一种输出多种温度系数的电流基准电路的制作方法

1.本发明属于模拟集成电路技术领域，具体涉及一种输出多种温度系数的电流基准电路。


背景技术：

2.基准源电路在模拟集成电路的设计中扮演着重要的作用，广泛地应用在各种芯片中，例如数模转换器，电源管理类芯片、传感器芯片、检测芯片等。基准源电路是许多电路中非常重要的结构，电路系统性能的优劣直接受到电流基准源的精度和稳定性影响。除了常用的零温度系数的电压基准源外，电流基准在模拟集成电路设计中也很重要。由于电流在长金属线上没有损失，而电压却有损失，所以在布线比较复杂的模拟电路中，电流基准更受欢迎。
3.通常在模拟集成电路中需要多种形式的电流基准源。正温度系数(ptat：proportional to absolute temperature)电流用作放大器偏置以获得恒定的gm、负温度系数(ctat：complementary to absolute temperature)电流用作温度检测、零温度系数电流用作滤波器，以及用于产生电压基准。因此本发明设计了种输出多种温度系数的电流基准源电路。传统的电流基准电路通常需要单独设计ptat电流产生电路与ctat电流产生电路，结构较为复杂，功耗偏大，而该电流基准电路结构简单，管子数目相对较少，参数设计灵活。同时该电路还能产生零温度系数的基准电压源，且基准电压可以任意取值。该电路结构在低压、低功耗的电路中具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对上述电流基准源的各种性能要求，结构复杂，功耗较大的问题，本发明提出了一种输出多种温度系数的电流基准电路。将ptat电流产生电路的负反馈环路用作三极管的电流镜结构，节约了管子个数，适用于低电源电压供电；将ptat电流产生电路中的负反馈环路用于ctat电流产生的支路上，在不增加电路复杂度的同时，有效减小了电流支路，节省了面积，降低了功耗。
5.本发明的技术方案为：
6.一种输出多种温度系数的电流基准电路。包括启动电路，ptat电流产生电路，负反馈环路，ctat电流产生电路，多种温度系数电流产生电路。
7.所述启动电路包括第三npn型三极管q3、第四电阻r4、第七n型mos管m7。
8.第三npn型三极管q3的基极接第二npn型三极管q2的基极，第三npn型三极管q3的发射极接地，第三npn型三极管q3的集电极接第四电阻r4的一端，第四电阻r4的另一端接电源电压；第七n型mos管m7的栅极与漏极接在一起，接第三npn型三极管q3的集电极，第七n型mos管m7的源极接第二npn型三极管q2的集电极。
9.所诉ptat电流产生电路包括第一npn型三极管，第二npn型三极管，第一电阻，第一p型mos管，第二p型mos管。
10.第一npn型三级管的基极与第二npn型三极管的基极接在一起，第一npn型三极管的发射极接第一电阻，第二npn型三极管的发射极接地；第一电阻的另一端接地。
11.第一p型mos管的栅极与第二p型mos管的栅极接在一起，第一p型mos管的漏极接第一npn型三极管的集电极，第二p型mos管的漏极接接第二npn型三级管的集电极，第一p型mos管与第二p型mos管的源极接电源电压；第一p型mos管的栅极与第一p型mos管的漏极接在一起。
12.所诉负反馈环路包括第四n型mos管，第二npn型三极管。
13.第四n型mos管的栅极接第二npn型三极管的集电极，低四n型mos管的源极接第二npn型三极管的基极。
14.所述ctat电流产生电路包括第二电阻，第三p型mos管，第四n型mos管，第二npn型三极管。
15.第二电阻的一端接在第二npn型三极管的基极，另一端接地。第三p型mos管的漏极接第四n型mos管的漏极，第三p型mos管的源极接电源电压；第三p型mos管的栅极与第三p型mos管的漏极接在一起。
16.所诉多种温度系数电流产生电路包括第五p型mos管，第六p型mos管，第三电阻。
17.第五p型mos管的漏极与第六p型mmos管的漏极接在一起，第五p型mos管的栅极接第一p型mos管的栅极，第六p型mos管的栅极接第三p型mos管的栅极。第五p型mos管的源极与第六p型mos管的源极接电源电压。
18.第三电阻的一端接第五p型mos管与第六p型mos管的漏极，另一端接地。
19.本发明的有益效果为：发明采取的是电流叠加型的基准源设计，只需要调节ptat电流与ctat电流的比例系数，就可以获得多种温度系数的基准电流；本发明直接将ptat电流产生电路的负反馈环路用作三极管的电流镜结构，节约了管子个数，适用于低电源电压供电；本发明将ptat电流产生电路的负反馈环路直接用在了ctat电流产生电路上，相比于传统的结构，ptat电流产生电路与ctat电流产生电路是完全独立的，节约了电流支路，节省了面积，降低了功耗。此外，该电路不仅可以产生多种温度系数的基准电流，也可以获得零温度系数的基准电压。
附图说明
20.图1为传统的利用ptat电流产生与温度无关的电压基准的结构框架示意图。
21.图2为本发明所提出的一种ptat电流产生电路的结构框架示意图。
22.图3为本发明中三极管电流镜的实现方式的结构框架示意图。
23.图4为本发明所提出的一种ctat电流产生电路的结构框架示意图
24.图5为本发明所提出的一种带有启动电路的可输出多种温度系数的电流基准的结构框架示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施例，详细描述本发明的技术方案：
26.本发明提出一种输出多种温度系数的电流基准电路，包括启动电路、ptat电流产生电路、负反馈环路、ctat电流产生电路、多种温度系数电流产生电路。
27.如图5所示，启动电路包括第三npn型三极管q3、第四电阻r4、第七n型mos管m7，第三npn型三极管q3的基极接第二npn型三极管q2的基极，第三npn型三极管q3的发射极接地，第三npn型三极管q3的集电极接第四电阻r4的一端，第四电阻r4的另一端接电源电压；第七n型mos管m7的栅极与漏极接在一起，接第三npn型三极管q3的集电极，第七n型mos管m7的源极接第二npn型三极管q2的集电极。当给电源vdd上电时，有电流从电源流出，经过第四电阻r4，第七n型mos管m7，第四n型mos管m4，第二npn型三极管q2，流到地，形成了电流通路，电路启动。电路启动后，第三npn型三极管q3复制第二npn型三极管q2的电流，若将第四电阻r4的阻值设置较大，那么电压在第四电阻r4上的压降很大，从而第七n型mos管m7的栅极电位较低，第七n型mos管m7的栅源电压差vgs小于它的阈值电压vth，此时，第七n型mos管m7关断，启动电路关断。
28.如图2所示，ptat电流产生电路包括第一电阻r1，第一npn型三极管q1，第二npn型三极管q2、第一p型mos管m1，第二p型mos管m2，第五p型mos管m5。第一npn型三级管q1的基极与第二npn型三极管q2的基极接在一起，第一npn型三极管q1的发射极接第一电阻r1，第二npn型三极管q2的发射极接地；第一电阻r1的另一端接地；第一p型mos管m1的栅极与第二p型mos管m2的栅极接在一起，第一p型mos管m1的漏极接第一npn型三极管q1的集电极，第二p型mos管m2的漏极接接第二npn型三级管q2的集电极，第一p型mos管m1与第二p型mos管m2的源极接电源电压；第一p型mos管m1的栅极与第一p型mos管m1的漏极接在一起；第五p型mos管m5的栅极接第一p型mos管m1的栅极，第五p型mos管m5的源级接电源电压，第五p型mos管m5的漏极接电流输出端。第一p型mos管m1与第二p型mos管m2构成电流镜，使得第二p型mos管m2与第一p型mos管m1流过相同的电流，从而使得第一npn型三极管q1与第二npn型三极管q2流过相同的电流。通过设置第一npn型三极管q1与第二npn型三极管q2不同的面积比n，可以使得第一npn型三极管q1与第二npn型三极管q2有不同的基极发射极电压差vbe，由于第一npn型三极管q1与第二npn型三极管q2的基极电位相同，所以第一npn型三极管q1与第二npn型三极管q2的发射极电位不同，第一npn型三极管q1与第二npn型三极管q2的发射极会有一个电位差
△
vbe，而这个电位差刚好就等于第一电阻上的电压降。
△
vbe是一个与温度成正相关的电压，除以第一电阻r1(正温度系数电阻)的阻值就得到一个与温度成正相关的电流。第五p型mos管m5与第一p型mos管m1构成电流镜，第五p型mos管m5的电流为第一p型mos管m1的m倍，因此，得到的ptat输出电流表达式如式(1)所示。
[0029][0030]
如图2所示，反馈环路包括第四n型mos管m4与第二npn型三极管q2，第四n型mos管m4的栅极接第二npn型三极管q2的集电极，第四n型mos管m4的源极接第二npn型三极管q2的基极。当第二npn型三极管q2的集电极电位增加时，作为第四n型mos管m4的栅极输入，第四n型mos管m4的源极输出电位也增加，作为第二npn型三极管q2的基极输入，第二npn型三极管q2的集电极电位就降低，从而形成负反馈。同时，该负反馈环路也形成三极管的电流镜电路，如图3所示。第二npn型三极管q2的集电极经过第四n型mos管m4的一个vgs电位接到第二npn型三极管q2的基极，给第一npn型三极管q1、第二npn型三极管q2、第三npn型三极管q3提供了基极电位。因此，将其它npn型三极管的基极接在第二npn型三极管q2的基极，就可以复制第二npn型三极管q2的电流，起到了电流镜的作用。
[0031]
如图4所示，ctat电流产生电路包括第二电阻r2，第四n型mos管m4，第三p型mos管m3，第二npn型二极管q2，第六p型mos管m6。第二电阻的一端接在第二npn型三极管q2的基极，另一端接地。第三p型mos管m3的漏极接第四n型mos管m4的漏极，第三p型mos管m3的源极接电源电压；第三p型mos管m3的栅极与第三p型mos管m3的漏极接在一起；第六p型mos管m6的栅极接第三p型mos管的栅极，第六p型mos管m6的源级接电源电压，第六p型mos管m6的漏极接第三电阻r3。第二电阻r2的一端接在第二npn型三极管q2的基极，另一端接在第二npn型三极管q2的发射极，因此第二电阻两端的压降等于第二npn型三极管q2的基极发射极电压vbe，vbe是一个与温度成负相关的电压，除以第二电阻r2(正温度系数电阻)的阻值就得到一个与温度成负相关的电流。第六p型mos管m6与第三p型mos管m3构成电流镜，第六p型mos管m6的电流为第三p型mos管m3的k倍。因此，得到的ctat电流表达式如式(2)所示。
[0032][0033]
如图5所示，多种温度系数电流电压的产生电路包括第三电阻r3，第五p型mos管m5，第六p型mos管m6，第一p型mos管m1，第三p型mos管m3。第五p型mos管m5的漏极与第六p型mos管m6的漏极接在一起，第五p型mos管m5的栅极接第一p型mos管的栅极，第六p型mos管m6的栅极接第三p型mos管的栅极m3。第五p型mos管m5的源极与第六p型mos管m6的源极接电源电压。第三电阻r3的一端接第五p型mos管m5与第六p型mos管m6的漏极，另一端接地。第五p型mos管m5与第一p型mos管m1构成电流镜结构，合理设置第五p型mos管m5与第一p型mos管m1的面积之比(这里假设面积比为1)，就可以确定流过第五p型mos管m5的电流，该电流是一个正温度系数的电流。同样地，第六p型mos管m6与第三p型mos管m3构成电流镜结构，合理设置第六p型mos管m6与第三p型mos管m3的面积比，就可以确定流过第六p型mos管m6的电流，该电流是一个负温度系数的电流。第五p型mos管m5的ptat电流与第六p型mos管m6的ctat电流线性叠加，表达式如式(3)所示，通过对电路mos管参数设置不同的比例系数m与k就可以得到一个多种温度系数的电流，。
[0034][0035]
例如，若要获得一个零温度系数的电流，
[0036][0037]
因为在室温下，然而所以设置
[0038][0039]
就可以得到零温度系数的基准电流。
[0040]
若将这个零温度系数的电流流过第三电阻r3，在第三电阻上产生一个压降vref，就得到了一个零温度系数的电压，该电压值仅由第三电阻r3的阻值决定。因此，得到的与温度无关的电压基准的表达式如式(4)所示。
[0041][0042][0043]
只要使
[0044][0045]
就可以得到零温度系数的基准电压。
[0046]
综上所诉，本发明采取的是电流叠加型的基准源设计，只需要调节ptat电流与ctat电流的比例系数，就可以获得多种温度系数的基准电流。本发明直接将ptat电流产生电路的负反馈环路用作三极管的电流镜结构，节约了管子个数，适用于低电源电压供电。本发明将ptat电流产生电路的负反馈环路直接用在了ctat电流产生电路上，相比于传统的结构，ptat电流产生电路与ctat电流产生电路是完全独立的，节约了电流支路，节省了面积，降低了功耗。
[0047]
低了公告低了功耗。

技术特征：
1.一种输出多种温度系数的电流基准电路，其特征在于，包括正温度系数(pata)电流产生电路、负反馈环路、负温度系数(ctat)电流产生电路、多种温度系数电流产生电路，以及启动电路；所述ptat电流产生电路，用于为输出电阻提供正温度系数的电流；所述负反馈环路，用于为ptat电流产生电路提供稳定性需求；所述ctat电流产生电路，用于为输出电阻提供负温度系数的电流；所述多种温度系数电流产生电路，由ptat电流与ctat电流线性叠加，用于通过调节比例系数产生多种温度系数的基准电流；所述启动电路，用于当带隙基准电路处于简并工作状态时，由启动电路对基准电路进行启动。2.根据权利要求1所述的一种输出多种温度系数的电流基准电路，其特征在于，所诉ptat电流产生电路包括第一npn型三极管、第二npn型三极管、第一电阻、第一p型mos管、第二p型mos管；第一npn型三级管的基极与第二npn型三极管的基极接在一起，第一npn型三极管的发射极接第一电阻的一端，第二npn型三极管的发射极接地；第一电阻的另一端接地；第一p型mos管的栅极与第二p型mos管的栅极接在一起，第一p型mos管的漏极接第一npn型三极管的集电极，第二p型mos管的漏极接接第二npn型三级管的集电极，第一p型mos管与第二p型mos管的源极接电源电压；第一p型mos管的栅极与第一p型mos管的漏极接在一起。3.根据权利要求1或2所述的一种输出多种温度系数的电流基准电路，其特征在于，所诉负反馈环路包括第四n型mos管、第二npn型三极管；第四n型mos管的栅极接第二npn型三极管的集电极，第四n型mos管的源极接第二npn型三极管的基极。4.根据权利要求3所述的一种输出多种温度系数的电流基准电路，其特征在于，所述ctat电流产生电路包括第二电阻、第三p型mos管、第四n型mos管、第二npn型三极管；第二电阻的一端接在第二npn型三极管的基极，另一端接地；第三p型mos管的漏极接第四n型mos管的漏极，第三p型mos管的源极接电源电压；第三p型mos管的栅极与第三p型mos管的漏极接在一起。5.根据权利要求4所述的一种输出多种温度系数的电流基准电路，其特征在于，所诉多种温度系数电流产生电路，包括第五p型mos管，第六p型mos管，第三电阻；第五p型mos管的漏极与第六p型mmos管的漏极接在一起，第五p型mos管的栅极接第一p型mos管的栅极，第六p型mos管的栅极接第三p型mos管的栅极，第五p型mos管的源极与第六p型mos管的源极接电源电压；第三电阻的一端接第五p型mos管与第六p型mos管的漏极，另一端接地。6.根据权利要求5所述的一种输出多种温度系数的电流基准电路，其特征在于，所述启动电路包括第三npn型三极管、第四电阻、第七n型mos管；第三npn型三极管的基极接第二npn型三极管的基极，第三npn型三极管的发射极接地，第三npn型三极管的集电极接第四电阻的一端，第四电阻的另一端接电源电压；第七n型mos管的栅极与漏极接在一起，接第三npn型三极管的集电极，第七n型mos管m7的源极接第二
npn型三极管的集电极。
技术总结
本发明公开了一种输出多种温度系数的电流基准电路，属于模拟集成电路技术领域。包括正温度系数(PTAT：proportional to absolute temperature)电流产生电路、负反馈环路、负温度系数(CTAT：complementary to absolute temperature)电流产生电路、多种温度系数电流产生电路，以及启动电路。利用PTAT电流与CTAT电流的线性叠加，通过调节比例系数，便可以得到多种温度系数的电流基准源，可以满足各种不同电路的需求。PTAT电流产生电路中的负反馈环路直接用于三极管的电流镜结构，有效减小了电路中晶体管使用个数，适用于低电源电压供电；PTAT电流产生电路中的负反馈环路也直接用于CTAT电流产生支路上，而不是两个独立的结构，有效减少了电路中的电流支路，节省了面积，节约了功耗。约了功耗。约了功耗。


技术研发人员：张有润 赵乙蔷 程雨凡 康仕杰 章登福 李逸康 甄少伟 张波
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29