一種高擺幅可編程電流源的製作方法

2023-10-22 11:35:42 2

專利名稱：一種高擺幅可編程電流源的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電流源，具體涉及一種高擺幅可編程電流源。
背景技術：
在高壓電源領域，需要電流大小可調、輸出電流恆定的電流源時，一般實現方法如圖1所示的可編程電流源電路。首先產生一路基準參考電流，然後通過電流鏡，產生多路與基準參考電流成比例的鏡像電流，通過開關控制，選擇一路或者多路鏡像電流，產生所需大小的電流。圖2為現有可編程電流源的基準電路100和鏡像電路101的電路圖。基準電路100由高壓PMOS管Ml和M2組成。基準參考電流IREF流過基準電路100，產生電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS、級聯管柵端偏置電壓VCAS。鏡像電路101，由高壓PMOS管M3、M4、M5組成。M3為電流鏡管，電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS為M3提供柵端偏置電壓，使得M3工作在飽和區，根據公式，M3的漏端輸出電流:ld=0.5K/ (ff/L) (Vgs-Vth)2 (1+AVds)，只要Vgs和Vds不變，輸出電流Id不變。M4為級聯管，使得電流源輸出端IOUT電壓變化時，M3的漏源電壓Vds基本不變，用於增加電流源的輸出阻抗，提高輸出電流穩定性。M5為開關管，用於選擇鏡像電路101是否接入可編程電流源，控制電流源的電流大小。上述傳統的高壓電源域可編程電流源存在輸出擺幅受限的問題。分析其原因:一是高壓管的閾值電壓比低壓管的閾值電壓大，在滿足相同電流精度和良率的情況下，高壓管所需的飽和·壓降Vds更大；二是開關管加在電流通路上，要消耗電壓降。假設電源電壓VCC為9V，高壓PMOS管閾值電壓Vth為1.5V，電流源輸出擺幅最高為:VCC-VdSi^-Vdsc^-Vdswteh,其中，VdsBIAS為電流鏡管的漏源電壓，Vdsas為級聯管的漏源電壓，Vdsswitdl為開關管的漏源電壓。要使各器件工作在飽和區，臨界狀態下:VdsBIAS=lV、VdsCAS=0.5V、Vdsswitch=0.3V，負載上的壓降最高為:VCC-lV-0.5V-0.3V=7.2V，負載電阻為4KQ時，電流源無法提供所需的2mA電流。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種高擺幅可編程電流源，以增加可編程電流源的輸出擺幅，使其在輸出電流不同、負載情況不同的情況下，儘量保持可編程電流源輸出電流的穩定性。實現本實用新型目的採用的技術方案如下:本實用新型提供的高擺幅可編程電流源，包括基準電路、鏡像電路、保護電路；所述基準電路由第一低壓PMOS管和第一、二高壓PMOS管組成；第一高壓PMOS管的源端接電源電壓，漏端和柵端與第二高壓PMOS管的柵端連接在一起接級聯管柵端偏置電壓；第一低壓PMOS管的源端接電源電壓，柵端和第二高壓PMOS管的漏端連接在一起接電流鏡管柵端偏置電壓，漏端接第二高壓PMOS管的源端；所述鏡像電路由第二低壓PMOS管、第三、四、五、六、七高壓PMOS管組成；第二低壓PMOS管的源端接電源電壓，柵端接第四、五高壓PMOS管的漏端，漏端接第三高壓PMOS管的源端；第三高壓PMOS管的柵端接第六、七高壓PMOS管的漏端，漏端接電流源輸出；所述保護電路由第八、九高壓PMOS管組成，跨接在第二低壓PMOS管的源端和柵端之間；第八高壓PMOS管的源端接電源電壓，漏端和柵端連到第九高壓PMOS管的源端；第九高壓PMOS管的漏端和柵端連在一起接電流鏡管柵端偏置電壓。與現有的可編程電流源相比，本實用新型的優點:一是採用低壓PMOS管代替原來的高壓PMOS管作為電流鏡管，工作在高壓電源域，在同等的失配和輸出阻抗要求下，VdsBIAS將大幅下降；二是把開關從原來的電流通道挪到電流鏡管和級聯管的柵端，可節約原來開關佔用的電壓Vdsswitdl ;三是為了解決採用低壓管工作在高壓電源域下可能會被意外擊穿的風險，加入了保護電路，以箝位低壓電流鏡管的Vds和Vgs電壓，保護低壓管。這樣帶來的好處是提高了電流源的輸出擺幅。假設電源電壓VCC為9V，電流源輸出擺幅最高為:VCC-VdsBIAS-VdsCAS,對於低壓PMOS管而言，VdsBIAS最低可降至0.3V，級聯管仍為高壓管，VdsCAS為0.3V，則負載上的壓降最高為:VCC-0.3V-0.3V=8.4V，即使負載為4KQ，電流源也能提供穩定的2mA電流。本實用新型在電源電壓固定的情況下，最大限度地增加了可編程電流源的輸出擺幅。
以下結合附圖進一步說明本實用新型的技術方案。

圖1是現有可編程電流源的電路示意圖。圖2是現有可編程電流源中的基準電路、鏡像電路示意圖。圖3是本實用新型的電路示意圖。圖4是本實用新型 中的基準電路、鏡像電路、保護電路示意圖。
具體實施方式
本實用新型如圖3、圖4所示，包含基準電路、鏡像電路、保護電路。基準電路200由低壓PMOS管PMl和高壓PMOS管M2、M3組成；高壓PMOS管M2的源端接電源電壓VCC，漏端和柵端與高壓PMOS管M3的柵端連接在一起接級聯管柵端偏置電壓VCAS，參考電流IB流過高壓PMOS管M2，產生級聯管柵端偏置電壓VCAS ;低壓PMOS管PMl的源端接電源電壓VCC，柵端和高壓PMOS管M3的漏端連接在一起接電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS，漏端接高壓PMOS管M3的源端，參考電流IREF流過低壓PMOS管PMl和高壓PMOS管M3產生電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS。鏡像電路201由低壓PMOS管PM6、高壓PMOS管M14、M15、M16、M17、M18組成；低壓PMOS管PM6的源端接電源電壓VCC，柵端接高壓PMOS管M15、M16的漏端，漏端接高壓PMOS管M14的源端；高壓PMOS管M14的柵端接高壓PMOS管M17、M18的漏端，漏端接電流源輸出端IOUT ;其中，低壓PMOS管PM6為電流鏡管，高壓PMOS管M14為級聯管，高壓PMOS管M15、M16、M17、M18為開關管，高壓PMOS管M15、M16組成一個二選一開關，用於控制低壓電流鏡管PM6的柵端電壓，高壓PMOS管M17、M18組成一個二選一開關，用於控制高壓級聯管M14的柵端電壓。B與BN〈0>反相，為開關控制信號，B〈0>接電源電壓VCC，為邏輯「 1」，BN〈0>接地，為邏輯「O」，M15導通、M16截止，低壓電流鏡管PM6柵端接電源電壓VCC，低壓電流鏡管PM6截止；M17導通、M18截止，高壓級聯管M14柵端接電源電壓VCC，高壓管M14截止，鏡像電路201無電流。B〈0>接地，為邏輯「0」，8%0>接電源電壓VCC，為邏輯「1」，M15截止、M16導通，低壓電流鏡管PM6柵端接電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS，低壓電流鏡管PM6導通;M17截止、M18導通，高壓級聯管M14柵端接級聯管柵端偏置電壓VCAS，高壓管M14導通，鏡像電路201接入可編程電流源。鏡像電路201中低壓電流鏡管PM6與基準電流中低壓PMOS管PMl的類型、尺寸相同，鏡像電路201中高壓級聯管M14與基準電流中高壓PMOS管M3的類型、尺寸相同，鏡像電路201輸出電流的大小等於基準參考電流IREF。其他的鏡像電路與鏡像電路201類似，同樣由低壓PMOS電流鏡管、高壓PMOS級聯管、高壓PMOS開關管組成。第2路鏡像電路，是鏡像電路201複製2份，流過的電流是2*IREF，開關控制信號為B〈l>和BN〈1> ;第3路鏡像電路，是鏡像電路201複製22份，流過的電流是22*IREF，開關控制信號為B〈2>和BN〈2> ;依此類推，第i+1路鏡像電路，是鏡像電路201複製21份，流過的電流是24IREF，開關控制信號為B〈i>和BN〈i>，其中，i可取0到7之間並包含0和7的整數。B〈i>為邏輯「1」，8%1>為邏輯「0」，第i+1路鏡像電路不接入可編程電流源；B〈i>為邏輯「0」，BN為邏輯「1」，第i+1路鏡像電路接入可編程電流源。可編程電流源總的輸出電流1ut為:1ut=IREF* (BN〈0>+BN〈1>*2+BN〈2>*4+BN〈3>*23+BN〈4>*24+BN〈5>*25+BN〈6>*26+BN〈7>*27)控制信號B〈i>取不同的值，可編程電流源的輸出電流1ut的值不同。B〈i>全為「1」，即BN〈i>全為「0」，1ut的值最小，為0 ;B〈i>全為「0」，即BN〈i>全為「1」，1ut的值最大，為255*IREF。通過B〈i>的不同取值，1ut的值可以在0 255*IREF間變化，最小間隔為IREF。如果可編程電流源的精度要求比較高，動態範圍比較大，當前的最小間隔IREF和8比特變化範圍不足以滿足要求，可調整基準參考電流IREF的值、增加鏡像電路和開關控制信號的位數。這樣會導致版圖的面積和布局布線難度的增加。保護電路202由高壓PMOS管M4、M5組成，跨接在低壓PMOS管PMl的源端和柵端之間；高壓PMOS管M4的源端接電源電壓VCC，漏端和柵端連到高壓PMOS管M5的源端；高壓PMOS管M5的漏端和柵端連在一起接電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS ;正常工作時，低壓PMOS管PMl源端與柵端的壓降較小，低於保護電路202的啟動電壓，高壓PMOS管M4、M5處於截止狀態，不影響電流源的工作，在可編程電流源工作的上電瞬間，若低壓PMOS管PMl源端、柵端壓差過大，超過保護電路202的啟動電壓，高壓PMOS管M4、M5導通，對低壓PMOS管PMl源端、柵端電壓差進行箝位，以保護低壓PMOS管PMl的柵氧化層不會被擊穿，同時，在選擇開關已打開的情況下，保護電路202可保護鏡像電路的低壓電流鏡管的柵氧化層不會被擊穿，電路穩定後，恢復到正常工作狀態，保護電路202停止工作。保護電路203的結構與保護電路202的結構相同，同樣由高壓PMOS管組成，二者工作原理也類似 ，不同之處在於:保護電路203箝位的是鏡像電路中低壓電流鏡管的源端與漏端電壓差，以保護低壓電流鏡管的源端、漏端不會被擊穿。
權利要求1.一種高擺幅可編程電流源，其特徵是包括基準電路、鏡像電路、保護電路； 所述基準電路由第一低壓PMOS管和第一、二高壓PMOS管組成；第一高壓PMOS管的源端接電源電壓，漏端和柵端與第二高壓PMOS管的柵端連接在一起接級聯管柵端偏置電壓；第一低壓PMOS管的源端接電源電壓，柵端和第二高壓PMOS管的漏端連接在一起接電流鏡管柵端偏置電壓，漏端接第二高壓PMOS管的源端； 所述鏡像電路由第二低壓PMOS管、第三、四、五、六、七高壓PMOS管組成；第二低壓PMOS管的源端接電源電壓，柵端接第四、五高壓PMOS管的漏端，漏端接第三高壓PMOS管的源端；第三高壓PMOS管的柵端接第六、七高壓PMOS管的漏端，漏端接電流源輸出； 所述保護電路由第八、九高壓PMOS管組成，跨接在第二低壓PMOS管的源端和柵端之間；第八高壓PMOS管的源端接電源電壓，漏端和柵端連到第九高壓PMOS管的源端；第九高壓PMOS管的漏端和 柵端連在一起接電流鏡管柵端偏置電壓。
專利摘要本實用新型公開了一種高擺幅可編程電流源，包括基準電路、鏡像電路、保護電路。所述基準電路由第一低壓PMOS管和第一、二高壓PMOS管組成；所述鏡像電路由第二低壓PMOS管、第三、四、五、六、七高壓PMOS管組成；所述保護電路由第八、九高壓PMOS管組成。本實用新型的優點一是在同等的失配和輸出阻抗要求下，VdsBIAS將大幅下降；二是可節約原來開關佔用的電壓Vdsswitch；三是利用高壓MOS管，以箝位低壓電流鏡管的Vds和Vgs電壓，保護低壓管。這樣帶來的好處是提高了電流源的輸出擺幅。
文檔編號G05F3/26GK203133656SQ20132007225
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月11日 優先權日2013年2月11日
發明者劉文用, 馬劍武, 陳君, 林劍輝 申請人:湖南融和微電子有限公司