CN102411393B - 基准电流源电路及系统 - Google Patents
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Abstract
一种基准电流源电路，包括一基准电压产生模块、一电压缓冲器、一等效电阻、一滤波电容、一电流镜模块及一基准电流输出端，所述电压缓冲器包括一运算放大器及一第一场效应管，所述电流镜模块包括一第二场效应管及一第三场效应管，所述等效电阻包括一振荡器、一第四场效应管、一第五场效应管及一与所述第四场效应管及所述第五场效应管相连的电容，所述振荡器产生一频率与所述振荡器内一充放电电容相关的时钟信号控制所述等效电阻内电容的充放电，所述基准电流输出端输出一与所述电容及所述充放电电容的比值相关的基准电流。本发明进一步提供一种基准电流源系统。本发明结构简单且降低了芯片的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基准电流源电路及系统，尤指一种无需外挂电阻的基准电流源电路及系统。
背景技术
请参阅图1，图1为现有的基准电流源电路结构，现有的基准电流源电路都是通过电阻R31来产生的，其基准电流值等于参考电压端的参考电压值Vref除以电阻R31的阻值，因此基准电流值和电阻的绝对值相关。由于在半导体工艺中，电阻的绝对值会有正负10%的偏差，因此当需要高精度的基准电流源时，电阻要么外挂，要么通过后端测试的校准机制来修正电阻值，然而这两种方法都增加了芯片的成本。
由以上分析可知，现有的基准电流端电路通常需要外挂电阻来产生高精度的基准电流源，从而增加了芯片的成本。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种无需外挂电阻的基准电流源电路及系统。
一种基准电流源电路，所述基准电流源电路包括一基准电压产生模块、一与所述基准电压产生模块相连的电压缓冲器、一与所述电压缓冲器相连的等效电阻、一与所述电压缓冲器相连的滤波电容、一与所述电压缓冲器相连的电流镜模块及一与所述电流镜模块相连的基准电流输出端，所述电压缓冲器包括一运算放大器及一与所述运算放大器相连的第一场效应管，所述电流镜模块包括一第二场效应管及一与所述第二场效应管相连的第三场效应管，所述等效电阻包括一振荡器、一与所述振荡器相连的第四场效应管、一与所述振荡器相连的第五场效应管及一与所述第四场效应管及所述第五场效应管相连的电容，所述振荡器产生一频率与所述振荡器内一充放电电容相关的时钟信号控制所述等效电阻内电容的充放电，所述基准电流输出端输出一与所述电容及所述充放电电容的比值相关的基准电流。
一种基准电流源系统，所述基准电流源系统包括一用于产生一基准电压的基准电压产生模块、一与所述基准电压产生模块相连的电压缓冲器、一与所述电压缓冲器相连的等效电阻、一与所述电压缓冲器相连的滤波电容、一与所述电压缓冲器相连的电流镜模块及一与所述电流镜模块相连的基准电流输出端，所述基准电流输出端输出一仅与电容的比值相关的基准电流。
相对现有技术，本发明基准电流源电路及系统输出的基准电流只和电容比值有关，无须外挂电阻来产生基准电流，结构简单，且降低了芯片的成本。
附图说明
图1为现有的基准电流源电路的电路图。
图2为本发明基准电流源系统较佳实施方式的系统框图。
图3为本发明基准电流源电路较佳实施方式的电路图。
图4为本发明基准电流源电路较佳实施方式中振荡器的电路图。
具体实施方式
请参阅图2及图3，本发明基准电流源电路及系统较佳实施方式包括一基准电压产生模块VREF、一与该基准电压产生模块VREF相连的电压缓冲器、一与该电压缓冲器相连的等效电阻、一与该电压缓冲器相连的滤波电容C1、一与该电压缓冲器相连的电流镜模块及一与该电流镜模块相连的基准电流输出端Iout。其中，该电压缓冲器包括一运算放大器OP及一与该运算放大器OP相连的第一场效应管M1；该电流镜模块包括一第二场效应管M2及一与该第二场效应管M2相连的第三场效应管M3；该等效电阻包括一振荡器OSC、一与该振荡器OSC相连的第四场效应管M4、一与该振荡器OSC相连的第五场效应管M5及一与该第四场效应管及该第五场效应管M5相连的电容C2。
该基准电压产生模块VREF用于产生一基准电压Vref。该电压缓冲器用于使得该第一场效应管M1的源级电压等于该基准电压Vref。该滤波电容C1用于消除基准电流中的高频分量。该振荡器OSC用于产生一时钟信号Fosc来控制该电容C2的充放电。该电流镜模块用于将基准电流通过该基准电流输出端Iout输出。
本发明基准电流源电路较佳实施方式的具体电路连接关系如下：该基准电压产生模块VREF与该运算放大器OP的一正相输入端OP相连，该运算放大器OP的一反相输入端与该第一场效应管M1的源级、该第四场效应管M4的源级及该滤波电容C1的一端共同连接，该运算放大器OP的一输出端与该第一场效应管M1的栅极相连。该第一场效应管M1的漏极与该第二场效应管M2的栅极、漏极及该第三场效应管M3的栅极相连，该第三场效应管M3的漏极与该基准电流输出端Iout相连，该第二场效应管M2的源级与该第三场效应管M3的源级共同连接一电源端AVD。该第四场效应管M4的栅极与该第五场效应管M5的栅极共同连接该振荡器OSC，该第四场效应管M4的漏极与该第五场效应管M5的漏极及该电容C2的一端相连，该第五场效应管M5的源级、该电容C2的另一端及该滤波电容C1的另一端共同连接一接地端AVS。
请参阅图4，图4为本发明基准电流源电路较佳实施方式中振荡器OSC的电路图。该振荡器OSC包括一第六场效应管M6、一第七场效应管M7、一第八场效应管M8、一第九场效应管M9、一第十场效应管M10、一第十一场效应管M11、一第十二场效应管M12、一第十三场效应管M13、一第十四场效应管M14、一第十五场效应管M15、一第十六场效应管M16、一第十七场效应管M17、一第十八场效应管M18、一第十九场效应管M19、一第二十场效应管M20、一第二十一场效应管M21、一第一电阻R1、一第二电阻R2、一第三电阻R3、一振荡器OSC内部的充放电电容C3、一第一比较器COM1、一第二比较器COM2及一RS触发器。
该振荡器OSC的具体电路连接关系如下：该第六场效应管M6的栅极和漏极、该第七场效应管M7的栅极、该第八场效应管M8的栅极与该第十三场效应管M13的漏极相连。该第七场效应管M7的漏极与该第十四场效应管M14的栅极和漏极及该第十三场效应管M13的栅极相连。该第八场效应管M8的漏极与该第二电阻R2的一端及该第一比较器COM1的一正相输入端INP相连。该第九场效应管M9的栅极和漏极、该第十场效应管M10的栅极、该第十一场效应管M11的栅极、该第十二场效应管M12的栅极与该第十六场效应管M16的漏极相连。该第十场效应管M10的漏极、该第十七场效应管M17的栅极和漏极与该第十六场效应管M16的栅极相连。该第十一场效应管M11的漏极、该第二十场效应管M20的栅极和漏极与该第二十一场效应管M21的栅极相连。该第十二场效应管M12的漏极与该第十八场效应管M18的源级相连。该第十三场效应管M13的源级与该第一电阻R1的一端相连。该第十五场效应管M15的栅极和漏极、该第二电阻R2的另一端与该第二比较器COM2的一反相输入端INN相连。该第十六场效应管M16的源级与该第三电阻R3的一端相连。该第十八场效应管M18的栅极与该第十九场效应管M19的栅极共同连接该RS触发器的一第一输出端Q，该第十八场效应管M18的漏极、该第十九场效应管M19的漏极、该充放电电容C3的一端与该第一比较器COM1的一反相输入端INN及该第二比较器COM2的一正相输入端INP共同相连。该第十九场效应管M19的源级与该第二十一场效应管M21的漏极相连。该第一比较器COM1的一输出端与该RS触发器的一第一输入端S相连，该第二比较器COM2的一输出端与该RS触发器的一第二输入端R相连。该RS触发器的一第二输出端QN输出时钟信号Fosc至该第四场效应管M4与该第五场效应管M5的栅极。该第六场效应管M6的源级、该第七场效应管M7的源级、该第八场效应管M8的源级、该第九场效应管M9的源级、该第十场效应管M10的源级、该第十一场效应管M11的源级及该第十二场效应管M12的源级共同连接电源端AVD，该第一电阻R1的另一端、该第十四场效应管M14的源级、该第十五场效应管M15的源级、该第三电阻R3的另一端、该第十七场效应管M17的源级、该第二十场效应管M20的源级、该第二十一场效应管M21的源级及该充放电电容C3的另一端共同连接接地端AVS。
本发明基准电流源电路较佳实施方式的工作原理分析如下：
该第十三场效应管M13与该第十四场效应管M14工作于饱和区，且其宽长比的比值为K1。
该第六场效应管M6与该第七场效应管M7组成电流镜，根据电路工作状态，并忽略场效应管的衬偏效应，可以得到流过该第一电阻R1的电流为:
其中，
为负温度系数，
为栅氧电容，
为该第十三场效应管M13的宽长比。
所以该第三电阻R3两端的电压差为：
该第九场效应管M9与该第十场效应管M10组成电流镜，根据电路工作状态，并忽略场效应管的衬偏效应，可以得到给该充放电电容C3充放电的电流为：
因此该振荡器OSC输出的时钟信号Fosc的时钟频率为:
其中，为时钟周期的一半，温度系数
通过设计可以完全补偿，第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3为匹配电阻，因此由上式可以得出振荡器OSC输出的时钟信号Fosc的时钟频率只和充放电电容C3成反比，和电阻无关。
由以上分析可知，振荡器OSC产生一时钟信号Fosc来控制电容C2的充放电，该时钟信号Fosc的频率F只和充放电电容C3相关，即：
，其中K为常数。
当时钟信号Fosc为低电平时，运算放大器OP和第一场效应管M1组成的电压缓冲器通过第四场效应管M4对电容C2充电；当时钟信号Fosc为高电平，电容C2通过第五场效应管M5进行放电，因此等效电阻的阻值Ron由下式所示：
由以上分析可以得出，本发明基准电流源电路及系统通过振荡器产生一个频率只和电容相关的时钟信号来控制电容的充放电，从而得到一个只和电容比值相关的等效阻抗来产生基准电流。
本发明基准电流源电路及系统输出的基准电流只和电容比值有关，而电容的比值在半导体工艺中的精度远远高于电容或者电阻的绝对值的精度，因此本发明基准电流源电路及系统无须外挂电阻来产生基准电流，结构简单，且降低了芯片的成本。
Claims (8)
1.一种基准电流源电路，其特征在于：所述基准电流源电路包括一基准电压产生模块、一与所述基准电压产生模块相连的电压缓冲器、一与所述电压缓冲器相连的等效电阻、一与所述电压缓冲器相连的滤波电容、一与所述电压缓冲器相连的电流镜模块及一与所述电流镜模块相连的基准电流输出端，所述电压缓冲器包括一运算放大器及一与所述运算放大器相连的第一场效应管，所述电流镜模块包括一第二场效应管及一与所述第二场效应管相连的第三场效应管，所述等效电阻包括一振荡器、一与所述振荡器相连的第四场效应管、一与所述振荡器相连的第五场效应管及一与所述第四场效应管及所述第五场效应管相连的电容，所述振荡器产生一频率与所述振荡器内一充放电电容相关的时钟信号控制所述等效电阻内电容的充放电，所述基准电流输出端输出一与所述电容及所述充放电电容的比值相关的基准电流；所述振荡器还包括一第六场效应管、一与所述第六场效应管相连的第七场效应管、一与所述第六场效应管及所述第七场效应管相连的第八场效应管、一与所述第八场效应管相连的第九场效应管、一与所述第九场效应管相连的第十场效应管、一与所述第九场效应管及所述第十场效应管相连的第十一场效应管、一与所述第十一场效应管相连的第十二场效应管、一与所述第六场效应管相连的第十三场效应管、一与所述第十三场效应管相连的第十四场效应管、一第十五场效应管、一与所述第九场效应管相连的第十六场效应管、一与所述第十六场效应管相连的第十七场效应管、一与所述第十二场效应管相连的第十八场效应管、一与所述第十八场效应管相连的第十九场效应管、一与所述第十一场效应管相连的第二十场效应管、一与所述第二十场效应管相连的第二十一场效应管、一与所述第十三场效应管相连的第一电阻、一连接于所述第八场效应管及所述第十五场效应管之间的第二电阻、一与所述第十六场效应管相连的第三电阻、一与所述第二电阻相连的第一比较器、一与所述第一比较器相连的第二比较器及一与所述第一比较器及所述第二比较器相连的RS触发器。
2.如权利要求1所述的基准电流源电路，其特征在于：所述基准电压产生模块与所述运算放大器的一正相输入端相连，所述运算放大器的一反相输入端与所述第一场效应管的源级、所述第四场效应管的源级及所述滤波电容的一端相连，所述运算放大器的一输出端与所述第一场效应管的栅极相连。
3.如权利要求2所述的基准电流源电路，其特征在于：所述第一场效应管的漏极、所述第二场效应管的栅极和漏极与所述第三场效应管的栅极相连，所述第三场效应管的漏极与所述基准电流输出端相连，所述第二场效应管的源级与所述第三场效应管的源级共同连接一电源端。
4.如权利要求3所述的基准电流源电路，其特征在于：所述第四场效应管的栅极与所述第五场效应管的栅极共同连接所述振荡器，所述第四场效应管的漏极与所述第五场效应管的漏极及所述电容的一端相连，所述第五场效应管的源级、所述电容的另一端及所述滤波电容的另一端共同连接一接地端。
5.一种基准电流源系统，其特征在于：所述基准电流源系统包括一用于产生一基准电压的基准电压产生模块、一与所述基准电压产生模块相连的电压缓冲器、一与所述电压缓冲器相连的等效电阻、一与所述电压缓冲器相连的滤波电容、一与所述电压缓冲器相连的电流镜模块及一与所述电流镜模块相连的基准电流输出端，所述基准电流输出端输出一仅与电容的比值相关的基准电流，所述等效电阻包括一振荡器、一与所述振荡器相连的第四场效应管、一与所述振荡器相连的第五场效应管及一与所述第四场效应管及所述第五场效应管相连的电容，所述振荡器包括一充放电电容、一第六场效应管、一与所述第六场效应管相连的第七场效应管、一与所述第六场效应管及所述第七场效应管相连的第八场效应管、一与所述第八场效应管相连的第九场效应管、一与所述第九场效应管相连的第十场效应管、一与所述第九场效应管及所述第十场效应管相连的第十一场效应管、一与所述第十一场效应管相连的第十二场效应管、一与所述第六场效应管相连的第十三场效应管、一与所述第十三场效应管相连的第十四场效应管、一第十五场效应管、一与所述第九场效应管相连的第十六场效应管、一与所述第十六场效应管相连的第十七场效应管、一与所述第十二场效应管相连的第十八场效应管、一与所述第十八场效应管相连的第十九场效应管、一与所述第十一场效应管相连的第二十场效应管、一与所述第二十场效应管相连的第二十一场效应管、一与所述第十三场效应管相连的第一电阻、一连接于所述第八场效应管及所述第十五场效应管之间的第二电阻、一与所述第十六场效应管相连的第三电阻、一与所述第二电阻相连的第一比较器、一与所述第一比较器相连的第二比较器及一与所述第一比较器及所述第二比较器相连的RS触发器。
6.如权利要求5所述的基准电流源系统，其特征在于：所述电压缓冲器包括一运算放大器及一与所述运算放大器相连的第一场效应管，所述电流镜模块包括一第二场效应管及一与所述第二场效应管相连的第三场效应管，所述等效电阻包括一振荡器、一与所述振荡器相连的第四场效应管、一与所述振荡器相连的第五场效应管及一与所述第四场效应管及所述第五场效应管相连的电容，所述振荡器包括一充放电电容，所述振荡器产生一频率与所述充放电电容相关的时钟信号控制所述等效电阻内电容的充放电，所述基准电流输出端输出的基准电流仅与所述电容及所述充放电电容的比值相关。
7.如权利要求6所述的基准电流源系统，其特征在于：所述基准电压产生模块与所述运算放大器的一正相输入端相连，所述运算放大器的一反相输入端与所述第一场效应管的源级、所述第四场效应管的源级及所述滤波电容的一端相连，所述运算放大器的一输出端与所述第一场效应管的栅极相连，所述第一场效应管的漏极、所述第二场效应管的栅极和漏极与所述第三场效应管的栅极相连，所述第三场效应管的漏极与所述基准电流输出端相连，所述第二场效应管的源级与所述第三场效应管的源级共同连接一电源端。
8.如权利要求7所述的基准电流源系统，其特征在于：所述第四场效应管的栅极与所述第五场效应管的栅极共同连接所述振荡器，所述第四场效应管的漏极与所述第五场效应管的漏极及所述电容的一端相连，所述第五场效应管的源级、所述电容的另一端及所述滤波电容的另一端共同连接一接地端。
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