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一种新颖启动方式的CMOS低功耗电流源

发布时间:2020-07-21 18:15:44 阅读: 来源:PU管厂家

1 引言

电流源是模拟、数字集成电路中重要的单元[1][2]。电流源的性能直接影响电路及系统的 性能。为得到高性能电流源,许多高精度、采用温度补偿的基准电路应运而生[3]-[6],而针对 低功耗电流源的设计相对很少。随着现代集成电路的发展,低功耗越来越成为一个重要的指 标。一般的电流源电路中都有一个启动电路,当启动工作完成之后,我们希望启动电路不消 耗无用电流。但是传统的电流源电路很难做到这一点。针对这种现象,本文给出了一种只采 用一个耗尽管构成启动电路的CMOS 电流源结构,不仅可以将正常工作后启动部分消耗的 电流降为零,并且可以大大节省芯片的面积。

本文的结构安排如下:第二部分分析一般电流源电路缺陷,并提出一些改进思路;第三 部分提出新型的电流源电路结构,并给出了详细的分析;第四部分为电路仿真结果和分析; 第五部分为结论部分,对本文所设计的电路进行总结。

2 常规型电流源

图 1 是普通的电流源电路,其中M1,M2,M3 和M4 构成电流源的主体部分,M5, M6 以及R1 构成启动电路。当该电路应用在低功耗系统中的时候,暴露出了以下两个缺点:

1.在电路正常工作之后,经M5 和电阻R1 到地会不可避免的消耗一部分不必要的电流;

2.为了在电路正常工作之后关闭M6,R1 上的压降至要少大于VDD-|VTHP6|,当流过 M5 的电流很小的时候(比如0.1uA),就需要R1 的阻值比较大才能满足此条件。这显然会 浪费比较大的芯片面积,增加成本。

如图 2,相对图1 而言,用耗尽型NMOS 管M7 代替了电阻R1,节省了面积。但是这 种结构依然无法消除电路正常工作之后流过M5 的无用电流。如果想让流过M5 和M7 的静 态电流很小的话,就需要将M7 的栅长L 设计的很大,形成倒比管,从而浪费芯片的面积。 因此,用M7 相对而言面积可以比采用电阻R1 节省一些成本,但是还是比较浪费。

3 新型的电流源

图 3 是本文提出的一种新的电路结构。图中耗尽管M5 构成启动电路。当电源突然上电 的时候,M5 导通,给M3 和M4 的栅极充电,使得M3 和M4 导通,完成启动功能。当启 动工作完成之后,由于M5 的源极电位抬高,使得M5 关断。

这种电路有两个优点:

1.节省面积。图3 中的M5 的尺寸并不像图2 中的M7 一样需要设计成倒比管,只要 是正常的尺寸就可以在电路正常工作之后保证流过M5 的电流非常小了。无论是比起采用图 1 的R1 还是图2 中M5,芯片面积都大大减少。

在图 3 中为了得到小的偏置电流,仍然采用增强型M3 和M4 管,根据亚阈值区MOS 管的电流表达式可以得到流过电阻R 的电流可以表示为:

式中 M 为M3 和和M4 的宽长比之比。

为了得到 0.1uA 的偏置,当M=4 的时候,电阻R 只需要为370K 即可,比起图2 中的 11MΩ的R 而言,面积缩小为原来的3.4%。极大的节省了电流源的面积。

2.降低了无用功耗。在图1 中,即使使R1 的值很大,在图2 中使 M7 的L 非常大, 也无法避免有无用电流流过。而在图3 中,M5 的L 不需要很大,当电路正常工作后M5 会 自动关断,几乎没有无用电流流过,降低了功耗,提高了电源工作效率。

4 仿真结果

电路设计采用TSMC 0.18-μm CMOS工艺,仿真软件是Hspice。电源电压1.8V,温度为 常温,库文件为mm018.l 图4 为常规电流源电路(图1)与用M7 替代R1 的电流源电路(图2)以及新的电流源 电路(图3)启动电流比较图。

从图中可以得出电源在5uS 时刻从0 跳变到1.8V 达到稳定 时,流过图1 中M5 的电流为34.5uA,消耗的电流最大。在电路图2 中耗尽管M7 的宽长比 分别为3/0.6、1/2、1/10,产生分别三条曲线。从图中可以明显看出M7 的宽长比为3/0.6 时, 消耗的启动电流约为17.9 uA,当M7 采用倒比管时,启动电流会明显降低,但这种情况是 以增大MOS 管的栅长为代价的。在新的电流源电路中(如图3)耗尽管M5 采用正常的宽长比3/0.6,当电源跳变到1.8V 时,启动电路工作,此瞬时消耗的电流为12 uA。但当电源达到稳定时,启动电路关闭,启 动电流迅速下降至0.61 uA,从而降低了功耗,提高了电源工作效率,同时大大节省了芯片 的面积。

表1 为三种电流源电路功耗的比较。从降低功耗和节省芯片面积的角度出发,采用图3 的新型电流源结构所消耗的功耗较低,芯片面积最小。

5 结论

本设计的创新之处在于只采用一个耗尽管M5 来完成电流源的启动,并且在电路正常工 作之后M5 自动关断,不消耗额外的电流。并且M5 并不需要多大尺寸就可以保证流过其的 无用电流非常小,无论比起图1 还是图2 的电流源结构,所需要的面积都大大降低,更好的 降低了设计成本。

Numpy 副本与视图

28 聚合函数 MIN、MAX

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