模拟集成电路电流源基准源
Lecture14_带隙基准源与比较器
带隙基准源与比较器z比较器基本概念z基准源–基准电压源–基准电流源z用途–产生稳定的偏置–为ADC/DAC提供比较基准z要求–与电源无关–与温度无关带隙基准源的性能指标z温度系数（temperature coefficient, TC ）–衡量电压基准输出电压因受环境温度变化而偏离正常值的改变程度，是基准电压最重要的性能指标之一，通常表示为百万分之一每度（ppm/℃）。
V ref 代表常温下带隙基准源的输出电压大小，V MAX 、V MIN 分别代表在整个工作温度范围内输出电压的最大值和最小值。
T MAX 、T MIN 分别代表基准源工作的最高温度和最低温度。
6110−−=−i MAX MIN MAX MIN REFV V TC T T V带隙基准源的性能指标（续）z电源抑制比（PSRR ）–在规定的电源电压变化范围内引起的基准输出电压的变化。
z噪声（noise ）–输出电压的噪声包括两类：宽带热噪声，窄带1/f 噪声（0.1～10Hz ）。
–宽带热噪声较小，可利用简单的RC 滤波器有效滤除。
–窄带噪声是基准内部固有的且不可滤除。
低频1/f 噪声是重要指标。
常用峰峰值Vp-p 来表示。
//DD DDref refV V PSRR V V Δ=Δ带隙基准源的性能指标（续）z导通建立时间（turn-on setting time）–从系统加电开始，到带隙基准源输出电压达到稳定的时间叫导通建立时间,导通建立时间的大小反映了启动电路的性能。
z初始精度（initial accuracy）–初始精度用于衡量带隙基准源输出电压的精确度或容限，即带隙基准源工作时，其输出电压偏离其正常值的大小。
通常用百分数表示。
ADC 、DAC 中带隙基准源指标的确定z 带隙基准源的精度必须优于ADC 、DAC 的精度。
z对于N 位分辨率的ADC 和DAC ，为保持其1/2LSB 精度，基准电压V ref 的绝对精度△V N 及其在△T 温度范围内的温度系数TC 分别为：z基准电压源的噪声峰峰至少应小于1/2LSB 。
使用PTAT电流补偿的基准电流
使用PTAT电流补偿的基准电流作者：源滕谋艳来源：《科技视界》 2014年第33期滕谋艳（深圳创维半导体研究所，广东深圳 518108）【摘要】本文提出了一种使用PTAT电流来做温度补偿的基准电流源电路。
在常见的电压控制的基准电流源的基础上，叠加一路PTAT电流，使得基准电流源实现接近零温度系数的温度特性，同时，使用这种温度补偿方法，基准电路源可以使用正温度系数的电阻，电阻设计时就有了更多的器件选择空间。
通过选择随工艺变化较小的正温度系数电阻，可以得到更高的电流精度。
【关键词】PTAT电流；基准电流源；温度补偿0 前言基准电流源是模拟集成电路设计中一种最基本的电路结构，它给其它的电路模块提供所需要的偏置电流它决定了模拟电路的很多指标。
例如：频率、工作电流、延时等。
随着便携式设备的快速发展，其应用环境越来越多样化。
这对模拟电路的性能也提出了更高的要求。
对应的，基准电路源的电流精度以及温度特性的要求也越来越高。
本文提出了一种使用PTAT电流进行补偿的基准电流源电路。
与几种常见的基准电流源电路对比，其在电流精度及温度特性方面都有很大提升，且大大减小了芯片面积，显著提升了芯片的竞争力。
1 常用基准电流源电路。
在模拟电路设计中，常用的基准电流源电路有3种：使用VTH（电压阈值）为基准的电流源、Widlar电流源（微电流源）、电压控制的基准电流源。
其中，由于电压控制的基准电流源电路具有较高的电流精度，应用很广。
其结构如图1所示。
主要由两部分组成，一部分是零温度系数的基准电压，输出电压为Vref，可以由带隙电路产生。
第二部分是运放形成的负反馈电路。
图1 电压控制的基准电流源根据运放的负反馈原理，可以清晰的得到：Iout=Vref/（R1 +R2）（1）Vref为零温度系数电压，可以由带隙产生，随工艺变化较小，且接近为零温度系数。
为了保证Iout不随温度变化，一般的做法是R1与R2一个选择正温度系数类型电阻，另一个选择负温度系数类型电阻。
电子科大微固学院专业课集成电路原理与设计课件第六章——考研专业全
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计 2、威尔逊电流镜 – Wilson Current Mirror
通过电流负反馈提高输出电阻，是一种改进型电流镜。
Iout I DS 2 VGS 2 VGS1 I DS1
参考电流Ir恒定
VDS1 (VGS 3 VGS 2 )
VGS3Iout并趋于原稳定值，即Iout 受Vout影响减弱，输出电阻提高。
图6.7威尔逊电流镜
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计
Rout
ro3
ro
2
1
ro3
gm
3
(13 ) gm1
1 gm2 ro2
rds1
gm
3
ro
集成电路原理与设计
第六章 MOS模拟集成电路
§ 6.1 MOS模拟集成电路基础 6.1.1 MOS模拟集成电路中的元件
§ 6.2 MOS模拟IC子电路 6.2.1 电流源与电流沉 6.2.2 电流镜和电流放大器 6.2.3 基准源 6.2.4 MOS差分放大器 6.2.5 反相放大器 6.2.6 输出级
VDD
R2 R1 R2
VREF对VDD的灵敏度：
VREF
S
VREF
VREF
VREF VDD
1
VDD
VDD VDD
VDD VREF
（a）电阻分压器
（b）有源器件分压器
图6.9 简单分压器
王向展
2024年10月17日12时22分
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集成电路原理与设计
2、pn结基准电压源 （1）简单的pn结基准源
集成电路运算放大器中的电流源
双端输入 单端输入 双端输入 单端输
入
双端输出
单端输出
Avd bRL / rbe , RL = RC // RL 2 bRL 2 rbe , RL = RC // RL
Rid
Ro Avc
K CMR Ric
2 rbe
2 RC
RC
0
RL / 2REE
b REE / rbe g m rbe
rbe 1 b2REE
把直流电源、Vic 都短路；
RL 两臂各分一半； 两臂的差模信号电流大
小相等、方向相反，同
时流过T4 时抵消，使T4 无差模电流、也无差模
电压，T4、 R1 可视作短
路（或开路）， 这里作短路处理；对于RW：两臂各分一半。
Avd
=
r be
b RL
1 b
RW
= 80 3.3 // 5.5 48
2 1.3 81 0.025
例2：b = 80 V BE = 0.2V rce = 50k
一、估算Q点：
I
CQ 4
I
R
V
CC V EE
R3 R2
=
24 5.7
4.2mA
I CQ1 = I CQ2 = I CQ4 2 = 2.1mA
V V V V I R =
=
CEQ1
CEQ 2
CC
E1
CQ1 C
= 12 0.2 2.13.3 5V
KCMR =
Avd Avc
K CMR
=
20 lg
Avd Avc
dB
（1）双端输出时KCMR为无穷大
K A A =
CMR
vd
vc
（2）单端输出时共模抑制比
CMOS-模拟集成电路课件-电流源与电流镜
+ VTHN+2VOD
W/(4L)
VB
-
M4
VDD
W/L
M0
W/L
M1
IREF
Z +
VOUT IOUT=IREF
W/L +
VOD -
M3
VOD -
+
W/L
+
VOD -
M2
VOD -
例4：自偏置 增加R使得 IREFR = VOD，
VGS1 = VTHN + VOD 这样,
VB= VTHN + 2VOD
IOUT
(W (W
/ L)2 / L)1
I REF
IOUT与IREF的比值由器件尺寸的比率决定，不受工艺 和温度的影响。设计者可以通过器件的尺寸比来调整 输出电流的大小。
在λ=0的情况下 ！
2024/10/19
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• 例子:
– 在电流镜电路的实际设计中，通常采 用叉指MOS管，每个“叉指”的沟道 长度相等，复制倍数由叉指数决定， 减小由于漏源区边缘扩散所产生的误 差，以减小器件的失配造成的电流失 配。.
2024/10/19
VDD IREF
+ VOD R
-
VB = 2VOD +VTHN VOUT
IOUT=IREF
+
M0 X
VOD
M3
Y+
VGS = +
VOD
M1 VOD +VTHN M2
-
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-
小结
• 工作在饱和区的MOS晶体管可以充当电流源 • 基本电流镜—基于电流复制 • 共源共栅电流镜—提高复制精度 • 大输出摆幅共源共栅电流源—使得输出的下限等
模拟集成电路中的直流偏置——BJT电流源电路
模拟电子技术知识点：BJT电流源电路集成电路——将一定功能的电路集成在一块零点几～几mm2的硅片上，具有体积小、性能好的特点。
在集成电路中制造一个三端器件比制造一个电阻所占用的面积小，也比较经济。
所以常采用BJT或FET 制成电流源，来给放大电路提供静态偏置。
BJT和FET的输出特性在放大区内均具有近似恒流的特性，而且它们的动态输出电阻值也很高，因而可以直接利用或稍加改进，就能获得一些较好的电流源，以使模拟集成电路能获得稳定的直流偏置。
1. 镜像电流源BE1BE2=V V E1E2=I I C1C2=I I 设T 1、T 2的参数全同即β1＝β2，I CEO1＝I CEO2当BJT 的β较大时，基极电流I B 可以忽略I o ＝I C2≈I REF ＝R V V R V V V EE CC EE BE CC )(+≈---代表符号结论：当R 确定后→ I REF 确定→I C2确定→ I C2是I REF 的镜像。
动态输出电阻2B 12CE 2C o )(I v i r -∂∂=一般r o 在几百千欧以上1. 镜像电流源特点：①T1管对T2管具有温度补偿作用，所以温度稳定性好；②IREF 受电源变化的影响大，故要求电源十分稳定；③适用于较大工作电流（mA级），因为在集成电路中很难实现大电阻R。
1. 镜像电流源2. 微电流源2. 微电流源e2BE2BE1R V V -=E2C2O I I I ≈=e2BE R V ∆=结论：ΔV BE 数值很小→ 采用较小的R e 即可获得微小的工作电流（μA 级）。
模拟电子技术知识点：BJT电流源电路。
模拟电路电流源
模拟电路电流源在电路设计和分析中，模拟电路电流源起到了非常重要的作用。
它可以稳定地提供电流，保证电路正常运行。
本文将探讨模拟电路电流源的原理、分类以及应用。
一、模拟电路电流源的原理模拟电路电流源是一种能够提供恒定电流输出的电路元件。
它可以看作是一个普通电路中的电流放大器，对输入电流进行放大，从而获得所需的恒定输出电流。
二、模拟电路电流源的分类根据电流的来源和性质，模拟电路电流源可以分为主动电流源和被动电流源。
1. 主动电流源主动电流源是通过将电源电压转换为恒定电流输出的电路。
常见的主动电流源包括电流镜、差动对、晶体管电流源等。
- 电流镜电流镜是一种常用的主动电流源。
它由两个晶体管组成，其中一个作为控制管，另一个作为输出管。
通过调节控制管的电流，可以实现恒定电流输出。
- 差动对差动对也是一种常见的主动电流源。
它由两个晶体管共同组成，通过调节输入电压，使得输出电流保持恒定。
- 晶体管电流源晶体管电流源是一种通过晶体管来实现恒定电流输出的电路。
通过调节晶体管的基极电压，可以控制输出电流的大小。
2. 被动电流源被动电流源是利用电阻和电压源来实现电流的恒定输出。
常见的被动电流源有电阻电流源和电压源与电阻组合。
- 电阻电流源电阻电流源是通过串联电阻来实现电流的恒定输出。
根据欧姆定律，通过电阻的电压与通过电阻的电流成正比，可以通过选取合适的电阻值来实现所需的恒定输出电流。
- 电压源与电阻组合电压源与电阻组合也可以实现恒定电流输出。
通过选取合适的电压源和电阻值，使得根据欧姆定律得到的电流保持恒定。
三、模拟电路电流源的应用模拟电路电流源广泛应用于各种电路设计中。
以下是几个常见的应用示例。
1. 增益放大器在放大器电路中，模拟电路电流源可以作为某个阶段的偏置电流源，以提供稳定的工作点，保证放大器具有良好的线性特性和稳定性。
2. 滤波电路在滤波电路中，模拟电路电流源可以作为电容器充放电的电流源，控制信号的频率响应和滤波效果。
电流源在模拟集成电路中的作用
电流源在模拟集成电路中的作用嘿，朋友！咱今天来聊聊电流源在模拟集成电路里那非同小可的作用。
你想想看，模拟集成电路就像一个庞大的城市，而电流源呢，那就是这座城市里稳定可靠的供电站。
要是没有稳定的供电，城市里的各种设施还不得乱套呀？电流源能为电路提供稳定的电流，这就好比一个人的心脏，源源不断地为身体输送血液。
在模拟集成电路里，它能让各个部分都得到恰到好处的能量支持，从而正常工作。
如果电流源出了问题，那整个电路就像没吃饱饭的人，有气无力，啥也干不好。
比如说放大器吧，它要想放大信号，就得有稳定的电流支持。
电流源就像是放大器的坚强后盾，给它提供持续不断且稳定的动力。
要是电流源不稳定，一会儿大一会儿小，那放大器放大出来的信号不就乱套了？这就像你跑步，一会儿有人在后面猛推你，一会儿又拉你，你能跑得顺溜吗？再说说滤波器，它要对不同频率的信号进行筛选和处理。
电流源要是不稳定，滤波器的性能也会大打折扣，就好比筛子的网眼一会儿大一会儿小，还能筛出你想要的东西吗？电流源还能提高电路的精度和性能。
你知道吗？就像一位精细的工匠，只有手里的工具足够好，才能打造出精美的作品。
电流源就是那精良的工具，能让模拟集成电路在处理信号时更加准确、高效。
而且呀，电流源在降低噪声方面也有大功劳。
噪声就像是电路里的“捣蛋鬼”，会干扰正常的信号传输。
电流源能有效地抑制噪声，让信号传输更清晰、更纯净，就像在嘈杂的市场里，给你开辟出一片安静的角落。
总之，电流源在模拟集成电路中那可是至关重要的角色。
没有它，整个模拟集成电路的世界都可能会陷入混乱。
所以呀，咱们可千万不能小瞧了这小小的电流源，它的作用可大着呢！。
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1 4 VR Vt ln 2 3
VREF T0 T R2 5 1 4 T Vgo 1 V nV ln V ln BEO t t T T R 0 1 3 2 3 T0
;
VBE 2mV/C T
(2)由NPN管反向击穿BE结构成的齐纳二极管的击穿电压Vz， Vz=6～9V，它的温度系数：
VZ 2mV/C T
(3)等效热电压Vt＝26mV，温度系数
Vt 0.086 mV/C T
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正向二极管基准电路 齐纳二极管基准电路 具有温度补偿的齐纳基准电路 负反馈基准源电路 参考电压源
VBE 2mV/C T
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齐纳二极管基准电路
(2)由NPN管反向击穿BE结构 成的齐纳二极管的击穿电压Vz， Vz=6～9V，它的温度系数：
VZ 2mV/C T
Vref
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(1) BE结二极管的正向压降VBE, VBE=0.6~0.8V, 他的b1 1
Ic2 2 Ib2 R1 I REF 1I b1 I b1 I b 2 R2
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具有基极电流补偿的恒流源
2 Io 2 Ir 2 2
2
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恒流源和有源负载
一 电流源电路
1. 镜像电流源 基准电流：
I REF
VCC VBE VCC = R R
因为： VBE2 = VBE1
I E2 = I E1
所以： I C2 = I C1 I REF
无论 R c 的值如何， I C2 的电流值将保持不变。
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o
kT0 R2 kT0 J1 1 p ln Vg 0 n R1 q J2 q
可以通过控制有效发射结面积比AEl／AE2或 AE3／AE4及电阻比R2／R1来获得接近零温 度系数的基准源
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3. E／DNMOS基准电压源
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模拟集成电路
.基准源电路
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基准源电路
稳定的电压输出 不随温度变化 低的输出电阻, 不随负载变化
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(1) BE结二极管的正向压降VBE, VBE=0.6~0.8V, 他的温度系数
4. 电流源作有源负载
镜像电流源
共射电路的电压增益为：
R c
rbe
对于此电路Rc就是镜
像电流源的交流电阻， 因此增益比用电阻Rc作负载时大大提高了。
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放大管
恒流源电路
精密匹配电流镜
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PNP基本恒流源及其改进电路
VBE 2mV/C T
VZ 2mV/C T
Vref
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负反馈基准源电路
Vref VB I B 2 VA Vref
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偏置电压源和基准电压源电路
双极型三管能隙基准源 双极型二管能隙基准源 E／DNMOS基准电压源 CMOS基准电压源
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1.双极型三管能隙基准源
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VREF VBE
R2 kT J1 R2 J1 ln VBE Vt ln R3 q J2 R3 J2
VBE T I
C 常数
T T nkT To Vgo 1 T VBE 0 T q ln T o o
;
VBE 2mV/C T
(2)由NPN管反向击穿BE结构成的齐纳二极管的击穿电压Vz， Vz=6～9V，它的温度系数：
VZ 2mV/C T
(3)等效热电压Vt＝26mV，温度系数
Vt 0.086 mV/C T
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具有温度补偿的齐纳基准电路
I DSW I DO W exp VGB / mVt exp VSB / Vt exp VDB / Vt L
次开启区的饱和区
I DSW I DO W exp VGB / mVt exp VSB / Vt L
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VREF
T To
Vgo
只要适当设计R2／R3和J1／J2，即可使在该温度下基准 电压的温度系数接近零
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输出接近为5V的能隙基准源
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2.双极型二管能隙基准源
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VREF T T VBE 0
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VB VBE 2 R2 I b 2
3. 多路电流源
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3. 电流源的改进
Ic2 2 Ib2 R1 I REF 1I b1 I b1 I b 2 R2
• 带缓冲恒流源
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V
' REF
R2 VREF 1 R 1
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4. CMOS基准电压源
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根据MOS晶体管次开启区电特性的理论分析, 当N沟MOSFET工作在次开启区时, 若其源极 电压不为零, 则其漏电流可表示为
I b1 I b 2 I b 2 I b1 I c1 1 I b1 Ic2 2 Ib2 I REF 1 I b1 2 I b1
Ic2 2 Ib2 2 I REF 1 I b1 2 I b1 1 2 2
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I e 2 1I b 2
VBE 2 VB R2 1I b 2 VB VBE1 R1 I b1 R1 1I b1 R1 I b1 1 R2 1I b 2 R2 I b 2 I b 2 R1 I b1 R2
Ic2 2 Ib2 R 1 I REF 1I b1 I b1 I b 2 R2
零温度系数的条件为
T0 R2 5 1 4 Vgo VBEO ln n 1 ln T R1 3 Vt 0 2 3
VREF T T Vg 0 nVt 0
0
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正向二极管基准电路
Vref
温度系数大
内阻较大
芯片面积大
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Vref R1 T R2
R1 Vref 1 VBE R2
解决了大Vref的问题 (1) BE结二极管的正向压降VBE, VBE=0.6~0.8V, 他的温度系数
2. 微电流源
I C2 I E2
VBE1 VBE2 Re2 VBE Re2
由于 VBE 很小，
所以IC2也很小
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I e1 1I b1
VBE1 VB R1 1I b1 I b1, 2 I s expVBE / Vt
1 1 D 1 1 E T T kE E kD D
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其温度系数决定于三个因素
M1，M2的开启电压之差的温度系数， M1，M2漏极电流IDE＝IDD＝ID的温度系 数 沟道电子迁移率的温度系数。
VTD VFBN
QI C
QB C
VFB bi
QI C
QB C
VTE VTD
QB VFB 2 F COX
Q Q VFB bi I B C C
VTE VTD
QI C
VTE VTD 0 T
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VREF
ID ID VTE VTD kE kD
VREF VGSE VGSD T T VTE VTD 1 T 2 ID I D 2 1 1 I D kD kE T
MOS恒流源
I D K VGS VT
W2 L1 Io I REF W1 L2
2
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Wilso恒流源
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4.电流源作有源负载
1.交流电阻大
2.直流电阻小
3.电压范围宽
4.工艺容易实现
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耗尽型和增强型MOS的阈值
增强型
VTE VFB 2 F
耗尽型
QB COX