车载传感器芯片电流源设计

何孝起

（上海精传电子科技有限公司，上海 201108）

车规半导体工艺作为特种工艺技术正在蓬勃发展，随着5G通信技术和基础设施的不断升级换代，以及自动驾驶技术的不断发展，基于车规工艺的芯片设计方兴未艾，在高安全性和高可靠性的车载芯片设计中，对于信号的处理电流型设计以其强抗干扰稳定特点具备广阔的应用前景，作为电流型设计的基本电流源，是设计中不可或缺的基本单元，本文旨在通过设计中的思考和探索为车载芯片应用设计提供一种实现方法以促进产业发展。

1 恒流源的用途

进行模拟电路的设计，恒流源的用途十分广泛，基本恒流源，恒压源一直是电路设计的基石，能够设计出高精度的恒流源，是保障半导体集成电路的系统设计的先决条件。

在车载的数模混合电路设计中，为进行模拟信号的线性不失真放大，需要恒流源做轨到轨的运算放大器设计，在信号的调制和解调器设计中，也需要恒流源提供电路必须的偏置电流，由于电流设计在车载芯片设计中的明显优势，高精度的恒流源设计对车载芯片越发重要，高质量的恒流源设计能够保证符合车规Q100 规范的强壮的车载系统芯片设计实现。

除了在复杂的车载系统芯片中应用广泛外，恒流源也可以用在芯片和测试和电源激励上，在产品的线上测试中，恒流源可以作为判决准则，来测试产品特定的性能和筛查次品。

具备制程稳定性和有良好温度特性的恒流源能够极大提升设计电路性能，在如下的电流型运算放大器电路中，稳定的恒流源能够极高地提升运算放大器的增益，在进行车载传感器模拟基带信号的解调设计中，高精度的恒流源是保证解调出的基带信号线性度和保真度高的前提条件。

2 实现恒流源的电压源设计

恒流源的设计实现可由带隙基准的恒压源实现，为获得高精度的恒流源，带隙基准的恒压源需要达到很高的精度，需要很好地设计温度补偿，而良好的温度补偿来自于高增益的运放设计，设计实践证明，对于传统的BJT 器件温度补偿BANDGAP 设计，80dB 以上的高增益运放能够有效反馈钳位获得优良的温度补偿特性，如图1、图2 所示。

图1 带输出负反馈的带隙基准电路设计

3 恒压源到恒流源的转换设计

从恒压源实现恒流源，一个简单的想法是用恒压源驱动一个低温漂的电阻，使用电流镜技术就可以得到所需的恒流源，但是这个简单想法忽略了重要的电阻的电流驱动，直接的带隙基准恒压驱动电阻，抽取的电流破坏了带隙基准电路的电路温度补偿，导致带隙基准的温度补偿特性变差，破坏了恒压源的产生也导致设计的恒流源不可用。

利用恒压源驱动电阻并采用隔离驱动设计，使用高增益的运放隔离BANDGAP 的稳定输出，利用运放电路的高增益，反馈驱动PMOS 管并钳制下端电阻的电压，运放电路的增益和虚断特性能够保证获得流经电阻的稳定电流，同时BANDGAP 的输出因为没有电流支路的分流而能使输出不受影响，这是在许多文献和论文上常见的恒流源获取设计思路，但是该设计严重低估了CMOS 制程下电阻的温度漂移和制程差异性，尽管通过输出负反馈的BANDGAP 能够得到不同制程角的良好稳定电压输出，但是稳定的电压驱动带温漂和强制程差异性的电阻器件，所得的电流将引入极大的偏差并不能满足设计的要求。

一种常见的恒流源电路如图2 所示，该电路使用BJT 镜像电流源，利用恒压Vcc 减去VT0 的Vbe, 产生压降在电阻R 上形成稳定电流，在不考虑电阻R 阻值变化和NPN 管的导通电压Vbe 变化情况下，该电路能够形成稳定的恒流。

图2 恒流源电路

在PCB 电路设计中，由于采用高精度的电阻R 以及成熟的BJT 器件NPN 管，因此在车规宽温度范围-40 到150 范围内，实现的电流很稳定，然而在集成CMOS 模拟电路中，电阻的阻值受制程工艺的很大影响，在不同工艺角下，高阻值的电阻不同温度下阻值变化很大，这样，使用恒定电压驱动电阻，将得到一个变化很大的电流，无法实现恒流满足集成电路的设计要求。

上述电路还有一个不容忽视的变量是NPN 管的导通压降，在集成CMOS 电路中，不同制程和温度下，NPN 的导通压降呈现不容忽视的变化，NPN 管的导通电压呈现和温度负相关的特性，随着温度的升高，NPN 的导通电压随之升高，这样将导致电阻上的压降减少，导致实现的恒流电流减少，若需要获得恒定的电流输出，必须采用温度补偿方案，传统方法是使用NPN 管的不同面积下Vbe 差值的正温度相关特性，形成温度正相关补偿电流，和温度负相关电流相加形成恒流输出，如图3 所示。

图3 Bandgap 运放的增益仿真

温度补偿的恒流源的设计原理在于实现温度正相关的PTAT（Proprotional To Absolute Temperature）电流，同时叠加实现CTAT（Complementary To Absolute Temperature）电流，同时调节适当的权重，实现恒流源设计。如图4 所示。

图4 CTAT 和PTAT 的恒流源实现

双极性三极管的基射开启电压呈温度负相关特性，可以产生CTAT（绝对温度互补）电流，集电极电流可以表达为：

则基射电压的温度偏导可以表示为：

对于不同面积比例的三极管器件，工作在相同的集电极电流下，他们基射电压的不同直接和温度系数正相关，可以表达为：

通过两个偏微导的相加，除以负载电阻得到电流取和为零，可得稳定输出的温度无关电流为：

可用如下的原理电路得到温度无关的恒流输出，如图5 所示。

图5 恒流源原理电路设计

图6

图7 带负反馈温度补偿的恒流源输出

要克服集成电路设计中电阻器件的温漂和强制程差异，需要采用温度补偿设计和输出负反馈设计，设计输出负反馈的CTAT 电流，来补偿PTAT 电流，达到恒流设计的目的。

实现的恒流设计，采用低压共源共栅结构的电路，可以实现电流的镜像输出，如图6 所示实现的共源共栅电路,可以精确复制生成的参考电流源IREF。

4 设计结论

带输出负反馈的恒流源设计能够在宽温度范围内达到良好的输出精度，运放的高增益确保了温度补偿的匹配和有效，同时电源电压的变化也不影响实现的电流精度。

如图7 所示，通过运放高增益控制的CTAT 电流补偿，恒流源输出能够达到0.2%的精度，高精度的恒流源对许多IP模块的设计很重要，能够进行精确的调节以获得优异的电路性能。

本文介绍了CMOS 集成电路恒流源的实现，主要通过运放的隔离驱动设计，以及CTAT 绝对温度补偿设计，能够达到很高精度的恒流源实现。设计充分利用了集成带隙基准的设计，集成运放实现了很小的版图面积，同源设计也获得了良好的线性度保证输出的稳定性，本文提出的恒流源设计能够较好地应用在车规的集成电路设计上，满足车规产品的高稳定，高可靠性要求。