使用PTAT电流补偿的基准电流源

滕谋艳

（深圳创维半导体研究所，广东 深圳 518108）

0 前言

基准电流源是模拟集成电路设计中一种最基本的电路结构，它给其它的电路模块提供所需要的偏置电流它决定了模拟电路的很多指标。例如：频率、工作电流、延时等。随着便携式设备的快速发展，其应用环境越来越多样化。这对模拟电路的性能也提出了更高的要求。对应的，基准电路源的电流精度以及温度特性的要求也越来越高。本文提出了一种使用PTAT电流进行补偿的基准电流源电路。与几种常见的基准电流源电路对比，其在电流精度及温度特性方面都有很大提升，且大大减小了芯片面积，显著提升了芯片的竞争力。

1 常用基准电流源电路。

在模拟电路设计中，常用的基准电流源电路有3种：使用VTH（电压阈值）为基准的电流源、Widlar电流源（微电流源）、电压控制的基准电流源。其中，由于电压控制的基准电流源电路具有较高的电流精度，应用很广。其结构如图1所示。主要由两部分组成，一部分是零温度系数的基准电压，输出电压为Vref，可以由带隙电路产生。第二部分是运放形成的负反馈电路。

图1 电压控制的基准电流源

根据运放的负反馈原理，可以清晰的得到：

Vref为零温度系数电压，可以由带隙产生，随工艺变化较小，且接近为零温度系数。为了保证Iout不随温度变化，一般的做法是R1与R2一个选择正温度系数类型电阻，另一个选择负温度系数类型电阻。两者取合适的值后，可以得到温度系数很小的基准电流。另外，有式1可以看出，这种结构的的输出电流只与电阻相关，因此，同前面提到的另外两种电流源相比有更广的应用。在要求高精度电流源的地方，电压控制的电流源是首选。但是这种结构的一个问题是，我们选用负温度系数的电阻类型只有选择POLY高阻，这种电阻的工艺偏差有20%或者更多，那么，其基准电流源的输出偏差也会在20%以上，在很多应用中，这样的偏差是无法满足要求（一般的要求为10%），往往需要采用trimming（烧熔丝）的方法，来调整Iout，使其片与片的精度符合要求。其结果是额外需要占用很大的芯片面积，使芯片的成本上升，另外，烧熔丝使得测试时间增长，测试费用也提高了。

2 PTAT电流的产生

PTAT电流，即与绝对温度成正比的电流。通常会使用以Vt为基准的偏置源来产生，如图2所示。M3与M4完全相同，这样，I1=I2。Q2和Q3类型相同，发射机面积的比例为1：N，在实际设计中通常取1：8。

图2 PTAT电流产生电路

由运放的负反馈功能可以得到，A点和B点的电压相等。即：

在这里，我们取Q2与Q3发射机面积的比例为1：8。那么，输出电流为

由于VT是一个正温度系数的工艺参数，我们就可以得到一个PTAT电流。

3 使用PTAT电流补偿的基准电流源

前面我们提到，为了达到零温度系数，电阻需要取不同的温度系数。在这里，我们在图1的基础上，引入PTAT电流来做温度补偿。其结构如图3所示：

图3 使用PTAT电流补偿的电压控制电流源

由运放的负反馈可得：I3通过电流镜镜像I1的电流，假设镜像比例是K，结合式3可得：

VT为正温度系数，那么我们可以选择正温度系数的电阻R2，从而使得Iout接近为零温度系数。在半导体工艺中，有许多电阻类型其温度系数都为正，有些正温度系数的电阻随工艺变化的幅度可以10%以内，如果选取工艺变化很小的电阻来做R0和R2，使用那么最终的输出电流随工艺变化的幅度也可以控制在10%以内。在一些电源管理产品中，10%的偏差是可以接受的。这样，我们就不再需要增加烧熔丝来调整基准电流源的精度了，从而降低了芯片的成本，提升了芯片的竞争力。

［1］PAULR GRAY 模拟集成电路的分析与设计[M]．4 版．2005．

［2］Behzad Razavi．Design of Analog CMOSIntegrated Circuits[M]．The McGraw-Hill Companies,Inc．,2001．。