一种高压供电的PTAT基准电流源电路

摘要

一种高压供电的PTAT基准电流源电路，包括电流吸收模块和PTAT基准电流产生模块，PTAT基准电流产生模块通过PNP型三极管钳位将温度信号转换成与绝对温度成正比的基准电流输出，采用LDMOS管替换传统结构中的普通MOS管，使得本发明能够适应高压供电；针对普通MOS替换成LDMOS管导致的由于管子寄生电容变大、输入电压的dv/dt噪声更容易串扰到第四NMOS管栅极而影响输出基准电流的问题，以及LDMOS管栅源电容更大导致开启速度更慢的问题，本发明还设计了LDMOS分压电流镜与电容噪声滤波结构，不仅能够承受高电压而且减轻了dv/dt噪声的影响，同时利用电流吸收模块抽取PTAT基准电流产生模块的电流，加快了基准电流建立稳定状态的速度。

权利要求

1.一种高压供电的PTAT基准电流源电路，其特征在于，包括电流吸收模块和PTAT基准电流产生模块，

所述PTAT基准电流产生模块包括第一PNP型三极管、第二PNP型三极管、第二电阻、第一电容、第三PMOS管、第四PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，其中第三PMOS管、第四PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管均为LDMOS管，第三PMOS管和第四PMOS管的尺寸比为1:1，第三NMOS管和第四NMOS管的尺寸比为1:1；

第一PNP型三极管的基极和集电极互连并连接第二PNP型三极管的基极和第三PMOS管的源极，其发射极连接供电电压；

第二PNP型三极管的集电极连接第四PMOS管的源极，其发射极通过第二电阻后连接供电电压；

第三NMOS管的栅极连接第四NMOS管的栅极和漏极、第四PMOS管的漏极以及第五NMOS管的栅极并通过第一电容后接地，其漏极连接第三PMOS管的栅极和漏极以及第四PMOS管的栅极，其源极连接第四NMOS管和第五NMOS管的源极并接地；

第五NMOS管的漏极输出与绝对温度成正比的基准电流；

所述电流吸收模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，其中第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管为LDMOS管；

第二PMOS管的栅极连接第一PMOS管的栅极和漏极以及第一NMOS管的漏极，其源极连接第一PMOS管的源极并连接供电电压，其漏极连接第二NMOS管的栅极和漏极、第一NMOS管的栅极以及所述PTAT基准电流产生模块中第一PNP型三极管的集电极；

第一PMOS管的尺寸大于第二PMOS管的尺寸使得所述电流吸收模块能够从所述PTAT基准电流产生模块中第一PNP型三极管的集电极抽取电流；

第一电阻一端连接第一NMOS管和第二NMOS管的源极，另一端接地。

2.根据权利要求1所述的高压供电的PTAT基准电流源电路，其特征在于，通过调整第一电阻的电阻值能够控制所述电流吸收模块从第一PNP型三极管集电极抽取的电流，第一电阻的电阻值越大抽取的电流越小，同时第一电阻用于分担高压供电的电压降；第一电阻选择多晶硅电阻或阱电阻实现。

3.根据权利要求1或2所述的高压供电的PTAT基准电流源电路，其特征在于，设置第一PMOS管和第二PMOS管的尺寸比为1.5:1。

说明书

一种高压供电的PTAT基准电流源电路

技术领域

[0001] 本发明属于电子电路技术领域，涉及一种高压供电的PTAT基准电流源电路。

背景技术

[0002] 基准电流源被广泛地用在模拟电路系统中，用于决定系统偏置或者提供参考电流信号。在大多数情况下，要求基准电流源的输出电流需要与温度关系很小或者与绝对温度
成正比(PTAT)。以PTAT基准电流源为例，PTAT基准电流源会根据温度来调整输出的基准电
流，在一定程度上可以补偿温度对电路系统带来的影响。

[0003] PTAT基准电流源的基本原理是采集三极管的发射结电压来调整输出，由于三极管发射结的电压与温度密切相关，因此当温度变化时，发射结电压也会随之变化，再经过放
大、钳位等操作，即可产生与绝对温度成正比的基准电流信号输出。典型的PTAT基准电流源
的温度特性曲线如图1所示，由于晶体管总会存在寄生参数，模型的精度也有一定的限制，
因此实际的温度特性曲线会有一定的非线性性。

[0004] 传统的PTAT基准电流源大多是针对5V以下的供电电压进行设计，因此通常采用普通的MOS管，但是普通的MOS管无法耐受较高的电压，不适合高压供电。然而在功率电子电路
中，供电电压往往在24V甚至36V以上，这种情况下传统的PTAT基准电流源设计已经不再适
用，必须换用LDMOS管。LDMOS管与普通MOS管在工艺和参数上都存在很多不同，需要进行专
门的设计与优化。因此，在功率电子设备中，针对高压供电的PTAT基准电流源设计显得尤为
重要。

发明内容

[0005] 针对传统方案中采用普通MOS管构成的PTAT基准电流源结构无法耐受高电压的问题，本发明提出一种高压供电的PTAT基准电流源电路，PTAT基准电流产生模块采用LDMOS管
降压结合PNP三极管产生与绝对温度成正比的基准电流，解决了传统结构无法耐受高电压
的问题；同时针对将普通MOS替换成LDMOS管带来的dv/dt噪声影响，本发明设计了第一电容
C来滤除dv/dt带来的噪声；针对LDMOS管开启速度慢的问题，本发明设计了电流吸收模块从
PTAT基准电流产生模块中抽取电流，从而加速上电启动过程。

[0006] 本发明的技术方案为：

[0007] 一种高压供电的PTAT基准电流源电路，包括电流吸收模块和PTAT基准电流产生模块，

[0008] 所述PTAT基准电流产生模块包括第一PNP型三极管、第二PNP型三极管、第二电阻、第一电容、第三PMOS管、第四PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管，其中第三PMOS
管、第四PMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管和第五NMOS管均为LDMOS管，第三PMOS管和第四
PMOS管的尺寸比为1:1，第三NMOS管和第四NMOS管的尺寸比为1:1；

[0009] 第一PNP型三极管的基极和集电极互连并连接第二PNP型三极管的基极和第三PMOS管的源极，其发射极连接供电电压；

[0010] 第二PNP型三极管的集电极连接第四PMOS管的源极，其发射极通过第二电阻后连接供电电压；

[0011] 第三NMOS管的栅极连接第四NMOS管的栅极和漏极、第四PMOS管的漏极以及第五NMOS管的栅极并通过第一电容后接地，其漏极连接第三PMOS管的栅极和漏极以及第四PMOS
管的栅极，其源极连接第四NMOS管和第五NMOS管的源极并接地；

[0012] 第五NMOS管的漏极输出与绝对温度成正比的基准电流；

[0013] 所述电流吸收模块包括第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管、第二NMOS管和第一电阻，其中第一PMOS管、第二PMOS管、第一NMOS管和第二NMOS管为LDMOS管；

[0014] 第二PMOS管的栅极连接第一PMOS管的栅极和漏极以及第一NMOS管的漏极，其源极连接第一PMOS管的源极并连接供电电压，其漏极连接第二NMOS管的栅极和漏极、第一NMOS
管的栅极以及所述PTAT基准电流产生模块中第一PNP型三极管的集电极；

[0015] 第一PMOS管的尺寸大于第二PMOS管的尺寸使得所述电流吸收模块能够从所述PTAT基准电流产生模块中第一PNP型三极管的集电极抽取电流；

[0016] 第一电阻一端连接第一NMOS管和第二NMOS管的源极，另一端接地。

[0017] 具体的，通过调整第一电阻的电阻值能够控制所述电流吸收模块从第一PNP型三极管集电极抽取的电流，第一电阻的电阻值越大抽取的电流越小，同时第一电阻用于分担
高压供电的电压降；第一电阻选择多晶硅电阻或阱电阻实现。

[0018] 具体的，设置第一PMOS管和第二PMOS管的尺寸比为1.5:1。

[0019] 本发明的有益效果为：本发明采用LDMOS管适应高压供电，解决了普通MOS管构成的PTAT基准电流源结构存在的耐压问题；设计了第一电容C构成噪声滤波结构，能够很好地
抵抗供电电压跳变带来的dv/dt噪声影响；利用电流吸收模块抽取PTAT基准电流产生模块
的电流，加快了基准电流建立稳定状态的速度。

附图说明

[0020] 图1为传统PTAT基准电流源的温度特性曲线图。

[0021] 图2为本发明提出的一种高压供电的PTAT基准电流源电路的具体结构示意图。

[0022] 图3为本发明提出的一种高压供电的PTAT基准电流源在掉电时的工作波形图，其中图3中(a)为没有设置第一电容C进行滤波时的波形图，图3中(b)为设置了第一电容C进行
滤波后的波形图。

[0023] 图4为本发明提出的一种高压供电的PTAT基准电流源在上电时的工作波形图，其中图4中(a)为没有设置电流吸收模块时的波形图，图4中(b)为设置了电流吸收模块后的波
形图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的描述。

[0025] 如图2所示是本发明提出的一种高压供电的PTAT基准电流源电路，包括电流吸收模块和PTAT基准电流产生模块，其中PTAT基准电流产生模块包括第一PNP型三极管Q1、第二
PNP型三极管Q2、第二电阻R2、第一电容C、第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第三NMOS管N3、第
四NMOS管N4和第五NMOS管N5，第一PNP型三极管Q1的基极和集电极互连并连接第二PNP型三
极管Q2的基极和第三PMOS管P3的源极，其发射极连接供电电压VCC；第二PNP型三极管Q2的
集电极连接第四PMOS管P4的源极，其发射极通过第二电阻R2后连接供电电压VCC；第三NMOS
管N3的栅极连接第四NMOS管N4的栅极和漏极、第四PMOS管P4的漏极以及第五NMOS管N5的栅
极并通过第一电容C后接地，其漏极连接第三PMOS管P3的栅极和漏极以及第四PMOS管P4的
栅极，其源极连接第四NMOS管N4和第五NMOS管N5的源极并接地；第五NMOS管N5的漏极输出
与绝对温度成正比的基准电流。

[0026] PTAT基准电流产生模块中第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4和第五NMOS管N5均为LDMOS管，利用LDMOS管承受高压供电，结合PNP型三极管发射结的
电压与温度密切相关的特性，通过PNP型三极管钳位将温度信号转换成与绝对温度成正比
的基准电流输出。第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第三NMOS管N3和第四NMOS管N4形成了自举
结构，第三PMOS管P3和第四PMOS管P4的尺寸比设置为1:1，第三NMOS管N3和第四NMOS管N4的
尺寸比设置为1:1，实现电压钳位。

[0027] 电流吸收模块用于从PTAT基准电流产生模块中抽取电流实现加速启动，如图2所示，本发明提出的电流吸收模块包括第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1、第二
NMOS管N2和第一电阻R1，其中第一PMOS管P1、第二PMOS管P2、第一NMOS管N1和第二NMOS管N2
为LDMOS管；第二PMOS管P2的栅极连接第一PMOS管P1的栅极和漏极以及第一NMOS管N1的漏
极，其源极连接第一PMOS管P1的源极并连接供电电压VCC，其漏极连接第二NMOS管N2的栅极
和漏极、第一NMOS管N1的栅极以及PTAT基准电流产生模块中第一PNP型三极管Q1的集电极；
设置第一PMOS管P1的尺寸大于第二PMOS管P2的尺寸使得电流吸收模块能够从PTAT基准电
流产生模块中第一PNP型三极管Q1的集电极抽取电流；第一电阻R1一端连接第一NMOS管N1
和第二NMOS管N2的源极，另一端接地。

[0028] 下面详细描述本发明的工作原理和工作过程：

[0029] 开始上电的时候，供电电压VCC由外部给定，从零开始缓慢上升，第一PNP型三极管Q1和第二NMOS管N2最先开始导通且有电流流过。电流从第一PNP型三极管Q1的发射极流入，
经过第二NMOS管N2流向第一电阻R1。随着第二NMOS管N2的导通，第一NMOS管N1、第一PMOS管
P1和第二PMOS管P2很快也导通并建立起偏置。本发明设置第一PMOS管P1的尺寸略大于第二
PMOS管P2的尺寸，所以第二PMOS管P2流过的电流会略小于第二NMOS管N2，需要从第一PNP型
三极管Q1的集电极抽取电流。图2所示实施例中设置第一PMOS管P1和第二PMOS管P2的尺寸
比为1.5:1，当然也可以采用其他比例，只要满足第一PMOS管P1的尺寸略大于第二PMOS管P2
的尺寸并大致接近1:1即可。同样的，图2所示实施例中第一PNP型三极管Q1和第二PNP型三
极管Q2的尺寸比设置为1:2，也可以按照实际应用取不同的值。

[0030] 同时，第一PNP型三极管Q1的导通使得第二PNP型三极管Q2的发射结也导通，会有小股电流流向第四PMOS管P4的源极与第四NMOS管N4的栅极，为第四NMOS管N4的栅节点充
电。随着第四NMOS管N4的栅极电压逐渐上升，第四NMOS管N4与第三NMOS管N3、第五NMOS管N5
会一同导通。又由于第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第三NMOS管N3、第四NMOS管N4构成自举
结构，因此第三PMOS管P3、第四PMOS管P4也会很快导通。至此，图2中所有管子均已进入导通
状态。随着供电电压VCC建立完成，整个电路很快进入稳定工作状态。

[0031] 稳定状态下，考虑了电流吸收模块从PTAT基准电流产生模块抽取的电流Isink后，可知第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2发射结电压满足如下关系式：

[0032]

[0033]

[0034] VR2+Vbe2＝Vbe1

[0035] IQ1≈IQ2+Isink

[0036] 式中Vbe1代表第一PNP型三极管Q1的发射结电压，Vbe2代表第二PNP型三极管Q2的发射结电压，VR2是第二电阻R2两端电压。IQ1为第一PNP型三极管Q1的发射极电流，而IQ2为第二
PNP型三极管Q2的发射极电流。Is则是第一PNP型三极管Q1的反向饱和电流。k为玻尔兹曼常
数，q为电子电荷量，T为绝对温度。

[0037] 显然综合上述式子可以解得第二电阻R2流过的电流IR2为

[0038]

[0039] R2为第二电阻R2的阻值。显然流过第二电阻R2的电流会与绝对温度成比例，满足PTAT的关系。流过第二电阻R2的电流经过第四NMOS管N4、第五NMOS管N5构成的电流镜镜像
到输出端，决定输出的基准电流信号IOUT。

[0040] 如图3所示是本发明的PTAT基准电流源电路掉电状态下的工作波形图。当掉电的情况发生时，供电电压VCC会迅速下降到较低的电平，对应的dv/dt噪声信号有可能会经过
第一PNP型三极管Q1、第二PNP型三极管Q2、第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第三NMOS管N3的
寄生电容串扰到第四NMOS管N4的栅极，如果没有滤波电容即第一电容C，则有可能导致第四
NMOS管N4的栅极电压VG过低，甚至第四NMOS管N4关断。由于第三PMOS管P3、第四PMOS管P4、
第三NMOS管N3、第四NMOS管N4形成了自举结构，如果第四NMOS管N4关断，那么有可能导致第
三PMOS管P3、第四PMOS管P4、第三NMOS管N3也同时关断，PTAT基准电流产生模块被锁死在零
输出电流的状态，如图3(a)所示。为了解决这一问题，本发明设置了第一电容C来稳定第四
NMOS管N4的栅极电压，滤除dv/dt带来的噪声。加了滤波电容C后的波形如图3(b)所示，由于
电容的滤波作用，第四NMOS管N4的栅极电压VG的电压波动小了很多，在供电电压VCC稳定后
VG会重新回到正常电位。第一电容C的取值可以由本领域技术人员根据实际情况进行调整，
过大会影响瞬态响应的速度，过小则不容易起到滤波的效果。

[0041] 如图4所示分别展示了有无电流吸收模块时的工作波形图。电流吸收模块起到加速PTAT上电启动的效果。在上电过程中，供电电压VCC的电平会缓慢上升，对应的dv/dt噪声
会使得第四NMOS管N4的栅极电压VG相较稳定状态下偏高，节点存在多余的电荷。当上电结
束后，供电电压VCC处于稳定的电平，第四NMOS管N4栅极处的电压会逐渐回到稳定状态。如
果没有电流吸收模块，如图4中(a)所示，第四NMOS管N4栅极的多余电荷会通过到地寄生通
路缓慢泄放，直至第四NMOS管N4栅极电压回到正常水平，这一泄放过程会比较缓慢，影响稳
态的建立速度。增加了电流吸收模块以后，电流吸收模块会从PTAT基准电流产生模块抽取
一部分电流，使得流过第三NMOS管N3的电流减小；第三NMOS管N3电流的减小会使得PTAT内
部的反馈环调整，第四NMOS管N4的栅极电平会更快地下降到正常电平。因此在增加了电流
吸收模块以后，稳定状态的建立速度加快了，如图4(b)所示。可以看出在图4中(a)和(b)的
50us处有微小幅度的下降，但是由于图中VG的直流电压在800毫伏，而图4中(a)的下降幅度
大约在20毫伏，图4中(b)的下降幅度大约在1毫伏，相对直流电压小得多，因此下降幅度在
图4中不太明显。

[0042] 电流吸收模块抽取的电流Isink由下式决定：

[0043]

[0044] 其中Vcc代表供电电压的电压值，VGS,N2为第二NMOS管N2的栅源电压，R1为第一电阻R1的阻值。通过调整第一电阻R1的电阻值能够控制电流吸收模块抽取的电流Isink，第一电
阻R1的电阻值越大抽取的电流越小，同时第一电阻R1用于分担高压供电的电压降。由于电
流吸收模块的抽取电流不能过大，否则容易导致功耗的明显增加，要降低抽取电流值，就必
须将第一电阻R1做成大电阻；且实际中第一电阻R1上会分担很大一部分电压降，因此也需
要第一电阻R1为大电阻以分担高压，第一电阻R1通常可以采用多晶硅电阻工艺来实现，或
选择阱电阻实现第一电阻R1。第二电阻R2是一个中小型电阻，第一电容C是一个小型的滤波
电容，都是常规器件。

[0045] 至此，在合理确定器件参数后，整体电路能够在高压供电下输出PTAT基准电流。

[0046] 综上所述，本发明提出一种PTAT基准电流源电路，为了适应高压供电，将传统结构中的普通MOS管替换为LDMOS管，解决了普通MOS管构成的PTAT基准电流源结构存在的耐压
问题；并且基于普通MOS替换成LDMOS后，导致的管子寄生电容会变大、输入电压的dv/dt噪
声更容易串扰到第四NMOS管N4栅极而影响输出基准电流的问题，以及LDMOS栅源电容更大
导致开启速度更慢的问题，本发明设计了LDMOS分压电流镜与电容噪声滤波结构，不仅能够
承受高电压而且减轻了dv/dt的影响，同时利用电流吸收模块抽取PTAT基准电流产生模块
的电流，加快了基准电流建立稳定状态的速度。

[0047] 本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。