專利名稱：一種低壓高匹配度cmos恒定電流源電路的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種恒定電流源電路，更確切的說是一種用于適用于手持設備類恒流型LED驅(qū)動電路。
背景技術(shù)：
CMOS恒定電流源在手持設備類LED驅(qū)動芯片中有著廣泛的應用，該類型芯片要求電流源電路能夠輸出單通道或者多通道的恒定電流，以保證LED燈能有相同的亮度。在這類應用中，對電流源電路的要求主要有高相對/絕對電流匹配精度；高輸出阻抗，尤其在電源電壓較低的情況下；并且需要有很小的版圖面積。一項美國專利(US 6707觀6)提出一種通過放大器負反饋來獲得恒定輸出電流的方法，如圖一所示，這種方法在電源電壓較高的條件下，獲得了很高的輸出阻抗，但是，這種結(jié)構(gòu)也存在一些缺點
1.在電源電壓降的較低的情況下M2將進入線性區(qū)，這將使負反饋網(wǎng)絡失去作用，從而電流源輸出阻抗變小，惡化了電流鏡像精度。2.由于Ml的漏源電壓近似等于M8的漏源電壓，而并非與鏡像源極NMOS的柵源電壓相等，因此由于溝道調(diào)制效應的影響，這種結(jié)構(gòu)存在一定的電流絕對誤差。3.為了能在較低的電源電壓下工作，Ml要有很低的過驅(qū)動電壓(Vdsat)，在LED輸出電流比較大的應用中，過低的過驅(qū)動電壓Vdsat將導致很大的寬長比，因此使電流源電路消耗了很大的版圖面積，浪費成本。

發(fā)明內(nèi)容
由于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提出一種低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路，其可有效解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明可通過以下技術(shù)方案予以解決
一種低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路，其為適用于低壓恒流LED的驅(qū)動電路，其包括鏡像電流源電路，保證鏡像電流源電路穩(wěn)定的補償電容和提供鏡像電流源電路高電流匹配精度的輔助放大器。作為本發(fā)明的進一步技術(shù)特征，所述鏡像電流源包括一第一 N型場效應晶體管和一第二 N型場效應晶體管，所述第一 N型場效應晶體管和所述第二 N型場效應晶體管的共用相同的柵極并連接到輔助放大器的輸出端，所述第一 N型場效應晶體管的漏極分別與所述輔助放大器的正向輸入端和參考電源相連；所述第二 N型場效應晶體管的漏極分別與輔助放大器的負向輸入端和需供電的LED燈的負向端相連；所述LED燈和所述參考電源共同連接到電源上，所述電容跨接在第一 N型場效應晶體管的柵極和漏極之間。作為本發(fā)明的進一步技術(shù)特征，所述輔助放大器包括一作為其正向輸入端的第三N型場效應晶體管的源極和一作為其反向輸入端的第四N型場效應晶體管；所述第三N型場效應晶體管漏極和一第二 P型場效應晶體管漏極相連接作為所述輔助放大器的輸出端；一第一 P型場效應晶體管、第二 P型場效應晶體管和一第三P型場效應晶體管的源極均與供電電源連接；參考電源則串接在零電位和第一 P型場效應晶體管的柵極之間
作為本發(fā)明的進一步技術(shù)特征，所述補償電容為設于N阱中的N型場效應晶體管電容，該N型場效應晶體管的漏極和源極相連并連接到襯底。本發(fā)明提供一種LED驅(qū)動芯片的高精度，低成本，低電壓的電流源電路，其擁有良好的電流匹配性能，很大的動態(tài)范圍，較小的版圖面積和設計成本，非常適用于特定的LED驅(qū)動芯片。


圖1是美國專利US6707286通過放大器負反饋來獲得恒定輸出電流的電路圖。圖2是本發(fā)明低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路圖。圖3是圖2中輔助放大器的電路圖。圖4是圖2中的補償電容的電路圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步闡述本發(fā)明
一種低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路，其為適用于低壓恒流LED的驅(qū)動電路，其包括鏡像電流源，保證鏡像電流源電路穩(wěn)定的補償電容和提供鏡像電流源電路高電流匹配精度的輔助放大器。如圖2所示，本發(fā)明低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路圖。其由第一 N型場效應晶體管NM0S1、第二 N型場效應晶體管NM0S2、補償電容CC、參考電源和LED燈構(gòu)成。所述第一 N型場效應晶體管NMOSl的襯底和源極相連并與零電位連接；所述第二 N型場效應晶體管NM0S2的源極和襯底相連接并與零電位連接；所述第一 N型場效應晶體管NMOSl和所述第二 N型場效應晶體管NM0S2的共用相同的柵極并連接到輔助放大器OP的輸出端，所述第一 N型場效應晶體管NMOSl的漏極分別與所述輔助放大器OP的正向輸入端和參考電源相連；所述第二 N型場效應晶體管NM0S2的漏極分別與輔助放大器OP的負向輸入端和所述LED燈的負向端相連；所述LED燈和所述參考電源共同連接到供電電源VCC上，所述補償電容CC跨接在第一 N型場效應晶體管NMOSl的柵極和漏極之間，參考電源流過的電流為IIN，LED燈兩端壓降為Vf，流過燈內(nèi)的電流為1_。如圖3所示，其為本發(fā)明的輔助放大器OP的電路圖，該輔助放大器OP由第一 P型場效應晶體管PM0S1、第二 P型場效應晶體管PM0S2、第三P型場效應晶體管PM0S3、第三N型場效應晶體管NM0S3和第四N型場效應晶體管NM0S4構(gòu)成。第三N型場效應晶體管NM0S3的源極作為所述輔助放大器OP正向輸入端，所述第四N型場效應晶體管NM0S4作為所述輔助放大器OP的反向輸入端；所述第三N型場效應晶體管NM0S3漏極和第二 P型場效應晶體管NM0S2漏極相連接作為所述輔助放大器OP的輸出端；第三N型場效應晶體管NM0S3和第四N型場效應晶體管NM0S4共用柵極并都連接到第四N型場效應晶體管NM0S4的漏極，同時與第三P型場效應晶體管NM0S3的漏極相連；第一 P型場效應晶體管NMOSl，第二 P型場效應晶體管PM0S2和第三P型場效應晶體管PM0S3共用柵極，并且與第一 P型場效應晶體管PMOSl的漏極相連，且第一 P型場效應晶體管PM0S1、第二 P型場效應晶體管PM0S2和第三P型場效應晶體管PM0S3的源極均與供電電源VCC連接；參考電源則串接在零電位和第一 P型場效應晶體管PMOSl的柵極之間。如圖4所示，其為本發(fā)明的補償電容的結(jié)構(gòu)示意圖。N型場效應晶體管的漏極和源極相連并連接到襯底作為電容的一端，N型場效應晶體管的柵極作為電容的另一端形成補償電容。圖2中的Iin —般是由參考電源的參考電壓與電阻相除而產(chǎn)生的參考電流，Iin經(jīng)過電流鏡像管第一 N型場效應晶體管NMOSl和第二 N型場效應晶體管NM0S2放大N倍流入LED燈內(nèi)，從而產(chǎn)生亮光。當供電電源VCC比較大時，即VCC>VF+VDSAT，NMQS2，其中Vf為LED兩端的壓降，Vdsat, NM0S2為NM0S2的過驅(qū)動電壓，這時第一 N型場效應晶體管NMOSl和第二 N型場效應晶體管NM0S2都工作在飽和區(qū)，其電流滿足I=l/2uCoxW/L (Vgs-Vth) 2 (1+ λ Vdsat)，(其中，u為遷移率，Cox為單位面積柵氧化層電容，λ為溝道調(diào)制系數(shù)，Ves為柵源之間的電壓Vth為閾值電壓Vdsat為過驅(qū)動電壓，W/L為版圖的寬長比)，由于輔助放大器OP使得VA=VB,即VDSAT，NMQS1=VDSAT，NMQS2，而第一 N型場效應晶體管NMOSl和第二 N型場效應晶體管NM0S2又共用相同的柵極，因此，第一 N型場效應晶體管NMOSl和第二 N型場效應晶體管NM0S2中電流的匹配精度很高；當供電電源VCC下降后，即VCC<VF+VDSAT，·S2，此時，第一 N型場效應晶體管NMOSl和第二 N型場效應晶體管NM0S2都工作在線性區(qū)，其電流滿足I=uCoxW/L((Ves-Vra)Vdsat_1/2V2dsat)，同樣，由于輔助放大器OP的存在使得VA=VB,即Vdsat,MOSI=VDSAT,NMos2'因此第一 N型場效應晶體管NMOSl和第二 N型場效應晶體管NM0S2即使工作在線性區(qū)也能擁有很好的電流匹配性能。理論上，這種結(jié)構(gòu)可以使供電電源VCC工作在非常低的情況下，即VB降低到幾十毫伏甚至更低，但在低電源電壓情況下，第一 N型場效應晶體管NMOSl和第二 N型場效應晶體管NM0S2的工藝參數(shù)u，Cox和版圖尺寸的寬長比W/L失配將嚴重影響電流的匹配精度，因此需要在版圖設計中格外注意，另外，在深度線性區(qū)，電流的匹配也受其漏源電壓失配影響很大，因此在設計輔助放大器OP的時候，需要采取高增益結(jié)構(gòu)，并且采取一定措施降低輔助放大器OP的失調(diào)電壓。如圖2所示，為本發(fā)明的輔助放大器OP的電路結(jié)構(gòu)，本發(fā)明采用的是共源極輸入放大器，第三N型場效應晶體管NM0S3和第四N型場效應晶體管NM0S4為輸入對，設計中適當增大其尺寸并采用插指結(jié)構(gòu)版圖以獲得較低的輔助放大器OP失調(diào)電壓。另外這種輔助放大器OP結(jié)構(gòu)可以有效避免輸出擺幅受限的麻煩，以傳統(tǒng)五管共柵極放大器為例，為實現(xiàn)很低的VA和VB電壓，必須采用PMOS管輸入結(jié)構(gòu)，輔助放大器OP輸出電壓為VG=Vdsat，·sl+VmNMffil，因此為保證輔助放大器OP正常工作，輔助放大器OP輸入端電壓VB必須小于Vdsat，·sl+Vmmsi_VmP，也就是限制了令輔助放大器OP正常工作時的供電電源VCC的范圍，而圖2中VB的最大值要求小于Vdsat，·S1+VTH，NMQS^Vdsat， 3，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，供電電源VCC正常工作范圍至少增大了幾百毫伏，但這種結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有缺點，如圖2所示，可得，Iled= (ΙΙΝ+ΙΝΜ053) · N-Inmqs4，其中N是NM0S2與NMOSl的寬長比的比值。第三N型場效應晶體管NM0S3和第四N型場效應晶體管NM0S4在輸出時產(chǎn)生了誤差電流，因此在設計時必須謹慎選擇靜態(tài)偏置電流Λ以保證帶寬的同時，盡量降低第三N型場效應晶體管NM0S3和第四N型場效應晶體管NM0S4帶來的誤差電流。補償電容CC在輔助放大器OP正常工作和第一 N型場效應晶體管NMOSl處在飽和區(qū)的期間，相當于兩級放大器級聯(lián)形成的反饋電路，需要補償電容CC來分裂放大器帶來的極點以保證反饋電路的穩(wěn)定性。本發(fā)明中的補償電容CC采用設于N阱中的N型場效應晶體管類型電容，這種電容擁有和N型場效應晶體管NMOS電容相同的單位容值，并克服了 N型場效
5應晶體管NMOS電容的電容死區(qū)特性，其克服了 N型場效應晶體管NMOS的Ves在0、th沒有電容的缺點，降低了工藝要求，節(jié)省設計成本，除此之外，這種結(jié)構(gòu)可以大大減小版圖的面積，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，為了獲得大動態(tài)范圍和良好的電流匹配特性，版圖需要同時采用較寬的L和大的寬長比W/L，這樣無形中增大了版圖的面積，而本發(fā)明中，由于VA=VB,電流鏡在飽和區(qū)和線性區(qū)都能很好的鏡像，因此第一 N型場效應晶體管NMOSl和第二 N型場效應晶體管NM0S2不需要采取太寬的L和太小的過驅(qū)動電壓Vdsat，因此可以大大減小電流源部分的版圖面積。在本發(fā)明中，如圖1所示，NMOSl和NM0S2的尺寸比例為1 :n，其中η可以為任意數(shù)值，一般根據(jù)輸入?yún)⒖茧娏骱洼敵鯨ED電流的關系來選擇，可以選擇幾倍、幾十倍甚至幾百倍。在本發(fā)明中，Ι_=20πιΑ，Iin=400uA，則，n=50。NMOSl，NM0S2的尺寸選擇需要折中電流匹配精度，面積和擺幅限制等因素，由于本發(fā)明中結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，這里選擇單位NMOS的寬長比為W/L=20u/lu。圖3中的第三N型場效應晶體管NM0S3和第四N型場效應晶體管NM0S4的尺寸決定著輔助放大器OP的增益和失調(diào)電壓，因此需要選擇較大的WL和寬長比W/L，而第一 P型場效應晶體管PM0S1、第二 P型場效應晶體管PM0S2和第三P型場效應晶體管PM0S3需要選擇大的L來保證靜態(tài)偏置電流精度Ib，同時，輔助放大器OP的靜態(tài)偏置電流Λ也需要謹慎選擇，過小的靜態(tài)偏置電流Λ導致帶寬不足而響應過慢，過大的靜態(tài)偏置電流Λ將會在輸出電流中產(chǎn)生大的誤差電流從而惡化絕對匹配精度，在本發(fā)明中，由于應用于低頻場合，而且對精度要求比較高，因此選擇靜態(tài)偏置電流rt=luA。但是，上述的具體實施方式
只是示例性的，是為了更好的使本領域技術(shù)人員能夠理解本專利，不能理解為是對本專利包括范圍的限制；只要是根據(jù)本專利所揭示精神的所作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。
權(quán)利要求
1.一種低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路，其特征在于其為適用于低壓恒流LED的驅(qū)動電路，其包括鏡像電流源電路，保證鏡像電流源電路穩(wěn)定的補償電容和提供鏡像電流源電路高電流匹配精度的輔助放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低壓高壓配度CMOS恒定電流源電路，其特征在于所述鏡像電流源包括一第一 N型場效應晶體管和一第二 N型場效應晶體管，所述第一 N型場效應晶體管和所述第二N型場效應晶體管的共用相同的柵極并連接到輔助放大器的輸出端，所述第一 N型場效應晶體管的漏極分別與所述輔助放大器的正向輸入端和參考電源相連；所述第二N型場效應晶體管的漏極分別與輔助放大器的負向輸入端和需供電的LED燈的負向端相連；所述LED燈和所述參考電源共同連接到電源上，所述電容跨接在第一 N型場效應晶體管的柵極和漏極之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路，其特征在于所述輔助放大器包括一作為其正向輸入端的第三N型場效應晶體管的源極和一作為其反向輸入端的第四N型場效應晶體管；所述第三N型場效應晶體管漏極和一第二 P型場效應晶體管漏極相連接作為所述輔助放大器的輸出端；一第一 P型場效應晶體管、第二 P型場效應晶體管和一第三P型場效應晶體管的源極均與供電電源連接；參考電源則串接在零電位和第一 P型場效應晶體管的柵極之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路，其特征在于所述補償電容為設于N阱中的N型場效應晶體管電容，該N型場效應晶體管的漏極和源極相連并連接到襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低壓高匹配度CMOS恒定電流源電路，其為其為適用于低壓恒流LED的驅(qū)動電路，其包括鏡像電流源電路，保證鏡像電流源電路穩(wěn)定的補償電容和提供鏡像電流源電路高電流匹配精度的輔助放大器。本發(fā)明提供一種LED驅(qū)動芯片的高精度，低成本，低電壓的電流源電路，其擁有良好的電流匹配性能，很大的動態(tài)范圍，較小的版圖面積和設計成本，非常適用于特定的LED驅(qū)動芯片。
文檔編號H05B37/02GK102395234SQ201110341199
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者劉楠, 鞠建宏 申請人:帝奧微電子有限公司