CN102520757A - 一种灌电流和拉电流产生电路 - Google Patents

Abstract

一种灌电流和拉电流产生电路，包括电压-电流转换电路，将基准电压Vref转换成电流I1，产生第一偏置电压Vb1；稳定偏置电流产生电路，用来获得高稳定性的偏置电流，产生第二偏置电压Vb2；拉电流输出电路，利用PMOS管电流镜的原理产生PMOS拉电流的输出支路；灌电流输出电路，利用NMOS管电流镜的原理产生NMOS灌电流的输出支路。本发明直接采用系统中存在的基准电压Vref，利用Vref的高精度和低温漂的特点，获得同样高精度和低温漂的偏置电流，解决了一些电路设计中对偏置电流精度和温度系数高要求的问题。

Description

一种灌电流和拉电流产生电路

技术领域    

    本发明涉及偏置电流源，尤其是一种灌电流和拉电流产生电路，它是一种温度系数较低的偏置电流源，工作时，可以获得较小温度系数的输出电流值。

背景技术

    在各类集成电路片上系统中，例如电源管理芯片、数模/模数转换器等，偏置电流源为系统的各个模拟模块提供适当的偏置，成为系统不可缺少的一部分。基于片上应用的需求，基准电流源应该不随温度、电压和各种工艺参数的变化而变化。由于目前大规模电路一般都采用CMOS 工艺，为了实现系统集成, 基于CMOS 工艺的电流源成为整个电路的一个核心模块。现有的偏置电路大都采用自偏置电路结构，如图1所示，图1（a）是一个基准电压源电路，从基准电压源中自偏置部分直接获取输出偏置电流（M6支路），这种方法比较简单易行，但是精度不高，同时由于M6拷贝M5支路的电流，很显然具有正温度系数，输出偏置电流会随着应用环境的温度不同而发生变化；图1（b）是一种自偏置电路，这种偏置电路可以提供相对稳定的电流，不过由于CMOS器件的阈值电压和迁移率以及电阻存在一定的温度系数，因此偏置电流也存在一定的温度系数。对于一些对电流精度和温度特性要求很高的电路中，传统的偏置电路不能满足要求。

发明内容

本发明提供了一种灌电流和拉电流产生电路，其目的在于设计一种对电源电压变化和温度变化的敏感程度都很小的高稳定性偏置电路。本发明利用电路中已有的基准电压Vref的高稳定性低温漂的特性，获得高稳定性低温漂的偏置电流。

本发明的目的是这样实现的：一种灌电流和拉电流产生电路，其特征是，包括：

电压-电流转换电路，将基准电压Vref转换成电流I1，产生第一偏置电压Vb1；

    稳定偏置电流产生电路，用来获得高稳定性的偏置电流，产生第二偏置电压Vb2；

拉电流输出电路，利用PMOS管电流镜的原理产生PMOS拉电流的输出支路；

灌电流输出电路，利用NMOS管电流镜的原理产生NMOS灌电流的输出支路；

    电压-电流转换电路包括1个PMOS管M1、1个NMOS管M2和1个电容C1；电容C1连接在输入基准电压Vref和公共地之间，NMOS管M2的栅极连接基准电压Vref，源极连接公共地，NMOS管M2的漏极与PMOS管M1的漏极、栅极共同连接第一偏置电压Vb1，PMOS管M1的源极连接供电电源Vdd；

稳定偏置电流产生电路包括3个PMOS管M3、 M5、 M6、2个NMOS管M4、M7和2个电阻R1、 R2，电阻R1和R2分别具有相反的温度系数；PMOS管M3、M5和M6的源极共同接供电电源Vdd，PMOS管M3的栅极连接电压-电流转换电路中的第一偏置电压Vb1， PMOS管M3和NMOS管M4的漏极共同连接NMOS管M7的栅极，PMOS管M4和NMOS管M7的源极接公共地，NMOS管M4的栅极与PMOS管M5的漏极共同连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端与电阻R2串联后接公共地， PMOS管M5栅极和M6的栅极、漏极共同连接第二偏置电压Vb2并与NMOS管M7的漏极相连；

拉电流输出电路包括n个PMOS管P1-P_n，n是正整数， PMOS管P1-P_n的源极共同连接供电电源Vdd， PMOS管P1-P_n的栅极共同连接稳定偏置电流产生电路中的第二偏置电压Vb2， PMOS管P1-P_n的漏极信号分别为Vp（1）~Vp（n），PMOS管P1-P_n的漏极均作为输出端，分别提供拉电流Ip（1）~Ip（n）；

灌电流输出电路包括1个PMOS管M8、1个NMOS管M9、m个NMOS管N1~Nm，m是正整数，PMOS管M8的源极连接Vdd，PMOS管M8的栅极连接稳定偏置电流产生电路中的第二偏置电压Vb2，PMOS管M8的漏极与NMOS管M9的漏极相连， NMOS管M9的源极与NMOS管N1~Nm的源极均接公共地，NMOS管M9和NMOS管N1~ Nm的栅极共同连接NMOS管M9的漏极，NMOS管N1~Nm的漏极信号分别为Vn（1）~Vn（m），NMOS管N1~ Nm的漏极均作为输出端，分别提供灌电流In（1）~In（m）。

本发明的优点及显着效果：

 (1)本发明电路直接采用系统中存在的基准电压Vref，利用Vref的高精度和低温漂的特点，获得同样高精度和低温漂的偏置电流，解决了一些电路设计中对偏置电流精度和温度系数高要求的问题。

(2)本发明电路可以同时输出n路拉电流（n为正整数，应用在规模较大的整体电路中，有多少条支路需要电流，这里的n就可以取多少）和m路灌电流（m为正整数，应用在规模较大的整体电路中，有多少条支路需要电流，这里的m就可以取多少），满足各种系统对偏置电流的需要，m与n可以相等也可以不相等。

(3)本发明电路具有结构简单、功耗低、所需供电源较低的特点。

附图说明

图1是现有技术电路；

图2是本发明电路的结构框图；

图3是本发明电路的具体电路图。

具体实施方式

参看图2，3，本发明包括电压-电流转换电路1，它包括PMOS管M1、NMOS管M2和电容C1，电容C1接在输入基准电压Vref和公共地之间，NMOS管M2的栅极接基准电压Vref，源极接公共地，漏极与PMOS管M1的漏极、栅极共同接于第一偏置电压Vb1，PMOS管M1的源极接供电电源Vdd。

稳定偏置电流产生电路2包括PMOS管M3、M5和M6、NMOS管M4、 M7和电阻R1、 R2，PMOS管M3、M5和M6的源极共同接供电电源Vdd，PMOS管M3的栅极接电压-电流转换电路1中的第一偏置电压Vb1， PMOS管M3和NMOS管M4的漏极共同接于NMOS管M7的栅极，PMOS管M4和NMOS管M7的源极接公共地，NMOS管M4的栅极与PMOS管M5的漏极共同接于电阻R1的一端，R1的另一端与电阻R2串联后接公共地， PMOS管M5栅极和M6的栅极、漏极共同接于第二偏置电压Vb2并与NMOS管M7的漏极相连，电阻R1和R2分别具有相反的温度系数。

拉电流输出电路3包括n个（n是正整数）PMOS管P1-P_n，这n个PMOS管的源极共同接于供电电源Vdd，栅极共同连接于稳定偏置电流产生电路2中的第二偏置电压Vb2，这n个PMOS管的漏极信号分别为：Vp（1）~Vp（n），每个PMOS管的漏极作为输出端，提供拉电流Ip（1）~Ip（n）；

灌电流输出电路4由PMOS管M8、NMOS管M9及m个（m是正整数）NMOS管N1~Nm，PMOS管M8的源极接Vdd，栅极接于稳定偏置电流产生电路2中的第二偏置电压Vb2，漏极与NMOS管M9的漏极相连，m个NMOS管的源极接公共地，NMOS管M9和N1~Nm的栅极共同连接于M9的漏极，NMOS管N1~Nm的漏极信号分别为：Vn（1）~Vn（m），每个NMOS管的漏极作为输出端，提供灌电流In（1）~In（m）。

本发明电路的工作原理：利用输入基准电压Vref的高稳定性低温漂的特点，产生同样稳定的NMOS管M4栅电压Vg4，R1和R2分别采用相反温度系数的电阻（R1设计为正温度系数电阻，则R2设计成负温度系数电阻；相反，R1负温度系数，则R2正温度系数），通过电阻R1和R2的温度补偿，获得低温漂的稳定电流I3，通过PMOS管P1~Pn，拷贝稳定偏置电流产生电路2中的稳定电流，获得高稳定性和低温漂的拉电流Ip（1）~Ip（n）；再通过灌电流和拉电流的转换，形成高稳定性和低温漂的灌电流In（1）~In（m）。这些输出拉电流和灌电流可以提供给电路系统中所需要的其他支路。Vref是输入基准电压，具有随电源电压变化波动小、低温漂的特点，根据MOS管电流方程，可以获得：

                 （1）

M3拷贝M1的电流，于是：

                            （2）

对于M4，可以得到，栅电压为：

                         （3）

将式（1）和（2）带入（3），可以得到：

    （4）

其中

是NMOS管迁移率，C_ox是单位氧化层电容，V_tn是NMOS管的阈值电压， k₁~k₄分别是M1~M4管的宽长比。

在电路设计时，取，则由式（4）可得：

                

                           （5）

由此可见，NMOS管M4的栅电压Vg4具有与输入基准电压Vref同样的特性，具有随电源电压变化波动小、低温漂的特点。

                     

                          （6）

在设计中，取R1和R2为相反温度系数的电阻，假设R1采用的电阻方块阻值为r1，温度系数为Kr1，R1采用的方块数为m1；R2采用的电阻方块阻值为r2，温度系数为Kr2，R2采用的方块数为m2，参考温度为T₀，绝对温度为T，则：

                    （7）

                    （8）

       （9）

将(9)式两端对温度T求偏导，可以得到：

                （10）

令，可以获得相应的设计参数。即：    （11）

所以：          

                                          （12）

由式（12）可见，在确定所采用的两种电阻温度系数的前提下，可以很容易获得两种电阻的方块数比例，从而给定一个总电阻值，很容易设计出R1和R2的具体电阻值。   

根据式（6）可知，Vref是个稳定的值，受电源电压波动的影响较小，温度系数小，总电阻R1+R2，经过参数设计，同样可以获得较低的温度系数，因此电流I3受电源电压影响较小，温度系数很小。

  拉电流输出电路3利用电流镜的原理，拷贝稳定的偏置电流，从而获得输出拉电流Ip（1）~Ip（n），根据宽长比的设计，获得所需要的电流值。同样，灌电流输出电路4将拉电流通过电路转换成灌电流输出，可以获得输出灌电流In（1）~In（m），根据宽长比的设计，获得所需要的电流值。这些输出电流都具有受电源电压影响小、温度系数小的特点，无论系统中需要拉电流还是灌电流，本发明电路都可以为其提供所需要的稳定的电流。

本发明电路的工作过程：当接通供电电源Vdd后，基准电压Vref通过工作在饱和区的M2管将电压转换成电流I1，M1和M3构成了电流镜结构，通过器件参数的合理设置，NMOS管M4的栅电压Vg4与基准电压Vref相等，具有高稳定性低温漂的特点，稳定的电压Vg4通过电阻R1和R2转换成稳定的电流I3，灌电流输出电路3中的n个PMOS管通过与稳定的偏置电流产生电路2中的PMOS管M6构成电流镜形式，可以输出n个稳定的电流输出Ip（1）~Ip（n），拉电流输出电路4则通过把PMOS管的拉电流转换成NMOS管的灌电流，再通过电流镜形成m个稳定的电流输出In（1）~In（m），这些稳定输出的灌电流和拉电流可以提供给所需要的电路支路。

Claims (1)

1.一种灌电流和拉电流产生电路，其特征是，包括：

电压-电流转换电路，将基准电压Vref转换成电流I1，产生第一偏置电压Vb1；

    稳定偏置电流产生电路，用来获得高稳定性的偏置电流，产生第二偏置电压Vb2；

拉电流输出电路，利用PMOS管电流镜的原理产生PMOS拉电流的输出支路；

灌电流输出电路，利用NMOS管电流镜的原理产生NMOS灌电流的输出支路；

    电压-电流转换电路包括PMOS管M1、NMOS管M2和电容C1；电容C1连接在输入基准电压Vref和公共地之间，NMOS管M2的栅极连接基准电压Vref，源极连接公共地，NMOS管M2的漏极与PMOS管M1的漏极、栅极共同连接第一偏置电压Vb1，PMOS管M1的源极连接供电电源Vdd；

稳定偏置电流产生电路包括PMOS管M3、 M5、 M6、NMOS管M4、M7和电阻R1、 R2，电阻R1和R2分别具有相反的温度系数；PMOS管M3、M5和M6的源极共同接供电电源Vdd，PMOS管M3的栅极连接电压-电流转换电路中的第一偏置电压Vb1， PMOS管M3和NMOS管M4的漏极共同连接NMOS管M7的栅极，PMOS管M4和NMOS管M7的源极接公共地，NMOS管M4的栅极与PMOS管M5的漏极共同连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端与电阻R2串联后接公共地， PMOS管M5栅极和M6的栅极、漏极共同连接第二偏置电压Vb2并与NMOS管M7的漏极相连；

拉电流输出电路包括n个PMOS管P1-P_n，n是正整数，PMOS管P1-P_n的源极共同连接供电电源Vdd， PMOS管P1-P_n的栅极共同连接稳定偏置电流产生电路中的第二偏置电压Vb2， PMOS管P1-P_n的漏极分别输出拉电流；

灌电流输出电路包括PMOS管M8、NMOS管M9、m个NMOS管N1~Nm，m是正整数，PMOS管M8的源极连接Vdd，PMOS管M8的栅极连接稳定偏置电流产生电路中的第二偏置电压Vb2，PMOS管M8的漏极与NMOS管M9的漏极相连， NMOS管M9的源极与NMOS管N1~Nm的源极均接公共地，NMOS管M9和NMOS管N1~ Nm的栅极共同连接NMOS管M9的漏极，NMOS管N1~Nm的漏极分别输出灌电流。

Images