一種可調電流大小的電流源裝置的製作方法

2023-05-17 23:17:11 1

專利名稱：一種可調電流大小的電流源裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於電源領域的電流源裝置，尤其是涉及一種可調電流大小的 電流源裝置。
背景技術：
在模擬集成電路晶片的電源設計領域，為了使模擬集成電路晶片的應用範圍更加廣泛，經常會將內部的一些電流源設計成可改變的，由模擬集成電路晶片的應用者根據自 身需要通過改變外接電阻來對電流源的電流大小進行調節，通常採用的方法是先用一個帶 隙基準產生一個穩定的電平，然後利用一個運算放大器作為一個跟隨器，跟隨這個穩定的 電平，再調節外接電阻，就可以實現一個可調電流大小的電流源。圖1給出了典型的可調電流大小的電流源裝置的電路圖，其包括固定電壓提供電 路VDC、運算放大器OPl、PMOS電晶體Pl、NMOS電晶體Ml及外接電阻Rl，固定電壓提供電 路VDC與運算放大器OPl的正輸入端相連接，為運算放大器OPl提供一個穩定的固定電壓 Vref，運算放大器OPl的負輸入端與外接電阻Rl的第一端相連接，外接電阻Rl的第二端接 電源地GND，運算放大器OPl的輸出端與NMOS電晶體Ml的柵極相連接，NMOS電晶體Ml的 源極與外接電阻Rl的第一端相連接，NMOS電晶體Ml的漏極與PMOS電晶體Pl的源極相連 接，PMOS電晶體Pl的柵極與PMOS電晶體Pl的源極相連接，PMOS電晶體Pl的漏極接電源 電壓VDD。在該電流源裝置中，固定電壓提供電路VDC可以是通過帶隙基準調整得到的基 準電壓，也可以是一個齊納二極體，固定電壓提供電路VDC提供一個相對穩定的固定電平 Vref,通過運算放大器OPl和NMOS電晶體Ml的跟隨作用，使得A節點處的電壓等於固定電 壓Vref，而流過外接電阻Rl的電流則是Vref/札，其中R1為外接電阻Rl的電阻值，從而可 得到流過PMOS電晶體Pl的電流12，I2 = VrefVR1，這樣就可以通過改變外接電阻Rl的電 阻值R1實現對電流I2的大小的改變，需要電流的時候可以通過電流鏡的方式對PMOS晶體 管Pl鏡像得到需要的電流。這種電流源裝置雖然能夠通過改變外接電阻的電阻值的大小 較好地實現電流大小的調節，但由於運算放大器的應用，使得該電流源裝置存在器件多、功 耗大、設計複雜、由設計複雜引起的可靠性低等缺點。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種器件少、功耗小、工作可靠性高的可調電 流大小的電流源裝置。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種可調電流大小的電流源裝 置，包括電流提供/限制電路、固定電壓提供電路、PMOS電晶體、第一三極體、第二三極體和 外接電阻，所述的電流提供/限制電路具有第一連接端和第二連接端，所述的固定電壓提 供電路具有第三連接端和第四連接端，所述的電流提供/限制電路的第一連接端接電源電 壓，所述的電流提供/限制電路的第二連接端與所述的第一三極體的集電極相連接，所述 的第一三極體的發射極與所述的固定電壓提供電路的第三連接端相連接，所述的第一三極體的基極分別與所述的第一三極體的集電極和所述的第二三極體的基極相連接，所述的第 二三極體的集電極與所述的PMOS電晶體的漏極相連接，所述的PMOS電晶體的柵極與所述 的PMOS電晶體的漏極相連接，所述的PMOS電晶體的源極接電源電壓，所述的第二三極體的 發射極與所述的外接電阻的第一端相連接，所述的外接電阻的第二端和所述的固定電壓提 供電路的第四連接端均接電源地。所述的電流提供/限制電路包括一個電阻，所述的電阻的第一端接電源電壓，所 述的電阻的第二端與所述的第一三極體的集電極相連接；或所述的電流提供/限制電路 包括一個通過鏡像方式從其他電流源裝置得到的微小電流，所述的微小電流流向所述的第
一三極體的集電極。所述的固定電壓提供電路包括一個齊納二極體，所述的齊納二極體的陰極與所述 的第一三極體的發射極相連接，所述的齊納二極體的陽極接電源地；或所述的固定電壓提 供電路包括一個通過帶隙基準調整得到的基準電壓，所述的基準電壓的正端與所述的第 一三極體的發射極相連接，所述的基準電壓的負端接電源地。所述的第一三極體和所述的第二三極體均為NPN型的三極體。所述的第一三極體和所述的第二三極體構成對管結構，所述的第一三極體和所述 的第二三極體均工作在線性區時，所述的PMOS電晶體工作在飽和區。一種可調電流大小的電流源裝置，包括電流提供/限制電路、固定電壓提供電路、 NMOS電晶體、第一三極體、第二三極體和外接電阻，所述的電流提供/限制電路具有第一連 接端和第二連接端，所述的固定電壓提供電路具有第三連接端和第四連接端，所述的固定 電壓提供電路的第三連接端接電源電壓，所述的固定電壓提供電路的第四連接端與所述的 第一三極體的發射極相連接，所述的第一三極體的集電極與所述的電流提供/限制電路的 第一連接端相連接，所述的第一三極體的基極分別與所述的第一三極體的集電極和所述的 第二三極體的基極相連接，所述的第二三極體的發射極與外接電阻的第一端相連接，所述 的外接電阻的第二端接電源電壓，所述的第二三極體的集電極與所述的NMOS電晶體的漏 極相連接，所述的NMOS電晶體的柵極與所述的NMOS電晶體的漏極相連接，所述的NMOS晶 體管的源極與所述的電流提供/限制電路的第二連接端均接電源地。所述的固定電壓提供電路包括一個齊納二極體，所述的齊納二極體的陰極接電源 電壓，所述的齊納二極體的陽極與所述的第一三極體的發射極相連接；或所述的固定電壓 提供電路包括一個通過帶隙基準調整得到的基準電壓，所述的基準電壓的正端接電源電 壓，所述的基準電壓的負端與所述的第一三極體的發射極相連接。所述的電流提供/限制電路包括一個電阻，所述的電阻的第一端與所述的第一三 極管的集電極相連接，所述的電阻的第二端接電源地；或所述的電流提供/限制電路包括 一個通過鏡像方式從其他電流源裝置得到的微小電流，所述的微小電流流向電源地。所述的第一三極體和所述的第二三極體均為PNP型的三極體。所述的第一三極體和所述的第二三極體構成對管結構，所述的第一三極體和所述 的第二三極體均工作在線性區時，所述的NMOS電晶體工作在飽和區。與現有技術相比，本發明的優點在於1)、本發明的電流源裝置主要由電流提供/限制電路、固定電壓提供電路、MOS晶 體管、兩個三極體及外接電阻組成，其無需使用現有的電流源裝置中的運算放大器對穩定的固定電壓進行跟隨，即可通過調節外接電阻的電阻值的大小實現對流過MOS電晶體的偏置電流的大小，且由於無需使用運算放大器，大大減少了電流源裝置的器件，同時有效降低 了功耗，且設計簡單，工作可靠性高。2)、比較利用本發明的電流源裝置與現有的電流源裝置通過改變外接電阻的電阻 值獲得流過MOS電晶體的偏置電流，本發明的電流源裝置雖然在偏置電流的精度上有略微 的降低，但本發明的電流源裝置相對於現有的電流源裝置具有能夠縮小晶片面積，節省成 本，還不需要額外的電路給運算放大器提供偏置信號，不用考慮運算放大器的相位補償等 優點。


圖1為現有的可調電流大小的電流源裝置的電路圖；圖2為本發明具體實施例一的電流源裝置的電路圖；圖3為利用本發明的電流源裝置和圖1所示的電流源裝置通過改變外接電阻的電 阻值獲得的偏置電流I2的仿真結果示意圖；圖4為本發明具體實施例二的電流源裝置的電路圖。
具體實施例方式以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。實施例一一種可調電流大小的電流源裝置，如圖2所示，其包括電流提供/限制電路IDC、固 定電壓提供電路VDC、PMOS電晶體P1、第一 NPN型三極體QNl、第二 NPN型三極體QN2和外 接電阻Rl，電流提供/限制電路IDC具有第一連接端1和第二連接端2，固定電壓提供電路 VDC具有第三連接端3和第四連接端4，電流提供/限制電路IDC的第一連接端1接電源電 壓VDD，電流提供/限制電路IDC的第二連接端2與第一 NPN型三極體QNl的集電極相連 接，第一 NPN型三極體QNl的發射極與固定電壓提供電路VDC的第三連接端3相連接，第一 NPN型三極體QNl的基極分別與第一 NPN型三極體QNl的集電極和第二 NPN型三極體QN2 的基極相連接，第二 NPN型三極體QN2的集電極與PMOS電晶體Pl的漏極相連接，PMOS晶 體管Pl的柵極與PMOS電晶體Pl的漏極相連接，PMOS電晶體Pl的源極接電源電壓VDD，第 二 NPN型三極體QN2的發射極與外接電阻Rl的第一端相連接，外接電阻R2的第二端和固 定電壓提供電路VDC的第四連接端4均接電源地GND。在此具體實施例中，電流提供/限制電路IDC主要用於提供一個穩定的微小電流 或者用於限制電流提供/限制電路IDC所在支路在一個較小的電流狀態下工作即用於限制 電流的大小，該電流提供/限制電路IDC可以只包括一個電阻，電阻的第一端接電源電壓 VDD，電阻的第二端與第一 NPN型三極體QNl的集電極相連接，通過該電阻可得到一個微小 電流I1 ；或者該電流提供/限制電路IDC可只包括一個通過鏡像方式從其他電流源裝置得 到的微小電流I1，該微小電流I1流向第一 NPN型三極體QNl的集電極，在此，通過鏡像方式 從其他電流源裝置得到的微小電流I1可以通過修改鏡像管(M0S電晶體)的寬長比來選擇 微小電流I1的大小，一般可調整鏡像管的寬長比選取一個最大的電流，再調整鏡像管的寬 長比選取一個最小的電流，再根據最大的電流和最小的電流的乘積開方後的值調整鏡像管的寬長比來獲取微小電流，該微小電流不需要很精確。在此具體實施例中，固定電壓提供電路VDC主要用於提供一個能夠有一定的電流 下拉能力的穩定電壓，該固定電壓提供電路VDC可以只包括一個齊納二極體，齊納二極體 的陰極與第一 NPN型三極體QNl的發射極相連接，齊納二極體的陽極接電源地GND，通過該 齊納二極體可得到一個固定電壓，將該固定電壓作為基準電壓Vl ；或者該固定電壓提供電 路VDC可以只包括一個通過帶隙基準調整得到的基準電壓VI，基準電壓Vl的正端與第一 NPN型三極體QNl的發射極相連接，基準電壓Vl的負端接電源地GND。在此，基準電壓Vl 的大小可以通過預先計算可調電流的範圍，根據可調電流的範圍在該範圍內選擇一個合適 的但不需要很精確的穩定的固定電壓作為基準電壓。在此具體實施例中，第一 NPN型三極體QNl和第二 NPN型三極體QN2構成對管結 構，當第一 NPN型三極體QNl和第二 NPN型三極體QN2均工作在線性區時，PMOS電晶體Pl 則工作在飽和區，此時通過改變外接電阻Rl的電阻值R1的大小就可以得到一個和外接電 阻Rl的電阻值R1成反比的流過PMOS電晶體Pl的偏置電流12，然後可通過對PMOS電晶體 Pl鏡像得到所需要的電流。在此，偏置電流I2與其他參數沒有任何關係，只和外接電阻Rl 的電阻值R1成反比，這樣調節外接電阻Rl的電阻值R1即可實現調節偏置電流12。如圖2所示，根據電流提供/限制電路IDC提供或者限制的微小電流I1,流 經PMOS電晶體Pl的偏置電流12，及具有電流下拉能力的固定電壓提供電路VDC提供
的穩定電壓VI，可得到I0Q1+^1CQ1+"^I2 =I1，其中，I。Q1為第一 NPN型三極體QNl的集
電極電流，由於第一 NPN型三極體QNl和第二 NPN型三極體QN2為對管結構，因此第一 NPN型三極體和第二 NPN型三極體QN2的直流電流增益相同，β表示第一 NPN型
三極體和第二 NPN型三極體QN2的直流電流增益。根據Icg1+^IeQ1+^I2 =I1可得
fJIcQ1 = J^,-吾I2)，又因為 VbeQ2 = VT In^ = Vt 和 VbeQ1 = Vt In^-，其中，Vbe01,
Vbe02分別表示第一 NPN型三極體QNl和第二 NPN型三極體QN2的be結電壓，從而可得到
formula see original document page 7 其中，AVbe 表不第一 NPN
型三極體QNl的be結電壓與第二 NPN型三極體QN2的be結電壓的差值。在使用本發明的電流源裝置時，通過鏡像方式從其他電流源裝置得到的微小電流
I1可以通過修改鏡像管(M0S電晶體)的寬長比來選擇微小電流I1的大小，一般可調整鏡
像管的寬長比選取一個最大的電流，再調整鏡像管的寬長比選取一個最小的電流，再根據
最大的電流和最小的電流的乘積開方後的值調整鏡像管的寬長比來獲取微小電流，可使得
微小電流I1和偏置電流I2在相同的數量級，這樣第一 NPN型三極體QNl的be結電壓與第
二 NPN型三極體QN2的be結電壓的差值AVbe就很小，由於第一 NPN型三極體QNl的基極
與第二 NPN型三極體QN2的基極相連接，因此這樣也就有A節點和B節點的電壓近似相等Vb = Va = VI，這樣就可以近似的得到formula see original document page 7，得到的偏置電流I2與通過圖1所示的電流源裝置得到的偏置電流的結果基本一致。圖3給出了利用本發明的電流源裝置和圖1所示的電流源裝置通過改變外接電阻Rl的電阻值獲得流過PMOS電晶體Pl的偏置電流I2的仿真結果，其中，倒三角表示的曲線 表示圖1所示的電流源裝置獲得的偏置電流I2的仿真結果，正三角表示的曲線表示本發明 的電流源裝置獲得的偏置電流I2的仿真結果，圖3中橫坐標表示外接電阻的電阻值，單位 為ohm (歐姆)，縱坐標表示偏置電流12，單位為A (安培)，K表示數量級1000，u表示數量 級10_6。從圖3可以看出，利用本發明的電流源裝置和圖1所示的電流源裝置通過改變外 接電阻Rl的電阻值獲得流過PMOS電晶體Pl的偏置電流I2的仿真結果的曲線幾乎相重合， 足以說明本發明的電流源裝置可以有效確保獲得的偏置電流的精度。與現有的電流源裝置 相比，本發明的電流源裝置雖然在偏置電流的精度上有略微的降低，但本發明的電流源裝 置的綜合性能比現有的電流源裝置要好，且結構簡單、器件少、功耗小、工作可靠性高。實施例二一種可調電流大小的電流源裝置，如圖4所示，其包括電流提供/限制電路IDC、 固定電壓提供電路VDC、NMOS電晶體Ni、第一 PNP型三極體QPl、第二 PNP型三極體QP2和 外接電阻Rl，電流提供/限制電路IDC具有第一連接端1和第二連接端2，固定電壓提供電 路VDC具有第三連接端3和第四連接端4，固定電壓提供電路VDC的第三連接端3接電源電 壓VDD，固定電壓提供電路VDC的第四連接端4與第一 PNP型三極體QPl的發射極相連接， 第一 PNP型三極體QPl的集電極與電流提供/限制電路IDC的第一連接端1相連接，第一 PNP型三極體QPl的基極分別與第一 PNP型三極體QPl的集電極和第二 PNP型三極體QP2 的基極相連接，第二 PNP型三極體QP2的發射極與外接電阻Rl的第一端相連接，外接電阻 Rl的第二端接電源電壓VDD，第二 PNP型三極體QP2的集電極與NMOS電晶體Ml的漏極相 連接，NMOS電晶體Ml的柵極與NMOS電晶體Ml的漏極相連接，NMOS電晶體Ml的源極與電 流提供/限制電路IDC的第二連接端2均接電源地GND。在此具體實施例中，固定電壓提供電路VDC主要用於提供一個能夠有一定的電流 下拉能力的穩定電壓，該固定電壓提供電路VDC可以只包括一個齊納二極體，齊納二極體 的陰極接電源電壓VDD，齊納二極體的陽極與第一 PNP型三極體QPl的發射極相連接，通過 該齊納二極體可得到一個固定電壓，將該固定電壓作為基準電壓Vl ；或者該固定電壓提供 電路VDD可以只包括一個通過帶隙基準調整得到的基準電壓Vl，基準電壓Vl的正端接電源 電壓VDD，基準電壓Vl的負端與第一 PNP型三極體QPl的發射極相連接。在此，基準電壓 Vl的大小可以通過預先計算可調電流的範圍，根據可調電流的範圍在該範圍內選擇一個合 適的但不需要很精確的穩定的固定電壓作為基準電壓。在此具體實施例中，電流提供/限制電路IDC主要用於提供一個穩定的微小電流 或者用於限制電流提供/限制電路IDC所在支路在一個較小的電流狀態下工作即用於限 制電流的大小，該電流提供/限制電路IDC可以只包括一個電阻，電阻的第一端與第一 PNP 型三極體QPl的集電極相連接，電阻的第二端接電源地GND，通過該電阻可得到一個微小電 流I1 ；或者該電流提供/限制電路IDC可以只包括一個通過鏡像方式從其他電流源裝置得 到的微小電流I1，微小電流I1流向電源地GND，在此，通過鏡像方式從其他電流源裝置得到 的微小電流I1可以通過修改鏡像管(M0S電晶體)的寬長比來選擇微小電流I1的大小，一 般可調整鏡像管的寬長比選取一個最大的電流，再調整鏡像管的寬長比選取一個最小的電流，再根據最大的電流和最小的電流的乘積開方後的值調整鏡像管的寬長比來獲取微小電流，該微小電流不需要很精確。 在此具體實施例中，第一 PNP型三極體QPl和第二 PNP型三極體QP2構成對管結 構，第一 PNP型三極體QPl和第二 PNP型三極體QP2均工作在線性區時，NMOS電晶體Ml則 工作在飽和區，此時通過改變外接電阻Rl的電阻值R1的大小就可以得到一個和外接電阻 Rl的電阻值R1成反比的流過NMOS電晶體Ml的偏置電流12，然後可通過對NMOS電晶體Ml 鏡像得到所需要的電流。在此，偏置電流I2與其他參數沒有任何關係，只和外接電阻Rl的 電阻值R1成反比，這樣調節外接電阻Rl的電阻值R1即可實現調節偏置電流12。
權利要求
一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於包括電流提供/限制電路、固定電壓提供電路、PMOS電晶體、第一三極體、第二三極體和外接電阻，所述的電流提供/限制電路具有第一連接端和第二連接端，所述的固定電壓提供電路具有第三連接端和第四連接端，所述的電流提供/限制電路的第一連接端接電源電壓，所述的電流提供/限制電路的第二連接端與所述的第一三極體的集電極相連接，所述的第一三極體的發射極與所述的固定電壓提供電路的第三連接端相連接，所述的第一三極體的基極分別與所述的第一三極體的集電極和所述的第二三極體的基極相連接，所述的第二三極體的集電極與所述的PMOS電晶體的漏極相連接，所述的PMOS電晶體的柵極與所述的PMOS電晶體的漏極相連接，所述的PMOS電晶體的源極接電源電壓，所述的第二三極體的發射極與所述的外接電阻的第一端相連接，所述的外接電阻的第二端和所述的固定電壓提供電路的第四連接端均接電源地。
2.根據權利要求1所述的一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於所述的電流提 供/限制電路包括一個電阻，所述的電阻的第一端接電源電壓，所述的電阻的第二端與所 述的第一三極體的集電極相連接；或所述的電流提供/限制電路包括一個通過鏡像方式從 其他電流源裝置得到的微小電流，所述的微小電流流向所述的第一三極體的集電極。
3.根據權利要求1或2所述的一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於所述的固 定電壓提供電路包括一個齊納二極體，所述的齊納二極體的陰極與所述的第一三極體的發 射極相連接，所述的齊納二極體的陽極接電源地；或所述的固定電壓提供電路包括一個通 過帶隙基準調整得到的基準電壓，所述的基準電壓的正端與所述的第一三極體的發射極相 連接，所述的基準電壓的負端接電源地。
4.根據權利要求3所述的一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於所述的第一三 極管和所述的第二三極體均為NPN型的三極體。
5.根據權利要求4所述的一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於所述的第一三 極管和所述的第二三極體構成對管結構，所述的第一三極體和所述的第二三極體均工作在 線性區時，所述的PMOS電晶體工作在飽和區。
6.一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於包括電流提供/限制電路、固定電壓 提供電路、NMOS電晶體、第一三極體、第二三極體和外接電阻，所述的電流提供/限制電路 具有第一連接端和第二連接端，所述的固定電壓提供電路具有第三連接端和第四連接端， 所述的固定電壓提供電路的第三連接端接電源電壓，所述的固定電壓提供電路的第四連接 端與所述的第一三極體的發射極相連接，所述的第一三極體的集電極與所述的電流提供/ 限制電路的第一連接端相連接，所述的第一三極體的基極分別與所述的第一三極體的集電 極和所述的第二三極體的基極相連接，所述的第二三極體的發射極與外接電阻的第一端相 連接，所述的外接電阻的第二端接電源電壓，所述的第二三極體的集電極與所述的NMOS晶 體管的漏極相連接，所述的NMOS電晶體的柵極與所述的NMOS電晶體的漏極相連接，所述的 NMOS電晶體的源極與所述的電流提供/限制電路的第二連接端均接電源地。
7.根據權利要求6所述的一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於所述的固定電 壓提供電路包括一個齊納二極體，所述的齊納二極體的陰極接電源電壓，所述的齊納二極 管的陽極與所述的第一三極體的發射極相連接；或所述的固定電壓提供電路包括一個通過 帶隙基準調整得到的基準電壓，所述的基準電壓的正端接電源電壓，所述的基準電壓的負 端與所述的第一三極體的發射極相連接。
8.根據權利要求6或7所述的一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於所述的電 流提供/限制電路包括一個電阻，所述的電阻的第一端與所述的第一三極體的集電極相連 接，所述的電阻的第二端接電源地；或所述的電流提供/限制電路包括一個通過鏡像方式 從其他電流源裝置得到的微小電流，所述的微小電流流向電源地。
9.根據權利要求8所述的一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於所述的第一三 極管和所述的第二三極體均為PNP型的三極體。
10.根據權利要求9所述的一種可調電流大小的電流源裝置，其特徵在於所述的第 一三極體和所述的第二三極體構成對管結構，所述的第一三極體和所述的第二三極體均工 作在線性區時，所述的NMOS電晶體工作在飽和區。
全文摘要
本發明公開了一種可調電流大小的電流源裝置，其主要由電流提供/限制電路、固定電壓提供電路、MOS電晶體、兩個三極體及外接電阻組成，其無需使用現有的電流源裝置中的運算放大器對穩定的固定電壓進行跟隨，即可通過調節外接電阻的電阻值的大小實現對流過MOS電晶體的偏置電流的大小，且由於無需使用運算放大器，大大減少了電流源裝置的器件，同時有效降低了功耗，且設計簡單，工作可靠性高。
文檔編號G05F1/56GK101825910SQ20101016585
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月6日 優先權日2010年5月6日
發明者孫騰達 申請人:日銀Imp微電子有限公司