[发明专利]PTAT电流源

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及一种PTAT电流源。

背景技术

PTAT(proportional to absolute temperature，与绝对温度成正比)电流源指的是输出电流大小与绝对温度(热力学温度)成正比例关系的电流源，即输出电流大小I(单位为安培)和其所在环境温度T(单位为开尔文)的关系满足I＝AT(A为固定常量)。PTAT电流源由于其独特的温度特性，经常以子电路的形式被用于集成电路设计领域。例如：作为温度传感器的核心单元：由于其输出电流与绝对温度成正比，因此可以通过某种机制，测量PTAT电流源输出电流大小，从而反映当前的环境温度；另外，作为运算放大器、比较器等集成电路模块提供偏置电流：通常情况下来讲，运算放大器、比较器等集成电路模块的某些性能(如开环增益，压摆率等)会随着温度的升高而降低，因此在温度较高时需要更大的偏置电流来补偿随温度升高而降低的电路性能，而PTAT电流源恰好满足该特性。

现有技术的PTAT电流源的结构如图1所示。其中，场效应管M1、M2、M3均为P型MOS管，三个场效应管M1、M2、M3的栅极连在一起，具有共同的栅源电压，因此可以近似认为三个场效应管M1、M2、M3具有相等的漏极输出电流，记为I1。运算放大器OP1使得场效应管M1、M2的漏极节点电压Vx1,Vx2相等(Vx1＝Vx2)，从而消除由于沟道长度调制效应引入的场效应管M1和M2的漏极输出电流的失配。Q1为单个PNP型BJT管，Q2为BJT管组，即为n个与Q1相同的BJT管并联后形成的组合BJT管，流入Q1和Q2发射极的电流均为I1,流入Q2中的单个BJT管的发射极电流为I1/n。其中，各个BJT管的发射极电位大小Ve与其发射极流入电流Ie近似满足以下关系：

上式中，Is表示BJT管的饱和电流，k为玻尔兹曼常量，T为绝对温度，q为单电子所带电荷量。

从图1的电路连接关系可以得出节点电压Vx1,Vx3满足以下关系:

Vx1-Vx3表示电阻R1两端电压，因此I1满足：

由于该电路输出电流大小等于I1,并且从上式可以看出I1满足与绝对温度成正比例关系的特征(比例系数为k*ln(n)/(q*R1))，因此该电路实现了输出PTAT电流的功能。

但是，现有技术的PTAT电流源采用了BJT器件，使得其在工艺厂流片时不能兼容标准的CMOS工艺，只能使用BiCMOS工艺生产。在电路总器件个数相同的情况下，BiCMOS工艺的成本较标准CMOS工艺更高。由于现有技术PTAT电流源中BJT管的存在，使得其制造成本较高。另外，为了得到一定大小的PTAT电流输出(例如大小为I1的电流,如图1所示),现有技术的PTAT电流源需要同时在图1中场效应管M1和M2的漏极处分别产生大小为I1的电流，加上输出电流，该电路总共的静态电流为3*I1(忽略运算放大器的静态电流)。电路电流输出的效率为I1/(3*I1)＝33.3％，使得有66.7％的静态电流被浪费掉了，从而增加了电路的功耗。

因此有必要提供一种可以增加电路电流输出的效率，在输出相同大小电流的情况下，电路消耗更低功耗的PTAT电流源来服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种PTAT电流源，本发明的PTAT电流源只需要MOS器件，且能兼容标准CMOS工艺，并且具有更高的电流输出效率，进一步降低了功耗和制造成本。

为实现上述目的，本发明提供一种PTAT电流源，其包括电压产生单元、运算放大器、电阻及电流镜像单元，一外部电压输入至所述电压产生单元，所述电压产生单元产生一正比于绝对温度的电压并输入至所述运算放大器的反相输入端，所述运算放大器的正相输入端与所述电阻的一端连接，所述电阻的另一端接地，所述电流镜像单元分别与所述运算放大器的输出端及电阻的一端连接，以镜像流过所述电阻的电流，并输出PTAT电流。

较佳地，所述电压产生单元包括第一场效应管与第二场效应管，外部电压输入所述第一场效应管的漏极，第二场效应管的源极接地，所述第一场效应管的栅极、源极及第二场效应管的栅极、漏极共同连接并与所述运算放大器的反相输入端连接，以将生成的正比于绝对温度的电压输入至所述运算放大器的反相输入端。

较佳地，所述第一场效应管与第二场效应管为具有相同结构特征的N型场效应管。