一種新穎啟動(dòng)方式的CMOS低功耗電流源

　　1 引言

　　電流源是模擬、數(shù)字集成電路中重要的單元[1][2]。電流源的性能直接影響電路及系統(tǒng)的 性能。為得到高性能電流源，許多高精度、采用溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電路應(yīng)運(yùn)而生[3]-[6]，而針對(duì) 低功耗電流源的設(shè)計(jì)相對(duì)很少。隨著現(xiàn)代集成電路的發(fā)展，低功耗越來(lái)越成為一個(gè)重要的指 標(biāo)。一般的電流源電路中都有一個(gè)啟動(dòng)電路，當(dāng)啟動(dòng)工作完成之后，我們希望啟動(dòng)電路不消 耗無(wú)用電流。但是傳統(tǒng)的電流源電路很難做到這一點(diǎn)。針對(duì)這種現(xiàn)象，本文給出了一種只采 用一個(gè)耗盡管構(gòu)成啟動(dòng)電路的CMOS 電流源結(jié)構(gòu)，不僅可以將正常工作后啟動(dòng)部分消耗的 電流降為零，并且可以大大節(jié)省芯片的面積。

　　本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第二部分分析一般電流源電路缺陷，并提出一些改進(jìn)思路；第三 部分提出新型的電流源電路結(jié)構(gòu)，并給出了詳細(xì)的分析；第四部分為電路仿真結(jié)果和分析； 第五部分為結(jié)論部分，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行總結(jié)。

　　2 常規(guī)型電流源

　　圖 1 是普通的電流源電路，其中M1，M2，M3 和M4 構(gòu)成電流源的主體部分，M5， M6 以及R1 構(gòu)成啟動(dòng)電路。當(dāng)該電路應(yīng)用在低功耗系統(tǒng)中的時(shí)候，暴露出了以下兩個(gè)缺點(diǎn)：

　　1．在電路正常工作之后，經(jīng)M5 和電阻R1 到地會(huì)不可避免的消耗一部分不必要的電流；

　　2．為了在電路正常工作之后關(guān)閉M6，R1 上的壓降至要少大于VDD－|VTHP6|，當(dāng)流過(guò) M5 的電流很小的時(shí)候（比如0.1uA），就需要R1 的阻值比較大才能滿足此條件。這顯然會(huì) 浪費(fèi)比較大的芯片面積，增加成本。

　　如圖 2，相對(duì)圖1 而言，用耗盡型NMOS 管M7 代替了電阻R1，節(jié)省了面積。但是這 種結(jié)構(gòu)依然無(wú)法消除電路正常工作之后流過(guò)M5 的無(wú)用電流。如果想讓流過(guò)M5 和M7 的靜 態(tài)電流很小的話，就需要將M7 的柵長(zhǎng)L 設(shè)計(jì)的很大，形成倒比管，從而浪費(fèi)芯片的面積。 因此，用M7 相對(duì)而言面積可以比采用電阻R1 節(jié)省一些成本，但是還是比較浪費(fèi)。

　　3 新型的電流源

　　圖 3 是本文提出的一種新的電路結(jié)構(gòu)。圖中耗盡管M5 構(gòu)成啟動(dòng)電路。當(dāng)電源突然上電 的時(shí)候，M5 導(dǎo)通，給M3 和M4 的柵極充電，使得M3 和M4 導(dǎo)通，完成啟動(dòng)功能。當(dāng)啟 動(dòng)工作完成之后，由于M5 的源極電位抬高，使得M5 關(guān)斷。

　　這種電路有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　1．節(jié)省面積。圖3 中的M5 的尺寸并不像圖2 中的M7 一樣需要設(shè)計(jì)成倒比管，只要 是正常的尺寸就可以在電路正常工作之后保證流過(guò)M5 的電流非常小了。無(wú)論是比起采用圖 1 的R1 還是圖2 中M5，芯片面積都大大減少。

　　在圖 3 中為了得到小的偏置電流，仍然采用增強(qiáng)型M3 和M4 管，根據(jù)亞閾值區(qū)MOS 管的電流表達(dá)式可以得到流過(guò)電阻R 的電流可以表示為：

　　式中 M 為M3 和和M4 的寬長(zhǎng)比之比。

　　為了得到 0.1uA 的偏置，當(dāng)M＝4 的時(shí)候，電阻R 只需要為370K 即可，比起圖2 中的 11MΩ的R 而言，面積縮小為原來(lái)的3.4％。極大的節(jié)省了電流源的面積。

　　2．降低了無(wú)用功耗。在圖1 中，即使使R1 的值很大，在圖2 中使 M7 的L 非常大， 也無(wú)法避免有無(wú)用電流流過(guò)。而在圖3 中，M5 的L 不需要很大，當(dāng)電路正常工作后M5 會(huì) 自動(dòng)關(guān)斷，幾乎沒(méi)有無(wú)用電流流過(guò)，降低了功耗，提高了電源工作效率。

　　4 仿真結(jié)果

　　電路設(shè)計(jì)采用TSMC 0.18-μm CMOS工藝，仿真軟件是Hspice。電源電壓1.8V，溫度為 常溫，庫(kù)文件為mm018.l 圖4 為常規(guī)電流源電路（圖1）與用M7 替代R1 的電流源電路（圖2）以及新的電流源 電路（圖3）啟動(dòng)電流比較圖。

　　從圖中可以得出電源在5uS 時(shí)刻從0 跳變到1.8V 達(dá)到穩(wěn)定 時(shí)，流過(guò)圖1 中M5 的電流為34.5uA，消耗的電流最大。在電路圖2 中耗盡管M7 的寬長(zhǎng)比 分別為3/0.6、1/2、1/10，產(chǎn)生分別三條曲線。從圖中可以明顯看出M7 的寬長(zhǎng)比為3/0.6 時(shí)， 消耗的啟動(dòng)電流約為17.9 uA，當(dāng)M7 采用倒比管時(shí)，啟動(dòng)電流會(huì)明顯降低，但這種情況是 以增大MOS 管的柵長(zhǎng)為代價(jià)的。

　　在新的電流源電路中（如圖3）耗盡管M5 采用正常的寬長(zhǎng)比3/0.6，當(dāng)電源跳變到1.8V 時(shí)，啟動(dòng)電路工作，此瞬時(shí)消耗的電流為12 uA。但當(dāng)電源達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)電路關(guān)閉，啟 動(dòng)電流迅速下降至0.61 uA，從而降低了功耗，提高了電源工作效率，同時(shí)大大節(jié)省了芯片 的面積。

　　表1 為三種電流源電路功耗的比較。從降低功耗和節(jié)省芯片面積的角度出發(fā)，采用圖3 的新型電流源結(jié)構(gòu)所消耗的功耗較低，芯片面積最小。

　　5 結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于只采用一個(gè)耗盡管M5 來(lái)完成電流源的啟動(dòng)，并且在電路正常工 作之后M5 自動(dòng)關(guān)斷，不消耗額外的電流。并且M5 并不需要多大尺寸就可以保證流過(guò)其的 無(wú)用電流非常小，無(wú)論比起圖1 還是圖2 的電流源結(jié)構(gòu)，所需要的面積都大大降低，更好的 降低了設(shè)計(jì)成本。