CN108469862B - 低温漂电流源基准电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低温漂电流源基准电路，包括电流产生电路、启动电路、镜像电路和偏置电流源，所述偏置电流源向所述启动电路和镜像电路提供偏置电流；所述启动电路在接收到所述偏置电流后向所述镜像电路提供启动信号，控制所述镜像电路启动；所述镜像电路启动后将所述偏置电流提供给所述电流产生电路；所述电流产生电路在接收到所述偏置电流后，利用材质相同、发射极面积不同的晶体管，对各个晶体管上的发射结电压求差，产生低温漂电流，并将所述低温漂电流提供给所述镜像电路，由所述镜像电路镜像输出。本发明温漂更小、电路更简单，芯片面积更小。

Description

低温漂电流源基准电路
技术领域
本发明属于集成电路领域，具体涉及一种低温漂电流源基准电路。
背景技术
在模拟集成电路领域，电流源得到了广泛的应用，它为各模块提供偏置电流，影响着芯片各模块的性能。通常，我们希望产生一个与电源电压、工艺以及温度无关的恒定电流。在大多数应用中，所要求的温度关系采用三种形式中的一种：
1)与绝对温度成正比
2)与绝对温度成反比
3)与温度无关
与温度无关的电流源符合大多数模拟集成电路的需求，因此得到了广泛的应用。要得到一个与温度无关的电流源，通常需要先产生一个与温度无关的基准电压，将该基准电压加在电阻上，产生一个与温度无关的基准电流，再镜像给其他模块电路使用。传统上，与温度无关的基准电压采用带隙基准模式产生。即将一个正温度系数电压与负温度系数电压求和，产生一个与温度无关的带隙基准电压。然而一方面因为正温度系数电压和负温度系数电压与温度并不是严格的一次线性关系，并且受工艺影响较大，在宽温度范围内不能相互抵消，通常也只是在某一个温度点产生零温系数电压，如果没有二阶补偿，温漂较大。另一方面，带隙基准电压本身不具备产生电流的能力，需要一个缓冲电路来产生基准电流，这就增大了电路的复杂度，增大了芯片面积和功耗。
发明内容
本发明提供一种低温漂电流源基准电路，以解决目前与温度无关的电流源温漂较大且结构复杂的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种低温漂电流源基准电路，包括电流产生电路、启动电路、镜像电路和偏置电流源，所述偏置电流源向所述启动电路和镜像电路提供偏置电流；所述启动电路在接收到所述偏置电流后向所述镜像电路提供启动信号，控制所述镜像电路启动；所述镜像电路启动后将所述偏置电流提供给所述电流产生电路；所述电流产生电路在接收到所述偏置电流后，利用材质相同、发射极面积不同的晶体管，对各个晶体管上的发射结电压求差，产生低温漂电流，并将所述低温漂电流提供给所述镜像电路，由所述镜像电路镜像输出。
在一种可选的实现方式中，还包括负反馈电路，所述镜像电路在启动后将所述偏置电流提供给所述负反馈电路，所述镜像电路在接收到所述低温漂电流后将其提供给所述负反馈电路，且所述偏置电流源将所述偏置电流提供给所述负反馈电路，所述负反馈电路将所述低温漂电流和偏置电流反馈回所述电流产生电路，并在此过程中对突变增大的所述偏置电流进行泄放。
在另一种可选的实现方式中，所述电流产生电路包括第一NPN管、第二NPN管、第一可调电阻、第二可调电阻和第三可调电阻，所述第二NPN管的集电极用于接收所述镜像电路启动后提供的所述偏置电流，所述第二NPN管的集电极与所述第一NPN管的基极连接并通过所述第三可调电阻连接其基极，所述第二NPN管的基极通过所述第二可调电阻连接其发射极，所述第二NPN管的发射极接地，所述第一NPN管的发射极通过所述第一可调电阻接地，集电极用于将所述低温漂电流提供给所述镜像电路，并接收所述负反馈电路反馈回的低温漂电流。
在另一种可选的实现方式中，所述第一NPN管和第二NPN管的材质相同，且两者发射极面积之比为K：1，其中K为大于1的任意数值。
在另一种可选的实现方式中，通过对所述第二可调电阻和第三可调电阻的阻值进行调节，以对所述电流产生电路产生电流的温漂特性进行调节。
在另一种可选的实现方式中，通过对所述第一可调电阻的阻值进行调节，以对所述电流产生电路产生电流的大小进行调节。
在另一种可选的实现方式中，所述镜像电路包括第一PNP管、第二PNP管、第三PNP管和第四PNP管，所述第一PNP管、第二PNP管、第三PNP管和第四PNP管的发射极都用于接收所述偏置电流源提供的偏置电流，基极都用于接收所述启动电路提供的启动信号，所述第一PNP管的集电极用于接收所述电流产生电路提供的低温漂电流并由其发射极输出所述低温漂电流，所述第二PNP管的集电极用于将所述偏置电流提供给所述电流产生电路，所述第三PNP管的集电极用于将所述偏置电流提供给所述负反馈电路，所述第四PNP管的集电极用于镜像输出所述低温漂电流。
在另一种可选的实现方式中，所述启动电路包括第五PNP管和第四电阻，所述第五PNP管的发射极用于接收所述偏置电流源提供的偏置电流，集电极连接其基极并通过第四电阻接地，所述第五PNP管的基极用于向所述镜像电路提供启动信号。
在另一种可选的实现方式中，所述负反馈电路包括第三NPN管和第六PNP管，所述第六PNP管的发射极用于接收所述镜像电路输出的低温漂电流以及所述偏置电流源提供的偏置电流，集电极接地，基极连接所述第三NPN管的集电极，所述第三NPN管的发射极接地，集电极用于接收所述镜像电路启动后提供的偏置电流，基极用于将所述低温漂电流和偏置电流提供给所述电流产生电路。
在另一种可选的实现方式中，通过对所述第二可调电阻和第三可调电阻的阻值进行调节，以使所述电流产生电路产生无温度无关的低温漂电流。
本发明的有益效果是：
1、传统基准电压产生是基于正温度系数电压与负温度系数电压求和，因为两者系数与温度不是线性关系，因此只会在某一点产生零温度系数电压，宽温度范围内温漂较大。本发明实施例中的基准电压产生基于材质相同、不同发射极面积的NPN管的VBE电压做差产生，两者温度系数更接近，做差后宽温度范围更接近零温度系数，温漂更小；本发明基准电压产生后，直接在电阻上产生基准电流，不需再增加缓冲电路，减少了电路复杂程度，减小了芯片面积；
2、本发明通过增加启动电路、负反馈电路，并对镜像电路进行设计，可以提高整个电路的稳定性。
附图说明
图1是本发明低温漂电流源基准电路的一个实施例电路方框图；
图2是本发明低温漂电流源基准电路的一个实施例电路图；
图3是本发明低温漂电流源基准电路的输出电流温漂仿真结果示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参见图1，为本发明低温漂电流源基准电路的一个实施例电路方框图。该低温漂电流源基准电路可以包括电流产生电路110、启动电路120、镜像电路130和偏置电流源140，所述偏置电流源140向所述启动电路120和镜像电路130提供偏置电流；所述启动电路120在接收到所述偏置电流后向所述镜像电路130提供启动信号，控制所述镜像电路130启动；所述镜像电路130启动后将所述偏置电流提供给所述电流产生电路110；所述电流产生电路110在接收到所述偏置电流后，利用材质相同、发射极面积不同的晶体管，对各个晶体管上的发射结电压求差，产生低温漂电流，并将所述低温漂电流提供给所述镜像电路130，由所述镜像电路130镜像输出。其中，该偏置电流源140可以是任意电流源，其包括与温度有关但不呈任意规则关系(即不与绝对温度呈正比、反比关系)的电流源。本发明中电流产生电路利用材质相同、发射极面积不同的晶体管，对各个晶体管上的发射结求差，在产生电压差的同时可以直接产生低温漂电流，不必增加缓冲电路来将电压转换为电流，因此本发明结构比较简单，并且可以降低温漂。此外，本发明增加了与电流发生电路匹配的启动电路和镜像电路源，由于在使用过程中偏置电流会发生突变，如果直接将偏置电流源与电流发生电路连接，则偏置电流源在突变时可能对电流发生电路中的晶体管造成损坏，本发明首先利用启动电路控制镜像电路启动，镜像电路在启动后将其接收到的偏置电流提供给电流发生电路，可以为电流发生电路的稳定工作提供双重保护。
该低温漂电流源基准电路还可以包括负反馈电路150，所述镜像电路130在启动后将偏置电流提供给所述负反馈电路150，所述镜像电路130在接收到低温漂电流后将其提供给所述负反馈电路150，且所述偏置电流源140将所述偏置电流提供给所述负反馈电路150，所述负反馈电路150将所述低温漂电流和偏置电流反馈回所述电流产生电路110，并在此过程中对突变增大的所述偏置电流进行泄放。同样地，在使用过程中偏置电流会发生突变，本发明通过增加负反馈电路，可以使增大的偏置电流在负反馈电路中泄放，从而保证镜像电路可以输出稳定的低温漂电流。此外，本发明首先利用启动电路控制镜像电路启动，镜像电路在启动后才将偏置电流提供给负反馈电路，以使负反馈电路开始工作，这样可以提高负反馈电路工作的稳定性。
由上述实施例可见，传统基准电压产生是基于正温度系数电压与负温度系数电压求和，因为两者系数与温度不是线性关系，因此只会在某一点产生零温度系数电压，宽温度范围内温漂较大。本发明实施例中的基准电压产生基于材质相同、不同发射极面积的NPN管的VBE电压做差产生，两者温度系数更接近，做差后宽温度范围更接近零温度系数，温漂更小；本发明基准电压产生后，直接在电阻上产生基准电流，不需再增加缓冲电路，减少了电路复杂程度，减小了芯片面积。
参见图2，为本发明低温漂电流源基准电路的一个实施例电路图。图2与图1所示低温漂电流源基准电路的区别在于，所述电流产生电路包括第一NPN管N1、第二NPN管N2、第一可调电阻R1、第二可调电阻R2和第三可调电阻R3，所述第二NPN管N2的集电极用于接收所述镜像电路130启动后提供的所述偏置电流，所述第二NPN管N2的集电极与所述第一NPN管N1的基极连接并通过所述第三可调电阻R3连接其基极，所述第二NPN管N2的基极通过所述第二可调电阻R2连接其发射极，所述第二NPN管N2的发射极接地，所述第一NPN管N1的发射极通过所述第一可调电阻R1接地，集电极用于将所述低温漂电流提供给所述镜像电路130，并接收所述负反馈电路150反馈回的低温漂电流和偏置电流。其中，所述第一NPN管N1和第二NPN管N2的材质相同，且两者发射极面积之比为K：1，K为大于1的任意数值。本发明通过对所述第二可调电阻R2和第三可调电阻R3的阻值进行调节，可以对所述电流产生电路110产生电流的温漂特性进行调节，其中通过对所述第二可调电阻和第三可调电阻的阻值进行调节，以使所述电流产生电路产生无温度无关的低温漂电流；本发明通过对所述第一可调电阻R1的阻值进行调节，可以对电流产生电路110产生电流的大小进行调节。
所述镜像电路130包括第一PNP管P1、第二PNP管P2、第三PNP管P3和第四PNP管P4，所述第一PNP管P1、第二PNP管P2、第三PNP管P3和第四PNP管P4的发射极都用于接收所述偏置电流源140提供的偏置电流，基极都用于接收所述启动电路120提供的启动信号，所述第一PNP管P1的集电极用于接收所述电流产生电路110提供的低温漂电流并由其发射极输出所述低温漂电流，所述第二PNP管P2的集电极用于将所述偏置电流提供给所述电流产生电路110，所述第三PNP管P3的集电极用于将所述偏置电流提供给所述负反馈电路150，所述第四PNP管P4的集电极用于镜像输出所述低温漂电流。
所述启动电路120包括第五PNP管P5和第四电阻R4，所述第五PNP管P5的发射极用于接收所述偏置电流源140提供的偏置电流，集电极连接其基极并通过第四电阻R4接地，所述第五PNP管P5的基极用于向所述镜像电路130提供启动信号。
所述负反馈电路包括第三NPN管N3和第六PNP管P6，所述第六PNP管P6的发射极用于接收所述镜像电路130输出的低温漂电流以及所述偏置电流源140提供的偏置电流，集电极接地，基极连接所述第三NPN管N3的集电极，所述第三NPN管N3的发射极接地，集电极用于接收所述镜像电路130启动后提供的偏置电流，基极用于将所述低温漂电流和偏置电流提供给所述电流产生电路110。其中，当偏置电流突变增大时，低温漂电流和偏置电流反馈给电流发生电路110，在第六PNP管P6、第三NPN管N3、第一NPN管N1和第二NPN管N2构成的负反馈电路中，负反馈电路可以使增大的偏置电流在流经第六PNP管P6时进行泄放，从而保证低温漂电流产生的稳定性。
本实施例的工作原理是：
如图1所示，上电后，第四PNP管P4和第四电阻R4直接上电导通，启动电路先开始工作，通过第一PNP管P1、第二PNP管P2和第三PNP管P3的共基极结构，使镜像电路工作。启动后，所有的NPN管和PNP管开启工作，流过第二PNP管N2基极的电流相比第二NPN管N2的集电极电流，小两个数量级，因此N2基极电流在此忽略不计，图2中B节点处第二NPN管N2的基极电压为：
VB＝VBE2 (1)
则第二NPN管N2的集电极A点电压为：
VA＝VB×(R2+R3)/R2 (2)
C点第一NPN管N1的发射极电压为：
VC＝VA-VBE1＝VBE2×(R2+R3)/R2-VBE1 (3)
结合式(3)则在第一电阻R1上产生的电流为：
其中VBE1为第一NPN管N1的发射极BE结电压，VBE2为第二NPN管N2的发射极BE结电压。
(3)式中，R2和R3为同一类型电阻，从式中可以看到，电阻温度系数可以相互抵消。
对(4)式进行温度求导，即分别对(1)式和(2)式进行温度求导。
已知VBE的温度系数为负，且
即VBE<(4+m)VT+Eg/q (6)
则
设(R2+R3)/R2＝A>1，(8)
将(5)和(8)式代入(7)中得：
因为VBE1的发射结面积比VBE2大，且流过N2和N1的电流接近，反向饱和电流接近。则流过N2发射极单位面积电流大于流过N1发射极单位面积电流。即：IC2＞IC1。
由：VBE＝VTln(IC/IS) (10)
式(10)中IC为流过晶体管发射极单位面积的电流，IS为反向饱和电流
则VBE2＞VBE1
式(9)中AVBE2-VBE1＞0
则A存在某一个值，使
上述各式中VT表示热电压，Eg表示半导体能隙，q表示单位电子电荷，m表示常数。图3是本发明低温漂电流源基准电路的输出电流温漂仿真结果示意图。
由上述实施例可见，传统基准电压产生是基于正温度系数电压与负温度系数电压求和，因为两者系数与温度不是线性关系，因此只会在某一点产生零温度系数电压，宽温度范围内温漂较大。本发明实施例中的基准电压产生基于材质相同、不同发射极面积的NPN管的VBE电压做差产生，两者温度系数更接近，做差后宽温度范围更接近零温度系数，温漂更小；本发明基准电压产生后，直接在电阻上产生基准电流，不需再增加缓冲电路，减少了电路复杂程度，减小了芯片面积。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种低温漂电流源基准电路，其特征在于，包括电流产生电路、启动电路、镜像电路、偏置电流源和负反馈电路，所述偏置电流源向所述启动电路和镜像电路提供偏置电流；所述启动电路在接收到所述偏置电流后向所述镜像电路提供启动信号，控制所述镜像电路启动；所述镜像电路启动后将所述偏置电流提供给所述电流产生电路；所述电流产生电路在接收到所述偏置电流后，利用材质相同、发射极面积不同的晶体管，对各个晶体管上的发射结电压求差，产生低温漂电流，并将所述低温漂电流提供给所述镜像电路，由所述镜像电路镜像输出；
所述镜像电路在启动后将所述偏置电流提供给所述负反馈电路，所述镜像电路在接收到所述低温漂电流后将其提供给所述负反馈电路，且所述偏置电流源将所述偏置电流提供给所述负反馈电路，所述负反馈电路将所述低温漂电流和偏置电流反馈回所述电流产生电路，并在此过程中对突变增大的所述偏置电流进行泄放；
所述电流产生电路包括第一NPN管、第二NPN管、第一可调电阻、第二可调电阻和第三可调电阻，所述第二NPN管的集电极用于接收所述镜像电路启动后提供的所述偏置电流，所述第二NPN管的集电极与所述第一NPN管的基极连接并通过所述第三可调电阻连接其基极，所述第二NPN管的基极通过所述第二可调电阻连接其发射极，所述第二NPN管的发射极接地，所述第一NPN管的发射极通过所述第一可调电阻接地，集电极用于将所述低温漂电流提供给所述镜像电路，并接收所述负反馈电路反馈回的低温漂电流；
所述第一NPN管和第二NPN管的材质相同，且两者发射极面积之比为K：1，其中K为大于1的任意数值。
2.根据权利要求1所述的低温漂电流源基准电路，其特征在于，通过对所述第二可调电阻和第三可调电阻的阻值进行调节，以对所述电流产生电路产生电流的温漂特性进行调节。
3.根据权利要求1所述的低温漂电流源基准电路，其特征在于，通过对所述第一可调电阻的阻值进行调节，以对所述电流产生电路产生电流的大小进行调节。
4.根据权利要求1所述的低温漂电流源基准电路，其特征在于，所述镜像电路包括第一PNP管、第二PNP管、第三PNP管和第四PNP管，所述第一PNP管、第二PNP管、第三PNP管和第四PNP管的发射极都用于接收所述偏置电流源提供的偏置电流，基极都用于接收所述启动电路提供的启动信号，所述第一PNP管的集电极用于接收所述电流产生电路提供的低温漂电流并由其发射极输出所述低温漂电流，所述第二PNP管的集电极用于将所述偏置电流提供给所述电流产生电路，所述第三PNP管的集电极用于将所述偏置电流提供给所述负反馈电路，所述第四PNP管的集电极用于镜像输出所述低温漂电流。
5.根据权利要求1所述的低温漂电流源基准电路，其特征在于，所述启动电路包括第五PNP管和第四电阻，所述第五PNP管的发射极用于接收所述偏置电流源提供的偏置电流，集电极连接其基极并通过第四电阻接地，所述第五PNP管的基极用于向所述镜像电路提供启动信号。
6.根据权利要求1所述的低温漂电流源基准电路，其特征在于，所述负反馈电路包括第三NPN管和第六PNP管，所述第六PNP管的发射极用于接收所述镜像电路输出的低温漂电流以及所述偏置电流源提供的偏置电流，集电极接地，基极连接所述第三NPN管的集电极，所述第三NPN管的发射极接地，集电极用于接收所述镜像电路启动后提供的偏置电流，基极用于将所述低温漂电流和偏置电流提供给所述电流产生电路。
7.根据权利要求2所述的低温漂电流源基准电路，其特征在于，通过对所述第二可调电阻和第三可调电阻的阻值进行调节，以使所述电流产生电路产生无温度无关的低温漂电流。
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