專利名稱：一種電流源的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路的設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電流源的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路工藝技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)可以在CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，中文互補金屬氧化物半導(dǎo)體)集成電路工藝上集成晶體管、電阻和電容等有源器件和無源器件。但是，設(shè)計的電路經(jīng)過集成電路生產(chǎn)工藝后，將產(chǎn)生與設(shè)計值不同的偏差，例如MOS(Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，中文金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管的閾值電壓的變化，MOS晶體管的長和寬的變化，電容值的大小變化，電阻值的大小變化。因此，在電路設(shè)計中，就經(jīng)常采用比例關(guān)系來改進上述工藝變化的問題，例如設(shè)計中盡量使用電阻或電容的比值關(guān)系，在工藝中將緩減和改進工藝偏差所帶來的影響。但是，在某些設(shè)計中，則需要用器件，如電阻或電容的絕對值來獲得精確的參考電壓源或參考電流源，那么，工藝的偏差將引起實際獲得的值與設(shè)計值之間的偏差。而且，現(xiàn)代的CMOS集成電路工藝在實現(xiàn)集成電阻時，工藝偏差最大，偏差范圍大約為±30％。這將很大的影響電路的工作。
現(xiàn)有的參考電壓都是用帶隙基準(zhǔn)電壓的方法產(chǎn)生的，如圖1所示為一參考電壓電路，而參考電流都是用基于帶隙基準(zhǔn)電壓的方法產(chǎn)生的參考電壓利用運算放大器電路而實現(xiàn)的，如圖2所示圖1中，設(shè)晶體管P1、P2和P3尺寸相同，電阻R1和R2相同。運算放大器的作用使得Va＝Vb，所以I1＝I2＝I3 (1)dVf＝Vf1-Vf2＝VT·ln(N)(2)進而可以推導(dǎo)獲得參考電壓VREF的值，如下表達式Vref=R4(Vf1R2+dVfR3)---(3)]]>如果直接從圖1中的P3的漏端獲得參考電流源，那么，
Iref=I3=VrefR4=(Vf1R2+dVfR3)---(4)]]>如果用圖2所示的參考電流源產(chǎn)生電路，則獲得的表達式如下Iref=I2=VrefR---(5)]]>從表達式(4)和(5)可知，利用參考電壓產(chǎn)生的參考電流都直接反比于電阻的絕對值。如果電阻發(fā)生工藝偏差±30％，那么，獲得的參考電流將受到工藝偏差帶來的巨大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種反比于絕對溫度的電流源的設(shè)計方法，補償和改進參考電流的設(shè)計，使工藝和電源電壓變化對獲得的參考電流的影響很低。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種電流源的設(shè)計方法，基于參考電壓電路利用運算放大電路而實現(xiàn)，包括兩個電流鏡，兩個電流鏡串聯(lián)后與參考電壓電路并聯(lián)，兩個電流鏡的兩個節(jié)點分別連接于參考電壓電路的兩個節(jié)點。
所述的電流鏡包括一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路。
所述的電流鏡分別為電流鏡A與電流鏡B，所述的電流鏡A的一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路的比例關(guān)系為1∶A∶A；所述的電流鏡B的一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路的比例關(guān)系為1∶B∶B，其中A與B是正變量。
所述的電流鏡A包括三個晶體管，三個晶體管的柵極連接到參考電壓電路中晶體管的柵極，三個晶體管的源極接電源電壓端，漏極連接電流鏡B。
所述的電流鏡B包括三個晶體管，三個晶體管的漏極對應(yīng)連接電流鏡A的三個晶體管的漏極；三個晶體管的源極接地；三個晶體管的柵極連接于參考電壓產(chǎn)生回路的晶體管的漏極或者連接到電流鏡A中比例為1的晶體管的漏極。
所述的電流鏡A與電流鏡B的三對晶體管的漏極節(jié)點中，電流鏡回路中的兩個節(jié)點分別連接于參考電壓電路的兩個節(jié)點。
由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明所述的一種電流源的設(shè)計方法涉及參考電壓源和參考電流源的設(shè)計，主要是應(yīng)用于模擬、數(shù)字和數(shù)模混合集成電路的設(shè)計中，可以作為許多模擬電路模塊，例如，濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，振蕩器，放大器等電路的參考電流源設(shè)計。本發(fā)明是基于參考電壓電路利用運算放大電路而實現(xiàn)，在原參考電壓電路上加兩個電流鏡，兩個電流鏡串聯(lián)后與參考電壓電路并聯(lián)，兩個電流鏡均包括一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路。通過本發(fā)明獲得的參考電流受工藝和電源電壓變化的影響很小，而反比于絕對溫度，也即具有負溫度系數(shù)。


圖1為現(xiàn)有的參考電壓和參考電流產(chǎn)生方法；圖2為現(xiàn)有的一種常用的參考電流產(chǎn)生方法；圖3為本發(fā)明所述的參考電流產(chǎn)生方法。
圖4為本發(fā)明所述方法的一個實施例。
圖5為本發(fā)明圖4實施例中，通過合理調(diào)整A和B的值，將給Va和Vb兩個節(jié)點注入一定量的電流，存在一個注入電流的區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，Va和Vb兩個節(jié)點的電壓基本保持不變；圖6為本發(fā)明圖4實施例中，在不同電源電壓和工藝條件下，晶體管P3漏端獲得的反比于絕對溫度的電流，可知，該電流對電源電壓和工藝的變化不敏感。
具體實施例方式
在現(xiàn)代的集成電路工藝中，可以實現(xiàn)匹配性很好的電流鏡。通常的一些產(chǎn)生電流源的方法，也可以用于實現(xiàn)本發(fā)明中的電流鏡。電流鏡的工作原理是基于半導(dǎo)體器件的工作原理而來，例如在CMOS工藝中，如果兩個MOS晶體管共源共柵，其中源端連接到電源，其漏極就可以組成匹配性很好的電流鏡。同樣，在bipolar(雙極型)工藝中，如果兩個雙極型晶體管共基共射，其中發(fā)射端連接到電源，其集電極就可以組成匹配性很好的電流鏡。通過調(diào)整組成電流鏡的晶體管之間的面積比，就可以在組成電流鏡的晶體管之間精確的實現(xiàn)與晶體管之間面積比相等的電流比。這里，晶體管可以是CMOS的，也可以是bipolar的。例如，在CMOS工藝中，通過調(diào)整組成電流鏡的晶體管的寬長比，就可以實現(xiàn)晶體管之間的面積比；在bipolar工藝中，通過調(diào)整組成電流鏡的晶體管的發(fā)射極的面積比，就可以實現(xiàn)電流鏡的電流比。
本發(fā)明所述的一種電流源的設(shè)計方法的具體實施方案如圖3所示，是基于參考電壓電路利用運算放大電路而實現(xiàn)，在原參考電壓電路上加兩個電流鏡，兩個電流鏡串聯(lián)后與參考電壓電路并聯(lián)，兩個電流鏡均包括一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路。兩個電流鏡分別為電流鏡A與電流鏡B，所述的電流鏡A的一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路的比例關(guān)系為1∶A∶A；所述的電流鏡B的一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路的比例關(guān)系為1∶B∶B。其中A與B是正變量。其中A和B表示該電流鏡回路支路的電流是標(biāo)準(zhǔn)參考電壓產(chǎn)生回路支路電流的A倍和B倍。兩個電流鏡中的兩個節(jié)點Va和Vb連接到了參考電壓電路的兩個節(jié)點上。由于Va和Vb兩個節(jié)點是對稱的，那么Ip＝I1b+I1a＝I2b+I2a，如圖3所示，如果調(diào)整A和B的值，可以分別給Va和Vb兩個節(jié)點注入相等數(shù)量的電流Id。存在一個區(qū)間Imin，Imax，當(dāng)(6)式成立時，Im in＜IP＜Im ax (6)Va和Vb兩個節(jié)點的電壓可以基本保持不變。再加上運算放大器的作用，那么，運算放大器的輸出電壓也基本保持不變，于是，晶體管P1和P2的源極、柵極和漏極的電壓都基本保持不變，那么，流過晶體管P1和P2的電流就基本保持不變。
于是，通過合理的調(diào)整A和B的值，使得在工藝和電源電壓發(fā)生變化的時候，Ip滿足(6)式，那么，Va和Vb兩個節(jié)點的電壓可以基本保持不變。進而可以使得流過晶體管P1和P2的電流就基本保持不變，于是，晶體管P3漏端的電流也就基本保持不變。
由于在Va和Vb兩個節(jié)點注入了一定數(shù)量的電流Id，Va和Vb兩個節(jié)點原有的溫度補償特性被破壞，二極管或雙極型晶體管的基極和發(fā)射極結(jié)的電流占主要地位，同時，二極管或雙極型晶體管的基極和發(fā)射極結(jié)的電流溫度特性是負的。于是，通過圖3中晶體管P3的漏端獲得的參考電流雖然受工藝和電源電壓的變化的影響很小，但與絕對溫度成反比例變化。進一步，如果用本發(fā)明獲得的參考電流和具有正溫度系數(shù)的電流合并，將獲得對工藝、溫度和電源電壓變化都不敏感的參考電流。
本發(fā)明的一個具體實施例，如圖4所示。圖3中的兩個電流鏡分別用晶體管P4、P5、P6和N1、N2和N3來實現(xiàn)。其中，晶體管P4、P5和P6的柵極連接到參考電壓產(chǎn)生電路中晶體管P1和P2的柵極，晶體管P4、P5和P6的源極連接到了電源電壓端，這樣晶體管P4、P5和P6，以及晶體管P1和P2就形成了電流鏡，晶體管P1、P2、P4、P5和P6的漏電流之間的比值就等于這些晶體管的面積比。同樣，晶體管N1的柵極和漏極短路連接，然后連接到P4的漏端，而晶體管的N1的源極連接到地線，這樣，晶體管N1和晶體管P4就形成了電流產(chǎn)生回路(或者說是參考電壓產(chǎn)生回路，用于產(chǎn)生電流鏡B的參考電壓)，流過晶體管N1的電流等于流過晶體管P4的電流。而晶體管N2和N3的柵極和晶體管N1的柵極相連，晶體管N2和N3的源極和晶體管N1的源極一樣也連接到了地線端，于是，晶體管N1、N2和N3就形成了電流鏡，流過晶體管N1、N2和N3漏端的電流之間的比就等于晶體管N1、N2和N3之間的面積比。同樣，在實施過程中，也可以使用其它種類的電流鏡結(jié)構(gòu)，使用其它種類和結(jié)構(gòu)的電流鏡也屬于本發(fā)明的范疇。
圖5為本發(fā)明圖4實施例中，通過合理調(diào)整A和B的值，將給Va和Vb兩個節(jié)點注入一定量的電流，存在一個注入電流的區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，Va和Vb兩個節(jié)點的電壓基本保持不變。橫軸為注入電流的值，縱軸為Va和Vb兩個節(jié)點的電壓；圖中的VDD＝3.0，VDD＝3.3和VDD＝3.6對應(yīng)于電源電壓的3.0V，3.3V和3.6V。
圖6為本發(fā)明圖4實施例中，在不同電源電壓和工藝條件下，晶體管P3漏端獲得的反比于絕對溫度的電流，可知，該電流對電源電壓和工藝的變化不敏感。橫軸為溫度，縱軸為P3漏端的電流。圖中標(biāo)識的3.0，3.3和3.6對應(yīng)于3.0V，3.3V和3.6V的電源電壓，min，typ和max對應(yīng)于工藝變化，這里相應(yīng)于±30％的工藝變化。由圖6可知，在上述的工藝和電源電壓變化時，本發(fā)明獲得的電流源的精度可以控制在±5％。
另外，本發(fā)明使用CMOS工藝電路作為實施例，如果使用其它工藝實現(xiàn)，如BiCMOS(Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，中文雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝，Bipolar(雙極型)工藝等，也都屬于本發(fā)明的范疇。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，如果將本發(fā)明獲得的電流源與具有正溫度系數(shù)的電流合并，將可以獲得對工藝、溫度和電源電壓變化都不敏感的電流源。但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電流源的設(shè)計方法，基于參考電壓電路利用運算放大電路而實現(xiàn)，其特征在于，包括兩個電流鏡，兩個電流鏡串聯(lián)后與參考電壓電路并聯(lián)，兩個電流鏡的兩個節(jié)點分別連接于參考電壓電路的兩個節(jié)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流源的設(shè)計方法，其特征在于，所述的電流鏡包括一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流源的設(shè)計方法，其特征在于，所述的電流鏡分別為電流鏡A與電流鏡B，所述的電流鏡A的一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路的比例關(guān)系為1∶A∶A；所述的電流鏡B的一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路的比例關(guān)系為1∶B∶B，其中A與B是正變量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電流源的設(shè)計方法，其特征在于，所述的電流鏡A包括三個晶體管，三個晶體管的柵極連接到參考電壓電路中晶體管的柵極，三個晶體管的源極接電源電壓端，漏極連接電流鏡B。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電流源的設(shè)計方法，其特征在于，所述的電流鏡B包括三個晶體管，三個晶體管的漏極對應(yīng)連接電流鏡A的三個晶體管的漏極；三個晶體管的源極接地；三個晶體管的柵極連接于參考電壓產(chǎn)生回路的晶體管的漏極或者連接到電流鏡A中比例為1的晶體管的漏極。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電流源的設(shè)計方法，其特征在于，所述的電流鏡A與電流鏡B的三對晶體管的漏極節(jié)點中，電流鏡回路中的兩個節(jié)點分別連接于參考電壓電路的兩個節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明所述的一種電流源的設(shè)計方法涉及參考電壓源和參考電流源的設(shè)計，主要是應(yīng)用于模擬、數(shù)字和數(shù)模混合集成電路的設(shè)計中，可以作為許多模擬電路模塊，例如，濾波器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，振蕩器，放大器等電路的參考電流源設(shè)計。本發(fā)明是基于參考電壓電路利用運算放大電路而實現(xiàn)，在原參考電壓電路上加兩個電流鏡，兩個電流鏡串聯(lián)后與參考電壓電路并聯(lián)，兩個電流鏡均包括一路參考電壓產(chǎn)生回路與兩路電流鏡回路。通過本發(fā)明獲得的參考電流受工藝和電源電壓變化的影響很小，而與溫度的絕對值成反比，也即具有負溫度系數(shù)的參考電流。
文檔編號G05F3/26GK1949122SQ20051011258
公開日2007年4月18日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
發(fā)明者王海永, 吳南健, 壽國梁 申請人:北京六合萬通微電子技術(shù)有限公司