專利名稱：一種高擺幅可編程電流源的制作方法
—種高擺幅可編程電流源技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電流源，具體涉及一種高擺幅可編程電流源。
背景技術(shù)：
在高壓電源領(lǐng)域，需要電流大小可調(diào)、輸出電流恒定的電流源時，一般實現(xiàn)方法如圖1所示的可編程電流源電路。首先產(chǎn)生一路基準參考電流，然后通過電流鏡，產(chǎn)生多路與基準參考電流成比例的鏡像電流，通過開關(guān)控制，選擇一路或者多路鏡像電流，產(chǎn)生所需大小的電流。
圖2為現(xiàn)有可編程電流源的基準電路100和鏡像電路101的電路圖?；鶞孰娐?00由高壓PMOS管Ml和M2組成。基準參考電流IREF流過基準電路100，產(chǎn)生電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS、級聯(lián)管柵端偏置電壓VCAS。鏡像電路101，由高壓PMOS管M3、M4、M5組成。M3為電流鏡管，電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS為M3提供柵端偏置電壓，使得M3工作在飽和區(qū)，根據(jù)公式，M3的漏端輸出電流:ld=0.5K' (ff/L) (Vgs-Vth)2 (1+AVds)，只要Vgs和Vds不變，輸出電流Id不變。M4為級聯(lián)管，使得電流源輸出端IOUT電壓變化時，M3的漏源電壓Vds基本不變，用于增加電流源的輸出阻抗，提高輸出電流穩(wěn)定性。M5為開關(guān)管，用于選擇鏡像電路101是否接入可編程電流源，控制電流源的電流大小。
上述傳統(tǒng)的高壓電源域可編程電流源存在輸出擺幅受限的問題。分析其原因:一是高壓管的閾值電壓比低壓管的閾值電壓大，在滿足相同電流精度和良率的情況下，高壓管所需的飽和壓降Vds更大；二是開關(guān)管加在電流通路上，要消耗電壓降。假設電源電壓VCC為9V，高壓PMOS管閾值電壓Vth為1.5V，電流源輸出擺幅最高為:VCC-VdSi^-Vdsc^-Vdswteh,其中，VdsBIA S為電流鏡管的漏源電壓，Vdsas為級聯(lián)管的漏源電壓，Vdsswitdl為開關(guān)管的漏源電壓。要使各器件工作在飽和區(qū)，臨界狀態(tài)下:VdsBIAS=lV、VdsCAS=0.5V、Vdsswitch=0.3V，負載上的壓降最高為:VCC-lV-0.5V-0.3V=7.2V，負載電阻為4ΚΩ時，電流源無法提供所需的2mA電流。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高擺幅可編程電流源，以增加可編程電流源的輸出擺幅，使其在輸出電流不同、負載情況不同的情況下，盡量保持可編程電流源輸出電流的穩(wěn)定性。
實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案如下: 本發(fā)明提供的高擺幅可編程電流源，包括基準電路、鏡像電路、保護電路； 所述基準電路由第一低壓PMOS管和第一、二高壓PMOS管組成；第一高壓PMOS管的源端接電源電壓，漏端和柵端與第二高壓PMOS管的柵端連接在一起接級聯(lián)管柵端偏置電壓；第一低壓PMOS管的源端接電源電壓，柵端和第二高壓PMOS管的漏端連接在一起接電流鏡管柵端偏置電壓，漏端接第二高壓PMOS管的源端；所述鏡像電路由第二低壓PMOS管、第三、四、五、六、七高壓PMOS管組成；第二低壓PMOS管的源端接電源電壓，柵端接第四、五高壓PMOS管的漏端，漏端接第三高壓PMOS管的源端；第三高壓PMOS管的柵端接第六、七高壓PMOS管的漏端，漏端接電流源輸出； 所述保護電路由第八、九高壓PMOS管組成，跨接在第二低壓PMOS管的源端和柵端之間；第八高壓PMOS管的源端接電源電壓，漏端和柵端連到第九高壓PMOS管的源端；第九高壓PMOS管的漏端和柵端連在一起接電流鏡管柵端偏置電壓。
與現(xiàn)有的可編程電流源相比，本發(fā)明的優(yōu)點:一是采用低壓PMOS管代替原來的高壓PMOS管作為電流鏡管，工作在高壓電源域，在同等的失配和輸出阻抗要求下，VdsBIAS將大幅下降；二是把開關(guān)從原來的電流通道挪到電流鏡管和級聯(lián)管的柵端，可節(jié)約原來開關(guān)占用的電壓Vdsswitdl ;三是為了解決采用低壓管工作在高壓電源域下可能會被意外擊穿的風險，加入了保護電路，以箝位低壓電流鏡管的Vds和Vgs電壓，保護低壓管。這樣帶來的好處是提高了電流源的輸出擺幅。假設電源電壓VCC為9V，電流源輸出擺幅最高為:VCC-VdsBIAS-VdsCAS,對于低壓PMOS管而言，VdsBIAS最低可降至0.3V，級聯(lián)管仍為高壓管，VdsCAS為0.3V，則負載上的壓降最高為:VCC-0.3V-0.3V=8.4V，即使負載為4ΚΩ，電流源也能提供穩(wěn)定的2mA電流。本發(fā)明在電源電壓固定的情況下，最大限度地增加了可編程電流源的輸出擺幅。
下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。


圖1是現(xiàn)有可編程電流源的電路示意圖。
圖2是現(xiàn)有可編程電流源中的基準電路、鏡像電路示意圖。
圖3是本發(fā)明的電路示意圖。
圖4是本發(fā)明中的基準電路、鏡像電路、保護電路示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明如圖3、圖4所示，包含基準電路、鏡像電路、保護電路。
基準電路200由低壓PMOS管PMl和高壓PMOS管M2、M3組成；高壓PMOS管M2的源端接電源電壓VCC，漏端和柵端與高壓PMOS管M3的柵端連接在一起接級聯(lián)管柵端偏置電壓VCAS，參考電流IB流過高壓PMOS管M2，產(chǎn)生級聯(lián)管柵端偏置電壓VCAS ;低壓PMOS管PMl的源端接電源電壓VCC，柵端和高壓PMOS管M3的漏端連接在一起接電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS，漏端接高壓PMOS管M3的源端，參考電流IREF流過低壓PMOS管PMl和高壓PMOS管M3產(chǎn)生電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS。
鏡像電路201由低壓PMOS管PM6、高壓PMOS管M14、M15、M16、M17、M18組成；低壓PMOS管PM6的源端接電源電壓VCC，柵端接高壓PMOS管M15、M16的漏端，漏端接高壓PMOS管M14的源端；高壓PMOS管M14的柵端接高壓PMOS管M17、M18的漏端，漏端接電流源輸出端IOUT ;其中，低壓PMOS管PM6為電流鏡管，高壓PMOS管M14為級聯(lián)管，高壓PMOS管M15、M16、M17、M18為開關(guān)管，高壓PMOS管M15、M16組成一個二選一開關(guān)，用于控制低壓電流鏡管PM6的柵端電壓，高壓PMOS管M17、M18組成一個二選一開關(guān)，用于控制高壓級聯(lián)管M14的柵端電壓。
B<0>與ΒΝ〈0>反相，為開關(guān)控制信號，B〈0>接電源電壓VCC，為邏輯“ I ”，ΒΝ<0>接地，為邏輯“O”，M15導通、M16截止，低壓電流鏡管PM6柵端接電源電壓VCC，低壓電流鏡管PM6截止；M17導通、M18截止，高壓級聯(lián)管M14柵端接電源電壓VCC，高壓管M14截止，鏡像電路201無電流。B〈0>接地，為邏輯“0”，8%0>接電源電壓VCC，為邏輯“1”，M15截止、Μ16導通，低壓電流鏡管ΡΜ6柵端接電流鏡管柵端偏置電壓VBIAS，低壓電流鏡管ΡΜ6導通;Μ17截止、Μ18導通，高壓級聯(lián)管Μ14柵端接級聯(lián)管柵端偏置電壓VCAS，高壓管Μ14導通，鏡像電路201接入可編程電流源。
鏡像電路201中低壓電流鏡管ΡΜ6與基準電流中低壓PMOS管PMl的類型、尺寸相同，鏡像電路201中高壓級聯(lián)管Μ14與基準電流中高壓PMOS管M3的類型、尺寸相同，鏡像電路201輸出電流的大小等于基準參考電流IREF。其他的鏡像電路與鏡像電路201類似，同樣由低壓PMOS電流鏡管、高壓PMOS級聯(lián)管、高壓PMOS開關(guān)管組成。第2路鏡像電路，是鏡像電路201復制2份，流過的電流是2*IREF，開關(guān)控制信號為B〈l>和BN〈1> ;第3路鏡像電路，是鏡像電路201復制22份，流過的電流是22*IREF，開關(guān)控制信號為B〈2>和BN〈2> ;依此類推，第i+Ι路鏡像電路，是鏡像電路201復制21份，流過的電流是24IREF，開關(guān)控制信號為B〈i>和BN〈i>，其中，i可取O到7之間并包含O和7的整數(shù)。B〈i>為邏輯“1”3%1>為邏輯“0”，第i+Ι路鏡像電路不接入可編程電流源；B〈i>為邏輯“0”，BN<i>為邏輯“1”，第i+Ι路鏡像電路接入可編程電流源?？删幊屉娏髟纯偟妮敵鲭娏?ut為:1ut = IREF* (BN〈0>+BN〈1>*2+BN〈2>*4+BN〈3>*23+BN〈4>*24+BN〈5>*25+BN〈6>*26+BN〈7>*27) 控制信號B〈i>取不同的值，可編程電流源的輸出電流1ut的值不同。B〈i>全為“1”，即BN〈i>全為“0”，1ut的值最小，為O ；B<i>全為“0”，即BN〈i>全為“ 1”，1ut的值最大，為255*IREF。通過B〈i>的不同取值，1ut的值可以在0 255*IREF間變化，最小間隔為IREF。如果可編程電流源的精度要求比較高，動態(tài)范圍比較大，當前的最小間隔IREF和8比特變化范圍不足以滿足要求，可調(diào)整基準參考電流IREF的值、增加鏡像電路和開關(guān)控制信號的位數(shù)。這樣會導致版圖的面積和布局布線難度的增加。
保護電路202由高壓PMOS管M4、M5組成，跨接在低壓PMOS管PMl的源端和柵端之間；高壓PMOS管M4的源端接電源電壓VCC，漏端和柵端連到高壓PMOS管M5的源端；高壓PMOS管M5的漏端和柵端連在一起接電流鏡管`柵端偏置電壓VBIAS ;正常工作時，低壓PMOS管PMl源端與柵端的壓降較小，低于保護電路202的啟動電壓，高壓PMOS管M4、M5處于截止狀態(tài)，不影響電流源的工作，在可編程電流源工作的上電瞬間，若低壓PMOS管PMl源端、柵端壓差過大，超過保護電路202的啟動電壓，高壓PMOS管M4、M5導通，對低壓PMOS管PMl源端、柵端電壓差進行箝位，以保護低壓PMOS管PMl的柵氧化層不會被擊穿，同時，在選擇開關(guān)已打開的情況下，保護電路202可保護鏡像電路的低壓電流鏡管的柵氧化層不會被擊穿，電路穩(wěn)定后，恢復到正常工作狀態(tài)，保護電路202停止工作。
保護電路203的結(jié)構(gòu)與保護電路202的結(jié)構(gòu)相同，同樣由高壓PMOS管組成，二者工作原理也類似，不同之處在于:保護電路203箝位的是鏡像電路中低壓電流鏡管的源端與漏端電壓差，以保護低壓電流鏡管的源端、漏端不會被擊穿。
權(quán)利要求
1.一種高擺幅可編程電流源，其特征是包括基準電路、鏡像電路、保護電路； 所述基準電路由第一低壓PMOS管和第一、二高壓PMOS管組成；第一高壓PMOS管的源端接電源電壓，漏端和柵端與第二高壓PMOS管的柵端連接在一起接級聯(lián)管柵端偏置電壓；第一低壓PMOS管的源端接電源電壓，柵端和第二高壓PMOS管的漏端連接在一起接電流鏡管柵端偏置電壓，漏端接第二高壓PMOS管的源端； 所述鏡像電路由第二低壓PMOS管、第三、四、五、六、七高壓PMOS管組成；第二低壓PMOS管的源端接電源電壓，柵端接第四、五高壓PMOS管的漏端，漏端接第三高壓PMOS管的源端；第三高壓PMOS管的柵端接第六、七高壓PMOS管的漏端，漏端接電流源輸出； 所述保護電路由第八、九高壓PMOS管組成，跨接在第二低壓PMOS管的源端和柵端之間；第八高壓PMOS管的源端接電源電壓，漏端和柵端連到第九高壓PMOS管的源端；第九高壓PMOS管的漏端和柵端連在一起接電流鏡管柵端偏置電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高擺幅可編程電流源，包括基準電路、鏡像電路、保護電路。所述基準電路由第一低壓PMOS管和第一、二高壓PMOS管組成；所述鏡像電路由第二低壓PMOS管、第三、四、五、六、七高壓PMOS管組成；所述保護電路由第八、九高壓PMOS管組成。本發(fā)明的優(yōu)點一是在同等的失配和輸出阻抗要求下，VdsBIAS將大幅下降；二是可節(jié)約原來開關(guān)占用的電壓Vdsswitch；三是利用高壓MOS管，以箝位低壓電流鏡管的Vds和Vgs電壓，保護低壓管。這樣帶來的好處是提高了電流源的輸出擺幅。
文檔編號G05F3/26GK103149967SQ201310050390
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月11日
發(fā)明者劉文用, 馬劍武, 陳君, 林劍輝 申請人:湖南融和微電子有限公司