第9章 基准电流源

源线上噪声的抑制能力的参数，换句话说，基准电流源的电源抑制比表现了输出基准
电流随电源电压 VDD 变化的情况。对于基准电流源，本章采用的电源抑制比的定义为： 从电源电压 VDD 到输出基准电流的增益。符号表达式为：
式中：PSRR：
PSRR
=
⎛ dB20⎜
⎝
ΔI REF ΔVDD
I REF VDD
⎞ ⎟ ⎠
须的。
2) 输出基准电流温度补偿方案
由式（9-9）输出基准电流的表达式及上文的分析可以看出，输出基准电流与电源 电压无关，但是仍然与温度有关。其一阶温度系数的计算公式可以表达为：
TC1
=
1 I OUT
⋅
dIOUT dT
（9-11）
通常，我们把温度系数 TC 乘以 106 表示成百万分之一或者说是 ppm/℃的形式。
9.1 基准电流源的性能参数
9.1.1 温漂系数
基准电流源的一个重要的指标是电流基准在宽温度范围下的工作稳定程度。温漂
系数不仅是衡量带隙基准电压源输出电压随温度变化的一个性能参数，也是衡量基准
电流源输出电流的一个重要参数。与基准电压源的温漂系数类似，基准电流源的温漂
系数同样表示输出基准电流随温度变化的情况，其单位为 ppm/℃。表示当温度变化 1 摄氏度时，输出电流变化的百万分比。其计算公式为：
电源抑制比，单位 dB；
（9-2）
IREF ： ΔIREF ： VDD ： ΔVDD ：
标准电流值，A； 电流变化值，A； 电源电压； 电源电压 VDD 的变化，V。
9.1.3 功耗
与基准电压源类似，基准电流源中也有功耗的要求。其衡量标准也是电路在正常 工作情况下的静态电流的大小。为了满足各种不同电路的要求，如精度、响应速度等， 通常会增大电路的功耗。但是，受环境和电源电压的限制，如何有效的减小功耗，依 然是当前芯片设计师们不断努力的研究方向。
9.3
常用基准电流源的几种结构 .................................................................. 356
9.3.1 利用电阻 RS 在 NMOS 管源极产生电压差 V ...................................... 356
M1 与 M2 构成一对电流镜结构，因为 M1 与 M2 具有相同的尺寸，所以 IREF＝IOUT。 但是由于电压 V 的作用，M3 与 M4 的 VGS 不相等，我们假设 M4 的宽长比是 M3 的 K 倍，由于 VGS3＝VGS4＋V，即
( ) ( ) 2IOUT
μNCOX W
L
N
+ VTH3
=
9.2 基准电流源的工作原理
图 9-1 基准电流源的工作原理 354
基准电流源的一个基本要求是输出基准电流不随电源电压 VDD 的变化而变化。为 了得出一个对 VDD 不敏感的解决方法，要求基准电流 IREF 与输出电流 IOUT 镜像，也就 是说，IOUT 是 IREF 的一个复制。图 9-1 所示就是一种电流复制的电路实现。其工作原 理如下[1]：
正如所希望的，电流与电源电压 VDD 无关，但仍旧是工艺和温度的函数。 为了消除输出基准电流对温度的影响，我们可以根据电压差 V 产生的不同方式，
分别采取不同的温度补偿方法。
355
9.3 常用基准电流源的几种结构
9.3.1 利用电阻 RS 在 NMOS 管源极产生电压差 V 1. 产生与电源电压 VDD 无关的电流
9.4.5 小结 ..................................................................................................... 384
352
第 9 章 基准电流源
基准电流源是指在模拟集成电路中用来作为其它电路的电流基准的高精度、低温 度系数的电流源。电流源作为模拟集成电路的关键电路单元，广泛应用于运算放大器、 A/D 转换器、D/A 转换器中。偏置电流源的设计是基于一个已经存在的标准参考电流 源的复制，然后输出给系统的其他模块。因此，电流源的精度直接影响到整个系统的 精度和稳定性。
基准电流源是模拟电路所必不可少的基本部件，高性能的模拟电路必须有高质量、 高稳定性的电流和电压偏置电路来支撑，它的性能会直接影响到电路的功耗、电源抑 制比、开环增益、以及温度等特性。在本章中，主要讨论在 CMOS 技术中电流基准的 产生。首先，将研究基准电流源的工作原理，接着介绍常用的基准电流源的几种结构， 最后以一种基准电流源的设计为例详细介绍基准电流源的设计流程，并引入一种输出 基准电流高阶温度补偿的方法。
在式（9-9）中，与温度有关的参数有载流子迁移率 μN 和电阻 R。所以最终一阶温度 系数可以表示为：
由式(9-10)我们知道 所以
TC1
=
−
1Fra Baidu bibliotekμN
⋅
d μN dT
−
2 R
⋅
dR dT
μ = μT0 ⎛⎜⎜⎝TT0 ⎞⎠⎟⎟⎟−α
（9-12） （9-13）
357
1 μN
⋅ dμN dT
=
−α
μ0 T0
9.3.4 三支路基准电流源............................................................................... 360
9.4
基准电流源的设计实例.......................................................................... 361
图 9-2 电阻 RS 在 NMOS 管源极产生电压差 V
如图 9-2 所示电路中，我们用电阻 RS 产生了图 9-1 所示的 NMOS 管源端的电压差 V，即 RS 两端的电压 V＝IOUTRS，由于 IREF＝IOUT，我们可以得到[1]，
( ) ( ) 2IOUT
μNCOX W
L
N
+ VTH3 =
准电流的温度特性。
在实际的工艺中，受工艺的限制，可能没有与载流子迁移率温度特性相匹配的电
阻，这时，我们可以使用两种不同的电阻，通过电阻阻值的匹配来实现与载流子迁移
率的温度系数的相互抵消[3]。具体例子可见下文中的设计实例。
9.3.2 利用电阻 RS 在 PMOS 管源极产生电压差 V
⎛T
⎜ ⎝
T0
⎞−α −1 ⎟ ⎠
μ0
⎛ ⎜ ⎝
T T0
⎞−α ⎟ ⎠
= −α T
（9-14）
其中，α 根据工艺的不同取值不同，但是常数。 通过上述式子，我们可以得出，输出基准电流的一阶温度系数为
TC1
=
α T
− 2TCR
（9-15）
其中，TCR 指电阻的温度系数。可见，只要电阻的温度系数能够与载流子迁移率 的温度系数相抵消，输出基准电流的一阶温度系数就能够等于零，从而提高了输出基
[（基准电流最大值-基准电流最小值）/（基准电流的平均值×温度范围）]×1000000 符号表达式为：
( ) TC
=
IMAX − IMIN IMEAN TMAX − TMIN
×1000000
式中： TC ——基准电流源的温漂系数，ppm/℃;
IMAX ——基准电流最大值，A;
IMIN ——基准电流最小值，A;
9.4.1 LDO 中基准电流源的性能指标............................................................ 362
9.4.2 基准电流源结构的确定 ....................................................................... 362
其中，载流子迁移率与温度的关系可以表示如下[2]
μ
=
μT 0
⎛ ⎜ ⎝
T T0
⎞−α ⎟ ⎠
（9-10）
其中，α 约等于 1.5，μT0 表示参考温度下的载流子迁移率大小。严重的是在 140℃
以上时，MOS 管载流子迁移率还会显著地下降，导致 MOS 管最终失去作用。
除此以外，在 CMOS 工艺中，各种电阻的阻值的温度系数一般比较高，即随着温
IMEAN ——基准电流平均值，A;
TMAX ——温度最大值，℃;
TMIN ——温度最小值，℃。
（9-1）
353
9.1.2 电源抑制比（Power Supply Reject Ratio, PSRR）
通常，基准电流源的一个重要作用就是，在正常工作电压范围内当电源电压发生
变化时，输出电流基本不变，也就是其电源抑制比较高。电源抑制比是衡量电路对电
度的变化，电阻阻值变化较大。由式（9-9）可知，在饱和区工作状态下，电流与电阻
的-2 次方成反比。显然，温度对基准电流的稳定性会造成很大的影响。
由以上分析我们可以知道，利用电阻 RS 产生基准电流的结构，如果不进行温度补 偿，其温度特性很差。因此，提高图 9-2 电路结构中的输出基准电流的温度特性是必
9.3.2 利用电阻 RS 在 PMOS 管源极产生电压差 V....................................... 358
9.3.3 共源共栅基准电流源 ........................................................................... 359
2IOUT μNCOX K W
L
N
+ VTH4 + V
如果忽略体效应的影响，可得： 从而，
VTH3 = VTH4
（9-3） （9-4）
2IOUT
( μNCOX W
L) N
⎛⎜⎝1 −
1 K
⎞ ⎟⎠
=V
（9-5）
因此，
I OUT
=
V 2 μNCOX 2 ⎛⎜⎝1 −
(W L) N
1 ⎞2 K ⎟⎠
（9-6）
9.1.3 功耗 ..................................................................................................... 354
9.2
基准电流源的工作原理.......................................................................... 354
356
2. 产生与温度无关的电流
由式（9-9）我们可以看出，输出基准电流的温度特性与工艺有关，要产生与温度 无关的输出基准电流，首先，要对其温度特性进行分析。
1) 输出基准电流的温度特性分析
由式（9-9）输出基准电流的表达式，表明输出基准电流与载流子迁移率和电阻有
关，而载流子迁移率和电阻都是与温度有关的函数。
9.4.3 基准电流源参数的调试 ....................................................................... 364
9.4.4 电路仿真.............................................................................................. 368
第 9 章 基准电流源...................................................................................................... 353
9.1 基准电流源的性能参数.................................................................................. 353
9.1.1 温漂系数.............................................................................................. 353
9.1.2 电源抑制比（Power Supply Reject Ratio, PSRR）......................... 354
2IOUT μNCOX K W
L
N
+ VTH4 + IOUT RS
忽略体效应的影响，我们有
（9-7）
因此，
2IOUT
( μNCOX W
L) N
⎛⎜⎝1 −
1 K
⎞ ⎟⎠
=
IOUT RS
（9-8）
I OUT
=
μ N COX
2
(W
L) N
1 RS2
⎛⎜⎝1 −
1 ⎞2 K ⎟⎠
（9-9）
这样，我们就得到了一个与电源电压 VDD 无关的输出基准电流，其温度特性与电 阻 RS 和 MOS 管的工作情况有关。