一种新颖启动方式的CMOS低功耗电流源

　　摘要：基于TSMC 0.18-μm CMOS工艺,根据传统电流源结构,设计了一种新颖启动方式的CMOS低功耗电流源。启动电路仅采用一个耗尽型MOS管,使电路正常工作后启动部分消耗的电流基本降为零。这种结构不仅降低了整个电路的功耗,而且大大节省芯片的面积。

　　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、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。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。

　　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。