基准电流温度补偿电路及基准电流温度补偿控制方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，涉及一种温度补偿电路，尤其涉及一种基准电流温度补偿电路及基准电流温度补偿控制方法。

背景技术

在电路设计中，基准电压和基准电流的使用途径非常广泛。这种所谓的基准电压和电流，一般都是一个直流量，并且与温度的关系都是确定的，例如PTAT(与绝对温度成正比关系)电压与电流和与CTAT(绝对温度成补偿关系)电压与电流。

通常来说，带隙基准的使用在电路设计中设计基准电压和基准电流是很常见的。以基准电压为例，其大致思路是利用两个具有相反温度系数的电压以零温度系数为目的按适当的权重进行相加，得到的电压之和就是一个具有零温度系数的电压：对于随温度变化向相反方向变化的电压V

在带隙基准电压电路中，通常是选取工作在不相等的电流密度下的双极晶体管的基极-发射极电压的差值作为具有与绝对温度成正比的正温度系数电压V

以图1所示经典的带隙基准电路为例，选取第三三极管Q3和尺寸相匹配的由N个NPN双极性结型晶体管并联而成的第四三极管Q4，以二极管接法将其连接在电路中，故可知其工作的电流密度为1：N。然后在第四三极管Q4的集电极和基极的连接处接上电阻R3，记电阻R3的另一端为Y点，记第三三极管Q3的集电极和基极的连接处为X点，将X点和Y点作为输入接入运算放大器A1，输出接至第一P型沟道MOS场效应晶体管PM1和第二P型沟道MOS场效应晶体管PM2的栅极，目的是将X点和Y点的电压钳制为相等电压以及为第一P型沟道MOS场效应晶体管PM1和第二P型沟道MOS场效应晶体管PM2提供偏置电压。

上述结构实现了将具有正温度系数的第三三极管Q3和第四三极管Q4的电压差值等效至电阻R3两端的电压，并且通过第二P型沟道MOS场效应晶体管PM2和第三P型沟道MOS场效应晶体管PM3构成的电流镜结构将第二P型沟道MOS场效应晶体管PM2相关支路的PTAT电流镜像至第三P型沟道MOS场效应晶体管PM3所在支路，并加在电阻R4上形成基准电压V

传统的基准电流电路则是利用上述带隙基准电路在Y点产生一个可调的正温度系数基准电压与具有正温度系数的电阻R3按一定权重值组合得到零温度系数的电流，或者是利用上述带隙基准电路在Y点产生一个可调的负温度系数基准电压与具有正温度系数的电阻R3按一定权重值组合得到零温度系数的电流。

上述传统的带隙基准电压电路在得到基准电压的同时不能方便得到基准电流，而上述传统的基准电流电路使用的电路较为复杂，使用的器件数目较多，占用较多芯片面积，而且为了得到零温度系数的电流牺牲了基准电压。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的基准电流电路，以便克服现有基准电流电路存在的上述至少部分缺陷。

发明内容

本发明提供一种基准电流温度补偿电路及基准电流温度补偿控制方法，可以在不影响带隙基准电路生成具有零温度系数的基准电压的同时生成具有零温度系数的基准电流，同时能有效抵抗因电源电压波动对该基准电流的影响。

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：

一种基准电流温度补偿电路，所述基准电流温度补偿电路包括：

PTAT电流生成电路，用以生成PTAT电流；

温度补偿模块，用以生成温度系数电流；以及

CTAT电流输出模块，用以通过电流镜镜像输出至设定输出端。

作为本发明的一种实施方式，所述温度补偿模块包括：

正温度系数电流生成电路，用以生成正温度系数电流；以及

负温度系数电流生成电路，用以生成负温度系数电流。

作为本发明的一种实施方式，所述温度补偿模块包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一N型MOS管NM1、第二N型MOS管NM2、第一电阻R1；

所述第一N型MOS管NM1的栅极分别连接所述PTAT电流生成电路、第一三极管Q1的集电极、第二N型MOS管NM2的栅极；

所述第一N型MOS管NM1的漏极分别连接CTAT电流输出模块、第二N型MOS管NM2的漏极；

所述第一N型MOS管NM1的源极分别连接第一三极管Q1的基极、第二三极管Q2的基极、第一电阻R1的第一端；

所述第二N型MOS管NM2的源极连接第二三极管Q2的集电极；所述第一三极管Q1的发射极、第一电阻R1的第二端、第二三极管Q2的发射极分别接地。

作为本发明的一种实施方式，所述CTAT电流输出模块包括低压共源共栅电流镜，所述低压共源共栅电流镜用以复制基准电流并输出。

作为本发明的一种实施方式，所述低压共源共栅电流镜包括第五P型MOS管PM5、第六P型MOS管PM6、第七P型MOS管PM7、第八P型MOS管PM8及第二电阻R2；

电源电压VCC分别连接第五P型MOS管PM5的源极、第六P型MOS管PM6的源极，所述第五P型MOS管PM5的漏极连接第七P型MOS管PM7的源极，第六P型MOS管PM6的漏极连接第八P型MOS管PM8的源极；

所述第五P型MOS管PM5的栅极连接第六P型MOS管PM6的栅极、第七P型MOS管PM7的漏极、第二电阻R2的第一端；

所述第七P型MOS管PM7的栅极连接第八P型MOS管PM8的栅极、第二电阻R2的第二端及温度补偿模块；第八P型MOS管PM8的漏极连接输出端口。

作为本发明的一种实施方式，所述PTAT电流生成电路包括PTAT电流源I1、第一P型MOS管PM1、第二P型MOS管PM2，所述PTAT电流源I1用以生成PTAT电流；

所述PTAT电流源I1的正极分别连接第一P型MOS管PM1的漏极、第一P型MOS管PM1的栅极、第二P型MOS管PM2的栅极，所述PTAT电流源I1的负极接地；

电源电压VCC分别连接所述第一P型MOS管PM1的源极、第二P型MOS管PM2的源极；所述第二P型MOS管PM2的漏极连接温度补偿模块。

作为本发明的一种实施方式，所述PTAT电流生成电路通过一带隙基准电路实现，所述带隙基准电路用以产生基准电压以及PTAT电流；

所述带隙基准电路包括第一运算放大器A1、第一P型MOS管PM1、第二P型MOS管PM2、第三P型MOS管PM3、第四P型MOS管PM4、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第三电阻R3及第四电阻R4；

电源电压VCC分别连接第一P型MOS管PM1的源极、第二P型MOS管PM2的源极、第三P型MOS管PM3的源极、第四P型MOS管PM4的源极；

所述第一P型MOS管PM1的栅极分别连接第二P型MOS管PM2的栅极、第三P型MOS管PM3的栅极、第四P型MOS管PM4的栅极、第一运算放大器A1的输出端；

所述第一P型MOS管PM1的漏极分别连接第一运算放大器A1的反相输入端、第三三极管Q3的基极、第三三极管Q3的集电极；

所述第二P型MOS管PM2的漏极分别连接第一运算放大器A1的正相输入端、第三电阻R3的第一端；所述第三电阻R3的第二端分别连接第四三极管Q4的基极、第四三极管Q4的集电极；

所述第三P型MOS管PM3的漏极连接第四电阻R4的第一端，第四P型MOS管PM4的漏极连接温度补偿模块；

所述第三三极管Q3的发射极接地，第四三极管Q4的发射极接地，所述第四电阻R4的第二端接地。

作为本发明的一种实施方式，所述基准电流温度补偿电路进一步包括基准电压生成电路，所述基准电压生成电路用以生成基准电压。

根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种基准电流温度补偿控制方法，所述基准电流温度补偿控制方法包括：

步骤S1、PTAT电流生成电路生成PTAT电流；

步骤S2、温度补偿模块根据所述PTAT电流生成电路生成的PTAT电流生成温度系数电流；

步骤S3、CTAT电流输出模块将所述温度补偿模块生成的温度系数电流通过电流镜镜像输出至设定输出端。

本发明的有益效果在于：本发明提出的基准电流温度补偿电路及基准电流温度补偿控制方法，可以在不影响带隙基准电路中基准电压的同时利用少数器件完成电流的温度补偿得到零温度系数的基准电流，或者直接利用PTAT电流生成零温度系数的基准电流，节省了占用芯片的面积，一定程度上降低了生产成本。此外，该电流还具有较高的稳定性，受电源电压的影响较小，能够很好适应市场所需。

附图说明

图1为传统带隙基准电路的电路示意图。

图2为本发明一实施例中基准电流温度补偿电路的电路示意图。

图3为本发明一实施例中基准电流温度补偿电路的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。

说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。

说明书中的“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过一些有源器件、无源器件或电传导媒介进行的连接；还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。

本发明揭示了一种基准电流温度补偿电路，图2、图3为本发明一实施例中基准电流温度补偿电路的电路示意图；请参阅图2、图3，所述基准电流温度补偿电路包括：PTAT电流生成电路1、温度补偿模块2及CTAT电流输出模块3。PTAT电流生成电路1用以生成PTAT电流；温度补偿模块2用以生成温度系数电流；CTAT电流输出模块3用以通过电流镜镜像输出至设定输出端。

在本发明的一实施例中，所述温度补偿模块2包括：正温度系数电流生成电路、负温度系数电流生成电路。正温度系数电流生成电路用以生成正温度系数电流；负温度系数电流生成电路用以生成负温度系数电流。

请参阅图2、图3，所述温度补偿模块2包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一N型MOS管NM1、第二N型MOS管NM2、第一电阻R1。所述第一N型MOS管NM1的栅极分别连接所述PTAT电流生成电路、第一三极管Q1的集电极、第二N型MOS管NM2的栅极。所述第一N型MOS管NM1的漏极分别连接CTAT电流输出模块、第二N型MOS管NM2的漏极。所述第一N型MOS管NM1的源极分别连接第一三极管Q1的基极、第二三极管Q2的基极、第一电阻R1的第一端。所述第二N型MOS管NM2的源极连接第二三极管Q2的集电极；所述第一三极管Q1的发射极、第一电阻R1的第二端、第二三极管Q2的发射极分别接地。

在本发明的一实施例中，所述CTAT电流输出模块3包括低压共源共栅电流镜，所述低压共源共栅电流镜用以复制基准电流并输出。在一实施例中，如图2、图3所示，所述低压共源共栅电流镜包括第五P型MOS管PM5、第六P型MOS管PM6、第七P型MOS管PM7、第八P型MOS管PM8及第二电阻R2。电源电压VCC分别连接第五P型MOS管PM5的源极、第六P型MOS管PM6的源极，所述第五P型MOS管PM5的漏极连接第七P型MOS管PM7的源极，第六P型MOS管PM6的漏极连接第八P型MOS管PM8的源极。所述第五P型MOS管PM5的栅极连接第六P型MOS管PM6的栅极、第七P型MOS管PM7的漏极、第二电阻R2的第一端。所述第七P型MOS管PM7的栅极连接第八P型MOS管PM8的栅极、第二电阻R2的第二端及温度补偿模块；第八P型MOS管PM8的漏极连接输出端口。

请参阅图2，在本发明的一实施例中，所述PTAT电流生成电路1包括PTAT电流源I1、第一P型MOS管PM1、第二P型MOS管PM2，所述PTAT电流源I1用以生成PTAT电流。所述PTAT电流源I1的正极分别连接第一P型MOS管PM1的漏极、第一P型MOS管PM1的栅极、第二P型MOS管PM2的栅极，所述PTAT电流源I1的负极接地。电源电压VCC分别连接所述第一P型MOS管PM1的源极、第二P型MOS管PM2的源极；所述第二P型MOS管PM2的漏极连接温度补偿模块。

请参阅图3，在本发明的一实施例中，所述PTAT电流生成电路通过一带隙基准电路实现，所述带隙基准电路用以产生基准电压以及PTAT电流。所述带隙基准电路包括第一运算放大器A1、第一P型MOS管PM1、第二P型MOS管PM2、第三P型MOS管PM3、第四P型MOS管PM4、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第三电阻R3及第四电阻R4。电源电压VCC分别连接第一P型MOS管PM1的源极、第二P型MOS管PM2的源极、第三P型MOS管PM3的源极、第四P型MOS管PM4的源极。所述第一P型MOS管PM1的栅极分别连接第二P型MOS管PM2的栅极、第三P型MOS管PM3的栅极、第四P型MOS管PM4的栅极、第一运算放大器A1的输出端。所述第一P型MOS管PM1的漏极分别连接第一运算放大器A1的反相输入端、第三三极管Q3的基极、第三三极管Q3的集电极。所述第二P型MOS管PM2的漏极分别连接第一运算放大器A1的正相输入端、第三电阻R3的第一端；所述第三电阻R3的第二端分别连接第四三极管Q4的基极、第四三极管Q4的集电极。所述第三P型MOS管PM3的漏极连接第四电阻R4的第一端，第四P型MOS管PM4的漏极连接温度补偿模块。所述第三三极管Q3的发射极接地，第四三极管Q4的发射极接地，所述第四电阻R4的第二端接地。

此外，所述基准电流温度补偿电路还可以进一步包括基准电压生成电路，所述基准电压生成电路用以生成基准电压。

以上介绍了本发明实施例中基准电流温度补偿电路的组成，以下进一步介绍本发明实施例中基准电流温度补偿电路的工作原理。

图2为本发明一实施例中基准电流温度补偿电路的电路示意图；请参阅图2，在本发明的一实施例中，PTAT电流源I1可由带隙基准电路提供，目的是为生成具有零温度系数的电流提供一个具有正温度系数的电流。第一P型MOS管PM1和第二P型MOS管PM2构成的电流镜结构，目的是将PTAT电流源I1提供的电流进行镜像并传输到后续的结构。

第一三极管Q1和第二三极管Q2构成的电流镜结构，其中：第一三极管Q1的集电极与第二P型MOS管的漏极连接在一起，记该结点为A点；第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的基极连接在一起，记该结点为B点；第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极一起连接到地。设计该结构目的是将流经第一三极管Q1的电流镜像至第二三极管Q2，为第二三极管Q2提供具有正温度系数的电流。

第一N型MOS管NM1的栅极连接在A点；源极连接在B点；漏极与第二N型MOS管NM2的漏极连接在一起，记该结点为D点。使用该器件的目的是为第一三极管Q1和第二三极管Q2提供基极电压和基极电流，并且将A点的电压钳制在V

第二N型MOS管NM2的栅极连接在A点；源极与第二三极管Q2的集电极相连在一起，记该结点为C点；漏极与第一N型MOS管NM1的漏极、第七P型MOS管PM7的栅极、第八P型MOS管PM8的栅极和第二电阻R2的一端连接在D点。使用该器件的目的是将C点的电压钳制在V

第一电阻R1的一端连接到地，另一端与第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极以及第一N型MOS管NM1的源极连接在B点。目的是利用双极性结型晶体管的基极-发射极电压具有负温度系数的特性进而得到一路具有负温度系数的电流，为生成具有零温度系数的电流提供基础。

由第五P型MOS管PM5、第六P型MOS管PM6、第七P型MOS管PM7、第八P型MOS管PM8和第二电阻R2组成的具有自偏置功能的低压共源共栅电流镜结构，其中第五P型MOS管PM5的栅极和第六P型MOS管PM6的栅极与第七P型MOS管PM7的漏极和第二电阻R2的一端连接在一起；第七P型MOS管PM7的栅极和第八P型MOS管PM8的栅极与第二电阻R2的另一端、第一N型MOS管NM1的漏极、第二N型MOS管NM2的漏极连接在D点。目的是将流过第一N型MOS管NM1的具有负温度系数的电流和流过第二N型MOS管NM2的具有正温度系数的电流相加成流经第五P型MOS管PM5和第七P型MOS管PM7的电流，并且通过上述低压共源共栅电流镜结构将该电流镜像至为第六P型MOS管PM6和第八P型MOS管PM8所在支路。

采用上述设计方案时，当带隙基准电路产生对应的PTAT电流I1后，通过由第一P型MOS管PM1和第二P型MOS管PM2构成的电流镜结构，使流经第二P型MOS管PM2和第一三极管Q1的电流为PTAT电流I1。然后由于匹配的第一三极管Q1和第二三极管Q2的基极和发射极都连接在一起，即有V

与此同时，由于三极管的基极-发射极电压具有与温度成反比的特性，并且电阻R1连接在第一三极管Q1和第二三极管Q2共同连接的基极以及地之间，故可以通过选取合适的正温度系数或者负温度系数的电阻，以一定权重决定其个数，就能够有效调整流经第一N型MOS管NM1的电流大小和负温度系数绝对值的大小。满足流经第一N型MOS管NM1的电流的负温度系数和第二N型MOS管NM2的电流的正温度系数之和为零的条件时，就在第五P型MOS管PM5和第六P型MOS管PM6所在的支路中生成了具有零温度系数的电流：I

图3为本发明一实施例中基准电流温度补偿电路的电路示意图；请参阅图3，在本发明的一实施例中，所述第四三极管Q4是由N个均与第三三极管Q3相匹配的NPN双极性结型晶体管并联构成的，并且第三三极管Q3和第四三极管Q4均为各自基极和集电极连接在一起的二极管接法，目的是构建工作在不同电流密度下的第三三极管Q3和第四三极管Q4，为下述得到其具有与绝对温度成正比的基极-发射极电压的差值V

第三电阻R3一端与第四三极管Q4的基极和集电极相连，另一端与第二P型MOS管PM2和运算放大器A1的输入端相连，目的是为了承载上述由第三三极管Q3和第四三极管Q4生成的具有正温度系数的电压V

运算放大器A1的输入端一端与第三三极管Q3的基极和集电极以及第一P型MOS管PM1的漏极相连，并记该点为X点；另一端与第三电阻R3以及第二P型MOS管PM2的漏极相连，并记该点为Y点；输出端与第一P型MOS管PM1的栅极和第二P型MOS管PM2的栅极相连。目的是为了使X点和Y点的电压值保持相等，并为第一P型MOS管PM1和第二P型MOS管PM2以及相关器件提供合适的栅极电压。

由第一P型MOS管PM1、第二P型MOS管PM2、第三P型MOS管PM3和第四P型MOS管PM4构成的电流镜结构，目的是为了将流经第二P型MOS管PM2的PTAT电流传输到相关P型MOS管所在支路上去。

第四电阻R4连接在地和第三P型MOS管PM3的漏极之间，目的是将流经第三P型MOS管PM3的PTAT电流转换成具有零温度系数的基准电压。

由第一三极管Q1和第二三极管Q2构成电流镜结构，其中：第一三极管Q1的集电极与第四P型MOS管PM4的漏极连接在一起，记该结点为A点；第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的基极连接在一起，记该结点为B点；第一三极管Q1的发射极和第二三极管Q2的发射极一起连接到地。设计该结构的目的是将流经第一三极管Q1的电流镜像至第二三极管Q2，为第二三极管Q2提供具有正温度系数的电流。

第一N型MOS管NM1的栅极连接在A点，源极连接在B点，漏极与第二N型MOS管NM2的漏极连接在一起，记该结点为D点。使用该器件的目的是为第一三极管Q1和第二三极管Q2提供基极电压和基极电流，并且将A点的电压钳制在V

第二N型MOS管NM2的栅极连接在A点，源极与第二三极管Q2的集电极相连在一起，记该结点为C点；第二N型MOS管NM2的漏极与第一N型MOS管NM1的漏极、第七P型MOS管PM7的栅极、第八P型MOS管PM8的栅极和第二电阻R2的一端连接在D点。使用该器件的目的是将C点的电压钳制在V

第一电阻R1的一端连接到地，另一端与第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的基极连接在B点。目的是利用三极管的基极-发射极电压具有负温度系数的特性进而得到一路具有负温度系数的电流，为生成具有零温度系数的电流提供基础。

由第五P型MOS管PM5、第六P型MOS管PM6、第七P型MOS管PM7、第八P型MOS管PM8和第二电阻R2组成的具有自偏置功能的低压共源共栅电流镜结构，其中第五P型MOS管PM5的栅极、第六P型MOS管PM6的栅极、第七P型MOS管PM7的漏极和第二电阻R2的一端连接在一起；第七P型MOS管PM7的栅极、第八P型MOS管PM8的栅极与第二电阻R2的另一端、第一N型MOS管NM1的漏极、第二N型MOS管NM2的漏极连接在D点。目的是将流过第一N型MOS管NM1的所具有负温度特性的电流和流过第二N型MOS管NM2的具有正温度特性的电流相加成流经第五P型MOS管PM5和第七P型MOS管PM7的电流，并且通过上述低压共源共栅电流镜结构将该电流镜像至第六P型MOS管PM6和第八P型MOS管PM8所在支路。

如图3所示，在本发明的一实施例中，假设该电路没有启动相关的问题，即该电路能够正常工作，图中各器件均不存在流过零电流的情况。由传统的带隙基准电路产生流经第二P型MOS管PM2上的具有正温度系数的电流I

在不影响基准电压V

其次，由于NPN双极性结型晶体管的基极-发射极电压具有与温度成反比的特性，并且第一电阻R1一端连接至第一三极管Q1的基极与第二三极管Q2的基极相连处B点，另一端连接到地。即第一电阻R1两端的电压V

综上所述，本发明提出的基准电流温度补偿电路及基准电流温度补偿控制方法，可以在不影响带隙基准电路中基准电压的同时利用少数器件完成电流的温度补偿得到零温度系数的基准电流，或者直接利用PTAT电流生成零温度系数的基准电流，节省了占用芯片的面积，一定程度上降低了生产成本。此外，该电流还具有较高的稳定性，受电源电压的影响较小，能够很好适应市场所需。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。