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CN109828630B - 一种与温度无关的低功耗基准电流源 - Google Patents

一种与温度无关的低功耗基准电流源 Download PDF

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CN109828630B CN201910069815.8A CN201910069815A CN109828630B CN 109828630 B CN109828630 B CN 109828630B CN 201910069815 A CN201910069815 A CN 201910069815A CN 109828630 B CN109828630 B CN 109828630B
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宋树祥
岑明灿
李叶
杨小燕
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Guilin University of Electronic Technology
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Abstract

本发明公开了一种与温度无关的低功耗基准电流源，包括负温度系数电流产生电路、正温度系数电流产生电路、启动电路和基准电流输出电路。负温度系数电流产生电路用于产生一个负温度系数电流，正温度系数电流产生电路用于产生一个正温度系数电流；启动电路用于避免零电流（简并）状态；基准电流输出电路将正温度系数电流与负温度系数电流相加产生一个与温度无关的基准电流。该电路具有结构简单、功耗低、面积小、工作电压范围宽的特点。

Description

一种与温度无关的低功耗基准电流源
技术领域
本发明属于微电子电路技术领域，具体涉及一种与温度无关的低功耗基准电流源。
背景技术
基准电流源用于提供一个稳定的电流，其电流值不随电源电压、温度、工艺发生变化，传统的与温度无关的基准电流源如图1所示，其本质是将一个与温度无关的基准电压转换为与温度无关的基准电流，其工作原理是将运放接成负反馈，使运放同相端与反相端电压相等，运放同相端接与温度无关的基准电压VREF，那么运放反相端电压也为VREF，即电阻R1两端的电压也为VREF，流过电阻R1的电流为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，因此输出的基准电流
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，由于VREF与温度无关，因此IREF与温度也无关。虽然由带隙基准源产生的基准电压VREF具有很好的温度特性使得IREF也具有较好的温度特性，但这种结构需要一个完整的带隙基准电压源、运放A1、MOS管M1和电阻R1，因此会产生较大功耗和占用较大芯片面积。
发明内容
本发明提供一种与温度无关的低功耗基准电流源，包括负温度系数电流产生电路、正温度系数电流产生电路、启动电路以及基准电流输出电路。本发明带来的有益效果就是既可以实现较低温度系数的基准电流，又大大降低了电路的功耗与芯片面积。
所述负温度系数电流产生电路用于产生一个负温度系数电流，该电路包括NMOS管M1、M2和PMOS管M3、M4，以及电阻R1；其中：M1的栅极连接到节点Y；M2的栅极连接到节点X；M1、M2的源极相互连接后通过电阻R1接地GND；M1、M3的漏极与M3、M4的栅极相互连接构成第一偏置电压端子VB1；M2、M4的漏极相互连接构成第二偏置电压端子VB2；M3、M4的源极都接到电源VDD。
所述正温度系数电流产生电路用于产生一个正温度系数电流，该电路包括PMOS管M5、M6和PNP型三极管Q1、Q2，以及电阻R2；其中：Q1、Q2的基极以及Q1、Q2的集电极都接地GND；Q1的发射极与M5的漏极都连接到节点X，Q2的发射极通过电阻R2连接到节点Y；M5、M6的栅极都连接到第二偏置电压端子VB2；M5、M6的源极都连接到电源VDD。
所述启动电路用于避免零电流（简并）状态，实现上电瞬间为基准电路提供启动电流，使电路脱离零电流状态，电路正常工作后，启动电路自动关闭。所述启动电路包括PMOS管M7、M8、M9、M10、M11和NMOS管M12，以及电容C1；其中：M7的栅极连接到第二偏置电压端子VB2；M7、M8的源极都接到电源VDD；M7的漏极以及电容C1第一端子与M8、M9、M10、M11的栅极相互连接；电容C1第二端子及M12的源极接地GND；M12的栅极连接到节点Y；M12的漏极与M9的漏极、M10的源极相互连接；M8的漏极连接M9的源极；M10的漏极连接M11的源极；M11的漏极连接到节点X。
所述基准电流输出电路将正温度系数电流与负温度系数电流相加，产生一个与温度无关的基准电流。该电路包括PMOS管M13、M14；M13的栅极连接到第一偏置电压端子VB1；M14的栅极连接到第二偏置电压端子VB2；M13、M14的源极与电源VDD连接；M13、M14的漏极相互连接构成基准电流输出端IREF。
附图说明
图1 为传统的与温度无关的基准电流源电路原理图。
图2为传统的带隙基准源电路原理图。
图3 为本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案与技术效果再次进行详细地说明。
本发明在传统带隙基准源的基础上，巧妙地将负温度系数电流产生电路与运放合二为一，既实现了负温度系数电流，又实现了运放的功能，降低了电路功耗。传统的带隙基准源主体电路如图2所示，M1与M2尺寸完全相同，又因它们的栅源电压也相同，因此流过M1与M2的电流都相等，设为IPTAT，由于运放具有虚断特性，Q1与M1流过的电流相同为IPTAT，Q2、R1与M2流过的电流相同为IPTAT。由于运算放大器A1构成了负反馈结构具有虚短特性，会使得X与Y两点电压相等，因此流过电阻R1上的电流
Figure DEST_PATH_IMAGE006
,设置Q2为Q1的n倍，则
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，因此
Figure DEST_PATH_IMAGE010
,由于VT为正温度系数，因此IPTAT为正温度系数电流。
如图3所示，是本发明提供的与温度无关的低功耗基准电流源，包括负温度系数电流产生电路、正温度系数电流产生电路、启动电路、基准电流输出电路。负温度系数电流产生电路用于产生一个负温度系数电流（ICTAT），正温度系数电流产生电路用于产生一个正温度系数电流（IPTAT）；启动电路用于避免零电流（简并）状态；基准电流输出电路将正温度系数电流与负温度系数电流相加用于产生一个与温度无关的基准电流（IREF）。其中，正温度系数电流产生电路包括PMOS管M5、PMOS管M6、电阻R2、PNP型三极管Q1、PNP型三极管Q2，其工作原理与图2所示电路相同，由于电路构成了负反馈结构，会使得X与Y两点电压相等，M5与M6尺寸完全相同，Q2是Q1的n倍，因此流过电阻R2上的电流
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，电流IR2为正温度系数电流。
图3中所示负温度系数电流产生电路包括NMOS管M1、NMOS管M2、PMOS管M3、PMOS管M4、电阻R1，其工作原理为：由于电路构成了负反馈结构会使得X与Y两点电压相等，即M1与M2的栅极电压相等，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，流过R1上的电流
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，而
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为负温度系数，因此电流IR1为负温度系数电流，流过M3与M4的电流相等为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，也为负温度系数电流。本发明所述的负温度系数电流产生电路，既实现了负温度系数电流的产生，又实现了运放的功能，而且由于IR1为(VEB1-VGS,M1)/R1，因此可以不需要很大的R1即可产生与IR2相同数量级的电流，既减小了电路面积，又有利于基准电流输出电路的设计。
图3中所示的基准电流输出电路包括PMOS管M13、PMOS管M14，其工作原理为：M13与M3构成镜像电流源，流过M3的电流为负温度系数，因此流过M13的电流ICTAT也为负温度系数；M14与M5、M6构成镜像电流源，流过M5、M6的电流为正温度系数，因此流过M14的电流IPTAT也为正温度系数；由于IR1与IR2为相同数量级的电流，因此M13与M14的尺寸比较接近，更有利于M13与M14进行匹配设计，设置合理的MOS管（M13与M14）尺寸，并将负温度系数电流ICTAT与正温度系数电流IPTAT叠加，就可以得到与温度无关的电流基准电流IREF。本发明所述的基准电流输出电路具有结构简单、有利于版图设计的特点。
图3中所示启动电路包括PMOS管M7、PMOS管M8、PMOS管M9、PMOS管M10、PMOS管M11、NMOS管M12、电容C1。其工作原理为：假设上电后电路存在零电流（简并）状态，那么流过M5、M6、M7所在支路的电流为0，因此X点、Y点、电容C1上下极板的电压为0，M5、M6、M7的栅极电压VB2电压为VDD；由于C1上下极板电压都为0，X点电压也为0，因此PMOS管M8、M9、M10、M11导通，提供电流灌入Q1中，使电路慢慢脱离零状态，最终正常工作。在电路慢慢脱离零状态的过程中，流过M7的电流逐渐增大并给C1充电，使C1上极板电压不断升高，最终使C1上极板电压为VDD，M7进入深度线性区，无电流流过，由于C1上极板电压为VDD从而使得M8、M9、M10、M11不导通；在电路慢慢脱离零状态的过程中，Y点的电压逐渐升高，使M12导通，将M10源极电压拉低至0电位，进一步确保M10与M11完全关断，不影响电路正常工作状态。本发明所述的启动电路实现了上电瞬间为基准电路提供启动电流，使电路脱离零电流状态，电路正常工作后，启动电路又自动关闭，没有功耗，具有启动迅速、启动完成后能双重关闭的特点。

Claims (2)

1.一种与温度无关的低功耗基准电流源，包括启动电路、负温度系数电流产生电路和正温度系数电流产生电路，其特征在于：
所述负温度系数电流产生电路包括NMOS管M1、M2和PMOS管M3、M4，以及电阻R1；其中：M1的栅极连接到节点Y；M2的栅极连接到节点X；M1、M2的源极相互连接后通过电阻R1接地GND；M1、M3的漏极与M3、M4的栅极相互连接构成第一偏置电压端子VB1；M2、M4的漏极相互连接构成第二偏置电压端子VB2；M3、M4的源极都接到电源VDD；
所述正温度系数电流产生电路包括PMOS管M5、M6和PNP型三极管Q1、Q2，以及电阻R2；其中：Q1、Q2的基极以及Q1、Q2的集电极都接地GND；Q1的发射极与M5的漏极都连接到节点X，Q2的发射极通过电阻R2连接到节点Y；M5、M6的栅极都连接到第二偏置电压端子VB2；M5、M6的源极都连接到电源VDD；
所述启动电路包括PMOS管M7、M8、M9、M10、M11和NMOS管M12，以及电容C1；其中：M7的栅极连接到第二偏置电压端子VB2；M7、M8的源极都接到电源VDD；M7的漏极以及电容C1第一端子与M8、M9、M10、M11的栅极相互连接；电容C1第二端子及M12的源极接地GND；M12的栅极连接到节点Y；M12的漏极与M9的漏极、M10的源极相互连接；M8的漏极连接M9的源极；M10的漏极连接M11的源极；M11的漏极连接到节点X。
2.根据权利要求1所述的低功耗基准电流源，其特征在于还包括基准电流输出电路，所述基准电流输出电路包括PMOS管M13、M14；M13的栅极连接到第一偏置电压端子VB1；M14的栅极连接到第二偏置电压端子VB2；M13、M14的源极与电源VDD连接；M13、M14的漏极相互连接构成基准电流输出端IREF。
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