全npn晶体管的与绝对温度成正比的电流源

摘要

本发明涉及改进的与绝对温度成正比的(PTAT)电流源和产生PTAT电流的相应方法。利用晶体管的基-发射极电压和集电极电流之间的对数关系产生合适的集电极电流，并强制其流入两个晶体管。连接在所述两个晶体管的基极之间的电阻感受两个晶体管的基-发射极电压的电压差，这两个晶体管有相同的或不同的面积。流过电阻的电流的一部分被强制流入晶体管集电极，并被输出晶体管反映而提供输出电流。通过这一原理，能提供一种全npn晶体管的PTAT电流源而不需要像普通PTAT电流源中那样的pnp晶体管。本发明一般适用于需要PTAT电流参考的各种不同类型的集成电路。

权利要求

1.一种产生与绝对温度成正比的电流的电路，其特征在于所述电路 包括：

第一电流通路(10)，其包含第一电阻元件(R1)和耦连在第一节点 (N1)上的第一晶体管装置(T1)；和与第一电流通路(10)并联的第二 电流通路(20)，其包含第二电阻元件(R2)和耦连在第二节点(N2)上 的第二晶体管装置(T2)；

与第一电流通路(10)和第二电流通路(20)并联的PTAT电流通路 (30)，其包含配置为由从所述第一节点(N1)来的信号控制的第一电流 源(I1)，配置为由从所述第二节点(N2)来的信号控制的第二电流源(I2)， 和分别在第三节点(N3)和第四节点(N4)上耦连在所述第一电流源(I1) 和所述第二电流源(I2)之间的电流敏感元件(R)；和耦连至所述第四节点(N4)的所述第一晶体管装置(T1)的控制端， 和耦连至所述第三节点(N3)的所述第二晶体管装置(T2)的控制端。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于进一步包括：第三电流 通路(40)，其包含配置为由所述第二节点(N2)的所述信号控制的第三 电流源(Q6)，并将参考电流提供给连接在第四节点(N4)和所述第三电 流源(Q6)之间的电流镜装置。

3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：所述第二电流源是所 述电流镜装置的镜像电流源。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于进一步包括：第四电流 通路(50)，其包含第四电流源(Q1)，所述第四电流源(Q1)的电流与 所述第二电流源的电流成正比。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于：所述第四电流通路(50) 进一步包括配置为由从所述第一节点(N1)来的信号控制的第五电流源 (Q9)。

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于进一步包括：第五电流 通路(25)，其包含第三电阻元件(Rc8)和第三晶体管装置(Q8)，其中， 所述第三晶体管装置(Q8)的控制端(B8)耦连至所述第三节点(N3)。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于进一步包括：第六电流 通路(60)，其包含耦连在第五节点(N5)上的第六电流源(Q6)和第七 电流源(Q7)，所述第六电流源(Q6)配置为由所述第二节点(N2)的 信号控制，所述第七电流源(Q7)配置为由所述第三节点(N3)的信号 控制，其中，所述第二电流源配置为由所述第五节点(N5)的信号控制。

8.根据前面权利要求中的任何一项所述的电路，其特征在于：所述 各个电流源由相应的晶体管装置实现。

9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于：所述电路的所述晶体 管装置都是npn晶体管，或者都是pnp晶体管。

10.一种射频功率放大器，射频标签电路或者卫星微波前端电路， 其包括产生与绝对温度成正比的电流的电流源电路，其特征在于包括根 据权利要求1至9之一所述的电路。

说明书

技术领域

本发明涉及一种产生与绝对温度成正比的电流的电路。

背景技术

电流参考电路是众所周知的电路，广泛应用于从A/D转换器和D/A 转换器到电压调整器、存储器和偏置电路的宽广范围。电流参考电路中 最重的一种是称为与绝对温度成正比(PTAT)的电流源，其产生线性地 随温度变化的电流。图8表示简化的普通PTAT电流源方案，其例如可在 H.C Nauta和E.H Nordholt，“New class of high-performance PTAT current sources”，(Electron.Lett，vol.21，pp.384-386，Apr.1985)中找到。
这种PTAT参考电路的基本概念是以两个npn-晶体管和一个电阻R 为核心。相等的电流被供给晶体管T1和T2，它们由两个npn-晶体管T4 和T3构成的电流镜产生。因此，相等的集电极电流Ic1、Ic2被强制流入晶 体管T1和T2两者。因为晶体管T1和T2的结面积相差一个系数n，所 以在晶体管T1和T2中有不相同的电流强度，引起晶体管T1和T2的基- 发射极电压Vbe1和Vbe2之间的差。这个差被用来在电阻R中产生PTAT 电流。假定晶体管T1和T2都是理想的并且是正向偏置，则下列关系成 立：
$I_R=\frac{V_{\mathrm{be}2}-V_{\mathrm{be}1}}{R}=\frac{\eta V_T}{R}\ln \left(n\right)---\left(1\right)$
在等式(1)中，是波耳兹曼常数k和绝对温度T相乘再除以 电子电荷q所确定的热电压，η是正向发射系数。由于分别在晶体管T1 和T2中的集电极电流Ic1、Ic2是相同的，所以输出的PTAT电流可写为：
$I_{\mathrm{PTAT}}={2I}_R=2\frac{\eta V_T}{R}\ln \left(n\right)---\left(2\right)$
由等式(2)可以看出，输出电流IPTAT与绝对温度成正比，而与电源 电压无关。
但是，在图8的电路中，具有另一种可能的稳定状态，那里电流为 零。因此，在普通PTAT电流源的实际实现中，需要对图8的电路进行更 为精巧的修改。例如，外加启动电路以避免零电流状态。A.Faber， “Bidirectional current-controlled PTAT current source”(IEEE Trans.On Cir. And Sys.-I，vol 41，No.12，Dec 1994)中披露了一种不用启动电路的更精 致的装置，该装置提供双向PTAT电流。
但是，已知的PTAT电流源的缺点是需要n-型和P-型两种晶体管。 如果这些电路要在像磷化铟(InP)、砷化锗(GaAs)(例如最好用于RF (射频)和微波用途)、绝缘基底硅片(SOI)(例如用于RF标签的新兴 市场)那样的工艺过程中实现，或者在只适用于n-型或P-型半导体器件 二者择一，或互补型半导体性能较差的任何其他生产技术中完成，这会 是一个主要问题。此外，上述PTAT电流源原则上需要两个面积不同的双 极型晶体管以便产生不同的基-发射极电压。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种PTAT电流源，其也能以相同的晶体管 实现依赖于温度的电压差。本发明的另一目的是推荐一种不需要启动电 路的PTAT电路布局技术。本发明的又一目的是仅使用n-型半导体器件。
本发明由独立的权利要求确定。附属权利要求确定有利的实施方式。
本发明提供一种用于产生与绝对温度成正比的电流的电路，该电路 包括第一电流通路，其包含第一电阻元件和与第一节点耦连的第一晶体 管装置，和与第一电流通路并联的第二电流通路，其包含第二电阻元件 和与第二节点耦连的第二晶体管装置。本发明进一步提供一条与第一和 第二电流通路并联的PTAT电流通路，其包括配置为由从所述第一节点来 的信号控制的第一电流源，配置为由从所述第二节点来的信号控制的第 二电流源，以及分别于第三节点和第四节点耦连在所述第一电流源与所 述第二电流源之间的电流敏感元件。第一晶体管装置的控制端耦连至第 四节点，第二晶体管装置的控制端耦连至第三节点。
根据本发明，利用各个基-发射极电压和相应的集电极电流之间的对 数关系，在第一和第二晶体管中产生并强制流动合适的集电极电流，免 除了普通PTAT电流源所需要的互补晶体管。而且，PTAT电流源也可以 用相同的第一和第二晶体管装置实现。
根据第一实施例，电路进一步包括第三电流通路，其包含配置为由 所述第二节点的所述信号控制的第三电流源，并将参考电流提供给连接 在第四节点和第三电流源之间的电流镜装置。有利的是，所述第二电流 源能用所述电流镜装置的镜像电流源构成，其由所述第二节点的所述信 号通过所述第三电流源间接地控制。
根据第二实施例，电路进一步包括第五电流通路，其包含第三电阻 元件和第三晶体管装置。所述第三晶体管装置的控制端耦连至所述第三 节点。
根据第三实施例，所述电路进一步包括第六电流通路，其包含在第 五节点上耦连的第六电流源和第七电流源。所述第六电流源配置为由所 述第二节点的信号控制，所述第七电流源配置为由所述第三节点的信号 控制，其中所述第二电流源配置为由所述第五节点的信号控制。
为了提供与绝对温度成正比的输出电流，根据第一、第二和第三实 施例的所述电路可进一步包括含有第四电流源的第四电流通路，所述第 四电流源的电流与所述第二电流源的电流成正比。在进一步的开发中， 所述第四电流通路可再包括配置为由从所述第一节点来的信号控制的第 五电流源。
作为根据本发明的电路的主要优点，所述各个电流源能由相应的晶 体管装置实现。通常，所述晶体管装置可以是任何种类的可用的晶体管 元件。有利的是，所述电路的所述晶体管装置既可以全是n型晶体管元 件(最好使用npn晶体管)，也可以全是P型晶体管元件。

附图说明

通过下面结合附图对本发明的各种实施例所做的详细描述，本发明 将变得更加明白，附图中：
图1表示本发明一般原理的示意电路图；
图2表示本发明PTAT电流源的第一实施例；
图3表示本发明PTAT电流源的第二实施例；
图4表示本发明PTAT电流源的第二实施例的进一步开发；
图5表示本发明PTAT电流源的第三实施例；
图6表示用温度作为第一实施例的参数，输出电流与电源电压的关 系曲线；
图7表示对于第一实施例的三种不同的电源电压，PTAT电流变化与 温度的关系曲线；和
图8表示现有技术的普通PTAT电流源的简化电路。

具体实施方式

图1是说明本发明的一般原理的简化示意电路图。用来产生与绝对 温度成正比的电流的电路包括第一电流通路10和与第一电流通路10并 联的第二电流通路20。还有与第一电流通路10和第二电流通路20并联 的与绝对温度成正比(PTAT)的电流通路30。第一电流通路10包括第 一电阻元件R1和在第一节点N1上耦连的第一晶体管装置T1。第二电流 通路20包括第二电阻元件R2和在第二节点N2上耦连的第二晶体管装置 T2。PTAT电流通路包括第一电流源I1、第二电流源I2和电阻R，电阻R 作为电流敏感元件分别于第三节点N3和第四节点N4耦连在第一电流源 I1和第二电流源I2之间。第一电流源I1由从所述第一节点N1来的信号 S1控制，第二电流源I2由从所述第二节点N2来的信号S2控制。所述第 一晶体管装置T1的控制端B1耦连至所述第四节点N4，所述第二晶体管 装置T2的控制端B2耦连至所述第三节点N3。
当电源电压Vcc供给电路时，电阻元件R1和R2将第一节点N1和第 二节点N2的电位拉高至Vcc，使第一和第二电流源提供电流进入PTAT 电流通路。这引起第一和第二晶体管装置导通，与各个集电极电流Ic1和 Ic2对应的电流开始流入第一电流通路10和第二电流通路20，它们与第一 晶体管装置T1和第二晶体管装置T2各自的基-发射极电压成指数关系。 由于电路的结构，基-发射极电压Vbe1和Vbe2之间的差等于电阻R上的电 压降，这个电压降和相应的电流服从线性关系。因此，根据本发明的电 路自偏置至稳定状态即工作点。很明显，经过电阻R的电流与绝对温度 成正比，用关系式(1)描述。
也就是说，本发明的PTAT电流源不需要像图8普通PTAT电流源中 那样的P-型晶体管T1和T2。有利的是，只需要n-型晶体管元件，并且 由于其自偏置性能，电路不需要启动电路。因此，根据本发明的PTAT电 流源的工作原理特别适合于像磷化铟、砷化锗那样的新工艺处理的电路， 以及P-型半导体器件不适用的任何其他生产技术。
图2描述本发明的PTAT电流源的第一实施例。在这个电路中，有第 一电流通路10和与第一电流通路10并联的第二电流通路20，两者连接 在电源电压Vcc和电路的参考电位例如地之间。还有与绝对温度成正比 (PTAT)的电流通路30，也耦连在电源电压Vcc和电路的参考电位之间。 第一电流通路10包括作为第一电阻元件的电阻Rc3和耦连在作为第一节 点的节点N1上的作为第一晶体管装置T1的晶体管Q3。第二电流通路 20包括作为第二电阻元件的电阻Rc4和耦连在作为第二节点的节点N2上 的作为第二晶体管装置的晶体管Q4。PTAT电流通路包括作为第一电流 源I1的晶体管Q5、作为第二电流源I2的晶体管Q2以及分别于第三节点 N3和第四节点N4耦连在晶体管Q5和晶体管Q2之间的作为电阻敏感元 件的电阻R。晶体管Q5由从第一节点N1来的信号控制，晶体管Q2由 从第二节点N2来的信号控制。晶体管Q3的控制端即Q3的基极耦连至 第四节点，晶体管Q4的控制端即Q4的基极耦连至第三节点N3。
进一步有第三电流通路40，也耦连在电源电压Vcc和电路的参考电 位之间。第三电流通路40包括作为第三电流源的晶体管Q6和接成二极 管结构的晶体管Q7，其作为由晶体管Q7和Q2组成的电流镜的输入晶体 管。晶体管Q6的控制端即Q6的基极耦连至第二节点N2。Q7的控制端 即Q7的基极耦连至晶体管Q7的集电极和晶体管Q6的发射极。
还有第四电流通路50，连接在电源电压Vdc和电路的参考电位之间。 第四电流通路50包括作为第四电流源的晶体管Q1。晶体管Q1的结构是 它的基极分别耦连至晶体管Q7的基极和晶体管Q2的基极。因此，晶体 管Q1分别反映晶体管Q7和Q2的电流。因为晶体管Q7、Q2、Q1具有 表示为M＝1的相同的面积，所以各个集电极电流Ic7、Ic2和Ic1实际上是 相同的。
为了说明图2的电路是怎样工作的，需要注意电路的电流配置为 Ic4＝2Ic3。通过简单考虑并使用克希荷夫电流定律可推导出：
Ic1＝Ic2＝Ic7
$I_{c6}=\frac{{3I}_{c7}}{\beta }+I_{c7}$
$I_{c5}=I_{c7}+\frac{I_{c4}}{\beta }+\frac{I_{c3}}{\beta }=I_{c7}+\frac{{3I}_{c3}}{\beta }$
这里，为了简化可假定Icx≈Iex(即)。Icx和Iex是晶体管Qx 的集电极和发射极电流。
由于Vbe(Ic)＝ηVTln(Ic/Is)，晶体管的基-发射极电压和集电极电流之间 的一般关系在正向偏置和给定饱和电流Is的情况下，可写成：
$V_{\mathrm{be}6}+V_{\mathrm{be}7}=\eta V_T\ln \left[(\frac{{3I}_{c7}}{\beta }+I_{c7})\frac{1}{I_s}\right]+\eta V_T\ln \left[\frac{I_{c7}}{I_s}\right]$
$V_{\mathrm{be}5}+V_{\mathrm{be}4}=\eta V_T\ln \left[(\frac{{3I}_{c3}}{\beta }+I_{c7})\frac{1}{I_s}\right]+\eta V_T\ln \left[\frac{I_{c4}}{2I_s}\right]$
实际上Q4的尺寸和饱和电流是Q5、Q6和Q7的尺寸和饱和电流的 两倍，即M＝2，而后者是M＝1。
电阻Rc3和Rc4配置为使电路在标称电压下有Ic4＝2Ic7，于是下面的关 系与β无关，即不依赖于工艺过程：
Vbe6+Vbe7＝Vbe5+Vbe4＝2VD
因为Q6的基极电流对第二电流通路20的影响基本上等于Q5的基 极电流对第二电流通路20的影响，所以也能写成：
$I_{c4}\approx I_{\mathrm{Rc}4}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{be}6}-V_{\mathrm{be}7}}{R_{c4}}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-{2V}_D}{R_{c4}}$
$I_{c3}\approx I_{\mathrm{Rc}3}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{be}5}-V_{\mathrm{be}4}}{R_{c3}}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-{2V}_D}{R_{c3}}$
因为在电路中Rc3＝2Rc4，所以上述公式遵循前面的假定Ic4＝2Ic3。基 于这一点，流过电阻R的电流是：
$I_R=\frac{V_{\mathrm{be}4}-V_{\mathrm{be}3}}{R}=\frac{\eta V_T}{R}\ln \left(\frac{I_{c4}}{I_{s4}}\frac{I_{s3}}{I_{c3}}\right)=\frac{\eta V_T}{R}\ln \left(2\right),$
这里因为Q3具有与Q4的相同的尺寸。
分数率χ≈1的这个电流被强制流入Q2的集电极并且也被Q1反映。 于是在Rload上的输出电流是：
$I_{\mathrm{PTAT}}=I_{c1}=\chi \frac{\eta V_T}{R}\ln \left(2\right).$
热电压VT支配IPTAT的温度依赖性。因此，输出电流是不依赖于电源 电压和工艺过程的PTAT电流。
图3是描述本发明的PTAT电流源的第二实施例。为了简化起见，下 面描述图2与图3之间的差别。这里有第五电流通路25，也耦连在电源 电压Vcc和参考电位之间。第五电流通路25包括作为第三电阻元件的电 阻Rc8和作为第三晶体管装置的晶体管Q8。晶体管Q8的控制端即Q8的 基极耦连至第三节点N3。注意还有一个差别是晶体管Q4和Q8的面积是 图2的晶体管Q4的面积的一半。
为了说明图3的电路是怎样工作的，注意这个实施例中电路的构成 结果是保持Rc3＝Rc4，并且晶体管Q3是Q4的尺寸的两倍。假定Ic4＝Ic3， 可得：
Ic1＝Ic2＝Ic7
Ic8＝Ic4
$I_{c6}=\frac{{3I}_{c7}}{\beta }+I_{c7}$
$I_{c5}=I_{c7}+\frac{I_{c4}}{\beta }+\frac{I_{c3}}{\beta }+\frac{I_{c8}}{\beta }=I_{c7}+\frac{{3I}_{c4}}{\beta }$
于是：
$V_{\mathrm{be}6}+V_{\mathrm{be}7}=\eta V_T\ln \left[(\frac{{3I}_{c7}}{\beta }+I_{c7})\frac{1}{I_s}\right]+\eta V_T\ln \left[\frac{I_{c7}}{I_s}\right]$
$V_{\mathrm{be}5}+V_{\mathrm{be}4}=\eta V_T\ln \left[(\frac{{3I}_{c4}}{\beta }+I_{c7})\frac{1}{I_s}\right]+\eta V_T\ln \left[\frac{I_{c4}}{I_s}\right]$
选择Rc3和Rc4使电路在标称电压下具有：
Ic4＝Ic7
再则，与β无关即不依赖于工艺过程，有：
Vbe6+Vbe7＝Vbe5+Vbe4＝2VD
再有，因为基极电流对第一电流通路10和第二电流通路20的影响 基本上是相同的，所以也可写成：
$I_{c4}\approx I_{\mathrm{Rc}4}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{be}6}-V_{\mathrm{be}7}}{R_{c4}}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-{2V}_D}{R_{c4}}$
$I_{c3}\approx I_{\mathrm{Rc}3}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-V_{\mathrm{be}5}-V_{\mathrm{be}4}}{R_{c3}}=\frac{V_{\mathrm{cc}}-{2V}_D}{R_{c3}}$
因为电路已构成使Rc3＝Rc4，所以很明显Ic4＝Ic3。因此，电阻R上的 电压差Vbe4-Vbe3产生想要的PTAT电流：
$I_R=\frac{V_{\mathrm{be}4}-V_{\mathrm{be}3}}{R}=\frac{\eta V_T}{R}\ln \left(\frac{I_{c4}}{I_{s4}}\frac{I_{s3}}{I_{c3}}\right)=\frac{\eta V_T}{R}\ln \left(2\right),$
这里因为Q3是Q4的尺寸的两倍。
图4描述本发明的第二实施例的进一步开发。为了减小由于晶体管 Q1的早期效应(厄雷效应)对第四电流通路50的电源电压Vdc的敏感度， 利用晶体管Q1和Q9的串联结构提高图3所示电路的输出电阻，如图4 所推荐的。进一步，为了补偿晶体管Q9所吸收的额外基极电流，将晶体 管Q6、Q7和Q8的尺寸加倍(M＝2)。这样，工艺过程依赖性会再一次 减小。
图5所示本发明的PTAT电流源的第三实施例。图5中的电路结构与 图2类似。因此，再一次为了简短起见，下面只描述图2与图5之间的 差别。晶体管Q7不接成如图2、图3和图5那样的二极管结构，在图5 中，晶体管Q7的基极连接至第三节点N3并且Rc3＝Rc4。另外，晶体管 Q4的尺寸是图2中的晶体管Q4尺寸的一半。
对于根据本发明的电路结构，可容易地求出：
$V_{\mathrm{be}6}+V_{\mathrm{be}2}=V_{\mathrm{be}}[\frac{{3I}_{c2}}{\beta }+I_{c4}]+V_{\mathrm{be}}\left(I_{c2}\right)$
$V_{\mathrm{be}5}+V_{\mathrm{be}4}=V_{\mathrm{be}}[\frac{{2I}_{c4}}{\beta }+\frac{I_{c3}}{\beta }+I_{c2}]+V_{\mathrm{be}}\left(I_{c4}\right)$
关于第一和第二实施例，Rc3和Rc4这样构成，使
Ic4＝Ic2
Vbe6+Vbe2＝Vbe5+Vbe4＝2VD
与β的绝对值无关，即不依赖于工艺过程。
这便强使Q3和Q4中有相等的集电极电流，电阻R上的电压差 Vbe4-Vbe3产生想要的PTAT电流。
为了说明本发明的有效性，已利用磷化铟单一异质结晶体管(InP SHBT)工艺过程实现了本发明的实施例，其特性是在T＝25℃时典型的β 值为30。所使用的模式是VBIC(Vertical Bipolar Inter-Company)，晶体 管具有1μm×5μm的发射极。执行过程中选择了Rc3＝2Rc4＝3kΩ和R＝45Ω。 第一实施例方案的模拟结果表示在图6中，其示出以温度作参数的输出 电流对电源电压的曲线关系。相对于Vcc＝2.5…4.5V范围内的电源电压， IPTAT的最大平均值变化量在25℃时为0.98％，在125℃时为0.24％。另外， 图7表示对于不同电源电压Vcc＝2.5V(实线)、Vcc＝3.5V(虚线)、Vcc＝4.5V (点划线)，PTAT电流相对于温度的变化。
本发明披露了一种改进的PTAT电流源和产生PTAT电流的相应方 法。一般来说，利用晶体管的基-发射极电压和集电极电流之间的对数关 系产生合适的集电极电流，并强制其流入两个晶体管。一个电阻感受两 个晶体管的基-发射极电压的电压差，这两个晶体管有相同的或不同的面 积。流过电阻的电流的一部分被强制流入晶体管集电极，并被输出晶体 管反映而提供输出电流。通过这一原理，能提供一种全npn晶体管的PTAT 电流源而不需要像普通PTAT电流源中那样的pnp晶体管。本发明一般适 用于PTAT电流参考的各种不同类型的集成电路，特别是适用在例如不适 合于P-型器件的InP和GaAs的现代先进工艺技术中。例如，本发明的 PTAT电流源电路能用于射频功率放大器、射频标签电路、卫星微波前端 中。
最后但也是重要的，注意术语“comprising”(“包括”)，当用在包含 权利要求的说明书中时，意指存在所述特点、装置、步骤或者元件，但 不排除存在或加有一个或多个其他特点、装置、步骤、元件或它们的组 合。权利要求中的元件前头的词“a”或“an”(“一个”)也不排除存在多 个这样的元件。此外，任何参考符号不限制权利要求的范围。还有，注 意“coupled”(“耦连”)要理解为在耦连的元件之间有电流通路，即“耦 连”并不意味着这些元件就是直接连接的。