专利名称：一种高摆幅可编程电流源的制作方法
—种高摆幅可编程电流源技术领域
本发明属于电流源，具体涉及一种高摆幅可编程电流源。
背景技术：
在高压电源领域，需要电流大小可调、输出电流恒定的电流源时，一般实现方法如图1所示的可编程电流源电路。首先产生一路基准参考电流，然后通过电流镜，产生多路与基准参考电流成比例的镜像电流，通过开关控制，选择一路或者多路镜像电流，产生所需大小的电流。
图2为现有可编程电流源的基准电路100和镜像电路101的电路图。基准电路100由高压PMOS管Ml和M2组成。基准参考电流IREF流过基准电路100，产生电流镜管栅端偏置电压VBIAS、级联管栅端偏置电压VCAS。镜像电路101，由高压PMOS管M3、M4、M5组成。M3为电流镜管，电流镜管栅端偏置电压VBIAS为M3提供栅端偏置电压，使得M3工作在饱和区，根据公式，M3的漏端输出电流:ld=0.5K' (ff/L) (Vgs-Vth)2 (1+AVds)，只要Vgs和Vds不变，输出电流Id不变。M4为级联管，使得电流源输出端IOUT电压变化时，M3的漏源电压Vds基本不变，用于增加电流源的输出阻抗，提高输出电流稳定性。M5为开关管，用于选择镜像电路101是否接入可编程电流源，控制电流源的电流大小。
上述传统的高压电源域可编程电流源存在输出摆幅受限的问题。分析其原因:一是高压管的阈值电压比低压管的阈值电压大，在满足相同电流精度和良率的情况下，高压管所需的饱和压降Vds更大；二是开关管加在电流通路上，要消耗电压降。假设电源电压VCC为9V，高压PMOS管阈值电压Vth为1.5V，电流源输出摆幅最高为:VCC-VdSi^-Vdsc^-Vdswteh,其中，VdsBIA S为电流镜管的漏源电压，Vdsas为级联管的漏源电压，Vdsswitdl为开关管的漏源电压。要使各器件工作在饱和区，临界状态下:VdsBIAS=lV、VdsCAS=0.5V、Vdsswitch=0.3V，负载上的压降最高为:VCC-lV-0.5V-0.3V=7.2V，负载电阻为4ΚΩ时，电流源无法提供所需的2mA电流。发明内容
本发明的目的是提供一种高摆幅可编程电流源，以增加可编程电流源的输出摆幅，使其在输出电流不同、负载情况不同的情况下，尽量保持可编程电流源输出电流的稳定性。
实现本发明目的采用的技术方案如下: 本发明提供的高摆幅可编程电流源，包括基准电路、镜像电路、保护电路； 所述基准电路由第一低压PMOS管和第一、二高压PMOS管组成；第一高压PMOS管的源端接电源电压，漏端和栅端与第二高压PMOS管的栅端连接在一起接级联管栅端偏置电压；第一低压PMOS管的源端接电源电压，栅端和第二高压PMOS管的漏端连接在一起接电流镜管栅端偏置电压，漏端接第二高压PMOS管的源端；所述镜像电路由第二低压PMOS管、第三、四、五、六、七高压PMOS管组成；第二低压PMOS管的源端接电源电压，栅端接第四、五高压PMOS管的漏端，漏端接第三高压PMOS管的源端；第三高压PMOS管的栅端接第六、七高压PMOS管的漏端，漏端接电流源输出； 所述保护电路由第八、九高压PMOS管组成，跨接在第二低压PMOS管的源端和栅端之间；第八高压PMOS管的源端接电源电压，漏端和栅端连到第九高压PMOS管的源端；第九高压PMOS管的漏端和栅端连在一起接电流镜管栅端偏置电压。
与现有的可编程电流源相比，本发明的优点:一是采用低压PMOS管代替原来的高压PMOS管作为电流镜管，工作在高压电源域，在同等的失配和输出阻抗要求下，VdsBIAS将大幅下降；二是把开关从原来的电流通道挪到电流镜管和级联管的栅端，可节约原来开关占用的电压Vdsswitdl ;三是为了解决采用低压管工作在高压电源域下可能会被意外击穿的风险，加入了保护电路，以箝位低压电流镜管的Vds和Vgs电压，保护低压管。这样带来的好处是提高了电流源的输出摆幅。假设电源电压VCC为9V，电流源输出摆幅最高为:VCC-VdsBIAS-VdsCAS,对于低压PMOS管而言，VdsBIAS最低可降至0.3V，级联管仍为高压管，VdsCAS为0.3V，则负载上的压降最高为:VCC-0.3V-0.3V=8.4V，即使负载为4ΚΩ，电流源也能提供稳定的2mA电流。本发明在电源电压固定的情况下，最大限度地增加了可编程电流源的输出摆幅。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
图1是现有可编程电流源的电路示意图。
图2是现有可编程电流源中的基准电路、镜像电路示意图。
图3是本发明的电路示意图。
图4是本发明中的基准电路、镜像电路、保护电路示意图。
具体实施方式
本发明如图3、图4所示，包含基准电路、镜像电路、保护电路。
基准电路200由低压PMOS管PMl和高压PMOS管M2、M3组成；高压PMOS管M2的源端接电源电压VCC，漏端和栅端与高压PMOS管M3的栅端连接在一起接级联管栅端偏置电压VCAS，参考电流IB流过高压PMOS管M2，产生级联管栅端偏置电压VCAS ;低压PMOS管PMl的源端接电源电压VCC，栅端和高压PMOS管M3的漏端连接在一起接电流镜管栅端偏置电压VBIAS，漏端接高压PMOS管M3的源端，参考电流IREF流过低压PMOS管PMl和高压PMOS管M3产生电流镜管栅端偏置电压VBIAS。
镜像电路201由低压PMOS管PM6、高压PMOS管M14、M15、M16、M17、M18组成；低压PMOS管PM6的源端接电源电压VCC，栅端接高压PMOS管M15、M16的漏端，漏端接高压PMOS管M14的源端；高压PMOS管M14的栅端接高压PMOS管M17、M18的漏端，漏端接电流源输出端IOUT ;其中，低压PMOS管PM6为电流镜管，高压PMOS管M14为级联管，高压PMOS管M15、M16、M17、M18为开关管，高压PMOS管M15、M16组成一个二选一开关，用于控制低压电流镜管PM6的栅端电压，高压PMOS管M17、M18组成一个二选一开关，用于控制高压级联管M14的栅端电压。
B<0>与ΒΝ〈0>反相，为开关控制信号，B〈0>接电源电压VCC，为逻辑“ I ”，ΒΝ<0>接地，为逻辑“O”，M15导通、M16截止，低压电流镜管PM6栅端接电源电压VCC，低压电流镜管PM6截止；M17导通、M18截止，高压级联管M14栅端接电源电压VCC，高压管M14截止，镜像电路201无电流。B〈0>接地，为逻辑“0”，8%0>接电源电压VCC，为逻辑“1”，M15截止、Μ16导通，低压电流镜管ΡΜ6栅端接电流镜管栅端偏置电压VBIAS，低压电流镜管ΡΜ6导通;Μ17截止、Μ18导通，高压级联管Μ14栅端接级联管栅端偏置电压VCAS，高压管Μ14导通，镜像电路201接入可编程电流源。
镜像电路201中低压电流镜管ΡΜ6与基准电流中低压PMOS管PMl的类型、尺寸相同，镜像电路201中高压级联管Μ14与基准电流中高压PMOS管M3的类型、尺寸相同，镜像电路201输出电流的大小等于基准参考电流IREF。其他的镜像电路与镜像电路201类似，同样由低压PMOS电流镜管、高压PMOS级联管、高压PMOS开关管组成。第2路镜像电路，是镜像电路201复制2份，流过的电流是2*IREF，开关控制信号为B〈l>和BN〈1> ;第3路镜像电路，是镜像电路201复制22份，流过的电流是22*IREF，开关控制信号为B〈2>和BN〈2> ;依此类推，第i+Ι路镜像电路，是镜像电路201复制21份，流过的电流是24IREF，开关控制信号为B〈i>和BN〈i>，其中，i可取O到7之间并包含O和7的整数。B〈i>为逻辑“1”3%1>为逻辑“0”，第i+Ι路镜像电路不接入可编程电流源；B〈i>为逻辑“0”，BN<i>为逻辑“1”，第i+Ι路镜像电路接入可编程电流源。可编程电流源总的输出电流1ut为:1ut = IREF* (BN〈0>+BN〈1>*2+BN〈2>*4+BN〈3>*23+BN〈4>*24+BN〈5>*25+BN〈6>*26+BN〈7>*27) 控制信号B〈i>取不同的值，可编程电流源的输出电流1ut的值不同。B〈i>全为“1”，即BN〈i>全为“0”，1ut的值最小，为O ；B<i>全为“0”，即BN〈i>全为“ 1”，1ut的值最大，为255*IREF。通过B〈i>的不同取值，1ut的值可以在0 255*IREF间变化，最小间隔为IREF。如果可编程电流源的精度要求比较高，动态范围比较大，当前的最小间隔IREF和8比特变化范围不足以满足要求，可调整基准参考电流IREF的值、增加镜像电路和开关控制信号的位数。这样会导致版图的面积和布局布线难度的增加。
保护电路202由高压PMOS管M4、M5组成，跨接在低压PMOS管PMl的源端和栅端之间；高压PMOS管M4的源端接电源电压VCC，漏端和栅端连到高压PMOS管M5的源端；高压PMOS管M5的漏端和栅端连在一起接电流镜管`栅端偏置电压VBIAS ;正常工作时，低压PMOS管PMl源端与栅端的压降较小，低于保护电路202的启动电压，高压PMOS管M4、M5处于截止状态，不影响电流源的工作，在可编程电流源工作的上电瞬间，若低压PMOS管PMl源端、栅端压差过大，超过保护电路202的启动电压，高压PMOS管M4、M5导通，对低压PMOS管PMl源端、栅端电压差进行箝位，以保护低压PMOS管PMl的栅氧化层不会被击穿，同时，在选择开关已打开的情况下，保护电路202可保护镜像电路的低压电流镜管的栅氧化层不会被击穿，电路稳定后，恢复到正常工作状态，保护电路202停止工作。
保护电路203的结构与保护电路202的结构相同，同样由高压PMOS管组成，二者工作原理也类似，不同之处在于:保护电路203箝位的是镜像电路中低压电流镜管的源端与漏端电压差，以保护低压电流镜管的源端、漏端不会被击穿。
权利要求
1.一种高摆幅可编程电流源，其特征是包括基准电路、镜像电路、保护电路； 所述基准电路由第一低压PMOS管和第一、二高压PMOS管组成；第一高压PMOS管的源端接电源电压，漏端和栅端与第二高压PMOS管的栅端连接在一起接级联管栅端偏置电压；第一低压PMOS管的源端接电源电压，栅端和第二高压PMOS管的漏端连接在一起接电流镜管栅端偏置电压，漏端接第二高压PMOS管的源端； 所述镜像电路由第二低压PMOS管、第三、四、五、六、七高压PMOS管组成；第二低压PMOS管的源端接电源电压，栅端接第四、五高压PMOS管的漏端，漏端接第三高压PMOS管的源端；第三高压PMOS管的栅端接第六、七高压PMOS管的漏端，漏端接电流源输出； 所述保护电路由第八、九高压PMOS管组成，跨接在第二低压PMOS管的源端和栅端之间；第八高压PMOS管的源端接电源电压，漏端和栅端连到第九高压PMOS管的源端；第九高压PMOS管的漏端和栅端连在一起接电流镜管栅端偏置电压。
全文摘要
本发明公开了一种高摆幅可编程电流源，包括基准电路、镜像电路、保护电路。所述基准电路由第一低压PMOS管和第一、二高压PMOS管组成；所述镜像电路由第二低压PMOS管、第三、四、五、六、七高压PMOS管组成；所述保护电路由第八、九高压PMOS管组成。本发明的优点一是在同等的失配和输出阻抗要求下，VdsBIAS将大幅下降；二是可节约原来开关占用的电压Vdsswitch；三是利用高压MOS管，以箝位低压电流镜管的Vds和Vgs电压，保护低压管。这样带来的好处是提高了电流源的输出摆幅。
文档编号G05F3/26GK103149967SQ201310050390
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月11日 优先权日2013年2月11日
发明者刘文用, 马剑武, 陈君, 林剑辉 申请人:湖南融和微电子有限公司