耦連的第六電流源和第七電流源。所述第六電流源配置為由所述第二節(jié)點的信號控制，所述第七電流源配置為由所述第三節(jié)點的信號控制，其中所述第二電流源配置為由從所述第五節(jié)點來的信號控制。
為了提供與絕對溫度成正比的輸出電流，根據第一、第二和第三實施例的所述電路可進一步包括含有第四電流源的第四電流通路，所述第四電流源的電流與所述第二電流源的電流成正比。在進一步的開發(fā)中，所述第四電流通路可再包括配置為由從所述第一節(jié)點來的信號控制的第五電流源。
作為根據本發(fā)明的電路的主要優(yōu)點，所述各個電流源能由相應的晶體管裝置實現(xiàn)。通常，所述晶體管裝置可以是任何種類的可用的晶體管元件。有利的是，所述電路的所述晶體管裝置既可以全是n型晶體管元件(最好使用npn晶體管)，也可以全是P型晶體管元件。


通過下面結合附圖對本發(fā)明的各種實施例所做的詳細描述，本發(fā)明將變得更加明白，附圖中圖1表示本發(fā)明一般原理的示意電路圖；圖2表示本發(fā)明PTAT電流源的第一實施例；圖3表示本發(fā)明PTAT電流源的第二實施例；圖4表示本發(fā)明PTAT電流源的第二實施例的進一步開發(fā)；圖5表示本發(fā)明PTAT電流源的第三實施例；圖6表示用溫度作為第一實施例的參數，輸出電流與電源電壓的關系曲線；圖7表示對于第一實施例的三種不同的電源電壓，PTAT電流變化與溫度的關系曲線；和圖8表示現(xiàn)有技術的普通PTAT電流源的簡化電路。
具體實施例方式
圖1是說明本發(fā)明的一般原理的簡化示意電路圖。用來產生與絕對溫度成正比的電流的電路包括第一電流通路10和與第一電流通路10并聯(lián)的第二電流通路20。還有與第一電流通路10和第二電流通路20并聯(lián)的與絕對溫度成正比(PTAT)的電流通路30。第一電流通路10包括第一電阻元件R1和在第一節(jié)點N1上耦連的第一晶體管裝置T1。第二電流通路20包括第二電阻元件R2和在第二節(jié)點N2上耦連的第二晶體管裝置T2。PTAT電流通路包括第一電流源I1、第二電流源I2和電阻R，電阻R作為電流敏感元件分別于第三節(jié)點N3和第四節(jié)點N4耦連在第一電流源I1和第二電流源I2之間。第一電流源I1由從所述第一節(jié)點N1來的信號S1控制，第二電流源I2由從所述第二節(jié)點N2來的信號S2控制。所述第一晶體管裝置T1的控制端B1耦連至所述第四節(jié)點N4，所述第二晶體管裝置T2的控制端B2耦連至所述第三節(jié)點N3。
當電源電壓Vcc供給電路時，電阻元件R1和R2將第一節(jié)點N1和第二節(jié)點N2的電位拉高至Vcc，使第一和第二電流源提供電流進入PTAT電流通路。這引起第一和第二晶體管裝置導通，與各個集電極電流Ic1和Ic2對應的電流開始流入第一電流通路10和第二20，它們與第一晶體管裝置T1和第二T2各自的基-發(fā)射極電壓成指數關系。由于電路的結構，基-發(fā)射極電壓Vbe1和Vbe2之間的差等于電阻R上的電壓降，這個電壓降和相應的電流服從線性關系。因此，根據本發(fā)明的電路自偏置至穩(wěn)定狀態(tài)即工作點。很明顯，經過電阻R的電流與絕對溫度成正比，用關系式(1)描述。
也就是說，本發(fā)明的PTAT電流源不需要像圖8普通PTAT電流源中那樣的P-型晶體管T1和T2。有利的是，只需要n-型晶體管元件，并且由于其自偏置性能，電路不需要啟動電路。因此，根據本發(fā)明的PTAT電流源的工作原理特別適合于像磷化銦、砷化鍺那樣的新工藝處理的電路，以及P-型半導體器件不適用的任何其他生產技術。
圖2描述本發(fā)明的PTAT電流源的第一實施例。在這個電路中，有第一電流通路10和與第一電流通路10并聯(lián)的第二電流通路20，兩者連接在電源電壓Vcc和電路的參考電位例如地之間。還有與絕對溫度成正比(PTAT)的電流通路30，也耦連在電源電壓Vcc和電路的參考電位之間。第一電流通路10包括作為第一電阻元件的電阻Rc3和耦連在作為第一節(jié)點的節(jié)點N1上的作為第一晶體管裝置T1的晶體管Q3。第二電流通路20包括作為第二電阻元件的電阻Rc4和耦連在作為第二節(jié)點的節(jié)點N2上的作為第二晶體管裝置的晶體管Q4。PTAT電流通路包括作為第一電流源I1的晶體管Q5、作為第二電流源I2的晶體管Q2以及分別于第三節(jié)點N3和第四節(jié)點N4耦連在晶體管Q5和晶體管Q2之間的作為電阻敏感元件的電阻R。晶體管Q5由從第一節(jié)點N1來的信號控制，晶體管Q2由從第二節(jié)點N2來的信號控制。晶體管Q3的控制端即Q3的基極耦連至第四節(jié)點，晶體管Q4的控制端即Q4的基極耦連至第三節(jié)點N3。
進一步有第三電流通路40，也耦連在電源電壓Vcc和電路的參考電位之間。第三電流通路40包括作為第三電流源的晶體管Q6和接成二極管結構的晶體管Q7，其作為由晶體管Q7和Q2組成的電流鏡100的輸入晶體管。晶體管Q6的控制端即Q6的基極耦連至第二節(jié)點N2。Q7的控制端即Q7的基極耦連至晶體管Q7的集電極和晶體管Q6的發(fā)射極。
還有第四電流通路50，連接在電源電壓Vcc和電路的參考電位之間。第四電流通路50包括作為第四電流源的晶體管Q1。晶體管Q1的結構是它的基極分別耦連至晶體管Q7的基極和晶體管Q2的基極。因此，晶體管Q1分別反映晶體管Q7和Q2的電流。因為晶體管Q7、Q2、Q1具有表示為M＝1的相同的面積，所以各個集電極電流Ic7、Ic2和Ic1實際上是相同的。
為了說明圖2的電路是怎樣工作的，需要注意電路的電流配置為Ic4＝2Ic3。通過簡單考慮并使用克希荷夫電流定律可推導出Ic1＝Ic2＝Ic7Ic6=3Ic7β+Ic7]]>Ic5=Ic7+Ic4β+Ic3β=Ic7+3Ic3β]]>這里，為了簡化可假定Icx≈Iex(即β+1β≅1]]>)。Icx和Iex是晶體管Qx的集電極和發(fā)射極電流。
由于Vbe(Ic)＝ηVTln(Ic/Is)，晶體管的基-發(fā)射極電壓和集電極電流之間的一般關系在正向偏置和給定飽和電流Is的情況下，可寫成Vbe6+Vbe7=ηVTln[(3Ic7β+Ic7)1Is]+ηVTln[Ic7Is]]]>Vbe5+Vbe4=ηVTln[(3Ic3β+Ic7)1Is]+ηVTln[Ic42Is]]]>實際上Q4的尺寸和飽和電流是Q5、Q6和Q7的尺寸和飽和電流的兩倍，即M＝2，而后者是M＝1。
電阻Rc3和Rc4配置為使電路在標稱電壓下有Ic4＝2Ic7，于是下面的關系與β無關，即不依賴于工藝過程
Vbe6+Vbe7＝Vbe5+Vbe4＝2VD因為Q6的基極電流對第二電流通路20的影響基本上等于Q5的基極電流對第二電流通路20的影響，所以也能寫成Ic4≈IRc4=Vcc-Vbe6-Vbe7Rc4=Vcc-2VDRc4]]>Ic3≈IRc3=Vcc-Vbe5-Vbe4Rc3=Vcc-2VDRc3]]>因為在電路中Rc3＝2Rc4，所以上述公式遵循前面的假定Ic4＝2Ic3?；谶@一點，流過電阻R的電流是IR=Vbe4-Vbe3R=ηVTRln(Ic4Is4Is3Ic3)=ηVTRln(2),]]>這里Is3Is4=1,]]>因為Q3具有與Q4的相同的尺寸。
分數率χ≈1的這個電流被強制流入Q2的集電極并且也被Q1反映。于是在Rload上的輸出電流是IPTAT=Ic1=xηVTRln(2).]]>熱電壓VT支配IPTAT的溫度依賴性。因此，輸出電流是不依賴于電源電壓和工藝過程的PTAT電流。
圖3是描述本發(fā)明的PTAT電流源的第二實施例。為了簡化起見，下面描述圖2與圖3之間的差別。這里有第五電流通路25，也耦連在電源電壓Vcc和參考電位之間。第五電流通路25包括作為第三電阻元件的電阻Rc8和作為第三晶體管裝置的晶體管Q8。晶體管Q8的控制端即Q8的基極耦連至第三節(jié)點N3。注意還有一個差別是晶體管Q4和Q8的面積是圖2的晶體管Q4的面積的一半。
為了說明圖3的電路是怎樣工作的，注意這個實施例中電路的構成結果是保持Rc3＝Rc4，并且晶體管Q3是Q4的尺寸的兩倍。假定Ic4＝Ic3，可得Ic1＝Ic2＝Ic7Ic8＝Ic4Ic6=3Ic7β+Ic7]]>Ic5=Ic7+Ic4β+Ic3β+Ic8β=Ic7+3Ic4β]]>于是Vbe6+Vbe7=ηVTln[(3Ic7β+Ic7)1Is]+ηVTln[Ic7Is]]]>Vbe5+Vbe4=ηVTln[(3Ic4β+Ic7)1Is]+ηVTln[Ic4Is]]]>選擇Rc3和Rc4使電路在標稱電壓下具有Ic4＝Ic7再則，與β無關即不依賴于工藝過程，有Vbe6+Vbe7＝Vbe5+Vbe4＝2VD再有，因為基極電流對第一電流通路10和第二電流通路20的影響基本上是相同的，所以也可寫成Ic4≈IRc4=Vcc-Vbe6-Vbe7Rc4=Vcc-2VDRc4]]>
Ic3≈IRc3=Vcc-Vbe5-Vbe4Rc3=Vcc-2VDRc3]]>因為電路已構成使Rc3＝Rc4，所以很明顯Ic4＝Ic3。因此，電阻R上的電壓差Vbe4-Vbe3產生想要的PTAT電流IR=Vbe4-Vbe3R=ηVTRln(Ic4Is4Is3Ic3)=ηVTRln(2),]]>這里Is3Is4=2,]]>因為Q3是Q4的尺寸的兩倍。
圖4描述本發(fā)明的第二實施例的進一步開發(fā)。為了減小由于晶體管Q1的早期效應(厄雷效應)對第四電流通路50的電源電壓Vcc的敏感度，利用晶體管Q1和Q9的串聯(lián)結構提高圖3所示電路的輸出電阻，如圖4所推薦的。進一步，為了補償晶體管Q9所吸收的額外基極電流，將晶體管Q6、Q7和Q8的尺寸加倍(M＝2)。這樣，工藝過程依賴性會再一次減小。
圖5所示本發(fā)明的PTAT電流源的第三實施例。圖5中的電路結構與圖2類似。因此，再一次為了簡短起見，下面只描述圖2與圖5之間的差別。晶體管Q7不接成如圖2、圖3和圖5那樣的二極管結構，在圖5中，晶體管Q7的基極連接至第三節(jié)點N3并且Rc3＝Rc4。另外，晶體管Q4的尺寸是圖2中的晶體管Q4尺寸的一半。
對于根據本發(fā)明的電路結構，可容易地求出Vbe6+Vbe2=Vbe[3Ic2β+Ic4]+Vbe(Ic2)]]>Vbe5+Vbe4=Vbe[2Ic4β+Ic3β+Ic2]+Vbe(Ic4)]]>
關于第一和第二實施例，Rc3和Rc4這樣構成，使Ic4＝Ic2Vbe6+Vbe2＝Vbe5+Vbe4＝2VD與β的絕對值無關，即不依賴于工藝過程。
這便強使Q3和Q4中有相等的集電極電流，電阻R上的電壓差Vbe4-Vbe3產生想要的PTAT電流。
為了說明本發(fā)明的有效性，已利用磷化銦單一異質結晶體管(InPSHBT)工藝過程實現(xiàn)了本發(fā)明的實施例，其特性是在T＝25℃時典型的β值為30。所使用的模式是VBIC(Vertical Bipolar Inter-Company)，晶體管具有1μm×5μm的發(fā)射極。執(zhí)行過程中選擇了Rc3＝2Rc4＝3kΩ和R＝45Ω。第一實施例方案的模擬結果表示在圖6中，其示出以溫度作參數的輸出電流對電源電壓的曲線關系。相對于Vcc＝2.5…4.5V范圍內的電源電壓，IPTAT的最大平均值變化量在25℃時為0.98％，在125℃時為0.24％。另外，圖7表示對于不同電源電壓Vcc＝2.5V(實線)、Vcc＝3.5V(虛線)、Vcc＝4.5V(點劃線)，PTAT電流相對于溫度的變化。
本發(fā)明披露了一種改進的PTAT電流源和產生PTAT電流的相應方法。一般來說，利用晶體管的基-發(fā)射極電壓和集電極電流之間的對數關系產生合適的集電極電流，并強制其流入兩個晶體管。一個電阻感受兩個晶體管的基-發(fā)射極電壓的電壓差，這兩個晶體管有相同的或不同的面積。流過電阻的電流的一部分被強制流入晶體管集電極，并被輸出晶體管反映而提供輸出電流。通過這一原理，能提供一種全npn晶體管的PTAT電流源而不需要像普通PTAT電流源中那樣的pnp晶體管。本發(fā)明一般適用于PTAT電流參考的各種不同類型的集成電路，特別是適用在例如不適合于P-型器件的InP和GaAs的現(xiàn)代先進工藝技術中。例如，本發(fā)明的PTAT電流源電路能用于射頻功率放大器、射頻標簽電路、衛(wèi)星微波前端中。
最后但也是重要的，注意術語“comprising”(“包括”)，當用在包含權利要求的說明書中時，意指存在所述特點、裝置、步驟或者元件，但不排除存在或加有一個或多個其他特點、裝置、步驟、元件或它們的組合。權利要求中的元件前頭的詞“a”或“an”(“一個”)也不排除存在多個這樣的元件。此外，任何參考符號不限制權利要求的范圍。還有，注意“coupled”(“耦連”)要理解為在耦連的元件之間有電流通路，即“耦連”并不意味著這些元件就是直接連接的。
權利要求
1.一種產生與絕對溫度成正比的電流的電路，其特征在于所述電路包括第一電流通路(10)，其包含第一電阻元件(R1)和耦連在第一節(jié)點(N1)上的第一晶體管裝置(T1)；和與第一電流通路(10)并聯(lián)的第二電流通路(20)，其包含第二電阻元件(R2)和耦連在第二節(jié)點(N2)上的第二晶體管裝置(T2)；與第一電流通路(10)和第二電流通路(20)并聯(lián)的PTAT電流通路(30)，其包含配置為由從所述第一節(jié)點(N1)來的信號控制的第一電流源(I1)，配置為由從所述第二節(jié)點(N2)來的信號控制的第二電流源(I2)，和分別在第三節(jié)點(N3)和第四節(jié)點(N4)上耦連在所述第一電流源(I1)和所述第二電流源(I2)之間的電流敏感元件(R)；和耦連至所述第四節(jié)點(N4)的所述第一晶體管裝置(T1)的控制端，和耦連至所述第三節(jié)點(N3)的所述第二晶體管裝置(T2)的控制端。
2.根據權利要求1所述的電路，其特征在于進一步包括第三電流通路(40)，其包含配置為由所述第二節(jié)點(N2)的所述信號控制的第三電流源(Q6)，并將參考電流模壓進入電流鏡裝置(100)。
3.根據權利要求2所述的電路，其特征在于所述第二電流源(Q2)是所述電流鏡裝置(100)的鏡像電流源。
4.根據權利要求1所述的電路，其特征在于進一步包括第四電流通路(50)，其包含第四電流源(Q1)，所述第四電流源(Q1)的電流與所述第二電流源(Q2)的電流成正比。
5.根據權利要求4所述的電路，其特征在于所述第四電流通路(50)進一步包括配置為由從所述第一節(jié)點(N1)來的信號控制的第五電流源(Q9)。
6.根據權利要求1所述的電路，其特征在于進一步包括第五電流通路(25)，其包含第三電阻元件(Rc8)和第三晶體管裝置(Q2)，其中，所述第三晶體管裝置(Q8)的控制端(B8)耦連至所述第三節(jié)點(N3)。
7.根據權利要求1所述的電路，其特征在于進一步包括第六電流通路(60)，其包含耦連在第五節(jié)點(N5)上的第六電流源(Q6)和第七電流源(Q7)，所述第六電流源(Q6)配置為由所述第二節(jié)點(N2)的信號控制，所述第七電流源(Q7)配置為由所述第三節(jié)點(N3)的信號控制，其中，所述第二電流源(Q2)配置為由所述第五節(jié)點(N5)來的信號控制。
8.根據前面權利要求中的任何一項所述的電路，其特征在于所述各個電流源由相應的晶體管裝置實現(xiàn)。
9.根據權利要求8所述的電路，其特征在于所述電路的所述晶體管裝置都是npn晶體管，或者都是pnp晶體管。
10.一種射頻功率放大器，射頻標簽電路或者衛(wèi)星微波前端電路，其包括產生與絕對溫度成正比的電流的電流源電路，其特征在于包括根據權利要求1至9之一所述的電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及改進的與絕對溫度成正比的(PTAT)電流源和產生PTAT電流的相應方法。利用晶體管的基－發(fā)射極電壓和集電極電流之間的對數關系產生合適的集電極電流，并強制其流入兩個晶體管。連接在所述兩個晶體管的基極之間的電阻感受兩個晶體管的基－發(fā)射極電壓的電壓差，這兩個晶體管有相同的或不同的面積。流過電阻的電流的一部分被強制流入晶體管集電極，并被輸出晶體管反映而提供輸出電流。通過這一原理，能提供一種全npn晶體管的PTAT電流源而不需要像普通PTAT電流源中那樣的pnp晶體管。本發(fā)明一般適用于需要PTAT電流參考的各種不同類型的集成電路。
文檔編號G05F3/08GK101069142SQ200580038247
公開日2007年11月7日 申請日期2005年11月8日 優(yōu)先權日2004年11月11日
發(fā)明者洛倫佐·特里波迪, 米哈伊·A·T·桑杜利努, 彼得·G·布蘭肯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司