CN102541148A - 一种双向可调基准电流产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向可调基准电流产生装置，由串联连接的电压转电流装置和电流镜、与所述电压转电流装置和所述电流镜组成的串联电路并联的电流源开关调整阵列，以及控制所述电流源开关调整阵列中开关的开关控制信号译码电路组成。本发明所提供的双向可调基准电流产生装置，能够对由制造工艺引起的基准电流偏差进行校正，从而能够提高基准电流的精度，进而提升使用该基准电流的电路芯片的性能。

Description

一种双向可调基准电流产生装置

技术领域

本发明涉及模拟电路领域，尤其涉及一种双向可调基准电流产生装置。

背景技术

基准电流在模拟集成电路中具有广泛应用，因为电流在长金属线上没有损失，而电压却有损失，所以在布线比较复杂的模拟电路中，电流基准更受欢迎。

图1为现有技术中一种常见的基准电流产生装置的电路图。如图1所示，该现有的基准电流产生装置由串联的电压转电流装置和电流镜构成。其中，电压转电流装置由差分运算放大器A0，NMOS管M20和电阻R0组成，差分运算放大器A0的同相输入端接一个具有低温度系数的基准电压V_ref，反相输入端接至NMOS管M20的源极，输出端接至NMOS管M20的栅极；电阻R0一端接至NMOS管M20的源极，另一端接地GND；电流镜由PMOS管M10和PMOS管M30组成，PMOS管M10和PMOS管M30的源极都连接至电源VDD，PMOS管M10和PMOS管M30的栅极短接并与PMOS管M10的漏极相连，PMOS管M10的漏极连接至NMOS管M20管的漏极，PMOS管M30的漏极为基准电流输出。

可见，传统的基准电流产生装置一般是通过差分运算放大器和电阻将一个具有低温度系数的基准电压转换为电流，然后通过电流镜装置复制这个电流得到一个或多个基准电流。复制的基本原理是，工作在饱和区且具有相同尺寸及栅源电压的两个晶体管传输相同的电流。在不考虑二级效应的情况下，饱和区电流为：

$i_D=\frac{1}{2}\mathrm{\μ}{C}_{\mathrm{ox}}\frac{W}{L}{(v_{\mathrm{GS}}-V_{\mathrm{TH}})}^2---\left(1\right)$

其中i_D为流过MOSFET的电流，μ为沟道载流子的迁移率，在NMOS管中为电子迁移率，在PMOS管中为空穴迁移率，C_ox为单位面积栅氧化层电容，v_GS为栅源电压，V_TH为阈值电压。单位面积栅氧化层电容值C_ox和阈值电压V_TH都与工艺有关。在实际芯片制造中，工艺参数在一定范围内具有随机性，因此即使给定栅源电压，也会导致实际基准电流值和预先设计值之间存在差异。若电路中存在大量的电流源复制此基准电流(例如电流舵型数模转换器)，会使复制后的电流产生偏差，最终影响整个芯片性能。

由上可见，由于工艺参数的随机性，导致了现有技术中普遍存在基准电流精度不高的状况，从而影响了使用该基准电流的电路芯片的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双向可调基准电流产生装置，能够提高基准电流的精度，从而提升使用该基准电流的电路芯片的性能。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种双向可调基准电流产生装置，由串联连接的电压转电流装置和电流镜、与所述电压转电流装置和所述电流镜组成的串联电路并联的电流源开关调整阵列，以及控制所述电流源开关调整阵列中开关的开关控制信号译码电路组成。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述电压转电流装置由差分运算放大器A、NMOS管M2和电阻R组成，差分运算放大器A的同相输入端接具有低温度系数的基准电压V_ref，反相输入端接至NMOS管M2的源极，输出端接至NMOS管M2的栅极，NMOS管M2的漏极接至所述电流镜的输入端，电阻R一端接至NMOS管M2的源极，另一端接地GND。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述电流镜由PMOS管M1和PMOS管M3组成，PMOS管M1和PMOS管M3的源极都连接至电源VDD，PMOS管M1和PMOS管M3的栅极短接并与PMOS管M1的漏极相连，PMOS管M1漏极为所述电流镜的输入端，PMOS管M3的漏极为基准电流I_ref输出端。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述电流源开关调整阵列包含n+1个单元，每个单元由电流源I1、开关S、电流源I2和开关Q组成，电流源I1和电流源I2中的电流相等，电流源I1的一端接至电源VDD，另一端接至开关S的一端，开关S的另一端接所述电流镜的输入端，电流源I2的一端接地GND，另一端接开关Q的一端，开关Q的另一端接所述电流镜的输入端。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述电压转电流装置由差分运算放大器A4、PMOS管M42和电阻R4组成，差分运算放大器A4的同相输入端接具有低温度系数的基准电压V_ref，反相输入端接至PMOS管M42的源极，输出端接至PMOS管M42的栅极，PMOS管M42的漏极接至所述电流镜的输入端，电阻R4的一端接至PMOS管M42的源极，另一端接电源VDD。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述电流镜由NMOS管M41和NMOS管M43组成，NMOS管M41和NMOS管M43的源极都连接至地GND，NMOS管M41和NMOS管M43的栅极短接并与NMOS管M41的漏极相连，NMOS管M41的漏极为所述电流镜的输入端，NMOS管M43的漏极为基准电流I_ref输出端。

进一步地，上述装置还可具有以下特点，所述电流源开关调整阵列包含n+1个单元，每个单元由电流源I41、开关S4、电流源I42和开关Q4组成，电流源I41和电流源I42中的电流相等，电流源I41的一端接至电源VDD，另一端接至开关S4的一端，开关S4的另一端接电流镜的输入端，电流源I42的一端接地GND，另一端接开关Q4的一端，开关Q4的另一端接电流镜的输入端。

本发明所提供的双向可调基准电流产生装置，能够对由制造工艺引起的基准电流偏差进行校正，从而能够提高基准电流的精度，进而提升使用该基准电流的电路芯片的性能。

附图说明

图1为现有技术中一种常见的基准电流产生装置的电路图；

图2为本发明第一实施例中双向可调基准电流产生装置的电路图；

图3为控制图2中电流源开关调整阵列中开关的开关控制信号译码电路图；

图4为本发明第二实施例中双向可调基准电流产生装置的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

第一实施例

图2为本发明第一实施例中双向可调基准电流产生装置的电路图，图3为控制图2中电流源开关调整阵列中开关的开关控制信号译码电路图。如图2和图3所示，本实施例中，双向可调基准电流产生装置由电压转电流装置2、电流镜、电流源开关调整阵列1以及控制电流源开关调整阵列中开关的开关控制信号译码电路组成，其中电压转电流装置与电流镜串联，电流源开关调整阵列与电压转电流装置和电流镜组成的串联电路并联，开关控制信号译码电路的输入为M路外部信号F₁，F₂，...，F_M-1，F_M，输出为2(n+1)路开关控制信号S0，S1......Sn，Q0，Q1......Qn，该2(n+1)路开关控制信号分别控制图2中电流源开关调整阵列中的相应开关。其中，在本实施例中，电压转电流装置由差分运算放大器A、NMOS管M2和电阻R组成，差分运算放大器A的同相输入端接具有低温度系数的基准电压V_ref，反相输入端接至NMOS管M2的源极，输出端接至NMOS管M2的栅极，NMOS管M2的漏极接至PMOS管M1的漏极(PMOS管M1的漏极为电流镜的输入端)，电阻R的一端接至NMOS管M2的源极，另一端接地GND；电流镜由PMOS管M1和PMOS管M3组成，PMOS管M1和PMOS管M3的源极都连接至电源VDD，PMOS管M1和PMOS管M3的栅极短接并与PMOS管M1的漏极相连，PMOS管M1漏极为电流镜的输入端，PMOS管M3的漏极为基准电流I_ref输出端；电流源开关调整阵列包含n+1个单元，每个单元由电流源I1、开关S、电流源I2和开关Q组成，电流源I1和电流源I2中的电流相等，电流源I1的一端接至电源VDD，另一端接至开关S的一端，开关S的另一端接电流镜的输入端(即图2中的B点)，电流源I2的一端接地GND，另一端接开关Q的一端，开关Q的另一端接电流镜的输入端(即图2中的B点)，在实际电路设计中，这些电流源和开关可以由NMOS管或PMOS管实现。同一个电流源开关调整单元中的两个电流源I1和I2具有相同电流，所有单元中的电流源I1的栅源电压相同，电流源I2的栅源电压相同，其宽长比

呈等比数列，依次为

，由式(1)可知，阵列中电流源的电流值依次为I₀，2I₀，...，2ⁿI₀，也就是说，该n+1个单元的相邻单元中电流源I1和电流源I2中电流的大小分别以2倍的速度递增，依次为I₀，2I₀，...，2ⁿI₀，I₀为最小调节精度。

图2所示双向可调基准电流产生装置的工作过程如下：一个具有低温度系数的基准电压V_ref输入差分运算放大器A的同相端，运放的反相端接至节点A，由运放的性质可知，节点A的电压V_A＝V_ref，为一个定值，所以流过电阻R的电流

也为一个定值。因为M2管的栅极没有电流流过，流过M2管漏极的电流等于流过R的电流。若实测的基准电流比预定值偏大，则输入信号F_M使所有开关管Q断开，然后根据所需要的基准电流大小，输入适当的控制信号F₁，F₂，...，F_M-1，经过译码单元后，控制相应的开关S₀，S₁，...，S_n中的一个或者多个闭合，这时与闭合开关相连接的电流源中的电流流入节点B，由于流过M2管的电流为一定值

，所以经M1管流入节点B的电流减小，从而使得基准电流在电流镜的作用下减小；若实测的基准电流比预定值偏小，则输入信号F_M使所有开关管S断开，然后根据所需要的基准电流大小，输入适当的控制信号F₁，F₂，...，F_M-1，经过译码单元后，控制相应的开关Q₀，Q₁，...，Q_n中的一个或者多个闭合，这时从节点B流出电流并经过闭合开关到相应电流源中，同样由于流过M2管的电流为定值

，所以经M1管流入节点B的电流增大，从而使得基准电流在电流镜的作用下增大。假设M1管和M3管的宽长比之比

基准电流I_ref的实际值与设计值的最大偏差为±ΔI。因为M1管和M3管的栅极和源极短接，所以它们的栅源电压v_GS相等，由式(1)可知，流过M1管的最大偏差电流为±aΔI。若电流源阵列中I1电流之和与I2电流之和都分别等于aΔI，即I₀+2I₀+...+2ⁿI₀＝aΔI，则图2所示双向可调基准电流产生装置就可以实现对电流基准的调节，调节精度为

本实施例的双向可调基准电流产生装置，能够对由制造工艺引起的基准电流偏差进行校正，从而能够提高基准电流的精度，进而提升使用该基准电流的电路芯片的性能。

第二实施例

图4为本发明第二实施例中双向可调基准电流产生装置的电路图。

如图4所示，本实施例中，双向可调基准电流产生装置也是由电压转电流装置、电流镜、电流源开关调整阵列以及控制电流源开关调整阵列中开关的开关控制信号译码电路(图4中未示出)组成。与第一实施例不同的是，本实施例中，组成电流源的M41管和M43管用NMOS管实现，而电压转电流装置中的M42管用PMOS实现。

本实施例中，电压转电流装置由差分运算放大器A4、PMOS管M42和电阻R4组成，差分运算放大器A4的同相输入端接具有低温度系数的基准电压V_ref，反相输入端接至PMOS管M42的源极，输出端接至PMOS管M42的栅极，PMOS管M42的漏极接至NMOS管M41的漏极(NMOS管M41的漏极为电流镜的输入端)，电阻R4的一端接至PMOS管M42的源极，另一端接电源VDD；电流镜由NMOS管M41和NMOS管M43组成，NMOS管M41和NMOS管M43的源极都连接至地GND，NMOS管M41和NMOS管M43的栅极短接并与NMOS管M41的漏极相连，NMOS管M41的漏极为电流镜的输入端，NMOS管M43的漏极为基准电流I_ref输出端；电流源开关调整阵列包含n+1个单元，每个单元由电流源I41、开关S4、电流源I42和开关Q4组成，电流源I41和电流源I42中的电流相等，电流源I41的一端接至电源VDD，另一端接至开关S4的一端，开关S4的另一端接电流镜的输入端(即图4中的B4点)，电流源I42的一端接地GND，另一端接开关Q4的一端，开关Q4的另一端接电流镜的输入端(即图4中的B4点)，该n+1个单元的相邻单元中电流源I41和电流源I42中电流的大小分别以2倍的速度递增，依次为I₀，2I₀，...，2ⁿI₀，I₀为最小调节精度。本实施例中，控制电流源开关调整阵列中开关的开关控制信号译码电路与第一实施例相同，此处不再赘述。

由于本实施例中，组成电流源的M41管和M43管用NMOS管实现，而电压转电流装置中的M42管用PMOS管实现，而第一实施例中M1管和M3管用PMOS管实现、M2管用NMOS管实现，因此本实施例中双向可调基准电路产生装置的工作过程与第一实施例相反，本实施例中的工作过程为：若实测的基准电流比预定值偏大，则输入信号F_M使所有开关管S4断开，然后根据所需要的基准电流大小，输入适当的控制信号F₁，F₂，...，F_M-1，经过译码单元后，控制相应的开关Q₀，Q₁，...，Q_n中的一个或者多个闭合，这时部分电流经过闭合的开关Q4流出节点B4，由于流过M42管的电流为一定值，所以从节点B4流入M41管的电流减小，从而使得基准电流在电流镜的作用下减小；若实测的基准电流比预定值偏小，则输入信号F_M使所有开关管Q4断开，然后根据所需要的基准电流大小，输入适当的控制信号F₁，F₂，...，F_M-1，经过译码单元后，控制相应的开关S₀，S₁，...，S_n中的一个或者多个闭合，这时与闭合的开关S4相连电流源I1的电流流入节点B4，同样由于流过M42管的电流为定值

，所以从节点B4流入M41的电流增大，从而使得基准电流在电流镜的作用下增大。

本实施例的双向可调基准电流产生装置，能够对由制造工艺引起的基准电流偏差进行校正，从而能够提高基准电流的精度，进而提升使用该基准电流的电路芯片的性能。

由上可见，本发明的双向可调基准电流产生装置基于标准CMOS工艺，不需要额外的工艺，易于实现；电流源开关调整单元中电流源电流值大小呈等比数列变化，使得基准电流的调节精度高。另外，本发明通过外部输入信号控制两组开关阵列，使调整电流从电流镜中流出或流入电流镜，从而实现双向调节基准电流的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双向可调基准电流产生装置，其特征在于，由串联连接的电压转电流装置和电流镜、与所述电压转电流装置和所述电流镜组成的串联电路并联的电流源开关调整阵列，以及控制所述电流源开关调整阵列中开关的开关控制信号译码电路组成。

2.根据权利要求1所述的双向可调基准电流产生装置，其特征在于，所述电压转电流装置由差分运算放大器(A)、NMOS管(M2)和电阻(R)组成，差分运算放大器(A)的同相输入端接具有低温度系数的基准电压V_ref，反相输入端接至NMOS管(M2)的源极，输出端接至NMOS管(M2)的栅极，NMOS管(M2)的漏极接至所述电流镜的输入端，电阻(R)一端接至NMOS管(M2)的源极，另一端接地GND。

3.根据权利要求2所述的双向可调基准电流产生装置，其特征在于，所述电流镜由PMOS管(M1)和PMOS管(M3)组成，PMOS管(M1)和PMOS管(M3)的源极都连接至电源VDD，PMOS管(M1)和PMOS管(M3)的栅极短接并与PMOS管(M1)的漏极相连，PMOS管(M1)漏极为所述电流镜的输入端，PMOS管(M3)的漏极为基准电流I_ref输出端。

4.根据权利要求3所述的双向可调基准电流产生装置，其特征在于，所述电流源开关调整阵列包含n+1个单元，每个单元由电流源(I1)、开关(S)、电流源(I2)和开关(Q)组成，电流源(I1)和电流源(I2)中的电流相等，电流源(I1)的一端接至电源VDD，另一端接至开关(S)的一端，开关(S)的另一端接所述电流镜的输入端，电流源(I2)的一端接地GND，另一端接开关(Q)的一端，开关(Q)的另一端接所述电流镜的输入端。

5.根据权利要求1所述的双向可调基准电流产生装置，其特征在于，所述电压转电流装置由差分运算放大器(A4)、PMOS管(M42)和电阻(R4)组成，差分运算放大器(A4)的同相输入端接具有低温度系数的基准电压V_ref，反相输入端接至PMOS管(M42)的源极，输出端接至PMOS管(M42)的栅极，PMOS管(M42)的漏极接至所述电流镜的输入端，电阻(R4)的一端接至PMOS管(M42)的源极，另一端接电源VDD。

6.根据权利要求5所述的双向可调基准电流产生装置，其特征在于，所述电流镜由NMOS管(M41)和NMOS管(M43)组成，NMOS管(M41)和NMOS管(M43)的源极都连接至地GND，NMOS管(M41)和NMOS管(M43)的栅极短接并与NMOS管(M41)的漏极相连，NMOS管(M41)的漏极为所述电流镜的输入端，NMOS管(M43)的漏极为基准电流I_ref输出端。

7.根据权利要求6所述的双向可调基准电流产生装置，其特征在于，所述电流源开关调整阵列包含n+1个单元，每个单元由电流源(I41)、开关(S4)、电流源(I42)和开关(Q4)组成，电流源(I41)和电流源(I42)中的电流相等，电流源(I41)的一端接至电源VDD，另一端接至开关(S4)的一端，开关(S4)的另一端接电流镜的输入端，电流源(I42)的一端接地GND，另一端接开关(Q4)的一端，开关(Q4)的另一端接电流镜的输入端。

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