一种正温系数电流源和一种零温度系数电流源

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体的说是涉及一种零温系数电流源和一种正温度系数电流源。

背景技术

在目前的集成电路领域中，电流源的应用非常广泛，是集成电路中最常见的模拟结构之一。电流源结构在模拟电路和数模混合电路中被普遍采用，它是模拟电路和数模混合电路里必不可缺的重要模块。高性能的模拟电路和数模混合电路必须由高质量、高稳定性的电流偏置来支撑，电流源的性能会直接影响到电路的功耗、电源抑制比、开环增益、环路稳定性以及温度特性。

一般的基准电流源并非理想电流源，它输出的电流大小会受到温度的影响。有时候，集成电路的模块设计中需要精确的零温度系数的电流源，如给精密的运算放大器、比较器提供偏置的电流源。这一类电路常常希望它能在各个工艺角下，保持一致的电路特性，不希望它在温度变化后，增益以及其连入的环路特性等出现偏差，因而有对为之提供偏置的电流源在不同温度情况下，输出保持一致的需求；又如流控振荡器，其输出的波形频率强烈依赖于输入的电流，若希望它在各个温度条件下保持输出频率的一致，那么使输入的电流不受温度的影响将会是很好的解决方案。另一方面，能产生正温度系数电流的电流源在集成电路中有时候也会被需要，因为正温度系数电流源能很好的反应芯片工作的温度情况，能将温度信息反馈给控制模块，使电路对其他设计中对温度敏感的结构进行补偿。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述的需求，提出一种能够产生正温度系数电流的电流源以及一种能够产生零温度系数电流的电流源。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种正温度系数电流源，包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第六PMOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一双极型晶体管和第二双极型晶体管，

第一PMOS管的栅漏短接并通过第一电阻后接地，其源极连接电源电压，用于产生偏置；

第三PMOS管、第四PMOS管和第六PMOS管的栅极均连接第一PMOS管的栅极，其源极均连接所述电源电压，第三PMOS管、第四PMOS管和第六PMOS管分别与第一PMOS管构成电流镜；

第二PMOS管的栅极连接第三PMOS管的漏极并通过第一电容后连接所述电源电压，其漏极连接第一PMOS管的漏极，其源极连接所述电源电压；

第三PMOS管的漏极连接第一双极型晶体管的集电极，第四PMOS管的漏极连接第一双极型晶体管的基极并通过第二电阻后连接第二双极型晶体管的基极和集电极，第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的发射极接地，则流过第一双极型晶体管集电极的电流和流过第二双极型晶体管集电极的电流相等，设置第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的发射区面积之比为1:n，n为正整数，流过第二电阻的电流

一种零温度系数电流源，包括正温度系数电流产生单元、负温度系数电流产生单元和叠加单元，

所述正温度系数电流产生单元包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第五PMOS管、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一双极型晶体管和第二双极型晶体管，

第一PMOS管的栅漏短接并通过第一电阻后接地，其源极连接电源电压，用于产生偏置；第三PMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管的栅极均连接第一PMOS管的栅极，其源极均连接所述电源电压，第三PMOS管、第四PMOS管和第五PMOS管分别与第一PMOS管构成电流镜；第二PMOS管的栅极连接第三PMOS管的漏极并通过第一电容后连接所述电源电压，其漏极连接第一PMOS管的漏极，其源极连接所述电源电压；

第三PMOS管的漏极连接第一双极型晶体管的集电极，第四PMOS管的漏极连接第一双极型晶体管的基极并通过第二电阻后连接第二双极型晶体管的基极和集电极，第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的发射极接地，则流过第一双极型晶体管集电极的电流和流过第二双极型晶体管集电极的电流相等，设置第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的发射区面积之比为1:n，n为正整数，流过第二电阻的电流

所述负温度系数电流产生单元包括第一NMOS管、第二NMOS管、第三双极型晶体管和第三电阻，第一NMOS管的栅漏短接并连接第五PMOS管的漏极和第二NMOS管的栅极，其源极连接第二NMOS管的源极并接地，第一NMOS管和第二NMOS管构成电流镜，用于镜像第五PMOS管的漏极电流；第三双极型晶体管的集电极连接所述电源电压，其基极连接第三电阻的一端，其发射极连接第三电阻的另一端和第二NMOS管的漏极，则第三电阻两端的电压是第三双极型晶体管基极到发射极的压差，流过第三电阻的电流是负温度系数电流；

所述叠加单元包括第三NMOS管、第七PMOS管和第八PMOS管，第三NMOS管的栅极连接第一NMOS管的栅极，其源极接地，第三NMOS管与第一NMOS管构成电流镜，用于镜像第五PMOS管的漏极电流，则第三NMOS管的漏极电流是正温度系数的电流；

第七PMOS管的漏极连接第三双极型晶体管的基极和第三NMOS管的漏极，则第七PMOS管的漏极电流为第三NMOS管的漏极电流和流过第三电阻的电流叠加得到，通过调节第二电阻的阻值、第三电阻的阻值和n的数值使得叠加后的电流为零温度系数的电流；

第八PMOS管的栅极连接第七PMOS管的栅极和漏极，其源极连接第七PMOS管的源极并连接所述电源电压，第八PMOS管和第七PMOS管构成电流镜，将第八PMOS管的漏端作为所述零温度系数电流源的输出端。

具体的，所述零温度系数电流源还能产生正温度系数的电流，所述零温度系数电流源还包括第六PMOS管，第六PMOS管的栅极连接第一PMOS管的栅极和漏极，其源极连接所述电源电压，第六PMOS管与第一PMOS管构成电流镜，第六PMOS管的漏极输出正温度系数的电流。

本发明的有益效果为：本发明一方面用两个BJT管(Q1和Q2)的基极和发射极压差之差的正温度系数的性质使第四PMOS管MP4支路电流与温度成正相关，同时接入反馈结构使正温度系数的电流由P管电流镜输出，并且用电容补偿其极点，使环路更加稳定，能形成一个随温度变化线性程度较好的正温度系数电流；另一方面利用BJT管(Q3)基极和发射极压差的负温度系数的性质，设计产生负温度系数电流的支路，使正温度系数的电流与负温度系数的电流相叠加得到零温度系数的电流，并且由P管电流镜输出。

附图说明

图1是本发明提出的一种能够产生零温度系数电流和正温度系数电流的电流源结构示意图。

图2是将本发明提出的一种正温系数电流源和一种零温度系数电流源进行仿真的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。

本发明提出的一种正温系数电流源，利用两个双极型晶体管(Bipolar JunctionTransistor，BJT管)的基极和发射极压差之差ΔV

第二PMOS管MP2的源极上拉至电源电压，其漏极连接第一PMOS管MP1的漏极，其栅极连接第三PMOS管MP3的漏极，形成了负反馈回路，并且第二PMOS管MP2的栅极并联上第一电容C1上拉至高电平的电源电压，作环路补偿，降低该极点频率，增加环路稳定性。负反馈结构工作原理为：如果第一双极型晶体管Q1的基极电压降低，则会使第一双极型晶体管Q1的集电极电流减小，则第三PMOS管MP3漏极电压上升，也就是第二PMOS管MP2栅极电压上升，第二PMOS管的栅源压差绝对值下降而流过其漏端的电流减小，这部分电流在第一电阻R1上产生的压降减小，那么第一PMOS管MP1的栅漏极电压会下降，使MP1漏电流增大，第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4镜像第一PMOS管MP1的漏极电流，故也会增大，第四PMOS管MP4的漏极电流通过第二电阻R2和第二双极型晶体管Q2使得第一双极型晶体管Q1的基极电压增大，由于第一双极型晶体管Q1的跨导较大，第一双极型晶体管Q1的基极电压能有效地调制第三PMOS管MP3的漏极电流，使得第一双极型晶体管Q1的集电极电压落在一个合适的值上。反之同样，若因为第一双极型晶体管Q1基极电压上升而导致第一双极型晶体管Q1集电极电压下降，则负反馈环路通过降低第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4漏极电流来维持稳定。该负反馈的环路中的高阻节点只有第一双极型晶体管Q1的集电极一个，第一电容C1的作用就是降低该极点频率，增加环路稳定性。

第三PMOS管MP3的漏极连接第一双极型晶体管的集电极，第四PMOS管MP4的漏极连接第一双极型晶体管的基极并通过第二电阻R2后连接第二双极型晶体管的基极和集电极，第一双极型晶体管和第二双极型晶体管的发射极接地。第三PMOS管MP3的漏极支路和第四PMOS管MP4的漏极支路完成了形成正温度系数电流的功能，正温度系数电流源的工作原理是：第三PMOS管MP3的漏极支路串联第一双极型晶体管Q1，第四PMOS管MP4的漏极支路串联第二电阻R2和第二双极型晶体管Q2，第一双极型晶体管Q1基极与第四PMOS管MP4漏极相连，第二双极型晶体管Q2基极集电极短接，由于负反馈环路使得流过第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2集电极的电流相等，又因为第一双极型晶体管Q1、第二双极型晶体管Q2发射区的面积之比为1:n，n为正整数，所以第二电阻R2两端的电压为两个晶体管Q1和Q2的基极发射极压差之差，并且是正温度系数的，故流过第二电阻R2的电流为正温度系数的，再将这股电流用电流镜结构镜像输出，比如用第六PMOS管MP6和第一PMOS管MP1构成电流镜，将第六PMOS管MP6的漏极作为正温度系数电流源的输出端。电流镜结构的第一PMOS管MP1、第二PMOS管MP2、第三PMOS管MP3、第四PMOS管MP4、第六PMOS管MP6等器件的漏极电流均为正温度系数的电流。

基于本发明提出的一种正温系数电流源，本发明还设计了一种零温系数电流源，将一个正温度系数的电流与一个负温度系数的电流相叠加，调节好二者的比例就可以得到一个零温度系数的电流。其中正温度系数的电流可以由本发明提出的正温度系数电流源产生，利用两个BJT管Q1和Q2的基极-发射极压差之差的正温度系数性质，设计反馈环路，输出稳定的正温度系数电流；而负温度系数的电流，则利用BJT管Q3基极电流恒定，基极和发射极压差的负温度系数的性质，设计产生一个负温度系数的电流。

如图1所示，本发明提出的一种零温系数电流源包括正温度系数电流产生单元、负温度系数电流产生单元和叠加单元，正温度系数电流产生单元中产生正温度系数的电流与上述一种正温系数电流源中产生正温度系数的电流原理类似，设计一个第五PMOS管MP5与第一PMOS管MP1构成电流镜，利用第五PMOS管MP5的漏极电流引出正温度系数的电流，该正温度系数电流可用如下表达式描述：

式(1)中热电压V

负温度系数电流产生单元包括第一NMOS管MN1、第二NMOS管MN2、第三双极型晶体管Q3和第三电阻R3，第一NMOS管MN1栅漏短接并连接第五PMOS管MP5的漏极，第一NMOS管MN1采用二极管连接形式，第一NMOS管MN1栅极形成N管电流镜偏置。

第二NMOS管MN2的栅极连接第一NMOS管MN1栅极形成的N管电流镜偏置，第一NMOS管MN1和第二NMOS管MN2构成电流镜，镜像第五PMOS管MP5的漏极电流。第二NMOS管MN2漏极接第三双极型晶体管Q3的发射极，第三双极型晶体管Q3的集电极上拉至电源电压，其基极通过第三电阻R3与其发射极相连，使第三电阻R3两端的电压为第三双极型晶体管Q3发射极和基极的压差，形成产生负温度系数电流的结构，由于流过第三双极型晶体管Q3发射极的电流镜像于第五PMOS管MP5的漏极电流，较于这股电流第三双极型晶体管Q3的基极到发射极的压差是负温度系数的，所以流过第三电阻R3上的电流是负温度系数的。

负温度系数电流产生单元利用第三双极型晶体管Q3基极和发射极压差的负温度系数的性质产生负温度系数电流，再由叠加单元将负温度系数电流与正温度系数电流叠加得到零温度系数电流。叠加单元包括第三NMOS管MN3、第七PMOS管MP7和第八PMOS管MP8，第三NMOS管MN3的栅极连接第一NMOS管MN1的栅极，其源极接地，第三NMOS管MN3与第一NMOS管MN1构成电流镜，第三NMOS管MN3与第二NMOS管MN2类似为电流镜N管，都用于镜像第五PMOS管MP5漏极支路电流，第三NMOS管MN3漏端与第三双极型晶体管Q3基极相连，并且向上接入二极管连接的第七PMOS管MP7的漏极和栅极，形成P管电流镜偏置，第三NMOS管MN3的漏极电流镜像于第五PMOS管MP5的漏极电流是正温度系数的电流，流过第三电阻R3的电流是负温度系数的电流，则第七PMOS管MP7的漏极支路电流是正温度系数的第三NMOS管MN3的漏极电流与负温度系数的流过第三电阻R3的电流相叠加而成，得到零温度系数电流后并由P管电流镜输出，即第八PMOS管MP8的栅极连接第七PMOS管MP7的栅极和漏极，为零温度系数电流镜的偏置，第八PMOS管MP8的源极连接第七PMOS管MP7的源极并连接电源电压，第八PMOS管MP8和第七PMOS管MP7构成电流镜，镜像第七PMOS管MP7的零温度系数的漏极电流，将第八PMOS管MP8的漏端作为零温度系数电流源的输出端。

正温度系数的第三NMOS管MN3的漏极电流与负温度系数的流过第三电阻R3的电流在第七PMOS管MP7漏极支路上相叠加后，调节好第三电阻R3的阻值、第二电阻R2的阻值和n的数值，就可以使得流过第七PMOS管MP7的漏极电流是零温度系数的。该零温度系数的电流表达式如下：

假设实施例中正温度系数电流源里面均是按照1:1的比例复制的，那么零温度系数电流源表达式：

根据式(3)可知，只要调整好第三电阻R3的阻值R

若在零温度系数电流源中也利用第六PMOS管MP6将正温度系数电流引出，则本发明可以实现一个既输出正温度系数电流也输出零温度系数电流的电流源结构。

如图2所示为本发明提出的正温度系数电流源和零温度系数电流源的结果仿真图，从上到下依次是正温度系数电流、零温度系数电流在全温度范围内的仿真结果。两条曲线分别是第六PMOS管MP6输出的漏端电流随温度变化的关系，以及第八PMOS管MP8输出的漏端电流随温度变化的关系，其中第六PMOS管MP6输出的漏端电流是正温度系数的电流，第八PMOS管MP8输出的漏端电流是零温度系数的电流。在正温度系数电流随温度变化的曲线中，可以看到其随温度的升高而增大，且线性程度较好。温度从-40℃上升至150℃，正温度系数的电流相应大约从1.6uA上升至4.4uA，斜率为0.0147uA/℃。另一条曲线是零温度系数的电流随温度变化的曲线，可以看出零温度系数的电流随温度的升高变化趋势呈“彩虹线”趋势，即先随温度升高而升高，再随温度升高而下降。温度从-40℃上升至150℃，零温度系数的电流最小值约为1.9uA，最大值约为2.23uA，波动范围为0.33uA。根据仿真结果可以看出两种电流源可以正常输出正温度系数电流和零温度系数电流。

综上所述，本发明提出了一种正温度系数电流源，现有的正温度系数电流源通常通过运放钳位使得第二电阻R2两端压差为第一双极型晶体管Q1和第二双极型晶体管Q2的两个BE结压差，而本发明直接将第一双极型晶体管Q1和第二双极型晶体管Q2的两个BE结压差加在第二电阻R2上，取消了传统结构中第一双极型晶体管Q1的集电极和基极短接连接，通过负反馈回路来稳定第一双极型晶体管Q1的集电极电压，得到一个线性程度较好的正温度系数电流。另外本发明还提出一种零温度系数电流源，传统正温度系数电流需要通过一个串联电阻和一个BJT晶体管的BE结电压叠加来得到零温度系数的电压，但本发明将第三电阻R3并联在第三双极型晶体管Q3的BE结两端，使得流过第三电阻R3的电流为负温度系数的电流并能与本发明的正温度系数电流直接叠加产生零温度系数电流。

上述实施例并不限定本发明的范围，本领域技术人员应该理解其他的结构和方法也可以应用于本发明用于实现各自可能的功能，对于公开的实施例进行变化和修改都是可能的，其他可行的选择性实施例和对实施例中器件的等同变化变化可以被本领域技术人员所了解，如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。