一种低电压低温漂的基准电流源

0 引 言
基准电流源在模拟和混合信号系统中占有非常重要的地位，在A／D转换器，D／A转换器以及很多模拟电路如运算放大器、滤波器等电路中起着至关重要的作用。目前出现了几种基准电流的设计方式。文献[1]提出的电路测试的温度系数为50 ppm／℃。文献[2]是一种非带隙电路通过二阶温度补偿产生基准电流，温度系数为28 ppm／℃。文献[3]提出一种低温漂低电源电压调整率CMOS基准电流源，其温度系数为6.9 ppm／℃，但温度范围为-40～85℃，相对变化范围较小。文献[4]利用带隙基准电路产生正温系数基准电压和迁移率的负温效应相互抵消，产生基准电流。但温度系数仍大于15 ppm／℃。在此设计一种CMOS基准电流源，首先通过二阶补偿的低压带隙基准电路得到基准电压，然后由这个基准电压偏置NMOS的输出管得到基准电流。这个输出管将被设计工作在零温漂点附近，在零温漂点上，通过输出管的阈值电压和迁移率随温度的变化率相互补偿，从而减小了温度对偏置电流的影响。

1 零温漂偏置点设计
作为一个电流源应有非常高的输出电阻，所以将电流源设置在输出管的漏端。如图1所示，基准电流的稳定性主要取决于偏置电压VREF，M1的阈值电压VTH1以及迁移率μn。当输出管M1工作在饱和区时，基准电流可表示为：

式中：Cox为单位面积的栅氧化层电容；W1和L1分别为沟道的有效宽度和长度；文中的VREF是由一个与温度基本无关的二阶补偿的低压带隙基准电路得到的。但阈值电压VTH1以及迁移率μn都和温度有关，当温度在0～100℃时，VTH1随温度的最大变化值有150 mV左右。从式(1)可以看出，IREF会随温度有较大的变化。但当输出管工作在零温漂的偏置点上时，就可以得到一个与温度基本无关的基准电流源，式(2)和式(3)分别给出阈值电压VTH1以及迁移率μn与温度的关系：

式中：αμ也是一个负常数。

将式(2)和式(3)代入式(1)得：

由于NMOS的沟道掺杂浓度在1015～1016cm-3左右，这时的负常数αμ将十分接近-2。在这种情况下，如果：

式中：VZTC是当输出管工作在零温漂点的偏置电压。将式(5)代入式(4)就可以得到一个基本与温度无关的基准电流源。

式中：IZTC是当输出管工作在零温漂点的基准电流。
图2给出在不同的温度下，输出管M1的漏电流随栅电压变化的特征曲线，结果表明在CSMC 0.5／μmCMOS工艺中，输出管M1的零温漂点为(IZTC=215.4μA，VZTC=1．244 4 V)。