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CN106527558A - 一种低功耗的与绝对温度成正比的电流源电路 - Google Patents

一种低功耗的与绝对温度成正比的电流源电路 Download PDF

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CN106527558A
CN106527558A CN201611204730.9A CN201611204730A CN106527558A CN 106527558 A CN106527558 A CN 106527558A CN 201611204730 A CN201611204730 A CN 201611204730A CN 106527558 A CN106527558 A CN 106527558A
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ptat
electric current
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Changsha In Blx Ic Design Corp
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10—Regulating voltage or current 
    • G05F1/46—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC
    • G05F1/56—Regulating voltage or current  wherein the variable actually regulated by the final control device is DC using semiconductor devices in series with the load as final control devices
    • G05F1/561—Voltage to current converters

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Abstract

本发明公开了一种低功耗的与绝对温度成正比（PTAT）的电流源电路。本电路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。本电路的所有MOS管均工作在亚阈值区，电流均为纳安级，因此正常工作时的功耗非常低；而且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。

Description

一种低功耗的与绝对温度成正比的电流源电路
技术领域
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。
发明内容
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IPTAT，NMOS管M4的栅极电压为VA。
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，IDS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。COX＝εOX/tOX是栅氧化层电容，εOX是氧化物介电常数，tOX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。VGS是MOS管的栅源电压，VT＝kBT/q是热电压，具有正温度系数，kB是玻尔兹曼常数，q是电子电荷，VTH是MOS管的阈值电压，VTH(T)＝VTH(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，VTH是一个负温度系数，而在此结构中I0、IDS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VA为：
因此，
I1＝VDD-(VGS1+VGS2)/R1
式中，VGS1和VGS2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：
IPTAT＝(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。

Claims (1)

1.一种低功耗的与绝对温度成正比的电流源电路，其特征在于：
电路由MMOS管M1、NMOS管M2、NMOS管M3、NMOS管M4、电阻R1、电阻R2组成；系统电源VDD连接到NMOS管M4的漏极和电阻R1的一端；地信号GND连接到NMOS管M2、M3和M5的源极；NMOS管M2的栅极和漏极连接到NMOS管M1的源极；M1的栅极和漏极连接到电阻R1的一端以及M4的栅极；M4的源极和电阻R2的一端相连；R2的另一端连接M3的栅极和漏极以及M5的栅极；M5的漏极即为与绝对温度成正比（PTAT）电流的输出端。
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