具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源及设计方法，包括电流偏置电路和自适应恒流偏置电压产生电路；所述电流偏置电路用于实现纳安级亚阈值电流偏置；所述偏置电压产生电路用于对不同工艺

【技术实现步骤摘要】
具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源及设计方法


[0001]本专利技术涉及
CMOS
集成电路领域，尤其涉及一种具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源及设计方法
。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备普及，以及物联网技术的飞速发展，功耗问题成为日益突出的问题
。
在
CMOS
集成电路设计领域，为实现低功耗电路模块设计，将电路中
MOS
管偏置于亚阈值工作状态是降低功耗的有效方法，当
MOS
管处于亚阈值状态时，其栅源电压小于阈值电压，沟道电流一般处于
nA
量级，此时电路器件仍具有放大特性，能够正常工作
。
[0003]亚阈值工作状态下的
MOS
管并不稳定，当栅源电压减小使沟道电流处于
pA
量级时，
MOS
管进入截止状态，此时该器件失去放大作用；当栅源电压增大使
MOS
管进入饱和区时，沟道电流快速增大，达到
μ
A
级，尽管此时的电路器件具有放大特性，但已无法满足低功耗的应用需求
。
[0004]现有的亚阈值电流偏置电路通过使用电流镜实现，其一般采用大比例的镜像结构，需要占用极大的版图面积，此外，由于电流镜管处于饱和区，目标偏置管处于亚阈值区，二者工作状态不同，电流偏置精度并不理想
。
部分亚阈值电流偏置电路采用电压偏置实现，然而固定的电压偏置容易受到工艺
>、
电源电压
、
温度的影响，预期实现
10nA
的电流偏置时，不同工艺电压温度
(Process Voltage temperature
，
PVT)
情况下电流值低于
1nA
或高于
100nA
，鲁棒性较差
。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于，针对现有的亚阈值电流偏置电路存在种种不足，提供一种具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源及设计方法
。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种电流源电路，包括：电流偏置电路和自适应恒流偏置电压产生电路；
[0007]所述电流偏置电路用于实现纳安级亚阈值电流偏置，包括：工艺电压温度采样模块
、
偏压运算模块和目标偏置模块；
[0008]所述工艺电压温度采样模块用于检测工艺
、
电源电压
、
温度的变化，得到参考采样电压，并将所述参考采样电压传输至所述偏压运算模块；
[0009]所述偏压运算模块用于对参考采样电压进行电平变换，得到中间电压，并将中间电压输出至目标偏置模块；
[0010]所述目标偏置模块用于根据所述中间电压，实现的纳安级亚阈值电流偏置；
[0011]所述偏置电压产生电路用于对所述目标偏置模块的工艺
、
电源电压
、
温度特性进行提取，以获得对应偏置电压变化特性曲线，指导所述电流偏置模块建设；包括：模拟目标偏置模块和恒流偏置电压模块；
[0012]所述恒流偏置电压模块用于采集偏置电压在工艺
、
电源电压
、
温度变化条件下的
偏置电压变化率，输出端与所述模拟目标偏置模块相连接；
[0013]所述模拟目标偏置模块与所述目标偏置模块结构相同，用于模拟所述目标偏置模块恒流条件下的电学特性，输出端与所述恒流偏置电压模块相连接
。
[0014]优选的，所述工艺电压温度采样模块包括：微安级电流偏置器
、
第一
MOS
管和单位增益放大器；所述第一
MOS
管的源极与电源电压相连接；所述第一
MOS
管的栅极与漏极相连接，并连接至所述电流偏置器输入端和单位增益放大器输入端；所述单位增益放大器输出端与所述偏压运算模块相连接；所述单位增益放大器用于对输出信号进行增益
。
[0015]优选的，所述单位增益放大器包括第一运算放大器；所述第一运算放大器的同向输入端与所述第一
MOS
管的栅极相连接；所述第一运算放大器的反向输入端短接至第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器输出端与所述偏压运算模块相连接，向所述偏压运算模块输出所述参考采样电压
。
[0016]优选的，所述偏压运算模块包括四个电阻和第二运算放大器；所述参考采样电压通过第一电阻传输至所述第二运算放大器同向输入端；第一参考电压通过第二电阻传输至所述第二运算放大器同向输入端；第二参考电压通过第三电阻传输至所述第二运算放大器反向输入端；第二运算放大器反向输入端通过第四电阻短接至所述第二运算放大器输出端；所述第二运算放大器输出端与所述目标偏置模块相连接，向所述目标偏置模块输出中间电压
。
[0017]优选的，所述目标偏置模块包括第二
MOS
管和第三
MOS
管；所述第二
MOS
管栅极与所述偏压运算模块输出端相连接，用于接收所述中间电压；所述第二
MOS
管源极与电源电压相连接，漏极与所述第三
MOS
管漏极相连接；所述第三
MOS
管栅极与第三参考电压相连接
。
[0018]优选的，所述模拟目标偏置模块包括第四
MOS
管和第五
MOS
管；所述第四
MOS
管与所述第二
MOS
管结构相同；所述第五
MOS
管与所述第三
MOS
管结构相同
。
[0019]优选的，所述第四
MOS
管源极与电源电压相连接，漏极与所述第五
MOS
管漏极相连接；所述第五
MOS
管源极与所述恒流偏置电压模块输入端相连接，栅极与所述第三参考电压相连接；所述第四
MOS
管栅极与所述恒流偏置电压模块输出端相连接
。
[0020]优选的，所述恒流偏置电压模块包括第五电阻和第三运算放大器；所述第五电阻一端与所述模拟目标偏置模块输出端相连接，另一端接地；所述第三放大器同向输入端与所述模拟目标偏置模块输出端相连接，反向输入端与第四参考电压相连接，输出端与所述模拟目标偏置模块输入端相连接
。
[0021]优选的，所述自适应恒流偏置电压产生电路具有反馈功能；所述恒流偏置电压模块内电流增大时，所述恒流偏置电压模块输出电压将增大；所述模拟目标偏置模块输出电压将减小，从而抑制所述恒流偏置电压模块内电流增大；反之亦然；实现对所述自适应恒流偏置电压产生电路的反馈
。
[0022]本专利技术还提供一种具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源的设计方法，应用于上述的纳安级电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有工艺电压温度补偿能力的纳安级电流源，其特征在于，包括：电流偏置电路和自适应恒流偏置电压产生电路；所述电流偏置电路用于实现纳安级亚阈值电流偏置，包括：工艺电压温度采样模块
、
偏压运算模块和目标偏置模块；所述工艺电压温度采样模块用于检测工艺
、
电源电压
、
温度的变化，得到参考采样电压，并将所述参考采样电压传输至所述偏压运算模块；所述偏压运算模块用于对参考采样电压进行电平变换，得到中间电压，并将中间电压输出至目标偏置模块；所述目标偏置模块用于根据所述中间电压，实现的纳安级亚阈值电流偏置；所述偏置电压产生电路用于对所述目标偏置模块的工艺
、
电源电压
、
温度特性进行提取，以获得对应偏置电压变化特性曲线，指导所述电流偏置模块建设；包括：模拟目标偏置模块和恒流偏置电压模块；所述恒流偏置电压模块用于采集偏置电压在工艺
、
电源电压
、
温度变化条件下的偏置电压变化率，输出端与所述模拟目标偏置模块相连接；所述模拟目标偏置模块与所述目标偏置模块结构相同，用于模拟所述目标偏置模块恒流条件下的电学特性，输出端与所述恒流偏置电压模块相连接
。2.
根据权利要求1所述的电流源电路，其特征在于，所述工艺电压温度采样模块包括：微安级电流偏置器
、
第一
MOS
管和单位增益放大器；所述第一
MOS
管的源极与电源电压相连接；所述第一
MOS
管的栅极与漏极相连接，并连接至所述电流偏置器输入端和单位增益放大器输入端；所述单位增益放大器输出端与所述偏压运算模块相连接；所述单位增益放大器用于对输出信号进行增益
。3.
根据权利要求2所述的纳安级电流源，其特征在于，所述单位增益放大器包括第一运算放大器；所述第一运算放大器的同向输入端与所述第一
MOS
管的栅极相连接；所述第一运算放大器的反向输入端短接至第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器输出端与所述偏压运算模块相连接，向所述偏压运算模块输出所述参考采样电压
。4.
根据权利要求1所述的纳安级电流源，其特征在于，所述偏压运算模块包括四个电阻和第二运算放大器；所述参考采样电压通过第一电阻传输至所述第二运算放大器同向输入端；第一参考电压通过第二电阻传输至所述第二运算放大器同向输入端；第二参考电压通过第三电阻传输至所述第二运算放大器反向输入端；第二运算放大器反向输入端通过第四电阻短接至所述第二运算放大器输出端；所述第二运算放大器输出端与所述目标偏置模块相连接，向所述目标偏置模块输出中间电压
。5.
根据权利要求1所述的纳安级电流源，其特征在于，所述目标偏置模块包括第二
MOS
管和第三
MOS
管；所述第二
MOS
管栅极与所述偏压运算模块输出端相连接，用于接收所述中间电压；所述第二
MOS
管源极与电源电压相连接，漏极与所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冬生，苏彦文，李豪，李凯岳，简至杰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：