一种应用于多种电压的偏置电路结构的制作方法

1.本发明属于电子电路技术领域，尤其涉及一种应用于多种电压的偏置电路结构。


背景技术：

2.任何一个电路系统都需要工作在一个稳定的工作点上，本发明称之为静态工作点。电路系统中都需要一个这样的模块来提供偏置电流或者偏置电压。例如共源共栅结构里面的共源共栅管需要电压偏置来确保工作在放大区，而运放和比较器又需要ptat的尾电流来偏置静态工作点，同时基准电压源在启动时为了避免零状态，还需要偏置电路包含启动电路。在芯片电路设计中，基准源关系到集成电路设计的成败，外部供电系统提供的电源电压常常取自于适配器，不仅含有噪声，还很难为芯片提供特殊需要的基准，所以基准源只能由芯片内部电路产生。
3.基准源主要为电流源和电压源。在集成电路中，最常用的电压基准是带隙基准bandgap，bandgap可以提供一个1.25v左右的高精度电压。现在对bandgap的研究有很多且技术成熟，经过技术补偿后，在电源电压范围较宽时，
‑
45℃～125℃的温度范围内的温度系数可以做到3ppm/℃。由此说明bandgap可以做到对电源和电压均不敏感。电流基准也是集成电路设计中最常用到的模块之一，对于电流基准，也多是由bandgap电压基准除以精确阻值的电阻得到，然后通过电流镜镜像到各个模块中去，这样得到的电流会引入温度系数，导致该基准对温度敏感。常用的有与电源无关和与电源相关的两种偏置电路，与电源有关的偏置在电路中引入了电阻，由于电阻具有一阶温度系数，二阶温度系数甚至更高阶的温度系数，所以致使电路输出的偏置电压受温度影响较大，其温度曲线在电路设计中可能不符合要求。与电源无关的偏置电路中，可以适应较宽的电源电压输入范围。但是，该电路结构也是具有温度系数的，并不能做到零温系数。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种应用于多种电压的偏置电路结构，实现了偏置电流与电压具有一定的相关性，且随着温度变化，其变化较小，对温度不敏感。
5.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
6.本方案提供一种应用于多种电压的偏置电路结构，包括随电源电压变化的第一电流基准模块以及不随电源电压变化的第二电流基准模块；所述第一电流基准模块的输出端为具有负温系数的电流基准ntc，所述第二电流基准模块的输出端为具有正温系数的电流基准ptc；所述第一电流基准模块的输出端与所述第二电流基准模块的输出端为并联结构，且所述并联后的第一电流基准模块的输出端与所述第二电流基准模块的输出端作为偏置电路结构的输出端。
7.进一步地，所述第一电流基准模块包括电阻r1、电容c1、pmos场效应管mp1和mp2以及nmos场效应管mn1和mn2；
8.所述电阻r1的一端连接电源，所述电阻r1的另一端与所述nmos场效应管mn1的漏极连接，所述nmos场效应管mn1的栅极分别与所述nmos场效应管mn1的漏极以及nmos场效应管mn2的栅极连接，所述nmos场效应管mn1的源极接地，所述nmos场效应管mn2的源极接地，所述nmos场效应管mn2的漏极与所述pmos场效应管mp1的漏极连接，所述pmos场效应管mp1的源极连接电源，所述pmos场效应管mp1栅极分别与电容c1的一端、所述pmos场效应管mp2的栅极以及nmos场效应管mn2的漏极连接，所述电容c1的另一端连接电源，所述pmos场效应管mp2的漏极为所述第一电流基准模块的输出端，并与所述第二电流基准模块的输出端并联，所述pmos场效应管mp2的源极连接电源。
9.再进一步地，所述第一电流基准模块的电阻电流表达式如下：
[0010][0011]
其中，i
ntc
表示第一电流基准模块的电阻电流，vcc表示电源电压，vgs
mn1
表示nmos场效应管mn1的栅源电压，r1表示电阻。
[0012]
再进一步地，所述第一电流基准模块的电阻电流温度系数的表达式如下：
[0013][0014][0015]
其中，表示第一电流基准模块电阻电流i
ntc
关于电流温度的求偏导系数，r与r1均表示电阻，t表示温度，vgs
mn1
表示nmos场效应管mn1的栅源电压，vcc表示电源电压，tcr表示温度系数，表示阻随温度的变化率。
[0016]
再进一步地，所述第二电流基准模块包括启动电路单元以及与所述启动电路单元连接的核心基准单元。
[0017]
再进一步地，所述启动电路单元包括电阻r2、pmos场效应管mp3以及nmos场效应管mn3和mn4；
[0018]
所述pmos场效应管mp3的源极连接电源，所述pmos场效应管mp3的栅极连接电阻r2的一端，所述电阻r2的另一端接地，所述pmos场效应管mp3的漏极分别与所述nmos场效应管mn4的栅极以及nmos场效应管mn3的漏极连接，所述nmos场效应管mn3的源极接地，所述nmos场效应管mn4的源极接地，所述nmos场效应管mn4的漏极以及nmos场效应管mn3的栅极均与所述核心基准单元连接。
[0019]
再进一步地，所述核心基准单元包括电容c2、电阻r3、pmos场效应管mp4
‑
mp9以及nmos场效应管mn5
‑
mn11；
[0020]
所述pmos场效应管mp4的源极连接电源，所述pmos场效应管mp4的栅极分别与所述nmos场效应管mn4漏极、pmos场效应管mp5的栅极、pmos场效应管mp6的栅极以及pmos场效应管mp7的栅极连接，所述pmos场效应管mp4的漏极分别与所述nmos场效应管mn5的漏极、nmos场效应管mn3的栅极、nmos场效应管mn5的栅极、nmos场效应管mn6的栅极以及nmos场效应管mn8的栅极连接，所述nmos场效应管mn5的源极接地，所述nmos场效应管mn6的源极与所述
nmos场效应管mn7的漏极连接，所述nmos场效应管mn8的源极与所述nmos场效应管mn9的漏极连接，所述pmos场效应管mp5的源极连接电源，所述pmos场效应管mp5的漏极分别与所述nmos场效应管mn6的漏极、nmos场效应管mn7的栅极以及nmos场效应管mn9的栅极连接，所述nmos场效应管mn7的源极接地，所述nmos场效应管mn9的源极与所述电阻r3的一端连接，所述电阻r3的另一端接地，所述pmos场效应管mp6的源极连接电源，所述pmos场效应管mp6的漏极与所述nmos场效应管mn8的漏极连接，所述nmos场效应管mn8的源极与所述nmos场效应管mn9的漏极连接，所述pmos场效应管mp7的源极连接电源，所述pmos场效应管mp7的漏极分别与nmos场效应管mn10的漏极、nmos场效应管mn10的栅极以及nmos场效应管mn11的栅极连接，所述nmos场效应管mn10的源极接地，所述nmos场效应管mn11的源极接地，所述nmos场效应管mn11的漏极与所述pmos场效应管mp8的漏极连接，所述pmos场效应管mp8的源极连接电源，所述pmos场效应管mp8的栅极分别与pmos场效应管mp9的栅极以及所述电容c2的一端连接，所述电容c2的另一端连接电源，所述pmos场效应管mp9的源极连接电源，所述pmos场效应管mp9的漏极为所述第二电流基准模块的输出端，并与pmos场效应管mp2的漏极并联。
[0021]
再进一步地，所述pmos场效应管mp5和pmos场效应管mp6为电流镜；所述nmos场效应管mn6、nmos场效应管mn7、nmos场效应管mn8以及nmos场效应管m9为共源共栅结构结构。
[0022]
再进一步地，所述第二电流基准模块的电流表达式如下：
[0023][0024]
其中，i
ptc
表示第二电流基准模块的电流，r3表示电阻，β
mn7
表示nmos场效应管mn7的增益因子，β
mn9
表示nmos场效应管mn9的增益因子。
[0025]
本发明的有益效果：
[0026]
(1)本发明提出一种应用于多种电压的偏置电路结构，采用一种新颖的电流基准组合结构，主要针对一些特殊电路要求，即宽电源电压且要求内部偏置电流与电源电压具有一定的相关性，且具有不错的温度系数。本发明在多种电源电压情况下，既能保证对电源的一定相关性，又能保证一定的温度特性，且实施方案简单。
[0027]
(2)第一电流基准模块产生的是一路随电源电压变化的电流，即对电源电压敏感且由于电阻的温度系数，这是一个负温系数的电流。第二电流基准模块产生一路不随电源电压变化的电流，即对电源电压不敏感，且是正温系数的电流，本发明将两路电流合成一路电流，得到了电源不敏感，温度不敏感的电流。
[0028]
(3)在应用中需要不同的电源电压敏感度，还可以调节mos管的乘数，倍数值multiplier来实现。
附图说明
[0029]
图1为本发明中第一电流基准模块的电路结构示意图。
[0030]
图2为本发明中第二电流基准模块的电路结构示意图。
[0031]
图3为本实施例中温度特征曲线示意图。
具体实施方式
[0032]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0033]
实施例
[0034]
偏置电路指的是一种在制造工艺、系统供电电压、外界温度变化时能够提供稳定精确电压偏置或电流偏置的电路，其广泛地应用于各种各样的电子电路中，包括模拟电路、数模混合电路以及纯数字电路等。本发明提出了一种应用于多种电压的偏置电路，采用一种新颖的组合结构，针对某些特殊电路，实现了偏置电流与电压具有一定的相关性，且随着温度变化，其变化较小，对温度不敏感。如图1
‑
图2所示，包括随电源电压变化的第一电流基准模块以及不随电源电压变化的第二电流基准模块；所述第一电流基准模块的输出端为具有负温系数的电流基准ntc，所述第二电流基准模块的输出端为具有正温系数的电流基准ptc；所述第一电流基准模块的输出端与所述第二电流基准模块的输出端为并联结构，且所述并联后的第一电流基准模块的输出端与所述第二电流基准模块的输出端作为偏置电路结构的输出端。
[0035]
如图1所示，第一电流基准模块包括电阻r1、电容c1、pmos场效应管mp1和mp2以及nmos场效应管mn1和mn2；电阻r1的一端连接电源，所述电阻r1的另一端与所述nmos场效应管mn1的漏极连接，所述nmos场效应管mn1的栅极分别与所述nmos场效应管mn1的漏极以及nmos场效应管mn2的栅极连接，所述nmos场效应管mn1的源极接地，所述nmos场效应管mn2的源极接地，所述nmos场效应管mn2的漏极与所述pmos场效应管mp1的漏极连接，所述pmos场效应管mp1的源极连接电源，所述pmos场效应管mp1栅极分别与电容c1的一端、所述pmos场效应管mp2的栅极以及nmos场效应管mn2的漏极连接，所述电容c1的另一端连接电源，所述pmos场效应管mp2的漏极为所述第一电流基准模块的输出端，并与所述第二电流基准模块的输出端并联，所述pmos场效应管mp2的源极连接电源。
[0036]
本实施例中，第一电流基准模块目的是产生一负温系数的电流，使用温度系数(tcr)描述电阻随温度的变化：
[0037][0038]
其中，表示电阻阻值对温度的变化率，r表示电阻。
[0039]
第一电流基准模块中电阻电流i:
[0040][0041]
其中，i
ntc
表示第一电流基准模块中电阻电流，vcc表示电源电压，vgs
mn1
表示nmos场效应管mn1的栅源电压，r1表示电阻。
[0042]
第一电流基准模块中电阻电流i关于温度求偏导数：
[0043][0044]
其中，表示第一电流基准模块电阻电流i
ntc
关于电流温度的求偏导系数，r与r1均表示电阻，t表示温度，vgs
mn1
表示nmos场效应管mn1的栅源电压，vcc表示电源电压，tcr表示温度系数，表示阻随温度的变化率计算得到电流的温度系数。
[0045]
计算得到电流的温度系数：
[0046][0047]
其中，表示第一电流基准模块电阻电流i
ntc
关于电流温度的求偏导系数，r与r1均表示电阻，t表示温度，vgs
mn1
表示nmos场效应管mn1的栅源电压，vcc表示电源电压，tcr表示温度系数，表示阻随温度的变化率。
[0048]
如图2所示，第二电流基准模块包括启动电路单元以及与所述启动电路单元连接的核心基准单元。
[0049]
如图2所示，启动电路单元包括电阻r2、pmos场效应管mp3以及nmos场效应管mn3和mn4；所述pmos场效应管mp3的源极连接电源，所述pmos场效应管mp3的栅极连接电阻r2的一端，所述电阻r2的另一端接地，所述pmos场效应管mp3的漏极分别与所述nmos场效应管mn4的栅极以及nmos场效应管mn3的漏极连接，所述nmos场效应管mn3的源极接地，所述nmos场效应管mn4的源极接地，所述nmos场效应管mn4的漏极以及nmos场效应管mn3的栅极均与所述核心基准单元连接。
[0050]
本实施例中，由于第二电流基准模块是一个自偏置结构，该结构存在一个简并状态，因此该电路无法自启动，所以需要加入一个启动电路。电源上电中，核心基准部分没有电流流过，nmos场效应管mn3的栅端电压为低，nmos场效应管mn3处于关闭状态，pmos场效应管mp3的栅端通过电阻接地，此时pmos场效应管mp3马上开启，nmos场效应管mn4的栅端电压为高，此时nmos场效应管mn4导通，nmos场效应管mn4开启后将pmos场效应管mp5和mp6的栅端电压拉低，此时pmos场效应管mp5和mp6导通，从电源抽取电流，核心基准部分正常启动。此时nmos场效应管mn3的栅端电压升高，超过nmos场效应管mn3的阈值电压，nmos场效应管mn4将开启，将nmos场效应管mn4的栅端电压拉低，启动电路停止工作。
[0051]
如图2所示，所述核心基准单元包括电容c2、电阻r3、pmos场效应管mp4
‑
mp9以及nmos场效应管mn5
‑
mn11；所述pmos场效应管mp4的源极连接电源，所述pmos场效应管mp4的栅极分别与所述nmos场效应管mn4漏极、pmos场效应管mp5的栅极、pmos场效应管mp6的栅极以及pmos场效应管mp7的栅极连接，所述pmos场效应管mp4的漏极分别与所述nmos场效应管mn5的漏极、nmos场效应管mn3的栅极、nmos场效应管mn5的栅极、nmos场效应管mn6的栅极以及nmos场效应管mn8的栅极连接，所述nmos场效应管mn5的源极接地，所述nmos场效应管mn6的源极与所述nmos场效应管mn7的漏极连接，所述nmos场效应管mn8的源极与所述nmos场效
应管mn9的漏极连接，所述pmos场效应管mp5的源极连接电源，所述pmos场效应管mp5的漏极分别与所述nmos场效应管mn6的漏极、nmos场效应管mn7的栅极以及nmos场效应管mn9的栅极连接，所述nmos场效应管mn7的源极接地，所述nmos场效应管mn9的源极与所述电阻r3的一端连接，所述电阻r3的另一端接地，所述pmos场效应管mp6的源极连接电源，所述pmos场效应管mp6的漏极与所述nmos场效应管mn8的漏极连接，所述nmos场效应管mn8的源极与所述nmos场效应管mn9的漏极连接，所述pmos场效应管mp7的源极连接电源，所述pmos场效应管mp7的漏极分别与nmos场效应管mn10的漏极、nmos场效应管mn10的栅极以及nmos场效应管mn11的栅极连接，所述nmos场效应管mn10的源极接地，所述nmos场效应管mn11的源极接地，所述nmos场效应管mn11的漏极与所述pmos场效应管mp8的漏极连接，所述pmos场效应管mp8的源极连接电源，所述pmos场效应管mp8的栅极分别与pmos场效应管mp9的栅极以及所述电容c2的一端连接，所述电容c2的另一端连接电源，所述pmos场效应管mp9的源极连接电源，所述pmos场效应管mp9的漏极为所述第二电流基准模块的输出端，并与pmos场效应管mp2的漏极并联。
[0052]
本实施例中，所述pmos场效应管mp5和pmos场效应管mp6为电流镜；采用上级电流镜像的方式，使nmos场效应管mn7和mn9流过相同的电流。
[0053]
本实施例中，所述nmos场效应管mn6、nmos场效应管mn7、nmos场效应管mn8以及nmos场效应管m9为共源共栅结构结构，可以抑制沟道长度调制效应，使流过nmos场效应管mn7和mn9的电流更加匹配。
[0054]
本实施例中，nmos场效应管mn7的栅源电压表达式如下：
[0055][0056]
其中，vgs
mn7
表示nmos场效应管mn7的栅源电压，vt表示nmos场效应管的阈值电压，β
mn7
表示nmos场效应管mn7的增益因子。
[0057]
所述nmos场效应管mn9的栅源电压的表达式如下：
[0058][0059]
其中，vgs
mn9
表示nmos场效应管mn7的栅源电压，β
mn9
表示nmos场效应管mn9的增益因子。
[0060]
所以可以解出第二电流基准模块的电流：
[0061][0062]
其中，i
ptc
表示第二电流基准模块的电流，r3表示电阻，β
mn7
表示nmos场效应管mn7的增益因子，β
mn9
表示nmos场效应管mn9的增益因子。
[0063]
本实施例中，第一电流基准模块产生的是一路随电源电压变化的电流，且是一个负温系数的电流。第二电流基准模块产生一路不随电源电压变化的电流，且是正温系数的电流。本发明将两路电流合成一路电流，就得到了电源不敏感，温度不敏感的电流。
[0064]
本实施例中，第一电流基准模块是一个简单的电流基准，利用mos管镜像电阻r1上的电流，mos管采用了相同的宽长比，该电路的电流增益可以改变mn1，mn2的multiplier值
来调整。
[0065]
本实施例中，通过改变电阻r1和r3的电阻阻值，产生与示例不同(如：温度25摄氏度且电源电压为5伏时，电流为14.475微安)电流大小，可以改变第一电流基准模块中的mn1，mn2的multiplier值来调整电流增益。
[0066]
本实施例中，对该电路进行仿真，如图3所示，温度范围设置在
‑
40℃～105℃，可以看出ptc的温度系数为9.86n a/℃，ntc的温度系数为
‑
10.2n a/℃，合成的电流温度系数为
‑
0.96n a/℃。