CN101178610A

CN101178610A - 一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路

Info

Publication number: CN101178610A
Application number: CNA2007101884921A
Authority: CN
Inventors: 任芬莲; 王红义; 李先锐; 何惠森
Original assignee: XI'AN BIAOXIN ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XI'AN BIAOXIN ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: CN100593768C

Abstract

本发明提供了一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路，包括：启动电路，正、负温度系数电流产生电路，反馈稳定及负温度系数电流导出电路，温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路。本发明在标准CMOS工艺下实现，结构简单，输入电压低，产生温度系数可调，即可为正、负或零温度系数的电流基准和电压(VREF)基准。

Description

一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路

技术领域

本发明属于电路技术领域，特别涉及一种输出可调的正、负或零温度系数电流、电压基准电路。

背景技术

电流基准和电压基准的功能分别是向电路中其他功能模块提供基准电流和基准电压的，对于振荡器、滤波器、数模转换和精确的时间延时模块都是非常重要的。对于不同功能的电路可能需要不同温度系数的电流或电压，在电路模拟调试过程中需要对温度系数进行调节。而且有些电路工作在较低的电源电压下，这样会降低功耗。另外，在一些特殊用途的集成电路产品中也需要节省芯片面积，节省空间或降低成本，这就需要电路结构不可以复杂，用很简单的结构实现同样的电流基准或电压基准功能。

普通的电流基准，采用经典的自偏置电路，只能产生PTAT电流，还要经过后续其他电路的处理才可以产生零温度系数电流；而目前比较常用的电压基准输出电压值基本恒定在1.25V左右，而且电路中有运算放大器来保证带隙电路两个输出端电压相等，也就要求运算放大器具有高增益、低失调特性，在低电压、低功耗下会使运算放大器设计难度加大，因此，就要求对电路结构进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术中的不足，提供一种产生可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路。该电路可以工作在1.5V左右较低的电源电压下，可以调节产生各种正、负或零温度系数的电流，获得所需的基准电压值。另外，电路结构非常简单，改进了一般的自偏置电路，整个电路只有11个MOS晶体管，两个二极管和四个电阻。

本发明采用如下技术方案：

一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路，包括：启动电路，正、负温度系数电流产生电路，反馈稳定及负温度系数电流导出电路，温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路；所述启动电路为正、负温度系数电流产生电路，温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路中的正温度系数电流输出部分提供启动偏置电压；所述正、负温度系数电流产生电路产生具有正、负温度系数的电流；所述反馈稳定及负温度系数电流导出电路稳定正、负温度系数电流产生电路中电流镜及电流沉的栅极偏置电压，参与合成负温度系数的电流；所述温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路输出两路电流，一路为正温度系数电流，另一路为负温度系数电流，将正、负温度系数电流通过电阻叠加，产生零温度系数或不同温度系数的电流基准或电压基准；启动电路的输出端接正、负温度系数电流产生电路的输入端；正、负温度系数电流产生电路的第一端输出连接反馈电路的输入，第二、三端输出接温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路；反馈稳定及负温度系数电流导出电路的输出又反馈回正、负温度系数电流产生电路；温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路输出正、负或零温度系数电流基准、电压基准。

本发明所述启动电路为：两个PMOS晶体管M1和M2构成电流镜，其源极与电源连接，其栅极与一个PMOS晶体管M3的漏极相连，还与一个电阻R1一端及M1漏极相连，电阻R1另一端接地VSS，晶体管M2漏极接所述正、负温度系数电流产生电路中NMOS晶体管M7、M8和M9的栅极，晶体管M3源极接电源，其栅极连接所述正、负温度系数电流产生电路PMOS晶体管M4、M5、M6的栅极以及所述电流、电压基准合成电路中PMOS晶体管M12的栅极。

所述正、负温度系数电流产生电路为：PMOS晶体管M4、M5和M6共栅极构成的电流镜，NMOS晶体管M7、M8和M9共栅极构成的电流沉和PMOS晶体管M10组成改进的自偏置结构，分为三路，第一路由晶体管M4、M7和二极管D1构成，晶体管M4源极接电源，晶体管M4栅、漏相连接到晶体管M7的漏极，晶体管M7源极接D1阳极，D1阴极接地VSS；第二路M5、M8、电阻R2和二极管D2构成，M5源极接电源，漏极连M8漏极还接到反馈及输出电路中M10、M11的栅极，M8源极接电阻R2一端，电阻R2另一端接二极管D2阳极，二极管D2阴极接地VSS，在电阻R2上产生正温度系数的电流；第三路由M6、M9和电阻R3构成，M6源极接电源，漏极接M9栅极和漏极，M9源极接电阻R3一端，还接到M10的漏极，电阻R3另一端连到地，电阻R3上产生负温度系数电流。

本发明所述反馈稳定及负温度系数电流导出电路为：由一个PMOS管M10构成，PMOS管M10源极接电源，其栅极接M5与M8漏极，PMOS管M10漏极接电阻R3一端与M9的源极

本发明所述温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路为：两个PMOS管M11和M12，PMOS管M11和M12的源极接电源；M11栅极接M10栅极，PMOS管M11镜像PMOS管M10合成负温度系数电流并从PMOS管M11漏极输出负温度系数电流，M12栅极接M5的栅极镜像电阻R2上产生的正温度系数电流，电阻R4一端连接M11和M12的漏极，电阻R4其另一端接地VSS。

本发明具有明显的优点，并且在很多方面优于目前常用的基准电流、电压源：

(1)电路结构非常简单，包含启动电路，正、负温度系数电流产生电路，反馈稳定及负温度系数电流导出电路，温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路。整个电路仅仅由11个MOS晶体管，两个二极管和四个电阻构成，大大减小了版图面积。

(2)改进了常用的产生与电源电压无关的基准电流的自偏置电路，改进之处为其反馈，巧妙地利用仅一个PMOS管实现两个功能：反馈稳定偏置电压及合成导出负温度系数电流。

(4)本发明中温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路可以令所产生的基准电流、电压的温度系数大小可调，任意调成正、负或零值，而且实现电路结构简单。

(5)电路可以工作在较低电压下，约为1.5V。因为电路中的反馈回路并没有采用高性能的运算放大器，而是采用如(1)所述仅仅一个PMOS晶体管来稳定偏置电压。

下面结合附图详细说明本发明的具体实施，对本发明技术方案进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的电路原理图。

附图标记说明：

1—启动电路； 2—正、负温度系数电流 3—反馈稳定电路及负温

产生电路；度系数电流导出电路；

4—温度系数可调的电

流、电压基准合成电路。

具体实施方式

输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路，如图1电路结构图所示，分为启动电路1，正、负温度系数电流产生电路2，反馈稳定及负温度系数电流导出电路3，温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路4共4个部分。4部分电路的直流电输入端分别连接直流电源VCC。启动电路的输出端接正、负温度系数电流产生电路的输入端；正、负温度系数电流产生电路的第一端输出连接反馈电路的输入，第二、三端输出接温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路；反馈电路的输出又反馈回正、负温度系数电流产生电路；温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路输出正、负或零温度系数(PTAT，Proportional to Absolute Temperature、CTAT，Complementary to Absolute Temperature、ZTC，Zero-Temperature-Coefficient)电流基准、电压基准(VREF)。

其中，如图2所示，所述的启动电路1的结构是：两个PMOS晶体管M1和M2构成电流镜，其源极与电源连接，其栅极与一个PMOS晶体管M3的漏极相连，还与一个电阻R1一端及M1漏极相连，R1另一端接地VSS。M2漏极接权利要求1所述正、负温度系数电流产生电路中M7、M8、M9的栅极。M3源极接电源，栅极连接正、负温度系数电流产生电路、电压基准合成电路中电流镜的栅极即M4、M5、M6、M12的栅极。

所述的正、负温度系数电流产生电路2结构是：PMOS晶体管M4、M5、M6共栅极构成的电流镜，NMOS晶体管M7、M8、M9共栅极构成的电流沉和PMOS晶体管M10组成改进的自偏置结构，分为三路，第一路由M4、M7、二极管D1构成，M4源极接电源，栅、漏相连接到M7的漏极，M7源极接D1阳极，D1阴极接地VSS；第二路M5、M8、电阻R2、二极管D2构成，M5源极接电源，漏极连M8漏极还接到反馈及输出电路中M10、M11的栅极，M8源极接R2一端，R2另一端接D2阳极，D2阴极接地VSS，在R2上产生正温度系数的电流；第三路由M6、M9、电阻R3构成，M6源极接电源，漏极接M9栅极和漏极，M9源极接R3一端，还接到M10的漏极，R3另一端连到地，R3上产生负温度系数电流。

所述的反馈稳定及负温度系数电流导出电路3的结构是：由一个PMOS管M10构成，M10源极接电源，栅极接M5与M8漏极，漏极接R3一端与M9的源极。

所述的温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路4的结构是：两个PMOS管M11和M12，其源极接电源，M11栅极接M10栅极，镜像M10合成的负温度系数电流并从M11漏极输出负温度系数电流，M12栅极接M5的栅极镜像R2上产生的正温度系数电流。电阻R4一端连接M11和M12的漏端，一端接地VSS。

本电路的工作原理：接通电源电压VCC后，启动电路中M3开始时是截止的，二极管接法的M1导通，产生一路电流流过M1和R1，M1将电流镜像到M2，令M2漏极产生电压，因为M2漏极连接M7、M8、M9电流沉的栅极输入端，可以为其提供偏置电压，可以使改进的自偏置电路摆脱“简并”偏置点。当后续电路开始工作后，M3导通使M1栅极电位抬高，M1截止，启动电路关断，对后续电路不产生影响。改进的自偏置电路中，M4、M5、M6的宽长比相同，M7、M8、M9的宽长比相同，所以M7、M8源极电位相同，因此可以得到R2上的电压为二极管D1和D2导通电压之差，该电压差为正温度系数，因此R2上产生正温度系数电流。R3上电压为D1的导通电压，该电压为负温度系数，所以R3上产生负温度系数电流。为了稳定M7、M8、M9漏极电压相等引入M10，稳定过程：当M8漏极电压上升，则M10栅极电位升高，流过M10的电流减小，M9源端电压下降，而M9为二极管接法，所以其栅极电位也下降，从而M5漏极电位下降，起到稳定作用。同时M10还有合成负温度系数电流的作用，因为流过R3的电流为流过M10、M6电流之和，而R3上电流为负温度系数，M6上为正温度系数，所以M10上为负温度系数。M11和M10共栅极，镜像了M1的电流，从而输出负温度系数的电流；M12和M5共栅极，镜像了M5的电流从而输出正温度系数的电流。调节M12和M11的宽长比，就可以获得不同温度系数的基准电流，该基准电流流过R4就可以获得不同温度系数的基准电压，包括零温度系数基准电压，当然R4也可以串联电阻分压网络以便同时获得不同的基准电压值。

图1给出了结构框图。下面叙述该电路的工作原理。

一般，二极管的DC特性由下式给出：

I_{D} = I_{S} e^{V_{d} / V_{T}} - - - (1)

I_D是二极管电流；I_S是反相饱和电流，与二极管的面积有关；V_d是二极管上的电压；V_T是热电压，具有正温度系数。若已知二极管的电流I_D，则可以推导出二极管两端的电压V_d：

V_{d} = V_{T} \ln \frac{I_{D}}{I_{S}} - - - (2)

图2所示结构的改进的与电源电压无关的自偏置电流产生电路。M7、M8、M9的宽长比相同，所以M7、M8源极电位相同，因此D1两端的电压必须等于D2和电阻R2两端的电压之和，因此：

V_D1＝I_D2R+V_D2 (3)

R2上的电流为：

I_{R 2} = \frac{Δ V_{D 1,2}}{R_{2}} = V_{T} \ln (\frac{I_{D 1} / I_{S 1}}{I_{D 2} / I_{S 2}}) - - - (4)

其中，流过D1和D2的电流相等，即I_D1＝I_D2，设D2的发射极面积是D1的K倍，K大于1。(4)化简为：

I_{R 2} = \frac{V_{T} \ln K}{R_{2}} - - - (5)

可见I_R2具有正温度系数。

R3上的电压等于D1的电压，具有负温度系数。因此R3上的电流为负温度系数电流：

I_{R 3} = \frac{V_{D 1}}{R_{3}} = I_{S 1} e^{V_{D 1} / V_{T}} - - - (6)

M4、M5、M6、M10宽长比相同，M12宽长比是其N₁倍，M11宽长比是其N₂倍。根据电流镜像关系有：

I_M12＝N₁I_M6＝N₁I_M5＝N₁I_R2 (7)

I_M11＝N₂I_M10＝N₂(I_R3-I_M6)＝N₂(I_R3-I_R2) (8)

M6和M10电流之和等于R3上的电流，而M6上电流为正温度系数，所以流过M10的电流必为负温度系数。M11镜像M10的电流输出负温度系数的电流I_M11，M12镜像M6的电流得到正温度系数的电流I_M12，两个电流通过在电阻R4上叠加可以得到不同温度系数的电流、电压基准。R4上的电流为：

I_{R 4} = I_{M 11} + I_{M 12} = (N_{1} - N_{2}) I_{R 2} + N_{2} I_{R 3} = (N_{1} - N_{2}) \frac{V_{T} \ln K}{R_{2}} + N_{2} I_{S 1} e^{V_{D 1} / V_{T}} - - - (9)

R4还可以串联电阻分压网络，同时输出不同的电压值。

关于工作电压，由于电路结构简单，从改进的自偏置电路看，要保证MOS管和二极管导通正常工作，可以估计出所需工作电压可以为1.5V左右。

Claims

1.一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路，其特征在于，包括：启动电路，正、负温度系数电流产生电路，反馈稳定及负温度系数电流导出电路，温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路；所述启动电路为正、负温度系数电流产生电路，温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路中的正温度系数电流输出部分提供启动偏置电压；所述正、负温度系数电流产生电路产生具有正、负温度系数的电流；所述反馈稳定及负温度系数电流导出电路稳定正、负温度系数电流产生电路中电流镜及电流沉的栅极偏置电压，参与合成负温度系数的电流；所述温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路输出两路电流，一路为正温度系数电流，另一路为负温度系数电流，将正、负温度系数电流通过电阻叠加，产生零温度系数或不同温度系数的电流基准或电压基准；所述启动电路的输出端接正、负温度系数电流产生电路的输入端；正、负温度系数电流产生电路的第一输出端连接反馈稳定及负温度系数电流导出电路的输入，其第二、三输出端接温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路；反馈稳定及负温度系数电流导出电路的输出又反馈回正、负温度系数电流产生电路；温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路输出正、负或零温度系数电流基准、电压基准。

2.根据权利要求1所述的一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路，其特征是所述启动电路为：两个PMOS晶体管M1和M2构成电流镜，其源极与电源连接，其栅极与一个PMOS晶体管M3的漏极相连，还与一个电阻R1一端及PMOS晶体管M1漏极相连，电阻R1另一端接地VSS，PMOS晶体管M2漏极接所述正、负温度系数电流产生电路中NMOS晶体管M7、M8和M9的栅极，PMOS晶体管M3源极接电源，其栅极连接所述正、负温度系数电流产生电路PMOS晶体管M4、M5、M6的栅极以及所述电流、电压基准合成电路中PMOS晶体管M12的栅极。

3.根据权利要求1所述的一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路，其特征是，所述正、负温度系数电流产生电路为：PMOS晶体管M4、M5和M6共栅极构成的电流镜，NMOS晶体管M7、M8和M9共栅极构成的电流沉和PMOS晶体管M10组成改进的自偏置结构，分为三路，第一路由晶体管M4、M7和二极管D1构成，晶体管M4源极接电源，晶体管M4栅、漏相连接到晶体管M7的漏极，晶体管M7源极接二极管D1阳极，二极管D1阴极接地VSS；第二路PMOS晶体管M5、NMOS晶体管M8、电阻R2和二极管D2构成，PMOS晶体管M5源极接电源，漏极连NMOS晶体管M8漏极还接到反馈及输出电路中PMOS晶体管M10、M11的栅极，M8源极接电阻R2一端，电阻R2另一端接二极管D2阳极，二极管D2阴极接地VSS，在电阻R2上产生正温度系数的电流；第三路由PMOS晶体管M6、NMOS晶体管M9和电阻R3构成，PMOS晶体管M6源极接电源，漏极接NMOS晶体管M9栅极和漏极，NMOS晶体管M9源极接电阻R3一端，还接到PMOS晶体管M10的漏极，电阻R3另一端连到地，电阻R3上产生负温度系数电流。

4.根据权利要求1所述的一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路，其特征是，所述反馈稳定及负温度系数电流导出电路为：由一个PMOS管M10构成，PMOS管M10源极接电源，其栅极接PMOS管M5与NMOS晶体管M8漏极，PMOS管M10漏极接电阻R3一端与NMOS晶体管M9的源极。

5.根据权利要求1所述的一种输出可调正、负或零温度系数电流、电压基准的电路，其特征是，所述温度系数可调的电流基准、电压基准合成电路为：两个PMOS管M11和M12，PMOS管M11和M12的源极接电源；PMOS管M11栅极接PMOS管M10栅极，PMOS管M11镜像PMOS管M10合成负温度系数电流并从PMOS管M11漏极输出负温度系数电流，PMOS管M12栅极接M5的栅极镜像电阻R2上产生的正温度系数电流，电阻R4一端连接PMOS管M11和M12的漏极，电阻R4其另一端接地VSS。