CN101676828B - 应用于低操作电压的参考电流产生电路 - Google Patents

Abstract

一种可应用于低操作电压的参考电流产生电路，位于一芯片中，利用精准的参考电压和精准的外部电阻，产生精准的参考电流。上述参考电流产生电路使用一等效电阻和上述外部电阻并联，以提供电阻补偿，降低从芯片焊垫看进芯片之中的阻抗。加上适中的电容补偿，就能改善上述参考电流产生电路的相位边限，达到回路稳定的目标，因此在低操作电压的应用中可减少芯片面积与成本。此外，上述参考电流产生电路利用电流镜复制外部电阻产生的参考电流，以解决等效电阻和外部电阻并联而影响电流的问题。

Description

应用于低操作电压的参考电流产生电路

技术领域

本发明涉及一种可在低电压操作的参考电流产生电路，特别是涉及一种使用电阻补偿以改善相位边限(phase margin)的参考电流产生电路。 

背景技术

图1为现有技术的以N型金属氧化物半导体场效应晶体管(N-channelmetal-oxide-semiconductor field effect transistor，以下简称NMOS晶体管)做为运算放大器(operational amplifier)第二级的参考电流产生电路。图1电路除了外部电阻R和外部电阻R连接的接地端以外，都位于同一芯片之内。运算放大器OPA的正输入端自一带差参考电路(bandgapreference circuit)接收精准的参考电压VBG，且其负输入端耦接于芯片焊垫(pad)P。由于运算放大器OPA的虚拟短路(virtual shortci rcuit)作用，焊垫P的电位与参考电压VBG相同。因此，精准的参考电压VBG配合精准的外部电阻R，即可产生精准的参考电流IR。 

芯片外通常会外挂稳压电容，外挂电容与寄生电容本身，以及上述两种电容的变化值，都会影响此电路的回路稳定度。一般会采用NMOS晶体管当输出级，好处是回路稳定度比较容易控制。因为从焊垫P看进来是一个低阻抗点，只要在运算放大器OPA的输出端加入对地的金属氧化物半导体电容(metal-oxide-semiconductor capacitor)C，做电容补偿，即可有效控制相位边限。但是图1的参考电流产生电路在操作电压VDD太低时，因为受限于电路本身架构和金属氧化物半导体场效应晶体管工艺，会使得金属氧化物半导体场效应晶体管M1与M2分配到的操作范围(headroom)不足，使整个电路无法正常运作。 

图2为现有技术的以P型金属氧化物半导体场效应晶体管(P-channelmetal-oxide-semiconductor field effect transistor，以下简称PMOS晶体管)做为运算放大器第二级的参考电流产生电路。图2的参考电流产生电路因为少了一层NMOS晶体管，所以比较没有操作范围不足的问题，但 由于电路多加了两级的增益，而且其输出点为高阻抗，若要用对地电容做相位补偿，则需要相当大的芯片面积才能取得良好的稳定度。 

发明内容

有鉴于传统的参考电流产生电路在低电压操作时，因为仅使用电容补偿，需要付出很大的芯片面积才能维持回路的稳定度，因此本发明提出一种能在低电压操作的精准参考电流产生电路，可用较小的电路面积达到回路稳定的目标。 

本发明提出一种能在低电压操作的参考电流产生电路。此电路包括位于芯片之内的运算放大器、电容、补偿电路，以及位于芯片之外的外部电阻。运算放大器自一带差参考电路接收精准的参考电压，并且将参考电压传达至芯片的焊垫。电容的一端耦接于运算放大器的第一级和第二级之间，另一端耦接于芯片内部的接地端，以提供电容补偿。外部电阻耦接于焊垫与芯片外部的接地端之间，并耦接此电路的操作电压，配合精准的参考电压，产生精准的参考电流。补偿电路耦接于焊垫，提供一等效电阻和外部电阻并联，以提供电阻补偿，降低从焊垫看进芯片的阻抗，并复制外部电阻产生的参考电流。上述焊垫是芯片内部和外部的电路连接点。 

上述参考电流产生电路的晶体管层数较少，有利于低操作电压的应用环境。上述的电容补偿和电阻补偿，可以改善上述参考电流产生电路的相位边限，达到回路稳定的目标。由于补偿电路提供的电阻补偿，只需要适中的电容补偿就能改善相位边限，因此在低操作电压的应用中，不需要大尺寸电容，可减少上述参考电流产生电路的芯片面积与成本。 

在本发明一实施例中，上述补偿电路包括两个电流镜，上述参考电流产生电路另外还包括一个电流镜。这些电流镜的连接关系以及复制电流的特性，使补偿电路得以复制外部电阻产生的参考电流，以解决等效电阻和外部电阻并联而影响电流的问题。 

为使本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并结合附图详细说明如下。 

附图说明

图1和图2为现有技术的参考电流产生电路的示意图。 

图3为依照本发明一实施例的参考电流产生电路的示意图。 

附图符号说明 

310：补偿电路 

A：电路节点 

C：电容 

CM1-CM3：电流镜 

I1、I1’、IX、IX’：电流 

IR：参考电流 

M1、M2：金属氧化物半导体场效应晶体管 

N3-N6：金属氧化物半导体场效应晶体管 

OPA：运算放大器 

P：焊垫 

P1、P2：金属氧化物半导体场效应晶体管 

R：外部电阻 

VBG：参考电压 

VDD：操作电压 

具体实施方式

图3为依照本发明一实施例的可在低电压操作的参考电流产生电路的示意图，以下说明请参照图3。图3的参考电流产生电路包括运算放大器OPA、电容C、外部电阻R、电流镜CM1、以及补偿电路310，其中补偿电路310包括电流镜CM2以及CM3。图3的参考电流产生电路大部分位在一个芯片之内，其中外部电阻R与其接地端位于芯片之外，其他部分皆位于芯片之内。焊垫P是芯片内部和外部的电路连接点。 

运算放大器OPA的负输入端自一带差参考电路(未绘示)接收参考电压VBG，运算放大器OPA的正输入端耦接于芯片焊垫P。电流镜CM1的PMOS晶体管P1实际上是运算放大器OPA的第二级，只是为了说明的方便将PMOS晶体管P1绘示在运算放大器OPA之外。电容C的一端耦接于运算放大器OPA的第一级和第二级之间的电路节点，另一端则耦接于芯片内部的接地端(以下简称内部接地端)之间，提供电容补偿。外部电阻R耦接于焊垫P与芯 片外部的接地端(以下简称外部接地端)之间，并通过PMOS晶体管P1耦接操作电压VDD。 

PMOS晶体管P1和P2分别构成电流镜CM1的两个电流路径。P1耦接于操作电压VDD与焊垫P之间，提供电流至焊垫P。P2耦接于操作电压VDD与电路节点A之间，提供电流至电路节点A。 

NMOS晶体管N3和N4分别构成电流镜CM2的两个电流路径。N3耦接于焊垫P和内部接地端之间，自焊垫P接收电流。N4耦接于电路节点A和内部接地端之间，自电路节点A接收电流。 

NMOS晶体管N5和N6分别构成电流镜CM3的两个电流路径。N5耦接于电路节点A和内部接地端之间，自电路节点A接收电流。N6则耦接于整个参考电流产生电路的输出端和内部接地端之间。 

运算放大器OPA的虚拟短路作用会将参考电压VBG传递至焊垫P，做为外部电阻R的跨压。精准的参考电压VBG，除以外部电阻R的精准电阻值，可以产生精准的参考电流IR。 

图3的参考电流产生电路由于晶体管层数较少，可以应用在低操作电压的环境。为了达到回路稳定，电流镜CM2的NMOS晶体管N3作二极管连接(diode-connected)，提供一等效电阻和外部电阻R并联，以提供电阻补偿，降低从焊垫P看进芯片内部的阻抗。NMOS晶体管N3的电阻补偿加上电容C的电容补偿，可以改善图3的参考电流产生电路的相位边限，达到回路稳定的目标。因为有N3的电阻补偿，电容C不需要如同现有技术的大电容值，只需要适中的电容值，就能使回路稳定。所以图3的参考电流产生电路可以在低操作电压的环境稳定工作，而且可减少芯片面积与成本。 

NMOS晶体管N3的等效电阻和外部电阻R并联会影响电流，图3的三个电流镜CM1-CM3就是用来解决此问题。如图3所示，PMOS晶体管P1提供至焊垫P的电流为I1，外部电阻R自焊垫P接收的电流为IR，NMOS晶体管N3自焊垫P接收的电流为IX，PMOS晶体管P2提供至电路节点A的电流为I1′，NMOS晶体管N4自电路节点A接收的电流为IX′。由克希荷夫电流定律(Kirchhoff’s currentl aw)可知，电流I1等于IR与IX之和。同理，电流I1′等于IX′以及NMOS晶体管N5自电路节点A接收的电流之和。电流镜CM1使I1′等于I1，电流镜CM2使IX′等于IX。因此NMOS晶体管N5自电路节点A接收的电流必然等于外部电阻R产生的参考电流IR。

电流镜CM3使流经NMOS晶体管N6的电流也等于外部电阻R产生的参考电流IR。NMOS晶体管N6耦接图3的参考电流产生电路的输出端，提供精准的参考电流IR。 

如前所述，补偿电路310的作用是提供电阻补偿，并且复制外部电阻R的参考电流IR。在本实施例中，补偿电路310包括电流镜CM2与CM3，但本发明并不以此种设计为限。本发明其他实施例可以使用其他种设计的补偿电路，只要能达到相同的作用即可。 

综上所述，本发明提出一种参考电流产生电路，可在低操作电压的环境下稳定工作，提供精准的参考电流。上述的参考电流产生电路采用电阻补偿为辅助，因此只需要适中的电容补偿，不需要如同现有技术的大电容，可减少芯片面积与成本。 

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims (4)

1.一种参考电流产生电路，包括：

一运算放大器，该运算放大器的负输入端自一带差参考电路接收一参考电压，该运算放大器的正输入端耦接于一芯片的一焊垫；

一电容，提供电容补偿，具有一第一端以及一第二端，该第一端耦接于该运算放大器的第一级和第二级之间，该第二端耦接于一内部接地端；

一外部电阻，耦接于该焊垫与一外部接地端之间，并耦接一操作电压，产生一参考电流；以及

一补偿电路，耦接于该焊垫，提供一等效电阻和该外部电阻并联，以提供电阻补偿，降低从该焊垫看进该芯片的阻抗，并复制该外部电阻产生的该参考电流，其中该运算放大器、该电容、该补偿电路、以及该内部接地端位于该芯片之内，该外部电阻以及该外部接地端位于该芯片之外，该焊垫是该芯片内部和外部的电路连接点。

2.如权利要求1所述的参考电流产生电路，其中该补偿电路包括至少一电流镜以复制该外部电阻产生的该参考电流。

3.如权利要求1所述的参考电流产生电路，其中该补偿电路包括一晶体管，该晶体管作二极管连接以提供该等效电阻。

4.如权利要求3所述的参考电流产生电路，还包括：

一第一电流镜，耦接于该操作电压、该焊垫、以及一电路节点之间，提供电流至该焊垫与该电路节点；

而且该补偿电路包括：

一第二电流镜，耦接于该焊垫、该电路节点、以及该内部接地端之间，自该焊垫与该电路节点接收电流；以及

一第三电流镜，耦接于该电路节点与该内部接地端之间，自该电路节点接收电流，并且复制该外部电阻产生的该参考电流；

其中该第二电流镜包括提供该等效电阻的该晶体管。

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