一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路的制作方法

1.本发明涉及集成电路设计领域，具体涉及一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路。


背景技术：

2.传统的电流源输出时，往往会面对输出的电流只能是单相的问题。如果要产生两相的输出电流，一般的解决办法是对偶地额外做一个电流源。然而，这样做不仅造成了器件和功耗的浪费，两相电流源输出的电流大小更容易面对不匹配的问题。换言之，如果电路需要正负双相电流的支持，即使完全对称的搭建两个对偶的电流源，也会遇到器件工艺误差以及失配等因素的干扰，从而使两个电流源的方案往往不容易实现良好的工作性能。然而，如果把方案调整为单一电流源提供电流，电流从正反两个方向输出的话，电流流通的路径容易受到电路不匹配等影响，因此，简单的方案不能满足精确的电流复制的要求。
3.传统的自偏置电流源一般具有对电源电压不敏感的优点，如图1所示，iout本质上是iref的自举，mos管m3和m4管完成了电流的复制。通过调整mos管m3和m4的宽长比，可以实现不同倍数（即k倍）的iref的输出。两个二极管连接型的器件都由电流源驱动，iout做到了与电源电压无关。如果忽略掉电路的体效应和沟道长度调制效应，该电路理论上可以实现左右电流完全相等，且大小任意。如果在m3的源端加上电阻，即可通过调整该电阻的大小来调整输出电流的大小，同时左右电流iref和iout的匹配性也不会受到影响。
4.然而实际情况中，电路的沟道长度调制效应和体效应不仅不可忽略，还会严重影响电路左右两边的电流大小，即使采用沟道长度较长的mos管，也仍无法避免该问题。因此在带隙基准电路中，通过加入运放进行钳位，如图2所示。运放通过对x点和y点的电压的锁定，保证了m5和m6管的漏极电压相等，从而使m5和m6管完全匹配，从而得到了匹配精准的电流。
5.此外，电流源在实际应用中，大多都要搭配具体的时序使用，即电流源不是一直开启的。除了失配以外，电流源还会面临时钟馈通和电荷共享等问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，以产生匹配精确的双相电流。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，包括：偏置电流源电路、轨到轨运放电路、电流输出电路，所述偏置电流源电路用于提供基准参考电流源，并为轨到轨运放输出电路提供偏置电压，所述轨到轨运放电路用于对电流输出电路中的双相电流输出进行钳位，电流输出电路用于实现精准的上下匹配的双相电流输出并以充电或放电的形式输出。
8.进一步地，所述的偏置电流源电路包括电流源、第一nmos、第二nmos、第三nmos、第四nmos、第五nmos、第一pmos、第二pmos和第三pmos；所述电流源连接第一nmos的漏、栅极，
第一nmos的源极连接第二nmos的漏、栅极，第二nmos的源极连接第四nmos的漏极，第二nmos的栅极连接第三nmos的栅极，第三nmos的源极连接第五nmos的漏极，第三nmos的漏极连接第三pmos的漏、栅极，第三pmos的源极连接第二pmos的漏、栅极，第二pmos的源极连接第一pmos的漏极，电流源的另一端、第一pmos的源极、第四nmos的栅极和第五nmos的栅极接电源vdd，第一pmos的栅极、第四nmos的源极和第五nmos的源极接地。
9.进一步地，所述的轨到轨运放电路包括第四pmos、第五pmos、运算放大器、第六nmos和第十四nmos，所述第五pmos的栅极连接所述第二pmos的栅极和漏极，第五pmos的源极连接所述第四pmos的漏极，第五pmos的漏极连接所述运算放大器的第四端，所述运算放大器的第五端连接第十四nmos的漏极，第十四nmos的栅极连接第三nmos和第二nmos的栅极，第十四nmos的源极连接第四pmos的漏极，第四pmos的源极和第六nmos的栅极接电源vdd，第四pmos的栅极和第六nmos的源极接地，所述运算放大器的第一输入端连接所述电流输出电路的电压输入端vin，第二输入端接连接所述电流输出电路的电压输出端vout。
10.进一步地，所述的电流输出电路包括第八pmos、第九pmos、第十pmos、第十一pmos、第十nmos、第十一nmos、第十二nmos、第十三nmos和电容，所述第八pmos的漏极连接第九pmos的源极，第九pmos的栅极连接第十一pmos的栅极，第十pmos的漏极连接第十一pmos的源极，第九pmos的漏极连接所述第十nmos的漏极且其公共连接点为电压输入端vin，第十一pmos的漏极连接所述第十二nmos的漏极且其公共连接点为电压输出端vout，第十nmos的栅极连接第十二nmos的栅极且连接所述运算放大器的第三输出端，第十nmos的源极连接第十一nmos的漏极，第十二nmos的源极连接第十三nmos的漏极，第八pmos的源极、第十pmos的源极、第十一nmos的栅极接电源vdd，第八pmos的栅极、第十一nmos的源极、第十三nmos的源极接地，所述第十pmos的栅极外接开关命令信号iup，第十三nmos的栅极外接开关命令信号idn，所述电容一端连接第九pmos的漏极，电容另一端接地。
11.进一步地，还包括启动电路，连接在轨到轨运放电路和电流输出电路之间，用于保证电路处于正确的工作状态，包括：第六pmos、第七pmos、第七nmos、第八nmos和第九nmos，所述第六pmos的漏极连接第七nmos的漏极、第七pmos的栅极、第八nmos的栅极，第七pmos的漏极连接第八nmos的漏极、第九nmos的栅极，第六pmos的栅极连接第九nmos的漏极且连接所述第九pmos的栅极，第九nmos的源极连接所述运算放大器的第三输出端。
12.本发明的有益效果是：1）本发明中，使用了简单的轨到轨运放，即可实现较好的钳位作用，同时不消耗太多mos管和功率，抑制了时钟馈通、电荷注入、电荷共享效应，保证了单一电流源流经双相路径即可产生匹配精确的双相电流。
13.2）轨到轨运放解决了传统结构中普通运放无法解决的问题：输出电压变化较大时，运放可能会不工作，即轨到轨运放保证了宽的输出电压范围，保证无论是对负载进行充电还是放电，该电流源都可以正常工作。
14.3）本发明使用了源极开关取代传统开关操作，降低了时钟馈通、电荷注入、电荷共享等效应的影响。源极开关配合具体时序，以及该电流匹配电流源电路，可以在精准地对负载进行充放电的同时，也可以支持由于充放电造成的负载电压的变化，即该电路的输出端的负载电压范围足够宽。
附图说明
15.图1为简单自偏置电流源电路原理图；图2为简单带隙基准电路原理图；图3为本发明提出的基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路原理图；图4为本发明中轨到轨运算放大器的内部电路结构图；图5为本发明提出的电路仿真结果图；图6为本发明提出的电路输出的两相电流源数值结果图；图7为本发明提出的电路中环路稳定性仿真结果。
具体实施方式
16.下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.参阅图1-图7，本发明提供一种技术方案：如图3所示，一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，包括：偏置电流源电路、轨到轨运放电路、电流输出电路，所述偏置电流源电路用于提供基准参考电流源，并为轨到轨运放输出电路提供偏置电压，所述轨到轨运放电路用于对电流输出电路中的双相电流输出进行钳位，电流输出电路用于实现精准的上下匹配的双相电流输出并以充电或放电的形式输出。
18.本实施例中，偏置电流源电路包括电流源iin、第一nmos管mn1、第二nmos管mn2、第三nmos管mn3、第四nmos管mn4、第五nmos管mn5、第一pmos管mp1、第二pmos管mp2和第三pmos管mp3；所述电流源iin连接第一nmos管mn1的漏、栅极，第一nmos管mn1的源极连接第二nmos管mn2的漏、栅极，第二nmos管mn2的源极连接第四nmos管mn4的漏极，第二nmos管mn2的栅极连接第三nmos管mn3的栅极，第三nmos管mn3的源极连接第五nmos管mn5的漏极，第三nmos管mn3的漏极连接第三pmos管mp3的漏、栅极，第三pmos管mp3的源极连接第二pmos管mp2的漏、栅极，第二pmos管mp2的源极连接第一pmos管mp1的漏极，电流源的另一端、第一pmos管mp1的源极、第四nmos管mn4的栅极和第五nmos管mn5的栅极接电源vdd，第一pmos管mp1的栅极、第四nmos管mn4的源极和第五nmos管mn5的源极接地。
19.偏置电流源电路为整体电路提供基准参考电流源以及轨到轨运放电路所需要的偏置电压，该基准电流源iin的电流可以通过将后级电路复制过程中的mos管尺寸翻倍，以放大相同的倍数。
20.所述的轨到轨运放电路包括第四pmos管mp4、第五pmos管mp5、运算放大器rtr amp、第六nmos管mn6和第十四nmos管mn14，所述第五pmos管mp5的栅极连接所述第二pmos管mp2的栅极和漏极，第五pmos管mp5的源极连接所述第四pmos管mp4的漏极，第五pmos管mp5的漏极连接所述运算放大器的第四端，所述运算放大器的第五端连接第十四nmos管mn14的漏极，第十四nmos管mn14的栅极连接第三nmos管mn3和第二nmos管mn2的栅极，第十四nmos管mn14的源极连接第四pmos管mp4的漏极，第四pmos管mp4的源极和第六nmos管mn6的栅极接电源vdd，第四pmos管mp4的栅极和第六nmos管mn6的源极接地，所述运算放大器的第一输
入端连接所述电流输出电路的电压输入端vin，第二输入端接连接所述电流输出电路的电压输出端vout。
21.运算放大器的内部电路结构图如图4所示，其中v1端口即为所述运算放大器的第四端，v2端口即为所述运算放大器的第五端。根据运放正负输入端的电位相等的原理，运算放大器可以使vin=vout，从而使pmos管mp9和mp11，nmos管mn10和mn12的漏端电压相等。以pmos管mp9和mp11为例，其源端、漏端、栅端电压皆各自相等，即pmos管mp9和mp11工作在相同的环境中，从而可以使流过pmos管mp9和mp11的电流精确相等。轨到轨可以实现较大的输入电压范围，因为电流在对外放电和充电的过程中，输出电压会经历较大的变化范围，从而需要轨对轨运放对输入输出电压进行钳位，使得输入电压同输出电压一样达到较大范围。
22.本实施例中，所述的电流输出电路包括第八pmos管mp8、第九pmos管mp9、第十pmos管mp10、第十一pmos管mp11、第十nmos管mn10、第十一nmos管mn11、第十二nmos管mn12、第十三nmos管mn13和电容，所述第八pmos管mp8的漏极连接第九pmos管mp9的源极，第九pmos管mp9的栅极连接第十一pmos管mp11的栅极，第十pmos管mp10的漏极连接第十一pmos管mp11的源极，第九pmos的漏极连接所述第十nmos的漏极且其公共连接点为电压输入端vin，第十一pmos的漏极连接所述第十二nmos的漏极且其公共连接点为电压输出端vout，第十nmos管mp10的栅极连接第十二nmos管mn12的栅极且连接所述运算放大器的第三输出端，第十nmos管mn10的源极连接第十一nmos管mn11的漏极，第十二nmos管mn12的源极连接第十三nmos管mn13的漏极，第八pmos管mp8的源极、第十pmos管mp10的源极、第十一nmos管mn11的栅极接电源vdd，第八pmos管mp8的栅极、第十一nmos管mn11的源极、第十三nmos管mn13的源极接地，所述第十pmos管mp10的栅极外接开关命令信号iup，第十三nmos管mn13的栅极外接开关命令信号idn，所述电容一端连接第九pmos管mp9的漏极，电容另一端接地；所述第八pmos管mp8和第十一nmos管mn11是用于为双相电流输出匹配的dummy开关管。
23.如图3所示，由于运放的钳位作用，pmos管mp9和mp11的漏极电压会被锁定一致，使得i1=i3，同理有i2=i4。同时，i1和i2是同一条支路上的电流，且运放的输入端是不会流过电流的，因此i1=i2，从而得到i1=i2=i3=i4，从而使得上拉电路和下拉电路的电流完全相等，这就解决了电流源失配的问题。
24.pmos管mp10和nmos管mn13为两个源极开关mos管，分别与电流源管mp11和mn12的源极连接，并由两个外接的开关信号（iup和idn）驱动导通。由于开关mos管的栅极和漏极之间会形成寄生电容， iup和idn在高低电平切换时，通过寄生电容耦合引起vout发生抖动，这种现象称为时钟馈通现象。将开关mos管放在电流源管的源级可以有效解决这个问题，这样开关mos管漏极的变化不会直接影响vout，进而消除了iup和idn在高低电平切换时对vout抖动的影响。
25.源极开关mos管作为开关的mos管导通时，由于其沟道会储存部分电荷，在mos管关断时，这些电荷无法及时消除，会从该沟道注入到输出节点（即vout）。虽然上下两个开关管注入到vout的电荷可以在一定程度上互相抵消，但由于nmos管和pmos管的器件参数不匹配以及电路的其他因素影响，因此电荷注入效应注入到输出节点的正负电荷无法完全抵消，从而导致输出节点的电流会出现随开关时钟周期变化的抖动。在本实施例中，将开关管和输出结点vout用一个共栅连接的mos管隔离，在一定程度上可以隔离电荷注入。
26.电流输出电路搭配轨到轨运放，以及适当的开关命令iup和idn，可实现精准的电流并以充电或放电的形式输出。
27.图3的电路中的第四nmos管mn4、第五nmos管mn5、第一pmos管mp1、第四pmos管mp4、第六nmos管mn6、第八pmos管mp8和第十一nmos管mn11是均为了和实际的源极开关管mp10、mn13进行匹配的dummy开关管，可以看到它们是始终导通的，它们可以保证基准电流iin复制过程中的精准。
28.本实施例中，还包括启动电路，连接在轨到轨运放电路和电流输出电路之间，用于保证电路处于正确的工作状态，包括：第六pmos管mp6、第七pmos管mp7、第七nmos管mn7、第八nmos管mn8和第九nmos管mn9，所述第六pmos管mp6的漏极连接第七nmos管mn7的漏极、第七pmos管mp7的栅极、第八nmos管mn8的栅极，第七pmos管mp7的漏极连接第八nmos管mn8的漏极、第九nmos管mn9的栅极，第六pmos管mp6的栅极连接第九nmos管mn9的漏极且连接所述第九pmos管mp9的栅极，第九nmos管mn9的源极连接所述运算放大器的第三输出端。
29.当电路开始工作时，一般存在几个以电流为0的状态的静态工作点，启动电路可以消除设计时不需要的静态工作点，即简并点，以保证电路在电源上电后可以正常的工作状态。
30.本实施例中，nmos管 mn7是一个栅源短接的mos管，其宽长比为2.5μm*2*6/0.28μm，其中2代表finger（栅的数量），6代表multiplier（并联的mos管数量），始终工作在截止区，这里起到代替电阻的作用，pmos管mp6宽长比则设计为1μm /10μm。启动电路会在上电时进行工作，而在电路正常工作后关断，以保持较低功耗或无功耗运行，其具体实现过程如下：图6中的电路上电时，假设此时电路无电流流过，则pmos管mp9和mp11的栅端电压为高，即pmos管mp6的栅端电压为高，mos管mp6和mn7都工作在截止区，此时mos管mp6和mn7相当于两个电阻，而pmos管mp6的阻值较大，因此nmos管mn7的漏端电压近似于0，经过mos管mp7和mn8组成的反相器后，nmos管mn9的栅端电压为高，nmos管mn9导通，将pmos管mp9栅端的高压给到nmos管mn10和mn12的栅端，因此nmos管mn10和mn12导通，电路中有电流流过，即电路开始正常工作，pmos管mp9和mp11的栅端电压降低，并且pmos管mp9和mp11导通，从而pmos管mp6导通。此时nmos管mn7的阻值高于pmos管mp6的阻值，则nmos管mn7漏端的电压为高，经过反相后到达nmos管mn9栅端的电压为0，nmos管mn9关断，启动电路关断。
31.本发明电路的仿真结果如图5所示，可以看出，在0.15v到2.4v的轨到轨运放输入电压范围内，其匹配精度误差小于1%，相比于传统结构的电流源匹配误差（5%-10%）要小。在输出端加上一个电压源，从0v扫描到2.5v，可以看到在0.15v到2.4v，输出电流是上下匹配的。
32.为了更加清楚地分析双相电流源之间的失配，下面继续利用电压源扫描双相电流源之间差值随着输出电压变化的曲线，如图6所示，图中曲线是双相电流源之差，正常工作时（即0.15v-2.4v的输出电压范围内），两相电流源的电流大小相同。在输出电压为0.15v和2.4v之间时，两相电流源之间的失配很小，差值在8na到20na不等。在正常工作范围的上限2.4v以上和下限0.15v以下时，失配最严重。
33.本发明电路的环路稳定性仿真结果如图7所示，可以看到，该双相电流源在低频工作下的相位裕度是足够的，相位裕度为87度左右，增益带宽积gbw为24.7mhz左右，满足低频工作要求。
34.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，其特征在于，包括：偏置电流源电路、轨到轨运放电路、电流输出电路，所述偏置电流源电路用于提供基准参考电流源，并为轨到轨运放电路提供偏置电压，所述轨到轨运放电路用于对电流输出电路中的双相电流输出进行电压钳位，电流输出电路用于实现精准的上下匹配的双相电流输出并以充电或放电的形式输出。2.根据权利要求1所述的一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，其特征在于：所述的偏置电流源电路包括电流源、第一nmos、第二nmos、第三nmos、第四nmos、第五nmos、第一pmos、第二pmos和第三pmos；所述电流源连接第一nmos的漏、栅极，第一nmos的源极连接第二nmos的漏、栅极，第二nmos的源极连接第四nmos的漏极，第二nmos的栅极连接第三nmos的栅极，第三nmos的源极连接第五nmos的漏极，第三nmos的漏极连接第三pmos的漏、栅极，第三pmos的源极连接第二pmos的漏、栅极，第二pmos的源极连接第一pmos的漏极，电流源的另一端、第一pmos的源极、第四nmos的栅极和第五nmos的栅极接电源vdd，第一pmos的栅极、第四nmos的源极和第五nmos的源极接地。3.根据权利要求2所述的一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，其特征在于：所述的轨到轨运放电路包括第四pmos、第五pmos、运算放大器、第六nmos和第十四nmos，所述第五pmos的栅极连接所述第二pmos的栅极和漏极，第五pmos的源极连接所述第四pmos的漏极，第五pmos的漏极连接所述运算放大器的第四端，所述运算放大器的第五端连接第十四nmos的漏极，第十四nmos的栅极连接第三nmos和第二nmos的栅极，第十四nmos的源极连接第四pmos的漏极，第四pmos的源极和第六nmos的栅极接电源vdd，第四pmos的栅极和第六nmos的源极接地，所述运算放大器的第一输入端连接所述电流输出电路的电压输入端vin，第二输入端接连接所述电流输出电路的电压输出端vout。4.根据权利要求3所述的一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，其特征在于：所述的电流输出电路包括第八pmos、第九pmos、第十pmos、第十一pmos、第十nmos、第十一nmos、第十二nmos、第十三nmos和电容，所述第八pmos的漏极连接第九pmos的源极，第九pmos的栅极连接第十一pmos的栅极，第十pmos的漏极连接第十一pmos的源极，第九pmos的漏极连接所述第十nmos的漏极且其公共连接点为电压输入端vin，第十一pmos的漏极连接所述第十二nmos的漏极且其公共连接点为电压输出端vout，第十nmos的栅极连接第十二nmos的栅极且连接所述运算放大器的第三输出端，第十nmos的源极连接第十一nmos的漏极，第十二nmos的源极连接第十三nmos的漏极，第八pmos的源极、第十pmos的源极、第十一nmos的栅极接电源vdd，第八pmos的栅极、第十一nmos的源极、第十三nmos的源极接地，所述第十pmos的栅极外接开关命令信号iup，第十三nmos的栅极外接开关命令信号idn，所述电容一端连接第九pmos的漏极，电容另一端接地。5.根据权利要求4所述的一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，其特征在于：还包括启动电路，连接在轨到轨运放电路和电流输出电路之间，用于保证电路处于正确的工作状态，包括：第六pmos、第七pmos、第七nmos、第八nmos和第九nmos，所述第六pmos的漏极连接第七nmos的漏极、第七pmos的栅极、第八nmos的栅极，第七pmos的漏极连接第八nmos的漏极、第九nmos的栅极，第六pmos的栅极连接第九nmos的漏极且连接所述第九pmos的栅极，第九nmos的源极连接所述运算放大器的第三输出端。

技术总结
本发明公开了一种基于轨到轨运放的电流匹配电流源电路，涉及集成电路设计领域，包括偏置电流源电路、轨到轨运放电路、电流输出电路和启动电路。偏置电流源电路用于提供基准参考电流源，并为轨到轨运放电路提供偏置电压，轨到轨运放电路用于对电流输出电路中的双相电流输出进行电压钳位，电流输出电路用于实现精准的上下匹配的双相电流输出并以充电或放电的形式输出，启动电路用于保证电路处于正确的工作状态。本发明中，电流输出电路搭配轨到轨运放，可实现较好的钳位作用，同时不消耗太多MOS管和功率，抑制了时钟馈通、电荷注入、电荷共享效应，结合时序利用适当的开关命令，保证了单一电流源流经双相路径即可产生匹配精确的双相电流。确的双相电流。确的双相电流。


技术研发人员：吴倪程
受保护的技术使用者：成都通量科技有限公司
技术研发日：2023.08.03
技术公布日：2023/9/7