CN102722209B - 恒定电流源电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒定电流源电路。该恒定电流源电路包括多个电流档位的电流支路，在进行不同档位电流输出时对应采用不同的电流支路。通过本发明，解决了现有技术中的恒定电流源在进行多档位电流输出时容易造成电流精度降低的问题，进而达到了提高恒定电流源电流输出精度的效果。

Description

恒定电流源电路

技术领域

本发明涉及电子电路领域，具体而言，涉及一种恒定电流源电路。

背景技术

通常在集成电路中一个恒定电流源会通过一个基准电压源，一个运放和一个电阻来实现。图1和图2示出了两种现有技术中的恒定电流源的电路，图1是一个低成本的电流源装置，该装置由一个场效应管Mn1组成，其中，场效应管Mn1的栅极连接参考电压Vref，场效应管Mn1的源极接地，场效应管Mn1的漏极作为电流源装置的输出端，该装置尽管成本低，易于实现，但是精度低，易受输出电压和温度的影响。图2是一种高精度恒定电流源电流，由运算放大器1、电流设定电阻2（由一个阻值大小为R电阻构成）和场效应管Mn1组成的电流源装置，其中，运算放大器1的正向参考端连接参考电压Vref，场效应管Mn1的漏极作为电流源装置的输出端，对于理想的运算放大器，此种电流源电路对应的电流和电压关系如下：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R}---\left(2.1\right)$

实际上，运算放大器都有失调电压Vos，如果考虑Vos对电流精度的影响，则公式2.1修正如下：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}\±V_{\mathrm{os}}}{R}---\left(2.2\right)$

此种电流源电路在实现不同档位的电流输出时，通过改变参考电压来实现，如果Vos恒定，则随着Vref的降低，增加，恒流源的精度随之下降。为避免此种恒流源精度的下降，现有技术中通常采用降低运算放大器的失调电压Vos，从而降低失调电压Vos对电流源精度的影响，实现电流源精度的提高，但是这种降低Vos的方法通常会通过失调电压调零电路或增加芯片面积来实现，这种技术不仅仅增加了芯片设计难度，同时也增加了芯片的功耗和成本。

针对相关技术中的恒定电流源在进行多档位电流输出时容易造成电流精度降低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种恒定电流源电路，以解决现有技术中的恒定电流源在进行多档位电流输出时容易造成电流精度降低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明，提供了一种恒定电流源电路，包括：运算放大器，运算放大器的第一输入端用于连接第一电压源；第一开关；第二开关；第一场效应管，第一场效应管的栅极通过第一开关连接于运算放大器的输出端，第一场效应管的漏极作为电流输出端；第二场效应管，第二场效应管的栅极通过第二开关连接于运算放大器的输出端，第二场效应管的漏极连接于电流输出端；第一限流电阻，第一限流电阻的第一端连接于第一场效应管的源极，第一限流电阻的第二端作为限位端；第二限流电阻，第二限流电阻的第一端连接于第二场效应管的源极，第二限流电阻的第二端连接于第一限流电阻的第一端或第二端；第三开关，设置在运算放大器的第二输入端与第一节点之间，其中，第一节点为第一限流电阻与第一场效应管的源极之间的节点；以及第四开关，设置在运算放大器的第二输入端与第二节点之间，其中，第二节点为第二限流电阻与第二场效应管的源极之间的节点。

进一步地，第二限流电阻的第二端连接于第一限流电阻的第二端，第二限流电阻与第一限流电阻为阻值不同的限流电阻。

进一步地，限位端为信号地，第一场效应管和第二场效应管均为NMOS管。

进一步地，限位端为第二电压源，第一场效应管和第二场效应管均为PMOS管。

进一步地，恒定电流源电路还包括：第五开关，连接在第一场效应管的栅极与限位端之间；以及第六开关，连接在第二场效应管的栅极与限位端之间。

进一步地，恒定电流源电路还包括：控制器，与第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关分别相连接。

本发明通过对现有技术中的高精度恒定电流源电路进行改进，使恒定电流源电路在进行不同档位电流输出时对应采用不同的电流支路，无需改变运算放大器输入端参考电压的大小，避免了现有技术中的恒定电流源随着参考电压的降低所带来的恒流源精度的降低，解决了现有技术中的恒定电流源在进行多档位电流输出时容易造成电流精度降低的问题，进而达到了提高恒定电流源电流输出精度的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的恒定电流源电路的电路图；

图2是根据相关技术的高精度恒定电流源电路的电路图；

图3是根据本发明第一实施例的恒定电流源电路的电路图；

图4是根据本发明第二实施例的恒定电流源电路的电路图；

图5是根据本发明第一优选实施例的恒定电流源电路的电路图；以及

图6是根据本发明第三实施例的恒定电流源电路的电路图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种恒定电流源电路，以下对本发明实施例所提供的恒定电流源电路进行具体介绍：

图3是根据本发明第一实施例的恒定电流源电路的电路图，如图3所示，该实施例的恒定电流源电路包括运算放大器1、由第一限流电阻R1和第二限流电阻R2组成的电流设定电阻2、第一开关KA1、第二开关KA2、第三开关KC1、第四开关KC2、第一场效应管Mn1和第二场效应管Mn2。

具体地，运算放大器1的第一输入端用于连接第一电压源Vref；第一场效应管Mn1的栅极通过第一开关KA1连接于运算放大器1的输出端，第一场效应管Mn1的漏极作为电流输出端；第二场效应管Mn2的栅极通过第二开关KA2连接于运算放大器1的输出端，第二场效应管Mn2的漏极连接于电流输出端；第一限流电阻R1的第一端连接于第一场效应管Mn1的源极，第一限流电阻R1的第二端作为限位端；第二限流电阻R2的第一端连接于第二场效应管Mn2的源极，第二限流电阻R2的第二端连接于第一限流电阻R1的第二端，其中，第一限流电阻R1与第二限流电阻R2为阻值不同的限流电阻；第三开关KC1，设置在运算放大器1的第二输入端与第一节点之间，其中，第一节点为第一限流电阻R1与第一场效应管Mn1的源极之间的节点；以及第四开关KC2，设置在运算放大器1的第二输入端与第二节点之间，其中，第二节点为第二限流电阻R2与第二场效应管Mn2的源极之间的节点。

进一步地，在本发明第一实施例的恒定电流源电路中，限位端为信号地，第一场效应管Mn1和第二场效应管Mn2均为NMOS管。以下结合本发明第一实施例的恒定电流源电路的工作原理来说明本发明第一实施例的恒定电流源电路，当KA1和KC1导通，KA2和KC2截止时：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_1}---\left(3.1\right)$

考虑到失调电压Vos对电流精度的影响，则公式3.1修正如下：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}\±V_{\mathrm{os}}}{R_1}---\left(3.2\right)$

同理，如果KA1和KC1截止，KA2和KC2导通，则此时：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_2}---\left(3.3\right)$

考虑到失调电压Vos对电流精度的影响，则公式3.3修正如下：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}\±V_{\mathrm{os}}}{R_2}---\left(3.4\right)$

其中，由于第一限流电阻R1与第二限流电阻R2为阻值不同的限流电阻，可以设计第二限流电阻R2的阻值远远大于第一限流电阻R1的阻值，则通过公式3.1（或公式3.2）和公式3.3（或公式3.4）中能够得到不同档位的电流，而这两个不同档位的电流的获得与运算放大器输入端的参考电压的大小没有关系，避免了现有技术中的恒定电流源随着参考电压的降低所带来的恒流源精度的降低。也即，本发明实施例的恒定电流源电路通过控制不同电流档位所处支路的导通来实现对外输出不同档位的恒定电流，而无需改变运算放大器输入端的参考电压。

本发明第一实施例的恒定电流源电路通过控制不同电流档位所处支路的导通来实现对外输出不同档位的恒定电流，无需改变运算放大器输入端参考电压的大小，避免了现有技术中的恒定电流源随着参考电压的降低所带来的恒流源精度的降低，解决了现有技术中的恒定电流源在进行多档位电流输出时容易造成电流精度降低的问题，进而达到了提高恒定电流源电流输出精度的效果。

优选地，本发明第一实施例的恒定电流源电路还包括：第五开关KB1和第六开关KB2，其中，第五开关KB1连接在第一场效应管Mn1的栅极与限位端之间；第六开关KB2连接在第二场效应管Mn2的栅极与限位端之间。当KA1和KC1导通、KA2和KC2截止时，第五开关KB1截止、第六开关KB2导通，实现了当第一限流电阻R1所处的恒定电流支路导通时，第二限流电阻R2所处的恒定电流支路上的场效应管的栅极接地；当KA1和KC1截止、KA2和KC2导通时，第五开关KB1导通、第六开关KB2截止，实现了当第二限流电阻R2所处的恒定电流支路导通时，第一限流电阻R1所处的恒定电流支路上的场效应管的栅极接地。

通过在第一电流档位所处的恒定电流支路导通时，将第二电流档位所处的恒定电流支路上的场效应管的栅极接地，实现了避免第二电流档位上的场效应管因栅极悬空而出现第二场效应管上的电压差达到第二场效应管的导通阈值，造成第二场效应管出现误导通，进而造成对外输出的恒定电流与第一电流档位对应的电流不相符；同理，在第二电流档位所处的恒定电流支路导通时，将第一电流档位所处的恒定电流支路上的场效应管的栅极接地，达到了避免对外输出的恒定电流与第二电流档位对应的电流不相符。

通过设置第五开关KB1和第六开关KB2，达到了保证恒定电流源电路输出电流的精度的效果。

图4是根据本发明第二实施例的恒定电流源电路的电路图，如图4所示，与图3中示出的本发明第一实施例的恒定电流源的电路相比，本发明第二实施例的恒定电流源电路中的第二限流电阻R2的第二端连接与第一限流电阻R1的第一端，即第二限流电阻R2经由第一限流电阻R1后再连接至信号地，并且，第一限流电阻R1的阻值和第二限流电阻R2的阻值没有相互限定关系。

以下结合本发明第二实施例的恒定电流源电路的工作原理来说明本发明第二实施例的恒定电流源电路，当KA1和KC1导通、KB1和KC2截止时，此时I_D与Vref和R1的关系式依然是公式3.1（或公式3.3），而Mn2没有被关断。当KA1和KC1截止、KB1和KC2导通时，则：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{R_1+R_2}---\left(4.1\right)$

考虑到失调电压Vos对电流精度的影响，则公式4.1修正如下：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}\±V_{\mathrm{os}}}{R_1+R_2}---\left(4.2\right)$

由于本发明第二实施例以两档位恒定电流为例进行举例说明，在两档位恒定电流源中，第二场效应管始终处于导通状态，所以，图4中示出的本发明第二实施例的恒定电流源电路可以省略开关KA2和开关KB2。

通过将第二限流电阻设计成经由第一限流电阻连接至信号地，并且在第一电流档位所处的支路导通时，仍然保持第二场效应管Mn2的导通，实现了充分利用了所有档位的电流调整管和电流设定电阻，达到了节省了成本的效果。

图5是根据本发明第一优选实施例的恒定电流源电路的电路图，如图5所示，本发明第一优选实施例的恒定电流源电路与图4中示出的本发明第二实施例的恒定电流源电路相比，二者区别在于，在本发明第一优选实施例的恒定电流源电路中，电流设定电阻2包括多个电阻R1、R2……RN，场效应管包括Mn1、Mn2……MnN以及相应电流档位的开关。即，本发明第一优选实施例的恒定电流源电路将本发明第二实施例的恒定电流源电路中所示出的两档位恒流源电路优化为多档位恒流源电路。其中，各个档位对应的电流设定电阻R满足以下关系：

第1档：R＝R1，

第2档：R=R1+R2，

第N档： $R=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_m,$

从以上关系可以看出，电流档位越高，对应的电流设定电阻的阻值越高，则相应地越小，电流输出精度就越高，但是允许流过的电流越小，在本发明实施例中，可以根据不同精度需求，结合需要的最大电流，可以选择适合的档位。对于第N档，则对应的电流源电流I_D为：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}\±V_{\mathrm{os}}}{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_m}---\left(5.1\right)$

本发明第一优选实施例的恒定电流源电路中，如果电流I_D保持恒定，则随着电流设定电阻阻值的增加，需使Vref增加，则减小，同样实现电流精度增加。

以档位1为例说明各场效应管的工作状态，当恒定电流源电路处于输出档位1对应的电流时，各开关满足：KA1，KA2……KAN导通，KB1，KB2……KBN断开，KC1导通，KC2……KCN断开，I_D的大小由R1和Vref决定，而与R2，R3……RN无关，此时依然保持Mn2，Mn3……MnN导通，通过保持Mn2，Mn3……MnN导通，可以充分利用其它档位的电流调整管，实现了降低***的等效阻抗，进而实现了降低***的热能损耗，达到了降低生产成本的效果。

进一步地，本发明第一优选实施例的恒定电流源电路中不同档位对应的各个开关的状态如表1所示：

表1

进一步地，如果将本发明第一优选实施例中各个限流电阻远离与其相连接的场效应管的一端连接至信号地，则实现将图3中示出的本发明第一实施例的恒定电流源电路优化为多档位恒定电流源电路，此时，各档位电流的计算公式为：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{ref}}\±V_{\mathrm{osf}}}{R_N}---\left(5.2\right)$

其中，N表示第N档位，R_N表示与第N个场效应管的源极相连接的限流电阻的阻值。

不同电流档位对应的各个开关的状态如表2所示：

表2

进一步地，本发明实施例还提供了一种以PMOS管作为电流调整管（即，场效应管）来实现恒定电流的输出，其中，以PMOS管作为电流调整管的恒定电流源电路与上述本发明实施例所提供的恒定电流源电路的区别在于，将限位端设计成第二电压源Vcc。

具体地，以采用PMOS管的多档位恒定电流源电路作为本发明第三实施例的恒定电流源电路为例具体说明。

图6是根据本发明第三实施例的恒定电流源电路的电路图，如图6所示，该实施例的恒定电流源电路与图5中示出的本发明第一优选实施例的恒定电流源电路相比，二者区别在于：在本发明第三实施例的恒定电流源电路中，限位端为第二电压源Vcc，即，本发明第三实施例的恒定电流源电路中将本发明第二实施例的恒定电流源电路的拉电流实现方式改变成了灌电流实现方式，将电流设定电阻设计成以Vcc为参考点，将电流调整管（即，场效应管）由NMOS管改成PMOS管。各档位电流的计算公式为：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{ref}}\±V_{\mathrm{os}}}{\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_m}---\left(6.1\right)$

其中，N表示第N档位，R_N表示与第N个场效应管的源极相连接的限流电阻的阻值。

不同档位对应的各个开关的状态如表3所示：

表3

本发明第三实施例的恒定电流源电路实现了通过PMOS场效应管进行多档位恒定电流输出的效果。

进一步地，如果将本发明第三实施例中各个限流电阻远离与其相连接的场效应管的一端连接至第二电压源Vcc，则实现将图3中示出的本发明第一实施例的恒定电流源电路优化为采用PMOS场效应管的多档位恒定电流源电路。其中，各档位电流的计算公式为：

$I_D=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{ref}}\±V_{\mathrm{os}}}{R_N}---\left(6.2\right)$

其中，其中，N表示第N档位，R_N表示与第N个场效应管的源极相连接的限流电阻的阻值。

不同档位对应的各个开关的状态如表4所示：

表4

进一步地，本发明上述各个实施例所提供的恒定电流源电路均还包括控制器，在每一个恒定电流源电路中，该控制器与该电路中的各个开关均相连接，在恒定电流源电路进行不同档位的电流输出时，控制器用于控制各个开关的导通或截止，以实现恒定电流源电路自动输出相应档位的恒定电流。

通过在恒定电流源电路中设置控制器，达到了自动进行各档位恒定电流输出的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种恒定电流源电路，其特征在于，包括：

运算放大器，所述运算放大器的第一输入端用于连接第一电压源；

第一开关；

第二开关；

第一场效应管，所述第一场效应管的栅极通过所述第一开关连接于所述运算放大器的输出端，所述第一场效应管的漏极作为电流输出端；

第二场效应管，所述第二场效应管的栅极通过所述第二开关连接于所述运算放大器的输出端，所述第二场效应管的漏极连接于所述电流输出端；

第一限流电阻，所述第一限流电阻的第一端连接于所述第一场效应管的源极，所述第一限流电阻的第二端作为限位端；

第二限流电阻，所述第二限流电阻的第一端连接于所述第二场效应管的源极，所述第二限流电阻的第二端连接于所述第一限流电阻的第一端或第二端；

第三开关，设置在所述运算放大器的第二输入端与第一节点之间，其中，所述第一节点为所述第一限流电阻与所述第一场效应管的源极之间的节点；以及

第四开关，设置在所述运算放大器的第二输入端与第二节点之间，其中，所述第二节点为所述第二限流电阻与所述第二场效应管的源极之间的节点；

第五开关，连接在所述第一场效应管的栅极与所述限位端之间；以及

第六开关，连接在所述第二场效应管的栅极与所述限位端之间；

其中，当所述第一开关和所述第三开关导通、所述第二开关和所述第四开关截止时，所述第五开关截止，所述第六开关导通；当所述第一开关和所述第三开关截止、所述第二开关和所述第四开关导通时，所述第五开关导通，所述第六开关截止。

2.根据权利要求1所述的恒定电流源电路，其特征在于，所述第二限流电阻的第二端连接于所述第一限流电阻的第二端，所述第二限流电阻与所述第一限流电阻为阻值不同的限流电阻。

3.根据权利要求1所述的恒定电流源电路，其特征在于，

所述限位端为信号地，

所述第一场效应管和所述第二场效应管均为NMOS管。

4.根据权利要求1所述的恒定电流源电路，其特征在于，

所述限位端为第二电压源，

所述第一场效应管和所述第二场效应管均为PMOS管。

5.根据权利要求1所述的恒定电流源电路，其特征在于，所述恒定电流源电路还包括：

控制器，与所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关、所述第五开关和所述第六开关分别相连接。