車載傳感器芯片電流源設計

何孝起

（上海精傳電子科技有限公司，上海 201108）

車規半導體工藝作為特種工藝技術正在蓬勃發展，隨著5G通信技術和基礎設施的不斷升級換代，以及自動駕駛技術的不斷發展，基于車規工藝的芯片設計方興未艾，在高安全性和高可靠性的車載芯片設計中，對于信號的處理電流型設計以其強抗干擾穩定特點具備廣闊的應用前景，作為電流型設計的基本電流源，是設計中不可或缺的基本單元，本文旨在通過設計中的思考和探索為車載芯片應用設計提供一種實現方法以促進產業發展。

1 恒流源的用途

進行模擬電路的設計，恒流源的用途十分廣泛，基本恒流源，恒壓源一直是電路設計的基石，能夠設計出高精度的恒流源，是保障半導體集成電路的系統設計的先決條件。

在車載的數模混合電路設計中，為進行模擬信號的線性不失真放大，需要恒流源做軌到軌的運算放大器設計，在信號的調制和解調器設計中，也需要恒流源提供電路必須的偏置電流，由于電流設計在車載芯片設計中的明顯優勢，高精度的恒流源設計對車載芯片越發重要，高質量的恒流源設計能夠保證符合車規Q100 規范的強壯的車載系統芯片設計實現。

除了在復雜的車載系統芯片中應用廣泛外，恒流源也可以用在芯片和測試和電源激勵上，在產品的線上測試中，恒流源可以作為判決準則，來測試產品特定的性能和篩查次品。

具備制程穩定性和有良好溫度特性的恒流源能夠極大提升設計電路性能，在如下的電流型運算放大器電路中，穩定的恒流源能夠極高地提升運算放大器的增益，在進行車載傳感器模擬基帶信號的解調設計中，高精度的恒流源是保證解調出的基帶信號線性度和保真度高的前提條件。

2 實現恒流源的電壓源設計

恒流源的設計實現可由帶隙基準的恒壓源實現，為獲得高精度的恒流源，帶隙基準的恒壓源需要達到很高的精度，需要很好地設計溫度補償，而良好的溫度補償來自于高增益的運放設計，設計實踐證明，對于傳統的BJT 器件溫度補償BANDGAP 設計，80dB 以上的高增益運放能夠有效反饋鉗位獲得優良的溫度補償特性，如圖1、圖2 所示。

圖1 帶輸出負反饋的帶隙基準電路設計

3 恒壓源到恒流源的轉換設計

從恒壓源實現恒流源，一個簡單的想法是用恒壓源驅動一個低溫漂的電阻，使用電流鏡技術就可以得到所需的恒流源，但是這個簡單想法忽略了重要的電阻的電流驅動，直接的帶隙基準恒壓驅動電阻，抽取的電流破壞了帶隙基準電路的電路溫度補償，導致帶隙基準的溫度補償特性變差，破壞了恒壓源的產生也導致設計的恒流源不可用。

利用恒壓源驅動電阻并采用隔離驅動設計，使用高增益的運放隔離BANDGAP 的穩定輸出，利用運放電路的高增益，反饋驅動PMOS 管并鉗制下端電阻的電壓，運放電路的增益和虛斷特性能夠保證獲得流經電阻的穩定電流，同時BANDGAP 的輸出因為沒有電流支路的分流而能使輸出不受影響，這是在許多文獻和論文上常見的恒流源獲取設計思路，但是該設計嚴重低估了CMOS 制程下電阻的溫度漂移和制程差異性，盡管通過輸出負反饋的BANDGAP 能夠得到不同制程角的良好穩定電壓輸出，但是穩定的電壓驅動帶溫漂和強制程差異性的電阻器件，所得的電流將引入極大的偏差并不能滿足設計的要求。

一種常見的恒流源電路如圖2 所示，該電路使用BJT 鏡像電流源，利用恒壓Vcc 減去VT0 的Vbe, 產生壓降在電阻R 上形成穩定電流，在不考慮電阻R 阻值變化和NPN 管的導通電壓Vbe 變化情況下，該電路能夠形成穩定的恒流。

圖2 恒流源電路

在PCB 電路設計中，由于采用高精度的電阻R 以及成熟的BJT 器件NPN 管，因此在車規寬溫度范圍-40 到150 范圍內，實現的電流很穩定，然而在集成CMOS 模擬電路中，電阻的阻值受制程工藝的很大影響，在不同工藝角下，高阻值的電阻不同溫度下阻值變化很大，這樣，使用恒定電壓驅動電阻，將得到一個變化很大的電流，無法實現恒流滿足集成電路的設計要求。

上述電路還有一個不容忽視的變量是NPN 管的導通壓降，在集成CMOS 電路中，不同制程和溫度下，NPN 的導通壓降呈現不容忽視的變化，NPN 管的導通電壓呈現和溫度負相關的特性，隨著溫度的升高，NPN 的導通電壓隨之升高，這樣將導致電阻上的壓降減少，導致實現的恒流電流減少，若需要獲得恒定的電流輸出，必須采用溫度補償方案，傳統方法是使用NPN 管的不同面積下Vbe 差值的正溫度相關特性，形成溫度正相關補償電流，和溫度負相關電流相加形成恒流輸出，如圖3 所示。

圖3 Bandgap 運放的增益仿真

溫度補償的恒流源的設計原理在于實現溫度正相關的PTAT（Proprotional To Absolute Temperature）電流，同時疊加實現CTAT（Complementary To Absolute Temperature）電流，同時調節適當的權重，實現恒流源設計。如圖4 所示。

圖4 CTAT 和PTAT 的恒流源實現

雙極性三極管的基射開啟電壓呈溫度負相關特性，可以產生CTAT（絕對溫度互補）電流，集電極電流可以表達為：

則基射電壓的溫度偏導可以表示為：

對于不同面積比例的三極管器件，工作在相同的集電極電流下，他們基射電壓的不同直接和溫度系數正相關，可以表達為：

通過兩個偏微導的相加，除以負載電阻得到電流取和為零，可得穩定輸出的溫度無關電流為：

可用如下的原理電路得到溫度無關的恒流輸出，如圖5 所示。

圖5 恒流源原理電路設計

圖6

圖7 帶負反饋溫度補償的恒流源輸出

要克服集成電路設計中電阻器件的溫漂和強制程差異，需要采用溫度補償設計和輸出負反饋設計，設計輸出負反饋的CTAT 電流，來補償PTAT 電流，達到恒流設計的目的。

實現的恒流設計，采用低壓共源共柵結構的電路，可以實現電流的鏡像輸出，如圖6 所示實現的共源共柵電路,可以精確復制生成的參考電流源IREF。

4 設計結論

帶輸出負反饋的恒流源設計能夠在寬溫度范圍內達到良好的輸出精度，運放的高增益確保了溫度補償的匹配和有效，同時電源電壓的變化也不影響實現的電流精度。

如圖7 所示，通過運放高增益控制的CTAT 電流補償，恒流源輸出能夠達到0.2%的精度，高精度的恒流源對許多IP模塊的設計很重要，能夠進行精確的調節以獲得優異的電路性能。

本文介紹了CMOS 集成電路恒流源的實現，主要通過運放的隔離驅動設計，以及CTAT 絕對溫度補償設計，能夠達到很高精度的恒流源實現。設計充分利用了集成帶隙基準的設計，集成運放實現了很小的版圖面積，同源設計也獲得了良好的線性度保證輸出的穩定性，本文提出的恒流源設計能夠較好地應用在車規的集成電路設計上，滿足車規產品的高穩定，高可靠性要求。