專(zhuān)利名稱(chēng)：高精度恒流源電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及恒流源電路，屬于模擬集成電路領(lǐng)域。特別涉及一種基于CMOS制程產(chǎn)生具有很高的線性調(diào)整能力和良好的溫度特性的電流的高精度 恒流源電路。
背景技術(shù)：
高精度、低溫度系數(shù)的恒定電流在時(shí)鐘控制、振蕩器等電路中被廣泛應(yīng) 用。依傳統(tǒng)方法，該電流是由內(nèi)部基準(zhǔn)電壓除以外部電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，如采用恒 流二極管或用兩只同型的三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，然這種方式的電流精度低，且又由 于是在芯片外部采用分立電子元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，故增加了應(yīng)用成本。如果能在芯 片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)此電流，必將大幅提高整體電路的性能并且簡(jiǎn)化外圍應(yīng)用電路。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于CMOS制程的恒流源電路，該電路能 在較寬廣的電源電壓下正常工作，產(chǎn)生一個(gè)高精度的恒定電流，該電流具有 很高的線性調(diào)整能力和良好的溫度特性，正常條件下，溫度系數(shù)可達(dá) 125ppm/°C 。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出一種高精度恒流源電路，其包括PTAT 電流產(chǎn)生電路和核心電路，該P(yáng)TAT電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù) 的PTAT電流供核心電路使用；所述核心電路包括控制M0S管M1、 M2，電 阻Rs及電流鏡像電路，通過(guò)調(diào)節(jié)所述MOS管M1、 M2的寬長(zhǎng)比，MOS管 Ml、 M2的寬長(zhǎng)比的比例以及電阻大小，達(dá)到正負(fù)溫度系數(shù)平衡，使得輸出 電流具有很小的溫度系數(shù)。所述PTAT電流產(chǎn)生包括雙極晶體管Q1， Q2，電阻Rl以及由MOS管 M11 M18組成的電流鏡像電路。別輸入所述的控制MOS管Ml ， M2 的電流Il、 12及輸出電流Iout。所述的控制MOS管Ml， M2都工作在飽和區(qū)。令所述電流鏡像電路11=12=1，則該電流I與MOS管Ml、 M2的寬長(zhǎng)比， MOS管Ml、 M2的寬長(zhǎng)比的比例以及電阻R1、 Rs間的表達(dá)式為V7"1 + ./(7"2)《其中乂2 =-^-柳+A(r-7;)+fc2(r-:ro)2]上式中，K為控制MOS管Ml、 M2的寬長(zhǎng)比W/L間的比例系數(shù)；juo是 t=T。=300K時(shí)的電子遷移率，tcl、 tc2為電阻Rl、 Rs的溫度系數(shù)，k為波爾 茲曼常數(shù)，q為電荷量，Cox是MOS管的單位面積柵氧化層電容。 所述核心電路的電流鏡像電路由MOS管M3 M10組成。 本發(fā)明參考恒壓源的設(shè)計(jì)思想，采用兩個(gè)相反溫度系數(shù)的量相互補(bǔ)償?shù)?方法，得到低溫度系數(shù)的電流量。在恒壓源的設(shè)計(jì)中，因?yàn)檎么嬖趦蓚€(gè)溫 度系數(shù)相反且溫度曲線比較線性的電壓量，所以能很容易地設(shè)計(jì)出性能不錯(cuò) 的電壓源，但在電流源設(shè)計(jì)中，沒(méi)有這樣的兩個(gè)電流量，所以恒流源的設(shè)計(jì) 一直是個(gè)難點(diǎn)。本發(fā)明采用了一個(gè)比較巧妙的電路，間接地利用了電子遷移 率的負(fù)溫度系數(shù)和電阻的正溫度系數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)MOS管的寬長(zhǎng)比、MOS管 對(duì)寬長(zhǎng)比的比例、電阻大小這三個(gè)比較容易調(diào)節(jié)的參數(shù)，達(dá)到正負(fù)溫度系數(shù) 平衡，從而得到了溫度系數(shù)非常之恒定的電流量，該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)工藝 偏差不敏感，占用面積少。


圖1為本發(fā)明高精度恒流源電路原理示意圖； 圖2為本發(fā)明高精度恒流源電路圖。
具體實(shí)施方式
如圖1， 2示，本發(fā)明所揭示的高精度恒流源電路包括PTAT(Proportional To Absolute Temperature,與絕對(duì)溫度成比例)電流產(chǎn)生電路和核心電路，其 中PTAT電流產(chǎn)生電路是基于BANDGAP (帶隙基準(zhǔn))電路的原理生成一個(gè) 具有負(fù)溫度系數(shù)的PTAT電流供核心電路使用，其由雙極晶體管Ql、 Q2， MOS管Mll M18和電阻Rl組成。該電路產(chǎn)生的電流IpTAT可表示為/ _ 1其中VT為熱電勢(shì)，N為兩個(gè)雙極晶體管Q2和Ql的面積之比，Rl是具 有正溫度系數(shù)的電阻。在一般的制程中，電阻溫度系數(shù)大于熱電壓的溫度系 數(shù)，從而使 丄PTAT 呈現(xiàn)負(fù)溫度特性。核心電路主要由控制MOS管Ml、 M2，與電阻R1具有同類(lèi)型溫度系數(shù) 的電阻Rs和電流鏡像電路組成，在本實(shí)施例中，電流鏡像電路由MOS管 M3 M10組成，電流鏡像電路M3 M8的作用是強(qiáng)制M1、 M2具有相同的電 流11=12=1， I通過(guò)電流鏡像電路M9、 M10輸出電流Iout。控制MOS管Ml、 M2的寬長(zhǎng)比分別為W/L和K(W/L)，且都工作在飽和區(qū)；根據(jù)11=12=1可得 出以下關(guān)系2/ _ 2(/ +/麗) +, ; ^A^c^(w/丄) ^c汲尺(『/i:)其中VTH1和Vxm分別為控制MOS管Ml、- M2的閾值電壓，且其近似相 等，故式(1)可簡(jiǎn)化為<formula>formula see original document page 7</formula>將電子遷移率模型3"和代入式(2)，化簡(jiǎn)得V7 = ^ ln w. . m Ar. "4 + 、《咼[i+,c,(r-:r。)+fc2(r—:r。)2]k (3)上式中，Ho是t-Tf300K時(shí)的電子遷移率，tcl、 tc2為電阻Rl、 Rs的 溫度系數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，q為單位電荷量，Cox是MOS管的單位面積 柵氧化層電容。從式(3)可以發(fā)現(xiàn)，I是T、 K、 W/L等參數(shù)的隱函數(shù)，直接導(dǎo)出I的 解析表達(dá)式比較困難。為分析方便，令加^h^卞?！?！^C-^-^lniV.r，,(r_r0)"c2(7-r0)2]由此，式(3)可表示為:Hj^！ (4)由Al和A2的表達(dá)式可知，Al具有較小的正溫度系數(shù)(約為T(mén)1/4，根 據(jù)實(shí)際工藝條件，此值可能稍有偏差)，A2具有較小的負(fù)溫度系數(shù)(此溫度 系數(shù)主要由電阻的溫度系數(shù)決定)。令I(lǐng)的溫度系數(shù)為零，理論上存在一組 Al、 A2和K的值使得等式(4)在溫度變化下成立。需要說(shuō)明的是，在實(shí)際 調(diào)節(jié)過(guò)程中W/L只影響Al， K只影響A2， Rs/Rl影響Al，而W/L， K， Rs/Rl 是沒(méi)有溫度系數(shù)的，通過(guò)這個(gè)思路可以調(diào)整出結(jié)果。實(shí)例測(cè)試中，-40匸到 12(TC范圍內(nèi)電流偏移絕大多數(shù)在2%以?xún)?nèi)。值得提出的是A1、 A2都只是具 有很弱的溫度系數(shù)， 一旦I的溫度系數(shù)調(diào)整到可接受的范圍，再略微的改變W/L， K， Rs/Rl等參數(shù)不會(huì)對(duì)溫度系數(shù)有明顯的影響，但會(huì)改變I的絕對(duì)值， 這使業(yè)界人員可由此得到一個(gè)很好的可操作的Trim方式，從而可以Trim Rs 來(lái)達(dá)到Trim電流的效果。本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特征已揭示如上，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員 仍可能基于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾， 因此，本發(fā)明保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離 本發(fā)明的替換及修飾，并為本專(zhuān)利申請(qǐng)權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種高精度恒流源電路，其包括PTAT電流產(chǎn)生電路和核心電路，該P(yáng)TAT電流產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的PTAT電流供核心電路使用；其特征在于所述核心電路包括控制MOS管M1、M2，電阻Rs及電流鏡像電路；通過(guò)調(diào)節(jié)所述MOS管M1、M2的寬長(zhǎng)比，MOS管M1、M2的寬長(zhǎng)比的比例以及電阻大小，達(dá)到正負(fù)溫度系數(shù)平衡，使得輸出電流具有很小的溫度系數(shù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的高精度恒流源電路，其特征在于所述PTAT電 流產(chǎn)生包括雙極晶體管Q1， Q2，電阻R1以及由MOS管Mll M18組成的 電流鏡像電路。
3. 如權(quán)利要求1所述的高精度恒流源電路，其特征在于所述核心電路 的電流鏡像電路具有分別輸入所述的控制MOS管Ml ， M2的電流II 、 12及 輸出電流Iout。
4. 如權(quán)利要求3所述的高精度恒流源電路，其特征在于所述的控制 MOS管Ml， M2都工作在飽和區(qū)。
5. 如權(quán)利要求3所述的高精度恒流源電路，其特征在于令所述電流鏡 像電路11=12=1，則該電流I與MOS管Ml、 M2的寬長(zhǎng)比，MOS管Ml、 M2 的寬長(zhǎng)比的比例以及電阻R1、 Rs間的表達(dá)式為V 《射爿2 =-^-^lnWT,+fc'(r-7;)+,c2(r-r0)2]2上式中，K為控制MOS管Ml、 M2的寬長(zhǎng)比W/L間的比例系數(shù)；)io是 t=TQ=300K時(shí)的電子遷移率，tcl、 tc2為電阻Rl、 Rs的溫度系數(shù)，k為波爾 茲曼常數(shù)，q為單位電荷量，Cox是MOS管的單位面積柵氧化層電容。
6.如權(quán)利要求1所述的高精度恒流源電路，其特征在于所述核心電路 的電流鏡像電路由MOS管M3 M10組成。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種高精度的恒流源電路，該電路由PTAT電流產(chǎn)生電路和核心電路兩部分組成，其中PTAT電流產(chǎn)生電路基于BANGAP電路的原理生成一個(gè)具有一定負(fù)溫度系數(shù)的PTAT電流供核心電路使用。核心電路主要由控制MOS管，正溫度系數(shù)電阻和電流鏡像電路組成，該核心電路利用前級(jí)電路提供的PTAT電流，通過(guò)一定的控制關(guān)系得到一個(gè)高精度、低溫度系數(shù)的恒定電流。本發(fā)明的有益效果在于為相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合提供一個(gè)高精度、低溫度系數(shù)的恒定電流，與傳統(tǒng)方法相比，既提高了應(yīng)用電路的整體性能，又簡(jiǎn)化了外圍電路、降低了應(yīng)用成本。本發(fā)明采用CMOS工藝，工藝兼容性好，節(jié)約成本，更好地滿(mǎn)足了集成電路產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需要。
文檔編號(hào)G05F3/16GK101620450SQ20091016272
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者帥柏林, 鄭曉一 申請(qǐng)人:綠達(dá)光電(蘇州)有限公司