CN108646846A - 一种零温漂电流偏置电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种零温漂电流偏置电路，包括基准电压产生电路和偏置电流产生电路，基准电压产生电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻和第二电阻，第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管采用共源共栅的结构，第一电阻连接在第四MOS管源极和第一三极管发射极之间，第五MOS管的源极连接第二三极管的发射极，第二电阻连接在第三MOS管漏极和第三三极管发射极之间，第一三极管、第二三极管、第三三极管的基极和集电极接地，偏置电流产生电路包括运算放大器、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和第三电阻，基准电压产生电路连接运算放大器的正向输入端，第三电阻连接在第六MOS管源极与地之间。

Description

一种零温漂电流偏置电路

技术领域

本发明涉及集成电路设计领域，尤其涉及一种电流偏置电路，具体的说是涉及一种零温漂的电流偏置电路。

背景技术

在集成电路设计领域中，各种功能的集成电路几乎都离不开电流偏置电路。在某些应用中我们需要用到零温漂的电流偏置电路，即电流偏置的大小不随温度的变化而改变。

通常的零温漂电流电路产生方式如图1所示，Vref为不受温度影响的基准电压，RA和RB为不同材质的电阻，RA为正温度特性的电阻（即当温度升高时RA的阻值将变大），RB为负温度特性的电阻（即当温度升高时RB的阻值将变小），恰当地选择RA和RB的阻值，可以使它们的正负温漂相互抵消。又因Vref不受温度影响，所以我们将得到不受温度影响的偏置电流Io：。然而该电路存在一个严重问题，因RA和RB是不同材质的电阻，所以它们受工艺波动的影响是不同的。在某一工艺条件下匹配好RA和RB的阻值使其温漂为0，当工艺条件发生变化时，RA和RB的阻值可能都会发生变化，此时温漂将不再是零。

发明内容

本发明针对现有零温漂电流电路所存在的问题，提出一种零温漂电流偏置电路，该电路产生的偏置电流不受温度的影响，实现了零温漂，同时又不受电阻工艺条件的影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种零温漂电流偏置电路，包括基准电压产生电路和偏置电流产生电路，所述基准电压产生电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻和第二电阻，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管采用共源共栅的结构，并且源极连接电源VDD，第一MOS管的漏极连接第四MOS管的漏极，第一MOS管的栅极与漏极相连，第二MOS管的漏极连接第五MOS管的漏极，第三MOS管的漏极连接第二电阻的一端，第四MOS管和第五MOS管的栅极相连，第五MOS管的栅极与漏极相连，第四MOS管的源极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一三极管的发射极，第五MOS管的源极连接第二三极管的发射极，第二电阻的另一端连接第三三极管的发射极，第一三极管、第二三极管、第三三极管的基极和集电极均接地GND，在第三MOS管的漏极与第二电阻之间引出一条支路作为基准电压产生电路的输出端；所述偏置电流产生电路包括运算放大器、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和第三电阻，所述基准电压产生电路的输出端连接运算放大器的正向输入端，运算放大器的反向输入端连接第六MOS管的源极，运算放大器的输出端连接第六MOS管的栅极，第六MOS管的漏极连接第七MOS管的漏极，第七MOS管和第八MOS管的源极均连接电源VDD，第七MOS管和第八MOS管的栅极相连，第七MOS管的栅极和漏极相连，第三电阻的一端连接第六MOS管的源极，另一端接地GND，将第八MOS管的漏极引出作为偏置电流产生电路的输出端。

作为本发明的一种改进， 所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第七MOS管和第八MOS管均采用PMOS管，所述第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管均采用NMOS管。

作为本发明的一种改进，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管采用宽长比W/L值相同的PMOS管，所述第四MOS管、第五MOS管采用宽长比W/L值相同的NMOS管，所述第七MOS管和第八MOS管采用宽长比W/L值相同的PMOS管。

作为本发明的一种改进， 所述第一三极管、第二三极管、第三三极管均采用PNP型三极管。

作为本发明的一种改进，第一三极管、第二三极管、第三三极管的发射极面积比为M：1：1。

作为本发明的一种改进，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻采用相同的材质制作而成，第一电阻、第二电阻和第三电阻的温度变化率相同。

作为本发明的一种改进， 所述第一电阻、第二电阻和第三电阻为具有负温度特性的电阻。

作为本发明的一种改进， 所述第三电阻的温度变化率小于第三三极管发射结正向压降的温度变化率。

作为本发明的一种改进， 所述第三电阻在室温下的取值由基准电压产生电路输出端输出的偏置电流大小决定。

相对于现有技术，本发明所提出的零温漂电流偏置电路的整体结构设计巧妙，结构简单合理，易于实现，性能参数稳定可靠，通过本电路产生的偏置电流不再受生产工艺的波动而影响，并且偏置电流受温度变化影响小，在-20℃~120℃的温度范围内变化量仅为2%左右。

附图说明

图1为现有的零温漂电流电路。

图2为本发明的基准电压产生电路结构。

图3为本发明所提出的零温漂电流偏置电路。

图4为本发明所提出的零温漂电流偏置电路的实验仿真结果图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

如图2-3所示，一种零温漂电流偏置电路，包括基准电压产生电路和偏置电流产生电路，所述基准电压产生电路包括第一MOS管PM0、第二MOS管PM1、第三MOS管PM2、第四MOS管NM0、第五MOS管NM1、第一三极管Q0、第二三极管Q1、第三三极管Q2、第一电阻R0和第二电阻R1，所述第一MOS管PM0、第二MOS管PM1、第三MOS管PM2采用共源共栅的结构，并且源极连接电源VDD，第一MOS管PM0的漏极连接第四MOS管NM0的漏极，第一MOS管PM0的栅极与漏极相连，第二MOS管PM1的漏极连接第五MOS管NM1的漏极，第三MOS管PM2的漏极连接第二电阻R1的一端，第四MOS管NM0和第五MOS管NM1的栅极相连，第五MOS管NM1的栅极与漏极相连，第四MOS管NM0的源极连接第一电阻R0的一端，第一电阻R0的另一端连接第一三极管Q0的发射极，第五MOS管NM1的源极连接第二三极管Q1的发射极，第二电阻R1的另一端连接第三三极管Q2的发射极，第一三极管Q0、第二三极管Q1、第三三极管Q2的基极和集电极均接地GND，在第三MOS管PM2的漏极与第二电阻R1之间引出一条支路作为基准电压产生电路的输出端；所述偏置电流产生电路包括运算放大器、第六MOS管NM2、第七MOS管PM3、第八MOS管PM4和第三电阻R2，所述基准电压产生电路的输出端连接运算放大器的正向输入端，运算放大器的反向输入端连接第六MOS管NM2的源极，运算放大器的输出端连接第六MOS管NM2的栅极，第六MOS管NM2的漏极连接第七MOS管PM3的漏极，第七MOS管PM3和第八MOS管PM4的源极均连接电源VDD，第七MOS管PM3和第八MOS管PM4的栅极相连，第七MOS管PM3的栅极和漏极相连，第三电阻R2的一端连接第六MOS管NM2的源极，另一端接地GND，将第八MOS管PM4的漏极引出作为偏置电流产生电路的输出端。

其中，所述第一MOS管PM0、第二MOS管PM1、第三MOS管PM2、第七MOS管PM3和第八MOS管PM4均采用PMOS管，所述第四MOS管NM0、第五MOS管NM1和第六MOS管NM2均采用NMOS管。进一步地，所述第一MOS管PM0、第二MOS管PM1、第三MOS管PM2采用宽长比W/L值相同的PMOS管，所述第四MOS管NM0、第五MOS管NM1采用宽长比W/L值相同的NMOS管，所述第七MOS管PM3和第八MOS管PM4采用宽长比W/L值相同的PMOS管。

所述第一三极管Q0、第二三极管Q1、第三三极管Q2均采用PNP型三极管，并且第一三极管Q0、第二三极管Q1、第三三极管Q2的发射极面积比为M：1：1。

所述第一电阻R0、第二电阻R1和第三电阻R2采用相同的材质制作而成，并且第一电阻R0、第二电阻R1和第三电阻R2的温度变化率相同。此外，所述第一电阻R0、第二电阻R1和第三电阻R2为具有负温度特性的电阻。

对于基准电压产生电路，由于第一MOS管PM0、第二MOS管PM1的宽长比W/L值相同，因此流经第四MOS管NM0、第五MOS管NM1的电流值相等，那么第四MOS管NM0、第五MOS管NM1的Vgs电压值也相等，进而第一电阻R0两端的电压差为

VR0=ΔVbe=VT*lnM （1）

其中，ΔVbe为Q0和Q1的发射极电压差。

又因第一MOS管PM0、第三MOS管PM2的宽长比W/L值相同，所以流经两者的电流也相等

I2=I0= V_R0/R0=lnM*VT/R0 （2）

由此可得基准电压产生电路输出端输出的基准电压为

Vref=Vbe+I2*R1=Vbe+lnM*VT*R1/R0 （3）

对于基准电压产生电路，由于第三电阻R2与第一电阻R0、第二电阻R1为相同材质的电阻，第七MOS管PM3和第八MOS管PM4的宽长比W/L值相同，因此，由基准电压产生电路输出端输出的偏置电流为

Io=Vref/R2=(Vbe+lnM*VT*R1/R0)/R2 （4）

假设第三电阻R2在室温（T0）时的值为R20，第三电阻R2的温度变化率为m2；第三三极管Q2发射结正向压降Vbe在室温（T0）时的值为Vbe0，Vbe的温度变化率为m1，第三电阻R2和Vbe都是负温度特性。则：

R2=R20[1-（T-T0）*m2] （5）

R1=R10[1-（T-T0）*m2] （6）

R0=R00[1-（T-T0）*m2] （7）

Vbe=Vbe0[1-（T-T0）*m1] （8）

另，根据VT=kT/q，室温T0时VT=VT0=k/q(约为26mV)，得到：

VT=kT/q=VT0+(T-T0)k/q （9）

设，n=lnM* R1/R0，将公式5~9代入公式4中：

Io=

= （10）

那么，在温度T=T0时：

Io0= （11）

若要Io保证零温漂，则需要任意温度T时：

Io=Io0 （12）

根据公理如果 A=综合公式10、公式11和公式12推导出：

Io =

= （13）

由于第一电阻R0和第二电阻R1的温度变化率相同，因此，系数n=lnM*R1/R0不受温度的影响。Vbe随温度的变化量在同一工艺中是一个固定值，k/q约为常数0.087mV/K，m2为电阻R2的固定温度系数，由工艺材质所确定。公式13为任意温度时电路输出的偏置电流，公式中不再含有温度的系数。

根据公式11和公式12：

Io*R20=Vbe0+nVT0 （14）

根据公式13

Io*R20*m2=m1-kn/q （15）

结合公式14和公式15得到：

（Vbe0+nVT0）*m2=m1-kn/q （16）

n=Vbe0*(m1-m2)/( VT0*m2+k/q) （17）

综上所述，上述的零温漂电流偏置电路输出的偏置电流实现零温漂的约束条件包括：

1）因为n=lnM* R1/R0＞0，所以必须m1＞m2。即：选取第三电阻R2时，其材质的温度变化率m2必须小于Vbe的温度变化率m1。

2）系数n=lnM* R1/R0由公式17确定。

将本发明的零温漂电流偏置电路在CSMC 0.25um 60V 2P3MBCD工艺平台上进行了试验，在该工艺中Vbe随温度的变化率m1=2.5m；在温度T0时Vbe0（为Vbe在T0时的值）＝0.67V；第三电阻R2选取rhr2km_sn_2t类型，该电阻的温度变化率为1.9m，则满足了第三电阻R2的温度变化率小于第三三极管Q2发射结正向压降的温度变化率。

另外，第一三极管Q0、第二三极管Q1的发射极面积比为8，根据n=lnM* R1/R0得到R1/R0≌1.42，本试验中第一电阻R0取值为20Kohm，第二电阻R1取值为28.4Kohm。

根据公式15可得Io≌0.747/R20，因此R20根据Io大小的需要进行取值，在本试验中取Io等于10uA，则R20的阻值为74.7Kohm。

试验的仿真结果如图4所示，偏置电流产生电路产生的偏置电流Io在室温T0时为10.01uA，在-20℃~120℃的温度范围内电流偏置最大波动为224.4nA，变化量为2.244%，可以满足电路对零温漂偏置电流的一般性需求。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种零温漂电流偏置电路，其特征在于：包括基准电压产生电路和偏置电流产生电路，所述基准电压产生电路包括第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管、第五MOS管、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第一电阻和第二电阻，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管采用共源共栅的结构，并且源极连接电源VDD，第一MOS管的漏极连接第四MOS管的漏极，第一MOS管的栅极与漏极相连，第二MOS管的漏极连接第五MOS管的漏极，第三MOS管的漏极连接第二电阻的一端，第四MOS管和第五MOS管的栅极相连，第五MOS管的栅极与漏极相连，第四MOS管的源极连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一三极管的发射极，第五MOS管的源极连接第二三极管的发射极，第二电阻的另一端连接第三三极管的发射极，第一三极管、第二三极管、第三三极管的基极和集电极均接地GND，在第三MOS管的漏极与第二电阻之间引出一条支路作为基准电压产生电路的输出端；所述偏置电流产生电路包括运算放大器、第六MOS管、第七MOS管、第八MOS管和第三电阻，所述基准电压产生电路的输出端连接运算放大器的正向输入端，运算放大器的反向输入端连接第六MOS管的源极，运算放大器的输出端连接第六MOS管的栅极，第六MOS管的漏极连接第七MOS管的漏极，第七MOS管和第八MOS管的源极均连接电源VDD，第七MOS管和第八MOS管的栅极相连，第七MOS管的栅极和漏极相连，第三电阻的一端连接第六MOS管的源极，另一端接地GND，将第八MOS管的漏极引出作为偏置电流产生电路的输出端。

2.如权利要求1所述的一种零温漂电流偏置电路，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第七MOS管和第八MOS管均采用PMOS管，所述第四MOS管、第五MOS管和第六MOS管均采用NMOS管。

3.如权利要求2所述的一种零温漂电流偏置电路，其特征在于，所述第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管采用宽长比W/L值相同的PMOS管，所述第四MOS管、第五MOS管采用宽长比W/L值相同的NMOS管，所述第七MOS管和第八MOS管采用宽长比W/L值相同的PMOS管。

4.如权利要求1所述的一种零温漂电流偏置电路，其特征在于，所述第一三极管、第二三极管、第三三极管均采用PNP型三极管。

5.如权利要求4所述的一种零温漂电流偏置电路，其特征在于，第一三极管、第二三极管、第三三极管的发射极面积比为M：1：1。

6.如权利要求1所述的一种零温漂电流偏置电路，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻采用相同的材质制作而成，第一电阻、第二电阻和第三电阻的温度变化率相同。

7.如权利要求6所述的一种零温漂电流偏置电路，其特征在于，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻为具有负温度特性的电阻。

8.如权利要求7所述的一种零温漂电流偏置电路，其特征在于，所述第三电阻的温度变化率小于第三三极管发射结正向压降的温度变化率。

9.如权利要求7所述的一种零温漂电流偏置电路，其特征在于，所述第三电阻在室温时的取值由基准电压产生电路输出端输出的偏置电流大小决定。