低工作电压恒定电流电路制造技术

一种低工作电压定电流电路，包括一参考电流源与一电流镜电路，在该参考电流源与该电流镜之间设有一控制电路，该控制电路令参考电流源的输出电压与控制电路内部或外部产生参考电压进行比较，供产生单一的参考电流源，以控制输入／输出端晶体管的基极电压及基极电流；本发明专利技术可衍生一组或多组特性相同的定电流源电路，且与参考电流源的电流可呈任何比例的放大关系，各个电流源输出独立运作而不致相互干扰，并能解决开集极应用时所产生的干扰与电源耗电流极大等问题；又本发明专利技术可配合少部份的额外电路及控制信号，控制方式及接线可随各种应用而弹性调整，以嵌入或取代任何传统电流镜电路，故为一种性能极佳且应用极广的定电流源电路。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电路，尤其是一种令参考电流源与输出电流间可为任何放大比例，且多组电源流同时工作时各个独立而不致相互干扰的低工作电压定电流电路。
技术介绍
图1为习知的Bipolar晶体管电流镜电路，图中又可区分为NPN晶体管电流镜电路(如图1A所示)及PNP晶体管电流镜电路(如图1B所示)，其运作原理是完全相同的。假设电流镜两侧的NPN(或是PNP)晶体管元件大小几何完全相同的话，由图1可看出两侧的NPN(或是PNP)元件基极(Base)及射极(Emitter)是接在一起的，因此VBE1＝VBE2，则输入电流I1将几乎等于输出电流I2，其差异在于输入电流I1须额外提供基极电流IB给电流镜两侧的晶体管，其相互关系为I2＝I1×β/(β+2)，其中β为Bipolar元件的顺向电流增益，其定义为β＝IC/IB，其典型值约在数十至数百之间，此值与元件类型及几何形状有关系，且与制程参数及工作温度有关系。因此I1与I2的相互关系会随着β值而产生变化，β值越低，IB就越大，因此I1与I2的差异就越大。此电路由一组参考电流输入(电流镜左侧)来产生一组输出电流输出(电流镜右侧)，对于电源电流的消耗相当大，因此并不适用于多组且大电流输出的应用。若图1电流镜电路左右两侧的比值不是1∶1的关系，而是1∶N的关系的话，则输出端电流将有放大的效果，输出端电流I2≈N×I1，其精确的关系为I2＝I1×β/(β+1+N)。因此当N接近于β值时，电流放大的倍数将会急骤的缩小，这项因素限制了该电流镜电路电流放大的比例，另外由于Bipolar晶体管元件无法做精确的分割，所以仅能提供整数倍率的放大，例如1∶5，2∶3，10∶7等等，这也限制了此类电流镜电路电流可放大的比例。图2为习知的CMOS晶体管电流镜电路，图中又可区分为NMOS晶体管电流镜电路(如图2A所示)及PMOS晶体管电流镜电路(如图2B所示)，其运作原理与Bipolar晶体管电流镜电路是完全相同的。当电流镜两侧的NMOS(或是PMOS)晶体管元件大小几何(L，W)完全相同时，由于栅极(Gate)电压及源极(Source)完全相同，VGS1＝VGS2，且栅极无须任何输入驱动电流，所以输入电流I1将等于输出电流I2，唯一的差异在于输出端电流斜率并非为零，而是随着输出电压VDS2做缓慢的变化，因此当输出电压VDS2不等于栅极电压VGS2时，输入电流I1与输出电流I2将有些微的差距。由于CMOS元件几何形状(L，W)为可调整的，因此CMOS晶体管电流镜电路可轻易的做成非整数比例的电流放大电流镜电路，而且由于无须担心栅极电流对于输入电流的影响，也可轻易完成大倍数电流的放大，但是由于CMOS晶体管元件天生的低电流驱动能力、低转导值(Transconductance，gm)、耐电压及ESD等问题，因此在需要较大输出电流及高耐电压的场合，以CMOS晶体管做成的电流镜电路常常会比Bipolar晶体管做成的电流镜电路的面积为大，因而增加了电路所须的成本。图3为习知的具增益的Bipolar晶体管电流镜电路，图中同样又区分为NPN晶体管及PNP晶体管两种类型。此类电流镜电路加上一额外的增益晶体管来提供电流镜输入输出端所须的基极电流，输入电流I1与输出电流I2的相互关系变为I2＝I1×(β2+β)/(β2+β+2)，不论分子分母皆变成β的平方关系，因此常数项2就显得微不足道，此时输入电流I1与输出电流I2的比例会变得相当准确，不易受到β变化的影响，电流放大比例也不限定于1∶1的关系，1∶N的关系可轻易的达到，只要N远小于β2即可(因为I2＝I1×(β2+β)/(β2+β+N+1)。若将额外增加的增益晶体管换成一个达灵顿对(Darlington Pair)的话，则输入电流I1与输出电流I2的比例会变得更为准确，且放大比例N也可更大(只要远小于β3即可)。然而，图3的电路运用在一些负载电路上没有问题，但是在某些应用上则会有意想不到的问题发生，例如开集极(Open-Collector)的应用，当输出端有接负载且工作于顺向活性区(Forward Active Region)时其工作仍然正常，但当输出端浮接或是工作于饱和区(Saturation Region)时，此时会有一极大的电流由电源经增益用晶体管流向输出端晶体管，造成额外的电源耗电流及发热，且基极互相连接的所有晶体管都会受到影响而大幅降低电流，而不论各个晶体管是否有接负载及其原先的工作区域为何。图4为习知以MOS作为增益晶体管的Bipolar晶体管电流镜电路，图3中以NPN或PNP晶体管构成的增益晶体管换成了NMOS或PMOS晶体管，如此的改变将使得电流镜两侧晶体管所须的基极电流完全由NMOS晶体管(PMOS晶体管)来提供，完全不会影响输入端的电流，因此完全不受β值变化的影响，对于制程飘移及工作温度完全不敏感，因此只要MOS增益晶体管的电流驱动能力够大的话，输出电流I2可无限制的放大。然而，图4的电路设计当然也存在输出端浮接或是工作于饱和区(Saturation Region)时所产生的大电源电流及所有输出端同时受到单一输出端不正常工作的影响等问题。此外由于额外增加了一个增益晶体管，输入端所须要的压降至少要有VBE+VBE或是VBE+VGS才能确保工作正常，此额外增加的压降VBE或VGS，限制了此类电流镜电路在低电源电压时的应用。图5为具开关的习用Bipolar晶体管电流镜电路，其中开关电路可由NMOS、PMOS或CMOS传输栅(Trans-mission Gate)实现。各个传输栅TG必须完全相同(包含几何大小W/L，几何形状以及偏压等等)才能确保电流镜正常的功能，其中输入端的传输栅TG仅供平衡输出入端的负载之用，因此是永远打开的状态，每个输出端都有一传输栅TG来做个别的开关及切换控制，因此可轻易的控制输出端电流的开关状态，如果能预知或侦测输出端的浮接与否及工作状态的话，则可对针对各别的输出端来做控制或切换，若是无此类电路的加入的话，其实传输栅本身的阻抗及压降亦会降低及限制此类不正常的大电流，因此也同时降低各个输出端相互之间的影响与干扰。若输出端的放大比例大于1时，则传输栅与Bipolar晶体管须以相同的比例放大，例如若电流放大倍数为三倍的话，则传输栅大小(W/L)放大三倍而Bipolar晶体管也同时增大三倍(原大小重覆复制三次)，如此才能确保在传输栅TG上的压降VTG完全相同(NPN晶体管的基极电压也才会相同)。然而此类电流镜的基极电流IB完全由输入电流I1来提供，因此电流镜的功能随着β的变化影响很大，若要改善此问题可采用如图3及图4所使用的增益晶体管或是达灵顿对来改善。另外传输栅所产生的压降VTG亦会使得此类电流镜电路又需要额外的电压才可正常工作，因此对于低工作电压的应用上更为不利。图6为习知的定电流源电路，其组成包含左侧的参考电流源电路以及右侧的电流镜电路(以虚线隔开)，输出端定电流源数目通常为8Bit或16Bit。参考电流源电路是由能带间隙(Band-Gap)电压产生器及PMOS电流镜所组成(所有MOS电路皆可由Bipolar相对应的元件所取代)，因此对于温度改变所产生的影响相当小，所以其所产生的参考电流对温度变化极不敏感，右本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低工作电压定电流电路，包括一参考电流源与一电流镜电路，其特征是：在该参考电流源与该电流镜之间设有一控制电路，该控制电路令参考电流源的输出电压与控制电路内部或外部产生参考电压进行比较，供产生单一的参考电流源，以控制输入／输出端晶体管的基极电压及基极电流。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雷家正，
申请(专利权)人：三合微科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]