一种低功耗的与绝对温度成正比的电流源电路的制作方法

本发明主要涉及电流源电路的设计领域，特指一种低功耗与绝对温度成正比(PTAT)电流源电路。

背景技术：

电流源电路是构成模拟电路的基本组成部分，广泛应用于高精度模数转换器(ADC)、高精度数模转换器(DAC)、仪表放大器、存储器和偏置电路等。电流源电路中最重的一种是称为与绝对温度成正比(PTAT)的电流源，其产生线性地随温度变化的电流。现有的PTAT电流通常采用的是带隙基准电路来产生，使得PTAT电流源电路的面积很大，功耗较高，结构也较复杂，增加了芯片的成本。因此有必要提供一种结构简单且低功耗的PTAT电流源电路。

技术实现要素：

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，提出一种低功耗、线性的PTAT电流源电路，以保证在较低的功耗下，获得高线性度的PTAT电流。

本发明提出的解决方案为：通过简单的偏置电路将亚阈值区MOS管栅源电压求差，并将该差值加到电阻上产生PTAT电流。而且本电路的所有MOS管都工作在亚阈值区，电流均为纳安级，因此正常工作时的功耗非常低。

相比现有技术，本发明并没有使用二极管或者三极管，与标准CMOS工艺兼容，大大减小了版图面积，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明的电路原理示意图；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，NMOS管M1、M2、M3、M4和电阻R1、R2组成了低功耗、线性PTAT电流产生电路，假设M1管子宽长比为“K₁”，M2的宽长比为“K₂”，M3的宽长比为“K₃”，M4的宽长比为“K₄”，M5的宽长比为“K₅”。假设NMOS管M1和M2的漏极电流以及电阻R1的电流为I₁，NMOS管M3和M4的漏极电流以及电阻R2的电流为I₂，M5的漏极电流为I_PTAT，NMOS管M4的栅极电压为V_A。

图1中所有特征电流I₀均为纳安级，因此所有NMOS管都工作在亚阈值导通区，MOS管工作在亚阈值区的I-V特性可以表示为：

式中，I_DS是MOS管的漏端电流；K＝W/L是MOS管的宽长比；为特征电流；μ＝μ₀(T₀/T)^m是MOS管的电子迁移率，T₀是参考温度，μ₀是参考温度T₀下电子迁移率，T是绝对温度，m是温度指数，约为1.5，具有负温度系数。C_OX＝ε_OX/t_OX是栅氧化层电容，ε_OX是氧化物介电常数，t_OX是氧化层厚度，η是亚阈值区斜率因子，取决于栅氧化层和损耗层的电容，本发明假定η为一个常数。V_GS是MOS管的栅源电压，V_T＝k_BT/q是热电压，具有正温度系数，k_B是玻尔兹曼常数，q是电子电荷，V_TH是MOS管的阈值电压，V_TH(T)＝V_TH(T₀)-k₂(T-T₀)，k₂＝0.5～4mV/K，具有负温度系数。

进而可以得到MOS管的栅源电压：

由此可见，V_TH是一个负温度系数，而在此结构中I₀、I_DS是一个纳安级别的电流值，上式的第二项可以忽略不计，因此整体亚阈值区MOS管的栅源电压具有负温度系数。

参考附图1，节点A的电压为NMOS管M1和M2的栅源电压之和，同时为电源电压VDD和电阻R1上压降的差，所以节点A的电压V_A为：

因此，

I₁＝VDD-(V_GS1+V_GS2)/R₁

式中，V_GS1和V_GS2分别为NMOS管M1和M2的栅源电压，由此可见I₁具有正温度系数。

参考附图1，节点A的电压同时为NMOS管M3和M4栅源电压以及电阻R2压降之和：

电流I₁具有正温度系数，而I₂与I₁成正比，所以I₂也具有正温度系数。

最终的输出电流为I₂的K₅/K₃倍，即为PTAT电流：

I_PTAT＝(K₅/K₃)I₂

综上所述，本发明通过将亚阈值区MOS管栅源电压求差，并将该差值加到电阻上产生PTAT电流，避免了结构复杂的带隙电压基准源的使用，减小芯片的面积降低了功耗。经过验证，其输出电流在全温度范围内(-40～125℃)的变化约为25％，线性度为2％。本发明一般适用于PTAT电流参考的各种不同类型的集成电路，特别是适用在例如输出接口的偏置电路等模块中。