專利名稱：電流源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的說來涉及電流源，更具體地說，涉及適宜產(chǎn)生不受溫度和外部電壓源變化的影響的電流的電流源。
如本技術領域所周知的那樣，在許多應用場合需要使用電流源。美國紐約John Wiley & Sons公司1993年出版、Paul R.Gray和RobertG.Meyer編寫的《模擬集成電路分析與設計》一書(第三版)第4章介紹了各種類型的電流源。如該書中所述的那樣，這些電流源既用作偏置元件，也用作放大級的負荷器件。此外，在本技領域中，大家都知道，經(jīng)常需要配備適宜產(chǎn)生不受溫度和外部電壓源變化影響的電流的電流源。
本發(fā)明的一個目的是提供一種產(chǎn)生輸出電流的方法。這種方法是將兩種溫度系數(shù)相反的電流加起來產(chǎn)生這種輸出電流。兩種電流中的第一種電流I1是溫度補償帶隙基準電路產(chǎn)生的電流按比例模擬的電流。兩電流中的第二種電流I2是從帶隙電路產(chǎn)生的穩(wěn)溫電壓除以正溫度電阻值得出的。疊加電流I1+I2形成輸出電流。
按本發(fā)明的另一目的是提供一種電流源。這種電流源包括第一電路、第二電路和第三電路。第一電路供產(chǎn)生(i)正溫度系數(shù)的基準電流；和(ii)在輸出節(jié)點在預定范圍內基本不受供電電壓和溫度變化影響的輸出電壓。電流源包括第二電路，第二電路接所述輸出節(jié)點，供產(chǎn)生從基準電流獲得的第一電流，第一電流的溫度系數(shù)為正。還配置了第三電路，第三電路接所述輸出節(jié)點，供產(chǎn)生從輸出電壓獲得的第二電流，第二電流的電流溫度系數(shù)為負。第一電流和第二電流在所述輸出節(jié)點相加，在所述輸出節(jié)點產(chǎn)生與第一和第二電流的總和有關的輸出電流，這種輸出電流在預定的范圍內基本上不受溫度和供電電壓變化的影響。
按照本發(fā)明的另一個實施例，第二電路包括電流反射鏡。
按照本發(fā)明的另一個實施例，第三電路電阻器。
按照一個實施例，第一電路包括帶隙基準電路。
按照一個實施例，所述帶隙基準電路是個自偏壓帶隙基準電路。
按照一個實施例，所述自給偏壓帶隙基準電路包括CMOS(互補型金屬氧化物半導體)晶體管。
本發(fā)明提供的電流源，其帶隙基準電路適宜耦合到供電電壓。所述帶隙基準電路產(chǎn)生正溫度系數(shù)的帶隙基準電流，并在輸出電流求和節(jié)點產(chǎn)生在預定范圍內基本上不受供電電壓和溫度變化影響的輸出電壓。電流源配備有一個電流相加電路，此電路有一對電流通路，其中一個電流通路產(chǎn)生從帶隙基準電流獲得的第一電流。第一電流的溫度系數(shù)為正。另一個電流通路產(chǎn)生從輸出電壓獲得的第二電流。第二電流的電流溫度系數(shù)為負。第一和第二電流在求和節(jié)點相加，在求和節(jié)點產(chǎn)生在預定范圍內基本上不受溫度和供電電壓變化影響的電流。
按照本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)明提供的電流源有一個帶隙基準電路，供產(chǎn)生隨溫度而增加的溫度相關電流和溫穩(wěn)電壓，此外還配備有一個差動放大器。放大器的一對輸入端饋以所述溫穩(wěn)電壓，放大器的輸出端連接一個MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)的柵極。MOSFET的源極或漏極以負反饋的方式連接放大器的其中一個輸入端，漏極或源極耦合到一個電壓源。放大器的輸出端設有求和節(jié)點，一個電阻器與求和節(jié)點連接，電阻器的作用是傳送所述求和節(jié)點的第一電流。求和節(jié)點的第二電流由一個電流反射鏡傳送，隨溫度變化的電流即饋給此電流反射鏡。MOSFET讓與第一與第二電流的總和有關的第三電流流過其源極和漏極，這種第三電流不受溫度的影響。
結合附圖閱讀下面的詳細說明可以更清楚地了解本發(fā)明及其其它特點。附圖中


圖1是本發(fā)明電流源的原理圖；圖2是圖1電路中產(chǎn)生的電流隨溫度T而變化的示意圖；圖3是圖1電路SPICE(集成電路專用模擬程序)模擬效果的曲線圖。
現(xiàn)在參閱圖1，圖中示出了不受溫度和電壓源影響的電流源10。電流源10有一個帶隙基準電路12，供產(chǎn)生隨溫度T的上升而增加的溫度相關電流IBGR，并根據(jù)溫度相關電流IBGR在電路12的輸出端11產(chǎn)生溫穩(wěn)電壓VBGR。電流源10還有一個差動放大器14，放大器14的一個輸入端(這里為倒相輸入端(一))饋以溫穩(wěn)電壓VBGR。P溝道MOSFET T1的柵極接放大器14的輸出端。MOSFET T1的源極或漏極(這里為漏極)以負反饋的方式接另一個輸入端(這里為放大器14的同相輸入端(+))。MOSFET T1漏極或源極(這里為源極)通過電流反射鏡20耦合到電壓源18。求和節(jié)點22接MOSFET T1的漏極。電阻器R接求和節(jié)點22，供傳送求和節(jié)點22的電流IR，其電阻R(T)隨溫度T而增大。更具體地說，電阻器R連接在求和節(jié)點22與基準電位(這里為地)之間，如圖中所示。
電流反射鏡部分26根據(jù)帶隙基準電路12中產(chǎn)生的隨溫度變化的電流IBGR傳送求和節(jié)點22的第二電流nIBGR，其中n為比例因子，其選擇方式稍后即將說明。但這里可以這樣說，求和節(jié)點22處的電壓V’BGR由放大器14和MOSFETT1形成的反饋線路使其基本上不隨溫度和電源18的變化而變化。就是說，求和節(jié)點22的電壓V’BGR傳送到饋給放大器14倒相輸入端(-)的基準電壓VBGR(即帶隙基準電路12產(chǎn)生的隙基準電壓)。稍后即將談到，如上面所述的那樣，電流IBGR隨溫度T而增加。因此，電流nIBGR也隨溫度T而增加，如圖2中所示。另一方面，由于電阻器R的電阻R(T)隨溫度而增加，而電壓V’BGR基本上不隨溫度T變化，因而從求和節(jié)點22通過電阻器R接地的電流IR隨溫度T而減小，如圖2中所示。電阻器R的電阻值和n值選擇得使電流nIBGR和IR的總和基本上不隨溫度T而變化，如圖2中所示。
換句話說，電流源10工作時產(chǎn)生基本上不隨溫度T的變化和電源18的變化而變化、流入求和節(jié)點22的輸出電流IREF＝nIBGR+IR。電路10通過將兩個溫度系數(shù)相反的電流相加產(chǎn)生這種不隨溫度/電源變化而變化的電流IREF，從而產(chǎn)生這個輸出電流。兩電流中的第一電流nIBGR為溫度補償帶隙基準電路12中產(chǎn)生的電流IBGR按比例的模擬電流，兩電流中的第二電流IR是將帶隙電路12產(chǎn)生的溫穩(wěn)電壓VBGR除以正溫度系數(shù)電阻值(即電阻器R的電阻)得出的，如此相加的電流nIBGR+IR即為輸出電流IREF。
電流反射鏡20(圖1)用來產(chǎn)生電流IOUT＝[M/N]IREF，其中M/N為電流反射鏡20中使用的P溝道晶體管T2和T3規(guī)定的比例因子。
更具體地說，帶隙基準電路10包括P溝道MOSFET T4，T5和T6、n溝道MOSFET T7和T8、二極管A0和A1，如圖中所示那樣配置。帶隙基準電路12接電壓值大于二極管D1兩端正向電壓降、晶體管T5的閾電壓和晶體管T8的閾電壓三者的電壓總和的+電壓源18。帶隙基準電路12還包括電阻器R1和二極管D1，如圖中所示那樣配置。二極管D1，A0和A1在熱性能上彼此相當。在穩(wěn)定狀態(tài)下，流過二極管A1的電流(即帶隙基準電流IBGR)按函數(shù)VT＝kT/q而增加，其中k為波耳茲曼常數(shù)，T為溫度，q為電子的電荷。硅的k/q約為0.086毫伏/℃。此電流IBGR由晶體管T5，T6，T7和T8的電路反映出來，從而使電流IBGR通過二極管A1和二極管D1，但帶隙基準電路12輸出端11的電壓(即電壓VBGR)由于盡管流過電阻器R1、反映電流IBGR的電流也會隨溫度而增加，但二極管D1兩端的電壓會按-2毫伏/℃隨溫度而降低，因而基本上不變。這樣，11處的輸出電壓(即電壓VBGR)可用VBGR＝VBE+αVT表示，其中α是常數(shù)。
現(xiàn)在以代數(shù)的方法舉例說明如何選取使總和電流IREF不受溫度影響的R值。這里假設，在理想情況下一次電阻器R2和R在有關溫度范圍內(即電路10的標定工作溫度范圍內)與溫度線性相關，于是
R2＝R2T0(aT+b)；且R＝RT0(aT+b)其中，R2T0和RT0為基準溫度T0下的電阻值；a為電阻器R2和R的電阻溫度系數(shù)；b為常數(shù)。
帶隙基準電路10中產(chǎn)生的電流IBGR(流過電阻器R1的電流也同樣)是從所周知的，可用下式表示IBGR=1R2(T)kTqln(A1A0)]]>其中，A1/A0為二極管的面積比(一般為10)，kT/q為溫度電位(即k為波耳茲曼常數(shù)，T為溫度，q為電子的電荷)。
流過電阻器R的電流為IR=VBGRR(T)]]>通過設計選擇使VBGR不受溫度的影響?？偤碗娏鱅REF是IBGR乘上電流反射鏡部分26提供的增益系數(shù)n加上流過R的電流值得出的結果。這可用下面的代數(shù)式表示

將上式乘以(aT+b)并重新整理各項得出nkR2T0qln(A1A2)T+VBGRRT0=aIREFT+bIREF]]>為達到不受溫度的影響，T的系數(shù)常數(shù)必須相等。因此，nkR2T0qln(A1A0)=aIREF]]>
而為使等式成立VBGRRT0=bIREF]]>通過消掉IREF并求出RT0將上述后兩式結合起來得出RT0=abVBGRnkqln(A1A0)R2T0]]>上述最后一式中RT0的全部值是已知的。電阻溫度特性用常數(shù)a和b限定。從帶隙基準電路的設計確定A0，A1，R2T0和VBGR。因子n由設計員選取。N的值一般取n＝1。常數(shù)k和q是已知的物理常數(shù)，如上所述。
通過上述分析，有一點很重要必須指出，溫度補償不是電阻器R的值的函數(shù)。只有電流IBGR的絕對值與電阻器R的阻值有關。電路在同一片半導體芯片上形成時，在制造工藝變化的情況下，電阻比R2/R應不變。這是本發(fā)明顯著的優(yōu)點。
舉個設計實例。
二極管面積比A1/A0＝10；在T0為攝氏83度時，R2＝71千歐或0.071兆歐；k/q＝86.17×10-6伏/開氏度數(shù)VBGR＝1.2伏T0＝攝氏83度＝開氏356度(k)＝基準溫度；a＝0.00131/kb＝0.537；n＝1；R在攝氏83度下等于1040千歐或1.04兆歐。
用此R值并將其代入上式求IREF，得出下面IREF與溫度的關系式

用此設計實例相同的數(shù)值進行SPICI模擬演算證實了上述計算是對的。此模擬演算的結果如圖3中所示。圖中示出了在-10℃至+90℃的溫度范圍內溫度斜率相反的兩電流IBGR和Ip及其不受溫度影響的電流總和IREF。
其它實施例都在所附權利要求書的精神實質和范圍內。
權利要求
1.一種產(chǎn)生不受溫度影響的電流的方法，其特征在于，包括將兩個溫度系數(shù)相反的電流相加的步驟。
2.一種產(chǎn)生不受溫度影響的電流的方法，其特征在于，包括將溫度補償帶隙基準產(chǎn)生的電流與通過溫度相關電阻器的電流相加的步驟。
3.一種產(chǎn)生輸出電流的方法，包括下列步驟將兩溫度系數(shù)相反的電流相加，產(chǎn)生輸出電流，兩電流中的第一電流I1為溫度補償帶隙基準電路中產(chǎn)生電流的按比例模擬的電流，兩電流中的第二電流I2是帶隙電路產(chǎn)生的溫穩(wěn)電壓除以正溫度系數(shù)電阻值獲得的，如此相加得出的電流I1+I2即為輸出電流。
4.一種電流源，包括第一電路、第二電路和第三電路，第一電路供產(chǎn)生(i)正溫度系數(shù)的基準電流；和(ii)輸出端在預定范圍內基本上不受電源電壓和溫度變化影響的輸出電壓；第二電路供產(chǎn)生從基準電流獲得的第一電流，第一電流的溫度系數(shù)為正；第三電路接輸出節(jié)點，供產(chǎn)生從輸出電壓得出的第二電流，第二電流的電流系數(shù)為負；其中，第一電流和第二電流在輸出節(jié)點相加，在輸出節(jié)點產(chǎn)生與第一和第二電流的總和有關的輸出電流，這個輸出電流在預定范圍內基本上不受溫度變化的影響。
5.如權利要求4所述的電流源，其特征在于，第二電路包括一個電流反射鏡。
6.如權利要求4所述的電流源，其特征在于，第三電路包括一個電阻器。
7.如權利要求6所述的電流源，其特征在于，第二電路包括一個電流反射鏡。
8.如權利要求4所述的電流源，其特征在于，第一電路包括一個帶隙基準電路。
9.如權利要求8所述的電流源，其特征在于，所述帶隙基準為自偏壓帶隙基準電路。
10.如權利要求9所述的電流源，其特征在于，所述自偏壓帶隙基準電路包括多個CMOS晶體管。
11.如權利要求9所述的電流源，其特征在于，所述第二電路包括一個電流反射鏡。
12.如權利要求10所述的電流源，其特征在于，第三電路包括一個電阻器。
13.如權利要求12所述的電流源，其特征在于，第二電路包括一個電流反射鏡。
14.一種電流源，包括一個帶隙基準電路，適宜耦合到電源電壓；產(chǎn)生正溫度系數(shù)的帶隙基準電流，并在輸出電流求和節(jié)點產(chǎn)生在預定范圍內基本上不受電源電壓和溫度變化的影響的輸出電壓；一個電流相加電路，包括一對電流通路，其中一個電流通路產(chǎn)生從帶隙基準電流獲得的第一電流，第一電流的溫度系數(shù)為正，另一個電流通路產(chǎn)生從輸出電壓獲得的第二電流，第二電流的溫度系數(shù)為負；其中，第一和第二電流在求和節(jié)點相加，在求和節(jié)點產(chǎn)生在預定范圍內基本上不受溫度變化影響的電流。
15.如權利要求14所述的電流源，其特征在于，所述電流相加電路包括一個電流反射鏡，根據(jù)帶隙基準電流產(chǎn)生第一電流。
16.如權利要求15所述的電流源，其特征在于，所述電流相加電路包括一個連接求和節(jié)點的電阻器。
17.一種電流源，包括一個帶隙基準電路，供產(chǎn)生隨溫度的上升而增大的溫度相關電流和溫穩(wěn)電壓；一個差動放大器，其一對輸入端其中之一饋以溫穩(wěn)電壓；一個晶體管，其柵極連接放大器的輸出端，其源極或漏極以負反饋的方式連接放大器的其中一個輸入端，其漏極或源極耦合到一個電壓源；一個求和節(jié)點，連接放大器的輸出端；一個電阻器，接求和節(jié)點，供傳送求和節(jié)點的第一電流；一個電流反射鏡，饋以隨溫度變化的電流，供傳送求和節(jié)點的第二電流；這個晶體管讓與第一和第二電流的總和有關的第三電流流過其源極和漏極。
18.一種電流源，包括一個帶隙基準電路，供產(chǎn)生基本上不隨溫度變化的帶隙基準電壓和具有正溫度系數(shù)的電流，包括由一個二極管和一個第一電阻器組成的串聯(lián)電路，所述正溫度系數(shù)電流流過所述串聯(lián)電路；一個差動放大器，其一對輸入端饋以帶隙基準電壓；一個晶體管，其柵極接放大器的輸出端，其源極或漏極以負反饋的方式連接放大器一對輸入端的另一個輸入端，其漏極或源極耦合到一個電壓源；一個求和節(jié)點，連接放大器的輸出端；第二電阻器，連接求和節(jié)點，供傳送求和節(jié)點的第一電流；一個電流反射鏡，饋以隨溫度變化的電流，供傳送求和節(jié)點的第二電流；此晶體管讓與第一和第二電流的總和有關的第三電流流過其源極和漏極。
全文摘要
一種產(chǎn)生輸出電流的方法和電路,將兩熱溫度系數(shù)相反的電流相加產(chǎn)生輸出電流。兩電流的第一電流I
文檔編號G05F3/26GK1271116SQ0010401
公開日2000年10月25日 申請日期2000年3月9日 優(yōu)先權日1999年3月9日
發(fā)明者R·J·霍頓, E·J·斯塔爾 申請人:因芬尼昂技術北美公司, 國際商業(yè)機器公司