CN106055008B - 电流偏置电路及提高正温度系数的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成电路设计领域，公开了一种电流偏置电路及提高正温度系数的方法。本发明中，增强正温度系数的电流偏置电路包括：绝对温度成正比的电流源、第一三极管和第一电阻；电流源的输入端连接电流偏置电路的电源端，输出端连接第一三极管的集电极、基极和第一电阻的一端；第一电阻的另一端接地；第一三极管发射极的电流作为电流偏置电路的基准输出电流，然后通过镜像输出将其应用电路模块中。本发明实施方式可以产生提高正温度系数的偏置电流，用于特定的射频电路中，改善射频电路在高温下性能恶化问题。

Description

电流偏置电路及提高正温度系数的方法
技术领域
本发明涉及集成电路设计领域，特别涉及一种电流偏置电路及提高正温度系数的方法。
背景技术
很多射频集成电路模块在高温下某一些性能都会一定程度的恶化，这是由于温度升高，电路里面的很多工艺参数都会发生变化，使得整个电路性能恶化。例如，一个传统的应用于射频前段的低噪声放大器电路，如图1所示，其采用了螺旋电感11做为负载，电压增益可以简单的表示如公式(1)：
其中gm1为低噪声放大器输入管的跨导，Q为负载电感Ld11的品质因子，ω为负载电感11的工作谐振频率，L为螺旋电感11的感值。
但是随着温度的升高，公式(1)中gm1以及电感品质因子Q值都会发生变化。由于NMOS晶体管13跨导的处于饱和状态时，跨导可以近似表达为公式(2)：
而电子迁移率μn跟绝对温度的关系，如公式(3)：
随着温度的升高，电子迁移率将减小。同时在公式(2)中，电流ID是一个跟绝对温度成正比(Proportional to Absolute Temperature，简称“PTAT”)的电流源，即绝对温度比例电路电流源，可用公式(4)表示：
ID∝T (4)
所以根据以上公式(2)至(4)，
输入对管NMOS晶体管13的跨导gm跟绝对温度的关系如公式(5)：
公式(5)说明，随着温度的升高，即使在PTAT电流源补偿下，gm还是随着温度的升高而降低。同时螺旋电感11的品质因子Q为：
其跟串联寄生电阻Rs有关，而随着温度的升高，绕制电感的金属层电导率随着温度的升高而减小，从而导致寄生电阻Rs变大，这样从公式(6)可知，Q值随着温度升高而降低，可以将Q与绝对温度的关系表示为：
Q∝T-A (7)
其中A>0，即Q为负温度系数。
根据公式(1)增益公式为，
增益随之温度的升高而降低，然而这个将直接影响了整个射频收发器链路的增益以及噪声系数，使得接收器的灵敏度下降。同样在接收链路上的射频混频器(以电感作为负载情况)以及发射器上的片上功率放大器都会遇到同样的问题。
而现在的射频集成电路设计当中，偏置电流一般由以下三种情况：
1)恒定跨导电流源(Constant-gm Current)。
2)带隙基准通过V-I产生一个与温度无关的电流源。
3)通过带隙基准产生的一个与PTAT电流源。
显然以上三种情况中，只有第三种情况电流大小才会随着温度增加而变大，现在大部分射频集成电路中采用了第三种电流源作为射频模块的电流基准，虽然这在一定程度上可以补偿一下高温下电路性能的恶化，但是补偿程度有限，高温下仍然存在性能恶化问题。
发明内容
本发明实施方式的目的在于提供一种增强正温度系数的电流偏置电路及提高正温度系数的方法，改善射频电路在高温下性能恶化问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种增强正温度系数的电流偏置电路，包含：
绝对温度成正比的电流源、第一三极管和第一电阻；
电流源的输入端所述电流偏置电路的电源端，输出端连接第一三极管的集电极、基极和第一电阻的一端；第一电阻的另一端接地；
第一三极管发射极的电流作为电流偏置电路的基准输出电流。
本发明的实施方式还提供了一种利用电流偏置电路提高正温度系数的方法，电流偏置电路包含：
绝对温度成正比的电流源、第一三极管和第一电阻；提高偏置电流的方法包括：
将电流源接入第一三极管的集电极、基极和第一电阻的一端；
将第一电阻的另一端接地；
将第一三极管的发射极的电流输出，作为电流偏置电路的基准输出电流。
本发明实施方式相对于现有技术而言，利用二极管连接方式的第一三极管产生一个负温度系数的电压Vbe，Vbe电压即是第一三极管的基极与发射之间的电压，然后将Vbe电压作用于第一电阻上，产生一个负温度系数的电流。由于我们采用PTAT的具有正温度系数的电流源，这样流过第一三极管电流为PTAT电流减去作用于电流上负温度系数电流，从而得到的第一三极管发射极处的电流温度系数变大，从而加强了电路中基准电流源的温度系数。本发明实施方式中，可以提高偏置电路的电流的正温度系数，有效的改善射频电路在高温下性能恶化问题。
另外，电流偏置电路还包括：镜像模块，镜像模块的输入端连接第一三极管的集电极和基极，输出端作为电流偏置电路的输出端。通过镜像模块后，可以更好的获得输出的偏置电流。
另外，第一电阻为可变电阻。利用可变电阻可以动态调整电流源的分流值大小，从而间接的调整电流源正温读系数的大小，使得电路可以更加灵活的被调节。
另外，电流偏置电路还包括：第一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管NMOS管；第一NMOS管的漏极和栅极连接电流偏置电路的输出端，第一NMOS管的源极接地。利用一个NMOS管使电流偏置电路更好地接入负载。
另外，电流偏置电路还包括：第三电阻；第三电阻串联在电流偏置电路的输入端和输出端之间，第三电阻的一端作为电流偏置电路的输出端。利用第三电阻，隔离射频信号进入到偏置电路中，避免偏置电路模块受到干扰。
附图说明
图1是根据本发明背景技术中应用于射频前段的低噪声放大器电路的电路图；
图2是根据本发明第一实施方式中的一种增强正温度系数的电流偏置电路的电路图；
图3是根据本发明第一实施方式中的一种简单增强正温度系数的电流偏置电路的电路示意图；
图4根据本发明第二实施方式中的一种增强正温度系数的电流偏置电路的电路示意图；
图5根据本发明第二实施方式中的一种增强正温度系数的电流偏置电路的电路图；
图6根据本发明第三实施方式中的一种增强正温度系数的电流偏置电路的电路图；
图7根据本发明第四实施方式中的一种增强正温度系数的电流偏置电路的电路图；
图8根据本发明第五实施方式中的一种电流偏置电路及提高正温度系数的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种增强正温度系数的电流偏置电路，包括：绝对温度成正比的电流源(PATA)、第一三极管(可以是NPN型三极管)和第一电阻，具体电路图如图2所示。
具体地说，电流源21的输入端连接电流偏置电路的电源端，输出端连接第一三极管22的集电极、基极和第一电阻23的一端；第一电阻23的另一端接地；第一三极管22发射极的电流作为电流偏置电路的输出电流。
为了更好地理解本实施方式中的电路工作原理，先进行简单地电路工作原理介绍，具体电路示意图如图3所示，图3中电流源I131为PTAT的正温度系数电流源，可以用公式(8)表示：
I1∝k1T (8)；
其中，K1为正温度系数，大于0。
电流源I233为一个负温度系数的电流源，其负温度系数的产生是通过负温度系数的电压Vbe作用电阻上得到的，具体可以用公式(9)表示：
I2∝k2T (2)；
其中，K2为负温度系数，小于0。
而图3中I3电流源为I1-I2，则
I3＝I1-I2＝K1T-K2T＝(K1-K2)T (3)；
本发明人发现，由于K2<0，所以，这样得到的I3的温度系数斜率为K3＝(K1-K2)>K1，其中，电流I1、I2、I3的温度系数斜率K1、K2、K3。
所以我们得到电流源I3的温度系数相对于I1明显变大了，从而提高偏置电路的电流源的正温度系数。
具体的说，图2中所示的电路图，PTAT电流源21通过一个二极管连接方式的三极管22(NPN1)，在图中的Va点产生一个Vbe的电压，这个Vbe电压具有负温度系数，同时Vbe电压加在一个固定阻值电阻R23两端，产生电流I2'＝Vbe/R，所以，这样就产生了一个负温度系数的电流源I2'，PTAT电流I1'21一部分形成I2'，另一部分流经三极管22的集电极C和发射机E产生电流I3'，I3'的大小即为I1'-I2'，结合电路基础理论的分析可知，电流I3'的温度系数会增加，从而提高偏置电路的正温度系数，并利用电流I3'产生一个可以应用于实际电路模块中的电流源支路，改善射频电路在高温下性能恶化问题。
本发明实施方式相对于现有技术而言，利用二极管连接方式的第一三极管产生一个负温度系数的电压Vbe，Vbe电压即是第一三极管的基极与发射之间的电压，然后将Vbe电压作用于第一电阻上，产生一个负温度系数的电流。由于我们采用PTAT的具有正温度系数的电流源，这样流过第一三极管电流为PTAT电流减去作用于电流上负温度系数电流，从而得到的第一三极管发射极处的电流温度系数变大，从而加强了电路中基准电流源的温度系数。本发明实施方式中，可以提高偏置电路的电流的正温度系数，有效的改善射频电路在高温下性能恶化问题。
本发明的第二实施方式涉及一种电流偏置电路。第二实施方式是对第一实施方式的进一步优化，主要优化之处在于：在本发明第二实施方式中，将第一实施方式中产生的正温读系数加强的电流进行镜像输出，其主要包括：镜像模块，具体电路示意图如图4所示，镜像模块44的输入端连接第一三极管42的集电极和基极，输出端作为电流偏置电路的输出端，通过镜像模块后，可以更好的获得电流偏置电路的基准输出电流。
值得一提的是，镜像模块44利用三极管和P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管PMOS管进行镜像，具体如图5所示：
第一三极管42为NPN型三极管，镜像模块具体包括：第二三极管51、第二电阻52、第一PMOS管53、第二PMOS管54、第三PMOS管55和第四PMOS管56；第二三极管51为NPN型三极管，第二三极管51的基极和第一三极管42的基极连接，第二三极管51的发射极与第一三极管52的发射极连接，并接地，第二三极管51的集电极与第二电阻52的一端、第二PMOS管54的栅极和第四PMOS管56的栅极连接，第二电阻52的另一端与第二PMOS管54的漏极、第一PMOS管53的栅极和第三PMOS管55的栅极连接；第二PMOS管52的源极和第一PMOS管53的漏极连接，第三PMOS管55的漏极和第四PMOS管56的源极连接；第一PMOS管53的源极和第三PMOS管55的源极共同连接至电流偏置电路的电源端；第四PMOS管56的漏极的电流作为电流偏置电路的输出电流。
本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及效果在于：通过镜像模块后，可以更好的获得输出的偏置电流，并且可以应用于其他电路模块，提高电路的可移植性。
本发明的第三实施方式涉及一种电流偏置电路。第三实施方式是在第一实施方式上的进一步优化，主要优化之处在于：第一电阻为可变电阻，具体如图6所示。
具体地说，利用可变电阻，可以动态的调整电流的正温度系数，使得电路的调整更加灵活。
需要说明的是，本实施方式中的可变电阻同样可以应用于第二实施方式中，由于应用可变电阻代替固定阻值电阻的第二实施方式的其他元件并没有发生改变，在此不再赘述。
本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及效果在于：利用可变电阻可以动态调整电流的正温度系数大小，从而间接的调整电路输出的温度系数大小，使得电路可以更加灵活的被调节。
本发明的第四实施方式涉及一种电流偏置电路。第四实施方式是第一实施方式的进一步改进，主要改进之处在于：第四实施方式中电流偏置电路还包括：第一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管NMOS管和第三电阻，使得本实施方式的电流偏置电路更好地接入负载。
本实施方式中以低噪声放大器为例，具体如图7所示：
具体地说，第一NMOS管72的漏极和栅极连接电流偏置电路的输出端，第一NMOS管72的源极接地；第三电阻73串联在电流偏置电路的输入端和输出端之间，第三电阻73的一端作为电流偏置电路的输出端，电流源71是一个温度系数增强的电流源，利用第一NMOS管72和第三电阻73可以使电流偏置电路更好地接入负载。
值得一提的是，负载部分由电感75、电容76和NMOS管77组成，负载也是一个低噪声的放大器，它的工作原理与图1中负载部分大致相同，在此不再赘述。
此外，在实际应用中，本实施方式中的电流偏置电路除了可以应用于本实施方式中提到的低噪声放大器，还可以应用于其它电路，在此不再一一列举。
本发明第五实施方式涉及一种利用电流偏置电路提高偏置电流的方法，其中，电流偏置电路包括：绝对温度成正比的电流源(PATA)、第一三极管和第一电阻。
提高偏置电流的方法，具体流程如图8所示，包括：
步骤801：将电流源接入第一三极管的集电极、基极和第一电阻的一端。
步骤802：将第一电阻的另一端接地。
步骤803：将第一三极管的发射极的电流输出，作为电流偏置电路的基准输出电流。
本发明实施方式相对于现有技术而言，利用二极管连接方式的第一三极管产生一个负温度系数的电压Vbe，Vbe电压即是第一三极管的基极与发射之间的电压，然后将Vbe电压作用于第一电阻上，产生一个负温度系数的电流。由于我们采用PTAT的具有正温度系数的电流源，这样流过第一三极管电流为PTAT电流减去作用于电流上负温度系数电流，从而得到的第一三极管发射极处的电流温度系数变大，从而加强了电路中基准电流源的温度系数。本发明实施方式中，可以提高偏置电路的电流的正温度系数，有效的改善射频电路在高温下性能恶化问题。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种增强正温度系数的电流偏置电路，其特征在于，应用于射频集成电路中，所述电流偏置电路包括：绝对温度成正比的电流源、第一三极管和第一电阻；
所述电流源的输入端连接所述电流偏置电路的电源端，输出端连接所述第一三极管的集电极、基极和所述第一电阻的一端；所述第一电阻的另一端接地；
所述第一三极管发射极的电流作为所述电流偏置电路的基准输出电流。
2.根据权利要求1所述的增强正温度系数的电流偏置电路，其特征在于，所述第一三极管为NPN型三极管。
3.根据权利要求1所述的增强正温度系数的电流偏置电路，其特征在于，所述电流偏置电路还包括：镜像模块，所述镜像模块的输入端连接所述第一三极管的集电极和基极，输出端作为所述电流偏置电路的输出端。
4.根据权利要求3所述的增强正温度系数的电流偏置电路，其特征在于，所述镜像模块利用三极管和P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管PMOS管进行镜像。
5.根据权利要求4所述的增强正温度系数的电流偏置电路，其特征在于，所述第一三极管为NPN型三极管，所述镜像模块具体包括：第二三极管、第二电阻、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管和第四PMOS管；
所述第二三极管为NPN型三极管，所述第二三极管的基极和所述第一三极管的基极连接，所述第二三极管的发射极与所述第一三极管的发射极连接，并接地，所述第二三极管的集电极与所述第二电阻的一端、所述第二PMOS管的栅极和所述第四PMOS管的栅极连接，所述第二电阻的另一端与所述第二PMOS管的漏极、所述第一PMOS管的栅极和所述第三PMOS管的栅极连接；
所述第二PMOS管的源极和所述第一PMOS管的漏极连接，所述第三PMOS管的漏极和所述第四PMOS管的源极连接；
所述第一PMOS管的源极和所述第三PMOS管的源极共同连接至所述电流偏置电路的电源端；
所述第四PMOS管的漏极的电流作为所述电流偏置电路的输出电流。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的增强正温度系数的电流偏置电路，其特征在于，所述第一电阻为可变电阻。
7.根据权利要求1所述的增强正温度系数的电流偏置电路，其特征在于，所述电流偏置电路还包括：第一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管NMOS管；
所述第一NMOS管的漏极和栅极连接所述电流偏置电路的输出端，所述第一NMOS管的源极接地。
8.根据权利要求1所述的增强正温度系数的电流偏置电路，其特征在于，所述电流偏置电路还包括：第三电阻；所述第三电阻串联在所述电流偏置电路的输入端和输出端之间，所述第三电阻的一端作为所述电流偏置电路的输出端。
9.一种利用电流偏置电路提高正温度系数的方法，其特征在于，所述电流偏置电路应用于射频集成电路中，所述电流偏置电路包括：绝对温度成正比的电流源、第一三极管和第一电阻；所述提高偏置电流的方法包括：
将所述电流源接入所述第一三极管的集电极、基极和所述第一电阻的一端；
将所述第一电阻的另一端接地；
将所述第一三极管的发射极的电流输出，作为所述电流偏置电路的基准输出电流。
10.根据权利要求9所述的利用电流偏置电路提高正温度系数的方法，，其特征在于，所述第一三极管为NPN型三极管。
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