CN108693913A - 温度系数可调节的电流产生电路 - Google Patents

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    • G05F1/567—Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc using semiconductor devices in series with the load as final control devices sensing a condition of the system or its load in addition to means responsive to deviations in the output of the system, e.g. current, voltage, power factor for temperature compensation

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Abstract

本发明为一种温度系数可调节的电流产生电路，包括电流镜，运算放大器，开关管，至少二正温度系数电阻，至少二负温度系数电阻，正温度系数开关，负温度系数开关。由此，在现有技术的电压转电流的电路基础上，对输出电流进行了适当的匹配，使其具备可调节的温度系数，而电阻的匹配有别于传统的单纯串联或者单纯的并联，节约电路空间；温度系数的准确性比较高。

Description

温度系数可调节的电流产生电路
技术领域
本发明属于集成电路设计技术，具体涉及一种电压转电流的电流产生电路，其输出电流具备可调节的温度系数。
背景技术
稳定的电压源广泛地使用于电源***里。电压可以通过禁带宽度(Band gap)实现温度系数可调节的功能，或者可以实现具有温度补偿功能的稳定的电压源。在模拟电路中广泛地使用电压转电流的电路结构，仅仅依靠禁带宽度(Band gap)，往往无法控制电流的温度系数。
根据欧姆定理，电流可以通过电压除以电阻产生，因此理论上，电流与温度的关系取决于电阻的温度系数。在高精度的振荡器电路(OSC)中，需要温度可调的电流源，因此需要设计一电流产生电路具有可调节的温度系数。
请参阅图1所示，现有技术的温度系数可调节的电流产生电路的连接方式为，两组温度系数相反的电阻串联在一起，最后一个电阻接地，开关并联于每个电阻两端，通过开关闭合实现电流产生电路的温度系数可调。但是，一方面，在集成电路中用MOS管实现开关的功能，譬如NMOS开关，因为NMOS的源极与下一个电阻处于同一个电势，而通常与NMOS的衬底处于不同的电势，所以开关的闭合与断开额外地引进了电阻，对于电流的偏差有一定的影响；另一方面，由于MOS管的导通电阻自身具有一个温度系数，这样的结构增加了电路设计的难度。
请参阅图2所示，现有技术的温度系数可调节的电流产生电路的另外一种连接方式为，其特点同样在于电阻的组合方式，两组温度系数相反的电阻并联在一起，每个电阻均为一端连接电流源，一端通过一开关管接地，通过开关管的闭合与断开，实现电流的温度系数调节。相比于前一现有技术，本现有技术尽管消除了NMOS开关因为源极与衬底电势不一致的导致额外电阻产生的情况，但是由于电阻的并联，需要的电阻阻值会很大，导致电路占用很大的面积。
由此可见，现有技术的电流产生电路存在以下缺陷：温度系数调节结构比较复杂；引入附加电阻，增加一项影响因素，导致温度控制精度降低；单电阻大，电路面积大。
发明内容
本发明提供一种温度系数可调节的电流产生电路，其目的在于简化该电流温度系数调节***，避免附加电阻，提高对该温度系数调节的控制精度，减小控制电阻的阻值，减小器件的尺寸，降低整体尺寸。
为达前述目的，本发明提供一种温度系数可调节的电流产生电路，包括：
一电流镜，由参考电流产生输出电流源；
一运算放大器，该运算放大器的正输入端连接一参考电压；
一开关管，该开关管的栅极连接该运算放大器的输出端，该开关管的源极连接该运算放大器的负输入端，该开关管的漏极连接该电流镜的参考电流的输入端；
至少二正温度系数电阻，至少二负温度系数电阻，正温度系数电阻串联后组成正温度系数电阻组，负温度系数电阻串联后组成负温度系数电阻组，正温度系数电阻组和负温度系数电阻组并联后为温度系数可调节电阻组，该温度系数可调节电阻组一端连接该运算放大器的负输入端，一端接地；
除最近接地端的一个该正温度系数电阻外每个该正温度系数电阻的近接地端连接一正温度系数开关，该正温度系数开关的另一端接地，该正温度系数开关数量比该正温度系数电阻数量少一个；
除最近接地端的一个该负温度系数电阻外每个该负温度系数电阻的近接地端连接一负温度系数开关，该负温度系数开关的另一端接地，该负温度系数开关数量比该负温度系数电阻数量少一个。
优选地，该电流镜包括一第一PMOS管和一第二PMOS管，该第一PMOS管的栅极连接该第二PMOS管的栅极、该开关管的漏极和该第一PMOS管的漏极，该第一PMOS管的源极和该第二PMOS管的源极连接电源，该第二PMOS管的漏极产生该输出电流源。
优选地，该开关管为一第一NMOS管。
优选地，该正温度系数开关为NMOS开关管，该负温度系数开关为NMOS开关管。
优选地，在一温度t下，该正温度系数电阻的电阻值为A1，该负温度系数电阻的电阻值为A2，A1、A2为自变量温度t的电阻函数值，闭合该正温度系数开关的其中一个用以局部短接部分该正温度系数电阻，未被短接的正温度系数电阻数量为a个，闭合该负温度系数开关的其中一个用以局部短接部分该负温度系数电阻，未被短接的负温度系数电阻数量为b个，
该参考电压为零温度系数的基准电压源，且该参考电压值为Vref，
该温度系数可调节电阻组的总电阻值为Rref，
该参考电流为Iref，
优选地，该A1、A2与温度相关，该Vref与温度无关，该输出电流源的电流值正比于
该输出电流源的温度系数调节的方法如下，
通过控制闭合该正温度系数开关和该负温度系数开关，改变a、b的数值，进而改变温度系数可调节电阻组的总电阻值Rref，进一步产生所需的参考电流Iref，通过该电流镜产生该输出电流源，从而生成该输出电流源所需的温度系数。
一种振荡器电路，包括温度系数可调节的电流产生电路，一线性稳压器，一带隙基准源，一环形振荡器，一频率微调***。
优选地，该带隙基准源输出一零温度系数的基准电压源和一第一偏置电流，该零温度系数的基准电压源和该第一偏置电流输入到该线性稳压器和该温度系数可调节的电流产生电路，该线性稳压器输出负载电压，该负载电压输入到该温度系数可调节的电流产生电路和该环形振荡器，该温度系数可调节的电流产生电路输出一第二偏置电流，该第二偏置电流输入到该环形振荡器，一外部微调码输入到该环形振荡器，一参考频率输入到该频率微调***，该频率微调***生成一内部微调码，该内部微调码输入到该环形振荡器，该环形振荡器输出一输出频率，该输出频率输入到该频率微调***。
由此可见，本发明的温度系数可调节的电流产生电路，在现有技术的电压转电流的电路基础上，对输出电流进行了适当的匹配，使其具备可调节的温度系数，而电阻的匹配有别于传统的单纯串联或者单纯的并联，节约电路空间；温度系数的准确性比较高。
附图说明
图1为现有技术纯串联式温度系数可调节的电流产生电路。
图2为现有技术纯并联式温度系数可调节的电流产生电路。
图3为本发明温度系数可调节的电流产生电路的实施例。
图4为应用本发明温度系数可调节的电流产生电路的振荡器电路。
附图标记说明：
VDD 电源
PM1 第一PMOS管
PM1 第二PMOS管
Vref 零温度系数的基准电压源
OPA 运算放大器
IOUT 输出电流源
NM1 第一NMOS管
RN_0、RN_1、RN_2、……RN_N-1、RN_N 负温度系数电阻
RP_0、RP_1、RP_2、……RP_N-1、RP_N 正温度系数电阻
SN_0、SN_1、SN_2、……SN_N-1、SN_N 负温度系数开关
SP_0、SP_1、SP_2、……SP_N-1、SP_N 正温度系数开关
GND 接地端
CLKREF 参考频率
FTRIM[6:0] 外部输入的微调码
TRIM[6:0] 内部生成的微调码
Frequency Trimming 频率微调***
Ibias 偏置电流
Band Gap 带隙基准源
LDO 线性稳压器
Ring OSC 环形振荡器
VI 电流产生电路
CLKOUT 输出频率
VR 负载电压。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明的电路组成和连接方式进一步说明，并说明本发明的有益效果。
请参阅图3所示，本发明提供的一种温度系数可调节的电流产生电路，包括：一电流镜，该电流镜包括一第一PMOS管(PM1)和一第二PMOS管(PM2)；一运算放大器(OPA)；一开关管，该开关管为一第一NMOS管(NM1)；(N+1)个正温度系数电阻(RP_i)；(N+1)个负温度系数电阻(RN_i)；N个正温度系数开关(SP_j)；N个负温度系数开关(SN_j)。其中，i＝0,1,2,……N；j＝1,2,……N。
该运算放大器(OPA)的正输入端连接一参考电压，该参考电压为零温度系数的基准电压源，参考电压值为Vref，单位伏特。由于运算放大器(OPA)的高增益特点，差分输入“虚短”，相当于该零温度系数的基准电压源(Vref)直接加载在第一NMOS管(NM1)的源极。
该开关管即第一NMOS管(NM1)的栅极连接该运算放大器(OPA)的输出端，该第一NMOS管(NM1)的源极连接该运算放大器(OPA)的负输入端，该该第一NMOS管(NM1)的漏极连接该电流镜的参考电流(Iref)的输入端——该第一PMOS管(PM1)的漏极。
(N+1)个正温度系数电阻(RP_i)串联后组成正温度系数电阻组，(N+1)个负温度系数电阻(RN_i)串联后组成负温度系数电阻组，正温度系数电阻组和负温度系数电阻组并联后为温度系数可调节电阻组，该温度系数可调节电阻组一端连接该运算放大器(OPA)的负输入端，一端接地(GND)。
第i个该正温度系数电阻(RP_i)(当i≥1)的远地端通过一个正温度系数开关(SP_j)(i＝j)接地，当正温度系数开关(SP_j)闭合时，正温度系数电阻(RP_i)、(RP_i+1)、……、(RP_N)被短接，该正温度系数电阻组剩余i个电阻连通(0至i-1号电阻)，令i＝a。换种描述方式为，第i-1个该正温度系数电阻(RP_i-1)(当i≥1)的近地端通过通过一个正温度系数开关(SP_j)(i＝j)接地，当正温度系数开关(SP_j)闭合时，正温度系数电阻(RP_0)、(RP_1)、……、(RP_i-1)未被短接，即该正温度系数电阻组剩余i个电阻连通(0至i-1号电阻)，令i＝a。
与上一段描述一致，i为一大于等于1小于等于N的任一负整数，第i个该负温度系数电阻(RN_i)(当i≥1)的远地端通过一个负温度系数开关(SN_j)(i＝j)接地，当负温度系数开关(SN_j)闭合时，负温度系数电阻(RN_i)、(RN_i+1)、……、(RN_N)被短接，该负温度系数电阻组剩余i个电阻连通(0至i-1号电阻)，令i＝b。换种描述方式为，第i-1个该负温度系数电阻(RN_i-1)(当i≥1)的近地端通过通过一个负温度系数开关(SN_j)(i＝j)接地，当负温度系数开关(SN_j)闭合时，负温度系数电阻(RN_0)、(RN_1)、……、(RN_i-1)未被短接，即该负温度系数电阻组剩余i个电阻连通(0至i-1号电阻)，令i＝b。
在一温度t(单位为开尔文)下，该正温度系数电阻(RP_i)的电阻值为A1，该负温度系数电阻(RN_i)的电阻值为A2，A1、A2为自变量温度t的电阻函数值，A1、A2的单位为欧姆。闭合该正温度系数开关(SP_j)的其中一个用以局部短接部分该正温度系数电阻(RP_i)，未被短接的正温度系数电阻数量为a个，闭合该负温度系数开关(SN_j)的其中一个用以局部短接部分该负温度系数电阻(RN_i)，未被短接的负温度系数电阻数量为b个，则
该温度系数可调节电阻组的总电阻值为Rref，单位为欧姆，
该参考电流为Iref，单位为安培，
该第一PMOS管(PM1)的栅极连接该第二PMOS管(PM2)的栅极、该开关管(NM1)的漏极和该第一PMOS管(PM1)的漏极，该第一PMOS管(PM1)的源极和该第二PMOS管(PM2)的源极连接电源(VDD)，该第二PMOS管(PM2)的漏极产生该输出电流源(IOUT)，单位为安培。第一PMOS管(PM1)的宽长比为(W/L)1,第二PMOS管(PM2)的宽长比为(W/L)2，第一PMOS管(PM1)和第二PMOS管(PM2)工作在饱和区，忽略沟道调制效应，输出电流源(IOUT)与参考电流(Iref)之间关系如下：
通过设计并固定第一PMOS管(PM1)的宽长比以及第二PMOS管(PM2)的宽长比参数，从而设计输出电流源(IOUT)正比于参考电流(Iref)。其中，宽度和长度选择同一长度单位，则宽长比为无量纲的量。
在集成电路设计中，该正温度系数开关可以设计为NMOS开关管，该负温度系数开关也可以设计为NMOS开关管。
该A1、A2与温度相关，该Vref与温度无关，该输出电流源的电流值正比于
该输出电流源的温度系数调节的方法如下，
通过控制闭合该正温度系数开关和该负温度系数开关中的一个，从而改变a、b的数值，进而改变温度系数可调节电阻组的总电阻值Rref，进一步产生所需的参考电流Iref，通过该电流镜产生该输出电流源，从而生成该输出电流源所需的温度系数。
本实施例的有益效果在于，通过选通开关，实现了电流的温度系数的调节。并且，该温度系数可调节的电流产生电路，温度在-40摄氏度～125摄氏度的范围内变化，调节后的电流的变化范围在-7％～0％，恒流稳定性好，结构简单，面积较小，性能优异。可以广泛应用于模拟电路中需要稳定恒流源的电路结构中。
请参阅图4所示，本发明的温度系数可调节的电流产生电路(VI)应用到一种振荡器电路，还包括，一线性稳压器(LDO)，一带隙基准源(Band Gap)，一环形振荡器(RingOSC)，一频率微调***(Frequency Trimming)。
该带隙基准源(Band Gap)输出一零温度系数的基准电压源(Vref)和一第一偏置电流(Ibias)，该零温度系数的基准电压源(Vref)和该第一偏置电流(Ibias)输入到该线性稳压器(LDO)和该温度系数可调节的电流产生电路(VI)，该线性稳压器(LDO)输出负载电压(VR)，该负载电压(VR)输入到该温度系数可调节的电流产生电路(VI)和该环形振荡器(Ring OSC)，该温度系数可调节的电流产生电路(VI)输出一第二偏置电流(Ibias)，该第二偏置电流(Ibias)输入到该环形振荡器(Ring OSC)，一外部微调码(FTRIM[6:0])输入到该环形振荡器(Ring OSC)，一参考频率(CLKREF)输入到该频率微调***(FrequencyTrimming)，该频率微调***(Frequency Trimming)生成一内部微调码(TRIM[6:0])，该内部微调码输入到该环形振荡器(Ring OSC)，该环形振荡器(Ring OSC)输出一输出频率(CLKOUT)，该输出频率(CLKOUT)输入到该频率微调***(Frequency Trimming)。
该第二偏置电流(Ibias)为本发明的实施例中的输出电流源(IOUT)，与温度有关，并且温度系数可以调节，选定温度系数后为恒定的电流源。
上述技术方案就是本发明在振荡器电路中的应用，本发明为振荡器电路提供了稳定的电流源，可以根据需求设计相应的温度系数。本实施例产生的有益效果为，温度为25摄氏度以下时，输出频率可调节，且该输出频率的调节精度为1％。
以上所述为本发明的较佳实施例，不应以此限制本发明。凡依本发明权利要求所作的等同替换或修饰，均属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种温度系数可调节的电流产生电路，其特征在于，包括：
一电流镜，由参考电流产生输出电流源；
一运算放大器，该运算放大器的正输入端连接一参考电压；
一开关管，该开关管的栅极连接该运算放大器的输出端，该开关管的源极连接该运算放大器的负输入端，该开关管的漏极连接该电流镜的参考电流的输入端；
至少二正温度系数电阻，至少二负温度系数电阻，正温度系数电阻串联后组成正温度系数电阻组，负温度系数电阻串联后组成负温度系数电阻组，正温度系数电阻组和负温度系数电阻组并联后为温度系数可调节电阻组，该温度系数可调节电阻组一端连接该运算放大器的负输入端，一端接地；
除最近接地端的一个该正温度系数电阻外每个该正温度系数电阻的近接地端连接一正温度系数开关，该正温度系数开关的另一端接地，该正温度系数开关数量比该正温度系数电阻数量少一个；
除最近接地端的一个该负温度系数电阻外每个该负温度系数电阻的近接地端连接一负温度系数开关，该负温度系数开关的另一端接地，该负温度系数开关数量比该负温度系数电阻数量少一个。
2.如权利要求1所述的温度系数可调节的电流产生电路，其特征在于，该电流镜包括一第一PMOS管和一第二PMOS管，该第一PMOS管的栅极连接该第二PMOS管的栅极、该开关管的漏极和该第一PMOS管的漏极，该第一PMOS管的源极和该第二PMOS管的源极连接电源，该第二PMOS管的漏极产生该输出电流源。
3.如权利要求1或2所述的温度系数可调节的电流产生电路，其特征在于，该开关管为一第一NMOS管。
4.如权利要求1或2所述的温度系数可调节的电流产生电路，其特征在于，该正温度系数开关为NMOS开关管，该负温度系数开关为NMOS开关管。
5.如权利要求1或2所述的温度系数可调节的电流产生电路，其特征在于，在一温度t下，该正温度系数电阻的电阻值为A1，该负温度系数电阻的电阻值为A2，A1、A2为自变量温度t的电阻函数值，闭合该正温度系数开关的其中一个用以局部短接部分该正温度系数电阻，未被短接的正温度系数电阻数量为a个，闭合该负温度系数开关的其中一个用以局部短接部分该负温度系数电阻，未被短接的负温度系数电阻数量为b个，
该参考电压为零温度系数的基准电压源，且该参考电压值为Vref，
该温度系数可调节电阻组的总电阻值为Rref，
该参考电流为Iref，
6.如权利要求5所述的温度系数可调节的电流产生电路，其特征在于，
该A1、A2与温度相关，该Vref与温度无关，该输出电流源的电流值正比于
该输出电流源的温度系数调节的方法如下，
通过控制闭合该正温度系数开关和该负温度系数开关，改变a、b的数值，进而改变温度系数可调节电阻组的总电阻值Rref，进一步产生所需的参考电流Iref，通过该电流镜产生该输出电流源，从而生成该输出电流源所需的温度系数。
7.一种振荡器电路，包括如权利要求1-6之一所述的温度系数可调节的电流产生电路，其特征在于，还包括，一线性稳压器，一带隙基准源，一环形振荡器，一频率微调***。
8.如权利要求7所述的振荡器电路，其特征在于，该带隙基准源输出一零温度系数的基准电压源和一第一偏置电流，该零温度系数的基准电压源和该第一偏置电流输入到该线性稳压器和该温度系数可调节的电流产生电路，该线性稳压器输出负载电压，该负载电压输入到该温度系数可调节的电流产生电路和该环形振荡器，该温度系数可调节的电流产生电路输出一第二偏置电流，该第二偏置电流输入到该环形振荡器，一外部微调码输入到该环形振荡器，一参考频率输入到该频率微调***，该频率微调***生成一内部微调码，该内部微调码输入到该环形振荡器，该环形振荡器输出一输出频率，该输出频率输入到该频率微调***。
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