具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源及设计方法

本发明涉及cmos集成电路领域，尤其涉及一种具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源及设计方法。

背景技术：

1、随着便携式电子设备普及，以及物联网技术的飞速发展，功耗问题成为日益突出的问题。在cmos集成电路设计领域，为实现低功耗电路模块设计，将电路中mos管偏置于亚阈值工作状态是降低功耗的有效方法，当mos管处于亚阈值状态时，其栅源电压小于阈值电压，沟道电流一般处于na量级，此时电路器件仍具有放大特性，能够正常工作。

2、亚阈值工作状态下的mos管并不稳定，当栅源电压减小使沟道电流处于pa量级时，mos管进入截止状态，此时该器件失去放大作用；当栅源电压增大使mos管进入饱和区时，沟道电流快速增大，达到μa级，尽管此时的电路器件具有放大特性，但已无法满足低功耗的应用需求。

3、现有的亚阈值电流偏置电路通过使用电流镜实现，其一般采用大比例的镜像结构，需要占用极大的版图面积，此外，由于电流镜管处于饱和区，目标偏置管处于亚阈值区，二者工作状态不同，电流偏置精度并不理想。部分亚阈值电流偏置电路采用电压偏置实现，然而固定的电压偏置容易受到工艺、电源电压、温度的影响，预期实现10na的电流偏置时，不同工艺电压温度(process voltage temperature，pvt)情况下电流值低于1na或高于100na，鲁棒性较差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，针对现有的亚阈值电流偏置电路存在种种不足，提供一种具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源及设计方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种电流源电路，包括：电流偏置电路和自适应恒流偏置电压产生电路；

3、所述电流偏置电路用于实现纳安级亚阈值电流偏置，包括：工艺电压温度采样模块、偏压运算模块和目标偏置模块；

4、所述工艺电压温度采样模块用于检测工艺、电源电压、温度的变化，得到参考采样电压，并将所述参考采样电压传输至所述偏压运算模块；

5、所述偏压运算模块用于对参考采样电压进行电平变换，得到中间电压，并将中间电压输出至目标偏置模块；

6、所述目标偏置模块用于根据所述中间电压，实现的纳安级亚阈值电流偏置；

7、所述偏置电压产生电路用于对所述目标偏置模块的工艺、电源电压、温度特性进行提取，以获得对应偏置电压变化特性曲线，指导所述电流偏置模块建设；包括：模拟目标偏置模块和恒流偏置电压模块；

8、所述恒流偏置电压模块用于采集偏置电压在工艺、电源电压、温度变化条件下的偏置电压变化率，输出端与所述模拟目标偏置模块相连接；

9、所述模拟目标偏置模块与所述目标偏置模块结构相同，用于模拟所述目标偏置模块恒流条件下的电学特性，输出端与所述恒流偏置电压模块相连接。

10、优选的，所述工艺电压温度采样模块包括：微安级电流偏置器、第一mos管和单位增益放大器；所述第一mos管的源极与电源电压相连接；所述第一mos管的栅极与漏极相连接，并连接至所述电流偏置器输入端和单位增益放大器输入端；所述单位增益放大器输出端与所述偏压运算模块相连接；所述单位增益放大器用于对输出信号进行增益。

11、优选的，所述单位增益放大器包括第一运算放大器；所述第一运算放大器的同向输入端与所述第一mos管的栅极相连接；所述第一运算放大器的反向输入端短接至第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器输出端与所述偏压运算模块相连接，向所述偏压运算模块输出所述参考采样电压。

12、优选的，所述偏压运算模块包括四个电阻和第二运算放大器；所述参考采样电压通过第一电阻传输至所述第二运算放大器同向输入端；第一参考电压通过第二电阻传输至所述第二运算放大器同向输入端；第二参考电压通过第三电阻传输至所述第二运算放大器反向输入端；第二运算放大器反向输入端通过第四电阻短接至所述第二运算放大器输出端；所述第二运算放大器输出端与所述目标偏置模块相连接，向所述目标偏置模块输出中间电压。

13、优选的，所述目标偏置模块包括第二mos管和第三mos管；所述第二mos管栅极与所述偏压运算模块输出端相连接，用于接收所述中间电压；所述第二mos管源极与电源电压相连接，漏极与所述第三mos管漏极相连接；所述第三mos管栅极与第三参考电压相连接。

14、优选的，所述模拟目标偏置模块包括第四mos管和第五mos管；所述第四mos管与所述第二mos管结构相同；所述第五mos管与所述第三mos管结构相同。

15、优选的，所述第四mos管源极与电源电压相连接，漏极与所述第五mos管漏极相连接；所述第五mos管源极与所述恒流偏置电压模块输入端相连接，栅极与所述第三参考电压相连接；所述第四mos管栅极与所述恒流偏置电压模块输出端相连接。

16、优选的，所述恒流偏置电压模块包括第五电阻和第三运算放大器；所述第五电阻一端与所述模拟目标偏置模块输出端相连接，另一端接地；所述第三放大器同向输入端与所述模拟目标偏置模块输出端相连接，反向输入端与第四参考电压相连接，输出端与所述模拟目标偏置模块输入端相连接。

17、优选的，所述自适应恒流偏置电压产生电路具有反馈功能；所述恒流偏置电压模块内电流增大时，所述恒流偏置电压模块输出电压将增大；所述模拟目标偏置模块输出电压将减小，从而抑制所述恒流偏置电压模块内电流增大；反之亦然；实现对所述自适应恒流偏置电压产生电路的反馈。

18、本发明还提供一种具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源的设计方法，应用于上述的纳安级电流源，包括以下步骤：

19、s1：目标偏置电压特性提取：通过所述自适应恒流偏置电压产生电路，在不同温度、电源电压、工艺条件下进行扫描，对目标电路恒流条件偏置电压特性进行提取，可以得到恒流条件下偏置电压的变化率曲线；

20、s2：工艺电压温度采样mos管设计：选择与目标偏置模块中相同类型的mos管作为工艺电压温度采样模块的mos管，根据温度扫描偏置电压变化率曲线、电源电压扫描偏置电压变化率曲线、工艺扫描偏置电压变化曲线，选择合适的工艺电压温度采样模块mos管尺寸，使参考采样电压在工艺扫描、电源电压扫描条件下具备目标mos管相同的电压变化率；

21、s3：偏压运算模块偏压选择：通过比较参考采样电压与目标偏置电压的直流工作点，对所述偏压运算模块输入端固定偏置电压进行选择，使输出的偏置电压与自适应恒流偏置电压保持一致。

22、实施本发明实施例，具有如下有益效果：

23、(1)本发明实施例通过采用偏置电压产生电路获取在不同工艺、电源电压、温度条件下，目标电路恒流条件偏置电压特性，再通过所述偏置电压特性对工艺电压温度采样模块和偏压运算模块调整。本发明实施例能够为亚阈值电路提供精确的电流偏置，同时具备抗工艺、电源电压、温度波动的能力，鲁棒性较强，在不同工艺、电源电压、温度条件下保持正常工作性能，实现低功耗资源开销。还避免了大尺寸的电流镜mos管使用，节省了版图面积。