專利名稱：一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路中的電源技術(shù)領(lǐng)域，特別的涉及基準(zhǔn)電源技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電流基準(zhǔn)源的功能是向電路中其他功能模塊提供基準(zhǔn)電流，是模擬集成電路中非 常重要的功能模塊，常為振蕩器、濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換和精確的時(shí)間延遲模塊提供基準(zhǔn)電流。 對(duì)電流來說，在長(zhǎng)金屬線上傳輸時(shí)沒有損失，而傳輸電壓時(shí)則有損失，所以，在有長(zhǎng)互連金 屬線的模擬電路中，更傾向使用電流基準(zhǔn)源。另外，如果電路采用電流模式，會(huì)比采用電壓 模式工作在更高的頻率，提高電路的速度。但是，電流模式電路在大溫度范圍內(nèi)工作時(shí)的準(zhǔn) 確性和穩(wěn)定性直接決定于電流源的溫度穩(wěn)定性。普通的電流基準(zhǔn)源，由于采用互補(bǔ)式金屬 氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝所制作的電阻都具有較大的正溫度系數(shù)，所產(chǎn)生的電流隨集成 電路工作溫度的增高而有百分之幾十的增大，無法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，因此，要實(shí)現(xiàn)低溫 度系數(shù)的電流基準(zhǔn)源，就必須對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。2002年3月20日公開的中國臺(tái)灣專利低溫度系數(shù)參考電流源產(chǎn)生電路，公開號(hào)為 CN1340750A，該專利公開了一種低溫度系數(shù)參考電流源產(chǎn)生電路，主要包括一用于產(chǎn)生能 帶間隙參考電壓源的電路，其提供一低溫度系數(shù)的能帶間隙參考電壓及一正溫度系數(shù)的電 流；一電壓追隨器，是產(chǎn)生追隨該低溫度系數(shù)能帶間隙參考電壓的電壓，以驅(qū)動(dòng)一具有正溫 度系數(shù)的電阻，而產(chǎn)生一負(fù)溫度系數(shù)的電流；以及一電流鏡電路，以將該正溫度系數(shù)的電流 及負(fù)溫度系數(shù)的電流作比例組合，而獲得一低溫度系數(shù)的參考電流。該技術(shù)方案實(shí)質(zhì)上采 用了與溫度成正比(PTAT)的電流與與溫度成反比(IPTAT)的電流按比例相疊加的方式，來 實(shí)現(xiàn)一階溫度補(bǔ)償，輸出基準(zhǔn)電流，其原理示意圖如圖1所示。該技術(shù)方案經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真， 在-25度到75度范圍，輸出的基準(zhǔn)電流變化為1.4%即140ppm，顯示其隨溫度的變化基準(zhǔn) 電流變化較大，溫度特性并不是很好。2006年1月25日公開的中國專利高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，公開號(hào)為 CN1725137A，該專利文獻(xiàn)所述電路主要包括一第一一階溫度補(bǔ)償電流發(fā)生器，以產(chǎn)生一個(gè) 一階溫度補(bǔ)償電流，其溫度特性曲線為一開口向上的高次曲線；第二一階溫度補(bǔ)償電流發(fā) 生器，以產(chǎn)生另一個(gè)一階溫度補(bǔ)償電流，其溫度特性曲線為一開口向下的高次曲線；一比例 求和電路，將第一一階溫度補(bǔ)償電流發(fā)生器和第二一階溫度補(bǔ)償電流發(fā)生器所產(chǎn)生的一階 溫度補(bǔ)償電流進(jìn)行按比例求和。該技術(shù)方案實(shí)質(zhì)上也采用了兩條與溫度成一定關(guān)系的電流 按比例相疊加的方式，來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，其與公開號(hào)CN1340750A的專利文獻(xiàn)的差別在于其 修正PTAT電流為開口向上的高次曲線，以抵消非理想IPTAT電流(即文獻(xiàn)中所述具有開口 向上的高次曲線特性的電流)的非線性。其原理示意圖如圖2所示，兩個(gè)電流發(fā)生器中各 用了一個(gè)運(yùn)算放大器，該技術(shù)方案經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真，在-15度到135度范圍，輸出的基準(zhǔn)電流 的溫度系數(shù)為20ppm/°C，該技術(shù)方案的溫度特性較好，但電路相對(duì)比較復(fù)雜。因此，現(xiàn)有技術(shù)中缺乏一種在電路復(fù)雜度和溫度特性方面都能兼顧的高階溫度補(bǔ) 償電流基準(zhǔn)源。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述在電路復(fù)雜度和溫度特性方面都能兼顧的問題，本發(fā)明提出了一種高 階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源電路，該電流基準(zhǔn)源包括啟動(dòng)電路、IPTAT電流源及基準(zhǔn)電流輸出單 元；其中，啟動(dòng)電路作為IPTAT電流源的啟動(dòng)電路，IPTAT電流源得到的基準(zhǔn)電流通過基準(zhǔn) 電流輸出單元輸出。所述IPTAT電流源包括NMOS管Ml、M2和PMOS管M3、M4，雙極型三級(jí)管Ql和Q2， 以及帶正溫度系數(shù)的電阻R2 ；其中PMOS管M3、NM0S管Ml和雙極型三極管Ql依次串聯(lián)于電 源Vdd和地端Vss之間，PMOS管M4、NMOS管M2、電阻R1和雙極型三極管Q2也依次串聯(lián)于電 源Vdd和地端Vss之間，且PMOS管M3和M4鏡像連接、NMOS管Ml和匪OS管M2鏡像連接，鏡 像PMOS管M3和M4的公共柵極與啟動(dòng)電路相連，鏡像NMOS管Ml和M2的公共柵極與NMOS 管Ml的漏極相連，PMOS管M4的柵漏相連，雙極型三極管Ql和Q2的基極和發(fā)射極均接地 端Vss，電阻R2連接于NMOS管M2的源極和地端Vss之間。所述基準(zhǔn)電流輸出單元包括鏡像PMOS管M5，與所述IPTAT電流源中的PMOS管M3 和M4鏡像連接，該P(yáng)MOS管M5的源極接電源電壓VDD，漏極輸出電流為基準(zhǔn)輸出電流。所述電阻R2采用零溫度系數(shù)的電阻。所述電阻R2與電阻R1的取值滿足在雙極型 三極管Q1的基極發(fā)射極電壓Vbei —階近似時(shí)基準(zhǔn)輸出電流對(duì)溫度求導(dǎo)的導(dǎo)數(shù)為零。對(duì)于CMOS工藝，所述電阻R2可選用N+擴(kuò)散電阻、P+擴(kuò)散電阻、多晶硅電阻或N阱 電阻等正溫度系數(shù)電阻。所述電阻R2的阻值和正溫度系數(shù)的選擇滿足雙極型三極管Q1的 基極發(fā)射極電壓Vbei 二階近似時(shí)使基準(zhǔn)輸出電流對(duì)溫度求導(dǎo)的導(dǎo)數(shù)為零。本發(fā)明的有益效果在于，在傳統(tǒng)三極管結(jié)構(gòu)的PTAT電流產(chǎn)生電路的基礎(chǔ)上，巧妙 的增加一個(gè)電阻，來獲得一個(gè)IPTAT電流，同時(shí)在兩個(gè)電阻公共端的節(jié)點(diǎn)完成兩個(gè)電流的 疊加求和，并進(jìn)一步通過選用正溫度系數(shù)的電阻來補(bǔ)償所獲得IPTAT電流的非線性，得到 高階溫度補(bǔ)償?shù)碾娏骰鶞?zhǔn)源。該技術(shù)方案經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真，在-40度到125度范圍內(nèi)，輸出的 基準(zhǔn)電流的溫度系數(shù)為8ppm/°C。與公開號(hào)為CN1340750A的專利文獻(xiàn)相比，本電路結(jié)構(gòu)約 是其三分之一，但獲得比其低一個(gè)數(shù)量級(jí)的溫度系數(shù)；與公開號(hào)為CN1725137A的專利文獻(xiàn) 相比，在獲得與其相近的低溫度系數(shù)特性的基礎(chǔ)上，本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)不超過其五分之一。因 此，本發(fā)明所述電流基準(zhǔn)源電路采用簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)獲得較好的溫度特性。


圖1是背景技術(shù)中公開號(hào)為CN1725137A的專利所公開的一階溫度補(bǔ)償電流發(fā)生 器的電路結(jié)構(gòu)原理圖；圖2是背景技術(shù)中公開號(hào)為CN1725137A的專利所公開的高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn) 源的電路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源電路圖；圖5是本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述的電流基準(zhǔn)源電路的輸出電流的溫度特性圖；圖6是本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述采用正溫度系數(shù)電阻R2的電流基準(zhǔn)源電路的輸 出電流的溫度特性圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明。如附圖3所示為本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源的結(jié)構(gòu)示意 圖，該基準(zhǔn)源包括啟動(dòng)電路101、IPTAT電流源100及基準(zhǔn)電流輸出單元102 ；其中，啟動(dòng)電 路101作為IPTAT電流源100的啟動(dòng)電路，用以將電路啟動(dòng)以防止電路被鎖住在零電壓的 位置，IPTAT電流源100得到溫度特性較好的IPTAT電流，通過基準(zhǔn)電流輸出單元102輸出 本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述的高階溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電流。如圖4所示為本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源電路，其 中啟動(dòng)電路101包括PMOS管M6和匪OS管M7、M8和M9，所述四個(gè)MOS管接于電源Vdd和地 端Vss之間，其中PMOS管M6的源極接電源VDD，NMOS管M7的柵極和漏極相連后連接于PMOS 管M6的柵極，NMOS管M8的柵極和漏極與NMOS管M7的源極和PMOS管M6的漏極均相連， NMOS管M9的柵極和漏極相連后連接于NMOS管M8的源極，NMOS管M9的源極接地。值得注意的是，本發(fā)明啟動(dòng)電路不局限于本具體實(shí)施方式
中如圖4所示電路，其 它只要滿足將電路啟動(dòng)以防止電路被鎖住在零電壓的位置的電路滿足本發(fā)明啟動(dòng)電路的 要求，由此構(gòu)成的整個(gè)電路屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。所述IPTAT電流源100包括匪OS管Ml、M2和PMOS管M3、M4，三級(jí)管Ql和Q2，以 及帶正溫度系數(shù)的電阻R2 ；其中PMOS管M3、NMOS管Ml和雙極型三極管Ql依次串聯(lián)于電 源Vdd和地端Vss之間，PMOS管M4、NMOS管M2、電阻R1和雙極型三極管Q2也依次串聯(lián)于電 源Vdd和地端Vss之間，且PMOS管M3和M4鏡像連接、NMOS管Ml和匪OS管M2鏡像連接，鏡 像PMOS管M3和M4的公共柵極與啟動(dòng)電路中PMOS管M6的柵極相連，鏡像NMOS管Ml和M2 的公共柵極與NMOS管Ml的漏極相連，PMOS管M4的柵漏相連，雙極型三極管Ql和Q2的基 極和發(fā)射極均接地端Vss，電阻R2連接于NMOS管M2的源極和地端Vss之間。所述基準(zhǔn)電流輸出單元102包括鏡像PMOS管M5，與所述IPTAT電流源100中的 PMOS管M3和M4鏡像連接，該P(yáng)MOS管M5的源極接電源電壓VDD，從其漏極得到溫度特性較 好的低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)輸出電流I。。如圖4所示本發(fā)明具體實(shí)施方式
所述一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源電路的工作 原理為所述啟動(dòng)電路101用以將電路啟動(dòng)以防止電路被鎖住在零電壓的位置，所述IPTAT 電流源100中，PMOS管M3、PMOS管M4以及所述基準(zhǔn)電流輸出單元102中的PMOS管M5構(gòu) 成鏡像電路使得其分別所在的三條支路的電流相同，均用Itl表示，NMOS管Ml和NMOS管M2 構(gòu)成電壓箝位電路以維持A、B兩點(diǎn)電壓一致，雙極型三極管Q1、Q2及電阻R1所構(gòu)成的感測(cè) 電路感知溫度的變化，通過檢測(cè)電阻R1上的電壓Δν，即雙極型三極管Ql基極發(fā)射極電壓 Vbei和雙極型三極管Q2的基極發(fā)射極電壓Vbe2的差，根據(jù)歐姆定律，得到電阻R1上的電流 I1，如式(1)所示
NI
YrIn ( 0 )j = AV ^ Vebi-Veb2 ^ T I0-I2⑴
R1 R1R1其中，N為雙極型三極管Ql和Q2的發(fā)射極面積之比，Vt = kT/q，k為波滋曼常數(shù)， q為電子電荷，T為絕對(duì)溫度，In(IcZItl-I2) << 1，當(dāng)一階展開時(shí)，可以忽略其隨溫度變化對(duì) I1的影響，則電流I1具有正溫度系數(shù)的特性。
5
同時(shí)由于雙極型三極管的基極發(fā)射極電壓Vbe具有負(fù)溫度系數(shù)的特性，因此將Vbe 加載在電阻上可得到具有負(fù)溫度系數(shù)的電流，在本發(fā)明具體實(shí)施方式
圖4所示電路中，由 于Va = VB，則電阻R2兩端電壓Vb等于雙極型三極管Ql的基極發(fā)射極電壓Vbei，則電阻R2上 的電流I2與雙極型三極管Ql的基極發(fā)射極電壓Vbei —樣具有負(fù)溫度系數(shù)?；鶞?zhǔn)輸出電流Itl由具有正溫度系數(shù)的I1和具有負(fù)溫度系數(shù)的電流I2相加得到， 如式(2)所示
NT
權(quán)利要求
一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，該電流基準(zhǔn)源包括啟動(dòng)電路、IPTAT電流源及基準(zhǔn)電流輸出單元；其中，啟動(dòng)電路作為IPTAT電流源的啟動(dòng)電路，IPTAT電流源得到的基準(zhǔn)電流通過基準(zhǔn)電流輸出單元輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述IPTAT電流源包括NMOS管Ml、M2和PMOS管M3、M4，雙極型三級(jí)管Ql和Q2，以及帶正溫度系數(shù)的電 阻R2 ；其中PMOS管M3、NM0S管Ml和雙極型三極管Ql依次串聯(lián)于電源Vdd和地端Vss之間， PMOS管M4、NM0S管M2、電阻R1和雙極型三極管Q2也依次串聯(lián)于電源Vdd和地端Vss之間，且 PMOS管M3禾口 M4鏡像連接、NMOS管Ml禾口 NMOS管M2鏡像連接，鏡像PMOS管M3禾口 M4的公 共柵極與啟動(dòng)電路相連，鏡像NMOS管Ml和M2的公共柵極與NMOS管Ml的漏極相連，PMOS 管M4的柵漏相連，雙極型三極管Ql和Q2的基極和發(fā)射極均接地端Vss，電阻R2連接于NMOS 管M2的源極和地端Vss之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述基準(zhǔn)電流 輸出單元包括鏡像PMOS管M5，與所述IPTAT電流源中的PMOS管M3和M4鏡像連接，該P(yáng)MOS 管M5的源極接電源電壓VDD，漏極輸出電流為基準(zhǔn)輸出電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述電阻R2采 用零溫度系數(shù)的電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述電阻R2與 電阻R1的取值滿足在雙極型三極管Q1的基極發(fā)射極電壓Vbei —階近似時(shí)基準(zhǔn)輸出電流對(duì) 溫度求導(dǎo)的導(dǎo)數(shù)為零。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述電阻R2采 用正溫度系數(shù)的電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述電阻R2的 阻值和正溫度系數(shù)的選擇滿足雙極型三極管仏的基極發(fā)射極電壓Vbei 二階近似時(shí)使基準(zhǔn)輸 出電流對(duì)溫度求導(dǎo)的導(dǎo)數(shù)為零。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述電阻R2為 N+擴(kuò)散電阻或P+擴(kuò)散電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述電阻R2為 多晶硅電阻。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，其特征在于，所述電阻R2為 N阱電阻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高階溫度補(bǔ)償電流基準(zhǔn)源，該電流基準(zhǔn)源包括啟動(dòng)電路、IPTAT電流源及基準(zhǔn)電流輸出單元；其中，啟動(dòng)電路作為IPTAT電流源的啟動(dòng)電路，IPTAT電流源得到的基準(zhǔn)電流通過基準(zhǔn)電流輸出單元輸出。本發(fā)明所述電流基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且輸出的基準(zhǔn)電流受溫度影響較小。
文檔編號(hào)G05F3/24GK101995898SQ20091010939
公開日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2009年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月21日
發(fā)明者劉俊秀, 劉敬波, 方尚俠, 石嶺, 胡江鳴 申請(qǐng)人:深圳艾科創(chuàng)新微電子有限公司