技术领域
[0001] 本
发明涉及一种电流产生电路及其实现方法，特别是涉及一种与
温度相关性较小甚至无关的电流产生电路及其实现方法。
背景技术
[0002] 在数模混合片上系统中,基准电流源为系统的各个模拟模
块提供适当的偏置,成为系统不可缺少的一部分，被广泛应用于
运算放大器、A/D、D/A等电路中。
[0003] 基于片上应用的需求,基准电流源应该不随温度、
电压和各种工艺参数的变化而变化。但目前出现的几种主流的基准电流，普遍存在温度系数偏大或者电路设计复杂导致电路功耗偏高的问题，如文献1(Chen J,Shi B.1V CMOS Current Reference with 50ppm/℃Temperature Coefficient[J].Electron.Lett.,2003,39:209-210)中提出的电路测试的温度系数为50ppm/℃，文献2(Franco Fiori,Paolo Stefano Crovetti.A New Compact Temperature Compensated CMOS Current Reference[J].IEEE Trans.on Circuit and System II:Express Briefs,2005,52.)提出一种非带隙电路通过二阶温度补偿产生基准电流,温度系数为28ppm/℃。文献3(Dehg hani R,Ataro di S M.A New Low Voltage Precision CMOS Current Refer ence w ith no Ex ternal Compone nts[J].IEEE Tr ans.on Cir c.Syst.II:Analo g and Digital Sig nal Processing,2003,50(12):928-932)提出利用带隙基准电路产生正温系数基准电压和迁移率的负温效应相互抵消,产生基准电流，但温度系数大于15ppm/℃。文献4(周
云,吕坚,吴志明,蒋亚东.一种
低电压低温漂的基准电流源[J].现代
电子技术，2009,285(8)：178-181.)提出一种基于带隙基准通过二阶温度补偿产生基准电流，温度系数8.1ppm/℃，电路功耗几百微瓦。
发明内容
[0004] 为克服上述
现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种电流产生电路及其实现方法，以实现产生一种功耗低且与温度相关性较小的电流参考源。
[0005] 为达上述及其它目的，本发明提出一种电流产生电路，包括：
[0006]
正温度系数PTAT电流产生电路，用于产生一正温度系数的电流I0；
[0007]
偏置电路，用于将镜像恒流源的各PMOS管的栅极电压稳定在设计值；
[0008] 第一镜像恒流源，用于为所述正温度系数PTAT电流产生电路提供所述电流I0并将该电流向第二镜像恒流源；
[0009] 第二镜像恒流源，用于将电流源形式的正温度系数的电流I0转换为电流宿形式的正温度系数的电流Iref；
[0010] 负温度系数CTAT电流产生与合成电路，用于产生负温度系数的电流并与正温度系数的电流Iref合并形成与温度相关性小的输出电流。
[0011] 进一步地，所述正温度系数PTAT电流产生电路包括第一PNP
三极管、第二PNP三极管和第一
电阻，所述第一PNP三极管和第二PNP三极管的集
电极和基极接地，所述第一PNP三极管的发射极连接至第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接所述偏置电路与所述第一镜像恒流源，所述第二PNP三极管的发射极连接至所述偏置电路与所述第一镜像恒流源。
[0012] 进一步地，所述第一PNP三极管与所述第二PNP三极管的尺寸比为N：1。
[0013] 进一步地，所述偏置电路包括第一运放，所述第一运放的
反相输入端连接所述第一电阻与所述第一镜像恒流源，所述第一运放的同相输入端连接所述第二PNP管的发射极与所述第一镜像恒流源，所述第一运放的输出端连接所述第一镜像恒流源。
[0014] 进一步地，所述第一镜像恒流源包括第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管，所述第一PMOS管的栅极与第二PMOS管的栅极和第三PMOS管的栅极相连，并连接至所述第一运放的输出端，所述第一PMOS管的源极、第二PMOS管的源极和第三PMOS管的源极接
电源电压，所述第一PMOS管漏极连接所述第一电阻以及所述第一运放的反相输入端，所述第二PMOS管的漏极连接所述第二PNP管的发射极、第二运放的同相输入端，所述第三PMOS管的漏极输出所述正温度系数的电流Iref至所述第二镜像恒流源。
[0015] 进一步地，所述第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管的尺寸比为1：1：1。
[0016] 进一步地，所述第二镜像恒流源包括第一NMOS管、第二NMOS管，所述第一NMOS管的漏极连接至所述第三PMOS管漏极，所述第二NMOS管的栅漏相连后与所述第一NMOS管的栅极相连，并连接至所述负温度系数CTAT电流产生与合成电路，所述第一NMOS管、第二NMOS管源极接地。
[0017] 进一步地，所述负温度系数CTAT电流产生与合成电路包括第四PMOS管与第二电阻，所述第四PMOS管漏极接所述第二NMOS管的栅漏极，源极接电源电压，所述第二电阻接于所述第四PMOS管栅极与电源电压之间，并且所述第四PMOS管栅极输出所述与温度相关性小的输出电流。
[0018] 进一步地，所述第四PMOS管栅极输出的电流为
[0019]
[0020] 其中，Iref为所述电流宿形式的正温度系数的电流，M为第一NMOS管与第二NMOS管尺寸的比值，(W/L)P4为第四PMOS管的宽长比，COX为单位面积栅电容，Vth4为第四PMOS管PM4的
阈值电压，空穴迁移率μp为一个与温度成反比的量，R2为第二电阻的阻值。
[0021] 为达到上述目的，本发明还提供一种电流产生电路的实现方法，包括如下步骤：
[0022] 步骤一，利用正温度系数PTAT电流产生电路产生一正温度系数的电流I0；
[0023] 步骤二，利用第一镜像恒流源将该电流I0输出至第二镜像恒流源，将电流源形式的正温度系数的电流I0转换为电流宿形式的正温度系数的电流Iref；
[0024] 步骤三，利用所述负温度系数CTAT电流产生与合成电路产生一负温度系数的电流并与所述正温度系数的电流Iref合并，产生并输出一个与温度相关性小的输出电流。
[0025] 与现有技术相比，本发明一种电流产生电路及其实现方法通过正温度系数电流产生电路产生一正温度系数的电流，负温度系数电流产生与合成电路产生负温度系数的电流并与正温度系数的电流合并，基于迁移率与阈值电压相互补偿的机制，实现了产生与温度无关电流参考源地目的。
附图说明
[0026] 图1为本发明一种电流产生电路的电路结构图；
[0027] 图2为本发明一种电流产生电路的实现方法的步骤
流程图。
具体实施方式
[0028] 以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本
说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0029] 图1为本发明一种电流产生电路的电路结构图。如图1所示，本发明一种电流产生电路，包括：正温度系数PTAT电流产生电路10、偏置电路20、第一镜像恒流源30、第二镜像恒流源40以及负温度系数CTAT电流产生与合成电路50。
[0030] 其中，正温度系数PTAT电流产生电路10由第一PNP三极管PNP1、第二PNP三极管PNP2和第一电阻R1组成，用于产生一正温度系数PTAT的电流I0；偏置电路20由第一运放OPA1组成，用于将镜像恒流源30的第一－第三PMOS管PM1－PM3的栅极电压稳定在设计值；镜像恒流源30由第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2和第三PMOS管PM3组成，用于为第一PNP三极管PNP1、第二PNP三极管PNP2提供相等的电流I0并将该电流向第二镜像恒流源40输出；第二镜像恒流源40由第一NMOS管NM1和第二NMOS管NM2组成，用于将电流源(Source)形式的正温度系数PTAT的电流I0转换为电流宿(Sink)形式的正温度系数PTAT的电流Iref；负温度系数CTAT电流产生与合成电路50，由第四PMOS管PM4和第二电阻R2组成，用于产生负温度系数的电流并与正温度系数的电流Iref合并得到两者的和，负温度系数的电流由具有负温度特性的第四PMOS管的阈值电压Vth4产生。这里需说明的是，图中的60为负载电路，由第三NMOS管NM3组成，用于模拟电路的负载。
[0031] 在本发明具体
实施例中，第一PNP管PNP1和第二PNP管PNP2的集电极和基极接地，第一PNP管PNP1的发射极连接至第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接至第一运放OPA1的反相输入端和第一PMOS管PM1的漏极，第一PNP管PNP1的发射极连接至第一运放OPA1的同相输入端、第二PMOS管PM2的漏极和第二运放OPA2的同相输入端，第一PMOS管PM1的栅极与第二PMOS管PM2的栅极和第三PMOS管PM3的栅极相连，第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极、第三PMOS管PM3和第四PMOS管PM4的源极接电源VDD，第三PMOS管的漏极连接至第一NMOS管NM1的漏极和第三NMOS管NM3的栅极，第一NMOS管NM1的栅极与第四PMOS管的漏极、第二NMOS管NM2的栅极和漏极相连，第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3的源极接地，第三NMOS管NM3的漏极与第四PMOS管PM4的栅极和第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端连接至电源VDD。
[0032] 具体地，若流过第一PNP三极管PNP1的电流为I0，由于给第一PNP三极管PNP1与第二PNP三极管PNP2提供电流的PMOS管的尺寸比为1：1，故流过第二PNP三极管PNP2的电流也为I0，若第二PNP三极管PNP2的饱和电流为IS，由于第一PNP三极管PNP1与第二PNP三极管PNP2的尺寸比为N：1，，则根据微电子理论知道第一PNP三极管PNP1的饱和电流为N*IS，根据三极管知识有第二PNP三极管PNP2之基极发射极电压Vbe2与第一PNP三极管PNP1之基极发射极电压Vbe1分别为：
[0033]
[0034] 其电压差为：
[0035]
[0036] 由于第一运放OPA1的存在，电压V1＝V2＝Vbe2，故这个电压差即第一电阻R1的压降，故流过PNP1的电流为I0＝ΔVbe/R1，第一PMOS管PM1与第一PNP三极管PNP1
串联，则流过第一PMOS管PM1的电流为I0＝ΔVbe/R1，另一方面第三PMOS管PM3与第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2的栅源电压一致且尺寸相同，故流过第三PMOS管PM3的电流与流过第一PMOS管PM1的电流一致，均为I0＝ΔVbe/R1，已知VT＝KT/q(其中，K为波
耳兹曼常数，T为热
力学温度，q为电子电荷)，则流过第一PMOS管PM1、第二PMOS管PM2、第三PMOS管PM3的电流为：
[0037]
[0038] 即该电流是一个与温度成正比的电流。
[0039] 流过第四PMOS管PM4的电流为：
[0040]
[0041] 从而第四PMOS管PM4的栅源电压为：
[0042]
[0043] 式中IP4＝M×Iref
[0044] 则输出电流
[0045] 其中M是晶体管NM1与NM2管的比值，(W/L)P4为第四PMOS管PM4的宽长比，COX为单位面积栅电容，Vth4为第四PMOS管PM4的阈值电压，空穴迁移率μp是一个与温度成反比的量(温度系数-1.5，该参数与工艺有一定的相关性)，从而得到 是一与温度成正比的量；Vth是一个与温度成反比的一个参数，通过调整式中的M(W/L)p4，从而就可得到一个与温度相关性很小甚至无关的电流Iout。
[0046] 可见，本发明基于迁移率与阈值电压相互补偿的机制，可产生一个与温度无关的电流参考源。实验证明，在－40℃－80℃的宽温度范围内，本发明获得的参考电流源的温度系数为5ppm/℃，电路功耗小于10微瓦。
[0047] 图2为本发明一种电流产生电路的实现方法的步骤流程图。如图2所示，本发明一种电流产生电路的实现方法，包括如下步骤：
[0048] 步骤201，利用正温度系数PTAT电流产生电路产生一正温度系数PTAT的电流I0。
[0049] 步骤202，利用第一镜像恒流源将该电流I0输出至第二镜像恒流源，将电流源(Source)形式的正温度系数PTAT的电流I0转换为电流宿(Sink)形式的正温度系数PTAT的电流Iref。
[0050] 步骤203，利用所述负温度系数CTAT电流产生与合成电路产生一负温度系数的电流并与所述正温度系数的电流Iref合并得到两者的和，所述负温度系数的电流由具有负温度特性的PMOS管的阈值电压Vth4产生。
[0051] 综上所述，本发明一种电流产生电路及其实现方法通过正温度系数电流产生电路产生一正温度系数的电流，负温度系数电流产生与合成电路产生负温度系数的电流并与正温度系数的电流合并，基于迁移率与阈值电压相互补偿的机制，实现了产生与温度无关电流参考源地目的。
[0052] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如
权利要求书所列。
