一种抗工艺失配、无电阻的低温度系数电流基准源

1.本发明属于电流基准领域，特别涉及一种能够实现超低电压，无需修调电路便可抗工艺失配的低温度系数cmos电流基准源。


背景技术：

2.电流基准模块在模拟电路和数模混合电路中都是一个重要的基础模块，广泛应用于dac/adc、dc
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dc转换器、锁相环等。电流基准需要产生一个随电源电压、温度和工艺失配不敏感的稳定基准电流，以此来保证电路正常工作。
3.现在的研究中，实现电流基准传统的方式是利用带隙基准来进行设计，但是带隙基准的问题在于需要一个较高的电源电压，不太适用于低电压系统中的应用。另一种方式是利用不同管子的阈值电压vth随温度的变化的温度系数的不一样来进行叠加生成基准电流，但是问题在于vth的变化对工艺的敏感性高。还有一种方法是利用v
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i转换用电阻作为桥梁来实现基准电流，但要实现pa级别的电流源，需要一个非常大的电阻，这导致了电流基准源占据的面积非常大。也有论文与本发明类似，利用栅极泄露来使得mos管构成栅极泄露电阻，但是由于栅极泄露电阻上的偏置电压随工艺角的变化很大，导致在不同工艺角下的电流大小与温度系数均需要用修调电路来抗工艺失配。本发明提出了一种对工艺失配不明显的低温度系数电流基准源，无需修调电路便可在各个工艺角下呈现较好的温度特性和电流汇聚特性。设计的主要思想是通过栅极偏压向2t结构注入与工艺相关的偏置电压，从而使pa级电流基准与同种类型的mos管阈值电压之差相关，从而提高了pa级电流基准的工艺鲁棒性。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提出一种抗工艺失配、无电阻的低温度系数电流基准源，
5.该电路可作为模拟电路和数模混合电路中的基本模块，应用于低功耗设计中，提供一个随电源电压变化及工艺失配不明显的低温度系数基准电流。
6.技术方案：本发明的一种抗工艺失配、无电阻的低温度系数电流基准源采用如下技术方案：
7.该电流基准源包括第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管、第五场效应管、第六场效应管、第七场效应管；其中第一场效应管、第三场效应管和第七场效应管为pmos管，输入供电电压与第一场效应管、第三场效应管和第七场效应管的源极相连，第二场效应管、第四场效应管、第五场效应管和第六场效应管为nmos管；由第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管构成基准源的偏置电压电路，通过第六场效应管控制第五场效应管和第七场效应管产生输出基准电流。
8.所述的由第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管构成基准源的偏置电压电路中，第三场效应管的栅极与漏极相连，第四场效应管的栅极与源极相连，将
第三场效应管的漏极与第四场效应管的漏极相连构成2t结构产生与工艺相关的电压vgs3，通过第三场效应管与第一场效应管的栅极相连将该偏置电压注入到第一场效应管的栅极；第一场效应管的漏极与第二场效应管的漏极相连，在第二场效应管的栅极产生一个抗工艺失配的偏置电压vgs2。
9.所述的第五场效应管为栅极泄露电阻，第五场效应管的源极、漏极、衬底短接，再通过第二场效应管与第五场效应管的栅极相连，将抗工艺失配的偏置电压vgs2传递至第五场效应管构成的栅极泄露电阻上产生输出基准电流。
10.所述的第六场效应管为反馈管，将第二场效应管的栅极与第六场效应管的源极相接，第六场效应管的栅极与第二场效应管的漏极相接，构成反馈环路，保证输出基准电流的稳定。
11.所述的第七场效应管为基准电流传输管，第六场效应管漏极与第七场效应管的漏极相接提供一个高阻通道传递输出基准电流，以免输出基准电流受到输入供电电压的影响。
12.所述的第七场效应管的栅极与漏极相接，构成二极管连接以传递输出基准电流。
13.通过栅极偏压向2t结构注入与工艺相关的偏置电压，从而使pa级电流基准与同种类型的mos管阈值电压之差相关，从而提高pa级电流基准的工艺鲁棒性，不需要修调电路即可在不同工艺角下实现较好的温度特性，同时减小了电流大小受工艺失配的影响。
14.有益效果：与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
15.本发明提出了一种抗工艺失配、无电阻的低温度系数电流基准源，可应用于超低电压、超低功耗设计中提供低温度系数基准电流，可以实现在没有修调电路的情况下，基准电流大小与基准电流温度特性对工艺失配不敏感，并且电路内部无大电阻，减小了电路所占面积。
附图说明
16.图1为本发明的电路拓扑图；
17.图2为本发明的基准电流源在各个工艺角下随温度变化的电流曲线图；
18.图3为本发明的基准电流源的线性灵敏度曲线。
19.图中有：第一场效应管m1、第二场效应管m2、第三场效应管m3、第四场效应管m4、第五场效应管m5、第六场效应管m6、第七场效应管m7；输入供电电压vdd、输出基准电流iref。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明做进一步说明。
21.该基准源的偏置电压由第一场效应管m1、第二场效应管m2、第三场效应管m3、第四场效应管m4所提供，第五场效应管m5为栅极泄露电阻、第六场效应管m6为反馈管、第七场效应管m7为基准电流传输管。
22.将第三场效应管m3的漏极与第四场效应管m4的漏极相连构成2t结构，第三场效应管m3与第四场效应管m4的电流相等时产生偏置电压vgs3，其表达式推导如下：
23.[0024][0025][0026]
μ表示晶体管的迁移率，c
ox
表示每单位面积的氧化物电容，m表示亚阈值斜率因子，w与l分别是mos管的宽和长，v
t
＝kt/q表示热电压，其中k，t和q分别是玻尔兹曼常数，绝对温度和基本电荷。v
th
是mos管的阈值电压。
[0027]
通过第三场效应管m3与第一场效应管m1的栅极相连将该偏置电压传递到第一场效应管m1的栅极；第一场效应管m1的漏极与第二场效应管m2的漏极相连，在第二场效应管m2的栅极产生一个偏置电压v
gs2
加在栅极泄露电阻的栅极上，其表达式推导如下：
[0028][0029][0030][0031]
可以看到等式右边的第四项和第五项，由于亚阈值斜率因子一般在1.2～1.5之间，可近似看作相等，此时可以看到四项vth可以在此抵消，从而v
gs2
的随温度的变化仅由包含了热电压的第一项与第二项决定，又可以看到热电压与温度是是一阶关系，因此随温度变化的斜率与正负相关均可由mos管的宽长比来决定，与工艺无关，因此v
gs2
受工艺影响大大减小，同时栅极泄露电阻呈现负温度系数，因此可通过产生一个负温度系数的v
gs2
来进行温度补偿得到一个低温度系数的基准电流，补偿原理如下：
[0032][0033]
其中v
gs
表示栅极泄露电阻的栅极电压，r
g
表示栅极泄露电阻。
[0034]
第五场效应管m5的源极、漏极、衬底短接，再通过第二场效应管m2与第五场效应管m5的栅极相连，将偏置电压vgs2传递至第五场效应管m5构成的栅极泄露电阻上产生输出基准电流iref，将第二场效应管m2的栅极与第六场效应管m6的源极相接，第六场效应管m6的栅极与第二场效应管m2的漏极相接，构成反馈环路，保证了输出基准电流iref的稳定；同时第六场效应管m6漏极与第七场效应管m7的漏极相接提供一个高阻通道传递输出基准电流iref，以免输出基准电流iref受到输入供电电压vdd的影响。第七场效应管m7的栅极与漏极相接，构成二极管连接以传递输出基准电流iref。
[0035]
图2是本发明的基准电流源在各个工艺角下基准电流随着温度变化的曲线。可以看出该基准电流源的电流大小与温度特性对工艺角的变化不敏感，变化范围小，同时呈现出低温度系数。
[0036]
图3是本发明的基准电流源的线性灵敏度曲线，输入供电电压vdd的变化范围是0.7v～2v，通过计算得到该基准电流源的线性灵敏度为8.2％/v，该基准电流随供电电压变化不明显。
[0037]
表1是本发明的基准电流源在各个工艺角下基准电流的温度系数，以及在25℃下，各个工艺角下基准电流的大小。可以看到该基准电流源可提供28pa左右的低温度系数基准电流，电流大小的变化范围在26.7pa～31.1pa，变化大小为4.4pa。在不同工艺角下，温度范围为0℃～100℃，该基准电流源无修调电路，温度系数最低是148ppm/℃，最高是400ppm/℃，
[0038]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
[0039]
表1为各个工艺角下本发明的基准电流大小与温度系数值
[0040]
工艺角ttffssfssf温度系数151ppm/℃150ppm/℃148ppm/℃251ppm/℃400ppm/℃25℃下基准电流大小28.5pa30.4pa27pa26.7pa31.1pa
[0041]
表1