[發明專利]PTAT電流源

在審

• 申請號: 201710342034.2
• 申請日: 2017-05-16
• 公開（公告）號: CN107422777A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發明（設計）人: 何力
• 申請（專利權）人: 四川和芯微電子股份有限公司
• 主分類號: G05F1/575
• 分類號: G05F1/575
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及集成電路領域，更具體地涉及一種PTAT電流源。

背景技術

PTAT(proportional to absolute temperature，與絕對溫度成正比)電流源指的是輸出電流大小與絕對溫度(熱力學溫度)成正比例關系的電流源，即輸出電流大小I(單位為安培)和其所在環境溫度T(單位為開爾文)的關系滿足I＝AT(A為固定常量)。PTAT電流源由于其獨特的溫度特性，經常以子電路的形式被用于集成電路設計領域。例如：作為溫度傳感器的核心單元：由于其輸出電流與絕對溫度成正比，因此可以通過某種機制，測量PTAT電流源輸出電流大小，從而反映當前的環境溫度；另外，作為運算放大器、比較器等集成電路模塊提供偏置電流：通常情況下來講，運算放大器、比較器等集成電路模塊的某些性能(如開環增益，壓擺率等)會隨著溫度的升高而降低，因此在溫度較高時需要更大的偏置電流來補償隨溫度升高而降低的電路性能，而PTAT電流源恰好滿足該特性。

現有技術的PTAT電流源的結構如圖1所示。其中，場效應管M1、M2、M3均為P型MOS管，三個場效應管M1、M2、M3的柵極連在一起，具有共同的柵源電壓，因此可以近似認為三個場效應管M1、M2、M3具有相等的漏極輸出電流，記為I1。運算放大器OP1使得場效應管M1、M2的漏極節點電壓Vx1,Vx2相等(Vx1＝Vx2)，從而消除由于溝道長度調制效應引入的場效應管M1和M2的漏極輸出電流的失配。Q1為單個PNP型BJT管，Q2為BJT管組，即為n個與Q1相同的BJT管并聯后形成的組合BJT管，流入Q1和Q2發射極的電流均為I1,流入Q2中的單個BJT管的發射極電流為I1/n。其中，各個BJT管的發射極電位大小Ve與其發射極流入電流Ie近似滿足以下關系：

上式中，Is表示BJT管的飽和電流，k為玻爾茲曼常量，T為絕對溫度，q為單電子所帶電荷量。

從圖1的電路連接關系可以得出節點電壓Vx1,Vx3滿足以下關系:

Vx1-Vx3表示電阻R1兩端電壓，因此I1滿足：

由于該電路輸出電流大小等于I1,并且從上式可以看出I1滿足與絕對溫度成正比例關系的特征(比例系數為k*ln(n)/(q*R1))，因此該電路實現了輸出PTAT電流的功能。

但是，現有技術的PTAT電流源采用了BJT器件，使得其在工藝廠流片時不能兼容標準的CMOS工藝，只能使用BiCMOS工藝生產。在電路總器件個數相同的情況下，BiCMOS工藝的成本較標準CMOS工藝更高。由于現有技術PTAT電流源中BJT管的存在，使得其制造成本較高。另外，為了得到一定大小的PTAT電流輸出(例如大小為I1的電流,如圖1所示),現有技術的PTAT電流源需要同時在圖1中場效應管M1和M2的漏極處分別產生大小為I1的電流，加上輸出電流，該電路總共的靜態電流為3*I1(忽略運算放大器的靜態電流)。電路電流輸出的效率為I1/(3*I1)＝33.3％，使得有66.7％的靜態電流被浪費掉了，從而增加了電路的功耗。

因此有必要提供一種可以增加電路電流輸出的效率，在輸出相同大小電流的情況下，電路消耗更低功耗的PTAT電流源來服上述缺陷。

發明內容

本發明的目的是提供一種PTAT電流源，本發明的PTAT電流源只需要MOS器件，且能兼容標準CMOS工藝，并且具有更高的電流輸出效率，進一步降低了功耗和制造成本。

為實現上述目的，本發明提供一種PTAT電流源，其包括電壓產生單元、運算放大器、電阻及電流鏡像單元，一外部電壓輸入至所述電壓產生單元，所述電壓產生單元產生一正比于絕對溫度的電壓并輸入至所述運算放大器的反相輸入端，所述運算放大器的正相輸入端與所述電阻的一端連接，所述電阻的另一端接地，所述電流鏡像單元分別與所述運算放大器的輸出端及電阻的一端連接，以鏡像流過所述電阻的電流，并輸出PTAT電流。

較佳地，所述電壓產生單元包括第一場效應管與第二場效應管，外部電壓輸入所述第一場效應管的漏極，第二場效應管的源極接地，所述第一場效應管的柵極、源極及第二場效應管的柵極、漏極共同連接并與所述運算放大器的反相輸入端連接，以將生成的正比于絕對溫度的電壓輸入至所述運算放大器的反相輸入端。

較佳地，所述第一場效應管與第二場效應管為具有相同結構特征的N型場效應管。