一种抵消总电流中非PTAT电流分量的电路和方法与流程

一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路和方法
技术领域
1.本发明涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路和方法。


背景技术：

2.目前，同一电路结构中，可能会随着电流产生和调节方式的不同，而同时出现ptat(与绝对温度呈正比，proportional to absolute temperature)电流和不与绝对温度呈正比变化的非ptat电流。由于两部分电流共同组成了电路结构的总电流，由于该总电流并不能完全保持ptat特性，从而导致了该电路总电流并不与绝对温度成正比，进而使得通过电路总的电流值预估环境温度或通过环境温度预估电流存在很大偏差。由于ptat电路具有更为准确的对环境温度进行预估的特性，因此应用十分广泛，而本发明中不具备完全ptat电流特性的电路存在着利用程度不高，范围不广的问题。
3.因此，亟需一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路和方法。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路和方法，采用比例转化单元对电路中的ptat电流和非ptat电流进行按比例转换，从而使得电路的总电流保持为仅具有ptat特性。
5.本发明采用如下的技术方案。
6.本发明第一方面，涉及一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路，电路包括非ptat单元、ptat单元、比例转化单元；其中，非ptat单元用于生成非ptat电流，ptat单元用于生成ptat电流；比例转化单元，分别连接非ptat单元和ptat单元，用于按照预设比例生成非ptat单元的具有非ptat特性的第一镜像电流，并基于ptat电流与第一镜像电流之差生成ptat单元的第二镜像电流。
7.优选地，比例转化单元，包括第一、第二、第三镜像单元；其中，第一镜像单元的输入端与非ptat单元连接，输出端分别与第二、第三镜像单元连接，用于按照预设比例，基于非ptat电流分别为第二、第三镜像单元生成输出电流；第二、第三镜像单元的输入端与第一镜像单元连接，输出端分别与ptat单元的第一支路和第二支路连接，用于将第二、第三镜像单元生成的与非ptat电流呈预设比例的输出电流分别注入至ptat单元中。
8.优选地，第一镜像单元包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第一pmos管mp1；其中，第一nmos管mn1的栅极和漏极与非ptat单元的输出端、第二nmos管mn2的栅极连接，源极接地；第二nmos管mn2的漏极与第一pmos管mp1的漏极连接，源极接地；第一pmos管的源极与电源电压vdd连接，栅极和漏极作为第一镜像单元的输出端。
9.优选地，第二镜像单元包括第二pmos管mp2；其中，第二pmos管mp2的源极与电源电压vdd连接，栅极与第一镜像单元的输出端连接，漏极与ptat单元的第一支路连接。
10.优选地，第三镜像单元包括第三pmos管mp3；其中，第三pmos管mp3的源极与电源电
压vdd连接，栅极与第一镜像单元的输出端连接，漏极与ptat单元的第二支路连接。
11.优选地，第一镜像单元的预设比例为(n-1)：1；第二、第三镜像单元的预设比例均为1：n。
12.优选地，n的取值使得ptat单元中流经双极型晶体管q1和q2的电流大于第二、第三镜像单元的输出电流。
13.优选地，比例转化单元还包括第四镜像单元；其中，第四镜像单元的输入端与ptat单元连接。
14.优选地，第四镜像单元包括第六pmos管mp6和第五nmos管mn5；其中，第六pmos管mp6的源极与电源电压连接，栅极与ptat单元中的pmos管mp5的栅极和漏极连接，漏极与第五nmos管mn5的漏极、栅极连接；第五nmos管mn5的源极接地。
15.优选地，第四镜像单元的预设比例为1：1。
16.优选地，预设比例基于镜像单元互为镜像的mos管的宽度确定；镜像单元中互为镜像的mos管的长度相等，取值范围为6～10μm。
17.本发明第二方面，涉及一种抵消总电流中非ptat电流分量的方法，其中，采用如本发明第一方面中所述的一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路实现。
18.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路和方法，能够通过比例转化单元，对电路中的ptat电流和非ptat电流按照预设比例进行转换，从而使得电路的总电流保持为仅具有ptat电流的特性。本发明中的方法简单、实现容易，适用范围广，效果好。
19.本发明的有益效果还包括：
20.1、由于本发明电路中生成的总电流为ptat电流，使得电路应用更广泛，例如，本发明中的电路结构可以适用于温度传感、工业温度测量、远程温度传感等各个方面。
21.2、本发明最重要的技术贡献在于：通过将非ptat电流的比例电流注入至ptat单元中的思路，实现了对总电流中的非ptat电流分量的抵消，构思巧妙，实现方法简单。
22.3、本发明中，通过镜像单元成比例的获取ptat电流分量和非ptat电流分量，效果准确，应用范围广泛。基于互为镜像的mos管之间的宽度比例关系就可以准确的获得预设比例的电流，这种方法使得电路可以根据实际情况容易的通过调整mos管的参数而获得不同大小的输出电流，从而使得电路适用于更多不同场景。
附图说明
23.图1为本发明现有技术中的一种同时包含ptat单元和非ptat单元的电路的结构示意图；
24.图2为本发明中一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路的结构示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
26.图1为本发明现有技术中的一种同时包含ptat单元和非ptat单元的电路的结构示意图。如图1所示，电路包括a和b两个单元。其中a为非ptat单元，b为ptat单元。具体来说，在
本发明中，所有不具备正温度系数的电流生成单元都可以被称为非ptat单元。例如，具备零温度系数、具备负温度系数，以及与温度变化无关的随其他参数发生变化的电流等的生成单元，都应当被归类为非ptat单元。
27.本发明中图1为一个典型的ptat生成单元。其中的元件包括第二pmos管mp2、第三pmos管mp3、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4，电阻r1，第一晶体管q1和第二晶体管q2。其中，第二pmos管mp2、第三nmos管mn3和第一晶体管q1组成第一支路。第三pmos管mp3、第四nmos管mn4、电阻r1和第二晶体管q2组成第二支路。
28.具体的，第一支路中，第二pmos管mp2的源极与电源电压vdd连接，栅极与第二支路中第三pmos管mp3的栅极和漏极连接，漏极与第三nmos管mn3的栅极、漏极连接。第三nmos管mn3的栅极、漏极还与第二支路中第四nmos管mn4的栅极连接，第三nmos管的源极与第一晶体管q1的发射极连接，基极与第二支路中第二晶体管q2的基极、地端连接，集电极接地。
29.第二支路中，第三pmos管mp3的源极与电源电压vdd连接，栅极、漏极与第一支路中第二pmos管mp2的栅极、第四nmos管mn4的漏极连接。第四nmso管的栅极与第一支路中第三nmos管mn3的栅极、漏极连接，源极与电阻r1的一端连接。电阻r1的另一端与第二晶体管q2的发射极连接，第二晶体管q2的基极与第一支路中第一晶体管q1的基极、地端连接，集电极接地。
30.本发明图1中所示的ptat单元是一个典型的ptat电流生成电路，本文中不对其原理进行赘述。在该电路中，由于第二pmos管mp2和第三pmos管mp3之间形成了电流镜，因此，该电路的第一支路电流i1和第二支路电流i2大小相等。
31.同时，假设本发明中的非ptat单元的输出电流i＝n*i0。因此，该电路的总输出电流为iout＝n*i0+2i1。可见，该电路的总输出电流并非ptat电流。
32.为了实现电路的总输出具有完全的ptat特性，本发明中采用了一种新的能够抵消总电流中非ptat电流分量的电路。
33.图2为本发明中一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路的结构示意图。如图2所示，一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路，包括非ptat单元、ptat单元、比例转化单元；其中，非ptat单元用于生成非ptat电流，ptat单元用于生成ptat电流；比例转化单元，分别连接非ptat单元和ptat单元，用于按照预设比例生成非ptat单元的具有非ptat特性的第一镜像电流，并基于ptat电流与第一镜像电流之差生成ptat单元的第二镜像电流。
34.可以理解的是，本发明主要是利用pmos管和nmos管来组成镜像电路，从而使得镜像电路能够根据原始的电路按照设定的比例生成镜像电流。由于镜像电路不仅按照原始电路中非ptat单元生成了非ptat镜像电流，而且按照ptat电流与非ptat单元中生成的非ptat单元之差生成了镜像电流，从而使得电路的总输出保持为具有ptat的特性，因此，消除了总电流中的非ptat分量。
35.优选地，比例转化单元，包括第一、第二、第三镜像单元；其中，第一镜像单元的输入端与非ptat单元连接，输出端分别与第二、第三镜像单元连接，用于按照预设比例，基于非ptat电流分别为第二、第三镜像单元生成输出电流；第二、第三镜像单元的输入端与第一镜像单元连接，输出端分别与ptat单元的第一支路和第二支路连接，用于将第二、第三镜像单元生成的与非ptat电流呈预设比例的输出电流分别注入至ptat单元中。
36.可以理解的是，如上文中所述，第一、第二和第三镜像单元分别将非ptat单元中的
电流按照比例复制，并将按照比例复制后的电流输入至ptat单元中。通过这种方法，ptat单元中的两个双极型晶体管生成ptat电流，并使得与其串联的mos管，即mp4、mn3和mp5、mn4中流过的电流具备了部分的非ptat特性。
37.具体来说，如图2所示，这是因为流过mos管的电流i2＝i1-n*i0，作为流过双极型晶体管的电流i1和镜像单元产生的电流n*i0的差，其中不止具备i1的ptat特性，还具备了-n*i0的非ptat特性。
38.优选地，第一镜像单元包括第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第一pmos管mp1；其中，第一nmos管mn1的栅极和漏极与非ptat单元的输出端、第二nmos管mn2的栅极连接，源极接地；第二nmos管mn2的漏极与第一pmos管mp1的漏极连接，源极接地；第一pmos管的源极与电源电压vdd连接，栅极和漏极作为第一镜像单元的输出端。
39.具体来说，本发明中可以采用现有技术中常用的镜像电路的方式来实现镜像电流的产生。本发明一实施例中，采用了mos管作为镜像电路。当然，采用现有技术中的其他方式来实现镜像电流的产生也是可行的。
40.优选地，第二镜像单元包括第二pmos管mp2；其中，第二pmos管mp2的源极与电源电压vdd连接，栅极与第一镜像单元的输出端连接，漏极与ptat单元的第一支路连接。
41.将第二、第三镜像单元生成的镜像电流分别输入至ptat单元中，可以实现对ptat电流与非ptat电流之差的计算。为了实现ptat电流的生成逻辑，需要将同样的电流同时输入至ptat单元的第一支路和第二支路中，因此，本发明中同时采用了第二、第三镜像单元。通常来说，第二、第三镜像单元可以采用完全一致的结构和元件。
42.优选地，第三镜像单元包括第三pmos管mp3；其中，第三pmos管mp3的源极与电源电压vdd连接，栅极与第一镜像单元的输出端连接，漏极与ptat单元的第二支路连接。
43.与第一镜像单元类似，本发明一实施例中，采用了mos管作为镜像电路。当然，采用现有技术中的其他方式来实现镜像电流的产生也是可行的。
44.优选地，第一镜像单元的预设比例为(n-1)：1，即非ptat所占电流为n份，该比例并不固定，只需保证非ptat电流的值小于ptat电流即可；根据第一镜像单元预设比例，可推出第二、第三镜像单元的比例均为1：n。也就是当第二、第三镜像单元预设比例确定时，第一镜像单元比例也随之确定。为了获得第一、第二和第三镜像单元用于生成成比例电流的合适的预设比例，需要首先对总电路的总的输出电流进行计算。
45.如图2所示，本发明中，总电流的组成部分包括：原始的非ptat单元，这里将其生成的电流记录为inonptat；第一镜像单元的电流im1，ptat单元中第一双极型晶体管q1的电流i1和第二双极型晶体管q2的电流；第四镜像单元的输出电流i3。
46.可以理解的是，根据第四镜像单元的特性，有i3＝i2，而i2＝i1-im2＝i1-im3。其中，im2为第二镜像单元生成的电流，im3为第三镜像单元生成的电流。因此，总电流i＝inonptat+im1+2i1+i3。根据推导可知，i＝(inonptat+im1+i2)+2i1。
47.参考上述公式，为了使得总电流i具有完全的ptat特性，公式中的inonptat+im1+i2应当完全具有ptat特性，即类似于i1的特性。因此最简单的方式就是令inonptat+im1+i2＝i1，即inonptat+im1＝im2＝im3。
48.因此，根据上文中内容可知，为了使得输出具有完全的ptat特性，应当使得原始的非ptat单元生成的电流inonptat与第一镜像电流之和等于第二、第三镜像电流。因此，本发
明中，第一镜像单元以及第二、第三镜像单元的比例可以确定。
49.本发明中，n的取值并不固定，只需保证inonptat小于i1即可。具体来说，为了实现镜像单元的预设比例，可以将形成镜像单元的两个对称mos管的宽长比按照比例设计，两个对称mos管的长度l一致，且长度l不要取工艺最小尺寸，可适当增大至6～10μm，这样可减小沟道长度效应对结果的影响，宽度w则可以按照镜像比例(n-1)：1的比例进行设计。
50.优选地，n的取值使得ptat单元中流经双极型晶体管q1和q2的电流大于第二、第三镜像单元的输出电流。
51.本发明中，大于是指流经双极型晶体管q1和q2的电流i1与第二、第三镜像单元的输出电流n*i0之间的差值大于零，也就是第四镜像单元的电流i3是可以生成的。
52.优选地，比例转化单元还包括第四镜像单元；其中，第四镜像单元的输入端与ptat单元连接。如上文中所述，第四镜像单元用于生成ptat电流与非ptat电流之间的差值。
53.优选地，第四镜像单元包括第六pmos管mp6和第五nmos管mn5；其中，第六pmos管mp6的源极与电源电压连接，栅极与ptat单元中的pmos管mp5的栅极和漏极连接，漏极与第五nmos管mn5的漏极、栅极连接；第五nmos管mn5的源极接地。
54.优选地，第四镜像单元的预设比例为1：1。从而确保了输出电流i3＝i2。本发明中还可以采用其他的各种方式来实现第一至第四镜像单元的预设比例，只要满足总输出的ptat特性即可。
55.优选地，预设比例基于镜像单元互为镜像的mos管的宽度确定；镜像单元中互为镜像的mos管的长度相等，取值范围为6～10μm。也就是说，第一至第四镜像单元中组成镜像结构的mos管之间的是基于宽度的比例实现预设比例的。电流镜像精度直接影响整体输出的精度，为了减小长度沟道效应对电流的影响，本发明中mn1至mn5，mp1至mp6长度l的取值尽可能大，例如可取6～10μm，宽度w按照镜像比例取值。本发明中所有镜像比例并不是固定唯一的，实际只需mp6抵消的非ptat电流刚好等于非ptat单元消耗的非ptat电流即可。非ptat单元无论什么结构，我们只需将它消耗的总电流表示成镜像比例形式，即可实现非ptat单元非ptat电流的抵消。
56.本发明第二方面，设计一种抵消总电流中非ptat电流分量的方法。其中，方法采用如本发明第一方面中所述的一种抵消总电流中非ptat电流分量的电流实现。
57.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种抵消总电流中非ptat电流分量的电路和方法，能够通过比例转化单元，对电路中的ptat电流和非ptat电流按照预设比例进行转换，从而使得电路的总电流保持为仅具有ptat电流的特性。本发明中的方法简单、实现容易，适用范围广，效果好。
58.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。