一种新型的nA量级CMOS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他电路电流基准的高精度、低温度系数的电流源[1]。作为模拟集成电路的关键电路单元，基准电流源被广泛应用于振荡器、PLL、运算放大器、A/D转换器等电路中。而在低功耗应用领域,nA量级的基准电流源是模拟电路必不可少的基本部件，它的性能直接影响着电路的功耗、电源抑制比、开环增益以及温度等特性。本文提出了一种结构比较新颖的基准电流源电路，具有较低的温度系数和较高的电源抑制比。此外，该电路不需要采用电阻，大大节省了芯片的面积。
1 传统基准电流源
    基准电流通常由一个基准电压作用在一个合适的电阻上得到[2]，图1所示的电路[3]是一种应用最普遍的基准电流源，它由MOS管和电阻构成，通过向电阻上施加一个合适的电压获得理想的电流值，其产生的基准电流Iref为：
 

  
电路三部分组成。其中，晶体管M8、M9和电容C构成了一个简单的启动电路，用以消除上电过程中电路中存在的“简并”偏置点[3]问题；Mn1、Mn2、Mp1、Mp2 4支管组成一个简单的差分输入、单端输出的运算放大器，用以提高基准电流源的电源抑制比；剩余管构成了基准电流源电路的主体电路。
4 仿真结果分析
    基于TSMC 0.18 μm CMOS厚栅工艺, 在Cadence Spectre下对电路进行了仿真,分别获得了基准电流源的温度特性曲线和电源电压特性曲线。图5是电源电压为2.5 V、输出电流为46 nA时得到的温度特性曲线，在
-40 ℃~85 ℃的温度范围内，基准电流仅有1.5 nA的偏差，温度系数为24.33 ppm/℃。在室温下，基准电流随电源电压变化的特性曲线如图6所示。可以看到，在1.8 V~3.3 V的输入电压范围内,输出电流大约变化0.02 nA, 输出电流变化率仅为0.028 9%/V。在频域分析中,该电路也表现出了良好的性能,如图7所示,其在低频段的PSRR最大可以达到-85 dB。

    本文提出了一种新颖的nA量级CMOS基准电流源。该电路不需要使用电阻，大大节省了芯片面积。仿真结果显示，该电路的温度系数为24.33 ppm/℃，输出电流变化率仅为0.028 9%/V, PSRR为-85 dB，电路消耗的总电流小于200 nA。该电路已成功应用在ETC唤醒接收机中的OSC中，并可望应用于对温度特性和电源电压调整率有严格要求的模拟/混合系统中。
参考文献
[1] 何乐年，王忆.模拟集成电路设计与仿真[M].北京：科学出版社，2008.
[2] De La Plaza A.Nanoampere supply independent low-voltage current reference[C].Marrakeeh：IEEE 2011 Faible Tension Fabile Consommation(FTFC)，2011：9-11.
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