一种新型求差电流复合补偿型基准电流源的设计

田 磊

(1．西安邮电大学电子工程学院，陕西西安 710121；2．西安电子科技大学超高速电路设计与电磁兼容教育部重点实验室，陕西西安 710071)

0 引言

便携设备的迅猛发展促使数模电路不断向高速和高精度方向发展，基准电流源作为模拟电路和数模混合电路的关键模块之一，为其他模块提供稳定的基准电流[1]。传统的正、负温度系数电流求和补偿方法[2]，忽略了电阻温度系数，目前高精度电流基准源结构复杂[3]。

针对以上设计缺憾，文中提出了一种采用正温度系数电阻的带隙结构，产生负温度系数电流[4]，并在基准电流源中镜像，最终将多路电流求差进行补偿的电流基准源电路。该电路结构简单，无需放大器；并复合采用了分段曲率补偿及高阶非线性温度补偿，减小基准电流在整个温度范围内的变化。

1 传统基准电流源电路

获取基准电流的一般方法是利用带隙结构产生与绝对温度成正比的电流(PTAT)[5]，其表达式为：

(1)

式中：IC1和IC2分别为流过2个结构完全相同的晶体管的集电极电流；VT为热电压与绝对温度成正比；电阻R的阻值与温度有关。

典型的电流基准源电路的设计思想是利用与绝对温度成正比的电流和与绝对温度成反比的电流(CTAT)两部分线性叠加而成。不考虑电阻温度特性，其IPTAT和ICTAT电流产生的典型结构如图1所示。

图1 正、负温度电流求和电路

其中，共源共栅结构抑制沟道长度调制效应。若忽略短沟道效应，可以通过ICTAT、IPTAT得到I的表达式分别：

I=K1ICTAT+K2IPTAT

(2)

式中K1和K2是温度系数，电流叠加可以实现较好的温度系数。

显然，传统的一阶温度补偿忽略了VBE的高阶非线性。对于高精度要求的场合，就需要对该曲线进行进一步的曲率补偿，以求得到更好的温度特性。主要有2种方式：分段曲率补偿和高阶非线性温度补偿。

2 分段曲率补偿及高阶非线性温度补偿原理

2．1分段曲率补偿原理

传统补偿中基准输出电流只有在参考温度附近才能获得比较好的补偿。若将整个温度范围分成若干段，根据每段内电流随温度变化斜率的大小，分别进行补偿，则可以有效地降低其温度系数，获得高精度的基准电流输。文中将整个温度范围分成两部分，分别进行补偿。

图2 分段曲率补偿原理图

图2为分段曲率补偿的原理示意图。考虑到ICTAT和ICTAT电流的补偿由INL1和INL2两部分组成，两者同样具有负的温度系数。在T0～T1区间，补偿电流INL=INL1-INL2，ICTAT减去INL得到基准电流输出；随着温度的升高，在T1点，INL2关闭，所以在T1～T2部分，补偿电流INL=INL1，ICTAT减去INL得到基准电流输出。在此情况下，输出的基准电流出现2个峰值，温度系数大大减小。

2．2高阶非线性温度补偿原理

不同于分段曲率补偿，高阶非线性温度补偿直接对输出基准电流表达式中的对数项进行补偿。三极管BE结电压对温度T求导：

(3)

3 复合补偿基准电流源核心电路

基于上述温度补偿原理，设计了一种新颖的温度补偿电路结构：利用同为负温度系数的电流求差，对基准电流进行复合补偿，具体电路如图3所示。

图3 复合补偿基准电流源核心电路

其中，偏置电压Vbias将带隙基准电压模块中的ICTAT电流镜像到电流I3，ICTAT的带隙产生与上文论述相同，ICTAT表达式为ICTAT=VBE/R，采用正温度系数的电阻，所以ICTAT呈现负温度特性。由Q2，Q4和R2组成补偿电流产生电路，补偿电流INL=INL1-INL2。由Vref、Q1、R1、M1和M8产生分段控制电流I1，由Vbias、M2、M4、M6和M10产生分段控制电流I2。低温阶段，电流I1大于I2，INL2=I1-I2；高温阶段，I1小于I2，由于通过三极管Q2的电流不能反向，I2被强制拉低，维持I1=I2，补偿电流INL=INL1，由此完成两段中不同温度系数的补偿。三极管Q3、Q4、Q5和Q6组成的电流镜镜像比例为1∶1，由图所示的电流流向关系，最终得：

IREF=I3-INL

(4)

由图3得各电流的表达式：

式中：K1，K2，K3为相应电流镜结构的镜像比例。

3．1分段曲率补偿低温阶段

该阶段，IREF=I3-INL=I3-(INL1-INL2)=I3+(I1-I2)-INL1，则温度特性为：

(5)

将式(1)和VBE的值代入式(5)可得除了常数项和与温度成一阶线性关系的项外，只有最后两项是与温度成高阶函数关系的。

因此，进行高阶非线性温度补偿，通过选择合适温度系数的电阻R1和R2，调节电阻的比值及镜像系数K1，就可以在一定温度T0下，消除高阶非线性温度效应。此后再考虑一阶温度效应，在给定的T0温度下，设计电阻R与R1，R2及K1、K2、K3的值，得到理想的曲率补偿。

3．2分段曲率补偿高温阶段

1-λ2T0=0

(6)

和低温补偿相同，选择合适温度特性λ的电阻R2，可以在特定温度T0下消除高阶非线性温度效应。在给定的T0温度下，合理设计电阻R与R2及K3的值，得到理想的曲率补偿。

由此，电路实现了分段曲率补偿与高阶非线性温度补偿的复合应用，实现了与温度无关的电流源。

4 仿真与讨论

文中提出的基准电流电路基于0.6 μm UMC工艺模型，在Hspice下进行仿真。图4是曲率补偿的基准电流温度扫描曲线。

图4 基准电流温度特性仿真

仿真结果表明，一阶补偿IREF在-20～120 ℃内变化了0.28 μA；复合曲率补偿后的基准电流温度扫描曲线，在相同温度范围内变化了0.028 μA，温度系数降到34.5 ppm/℃．可见，补偿取得明显效果。

5 结束语

文中设计一种复合曲率补偿的基准电流源电路，利用多路负温度系数电流求差的方法，结合使用分段曲率补偿和高阶非线性温度补偿，在考虑电阻温度系数的情况下，详细地分析补偿原理，并得到较理想的仿真结果：电路在-20～120 ℃范围内，基准电流温度系数仅为34.5 ppm/℃．另外，电路未采用放大器，简化了电路设计，仍具有58.5 dB的较高的电源抑制比。该电路结构简单，功耗低，可移植性强，适用于对电流性能要求较高的电路与系统中。

参考文献：

[1]LEE Jung-Hyo，Sungkyunkwan，YU Dong-Ho，et al．Auxiliary Switch Control of a Bidirectional Soft-Switching DC/DC Converter．IEEE Transactions on Power Electronics．2013，12(28)：5446-5457．

[2]王丽，康红明，谢东岩．高精度程控电流源的设计．仪表技术与传感器，2012 (7)：105-106．

[3]模拟CMOS集成电路设计．拉扎维，陈贵灿，译．西安：西安交通大学出版社，2002(12)：312-326．

[4]初秀琴，丁睿，来新泉，等．高精度电流求和型分段曲率补偿的基准电流源．电子科技大学学报，2012，41(4)：170-175．

[5]王松林，田锦明，来新泉，等．高效同相的降压-升压 DC/DC 转换器的控制方法．仪表技术与传感器，2006(7)：54-59．

作者简介：田磊：(1980—)，讲师，博士，研究方向为模拟和数模混合集成电路的设计。E-mail：tla02@126．com