李 健，李現(xiàn)坤，孫 峰，肖培磊，宣志斌

（1.江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫214122；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214072）

基于自偏置結(jié)構(gòu)的參考電流源電路

李 健1，李現(xiàn)坤2，孫 峰2，肖培磊2，宣志斌2

（1.江南大學(xué)，江蘇無(wú)錫214122；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫214072）

在傳統(tǒng)參考電流源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，與電源電壓、溫度無(wú)關(guān)的參考電流源，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了自偏置電路鏡像電流的精度，更好地提高整個(gè)電路的性能。該電路基于SMIC 0.18μm BCD CMOS工藝，使用Cadence仿真軟件進(jìn)行電路仿真。結(jié)果表明，在-55～125℃的溫度范圍內(nèi)，該電路的輸出電流變化不超過(guò)3%，并且優(yōu)化后的電流源鏡像精度也得到了大幅度的提高。

參考電流源；自偏置電路；Cadence

1 引言

參考電流源是模擬和混合信號(hào)集成電路的重要單元電路，它被廣泛應(yīng)用于低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LDO)、溫度傳感器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、射頻收發(fā)器、Flash存儲(chǔ)器等電路中。作為整個(gè)電路或者系統(tǒng)的“基準(zhǔn)”，其性能直接影響電路的性能，因此，參考電流源應(yīng)該具有良好的抗干擾能力，例如在一定的電源電壓變化范圍內(nèi)的變化小、在工作溫度內(nèi)受溫度變化影響小[1]、受工藝參數(shù)影響小等。

實(shí)際上，在集成電路的應(yīng)用中，電源電壓和工作溫度等應(yīng)用往往比較惡劣，電壓值通常會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，溫度往往是在-40～125℃內(nèi)變化。因此為了能夠給電路或者系統(tǒng)提供穩(wěn)定、理想的電流源，需要盡量減小參考電流源電路對(duì)電源電壓、溫度甚至工藝等因素的敏感度。事實(shí)上，因?yàn)榇蠖鄶?shù)工藝參數(shù)是隨著溫度變化的，所以如果一個(gè)參考電流源是與溫度無(wú)關(guān)的，那么通常它也是與工藝無(wú)關(guān)的。所以，一般而言參考電流源最重要的兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)就是溫度特性和電源電壓抑制特性。

本文在對(duì)電源電壓不敏感的傳統(tǒng)參考電流源電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)不同的電路結(jié)構(gòu)引入不同的約束關(guān)系，對(duì)參考電流源進(jìn)行了改進(jìn)，分別產(chǎn)生出與溫度成反比的負(fù)溫度系數(shù)、與溫度成正比的正溫度系數(shù)的參考電流源電路，并且基于以上兩種關(guān)系，提出了一種與電源電壓、溫度無(wú)關(guān)的參考電流源電路[2]。最后，本文還在此基礎(chǔ)上對(duì)自偏置電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，可進(jìn)一步提高參考電流源的精度，從而提高整個(gè)電路系統(tǒng)的性能。

2 參考電流源結(jié)構(gòu)及電路實(shí)現(xiàn)

為了滿足與電源電壓無(wú)關(guān)的要求，使用了自偏置電路結(jié)構(gòu)[3]，使得參考電流不隨電源電壓變化。為了滿足本設(shè)計(jì)中與溫度無(wú)關(guān)的要求，采用了如今主流的溫度補(bǔ)償技術(shù)，它的核心思想是將具有正溫度系數(shù)的組件和具有負(fù)溫度系數(shù)的組件進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，得出在特定溫度范圍內(nèi)，均有零溫度系數(shù)的參考電流。由于傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)源中使用了運(yùn)算放大器，而運(yùn)放會(huì)受到輸入“失調(diào)”的影響[4]，從而影響了基準(zhǔn)源的輸出，本設(shè)計(jì)舍棄了傳統(tǒng)基準(zhǔn)中的運(yùn)放結(jié)構(gòu)，提出了一種新型參考電流源電路，進(jìn)一步提高了性能。

2.1 與電源電壓無(wú)關(guān)的參考電流源

參考電流源及偏置電路的目的是為電路提供穩(wěn)定理想的電流源或電壓源，盡量減小電路對(duì)電源電壓、溫度甚至工藝等因素的敏感度。圖1是一種基于自偏置結(jié)構(gòu)的對(duì)電源電壓不敏感的參考電流源電路。由 MP1、MP2、MN1、MN2 組成的自偏置電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)MN1與MN2的寬長(zhǎng)比(W/L)成比例，將電阻R和參考電流源Iref引入約束關(guān)系：

其中，μ是電子遷移率，COX為單位面積的柵氧化層電容，VTH為NMOS管閾值電壓。

從而得到一個(gè)與電源電壓無(wú)關(guān)的參考電流源：

從式(4)中可以得知參考電流源Iref的一些不足之處，由于μ、COX均為工藝參數(shù)，可以得知參考電流源Iref與電源電壓無(wú)關(guān)，但與工藝參數(shù)、溫度有關(guān)。

圖1 對(duì)電源電壓不敏感的參考電流源電路

2.2 與溫度無(wú)關(guān)的參考電流源

與溫度關(guān)系很小甚至無(wú)關(guān)的參考電壓或電流源在許多模擬電路中是必不可少的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)工藝參數(shù)是隨溫度變化的，所以如果一個(gè)參考電流源是與溫度無(wú)關(guān)的，那么通常它也是與工藝無(wú)關(guān)的。

參考電流源的主要工作原理就是利用工藝參數(shù)隨溫度變化的特性，將兩種擁有相反溫度系數(shù)的電流以合適的權(quán)重相加，最終獲得具有零溫度系數(shù)的參考電流源。

2.2.1 負(fù)溫度系數(shù)參考電流源

本文通過(guò)引入負(fù)溫的電壓參數(shù)，產(chǎn)生負(fù)溫的參考電流源。雙極晶體管的基極-發(fā)射極電壓VBE，或者更一般地說(shuō)，PN結(jié)二極管的正向電壓，具有負(fù)溫度系數(shù)，因此，在與電源電壓無(wú)關(guān)的電流源基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)PNP三極管Q1，如圖2所示，其中三極管的發(fā)射極與MN1管的源極相連接，三極管的基極和集電極與地連接。由于自偏置電路結(jié)構(gòu)，圖2中A、B兩點(diǎn)的電壓相等，于是電阻R1上的電壓就是PNP三極管上的PN發(fā)射結(jié)電壓，使參考電流源成為一個(gè)與溫度相反的負(fù)溫電流源。

電路的具體工作原理如下。由于MP1與MP2、MN1與MN2各自是一對(duì)電流鏡，其電流相等，得到如下關(guān)系：

最終參考電流Iref為：

其中，VBE為三極管發(fā)射極PN結(jié)電壓，是一個(gè)與溫度相反的負(fù)溫電壓，因此，參考電流Iref為一個(gè)負(fù)溫的電流。

2.2.2 正溫度系數(shù)參考電流源

同樣，通過(guò)引入正溫的電壓參數(shù)來(lái)產(chǎn)生正溫的參考電流源。兩個(gè)雙極晶體管工作在不相等的電流密度下，其基極-發(fā)射極電壓的差值與絕對(duì)溫度成正比。于是，在與電源電壓無(wú)關(guān)的電流源基礎(chǔ)上，引入了兩個(gè)NPN三極管Q1和Q2，如圖3所示，由于A、B兩點(diǎn)處的電壓相等，從而可以知道電阻R1上的電壓為兩個(gè)三極管的基極-發(fā)射極電壓之差，又因?yàn)閮蓚€(gè)三極管工作在不同的電流密度下，因此產(chǎn)生的基極-發(fā)射極電壓之差是一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電壓，最終產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電流。

圖2 增加了PNP三極管Q1的參考電流源電路

電路的具體工作原理如下，結(jié)合圖3，可以得到如下關(guān)系：

其中，ΔVBE是兩三極管基極-發(fā)射極電壓之差，由于Q1和Q2的發(fā)射極面積不同，所以ΔVBE與絕對(duì)溫度成正比，因此，此時(shí)得到的參考電流Iref是一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電流。

2.2.3 零溫度系數(shù)參考電流源

根據(jù)上面的分析可以知道，利用具有負(fù)溫度系數(shù)的電流和正溫度系數(shù)的電流進(jìn)行權(quán)重的相加，可以得到一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的參考電流。由此，本文提出了一種與電源電壓、溫度無(wú)關(guān)的參考電流源電路，電路結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。其中，MP1、MP2、MN1、MN2組成自偏置電路結(jié)構(gòu)，提供自偏置電流[5]，由于A、B兩點(diǎn)電壓保持相等，使得加在電阻R1上的電壓即為Q1、Q2基極-發(fā)射極電壓之差ΔVBE，而加在R2上的電壓即為Q1的基極發(fā)射極電壓ΔVBE1，由此可分別產(chǎn)生一個(gè)正溫度系數(shù)電流和負(fù)溫度系數(shù)電流，最終產(chǎn)生一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的參考電流。結(jié)合圖4可得到如下關(guān)系：最終得到參考電流源：

式(13)中，第一部分ΔVBE/R1是一個(gè)正溫度系數(shù)因子；ΔVBE1/R2是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)因子；二者求和最終產(chǎn)生一個(gè)與溫度無(wú)關(guān)的零溫參考電流源。

2.3 改進(jìn)的與電源電壓、溫度無(wú)關(guān)的參考電流源

在前面對(duì)參考電流源電路的分析中，我們都是在忽略MOS管的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)的情況下進(jìn)行討論的，而實(shí)際上，MOS管的溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)往往會(huì)引起電流的失配，從而導(dǎo)致參考電流源的精度比較低，這一點(diǎn)從式(14)中可以看出。結(jié)合圖4分析，對(duì)于MP1與 MP2，VDS,MP2=VGS,MP2＞VDS,MP1；對(duì)于 MN1 與 MN2，VDS,MN1=VGS,MN1＞VDS,MN2；因此，鏡像管和被鏡像管的源漏電壓VDS其實(shí)并不相同，所以電流也不能精確地鏡像，從而影響了參考電流源的精度。

圖3 引入兩個(gè)NPN三極管Q1和Q2的參考電流源電路

圖4 與電源電壓、溫度無(wú)關(guān)的參考電流源電路

為了提高參考電流源的精度，本文在原有電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的抑制溝道長(zhǎng)度效應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)引入一條負(fù)反饋環(huán)路來(lái)消除參考電流源的MOS溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)高精度的參考電流源。電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，圖中PMOS管MP3、NMOS管MN3構(gòu)成了一條負(fù)反饋通路，強(qiáng)制將PMOS管MP1的源漏壓VDS,MP1箝位為VGS，等于MP2的源漏電壓VDS,MP2（即VGS,MP2）。再結(jié)合式(14)即可看出，改進(jìn)后的電路很好地抑制了PMOS管MP1、MP2的漏電流失配，從而提高了參考電流源的精度。

圖5 改進(jìn)的抑制溝道長(zhǎng)度效應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)

3 電路仿真結(jié)果

本文采用SMIC 0.18μm BCD CMOS工藝，利用Cadence仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真。在電源電壓分別為3 V、5 V的情況下，對(duì)各種情況下的參考電流進(jìn)行從-55～125℃的溫度掃描，具體仿真結(jié)果如下。

圖6 電源電壓為5 V時(shí)的仿真結(jié)果

圖7 電源電壓為3 V的零溫度系數(shù)參考電流

圖8 鏡像誤差隨溫度變化情況

圖9 鏡像誤差隨電源電壓變化情況

圖6(a)、(b)、(c)分別表示電源電壓為5 V的情況下負(fù)溫、正溫、零溫的參考電流，從圖中可以明顯看出，正、負(fù)溫度系數(shù)的參考電流源受溫度變化的影響很大，基本呈線性增長(zhǎng)或者減小，在-55～125℃溫度范圍內(nèi)，正、負(fù)溫度系數(shù)的參考電流源分別變化了692.1 nA和501 nA，而經(jīng)溫度補(bǔ)償后的零溫度系數(shù)電流源只變化了75.05 nA[6,7]，電流的波動(dòng)幅度不到3%。圖7給出電源電壓為3 V情況下的零溫度系數(shù)參考電流，在-55～125℃的溫度范圍內(nèi)變化了76.45 nA，對(duì)比圖6(c)，可以看出此電流源與電源電壓無(wú)關(guān)。因此所設(shè)計(jì)的參考電流源具有良好的溫度穩(wěn)定性且與電源電壓無(wú)關(guān)。

圖8所示的是改進(jìn)前后電流鏡的鏡像誤差與溫度變化關(guān)系的對(duì)比，其中鏡像誤差是根據(jù)式(15)計(jì)算出來(lái)的。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電源電壓為3 V時(shí)，在溫度為-55～125℃的范圍內(nèi)，改進(jìn)前的電路隨溫度變化的鏡像誤差范圍為0.0178%～0.1298%，變化量約為0.112%；改進(jìn)后的電路隨溫度變化的鏡像誤差范圍為0.374×10-3%～0.632×10-3%，變化量約為 0.258×10-3%。由此可見(jiàn)，改進(jìn)后的電流鏡鏡像誤差減小了約99%，電路在溫度變化方面的精度提高了約434倍。

Error= 被鏡像電流-鏡像電流被鏡像電流×100% (15)

圖9所示的是改進(jìn)前后電流鏡的鏡像誤差與電源電壓變化關(guān)系的對(duì)比。在溫度為25℃、電源電壓從3 V變到5 V時(shí)，改進(jìn)前的電路隨電源電壓變化的鏡像誤差范圍為0.0466%～0.407%，變化量約為0.36%；改進(jìn)后的電路隨電源電壓變化的鏡像誤差范圍為0.424×10-3%～0.965×10-3%，變化量約為0.541×10-3%。相比改進(jìn)前的電路，改進(jìn)后的電流鏡鏡像誤差減小了約99%，電路在電源電壓變化方面的精度提高了約665倍。

根據(jù)以上分析可知，改進(jìn)后的自偏置結(jié)構(gòu)電流源精度滿足設(shè)計(jì)要求，從而更好地保證了整個(gè)電路系統(tǒng)的性能[8]。

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)參考電流源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、性能更好且與電源電壓、溫度無(wú)關(guān)的參考電流源，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了電流源的自偏置結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高了參考電流源的精度。經(jīng)仿真測(cè)試結(jié)果表明，正溫度系數(shù)電流源變化了691.9 nA，負(fù)溫度系數(shù)電流源變化了500.9 nA，而零溫度系數(shù)電流源僅變化75.07 nA且與溫度呈拋物線變化。因此，所設(shè)計(jì)的參考電流源在-55～125℃的溫度范圍內(nèi)滿足相關(guān)性能要求，證明了設(shè)計(jì)的正確性。

[1]Zekun Zhou,Luping Feng,Yingqian Ma et al.A resistor less CMOS band gap reference with low temperature coefficient and high PSRR[J]. International Journal of Electronics:Theoretical Experimental,2012, 99(10/12):1427-1438.

[2]Junru Liu,Pingjuan Niu,Tiecheng Gao.A second-order temperature compensated Bandgap Reference for Analog-to-Digital Converter[A].2010.

[3]Camacho-Galeano E.M.,Galup-Montoro C.,Schneider M.C.et al.A 2-nW 1.1-V self-biased current reference in CMOS technology[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,II.Express briefs,2005,52(2):61-65.

[4]畢查德·拉扎維.模擬CMOS集成電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2003:314-319.

[5]文武,文治平,張永學(xué)，等.一種高精度自偏置共源共柵的CMOS帶隙基準(zhǔn)源[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2008，25(8):216-220.

[6]王憶,何樂(lè)年,嚴(yán)曉浪，等.溫度補(bǔ)償?shù)?0 nA CMOS電流源及在LDO中的應(yīng)用[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2006,27(9):1657-1662.

[7]趙喆,陳嵐,呂志強(qiáng)，等.全CMOS溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷弘娏髟碵J].微處理機(jī)，2013，34(5):1-3,9.

[8]孔令榮,熊立志,王振華，等.高精度電流源電路的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)，2008，06:843-846.

Reference Current Source Circuit Based on Self-Bias Structure

LI Jian1,LI Xiankun2,SUN Feng2,XIAO Peilei2,XUAN Zhibin2
（1.Jiangnan University,Wuxi214122,China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

Based on traditional reference current source,a reference current source with simpler structure independent of supply voltage and temperature is designed.Additionally,the accuracy of the mirror current is optimized to improve the performance of the whole circuit.The circuit is manufactured in SMIC 0.18μm BCD CMOS process and simulated by Cadence.The results show that the output current of the circuit changes less than 3%in the temperature range of-55℃to 125℃.The mirror accuracy of the optimized current source is also greatly improved.

reference current source;self-bias circuit;Cadence

TN402

A

1681-1070（2017）10-0031-05

2017-4-28

李 ?。?992—），男，江蘇無(wú)錫人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)DO。