摘 要： 提出了一款應用于RF無線收發芯片的高精度電流偏置電路。綜合考慮功耗、面積和失調電壓對基準電壓的影響，設計了一款符合實際應用的帶隙基準電路。并以帶隙基準電路作基準電流源的偏置，采用電壓電流轉換器結構設計了具有高電源電壓抑制比（PSRR）的基準電流源。電流鏡采用輔助運放的設計方法來提高電流鏡的輸出阻抗，減小溝道調制效應對輸出的基準電流的影響，從而提高輸出基準電流的精度。采用0.35 μm CMOS工藝設計芯片版圖，版圖面積為0.18 mm2。提取寄生參數（PEX）仿真結果表明，該電路在-55 ℃~+90 ℃范圍內的溫度系數為15.5 ppm/℃，室溫下基準電壓為1.203 5 V；在低頻段電流源的電源抑制比為90 dB；在外接電阻從1 kΩ~400 kΩ變化時，輸出基準電流誤差范圍是0.000 1 μA。
關鍵詞： 基準電流；電流鏡；版圖
基準電路要求產生一個獨立于電源電壓和工藝，并具有特定溫度特性的直流電壓或者直流電流，包括基準電壓源和基準電流源兩種。基準電流源在射頻/模擬和數模混合集成電路中廣泛應用，其精度直接影響整個芯片的性能。在基準電壓電路中，帶隙基準電路能夠產生一個與電源和工藝參數相關度很弱并具有確定溫度特性的直流電壓，得到了廣泛地應用。通常實現基準電流源有兩種方法：一是將具有正溫度系數的電流和具有負溫度系數的電流進行加權求和，這種方法得到的電流溫度特性較好[1]；二是把帶隙基準電壓加在電阻兩端從而產生基準電流，在已有帶隙基準電壓的情況下無需增加過多器件即可得到基準電流[2]，同時，帶隙基準具有較高的電源抑制比，可提高基準電流的輸出精度。
RF無線收發芯片會受到串擾和襯底噪聲的影響，因此電源的噪聲比較大，對于電流源這樣精度要求高的模擬電路就要有較高的電源抑制比。本文設計了一種應用于射頻（RF）無線收發機SoC芯片中高精度的電流偏置電路。即把帶隙基準電壓加在電阻的兩端，產生基準電流，可提高基準電流的電源電壓抑制比。采用增益提高型電流鏡電路，提高輸出阻抗，減小溝道長度調制效應對基準電流的影響，產生高精度電流的偏置電路。基準電流偏置電路整體架構如圖1所示。
1 帶隙基準以及啟動電路
1.1帶隙基準電壓核心電路
本文采用的帶隙基準電路如圖2所示，M9~M12構成低壓共源共柵電流源結構，提高了輸出阻抗，從而減小溝道長度調制效應對3路電流匹配精度的影響。同時，該結構與傳統共源共柵結構相比，能減小消耗的電壓余度，適合在低電源電壓中應用。M5/M6/Q0和M7/M8/Q1分別為帶隙基準核心電路M13/M15和M10/M12/M18管提供偏置電壓。
電流源的電源電壓抑制比如圖7所示。在低頻段，增益為90 dB，即使頻率在10 kHz，也有較高增益（30 dB），說明電流源具有較強的抗干擾能力。圖8是電流鏡在外接電阻Rout從1 kΩ~400 kΩ之間變化時，輸出基準的電流大小變化，誤差范圍為0.000 1 μA，因此可以提供高精度的電流偏置。過A點后，由于外接電阻過高，導致外接電阻上的壓降很大，使MOS管進入線性區工作，因此電流會迅速減小。
本文設計了一款應用于RF無線收發芯片的高精度基準電流偏置電路，包括帶隙基準、基準電流源和電流鏡電路的設計。設計帶隙基準電路時，通過對功耗、面積和失調電壓對基準電壓的影響進行綜合考慮，實現電路的最優設計。設計電流源時以帶隙基準電路做偏置，并采用電壓電流轉換器結構提高電流鏡的電源抑制比。為了得到高精度的輸出基準電流，本文采用了增益提高型電流鏡電路，提高電流鏡的輸出阻抗，抑制了溝道長度調制效應對輸出基準電流的精度影響。采用了0.35 μm CMOS工藝設計芯片版圖，版圖面積為0.18 mm2。提取寄生參數后，PEX仿真得到，在外接電阻從1 kΩ~400 kΩ變化時，輸出基準電流的誤差為0.000 1 μA，符合高精度電流偏置電路的要求。
參考文獻
[1] FIORI F， ROVETTI P S. Compact temperture-compensated CMOS current reference[J]. Electronics Letters， 2003，39（1）：724-728.
[2] BADILLO D A. 1.5V CMOS current reference with extenged temperature operating range[C]. IEEE International Symposium on Circuits and System， ISCAS 2002， 2002：197-200.
[3] 拉扎維.模擬CMOS集成電路設計[M].西安：西安交通大學出版社，2003.
[4] ELDBIB I， MUSIL V. Self-cascode current controlled CCII based-tunable band pass filter[C]. 18th International Conference on Radioelektronika， 2008：24-25.
[5] 周瑋，吳貴能，李儒章.一種高電源抑制比CMOS運算放大器[J].微電子學，2009，39（3）：340-343.
[6] ZEKI A， KUNTMAN H. Accurate and high output impedance current mirror suitable for CMOS current output stages[J]. IEEE 1997 Electronics Letters，1997，33（12），1042-1043.