电流源电路的制作方法

本发明是有关于一种电源电路，且特别是有关于一种电流源电路。

背景技术：

在模拟电路的设计中，都需要参考用的电压或电流。参考电压提供一个运作的准则，模拟电路例如振荡器(oscillator)、延迟单元(delaycell)等。并且，受限于工艺的影响，模拟电路的特性可能会有落差，影响模拟电路的设计。此外，随着工艺的演进，单位面积内所含的晶体管数目越来越多，使得电路在运作时产生的热能越来越大，进而电路的温度也因此越来越高。由于温度的升高，集成电路中元件的特性可能会劣化，导致电路的表现会不稳定。因此，若在模拟电路中使用稳定且不受温度影响的偏压电流，则可降低电路设计的困难度。

技术实现要素：

本发明提供一种电流源电路，可提供与温度无关的偏压电流。

本发明的电流源电路，包括一第一电流镜、一第一接面晶体管、一第二接面晶体管、一第三接面晶体管及一第一电阻。第一电流镜具有接收一第一电流的一第一输入端，以及提供一第二电流的一第一输出端，其中第二电流的电流值相同于第一电流的电流值。第一接面晶体管具有耦接第一输出端的一第一集极、一第一基极、以及耦接一参考电压的一第一射极。第二接面晶体管具有耦接第一输入端的一第二集极、耦接第一基极的一第二基极、以及一第二射极。第一电阻耦接于第二射极与参考电压之间。第三接面晶体管具有提供一第三电流的一第三集极、耦接第一输出端的一第三基极、以及耦接第一基极的一第三射极，其中第三电流用以设定一模拟电路的一偏压电流的电流值。

基于上述，本发明实施例的电流源电路，其主要是由第一电流镜、第一接面晶体管、第二接面晶体管、第一电阻及第三接面晶体管所构成，并且基于接面晶体管的增益值的正温度系数特性，构成有温度补偿的电流源电路。藉此，电流源电路可提供与温度无关的偏压电流。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为依据本发明一实施例的电流源电路的电路示意图。

图1b为依据本发明一实施例的偏压电流、晶体管增益值与第四电流相对于温度的曲线示意图。

图1c为依据本发明一实施例的不同工艺变数(tt,ff,ss,fs,sf)的偏压电流相对于温度的模拟示意图。

图2a为依据本发明另一实施例的电流源电路的电路示意图。

图2b为依据本发明一实施例的偏压电流在工艺变数与高低温度相对于工作时间的曲线示意图。

图2c为依据本发明另一实施例的偏压电流在工艺变数与高低温度相对于工作时间的曲线示意图。

附图标号：

10：模拟电路

100、200：电流源电路

110：第一电流镜

120：第二电流镜

210：启动电路

211：控制逻辑电路

213：第一开关

bt1：第一接面晶体管

bt2：第二接面晶体管

bt3：第三接面晶体管

c1：第一电容

en：启动信号

enb：反相信号

gnd：接地电压

i1：第一电流

i2：第二电流

i3：第三电流

i4：第四电流

ibias：偏压电流

inv1：反相器

ist：启动电流

m1：第一金属氧化物半导体晶体管

m2：第二金属氧化物半导体晶体管

m3：第三金属氧化物半导体晶体管

m4：第四金属氧化物半导体晶体管

m5：第五金属氧化物半导体晶体管

m6：第六金属氧化物半导体晶体管

m7：第七金属氧化物半导体晶体管

r1：第一电阻

s111、s113、s115：曲线

ssw：开关信号

t1：第一端

t2：第二端

tc：控制端

ti1：第一输入端

ti2：第二输入端

to1：第一输出端

to2：第二输出端

vc：电容电压

vdd：系统电压

vr：参考电压

xnor1：同或门

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域相关技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

图1a为依据本发明一实施例的电流源电路的电路示意图。请参照图1a，在本实施例中，电流源电路100包括第一电流镜110、第二电流镜120、第一接面晶体管bt1、第二接面晶体管bt2、第一电阻r1及第三接面晶体管bt3。

第一电流镜110具有接收第一电流i1的第一输入端ti1，以及提供第二电流i2的第一输出端to1，其中第二电流i2的电流值会相同于第一电流i1的电流值。第一接面晶体管bt1具有耦接第一输出端to1的第一集极、第一基极、以及耦接参考电压vr的第一射极，其中参考电压vr例如为接地电压gnd。第二接面晶体管bt2具有耦接第一输入端ti1的第二集极、耦接第一接面晶体管bt1的第一基极的第二基极、以及第二射极。第一电阻r1耦接于第二接面晶体管bt2的第二射极与参考电压vr之间。

第三接面晶体管bt3具有提供第三电流i3的第三集极、耦接第一输出端to1的第三基极、以及耦接第一接面晶体管bt1的第一基极的第三射极。第二电流镜120具有接收第三电流i3的第二输入端ti2、以及提供偏压电流ibias至模拟电路10的第二输出端to2。在此，通过第二电流镜120的镜射功能，第三电流i3可用以设定模拟电路10所接收的偏压电流ibias的电流值，亦即偏压电流ibias的电流值会相同于第三电流i3的电流值。

依据上述，本发明是以接面晶体管(bipolarjunctiontransistor,bjt)的元件特性为基础，通过简单的电流镜架构，得到有温度补偿的电流源电路100，以提供偏压电流ibias至模拟电路10由于接面晶体管的增益值β是正温度系数(proportionaltoabsolutetemperature,ptat)，亦即流经第一电阻r1的第四电流i4会大致与温度呈正比。

进一步来，当电流源电路100的工作温度上升时，第四电流i4的电流值会增加，因此流进第一接面晶体管bt1的第一基极及第二接面晶体管bt2的第二基极的电流应该要增加以补充电流的不足；当电流源电路100的工作温度下降时，则流进第一接面晶体管bt1的第一基极及第二接面晶体管bt2的第二基极的电流应该要变小，以控制第一电流镜110、第一接面晶体管bt1、第二接面晶体管bt2及第三接面晶体管bt3的稳定工作点。

由于晶体管的增益值β与温度呈正比，所以在电流源电路100的工作温度上升时，原本应该增加的基极电流，因为第一接面晶体管bt1及第二接面晶体管bt2的增益值β的增加而不用增加。反之，在电流源电路100的工作温度下降时，第一接面晶体管bt1及第二接面晶体管bt2的增益值β会变小，但第三接面晶体管bt3的第三集极的电流会增加，以递补第一接面晶体管bt1的第一基极及第二接面晶体管bt2的第二基极所缺少的电流。藉此，在电路运作稳定后，第三接面晶体管bt3的第三集极的电流会呈现温度补偿效应，而电流值曲线会接近平坦。接着，再经由第二电流镜120镜射出偏压电流ibias给模拟电路10使用。

以电路分析角度来说，第一接面晶体管bt1及第二接面晶体管bt2具有一比例值n，并且构成正温度系数的电压差，亦即电压差δvbe(bt1-bt2)＝vbe1-vbe2＝vtln(n)，vbe1为第一接面晶体管bt1的第一基极与第一射极的电压差，vbe2为第二接面晶体管bt2的第二基极与第二射极的电压差，vt为接面晶体管的热电压(thermalvoltage)，n为正整数，且其值视电路设计而定。

由于第一电流镜110的关系，第一接面晶体管bt1的第一集极的电流会等于第二接面晶体管bt2的第二集极的电流，亦即ic1＝ic2＝δvbe(bt1-bt2)/r1，其中ic1是第一接面晶体管bt1的第一集极的电流，ic2是第二接面晶体管bt2的第二集极的电流，r1是第一电阻r1的电阻值。而晶体管的增益值β与温度可以定义为β＝ic/ib＝is/ib*exp(vbe/vt)，ic是接面晶体管的集极的电流，ib是接面晶体管的基极的电流，is是接面晶体管的饱和电流，vbe是接面晶体管的基极与射极间的电压差。

由于第三接面晶体管bt3的第三集极耦接至第一接面晶体管bt1的第一基极及第二接面晶体管bt2的第二基极，并且第一接面晶体管bt1的第一集极的电流会等于第二接面晶体管bt2的第二集极的电流，因此第三接面晶体管bt3的第三集极的电流ic3＝ib1+ib2＝2ic2/β＝2δvbe(bt1-bt2)/(βr1)＝2vtln(n)/(βr1)。

依据上述，电流源电路100的温度系数是相关于接面晶体管的基极与射极间的电压差vbe，因此可通过调整上述参数n来消除温度系数。

在本发明的一实施例中，第一电阻r1的类型可以与温度正相关、温度负相关或与温度无关。进一步来说，由于负温度系数的第一电阻r1可以在低n值产生较高的正温度斜率的第四电流i4，因此负温度系数的第一电阻r1较佳于正温度系数的第一电阻r1。但是，当n值够大以使δvbe(bt1-bt2)的正温度系数大于第一电阻r1的电阻值的正温度系数时，第一电阻r1也可以是正温度系数。

由于晶体管的增益值β是工艺参数，且从硅测量数据中取得，亦即可直接由元件模式文件中撷取。晶体管的增益值β可以定义为βf(t)＝βf0(t/tr)^xtb，其中βf(t)为顺向增益值，βf0(t/tr)为计算额定增益值的函数，xtb为顺向及逆向的增益值温度指数。在本发明的一实施例中，当xtb＝0.0001(亦即1e-4)时，n值及第一电阻r1是需要调整以最佳化温度补偿，事实上，n值可以设定为8，亦即第一接面晶体管bt1与第二接面晶体管bt2的饱和电流比值约为1:8。

在本实施例中，第一电流镜110包括第一金属氧化物半导体晶体管m1及第二金属氧化物半导体晶体管m2。第一金属氧化物半导体晶体管m1具有接收系统电压vdd的源极(对应第一源/漏极)、第一栅极、以及耦接第一栅极及第一输入端ti1的漏极(对应第二源/漏极)。第二金属氧化物半导体晶体管m2具有接收系统电压vdd的源极(对应第三源/漏极)、耦接第一金属氧化物半导体晶体管m1的栅极的第二栅极、以及耦接第一输出端to1的漏极(对应第二源/漏极)。

在本实施例中，第二电流镜120包括第三金属氧化物半导体晶体管m3及第四金属氧化物半导体晶体管m4。第三金属氧化物半导体晶体管m3具有接收系统电压vdd的源极(对应第五源/漏极)、第三栅极、以及耦接第三栅极及第二输入端ti2的漏极(对应第六源/漏极)。第四金属氧化物半导体晶体管m4具有接收系统电压vdd的源极(对应第七源/漏极)、耦接第三金属氧化物半导体晶体管m3的第三栅极的第四栅极、以及耦接第二输出端to2的漏极(对应第八源/漏极)。

图1b为依据本发明一实施例的偏压电流、晶体管增益值与第四电流相对于温度的曲线示意图。请参照图1a及图1b，在本实施例中，曲线s111为偏压电流ibias的温度曲线，曲线s113为第四电流i4随温度上升的速率，曲线s115为第二接面晶体管bt2的增益值β随温度上升的速率。当电流源电路100的工作温度较高时，第二接面晶体管bt2的增益值β随温度上升的速率会大于第四电流i4随温度上升的速率，因此第二接面晶体管bt2的第二基极的电流会变小；当电流源电路100的工作温度较低时，第二接面晶体管bt2的增益值β随温度上升的速率会小于第四电流i4随温度上升的速率，因此第二接面晶体管bt2的第二基极的电流会变大。

请参照图1b，为了使偏压电流ibias呈现平坦，曲线s113(亦即第四电流i4随温度上升的速率)与曲线s115(亦即第二接面晶体管bt2的增益值β随温度上升的速率)会出现交叉点，因此曲线s113的斜率要低于曲线s115的斜率，亦即流经第一电阻r1的第四电流i4随温度上升的速率小于第二接面晶体管bt2的增益值随温度上升的速率。

图1c为依据本发明一实施例的不同工艺变数(tt,ff,ss,fs,sf)的偏压电流相对于温度的模拟示意图。请参照图1a及图1c，在本实施例中，所模拟偏压电流ibias的电流值大致为7.5na(奈安培)、8.5na、12na。通过电路模拟，偏压电流ibias在温度-40～125℃之间，电流波形会呈现平坦状，而电流的摆荡大致为1na，亦即电流的摆荡比例为10％。其中，tt代表typical-typical，ff代表fast-fast，ss代表slow-slow，fs代表fast-slow，以及sf代表slow-fast。

图2a为依据本发明另一实施例的电流源电路的电路示意图。请参照图2a与图1a，电流源电路200大致相同于电流源电路100，其不同之处在于电流源电路200更包括启动电路210，其中相同或相似元件使用相同或相似标号。在本实施例中，启动电路210耦接第一接面晶体管bt1的第一基极且接收启动信号en。当启动信号en使能时，于预设时间内提供启动电流ist至第一接面晶体管bt1的第一基极及第二接面晶体管bt2的第二基极，并且在电流源稳定后自行停止提供启动电流ist。

进一步来说，启动电路210包括第五金属氧化物半导体晶体管m5、第六金属氧化物半导体晶体管m6、第一电容c1、控制逻辑电路211及第一开关213。第五金属氧化物半导体晶体管m5具有耦接第一输入端ti1的源极(对应第九源/漏极)、第五栅极、以及耦接第一接面晶体管bt1的第一基极的漏极(对应第十源/漏极)。第六金属氧化物半导体晶体管m6具有接收系统电压vdd的源极(对应第十一源/漏极)、耦接第一电流镜110的第一金属氧化物半导体晶体管m1的第一栅极的第六栅极、以及漏极(对应第十二源/漏极)。

第一电容c1耦接于第六金属氧化物半导体晶体管m6的漏极与参考电压vr之间，以提供电容电压vc。控制逻辑电路210耦接收第一电容c1以提供电容电压vc，且耦接第五金属氧化物半导体晶体管m5的第五栅极以提供开关信号ssw至第五金属氧化物半导体晶体管m5的第五栅极，其中当电容电压vc小于启动临界值时，控制逻辑电路210使能开关信号ssw，当电容电压vc大于等于启动临界值时，禁能开关信号ssw。第一开关213具有耦接第一电容c1的第一端t1、接收启动信号en的控制端tc、以及接收参考电压vr的第二端t2。其中，启动临界值例如是1/2vdd。

在本实施例中，控制逻辑电路211包括反相器inv1及同或门xnor1。反相器inv1的输入端接收电容电压vc。同或门xnor1的输入端耦接反相器inv1的输出端及接收启动信号en的反相信号enb，同或门xnor的输出端提供开关信号ssw。其中，反相信号enb可以由电流源电路200外部的电路所提供，也可以在电流源电路200内部配置反相电路或反相器来产生，此可依据电路设计而定，本发明实施例不以此为限。

在本实施例中，第一开关213包括第七金属氧化物半导体晶体管m7。第七金属氧化物半导体晶体管m7具有耦接第一电容c1的漏极(对应第十三源/漏极)、接收启动信号en的反相信号enb的第七栅极、以及接收参考电压vr的源极(对应第十四源/漏极)。

依据上述，启动电路210的预设时间等于电容电压vc由参考电压vr上升至高准位电压范围(例如1/2vdd以上)的充电时间，亦即启动电路210的预设时间正比于第一电容c1的电容值且反比于第一电流i1的电流值。

进一步来说，在启动信号en使能前，亦即启动信号en为禁能，在此例如启动信号en为低电压准位，而反相信号enb为高电压准位。此时，第七金属氧化物半导体晶体管m7会呈现导通，以致于电容电压vc会为0(视为低电压准位)。并且，反相器inv1会输出高电压准位，同或门xnor1会输出高电压准位的开关信号ssw，以关闭第五金属氧化物半导体晶体管m5。

在启动信号en使能时，在此例如启动信号en为高电压准位，而反相信号enb为低电压准位。此时，第七金属氧化物半导体晶体管m7会呈现截止，而第六金属氧化物半导体晶体管m6的漏极的电流会对第一电容c1进行充电，以致于电容电压vc会上升，其中第六金属氧化物半导体晶体管m6的漏极的电流会镜射第一电压i1。

在电容电压vc上升至高准位电压范围前，电容电压vc可视为低电压准位。此时，反相器inv1会输出高电压准位，同或门xnor1会输出低电压准位的开关信号ssw，以导通第五金属氧化物半导体晶体管m5。当第五金属氧化物半导体晶体管m5导通时，部分的第一金属氧化物半导体晶体管m1的漏极的电流会流至第一接面晶体管bt1的第一基极及第二接面晶体管bt2的第二基极，以使第三接面晶体管bt3的第三射极的电流会快速上升。

当电容电压vc上升至高准位电压范围时，电容电压vc可视为高电压准位。此时，反相器inv1会输出低电压准位，同或门xnor1会输出高电压准位的开关信号ssw，以截止第五金属氧化物半导体晶体管m5。

图2b为依据本发明一实施例的偏压电流在工艺变数与高低温度相对于工作时间的曲线示意图。图2c为依据本发明另一实施例的偏压电流在工艺变数与高低温度相对于工作时间的曲线示意图。请参照图1a、图2a至图2c，当电流源电路没有启动电路时(如电流源电路100)，电流源电路100的第一接面晶体管bt1、第二接面晶体管bt2及第三接面晶体管bt3的电流靠着增益回路逐渐上升。进一步来说，第三接面晶体管bt3的第三基极的电流增益后产生第三接面晶体管bt3的第三射极的电流，而第三接面晶体管bt3的第三射极的电流等于第一接面晶体管bt1的第一基极的电流及第二接面晶体管bt2的第二基极的电流，以致于第二接面晶体管bt2的第二射极的电流(大致等于第一电流i1)会上升，进而第二电流i2会上升。

在同一工艺下，电流源电路100通过第一接面晶体管bt1、第二接面晶体管bt2及第三接面晶体管bt3所形成的增益回路，偏压电流ibias会逐渐上升至目标电流值(在此以5na为例)，而电流源电路100花费的时间约为260ms(毫秒)；而电流源电路200通过启动电路210提供启动电流ist至第一接面晶体管bt1的第一基极及第二接面晶体管bt2的第二基极，可加速偏压电流ibias上升至目标电流值的速度，而电流源电路200花费的时间约为130ms(毫秒)，亦即电流源电路200花费的时间约为电流源电路100花费的时间的一半。

综上所述，本发明实施例的电流源电路，其主要是由第一电流镜、第一接面晶体管、第二接面晶体管、第一电阻及第三接面晶体管所构成，并且基于接面晶体管的增益值的正温度系数特性，构成有温度补偿的电流源电路。藉此，电流源电路可提供与温度无关的偏压电流。而且，本发明的电流源电路只有第一电阻的其中一端与第一接面晶体管的第一射极共两个接脚耦接参考电压(例如为接地电压)，故可减少操作电流。并且，通过启动电路提供额外的启动电流至第一接面晶体管及第二接面晶体管的基极，以加速偏压电流的上升。此外，本发明可通过关闭第五金属氧化物半导体晶体管来关闭启动电路，故启动电路不会持续产生启动电流。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中相关技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视申请专利范围所界定者为准。