專利名稱：一種輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電路技術領域，特別涉及一種輸出可調的正、負或零溫度系數電流、電壓基準電路。

背景技術：
電流基準和電壓基準的功能分別是向電路中其他功能模塊提供基準電流和基準電壓的，對于振蕩器、濾波器、數模轉換和精確的時間延時模塊都是非常重要的。對于不同功能的電路可能需要不同溫度系數的電流或電壓，在電路模擬調試過程中需要對溫度系數進行調節(jié)。而且有些電路工作在較低的電源電壓下，這樣會降低功耗。另外，在一些特殊用途的集成電路產品中也需要節(jié)省芯片面積，節(jié)省空間或降低成本，這就需要電路結構不可以復雜，用很簡單的結構實現同樣的電流基準或電壓基準功能。
普通的電流基準，采用經典的自偏置電路，只能產生PTAT電流，還要經過后續(xù)其他電路的處理才可以產生零溫度系數電流；而目前比較常用的電壓基準輸出電壓值基本恒定在1.25V左右，而且電路中有運算放大器來保證帶隙電路兩個輸出端電壓相等，也就要求運算放大器具有高增益、低失調特性，在低電壓、低功耗下會使運算放大器設計難度加大，因此，就要求對電路結構進行改進。


發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對現有技術中的不足，提供一種產生可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路。該電路可以工作在1.5V左右較低的電源電壓下，可以調節(jié)產生各種正、負或零溫度系數的電流，獲得所需的基準電壓值。另外，電路結構非常簡單，改進了一般的自偏置電路，整個電路只有11個MOS晶體管，兩個二極管和四個電阻。
本發(fā)明采用如下技術方案 一種輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路，包括啟動電路，正、負溫度系數電流產生電路，反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路，溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路；所述啟動電路為正、負溫度系數電流產生電路，溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路中的正溫度系數電流輸出部分提供啟動偏置電壓；所述正、負溫度系數電流產生電路產生具有正、負溫度系數的電流；所述反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路穩(wěn)定正、負溫度系數電流產生電路中電流鏡及電流沉的柵極偏置電壓，參與合成負溫度系數的電流；所述溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路輸出兩路電流，一路為正溫度系數電流，另一路為負溫度系數電流，將正、負溫度系數電流通過電阻疊加，產生零溫度系數或不同溫度系數的電流基準或電壓基準；啟動電路的輸出端接正、負溫度系數電流產生電路的輸入端；正、負溫度系數電流產生電路的第一端輸出連接反饋電路的輸入，第二、三端輸出接溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路；反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路的輸出又反饋回正、負溫度系數電流產生電路；溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路輸出正、負或零溫度系數電流基準、電壓基準。
本發(fā)明所述啟動電路為兩個PMOS晶體管M1和M2構成電流鏡，其源極與電源連接，其柵極與一個PMOS晶體管M3的漏極相連，還與一個電阻R1一端及M1漏極相連，電阻R1另一端接地VSS，晶體管M2漏極接所述正、負溫度系數電流產生電路中NMOS晶體管M7、M8和M9的柵極，晶體管M3源極接電源，其柵極連接所述正、負溫度系數電流產生電路PMOS晶體管M4、M5、M6的柵極以及所述電流、電壓基準合成電路中PMOS晶體管M12的柵極。
所述正、負溫度系數電流產生電路為PMOS晶體管M4、M5和M6共柵極構成的電流鏡，NMOS晶體管M7、M8和M9共柵極構成的電流沉和PMOS晶體管M10組成改進的自偏置結構，分為三路，第一路由晶體管M4、M7和二極管D1構成，晶體管M4源極接電源，晶體管M4柵、漏相連接到晶體管M7的漏極，晶體管M7源極接D1陽極，D1陰極接地VSS；第二路M5、M8、電阻R2和二極管D2構成，M5源極接電源，漏極連M8漏極還接到反饋及輸出電路中M10、M11的柵極，M8源極接電阻R2一端，電阻R2另一端接二極管D2陽極，二極管D2陰極接地VSS，在電阻R2上產生正溫度系數的電流；第三路由M6、M9和電阻R3構成，M6源極接電源，漏極接M9柵極和漏極，M9源極接電阻R3一端，還接到M10的漏極，電阻R3另一端連到地，電阻R3上產生負溫度系數電流。
本發(fā)明所述反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路為由一個PMOS管M10構成，PMOS管M10源極接電源，其柵極接M5與M8漏極，PMOS管M10漏極接電阻R3一端與M9的源極 本發(fā)明所述溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路為兩個PMOS管M11和M12，PMOS管M11和M12的源極接電源；M11柵極接M10柵極，PMOS管M11鏡像PMOS管M10合成負溫度系數電流并從PMOS管M11漏極輸出負溫度系數電流，M12柵極接M5的柵極鏡像電阻R2上產生的正溫度系數電流，電阻R4一端連接M11和M12的漏極，電阻R4其另一端接地VSS。
本發(fā)明具有明顯的優(yōu)點，并且在很多方面優(yōu)于目前常用的基準電流、電壓源 (1)電路結構非常簡單，包含啟動電路，正、負溫度系數電流產生電路，反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路，溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路。整個電路僅僅由11個MOS晶體管，兩個二極管和四個電阻構成，大大減小了版圖面積。
(2)改進了常用的產生與電源電壓無關的基準電流的自偏置電路，改進之處為其反饋，巧妙地利用僅一個PMOS管實現兩個功能反饋穩(wěn)定偏置電壓及合成導出負溫度系數電流。
(4)本發(fā)明中溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路可以令所產生的基準電流、電壓的溫度系數大小可調，任意調成正、負或零值，而且實現電路結構簡單。
(5)電路可以工作在較低電壓下，約為1.5V。因為電路中的反饋回路并沒有采用高性能的運算放大器，而是采用如(1)所述僅僅一個PMOS晶體管來穩(wěn)定偏置電壓。
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的具體實施，對本發(fā)明技術方案進一步描述。



圖1為本發(fā)明的結構框圖。
圖2為本發(fā)明的電路原理圖。
附圖標記說明 1—啟動電路；2—正、負溫度系數電流3—反饋穩(wěn)定電路及負溫產生電路； 度系數電流導出電路； 4—溫度系數可調的電 流、電壓基準合成電路。

具體實施例方式 輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路，如圖1電路結構圖所示，分為啟動電路1，正、負溫度系數電流產生電路2，反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路3，溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路4共4個部分。4部分電路的直流電輸入端分別連接直流電源VCC。啟動電路的輸出端接正、負溫度系數電流產生電路的輸入端；正、負溫度系數電流產生電路的第一端輸出連接反饋電路的輸入，第二、三端輸出接溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路；反饋電路的輸出又反饋回正、負溫度系數電流產生電路；溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路輸出正、負或零溫度系數(PTAT，Proportional to Absolute Temperature、CTAT，Complementary to Absolute Temperature、ZTC，Zero-Temperature-Coefficient)電流基準、電壓基準(VREF)。
其中，如圖2所示，所述的啟動電路1的結構是兩個PMOS晶體管M1和M2構成電流鏡，其源極與電源連接，其柵極與一個PMOS晶體管M3的漏極相連，還與一個電阻R1一端及M1漏極相連，R1另一端接地VSS。M2漏極接權利要求1所述正、負溫度系數電流產生電路中M7、M8、M9的柵極。M3源極接電源，柵極連接正、負溫度系數電流產生電路、電壓基準合成電路中電流鏡的柵極即M4、M5、M6、M12的柵極。
所述的正、負溫度系數電流產生電路2結構是PMOS晶體管M4、M5、M6共柵極構成的電流鏡，NMOS晶體管M7、M8、M9共柵極構成的電流沉和PMOS晶體管M10組成改進的自偏置結構，分為三路，第一路由M4、M7、二極管D1構成，M4源極接電源，柵、漏相連接到M7的漏極，M7源極接D1陽極，D1陰極接地VSS；第二路M5、M8、電阻R2、二極管D2構成，M5源極接電源，漏極連M8漏極還接到反饋及輸出電路中M10、M11的柵極，M8源極接R2一端，R2另一端接D2陽極，D2陰極接地VSS，在R2上產生正溫度系數的電流；第三路由M6、M9、電阻R3構成，M6源極接電源，漏極接M9柵極和漏極，M9源極接R3一端，還接到M10的漏極，R3另一端連到地，R3上產生負溫度系數電流。
所述的反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路3的結構是由一個PMOS管M10構成，M10源極接電源，柵極接M5與M8漏極，漏極接R3一端與M9的源極。
所述的溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路4的結構是兩個PMOS管M11和M12，其源極接電源，M11柵極接M10柵極，鏡像M10合成的負溫度系數電流并從M11漏極輸出負溫度系數電流，M12柵極接M5的柵極鏡像R2上產生的正溫度系數電流。電阻R4一端連接M11和M12的漏端，一端接地VSS。
本電路的工作原理接通電源電壓VCC后，啟動電路中M3開始時是截止的，二極管接法的M1導通，產生一路電流流過M1和R1，M1將電流鏡像到M2，令M2漏極產生電壓，因為M2漏極連接M7、M8、M9電流沉的柵極輸入端，可以為其提供偏置電壓，可以使改進的自偏置電路擺脫“簡并”偏置點。當后續(xù)電路開始工作后，M3導通使M1柵極電位抬高，M1截止，啟動電路關斷，對后續(xù)電路不產生影響。改進的自偏置電路中，M4、M5、M6的寬長比相同，M7、M8、M9的寬長比相同，所以M7、M8源極電位相同，因此可以得到R2上的電壓為二極管D1和D2導通電壓之差，該電壓差為正溫度系數，因此R2上產生正溫度系數電流。R3上電壓為D1的導通電壓，該電壓為負溫度系數，所以R3上產生負溫度系數電流。為了穩(wěn)定M7、M8、M9漏極電壓相等引入M10，穩(wěn)定過程當M8漏極電壓上升，則M10柵極電位升高，流過M10的電流減小，M9源端電壓下降，而M9為二極管接法，所以其柵極電位也下降，從而M5漏極電位下降，起到穩(wěn)定作用。同時M10還有合成負溫度系數電流的作用，因為流過R3的電流為流過M10、M6電流之和，而R3上電流為負溫度系數，M6上為正溫度系數，所以M10上為負溫度系數。M11和M10共柵極，鏡像了M1的電流，從而輸出負溫度系數的電流；M12和M5共柵極，鏡像了M5的電流從而輸出正溫度系數的電流。調節(jié)M12和M11的寬長比，就可以獲得不同溫度系數的基準電流，該基準電流流過R4就可以獲得不同溫度系數的基準電壓，包括零溫度系數基準電壓，當然R4也可以串聯電阻分壓網絡以便同時獲得不同的基準電壓值。
圖1給出了結構框圖。下面敘述該電路的工作原理。
一般，二極管的DC特性由下式給出 ID是二極管電流；IS是反相飽和電流，與二極管的面積有關；Vd是二極管上的電壓；VT是熱電壓，具有正溫度系數。若已知二極管的電流ID，則可以推導出二極管兩端的電壓Vd 圖2所示結構的改進的與電源電壓無關的自偏置電流產生電路。M7、M8、M9的寬長比相同，所以M7、M8源極電位相同，因此D1兩端的電壓必須等于D2和電阻R2兩端的電壓之和，因此 VD1＝ID2R+VD2(3) R2上的電流為 其中，流過D1和D2的電流相等，即ID1＝ID2，設D2的發(fā)射極面積是D1的K倍，K大于1。(4)化簡為 可見IR2具有正溫度系數。
R3上的電壓等于D1的電壓，具有負溫度系數。因此R3上的電流為負溫度系數電流 M4、M5、M6、M10寬長比相同，M12寬長比是其N1倍，M11寬長比是其N2倍。根據電流鏡像關系有 IM12＝N1IM6＝N1IM5＝N1IR2 (7) IM11＝N2IM10＝N2(IR3-IM6)＝N2(IR3-IR2)(8) M6和M10電流之和等于R3上的電流，而M6上電流為正溫度系數，所以流過M10的電流必為負溫度系數。M11鏡像M10的電流輸出負溫度系數的電流IM11，M12鏡像M6的電流得到正溫度系數的電流IM12，兩個電流通過在電阻R4上疊加可以得到不同溫度系數的電流、電壓基準。R4上的電流為 R4還可以串聯電阻分壓網絡，同時輸出不同的電壓值。
關于工作電壓，由于電路結構簡單，從改進的自偏置電路看，要保證MOS管和二極管導通正常工作，可以估計出所需工作電壓可以為1.5V左右。
權利要求
1.一種輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路，其特征在于，包括啟動電路，正、負溫度系數電流產生電路，反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路，溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路；所述啟動電路為正、負溫度系數電流產生電路，溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路中的正溫度系數電流輸出部分提供啟動偏置電壓；所述正、負溫度系數電流產生電路產生具有正、負溫度系數的電流；所述反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路穩(wěn)定正、負溫度系數電流產生電路中電流鏡及電流沉的柵極偏置電壓，參與合成負溫度系數的電流；所述溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路輸出兩路電流，一路為正溫度系數電流，另一路為負溫度系數電流，將正、負溫度系數電流通過電阻疊加，產生零溫度系數或不同溫度系數的電流基準或電壓基準；所述啟動電路的輸出端接正、負溫度系數電流產生電路的輸入端；正、負溫度系數電流產生電路的第一輸出端連接反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路的輸入，其第二、三輸出端接溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路；反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路的輸出又反饋回正、負溫度系數電流產生電路；溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路輸出正、負或零溫度系數電流基準、電壓基準。
2.根據權利要求1所述的一種輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路，其特征是所述啟動電路為兩個PMOS晶體管M1和M2構成電流鏡，其源極與電源連接，其柵極與一個PMOS晶體管M3的漏極相連，還與一個電阻R1一端及PMOS晶體管M1漏極相連，電阻R1另一端接地VSS，PMOS晶體管M2漏極接所述正、負溫度系數電流產生電路中NMOS晶體管M7、M8和M9的柵極，PMOS晶體管M3源極接電源，其柵極連接所述正、負溫度系數電流產生電路PMOS晶體管M4、M5、M6的柵極以及所述電流、電壓基準合成電路中PMOS晶體管M12的柵極。
3.根據權利要求1所述的一種輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路，其特征是，所述正、負溫度系數電流產生電路為PMOS晶體管M4、M5和M6共柵極構成的電流鏡，NMOS晶體管M7、M8和M9共柵極構成的電流沉和PMOS晶體管M10組成改進的自偏置結構，分為三路，第一路由晶體管M4、M7和二極管D1構成，晶體管M4源極接電源，晶體管M4柵、漏相連接到晶體管M7的漏極，晶體管M7源極接二極管D1陽極，二極管D1陰極接地VSS；第二路PMOS晶體管M5、NMOS晶體管M8、電阻R2和二極管D2構成，PMOS晶體管M5源極接電源，漏極連NMOS晶體管M8漏極還接到反饋及輸出電路中PMOS晶體管M10、M11的柵極，M8源極接電阻R2一端，電阻R2另一端接二極管D2陽極，二極管D2陰極接地VSS，在電阻R2上產生正溫度系數的電流；第三路由PMOS晶體管M6、NMOS晶體管M9和電阻R3構成，PMOS晶體管M6源極接電源，漏極接NMOS晶體管M9柵極和漏極，NMOS晶體管M9源極接電阻R3一端，還接到PMOS晶體管M10的漏極，電阻R3另一端連到地，電阻R3上產生負溫度系數電流。
4.根據權利要求1所述的一種輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路，其特征是，所述反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路為由一個PMOS管M10構成，PMOS管M10源極接電源，其柵極接PMOS管M5與NMOS晶體管M8漏極，PMOS管M10漏極接電阻R3一端與NMOS晶體管M9的源極。
5.根據權利要求1所述的一種輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路，其特征是，所述溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路為兩個PMOS管M11和M12，PMOS管M11和M12的源極接電源；PMOS管M11柵極接PMOS管M10柵極，PMOS管M11鏡像PMOS管M10合成負溫度系數電流并從PMOS管M11漏極輸出負溫度系數電流，PMOS管M12柵極接M5的柵極鏡像電阻R2上產生的正溫度系數電流，電阻R4一端連接PMOS管M11和M12的漏極，電阻R4其另一端接地VSS。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種輸出可調正、負或零溫度系數電流、電壓基準的電路，包括啟動電路，正、負溫度系數電流產生電路，反饋穩(wěn)定及負溫度系數電流導出電路，溫度系數可調的電流基準、電壓基準合成電路。本發(fā)明在標準CMOS工藝下實現，結構簡單，輸入電壓低，產生溫度系數可調，即可為正、負或零溫度系數的電流基準和電壓(VREF)基準。
文檔編號G05F3/30GK101178610SQ20071018849
公開日2008年5月14日 申請日期2007年12月5日 優(yōu)先權日2007年12月5日
發(fā)明者任芬蓮, 王紅義, 李先銳, 何惠森 申請人:西安標新電子科技有限責任公司