一種新穎啟動方式的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、采用溫度補償?shù)幕鶞?zhǔn)電路應(yīng)運而生[3]-[6]，而針對 低功耗電流源的設(shè)計相對很少。隨著現(xiàn)代集成電路的發(fā)展，低功耗越來越成為一個重要的指 標(biāo)。一般的電流源電路中都有一個啟動電路，當(dāng)啟動工作完成之后，我們希望啟動電路不消 耗無用電流。但是傳統(tǒng)的電流源電路很難做到這一點。針對這種現(xiàn)象，本文給出了一種只采 用一個耗盡管構(gòu)成啟動電路的CMOS 電流源結(jié)構(gòu)，不僅可以將正常工作后啟動部分消耗的 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，對本文所設(shè)計的電路進行總結(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)成啟動電路。當(dāng)該電路應(yīng)用在低功耗系統(tǒng)中的時候，暴露出了以下兩個缺點：

　　1．在電路正常工作之后，經(jīng)M5 和電阻R1 到地會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 M5 的電流很小的時候（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 浪費比較大的芯片面積，增加成本。

　　如圖 2，相對圖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)依然無法消除電路正常工作之后流過M5 的無用電流。如果想讓流過M5 和M7 的靜 態(tài)電流很小的話，就需要將M7 的柵長L 設(shè)計的很大，形成倒比管，從而浪費芯片的面積。 因此，用M7 相對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。

　　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)成啟動電路。當(dāng)電源突然上電 的時候，M5 導(dǎo)通，給M3 和M4 的柵極充電，使得M3 和M4 導(dǎo)通，完成啟動功能。當(dāng)啟 動工作完成之后，由于M5 的源極電位抬高，使得M5 關(guān)斷。

　　這種電路有兩個優(yōu)點：

　　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M5 的電流非常小了。無論是比起采用圖 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，仍然采用增強型M3 和M4 管，根據(jù)亞閾值區(qū)MOS 管的電流表達式可以得到流過電阻R 的電流可以表示為：

　　式中 M 為M3 和和M4 的寬長比之比。

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

　　2．降低了無用功耗。在圖1 中，即使使R1 的值很大，在圖2 中使 M7 的L 非常大， 也無法避免有無用電流流過。而在圖3 中，M5 的L 不需要很大，當(dāng)電路正常工作后M5 會 自動關(guān)斷，幾乎沒有無用電流流過，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）啟動電流比較圖。

　　從圖中可以得出電源在5uS 時刻從0 跳變到1.8V 達到穩(wěn)定 時，流過圖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 的寬長比為3/0.6 時， 消耗的啟動電流約為17.9 uA，當(dāng)M7 采用倒比管時，啟動電流會明顯降低，但這種情況是 以增大MOS 管的柵長為代價的。

　　在新的電流源電路中（如圖3）耗盡管M5 采用正常的寬長比3/0.6，當(dāng)電源跳變到1.8V 時，啟動電路工作，此瞬時消耗的電流為12 uA。但當(dāng)電源達到穩(wěn)定時，啟動電路關(guān)閉，啟 動電流迅速下降至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)計的創(chuàng)新之處在于只采用一個耗盡管M5 來完成電流源的啟動，并且在電路正常工 作之后M5 自動關(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其的 無用電流非常小，無論比起圖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)計成本。