基于自偏置结构的参考电流源电路

2017-10-24李现坤肖培磊宣志斌

电子与封装 2017年10期

关键词：偏置镜像电源

李健，李现坤，孙峰，肖培磊，宣志斌

（1.江南大学，江苏无锡214122；2.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072）

基于自偏置结构的参考电流源电路

李健1，李现坤2，孙峰2，肖培磊2，宣志斌2

（1.江南大学，江苏无锡214122；2.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214072）

在传统参考电流源的基础上，设计了一种结构更为简单，与电源电压、温度无关的参考电流源，并在此基础上进一步优化了自偏置电路镜像电流的精度，更好地提高整个电路的性能。该电路基于SMIC 0.18μm BCD CMOS工艺，使用Cadence仿真软件进行电路仿真。结果表明，在-55～125℃的温度范围内，该电路的输出电流变化不超过3%，并且优化后的电流源镜像精度也得到了大幅度的提高。

参考电流源；自偏置电路；Cadence

1 引言

参考电流源是模拟和混合信号集成电路的重要单元电路，它被广泛应用于低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator，LDO)、温度传感器、数据转换器、射频收发器、Flash存储器等电路中。作为整个电路或者系统的“基准”，其性能直接影响电路的性能，因此，参考电流源应该具有良好的抗干扰能力，例如在一定的电源电压变化范围内的变化小、在工作温度内受温度变化影响小[1]、受工艺参数影响小等。

实际上，在集成电路的应用中，电源电压和工作温度等应用往往比较恶劣，电压值通常会在一定范围内波动，温度往往是在-40～125℃内变化。因此为了能够给电路或者系统提供稳定、理想的电流源，需要尽量减小参考电流源电路对电源电压、温度甚至工艺等因素的敏感度。事实上，因为大多数工艺参数是随着温度变化的，所以如果一个参考电流源是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。所以，一般而言参考电流源最重要的两个参数指标就是温度特性和电源电压抑制特性。

本文在对电源电压不敏感的传统参考电流源电路的基础上，通过不同的电路结构引入不同的约束关系，对参考电流源进行了改进，分别产生出与温度成反比的负温度系数、与温度成正比的正温度系数的参考电流源电路，并且基于以上两种关系，提出了一种与电源电压、温度无关的参考电流源电路[2]。最后，本文还在此基础上对自偏置电路结构进行了改进，可进一步提高参考电流源的精度，从而提高整个电路系统的性能。

2 参考电流源结构及电路实现

为了满足与电源电压无关的要求，使用了自偏置电路结构[3]，使得参考电流不随电源电压变化。为了满足本设计中与温度无关的要求，采用了如今主流的温度补偿技术，它的核心思想是将具有正温度系数的组件和具有负温度系数的组件进行适当的组合，得出在特定温度范围内，均有零温度系数的参考电流。由于传统的带隙基准源中使用了运算放大器，而运放会受到输入“失调”的影响[4]，从而影响了基准源的输出，本设计舍弃了传统基准中的运放结构，提出了一种新型参考电流源电路，进一步提高了性能。

2.1 与电源电压无关的参考电流源

参考电流源及偏置电路的目的是为电路提供稳定理想的电流源或电压源，尽量减小电路对电源电压、温度甚至工艺等因素的敏感度。图1是一种基于自偏置结构的对电源电压不敏感的参考电流源电路。由 MP1、MP2、MN1、MN2 组成的自偏置电路结构，通过MN1与MN2的宽长比(W/L)成比例，将电阻R和参考电流源Iref引入约束关系：

其中，μ是电子迁移率，COX为单位面积的栅氧化层电容，VTH为NMOS管阈值电压。

从而得到一个与电源电压无关的参考电流源：

从式(4)中可以得知参考电流源Iref的一些不足之处，由于μ、COX均为工艺参数，可以得知参考电流源Iref与电源电压无关，但与工艺参数、温度有关。

图1 对电源电压不敏感的参考电流源电路

2.2 与温度无关的参考电流源

与温度关系很小甚至无关的参考电压或电流源在许多模拟电路中是必不可少的，因为大多数工艺参数是随温度变化的，所以如果一个参考电流源是与温度无关的，那么通常它也是与工艺无关的。

参考电流源的主要工作原理就是利用工艺参数随温度变化的特性，将两种拥有相反温度系数的电流以合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的参考电流源。

2.2.1 负温度系数参考电流源

本文通过引入负温的电压参数，产生负温的参考电流源。双极晶体管的基极-发射极电压VBE，或者更一般地说，PN结二极管的正向电压，具有负温度系数，因此，在与电源电压无关的电流源基础上，增加了一个PNP三极管Q1，如图2所示，其中三极管的发射极与MN1管的源极相连接，三极管的基极和集电极与地连接。由于自偏置电路结构，图2中A、B两点的电压相等，于是电阻R1上的电压就是PNP三极管上的PN发射结电压，使参考电流源成为一个与温度相反的负温电流源。

电路的具体工作原理如下。由于MP1与MP2、MN1与MN2各自是一对电流镜，其电流相等，得到如下关系：

最终参考电流Iref为：

其中，VBE为三极管发射极PN结电压，是一个与温度相反的负温电压，因此，参考电流Iref为一个负温的电流。

2.2.2 正温度系数参考电流源

同样，通过引入正温的电压参数来产生正温的参考电流源。两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，其基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比。于是，在与电源电压无关的电流源基础上，引入了两个NPN三极管Q1和Q2，如图3所示，由于A、B两点处的电压相等，从而可以知道电阻R1上的电压为两个三极管的基极-发射极电压之差，又因为两个三极管工作在不同的电流密度下，因此产生的基极-发射极电压之差是一个与绝对温度成正比的电压，最终产生一个与绝对温度成正比的电流。

图2 增加了PNP三极管Q1的参考电流源电路

电路的具体工作原理如下，结合图3，可以得到如下关系：

其中，ΔVBE是两三极管基极-发射极电压之差，由于Q1和Q2的发射极面积不同，所以ΔVBE与绝对温度成正比，因此，此时得到的参考电流Iref是一个与绝对温度成正比的电流。

2.2.3 零温度系数参考电流源

根据上面的分析可以知道，利用具有负温度系数的电流和正温度系数的电流进行权重的相加，可以得到一个与温度无关的参考电流。由此，本文提出了一种与电源电压、温度无关的参考电流源电路，电路结构如图 4 所示。其中，MP1、MP2、MN1、MN2组成自偏置电路结构，提供自偏置电流[5]，由于A、B两点电压保持相等，使得加在电阻R1上的电压即为Q1、Q2基极-发射极电压之差ΔVBE，而加在R2上的电压即为Q1的基极发射极电压ΔVBE1，由此可分别产生一个正温度系数电流和负温度系数电流，最终产生一个与温度无关的参考电流。结合图4可得到如下关系：最终得到参考电流源：

式(13)中，第一部分ΔVBE/R1是一个正温度系数因子；ΔVBE1/R2是一个负温度系数因子；二者求和最终产生一个与温度无关的零温参考电流源。

2.3 改进的与电源电压、温度无关的参考电流源

在前面对参考电流源电路的分析中，我们都是在忽略MOS管的沟道长度调制效应的情况下进行讨论的，而实际上，MOS管的沟道长度调制效应往往会引起电流的失配，从而导致参考电流源的精度比较低，这一点从式(14)中可以看出。结合图4分析，对于MP1与 MP2，VDS,MP2=VGS,MP2＞VDS,MP1；对于 MN1 与 MN2，VDS,MN1=VGS,MN1＞VDS,MN2；因此，镜像管和被镜像管的源漏电压VDS其实并不相同，所以电流也不能精确地镜像，从而影响了参考电流源的精度。

图3 引入两个NPN三极管Q1和Q2的参考电流源电路

图4 与电源电压、温度无关的参考电流源电路

为了提高参考电流源的精度，本文在原有电路结构的基础上，提出了改进的抑制沟道长度效应的电路结构，通过引入一条负反馈环路来消除参考电流源的MOS沟道长度调制效应，以实现高精度的参考电流源。电路结构如图5所示，图中PMOS管MP3、NMOS管MN3构成了一条负反馈通路，强制将PMOS管MP1的源漏压VDS,MP1箝位为VGS，等于MP2的源漏电压VDS,MP2（即VGS,MP2）。再结合式(14)即可看出，改进后的电路很好地抑制了PMOS管MP1、MP2的漏电流失配，从而提高了参考电流源的精度。

图5 改进的抑制沟道长度效应的电路结构

3 电路仿真结果

本文采用SMIC 0.18μm BCD CMOS工艺，利用Cadence仿真软件对所设计的电路进行仿真。在电源电压分别为3 V、5 V的情况下，对各种情况下的参考电流进行从-55～125℃的温度扫描，具体仿真结果如下。

图6 电源电压为5 V时的仿真结果

图7 电源电压为3 V的零温度系数参考电流

图8 镜像误差随温度变化情况

图9 镜像误差随电源电压变化情况

图6(a)、(b)、(c)分别表示电源电压为5 V的情况下负温、正温、零温的参考电流，从图中可以明显看出，正、负温度系数的参考电流源受温度变化的影响很大，基本呈线性增长或者减小，在-55～125℃温度范围内，正、负温度系数的参考电流源分别变化了692.1 nA和501 nA，而经温度补偿后的零温度系数电流源只变化了75.05 nA[6,7]，电流的波动幅度不到3%。图7给出电源电压为3 V情况下的零温度系数参考电流，在-55～125℃的温度范围内变化了76.45 nA，对比图6(c)，可以看出此电流源与电源电压无关。因此所设计的参考电流源具有良好的温度稳定性且与电源电压无关。

图8所示的是改进前后电流镜的镜像误差与温度变化关系的对比，其中镜像误差是根据式(15)计算出来的。从仿真结果可以看出，当电源电压为3 V时，在温度为-55～125℃的范围内，改进前的电路随温度变化的镜像误差范围为0.0178%～0.1298%，变化量约为0.112%；改进后的电路随温度变化的镜像误差范围为0.374×10-3%～0.632×10-3%，变化量约为 0.258×10-3%。由此可见，改进后的电流镜镜像误差减小了约99%，电路在温度变化方面的精度提高了约434倍。

Error= 被镜像电流-镜像电流被镜像电流×100% (15)

图9所示的是改进前后电流镜的镜像误差与电源电压变化关系的对比。在温度为25℃、电源电压从3 V变到5 V时，改进前的电路随电源电压变化的镜像误差范围为0.0466%～0.407%，变化量约为0.36%；改进后的电路随电源电压变化的镜像误差范围为0.424×10-3%～0.965×10-3%，变化量约为0.541×10-3%。相比改进前的电路，改进后的电流镜镜像误差减小了约99%，电路在电源电压变化方面的精度提高了约665倍。

根据以上分析可知，改进后的自偏置结构电流源精度满足设计要求，从而更好地保证了整个电路系统的性能[8]。

4 结论

本文在传统参考电流源的基础上，设计了一种结构更简单、性能更好且与电源电压、温度无关的参考电流源，并在此基础上改进了电流源的自偏置结构，从而进一步提高了参考电流源的精度。经仿真测试结果表明，正温度系数电流源变化了691.9 nA，负温度系数电流源变化了500.9 nA，而零温度系数电流源仅变化75.07 nA且与温度呈抛物线变化。因此，所设计的参考电流源在-55～125℃的温度范围内满足相关性能要求，证明了设计的正确性。

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Reference Current Source Circuit Based on Self-Bias Structure

LI Jian1,LI Xiankun2,SUN Feng2,XIAO Peilei2,XUAN Zhibin2
（1.Jiangnan University,Wuxi214122,China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

Based on traditional reference current source,a reference current source with simpler structure independent of supply voltage and temperature is designed.Additionally,the accuracy of the mirror current is optimized to improve the performance of the whole circuit.The circuit is manufactured in SMIC 0.18μm BCD CMOS process and simulated by Cadence.The results show that the output current of the circuit changes less than 3%in the temperature range of-55℃to 125℃.The mirror accuracy of the optimized current source is also greatly improved.

reference current source;self-bias circuit;Cadence