基于温度和工艺补偿的基准电流源

摘要：介绍了一个采用温度和工艺补偿电流镜实现的基准电流源。与绝对温度成正比(PTAT)的电流和与绝对温度互补(CTAT)的电流以一定权重相加产生与温度无关的基准电流。在Cadence软件平台下用Spectre工具，基于CSMC 0.5um BiCMOS工艺模型对电路进行仿真，仿真结果表明该基准可输出21.52uA的稳定电流，-40~85℃内，温度系数为24.4ppm/℃。

关键词：电流基准；电流镜；共源共栅；与绝对温度互补；与绝对温度成正比

中图分类号：TN433文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)07-1686-03

Current Reference with Temperature and Process Compensation

WANG Chun-rong1,2, ZHOU Zhong-qiang3, ZOU Heng-jun1, SUN Tian-qi2, ZHANG Zong-jiang2, FU Xing-hua2

(1.College of Science, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2.Key Laboratory of Micro-Nano-Electronics and Software of Guizhou Province, Guiyang 550025, China; 3. Southwest Integrated Circuit Design Co.Ltd, Chongqing 400060, China)

Abstract: A current reference using temperature and process compensation current mirror is proposed. The temperature independent reference current is generated by summing a proportional to absolute temperature (PTAT) current and a complementary to absolute temperature (CTAT) current. Simulation is implemented under the Cadence's Spectre based on CSMC 0.5um BiCMOS process. Simulation Result indicates the proposed current reference can output a 21.52uA stable current, and the temperature coefficient is 24.4ppm/℃ over a temperature range of -40~85℃.

Key words: current reference; current mirror; cascade; PTAT; CTAT

电流基准源作为模拟电路中一个关键组成部分而有着广泛的应用，例如A/D和D/A 转换器，运算放大器，滤波器和单片式传感器等[1-3]。因此，设计高性能电流基准源具有重要意义。由于这种基准是直流量，它与电源和工艺参数的关系很小，但与温度的关系是确定的[4]，因此可利用此关系获得与温度无关的输出量。本文介绍了一种利用“带隙”技术产生基准电流来进行温度补偿，用共源共栅结构减小电源变化的影响，从而得到电源和温度相关性很小的基准电流源。

1 基本原理

1.1 电流镜原理

图1所示为基本NMOS管电流镜电路，采用了M1和M2管。基本原理是使输入输出MOS管栅极电压相同, 若不考虑二级效应，饱和时NMOS 管的I/V 符合平方律关系：

(1)

图1中VGS1=VDS1=VGS2，M1和M2管具有相同的栅-源电压，假设两个MOS管的沟道长度和宽度都相等，忽略沟道长度调制，则它们的漏极电流相等，即Iout可以精确地复制IREF的电流[5]。但是由于受到工艺的影响, 当考虑沟道长度调制效应时, 则器件的I/V 特性关系修改为：

(2)

式中λ是沟道长度调制系数。可见, 器件的漏端电流不仅是栅压VGS的函数, 还与漏源电压VDS有关，故会在电流精度上产生误差。

图2所示的共源共栅结构被用来抑制沟道长度调制效应，此结构保证M1和M2的VDS接近相等，使得Iout与IREF 非常接近，这是一个镜像精度很高的结构。

1.2 与温度无关的基准

器件的工艺参数是随温度变化的，所以一个基准如果与温度无关，那么通常也是与工艺无关的。带隙基准（BGR）的基本原理是将两个具有相反温度系数（TC）的量以适当的权重相加，使得其显示出零温度系数[6]。

1.2.1 CTAT电流的产生

图3所示为一个以二极管为基准的自偏置电路。采用共源共栅结构使得基准源两条支路流过的电流相等。所以电阻上的压降和二极管上的正向压降相等。由于pn结二极管的正向电压具有负温度系数，室温下温度系数为-1.803mV/K，所以电路中流过的基准电流为一个负温系数的电流。

1.2.2 PTAT电流的产生

图4为以热电压VT为基准的自偏置电路。此电路结构中二极管D2的面积为D1的K倍，共源共栅结构使得两条支路的电流相等。D1上的压降与D2和电阻上的压降之和相等：

(3)

可知R上的压降为二极管D1和D2的压降之差ΔVD，根据二极管I/V关系，有：

(4)

式中，n为发射系数。又，ID1=ID2=I，所以：

(5)

热电压VT为正温度系数，室温下温度系数为+0.087mV/K，可见，ΔVD为一个正温度系数的电压，于是产生的基准电流具有正温度系数：

(6)

利用上面得到的正、负温度系数的电流，选择合理的设计参数，使得两个电流以一定权重相加，可以得到一个几乎不随温度变化的电流。

2 电路结构及仿真结果

2.1 电路结构与原理

基准电流源的结构如图5所示，三极管Q1~Q4及电阻R0~R2构成的交叉耦合结构产生PTAT电流，Q4和Q5构成威尔逊电流源产生CTAT电流，两支电流以一定权重相加产生不随温度和电源电源而变化的基准电流。M2~M4构成共源共栅电流镜，基准电流为该电流镜提供参考电流，结合共源共栅结构，进一步减小输出电流的电源相关性，最终输出一个不随温度和电源电压变化的基准电流。

2.2 电路分析与仿真

2.2.1 电流推导

如图5所示，取Q0，Q3的发射极面积为Q1，Q2的4倍，可得：

（7）

假设IIN= IREF，其中IIN为Q0集电极电流，IREF为Q1集电极电流。(7)式变为：

（8）

化简(8)式得：

（9）

(9)式中，等号右边第一项为PTAT电流，第二项为CTAT电流。调整R1与R3的比值便可以得到一个随温度变化很小的参考电流。

2.2.2 电路仿真及结果分析

在Cadence Spectre环境下利用CSMC 0.5um BiCOMS工艺模型对图5所示电路进行仿真，得到基准电流随电源电压变化曲线如图6所示，在2~8V范围内基准电流可稳定输出，输出电流为21.52uA。图7为基准电流随温度变化曲线，在-40~85℃温度范围内，温度系数仅为24.4ppm/℃。

3 结束语

基于“带隙”技术，利用PTAT和CTAT电流，结合共源共栅电流镜设计了一个温度和工艺补偿的基准电流源。CSMC 0.5um BiCOMS工艺模型下Spectre仿真结果表明，在2~8V范围内可输出值为21.52uA的稳定电流。在-40~85℃温度范围内，温度系数仅为24.4ppm/℃。因此，该电路适合为滤波器，运算放大器等提供稳定的电流源。

参考文献：

[1] Abdelhalim Bendali and Yves Audet. A 1-V CMOS Current Reference With Temperature and Process Compensation[J]. IEEE Transations on Circuits and Systems. vol. 54. pp.1424-1429, July 2007.

[2] Byung-Do Yang,Young-Kyu Shin and Jee-Sue Lee,An Accurate Current Reference using Temperature and Process Compensation Current Mirror[J]. IEEE Asian Solid-State Circuits Conference.Taipei, Taiwan. pp. 241-244. November 2009.

[3] 朱冬勇,杨银堂,朱樟明,等.基于温度补偿的1V CMOS电流基准源[J].集成电路设计与开发,2008,33(4):339-342.

[4] BEHZAD R.模拟CMOS集成电路设计[M].毕查德?拉扎维,陈贵灿,等,译. 西安:西安交通大学出版社,2002

[5] 张祥祯,王卫东,刘睿强, 基于OTA反馈型的低压与高精度电流镜设计[J].桂林电子科技大学学报,2007,27(1):48-50.

[6] Jacob Baker R.CMOS电路设计布局与仿真[M].刘艳艳,张为,等,译.北京:人民邮电大学出版社,2008.