专利名称：一种高阶温度补偿电流基准源的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电路中的电源技术领域，特别的涉及基准电源技术领域。
背景技术：
电流基准源的功能是向电路中其他功能模块提供基准电流，是模拟集成电路中非 常重要的功能模块，常为振荡器、滤波器、数模转换和精确的时间延迟模块提供基准电流。 对电流来说，在长金属线上传输时没有损失，而传输电压时则有损失，所以，在有长互连金 属线的模拟电路中，更倾向使用电流基准源。另外，如果电路采用电流模式，会比采用电压 模式工作在更高的频率，提高电路的速度。但是，电流模式电路在大温度范围内工作时的准 确性和稳定性直接决定于电流源的温度稳定性。普通的电流基准源，由于采用互补式金属 氧化物半导体(CMOS)工艺所制作的电阻都具有较大的正温度系数，所产生的电流随集成 电路工作温度的增高而有百分之几十的增大，无法满足实际应用的要求，因此，要实现低温 度系数的电流基准源，就必须对其进行温度补偿。2002年3月20日公开的中国台湾专利低温度系数参考电流源产生电路，公开号为 CN1340750A，该专利公开了一种低温度系数参考电流源产生电路，主要包括一用于产生能 带间隙参考电压源的电路，其提供一低温度系数的能带间隙参考电压及一正温度系数的电 流；一电压追随器，是产生追随该低温度系数能带间隙参考电压的电压，以驱动一具有正温 度系数的电阻，而产生一负温度系数的电流；以及一电流镜电路，以将该正温度系数的电流 及负温度系数的电流作比例组合，而获得一低温度系数的参考电流。该技术方案实质上采 用了与温度成正比(PTAT)的电流与与温度成反比(IPTAT)的电流按比例相叠加的方式，来 实现一阶温度补偿，输出基准电流，其原理示意图如图1所示。该技术方案经计算机仿真， 在-25度到75度范围，输出的基准电流变化为1.4%即140ppm，显示其随温度的变化基准 电流变化较大，温度特性并不是很好。2006年1月25日公开的中国专利高阶温度补偿电流基准源，公开号为 CN1725137A，该专利文献所述电路主要包括一第一一阶温度补偿电流发生器，以产生一个 一阶温度补偿电流，其温度特性曲线为一开口向上的高次曲线；第二一阶温度补偿电流发 生器，以产生另一个一阶温度补偿电流，其温度特性曲线为一开口向下的高次曲线；一比例 求和电路，将第一一阶温度补偿电流发生器和第二一阶温度补偿电流发生器所产生的一阶 温度补偿电流进行按比例求和。该技术方案实质上也采用了两条与温度成一定关系的电流 按比例相叠加的方式，来实现温度补偿，其与公开号CN1340750A的专利文献的差别在于其 修正PTAT电流为开口向上的高次曲线，以抵消非理想IPTAT电流(即文献中所述具有开口 向上的高次曲线特性的电流)的非线性。其原理示意图如图2所示，两个电流发生器中各 用了一个运算放大器，该技术方案经计算机仿真，在-15度到135度范围，输出的基准电流 的温度系数为20ppm/°C，该技术方案的温度特性较好，但电路相对比较复杂。因此，现有技术中缺乏一种在电路复杂度和温度特性方面都能兼顾的高阶温度补 偿电流基准源。
发明内容
为解决上述在电路复杂度和温度特性方面都能兼顾的问题，本发明提出了一种高 阶温度补偿电流基准源电路，该电流基准源包括启动电路、IPTAT电流源及基准电流输出单 元；其中，启动电路作为IPTAT电流源的启动电路，IPTAT电流源得到的基准电流通过基准 电流输出单元输出。所述IPTAT电流源包括NMOS管Ml、M2和PMOS管M3、M4，双极型三级管Ql和Q2， 以及带正温度系数的电阻R2 ；其中PMOS管M3、NM0S管Ml和双极型三极管Ql依次串联于电 源Vdd和地端Vss之间，PMOS管M4、NMOS管M2、电阻R1和双极型三极管Q2也依次串联于电 源Vdd和地端Vss之间，且PMOS管M3和M4镜像连接、NMOS管Ml和匪OS管M2镜像连接，镜 像PMOS管M3和M4的公共栅极与启动电路相连，镜像NMOS管Ml和M2的公共栅极与NMOS 管Ml的漏极相连，PMOS管M4的栅漏相连，双极型三极管Ql和Q2的基极和发射极均接地 端Vss，电阻R2连接于NMOS管M2的源极和地端Vss之间。所述基准电流输出单元包括镜像PMOS管M5，与所述IPTAT电流源中的PMOS管M3 和M4镜像连接，该PMOS管M5的源极接电源电压VDD，漏极输出电流为基准输出电流。所述电阻R2采用零温度系数的电阻。所述电阻R2与电阻R1的取值满足在双极型 三极管Q1的基极发射极电压Vbei —阶近似时基准输出电流对温度求导的导数为零。对于CMOS工艺，所述电阻R2可选用N+扩散电阻、P+扩散电阻、多晶硅电阻或N阱 电阻等正温度系数电阻。所述电阻R2的阻值和正温度系数的选择满足双极型三极管Q1的 基极发射极电压Vbei 二阶近似时使基准输出电流对温度求导的导数为零。本发明的有益效果在于，在传统三极管结构的PTAT电流产生电路的基础上，巧妙 的增加一个电阻，来获得一个IPTAT电流，同时在两个电阻公共端的节点完成两个电流的 叠加求和，并进一步通过选用正温度系数的电阻来补偿所获得IPTAT电流的非线性，得到 高阶温度补偿的电流基准源。该技术方案经计算机仿真，在-40度到125度范围内，输出的 基准电流的温度系数为8ppm/°C。与公开号为CN1340750A的专利文献相比，本电路结构约 是其三分之一，但获得比其低一个数量级的温度系数；与公开号为CN1725137A的专利文献 相比，在获得与其相近的低温度系数特性的基础上，本发明电路结构不超过其五分之一。因 此，本发明所述电流基准源电路采用简单的电路结构获得较好的温度特性。
图1是背景技术中公开号为CN1725137A的专利所公开的一阶温度补偿电流发生 器的电路结构原理图；图2是背景技术中公开号为CN1725137A的专利所公开的高阶温度补偿电流基准 源的电路结构图；图3是本发明具体实施方式
所述高阶温度补偿电流基准源的结构示意图；图4是本发明具体实施方式
所述的一种高阶温度补偿电流基准源电路图；图5是本发明具体实施方式
所述的电流基准源电路的输出电流的温度特性图；图6是本发明具体实施方式
所述采用正温度系数电阻R2的电流基准源电路的输 出电流的温度特性图。
具体实施例方式以下结合附图，对本发明的具体实施方式
作详细说明。如附图3所示为本发明具体实施方式
所述高阶温度补偿电流基准源的结构示意 图，该基准源包括启动电路101、IPTAT电流源100及基准电流输出单元102 ；其中，启动电 路101作为IPTAT电流源100的启动电路，用以将电路启动以防止电路被锁住在零电压的 位置，IPTAT电流源100得到温度特性较好的IPTAT电流，通过基准电流输出单元102输出 本发明具体实施方式
所述的高阶温度补偿基准电流。如图4所示为本发明具体实施方式
所述的一种高阶温度补偿电流基准源电路，其 中启动电路101包括PMOS管M6和匪OS管M7、M8和M9，所述四个MOS管接于电源Vdd和地 端Vss之间，其中PMOS管M6的源极接电源VDD，NMOS管M7的栅极和漏极相连后连接于PMOS 管M6的栅极，NMOS管M8的栅极和漏极与NMOS管M7的源极和PMOS管M6的漏极均相连， NMOS管M9的栅极和漏极相连后连接于NMOS管M8的源极，NMOS管M9的源极接地。值得注意的是，本发明启动电路不局限于本具体实施方式
中如图4所示电路，其 它只要满足将电路启动以防止电路被锁住在零电压的位置的电路满足本发明启动电路的 要求，由此构成的整个电路属于本发明保护的范围。所述IPTAT电流源100包括匪OS管Ml、M2和PMOS管M3、M4，三级管Ql和Q2，以 及带正温度系数的电阻R2 ；其中PMOS管M3、NMOS管Ml和双极型三极管Ql依次串联于电 源Vdd和地端Vss之间，PMOS管M4、NMOS管M2、电阻R1和双极型三极管Q2也依次串联于电 源Vdd和地端Vss之间，且PMOS管M3和M4镜像连接、NMOS管Ml和匪OS管M2镜像连接，镜 像PMOS管M3和M4的公共栅极与启动电路中PMOS管M6的栅极相连，镜像NMOS管Ml和M2 的公共栅极与NMOS管Ml的漏极相连，PMOS管M4的栅漏相连，双极型三极管Ql和Q2的基 极和发射极均接地端Vss，电阻R2连接于NMOS管M2的源极和地端Vss之间。所述基准电流输出单元102包括镜像PMOS管M5，与所述IPTAT电流源100中的 PMOS管M3和M4镜像连接，该PMOS管M5的源极接电源电压VDD，从其漏极得到温度特性较 好的低温度系数的基准输出电流I。。如图4所示本发明具体实施方式
所述一种高阶温度补偿电流基准源电路的工作 原理为所述启动电路101用以将电路启动以防止电路被锁住在零电压的位置，所述IPTAT 电流源100中，PMOS管M3、PMOS管M4以及所述基准电流输出单元102中的PMOS管M5构 成镜像电路使得其分别所在的三条支路的电流相同，均用Itl表示，NMOS管Ml和NMOS管M2 构成电压箝位电路以维持A、B两点电压一致，双极型三极管Q1、Q2及电阻R1所构成的感测 电路感知温度的变化，通过检测电阻R1上的电压Δν，即双极型三极管Ql基极发射极电压 Vbei和双极型三极管Q2的基极发射极电压Vbe2的差，根据欧姆定律，得到电阻R1上的电流 I1，如式(1)所示
NI
YrIn ( 0 )j = AV ^ Vebi-Veb2 ^ T I0-I2⑴
R1 R1R1其中，N为双极型三极管Ql和Q2的发射极面积之比，Vt = kT/q，k为波滋曼常数， q为电子电荷，T为绝对温度，In(IcZItl-I2) << 1，当一阶展开时，可以忽略其随温度变化对 I1的影响，则电流I1具有正温度系数的特性。
5
同时由于双极型三极管的基极发射极电压Vbe具有负温度系数的特性，因此将Vbe 加载在电阻上可得到具有负温度系数的电流，在本发明具体实施方式
图4所示电路中，由 于Va = VB，则电阻R2两端电压Vb等于双极型三极管Ql的基极发射极电压Vbei，则电阻R2上 的电流I2与双极型三极管Ql的基极发射极电压Vbei —样具有负温度系数。基准输出电流Itl由具有正温度系数的I1和具有负温度系数的电流I2相加得到， 如式(2)所示
NT
权利要求
一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，该电流基准源包括启动电路、IPTAT电流源及基准电流输出单元；其中，启动电路作为IPTAT电流源的启动电路，IPTAT电流源得到的基准电流通过基准电流输出单元输出。
2.根据权利要求1所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述IPTAT电流源包括NMOS管Ml、M2和PMOS管M3、M4，双极型三级管Ql和Q2，以及带正温度系数的电 阻R2 ；其中PMOS管M3、NM0S管Ml和双极型三极管Ql依次串联于电源Vdd和地端Vss之间， PMOS管M4、NM0S管M2、电阻R1和双极型三极管Q2也依次串联于电源Vdd和地端Vss之间，且 PMOS管M3禾口 M4镜像连接、NMOS管Ml禾口 NMOS管M2镜像连接，镜像PMOS管M3禾口 M4的公 共栅极与启动电路相连，镜像NMOS管Ml和M2的公共栅极与NMOS管Ml的漏极相连，PMOS 管M4的栅漏相连，双极型三极管Ql和Q2的基极和发射极均接地端Vss，电阻R2连接于NMOS 管M2的源极和地端Vss之间。
3.根据权利要求2所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述基准电流 输出单元包括镜像PMOS管M5，与所述IPTAT电流源中的PMOS管M3和M4镜像连接，该PMOS 管M5的源极接电源电压VDD，漏极输出电流为基准输出电流。
4.根据权利要求2所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R2采 用零温度系数的电阻。
5.根据权利要求4所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R2与 电阻R1的取值满足在双极型三极管Q1的基极发射极电压Vbei —阶近似时基准输出电流对 温度求导的导数为零。
6.根据权利要求2所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R2采 用正温度系数的电阻。
7.根据权利要求6所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R2的 阻值和正温度系数的选择满足双极型三极管仏的基极发射极电压Vbei 二阶近似时使基准输 出电流对温度求导的导数为零。
8.根据权利要求6所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R2为 N+扩散电阻或P+扩散电阻。
9.根据权利要求6所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R2为 多晶硅电阻。
10.根据权利要求6所述的一种高阶温度补偿电流基准源，其特征在于，所述电阻R2为 N阱电阻。
全文摘要
本发明公开了一种高阶温度补偿电流基准源，该电流基准源包括启动电路、IPTAT电流源及基准电流输出单元；其中，启动电路作为IPTAT电流源的启动电路，IPTAT电流源得到的基准电流通过基准电流输出单元输出。本发明所述电流基准源电路结构简单，且输出的基准电流受温度影响较小。
文档编号G05F3/24GK101995898SQ20091010939
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者刘俊秀, 刘敬波, 方尚侠, 石岭, 胡江鸣 申请人:深圳艾科创新微电子有限公司