隨溫度變化的電流產生的方法和裝置的製作方法
2023-05-24 23:01:36
專利名稱：隨溫度變化的電流產生的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及隨溫度變化的電流產生的方法和裝置，例如與要求非常大的溫度係數的雷射驅動器的使用有關。
大多數與溫度相關的基準產生是在電壓域中，這意味著產生的是基準電壓而不是基準電流，例如見P.Allen and D.Holberg,Holt,Rinehartand Winston Inc．的「CMOS analog circuit design」,1987。在諸如驅動雷射二極體這樣的一些應用中，需要電流而不是電壓。雖然可以產生電壓，然後通過電阻獲得電流，但隨溫度變化的電阻會使基準電壓的產生變得較複雜，以適應該電阻的溫度關係曲線。
在根據PCT公開的國際申請WO95/22093中披露並展示了一種基準電路，該基準電路具有受控的溫度關係曲線，其中用於產生輸出基準電流的基準電路具有任意預定的溫度關係曲線。通過將具有不同溫度係數的幾個電流相加，可獲得具有所需溫度關係曲線的電流。雖然已披露了一體化形式的產生具有受控溫度關係曲線的電流的發明，但其主要思想是產生受控柵源電壓，將該電壓用於產生具有受控溫度關係曲線的漏電流。因此，工作方式是首先產生電壓，然後在末級將電壓轉換成電流。
作為一種替換的方案，在本發明中基準被設計在電流域中，其特徵在於工作方式與所引用的現有技術的工作方式相反，因為利用精確限定的電壓產生了電流，即首先獲得電流，然後對它們進行處理。已知電流的溫度關係曲線，並將利用線性和/或非線性運算處理這些電流以產生具有預定溫度係數的電流。可將本發明的優點更直接地概括為定標和求和(求差)在電流域中比在電壓域中更容易和簡單，而且對於雙極電晶體由於基極-射極電壓和集電極電流之間的對數關係，從電流是電壓的擴展的意義上來說在電流域中比在電壓域中更靈活(robust)，即有更大的處理餘地。由於這種對數關係，電壓的較小的誤差會導致電流的較大誤差，而電流的較大誤差只引起相當小的電壓誤差。
圖1展示產生精確限定的電流的電路。
圖2展示產生精確限定的電流的另一電路。
圖3展示藉助於線性運算產生具有特定溫度係數的電流的根據本發明的簡化的實施方案。
圖4展示基於圖3中的實施方案的典型電路。
圖5展示圖4中電路的Hspice模擬結果。
圖6展示藉助於非線性運算產生具有特定溫度係數的電流的根據本發明的簡化的實施方案。
圖7展示基於圖6中的實施方案的典型電路。
圖8展示圖7中電路的Hspice模擬結果。
在矽技術中，通過使用穩定的電壓和電阻可得到精確限定的電流。可利用基極-射極電壓Vbe，熱電壓VT，柵-源電壓Vgs和閾值電壓Vth。由於MOS電晶體比雙極電晶體具有更大的參數離散性，因此Vbe和VT的使用更可取。自偏置Vbe和VT基準的產生可見於「Analysis and design ofahalog integrated circuits」,P.Gray and R.Meyer,3rd edition,John Wiley＆Sons Inc.,1993中。
圖1和圖2中的電路展示了精確限定的電流的產生(未示出啟動電路)。
在圖1中，雙極電晶體Q0,Q1和Q2及電阻R1形成基本Widlar電流鏡。增加了MOS電晶體M0以便減小雙極電晶體基極電流的影響。兩個相同的MOS電晶體M1和M2形成一個電流鏡，使Q0和Q1(加上Q2)的集電極電流相互相等。MOS電晶體M3用來輸出電流Ip。
在圖2中，兩個相同的MOS電晶體M4和M5形成一個電流鏡，使雙極電晶體Q3和Q4的集電極電流相互相等。雙極電晶體Q4的發射極電流由電阻R2和其上的電壓降確定，該電壓降是雙極電晶體Q3的基極-發射極電壓。MOS電晶體M6用來輸出電流In。
簡單的計算顯示出IP=VTR1ln(n)]]>(1)和In=VbeR2]]>(2)，其中n是電晶體Q1(加上Q2)和Q0的發射極面積比。各溫度係數定義為TCIP=1IPIPT=1VTVTT-1R1R1T(3)]]>和TCIn=1InInT=1VbeVbeT-1R2R2T(4)]]>在室溫下，假設Vbe為0.7V，則VT的溫度係數是約3300ppm/C，而Vbe的溫度係數是-2800ppm/C。例如在我們的內部工藝(in-houseprocess)中，多晶矽電阻有-1700ppm/C的溫度係數。因此，Ip的溫度係數約為5000ppm/C，而In的溫度係數約為-1100ppm/C。為具有任意的溫度係數，需要一些電路裝置。
在電流域中容易實現線性運算。假設I1=aIp+bIn(5)，則溫度係數將按下式給出TCll=11+(bIn/aIP)1IPIPT+11+(aIP/bIn)1InInT]]>(6)。因此從公式(6)可看出，通過選擇不同的電流值和定標係數，有可能實現具有任意溫度係數的電流。圖3中示出了方框圖，圖4中示出了a=4且b=-1的例子。
在圖3中，輸入電流Ip和In分別在1和2中被乘以因數a和b。通過將兩個經過乘法運算的電流相加產生3中的輸出電流I1。通過使用電流鏡實現與常數相乘，而通過簡單地將電流連在一起完成電流的加法。
在圖4中，雙極電晶體Q0,Q1和Q2，電阻R1和MOS電晶體M1和M2產生與對應於圖1的電流Ip，而雙極電晶體Q6和Q7，電阻R2和MOS電晶體M5和M6產生與對應於圖2的電流In。假設MOS電晶體M1-4的尺寸相同，則MOS電晶體M3和M4用來輸出帶有乘法因數-2的電流Ip。假設雙極電晶體Q3-5的發射極面積相同，則雙極電晶體Q3-5形成電流鏡，並且其輸出電流比其輸入電流大兩倍，而且方向相反。MOS電晶體M42用來輸出相反方向的電流In。因此，I1=4Ip-Ip。
基於內部BiCMOS工藝(in-house BiCMOS process)的參數，模擬圖4中的電路，並將模擬結果示於圖5中。當Ip和In分別具有6400ppm/C和-340ppm/C的溫度係數時，輸出電流I1的溫度係數為13000ppm/C。
還可利用簡單的非線性運算改變溫度係數。如在「Analogue ICdesign:the current-mode approach」by C Toumazou,F.J.Lidgey andD.G.Haigh,Peter Peregrinus Ltd.,1990中所披露的那樣，在電流域中，單象限轉移線性(translinear)平方器/除法器只需要四個雙極電晶體。假設In1=IP2In(7)]]>，則溫度係數將由下式給出TCIn1=1In1In1T=21IPIPT-1InInT(8)]]>。從式(8)中可看出，通過使用簡單的非線性運算也可改變溫度係數。
圖6中示出了通過對兩個輸入電流Ip和In使用非線性運算來產生電流In1的方框圖，該非線性運算可以是公式(7)所限定的運算。圖7示出了一種電路，其中雙極電晶體Q0,Q1和Q2，電阻R1和MOS電晶體M1和M2產生與對應於圖1的電流Ip，而雙極電晶體Q6和Q7，電阻R2和MOS電晶體M5和M6產生與對應於圖2的電流In。MOS電晶體M3用來輸出電流Ip(假設MOS電晶體M1-3的尺寸相同)，而雙極電晶體Q5用來輸出電流In(假設Q3和Q5的尺寸相同)。雙極電晶體Q6-9實現單象限轉移線性平方器/除法器。
基於內部BiCMOS工藝的參數，模擬圖7中的電路，並將模擬結果示於圖8中。當Ip和In分別具有6300ppm/C和-143ppm/C的溫度係數時，輸出電流In1的溫度係數為13500ppm/C。
儘管以上的描述包括了若干細節和技術條件，但應該理解這些只是對本發明的說明，而不應看作是對本發明的限制。對於本領域人員來說對本發明容易做出許多變型，而不脫離如由所附權利要求和它們的等同方案所限定的本發明的實質和範圍。
權利要求
1．一種用於隨溫度變化的電流產生的方法，其特徵在於，由具有精確限定的溫度係數的至少一個輸入電流產生具有任意溫度係數的電流。
2．如權利要求1的方法，其特徵在於使用線性運算。
3．如權利要求1的方法，其特徵在於使用非線性運算。
4．如權利要求3的方法，其特徵在於輸出電流In1是利用單象限轉移線性平方器/除法器產生的。
5．一種用於隨溫度變化的電流產生的裝置，其特徵在於用於產生具有任意溫度係數的電流的設備，其中提供輸入電流Ip和輸入電流In，使它們分別與因數a和b相乘(1,2)，並提供輸出電流I1(3)，該輸出電流I1通過將該兩個經過乘法運算的電流相加來產生。
6．一種用於隨溫度變化的電流產生的裝置，其特徵在於用於產生具有任意溫度係數的電流的設備，其中將輸入電流Ip和輸入電流In提供給轉移線性(TRANSLINEAR)平方器/除法器。
全文摘要
大多數與溫度相關的基準的產生是在電壓域中,這意味著產生的是基準電壓而不示基準電流。在諸如驅動雷射二極體這樣的一些應用中,需要電流而不是電壓。在本發明中,作為一種替代的方案,在電流域中設計基準,其中可將工作方式描述為與現有技術的工作方式相反。已知電流的溫度關係曲線,並利用線性和/或非線性運算來處理電流(1,2),以產生具有預定溫度係數的電流(3)。可將本發明的優點更簡單地概括為在電流域中定標和求和(求差)比在電壓域中容易和簡單得多。
文檔編號G05F3/26GK1218560SQ9719446
公開日1999年6月2日 申請日期1997年4月29日 優先權日1996年5月7日
發明者譚年熊 申請人:艾利森電話股份有限公司