CN108874013A - 一种对电源不敏感的零温漂电流源电路 - Google Patents
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Abstract
一种对电源不敏感的零温漂电流源电路，包括NJFET，三极管NPN1、NPN2、NPN3和NPN4，三极管PNP1、PNP2和PNP3，电阻R1，R2和R3，NJFET在VCC从2.5V至40V时候，其启动电流I0固定不变，电阻R1为可调正温度系数电阻，NPN1与NPN2的发射极面积个数乘积比为A1，NPN4与NPN3的发射极面积个数乘积比A2，A1*A2大于1，工艺调R1的温度系数就可以设计出零温漂的电流源电路。电流源基准电流IR大小完全取决于A1、A2及R1的阻值大小，电流源基准电流IR、电流源输出电流IOUT不会随VCC的变化而变化。
Description
技术领域
本发明涉及电流源电路，尤其涉及一种对电源不敏感的零温漂电流源电路，属于集成电路技术领域。
背景技术
目前的电流源电路一般为电流偏置电路，但是很多在设计电流偏置电路时对于电源敏感度、低温漂系数以及电路的可靠性等方面考虑较少，并且由于在设计过程中缺少对上述几方面的考虑，经常导致在使用过程中电流源电路的某些性能受到影响，比如很多电路的启动部分用大电阻，这样静态电流就会随VCC的变化而变化，而且大电阻也比较浪费版图面积。
发明内容
本发明目的在于，为了解决电流源电路的静态电流及输出电流随电源变化很小，且输出电流零温漂，提供一种对电源不敏感的零温漂电流源电路，该电路为输出电流可调的高精度零温漂且对电源不敏感的电流源电路。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：一种对电源不敏感的零温漂电流源电路，其特征在于，包括一个NJFET，四个NPN三极管NPN1、NPN2、NPN3和NPN4，三个PNP三极管PNP1、PNP2和PNP3，三个电阻R1、R2和R3，NJFET的漏极连接电源VCC，NJFET的栅极接地，NJFET的源极连接三极管NPN1的基极和集电极以及三极管NPN2的基极，三极管NPN1的发射极连接三极管NPN4的基极和三极管NPN3的集电极，三极管NPN3的发射极接地，三极管NPN3的基极连接三极管NPN2的发射极和三极管NPN4的集电极，三极管NPN4的发射极通过电阻R1接地，三极管NPN2的集电极连接三极管PNP1的集电极和三极管PNP3的基极，三极管PNP3的发射极连接三极管PNP1的基极和三极管PNP2的基极，三极管PNP1的发射极通过电阻R2连接电源VCC，三极管PNP2的发射极通过电阻R3连接电源VCC，三极管PNP3的集电极接地，三极管PNP2的集电极为电流源电路的输出端，输出电流IOUT。
所述四个NPN三极管NPN1、NPN2、NPN3和NPN4均为双极型纵向三极管，三个PNP三极管PNP1、PNP2和PNP3均为双极型横向三极管，三个电阻R1、R2和R3均为正温度系数电阻。
所述三极管NPN1与NPN2的发射极面积个数乘积比为A1，三极管NPN4与NPN3的发射极面积个数乘积比为A2，调节A1和A2的值，满足A1*A2大于1的整数，A1、A2分别为大于等于1小于等于40的整数，根据不同基准电流IR从1uA变化到1mA,电阻R1的大小取值范围从18Ω到100K变化，基准电流IR为流过电阻R2、三极管PNP1的发射极和集电极、三极管NPN2的集电极和发射极、三极管NPN4的集电极和发射极以及电阻R1的电流。
所述三极管PNP2的周长个数乘积与PNP1的周长个数乘积比等于输出电流IOUT与基准电流IR的大小比。
所述电阻R2与R3阻值大小比等于输出电流IOUT与基准电流IR大小比，输出电流IOUT与IR电流从1uA到1mA，电阻R2，R3的取值范围50Ω到150KΩ，保证IR*R2＝IOUT*R3在50mV到150mV之间。
本发明的优点和显著效果：本发明启动电流、基准电流及输出电流随VCC的变化很小，基准电流及输出电流高度匹配，温度系数零温漂，在集成电路领域里提高了可靠性。
附图说明
图1为本发明一种对电源不敏感的零温漂电流源电路的电路图；
图2为本发明一种对电源不敏感的零温漂电流源电路的基准电流IR温漂曲线；
图3为本发明一种对电源不敏感的零温漂电流源电路的基准电流IR随VCC变化曲线；
图4为本发明一种对电源不敏感的零温漂电流源电路的启动电流I0随VCC变化曲线。
具体实施方式
如图1，本发明一种对电源不敏感的零温漂电流源电路，包括一个NJFET，四个双极型纵向NPN三极管NPN1、NPN2、NPN3和NPN4，三个双极型横向PNP三极管PNP1、PNP2和PNP3，三个正温度系数电阻R1，R2和R3。NJFET的漏极接电源电压线VCC，栅极接地线GND，源极接NPN1的基极和集电极及NPN2的基极。NPN1的发射极接NPN4的基极和NPN3的集电极。NPN2的发射极接NPN3的基极和NPN4的集电极。NPN3的发射极接地线GND。NPN4的发射极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接地线GND。NPN2的集电极接PNP1的集电极和PNP3的基极。PNP3的集电极接地线GND，PNP3的发射极接PNP1的基极和PNP2的基极。PNP1的发射极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电源电压线VCC。PNP2的发射极接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接电源电压线VCC，PNP2的集电极接电流源电路的输出电流线IOUT。
NJFET在VCC从2.5V到40V变化的时候，其启动电流I0固定不变，I0为流过NJFET的漏源极电流和流过NPN1的集电极与发射极电流及流过NPN3的集电极与发射极电流，固定了启动电路在VCC变化时的启动电流I0。电阻R1为正温度系数，NPN1与NPN2的发射极面积个数乘积比为A1，NPN4与NPN3的发射极面积个数乘积比为A2，调节NPN1与NPN2的发射极面积个数乘积比A1、NPN4与NPN3的发射极面积个数乘积比A2，A1*A2大于1，工艺调整电阻R1的正温度系数，就可以设计出零温漂温度系数的电流源电路。R1电阻的正温度系数是通过工艺调整R1的掺杂浓度来改变温度系数，掺杂浓度会改变电阻的电阻率，而电阻率变化，只是改变电阻的方块值，我们只需改变电阻的宽长比，来取我们想要的电阻值，所以R1的正温度系数变化与R1取值无关。电流源基准电流IR大小完全取决于A1*A2大小与电阻R1的阻值大小，A1*A2为大于1的整数，A1，A2分别为大于等于1小于等于40的整数，根据不同基准电流IR从1uA变化到1mA,电阻R1的大小取值范围可从18Ω到100K变化。IR为流过电阻R2的电流、PNP1的发射极与集电极电流、NPN2与NPN4的集电极和发射极电流以及流过电阻R1的电流。
PNP1，PNP2，PNP3，R2，R3组成的发射区简并电阻的横向PNP电流镜电路匹配度高，且R2与R3抑制横向PNP2与PNP3厄尔利效应。电流源基准电流IR，输出电流IOUT随VCC的变化很小。IOUT为流过电阻R3的电流，流过PNP3的发射极与集电极电流，IOUT为其他偏置提供电流。
电压源VCC范围2.5V到40V，基准电流IR范围1u到1mA。电流源电路的启动电流及基准电流IR随VCC的变化很小，且基准电流IR的温度系数很小，接近零温漂。PNP2周长个数乘积与PNP1的周长个数乘积比等于输出电流IOUT与基准电流IR大小比。电阻R2与R3阻值大小比等于输出电流IOUT与基准电流IR大小比
VCC电源电压线可以加2.5到40V之间任意值供电电压。地线GND接地，此时电路将进入正常工作状态，VGS＝-(VBENPN1+VBENPN4)，VGS为启动电路NJFET的栅、源极电压差，VBENPN1代表NPN1基极与发射极之间的电压差，VBENPN4代表NPN4基极与发射极之间的电压差。当VDS大于1V时，NJFET处于夹断状态，I0＝IDS＝IDSS，I0为电流源电路的启动电流，IDS为流过NJFET的漏源极电流，IDSS为NJFET的饱和漏电流，I0＝IDSS在VCC从2.5V到40V变化时几乎恒定不变。
如图2所示，电路启动后，工作点建立起来，因为三极管NPN1，NPN2，NPN3，NPN4工作在放大态，放大倍数在200倍以上，所以他们的集电极电流IC与基极电流IB的关系为IC＞200*IB，所以他们的基极电流IB可以忽略不计。横向PNP三极管PNP1，PNP2，PNP3的放大倍数一般为30到50，所以PNP3的基极电流Ib与PNP1的集电极电流IR关系为Ib＜IR/(30*30)，IR大小相当于Ib大小的900倍以上，所以Ib也忽略不计。ICNPN1为流过NPN1的集电极电流，ICNPN3为流过NPN3的集电极电流，ICNPN2为流过NPN2的集电极电流，ICNPN4为流过NPN4的集电极电流，则ICNPN1＝ICNPN3＝I0，ICNPN2＝ICNPN4＝IR，I0为启动电流，IR为基准电流。NPN1与NPN2的发射极面积个数乘积比为A1，所述NPN4与NPN3的发射极面积个数乘积比为A2，且A1*A2大于1，VBENPN1，VBENPN2，VBENPN3，VBENPN4分别代表NPN1，NPN2，NPN3，NPN4基极与发射极之间的电压差，VDS为NJFET的漏源电压差，VT为热电压kT/q，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是一个电子所带电荷，当T＝300K时，kT/q＝0.026V，VT的温度系数是+0.086mV/℃。
VDS+VBENPN1+VBENPN4+IR*R1＝VDS+VBENPN2+VBENPN3
因为A1*A2大于1，VT为正温度系数，R1为可调正温度系数电阻，所以工艺调整R1的掺杂浓度，就可达到调整R1的温度系数，可以调节出零温漂的基准电流IR。
如图3，在bipolar2u36V工艺下，调节A1＝A2＝3，R1温度系数调整为3000ppm/℃，设计出的零温漂基准电流。电阻R2，R3的大小根据电流源电路基准电流IR及输出电流IOUT大小确定，满足公式R2*IR＝R3*IOUT＝50-150mV，50-150mV的简并电压足以确保由电阻而非晶体管决定电流镜的匹配，足以抑制横向PNP的厄尔利电压影响，PNP2与PNP1的周长个数乘积比就是输出电流IOUT与基准电流IR大小比。IOUT＝A*IR，A是PNP2与PNP1的周长个数乘积比，A也是电阻R2与R3的阻值比。电流IR随VCC的变化曲线如图4。
Claims (5)
1.一种对电源不敏感的零温漂电流源电路，其特征在于，包括一个NJFET，四个NPN三极管NPN1、NPN2、NPN3和NPN4，三个PNP三极管PNP1、PNP2和PNP3，三个电阻R1、R2和R3，NJFET的漏极连接电源VCC，NJFET的栅极接地，NJFET的源极连接三极管NPN1的基极和集电极以及三极管NPN2的基极，三极管NPN1的发射极连接三极管NPN4的基极和三极管NPN3的集电极，三极管NPN3的发射极接地，三极管NPN3的基极连接三极管NPN2的发射极和三极管NPN4的集电极，三极管NPN4的发射极通过电阻R1接地，三极管NPN2的集电极连接三极管PNP1的集电极和三极管PNP3的基极，三极管PNP3的发射极连接三极管PNP1的基极和三极管PNP2的基极，三极管PNP1的发射极通过电阻R2连接电源VCC，三极管PNP2的发射极通过电阻R3连接电源VCC，三极管PNP3的集电极接地，三极管PNP2的集电极为电流源电路的输出端，输出电流IOUT。
2.根据权利要求1所述的对电源不敏感的零温漂电流源电路，其特征在于，所述四个NPN三极管NPN1、NPN2、NPN3和NPN4均为双极型纵向三极管，三个PNP三极管PNP1、PNP2和PNP3均为双极型横向三极管，三个电阻R1、R2和R3均为正温度系数电阻。
3.根据权利要求1或2所述的对电源不敏感的零温漂电流源电路，其特征在于，所述三极管NPN1与NPN2的发射极面积个数乘积比为A1，三极管NPN4与NPN3的发射极面积个数乘积比为A2，调节A1和A2的值，满足A1*A2大于1的整数，A1、A2分别为大于等于1小于等于40的整数，根据不同基准电流IR从1uA变化到1mA，电阻R1的大小取值范围从18Ω到100K变化，基准电流IR为流过电阻R2、三极管PNP1的发射极和集电极、三极管NPN2的集电极和发射极、三极管NPN4的集电极和发射极以及电阻R1的电流。
4.根据权利要求1或2或3所述的对电源不敏感的零温漂电流源电路，其特征在于，所述三极管PNP2的周长个数乘积与PNP1的周长个数乘积比等于输出电流IOUT与基准电流IR的大小比。
5.根据权利要求1或2或3所述的对电源不敏感的零温漂电流源电路，其特征在于，所述电阻R2与R3阻值大小比等于输出电流IOUT与基准电流IR大小比，输出电流IOUT与IR电流从1uA到1mA，电阻R2，R3的取值范围50Ω到150KΩ，保证IR*R2＝IOUT*R3在50mV到150mV之间。
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