（微电子学与固体电子学专业论文）buck型dcdc转换器中电流源的分析与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 微电子技术是高科技和信息产业的核心技术，微电子产业已成为当前新 经济时代的基础产业。在给人们生活带来诸多便利的同时，现代复杂的电子 产品也向电源性能提出了挑战。于是，电源管理芯片应运而生，已成为当今 集成电路产业的重要产品之一。电源管理芯片能够提供高性能电源输出，广 泛应用于p d a ，移动电话，g p s 等各种便携设备。作为电源管理芯片中的重要 组成部分，电流源在工作状态下容易受到电源电压和温度的影响，所以提升 集成电流源的电源调整率和温度系数性能是本文研究的主要目标。 本论文的目的是设计出某b u c k 型d c d c 电源管理芯片的电流源电路。 根据不同的电路应用，分别设计出偏置电流源和基准电流源。本论文以常用 的w i d l a r 电流源为基础，分析输出电流与温度或电源电压的关系。通过m o s 管和电阻的共同作用，来调节输出电流的温度系数，得到偏置电流源。在设 计基准电流源过程中，针对w i d l a r 电流源存在的不足，提出电路的改进方案。 首先以小信号分析方法，得到电流源的反馈环路增益与电源抑制能力的关系， 通过在其环路中引入运算放大器而获得更低电源调整率的输出电流；其次对 于基准电流源的温度系数，通过改变电路结构增加额外的与温度相关的参数， 多个温度参数共同作用以实现二阶温度补偿的方法，获取了具有更低温度系 数的输出电流。 本文在探求电路设计理论的同时，在仿真中还考虑了工艺角的影响，使 得仿真结果更加接近实际。本文电路采用u m co 6 u mb i c m o s 工艺，经 h s p c i e 仿真软件进行验证，仿真结果满足设计要求。 关键词：电源管理，基准电流源，电源调整率，温度系数 两南交通大学硕+ 研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a st h ec o r e t e c h n o l o g y o f h i g h t e c h a n di n f o r m a t i o n i n d u s t r y ， m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yh a sb e c o m et h eb a s i so ft h en e we c o n o m i ce r a w h i l e m i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g yb r i n g sp e o p l em a n yc o n v e n i e n c e s ， m o d e m c o m p l i c a t e de l e c t r o n i cp r o d u c t sp o s en e wc h a l l e n g e st op o w e rs u p p l i e s a sa s o l u t i o n ，p o w e rm a n a g e m e n tc h i p se m e r g ea n dh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp r o d u c t si nt h ei n t e g r a t e dc i r c u i t si n d u s t r y p o w e rm a n a g e m e n tc h i p s p r o v i d eh i g hp e r f o r m a n c ep o w e rs u p p l y ，w i d e l yu s e di np d a ，m o b i l ep h o n e s ， g p sa n do t h e r p o r t a b l e d e v i c e s a sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ep o w e r m a n a g e m e n tc h i p ，c u r r e n ts o u r c e c a nb ee a s i l ya f f e c t e db yp o w e rs u p p l ya n d t e m p e r a t u r ei nw o r k i n gc o n d i t i o n s o ，t h er e s e a r c ho b je c to ft h i sp a p e ri s t o i m p r o v et h el i n er e g u l a t i o na n dt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to ft h ei n t e g r a t e dc u r r e n t s o u r c e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nc u r r e n ts o u r c ec i r c u i t sf o rab u c k d c d cp o w e rm a n a g e m e n tc h i p t oa d a p td i f f e r e n ta p p l i c a t i o nc i r c u i t s ，ab i a s c u r r e n ts o u r c ea n dar e f e r e n c ec u r r e n ts o u r c ea r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y b a s e do n ac o n v e n t i o n a lw i d l a rc u r r e n ts o u r c e ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n o u t p u tc u r r e n ta n dt e m p e r a t u r eo rp o w e rs u p p l yv o l t a g e ab i a sc u r r e n ts o u r c ei s o b t a i n e di na d j u s t i n gt h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tt h r o u g ht h ec o r p o r a t ef u n c t i o no f m o st r a n s i s t o ra n dr e s i s t a n c e d u r i n gt h ed e s i g no fc u r r e n tr e f e r e n c e ，s o m e i m p r o v e m e n t sa r ep r o p o s e dt oc o m p e n s a t et h es h o r t c o m i n g so fw i d l a rc u r r e n t s o u r c e f i r s t l y ，t h ep a p e rd e d u c e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf e e d b a c kl o o pg a i na n d p o w e rs u p p l yr e je c t i o ni ns m a l ls i g n a lt h e o r y t h r o u g hi n s e r t i n ga no p e r a t i o n a l a m p l i f i e ri n t ot h el o o p ，t h eo u t p u tc u r r e n tw i t hl o w e rl i n er e g u l a t i o ni sa c h i e v e d s e c o n d l y ，t h ep a p e rc o n s i d e r st h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to ft h er e f e r e n c ec u r r e n t t h r o u g hc h a n g i n g t h ec i r c u i ts t r u c t u r et o g e t a d d i t i o n a lp a r a m e t e r sr e l a t e dt o t e m p e r a t u r e m a n yp a r a m e t e r sr e l a t e d t o t e m p e r a t u r ea c tj o i n t l yt o a c h i e v e s e c o n d o r d e rt e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n s o ，t h eo u t p u t c u r r e n tw i t hl o w e r t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti so b t a i n e d 两南交通大学硕士研究生学位论文第1 i r 页 _ _ _ 一i _ _ - - _ _ _ 一 t h i sp a p e rn o to n l ye x p l o r e st h et h e o r yo fc i r c u i td e s i g n ，b u ta l s oc o n s i d e r st h e i m p a c t i o no fp r o c e s sc o m e r si nt h es i m u l a t i o n t h i sc a nm a k et h es i m u l a t i o n r e s u l t sm u c hc l o s e rt or e a l i t y t h ep r o c e s su s e dh e r ei st h eu m c0 6 u mb i c m o s p r o c e s s s i m u l a t e db yt h eh s p c i es o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sm e e tt h e r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p o w e rm a n a g e m e n t ，r e f e r e n c ec u rr e n ts o u r c e l ir er e g uia tio r ， t e m p e r a t u r ec o e f fic ie n t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 游历 日期：咖留- 年f 指导老师签名：均垒溽 f le a ：淑鼍f 叫 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 以常用的w i d l a r 电流源为基础，分析输出电流与温度或电源电压的关系。 通过m o s 管和电阻的共同作用，来调节输出电流的温度系数，得到偏置电流 源。在设计基准电流源过程中，针对w i d l a r 电流源存在的不足，提出电路的 改进方案。首先以小信号分析方法，得到电流源的反馈环路增益与电源抑制 能力的关系，通过在其环路中引入运算放大器而获得更低电源调整率的输出 电流；其次对于基准电流源的温度系数，通过改变电路结构增加额外的与温 度相关的参数，多个温度参数共同作用以实现二阶温度补偿的方法，获取了 具有更低温度系数的输出电流。 第1 章诸论 当今世界经济已从工业化进入信息化的发展阶段，微电子技术是高科技和 信息产业的核心技术，微电子产业成为当前新经济时代的基础产业。微电子 技术的高速发展，除了技术本身对国民经济的巨大贡献之外，还与它极强的 渗透性有关。小到日常生活的电视机、影碟机、洗衣机、移动电话、计算机 等家用消费品，大到传统工业的各类数控机床和国防工业的导弹、卫星、火 箭、军舰等都离不开这小小的芯片。 国际微电子技术发展的趋势是集成电路的特征尺寸继续缩小，集成电路 ( i c ，i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 将发展为系统芯片( s o c ，s y s t e mo nac h i p ) 。当前， 行业领跑的集成电路公司已开始生产9 0 n m - - - 6 5 n m 特征尺寸的硅集成电路，根 据国际半导体技术蓝图( i t r s ，i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g y r o a d m a pf o r s e m i c o n d u c t o r ) 的预期，4 5 n m 、3 2 n m 和2 2 n m 特征尺寸的c m o s 超大规模集 成电路将分别在2 0 1 0 年、2 0 1 3 年并d 2 0 1 6 年开始小规模生产【1 1 。微电子技术和其 他技术相结合将形成许多新的产业，形成新的经常增长点。电源管理芯片作 为当今集成电路产业的产品之一，提供高性能电源输出，广泛应用于p d a ， 移动电话，g p s 等各种便携设备。 1 1 国内外研究现状与发展趋势 近几年来，电源管理芯片一直是半导体领域热点市场之一，其增长也高于 半导体整体市场发展速度。2 0 0 2 2 0 0 6 年，中国电源管理i c 复合增长率达 3 0 1 t 2 1 。电源管理可粗略分为可携式系统、稳定系统、动态系统和自动化系 统等四大类应用市场。其中手机、数字相机和l c d 显示器等可说是广为看好 的电源管理应用市场。面对巨大的市场需求和良好的发展机会，各大厂商和 研究部门纷纷投入了大量的资源，以求能够尽可能的占有市场。 当代的电源管理市场可谓群雄逐鹿，没有任何企业能够一家作大。虽说如 m a x i m ，n s 等国际知名大厂的优势在于深厚的技术底蕴和品种繁多的电源解 决方案，但近年来国内厂家在产品的质量和价格上已经开始逼近国外同类产 品，亦已形成竞争力，但总的说来，在代表市场走向的高端市场中，国外一 线厂商还是具有明显优势。缩短与先进技术的差距，当务之急是研发具有自 主知识产权的电源管理芯片。 对于本次设计所关注的电流源电路，自1 9 6 5 年w i d l a r 提出了以自己名字命 名的电路结构之后，对于集成电路中电流源的分析与设计就没有停止过。各 种形式的电路结构层出不穷，代表着人们对于其的重视与付出。虽说在任何 电路中，必定要在电流源的存在，但终究，电流源是向其它功能模块提供电 流的电路，它的设计与性能，无时无刻不关注着时代的需要。 在早期，在集成电路刚刚开始发展的年代，虽说当时半导体还处于双极结 型晶体管m ( b j t ，b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ) 时代，制造工艺水平还相当低， 但与分离器件构成的电流源电路相比，集成电流源的可靠性，体积和功耗具 有很大的优势。w i d l a r 型电流源作为其代表者，为早期的集成电路提供优质的 电流，提升了电路性能。 随着集成电路技术的进步，当代的半导体技术已经出现了 c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) ，后来的b j t 和c m o s - y 艺 兼容的b i c m o s ，进而d m o s ( d o u b l e d i f f u s e dm o s f e t ) 1 4 等多种工艺技术， 针对这些技术所提出的新的电流源也应运而生。各种电流源在体积，性能和 功耗上，相比于早期已经不可同日而语。 当代的电流源技术，不能再将其看成一个标准模块来设计，它更被看作是 一个专有模块。根据不同的输出电流要求，它的设计结构各有不同。电流源 所产生电流的大小，温度系数，电源调整率等等，都将作为设计电流源的考 虑方面，以确定其电路结构。 目前电流源主要的发展趋势包括以下几方面。为了适应低电压条件下的工 作，提出了低压下的电流源电路【5 】，利用器件自身的温度系数实现电流温度系 数的补偿【6 1 ，另外还有采用不同温度系数电流相h i ：i t 7 】- 【9 】或者二阶温度补偿【m 】【 ； 在抑制电源电压影响上，或采用外部不受电源影响的基准电压产生电流【1 2 】【1 引， 或利用内部结构消除电源电压的影响【1 4 】【1 5 】等：由于流片过程中存在工艺误差， 提出了利用工艺误差相互抵消来补偿电流【1 6 】【1 7 】；提出无阻电流源的设计，由 于电阻在集成电路中工艺误差较大，所以无电阻电流源【1 8 】【1 9 1 可以消除由于电 阻引起的电流误差，获得高性能的电流源。除了在实际电路设计中提出了许 多新的结构，、新的理论【2 0 】【2 1 】也在推动着电流源的发展。 1 2 本文研究的目的与意义 本文的课题来源于一款d c d c 电源管理芯片，它的设计任务描述是：具有 低噪声，脉冲宽度调制【2 2 1 ( p w m ，p u l s e w i d t h m o d u l a t e d ) ，d c d cb u c k 型稳 压器。要求能够适用于小型无线系统，例如手机，p d a 和手持终端。其输入 电压范围为2 7 v 5 5 v ，输出电压可调，范围从1 2 5 v 直到输入电压。正常工 作时效率要求9 5 以上，静态工作电流仅有8 5 衅。 从对本课题的设计任务来看，本次设计是带有通用性的电源解决方案，其 具有广阔的市场空间。在市场的选择中，产品的竞争力始终来自产品的质量 优势和价格优势。在目前国内厂商来看，在追赶国际品牌质量的同时，价格 是我们最大的优势。虽然同类产品已经存在并进入市场，但我们还应看到， 由于目前国内厂商普遍缺乏核心专利技术，这制约着我们产品的价格。时下 越来越激烈的商业纠纷和越来越重视的知识产权保护都需要我们要有自己的 核心知识产权。 在这种背景之下，国内的电源管理芯片的技术和研发在不断的进步。这也 是本课题的初衷。作为本文研究的主要部分，其d c d c 芯片中的电流源电路， 它是该电路的重要组成部分。- 它既向各个功能模块提供偏置电流，确定直流 工作点，又向内部振荡器提供单位周期的充电电流。本文力求从最基本的电 流源结构入身，对各种电流源的电路结构进行分析探讨，并根据本电源管理 芯片的需要设计出能够满足要求的专有电流源。 1 3 本论文的主要工作 本论文的研究对象主要是适用于电源管理芯片中的集成电流源，针对不同 的应用要求，分别设计了偏置电流源和基准电流源。针对电源管理芯片中使 用中易受到电源电压和温度的影响，分别进行研究分析，提出了电路改进方 案，设计满足应用要求的电路结构。特别是在基准电流源设计中，采用了小 信号分析和二阶温度补偿等方法对其电源噪声抑制能力和温度性能进行优 化。最后使用h s p i c e 仿真软件对所设计电路进行模拟仿真，并将其与其它同类 电路进行比较o 具体内容如下： 第一章介绍了本课题的研究现状和发展，以及本论文的目的和意义。 第二章介绍了电流源中的基本性能指标，并简要的对几种常见的集成电流 源进行了分析和比较。 第三章对m o s 型w i d l a r 型电流源进行了分析，并在其基础上设计出偏置 电流源。 第四章则在上一章的基础之上，分析w i d l a r 型电流源作为基准电流源的不 足，在经过小信号分析和二阶温度补偿之后，对电路结构进行改进，设计出满 足要求的基准电流源，另外还进行了电流源的噪声性能分析。 第五章则是对本文所设计的电流源进行仿真验证，并将其与其它几款同类 电路对比。 第2 章集成电流源的类型研究 2 1 电流源的性能指标 自从w i d l a r t 2 3 提出第一个恒流源的设计以后，经过的几十年之间的不断发 展，电流源的基本特性已经有了很大的改进，下面先描述电流的几种基本性 能指标： 1 温度系数( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 电流受温度的影响程度可以由温度系数来定义，它是衡量电流温度特性的 基本参数。它的定义由下式给出： t c ：土堕 ( 2 1 ) j ，a 7 式中卜被测电流。 由于温度系数的数值较小，习惯上，温度系数会在数值乘上1 0 6 ，单位为 p p m 。c ( p a n sp e rm i l l i o np e r ) 。 2 电源噪声衰减比 电源噪声衰减比( p o w e rs u p p l yn o i s ea t t e n u a t i o n ，p s n a ) 是一个交流特 性，用于表示电流在允许的电源电压范围内，由电源电压变化引起的相应的 电流的变化。它的定义由下式给出： p s n a ：旦l ( 2 - 2 ) a 聊| ，f ： 电源噪声衰减比是一个小信号参数，习惯上将跨导增益的数值作为p s n a 的值，单位为d b 。 3 电源调整率 电源调整率同样也是用于表示电源电压对于电流源输出电流的影响，其定 义为 竺 ， l i n e r e g u l a t i o n = 2 一 ( 2 3 ) 一一 不同于电源噪声衰减比，电源调整率是一个大信号下测得的参数，它的常 用单位为p p m v 。电源噪声衰减比和电源调整率都可以作为判断输出电流对 于电源电压变化抑制能力的指标。 4 启动时间 启动时间指电流源模块从电源上电到正常工作，能够输出正常电流所经过 的时间。由于电流源的输出为其它模块提供偏置电流，所以基准电流源的启 动时间应该尽快。 5 静态工作电流 静态工作电流指电流源正常工作时，此模块中从电源流到地的电流总和。 静态电流是衡量功耗的主要标准。 2 2 电流源的结构分类 随着集成电路工艺的不断发展，新的工艺的出现使各种新的结构成为可 能，继而诞生了多种多样的集成电流源的电路形式，下面对这些结构进行分 类，并简单分析其原理。 2 2 1widia r 型电流源 早在19 6 5 年，w i d l a r 在( ( s o m ec i r c u i td e s i g nt e c h n i q u e sf o rl i n e a ri n t e g r a t e d c i r c u i t s ) ) 中，指出了分离电路向集成电路转化的困难，在于当时的集成电路 工艺可得到的器件受到种类和取值范围。从当时的条件来说，在集成电路中 得到一个微安级电流往往需要一个相当大的电阻( 几百k ) 。在此情况下，一 个简单的共射极放大器的功耗也许会大到1 0 0 m w 。由此，w i d l a r 提出了一种新 颖的电路结构，它能够仅采用几千欧姆的电阻就能够获得微安级的电流，这 就是著名的w i d l a r 电流源。 其最初的电路结构如图2 1 所示。 图2 - 1 最初的w i d l a r 电流源 2 3 】 图2 1 的晶体管全采用双极性晶体管，集电极电流和射极一基极电压关系如 下式所示： ，c ：以e x p ( 訾) ( 2 - 4 ) 式中妒双极性晶体管的反向饱和电流； 厶一双极性晶体管的集电极电流； 印一单个电子电量； 扛波尔兹曼常数，取值为1 3 8 1 丰l o e 2 3 ； p 绝对温度。 由式( 2 - 4 ) 可得基极一射极电压的表达式，如下所示： ：坚l n 拿( 2 - 5 ) q 1 s 由上式所得，可以得到q ，和9 的基极一射极电压之差，将各自的相减 可得： = v b e l 一2 = l _ rh l 鱼_ 坚l n 量：坚l n 生+ 坚1 1 1 鱼 2 - 6 ) q ls 、 q is 2 qi c 2 q is 、 假如流过q ，和q 2 的集电极电流相同，那么式( 2 - 6 ) 可简化为： ：坚l n 孕 ( 2 - 7 ) q 1 s 1 通常上式的取值范围为毫伏级，同时式( 2 7 ) 与集电极的电流大小几乎 无关，另外三极管的反向饱和电流尽也可看成一个常数。对于式( 2 6 ) 来说， 如果采用相同的三极管，那么厶，= l s 2 。由此式( 2 6 ) 可得： ：塑l i l 粤 ( 2 - 8 ) 观察图2 1 ，在式( 2 8 ) 中所得的q ，和q 的基极一射极电压差将作用于电 阻r 2 ，那么建立等式如下： 7 ，r， 一 兰l n 卫= ，。r ， ( 2 9 ) q ic 2 通常设计中，往往知道厶j ，如的值，那么上式即为线性方程，可以求得电 阻尺2 的值以满足要求。如果设计中，只知道厶，和凡的值，那么上式为超越方 程，可以用叠代法求得如的值。 将图2 1 中的三极管换成m o s 管，同样能够组成m o s 型w i d l a r 电流源，其 工作原理类似。w i d l a r 电流源的结构简单，易于实现，并且利用较小的电阻获 得了较小的电流，解决了获取小电流难的问题。同时，由( 2 9 ) 式可得，该 结构产生的电流仅受晶体管本身和电阻控制，与电源电压的相关性小，所以 基本不随电源电压变化，这是w i d l a r 电流源的优点之一。但是，正是由于其简 单的结构，在对电流要求较高的情况下，如需要强的电源电压抑制能力时， w i d l a r 电流源就不那么满足要求。 2 2 2 峰值电流源 w i d l a r 电流源可以由较小的电阻获得微安级的电流，但是在集成电路中， 有时需要电流的幅值为纳安级。面对如此问题，在不付出大电阻的代价下， 获得如此小的电流，故提出了一种新的电流源形式，即峰值电流源 2 4 】- 2 6 1 。 忽略基极电流，根据图2 2 可得： v 8 e 1 一i f n r = v b e 2 ( 2 1 0 ) 假设晶体管e a r l y 电压一o o ，又可得 坚1 n 盘一坚l n l o u t ：1 w r ( 2 1 1 ) gj s l鸟上s 2 如果q j 和q 2 采用相同的晶体管，那么其反向饱和电流相等，则上式可化为 i 。四：i me x p ( 一g 喾) ( 2 1 2 ) 图2 - 2 峰值电流源【2 7 j 从等式( 2 1 2 ) 可以看出，输出电流i o u 提输入电流的函数。由等式( 2 1 0 ) 可得，当输入电流h 很小时，作用于电阻r 上的压降也小，此时j v b e 2 ， 所以1 0 u 7 ，这时如沂随风线性关系；当逐渐增大时，e ，和，一c 尺也随之 增大，但是由于v s e ，与h 成对数关系，两宰r 与如成线性关系，所以随着h 增 大，酣逐渐减小，所以输出电流i o c ，旭随之减小。总的来看，随着的增大， i o u 捏现出先增大后减小的趋势，并在某一点时到达峰值，这就是峰值电流源 名称的由来。峰值电流源的传输特性曲线如图2 3 所示。 i l n 图2 - 3 峰值电流源的传输特性 峰值的大小和位置均受电阻r 控制。峰值电流源与w i d l a r 型电流源一样，图 2 2 中的三极管同样也能用m o s 晶体管代替，其特点是结构简单，易于实现， 但在一些要求高的条件下，同样不再适用。 2 2 3 电阻补偿型电流源 前面的两种电流源结构形式，从产生电流的机制来说，是利用两个三极管 的基极一射极电压差作用于一个电阻之上。这类结构的优点是电路实现简单， 产生的电流受电源电压变化影响较小，但其温度系数不易控制。现证明如下， 上述结构的电流产生公式可以由下式表出： l o u t = 学 ( 2 1 3 ) 以w i d l a r 型电流源为例，当两边晶体管流过的电流相等时，代入式( 2 - 6 ) 可得： ，。，= 兰1 。丑(214in)n ，= 一 ， 。 轵 j s l 因为晶体管中的反向饱和电流只与晶体管本身有关，所以式( 2 1 4 ) 中最 后一项可以看成一个常数。为求其产生的输出电流的温度系数，将上式对温 度求导，其中与温度相关的系数有卿震。根据式( 2 1 ) 的定义可得： 形，= 专一t c 尺( 2 - 1 5 ) 从上式可以看出，输出电流的温度系数将由温度的倒数和电阻的温度系数 之差决定，由于这两者一个是受环境有关，一个受工艺相关，都是在设计中 不能控制的参量。由此，选用这种结构，会造成了输出电流的温度系数不易 人为控制的缺点。正是如此，提出了下面几种更能提高电流性能的基准电流 结构。 图2 4 y 0 出了一种利用电阻的温度系数，来补偿输出电流温度系数的电路 图。这是一个m o s 型w i d l a r 电流源，图中的晶体管全采用m o s 晶体管，m 0 m 5 组成了输出电流源的主要部分，其余部分作为启动电路，关于启动电路的问 题将会在后面的设计部分进行分析。m 0 m 5 与电阻r 0 和r 1 的基本结构与图 2 1 所示w i d l a r 型电流源相似，不同之处在于采用增加了m 2 和m 3 作为缓冲级， 用于减小电源电压对于输出电流的影响。m 1 的尺寸一般选择数倍于m 0 ，假设 比例为k 。本电路最关键的设计在于采用r 0 和r 1 的组合，代替w i d l a r 型电流源 单一的电阻，通过这种方式可以构造出一个温度系数可控的等效电阻。 从图2 4 可以得出，类似于w i d l a r 电流源，利用m o s 晶体管m 0 、m 1 上的栅 源电压差作用于串联电阻r 0 、r 1 之上，用以产生电流。那么根据上述描述得 到的输出电流及其温度系数分别为： ( 2 1 6 ) 陀，一万1t 监o t 一r 等r 彤舯一丢r 等r 。庀尺 c 2 川， 。 no +1 删 o+l 式中，t 。一n m o s 晶体管电子迁移率，n 表示n m o s 晶体管； 一单位面积栅氧化层电容； 彤z 一晶体管的沟道宽长比； 卜m n 2 与m n l 宽长比的比值。 式( 2 1 7 ) 中的第一项以及电阻温度系数t c r 口和t c r ，均是与工艺相关的参 量，不能控制。但是在这里，可以通过控制尺。与r j 的取值，改变电阻温度系 数上的权值，以达到控制该输出电流温度系数的目的。 图2 - 4 电阻补偿型电流源1 电阻补偿型电流源除了保持电流受电源电压的影响较小的特点外，还使得 温度系数易于控制，从上面的分析可以得出，只要选择合适的电阻工艺和电 阻比值，可以得到具有满足需要的温度系数的基准电流。其主要缺点结构上 比较简单，虽然增加了缓冲级以减小电源电压的影响，仍然不能够获得较高 的电源电压抑制能力。 2 2 4 电流求和型电流源 图2 5 选取了一种简单的电流求和型电路，出自文献 2 9 。图中左右两部分 分别是一个双极晶体管电流产生器和m o s 晶体管电流产生器，中间部分是电 流求和器。电阻4 2 上的压降约为。，流过的电流值为圪艘锄由于双极性晶 体管的p 的负温度系数，所以由左半部分产生一个具有负温度系数的电流乃。 相反，右半部分采用类似于w i d l a r 型m o s 电流源的结构产生一个具有正温度系 数的电流厶。 图2 - 5电流求和型电流源【2 9 j 通过图2 5 中的1 6 部分，将具有不同温度系数电流厶和如相加，产生一个与 温度无关的电流厶，嬲。这里的关键在于1 6 中电流源比例的选取，由于前面的分 析中已经知道，厶和厶的温度系数都是不可控制的，为了控制其和为无温度系 数电阻，只能通过控制各自电流镜的传输比例。所以通过1 6 q h 晶体管的宽长 比，控制流入，6 ，船中厶和厶电流比，就能够得到了一个无温度系数或较低温度系 数的电流。图2 6 表示了其输出波形。 t e m p 图2 - 6 电流求和型输出波形 2 2 5 基准电压型电流源 图2 7 摘示了一种基准电压型电路，出自文献 3 0 。通过两个大小不同，温 度系数相同的电压，作用于一个差分放大器上，产生一个与温度无关的基准 电压，作用于电阻上，进而产生基准电流。由于两个电压的差值是一个与温 度和电源无关的参量，由此产生一个与温度和电源无关的基准电流。 在图2 7 中，由于p 1 ，p 2 和p 3 采用相同尺寸的p m o s 晶体管，所以在其上 面流过相同的电流。因为j 和n 2 的宽长比不同，将在m 和n 2 的栅极和漏极相 连接处产生不同的栅源电压差，分别是，2 。设定合适的m 和n 2 的宽长 比，将使得，和v g s 2 具有相同的温度系数，所以= j v g s 2 将是一个与 温度无关的参量。流过电阻3 1 0 ，3 1 4 的电流为，流过电阻3 0 8 ，3 1 2 的电流 为如2 ，若电阻3 0 8 3 1 2 的阻值足够大( 例如大于2 0 0 k ) ，那么流过其上面的电 流可以忽略不计。则根据理想运算放大器的性质，两个输入端的电压相等， 可得其中严职棚，) 木。由于是一个与温度无关的变量，月，和飓采 用相同材料的电阻补偿以抵消其自身温度系数，所以生成的，是一个与温度 无关的电压。此电压吃作用于电阻尼。，之上，若尺坨提一个无温度系数的电阻， 那么能够得到一个无温度系数的基准电流如p 其值为i r e f = 肛妒 图2 7 基准电压型电流源【j 叫 通常，基准电流的精度不仅受晶体管工艺控制，同时也受到电阻工艺的影 响。由于电阻的工艺变化可以由电阻补偿或者微调控制，而晶体管的工艺变 化就不是那么容易控制。值得庆幸的是，本设计能很好的改善这种情况，由 于本电路的控制电压实际是由x v e = ，一2 得到，这要比单个的实现效 果要好得多。 第3 章电流源的电路设计 从上一章中，已经了解了电流源的分类及其原理，根据不同的设计任务， 所需要的电路结构也不尽相同，为此，首先分析本电源管理芯片中所用的电 流源的要求。本芯片中电流源的作用包括如下两方面，一是为各个模块提供 偏置电流，其中包括各放大器，比较器等，二是为振荡电路提供单位周期内 的充电电流，它的振荡频率受电流控制。对于这两种应用，有各自的具体 要求。 对于各个模块的偏置电流而言，要求其能够在各种工作条件下提供相对稳 定的电流；由于其处于芯片中工作时序中最先启动的部分之一，要求其具有 较短的启动时间，特别是运算放大器和比较器来说，还要求其偏置电流应满 足一定的温度条件，因此，对其以上模块采用统一的偏置电流源为其供电。 对于振荡电路来说，为了保证其在各种工作条件下，振荡频率在尽可能小的 范围内，要求电流源提供的电流在各种电压和温度情况下保持不变，要求其 电流具有高的电源变化抑制能力和低的温度系数，这需要基准电流源为其供 电。对于这两种截然不同的要求，故需要两个电流源为其分别供电，现根据 设计任务，将其设计要求列表如下： 表3 - i 电流源设计要求 电源类型对电源抑制力温度系数 启动时问静态电流最大误差 偏置一般线性 i o u s5 u a3 0 基准局极小 2 0 u sl o u a1 0 3 1m o s 型widia t 电流源的分析 表3 1 中对电流源设计提出了具体的要求，在设计具体电路之前，先对 c m o s 工艺中最常见的一种电流源，即w i d l a r 电流源进行分析，并且以此为基 础，设计满足本设计要求的电流源电路。 m o s 型w i d l a r 电流源如图3 1 所示，该电路全由m o s 晶体管构成。m p i 和 m p 2 是用相同尺寸的晶体管组成的电流镜，以保证流过m n i 和m n 2 的电流乃 和易相等。利用m n i 上的栅源电压与m n 2 的栅源电压的差值作用于电阻r 上， 以产生电流。 若m n 2 的宽长比是m n l 的k 倍似 - ) ，根据m o s 晶体管的性质，可以得 到如下等式： 仁吉孙c o x ( v o s ，叱1 ) 2 圭睾邸。( ：叱) 2 堕：尼堕 2 三1 i l = ，2 式中炉晶体管栅极一源极电压； 巧。一n m o s 晶体管阈值电压。 v c c 1a s 气 p 2 n 2 i1 2 r ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 图3 1m o s 型w i d l a r 电流源 忽略m n l 与m n 2 的阈值电压的差异，上述四式可求出，与坎跚之差： = 鼯( 一磊1 5 ， 又由于m n l ，m n 2 的栅源电压之差a v c s 作用于电阻r 之上，产生的电 流等于流过m n 2 的电流，则 1 ：)2avis(3-6 对于等式( 3 - 5 ) ，( 3 6 ) ，将看成自变量，乃，易看成应变量时，可 得到图3 - 2 。从图3 - 2 可以看出，乃，1 2 存在着一个交点q ，也就是说由于m p l 和m p 2 的电流镜作用，该电路在q 点时处于稳态。 图3 - 2 各支路电流与圪s 的关系 那么可以通过代换，消去么，可以得到流过m n l 和m n 2 的电流设为 锄其值为： 驴志划一去 2 b 7 ， 从式( 3 7 ) 可以看出，输出电流的大小只与m o s 管的宽长比，电阻r 的大小以及k 值有关，所以本电路对于电源电压波动有一定的抑制能力。另 外，观察图3 2 可得本电路结构实际上存在着两个稳定工作点，除了上面式 ( 3 7 ) 所确定的正常工作点q 外，另外一点是零电流工作点，也称简并工作 点，此时电路中无电流流过，s = 0 。为了避免电源上电后出现零电流工作 点，往往会加入一个启动电路，启动电路的功能是在刚上电时，向该电路注 入少量电流，于是该电路会自举进入正常工作态，然后启动电路再断开，不 影响电流源的工作。 从图3 2 还能得到一些有意义的信息，乃和乃的曲线是不对称的，这是由 m n l 不对称于m n 2 和尺造成的。在图中，乃与v c s 成平方关系，而易与 s 成线性关系。正是由于这些不对称性，所以对于脚j 和脚2 这对电流镜， 需要选择合理的输入和输出端。简单来说，电流镜的输入端接电阻这一端。 当电路工作点在q 点之前时，流过两端的电流均小于q 点电流，由于h 1 2 ，电流镜的作用会促使两支路的电流逐 渐减小而逼近q 点。 上述分析可以回推到公式( 3 - 7 ) ，输出电流如厂具有与电源电压无关的性 质，正是由于w i d l a r 电流源的自偏置结构所引入的反馈得到的。但是，在实 际的应用中，输出电流还是会受到电源电压的影响，这是由于这种类型电流 源对于电源电压的抑制能力不足造成的，这将在后面分析。 下面分析m o s 型w i d l a r 电流源产生的电流的温度系数，将式( 3 - 7 ) 对温度 求导，式中与温度相关的变量包括电子迁移率疗和电阻r ，可得如下等式。 t c l , e f = - 去鲁- t - 2 t c e 】 限8 ) 从上式中可以看出，由该结构产生的电流与式( 2 1 5 ) 类似，其温度系数 均是由工艺参数决定的，当电子迁移率与电阻的温度系数一定时，输出电流 的温度系数是恒定的。 上面的分析已经将m o s 型w i d l a r 型电流源的基本特性进行了分析，下面利 用这些性质，设计满足系统需要的电流源电路。 3 2 偏置电流源的设计 偏置电流源向运算放大器等提供偏置电流，可以减小温度变化对于放大器 跨导的影响，恒定的跨导能够保证在温度变化下保持不变的单位增益带宽， 可以维持运放的频率响应速度。获得偏置电流有很多种方法，在集成电路中， 常用的b i p o l a r 和c m o s 两种结构。b i p o l a r 由于其基极一射极电压差具有极好的 与温度成正比的关系，所以由其产生的偏置电流源具有非常优秀的温度性能 3 2 1 ，其电流随温度上升成线性关系，c m o s 结构要做到这点很难，只能得到随 温度变化近似于线性的电流。但是由于c m o s 工艺具有相对较低的成本和较好 的兼容性，且b i p o l a r 的面积较大，从功耗，尺寸和所提供工艺的角度考虑， 本设计选用c m o s 结构。 根据公式( 3 7 ) 和( 3 8 ) ，可得由图3 1 所示的w i d l a r 型电流源可以得到一 个与电源电压无关的，温度系数由工艺参数决定的电流源。具体来说，这里 的工艺参数指的是n m o s 管( 或p m o s 管) 的电子( 或空穴) 迁移率的温度系 数和电阻的温度系数。因为，我们可以利用具有不同温度系数的电阻组合成 为满足设计要求电阻，得到一个满足温度系数要求的偏置电流源。由此，得 到如下所示电路。 图3 - 3由c m o s 组成的偏置电流源电路 图3 3 中的