使用PTAT電流補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電流源

滕謀艷

（深圳創(chuàng)維半導(dǎo)體研究所，廣東 深圳 518108）

0 前言

基準(zhǔn)電流源是模擬集成電路設(shè)計(jì)中一種最基本的電路結(jié)構(gòu)，它給其它的電路模塊提供所需要的偏置電流它決定了模擬電路的很多指標(biāo)。例如：頻率、工作電流、延時(shí)等。隨著便攜式設(shè)備的快速發(fā)展，其應(yīng)用環(huán)境越來越多樣化。這對(duì)模擬電路的性能也提出了更高的要求。對(duì)應(yīng)的，基準(zhǔn)電路源的電流精度以及溫度特性的要求也越來越高。本文提出了一種使用PTAT電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電流源電路。與幾種常見的基準(zhǔn)電流源電路對(duì)比，其在電流精度及溫度特性方面都有很大提升，且大大減小了芯片面積，顯著提升了芯片的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 常用基準(zhǔn)電流源電路。

在模擬電路設(shè)計(jì)中，常用的基準(zhǔn)電流源電路有3種：使用VTH（電壓閾值）為基準(zhǔn)的電流源、Widlar電流源（微電流源）、電壓控制的基準(zhǔn)電流源。其中，由于電壓控制的基準(zhǔn)電流源電路具有較高的電流精度，應(yīng)用很廣。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由兩部分組成，一部分是零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓，輸出電壓為Vref，可以由帶隙電路產(chǎn)生。第二部分是運(yùn)放形成的負(fù)反饋電路。

圖1 電壓控制的基準(zhǔn)電流源

根據(jù)運(yùn)放的負(fù)反饋原理，可以清晰的得到：

Vref為零溫度系數(shù)電壓，可以由帶隙產(chǎn)生，隨工藝變化較小，且接近為零溫度系數(shù)。為了保證Iout不隨溫度變化，一般的做法是R1與R2一個(gè)選擇正溫度系數(shù)類型電阻，另一個(gè)選擇負(fù)溫度系數(shù)類型電阻。兩者取合適的值后，可以得到溫度系數(shù)很小的基準(zhǔn)電流。另外，有式1可以看出，這種結(jié)構(gòu)的的輸出電流只與電阻相關(guān)，因此，同前面提到的另外兩種電流源相比有更廣的應(yīng)用。在要求高精度電流源的地方，電壓控制的電流源是首選。但是這種結(jié)構(gòu)的一個(gè)問題是，我們選用負(fù)溫度系數(shù)的電阻類型只有選擇POLY高阻，這種電阻的工藝偏差有20%或者更多，那么，其基準(zhǔn)電流源的輸出偏差也會(huì)在20%以上，在很多應(yīng)用中，這樣的偏差是無(wú)法滿足要求（一般的要求為10%），往往需要采用trimming（燒熔絲）的方法，來調(diào)整Iout，使其片與片的精度符合要求。其結(jié)果是額外需要占用很大的芯片面積，使芯片的成本上升，另外，燒熔絲使得測(cè)試時(shí)間增長(zhǎng)，測(cè)試費(fèi)用也提高了。

2 PTAT電流的產(chǎn)生

PTAT電流，即與絕對(duì)溫度成正比的電流。通常會(huì)使用以Vt為基準(zhǔn)的偏置源來產(chǎn)生，如圖2所示。M3與M4完全相同，這樣，I1=I2。Q2和Q3類型相同，發(fā)射機(jī)面積的比例為1：N，在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常取1：8。

圖2 PTAT電流產(chǎn)生電路

由運(yùn)放的負(fù)反饋功能可以得到，A點(diǎn)和B點(diǎn)的電壓相等。即：

在這里，我們?nèi)2與Q3發(fā)射機(jī)面積的比例為1：8。那么，輸出電流為

由于VT是一個(gè)正溫度系數(shù)的工藝參數(shù)，我們就可以得到一個(gè)PTAT電流。

3 使用PTAT電流補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電流源

前面我們提到，為了達(dá)到零溫度系數(shù)，電阻需要取不同的溫度系數(shù)。在這里，我們?cè)趫D1的基礎(chǔ)上，引入PTAT電流來做溫度補(bǔ)償。其結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 使用PTAT電流補(bǔ)償?shù)碾妷嚎刂齐娏髟?/p>

由運(yùn)放的負(fù)反饋可得：I3通過電流鏡鏡像I1的電流，假設(shè)鏡像比例是K，結(jié)合式3可得：

VT為正溫度系數(shù)，那么我們可以選擇正溫度系數(shù)的電阻R2，從而使得Iout接近為零溫度系數(shù)。在半導(dǎo)體工藝中，有許多電阻類型其溫度系數(shù)都為正，有些正溫度系數(shù)的電阻隨工藝變化的幅度可以10%以內(nèi)，如果選取工藝變化很小的電阻來做R0和R2，使用那么最終的輸出電流隨工藝變化的幅度也可以控制在10%以內(nèi)。在一些電源管理產(chǎn)品中，10%的偏差是可以接受的。這樣，我們就不再需要增加燒熔絲來調(diào)整基準(zhǔn)電流源的精度了，從而降低了芯片的成本，提升了芯片的競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］PAULR GRAY 模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)[M]．4 版．2005．

［2］Behzad Razavi．Design of Analog CMOSIntegrated Circuits[M]．The McGraw-Hill Companies,Inc．,2001．。