一种基于CMOS的指数波形电流产生电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于CMOS的指数波形电流产生电路，通过对一组PMOS(P型金属氧化物半导体)或NMOS(N型金属氧化物半导体)晶体管的栅极施加特定的电压，使晶体管工作在饱和区，从而令这组晶体管的漏极输出电流之和随时间呈现出近似指数变化的波形。使用这种方法得到的指数波形电流产生电路与传统的基于单个工作在亚阈值状态下的晶体管的指数波形电流产生电路相比，具有更强的驱动能力，并且产生更精确的指数波形输出电流。指数波形的时间常数可由电路中的电容、栅极预设电压、与栅极连接的电流源的大小数值、以及晶体管阈值电压来确定。这种指数波形电流产生电路成本低，精度高，驱动能力强。

An exponential waveform current generation circuit based on CMOS

An exponential waveform current generation circuit based on CMOS is disclosed. By applying a specific voltage to the gate of a group of PMOS (P-type metal oxide semiconductor) or NMOS (N-type metal oxide semiconductor) transistors, the transistor operates in a saturated region, so that the sum of the drain output currents of the transistors presents over time. The waveforms of approximate exponential change. Compared with the traditional exponential waveform current generation circuit based on a single transistor operating in a sub-threshold state, the exponential waveform current generation circuit obtained by this method has stronger driving ability and produces more accurate exponential waveform output current. The time constant of the exponential waveform can be determined by the capacitance in the circuit, the gate preset voltage, the magnitude of the current source connected to the gate, and the transistor threshold voltage. The exponential waveform current generation circuit has the advantages of low cost, high precision and strong driving capability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于CMOS的指数波形电流产生电路
本专利技术属于集成电路
，具体涉及一种基于CMOS的指数波形电流产生电路。
技术介绍
基于CMOS的指数波形电流产生电路有着广泛的应用，主要能够应用到神经刺激器芯片中。传统的指数波形电流产生电路一般是基于单个工作在亚阈值区的晶体管来实现的，具有较小的输出驱动能力。本专利公开了一种基于泰勒近似原理，通过对两个晶体管的栅极施加特定的电压，使晶体管的漏极电流之和组合产生随时间呈现指数波形输出电流的电路，其结构精巧，输出能力强，获得的指数波形电流误差小。与传统的指数波形电流产生电路相比，由于晶体管都工作在饱和区，所以本方法实现的电路在精度和驱动性能方面更具优势。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种基于CMOS的指数波形电流产生电路，具有成本低、精度高、驱动能力强的特点。为实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案一种基于CMOS的指数波形电流产生电路，包括恒流源(100)、预充电容(101)、第二输出晶体管(102)、第一输出晶体管(103)和预设电压电路(105),预设电压电路(105)的输出端分别与预充电容(101)的上级板和一个MOS晶体管电容(104)的上极板相连；其中，第一输出晶体管(103)的漏极与第二输出晶体管(102)的漏极相连，第一输出晶体管(103)和第二输出晶体管(102)的漏极合并产生总输出电流，第一输出晶体管(103)的栅极与一个MOS晶体管电容(104)的上极板，即MOS晶体管电容(104)的栅极相连，MOS晶体管电容(104)的下极板，即MOS晶体管电容(104)的漏极、源极、衬底均接地；第一输出晶体管(103)的源极接地；第二输出晶体管(102)的栅极、预充电容(101)的上极板和恒流源(100)的阴极相连；第二输出晶体管(102)的源极、预充电容(101)的下极板、和恒流源(100)的阳极接地。作为优选：第二输出晶体管(102)和第一输出晶体管(103)的漏极电流之和在预设时间范围内可近似为随时间呈现指数波形变化的总电流。作为优选：根据恒流源(100)和预充电容(101)的大小确定指数波形的时间常数。有益效果针对用于生物医疗的神经刺激器，本专利技术的泰勒近似电流脉冲产生电路提高了输出精度。泰勒近似电流脉冲产生电路中包含的应用饱和区电流对过饱和电压的平方关系在实现上较为准确。同时，MOS管的饱和区范围较大，只需要控制好预设控制电压即可保证较大范围的电流输出。附图说明图1为获取泰勒近似的指数电流脉冲的整体电路图：用于产生施加在负载上的输出脉冲；其中：100为恒流源；101为预充电容；102为第二输出晶体管；103为第一输出晶体管；104为等效电容控压晶体管；105为预设电压电路模块；具体实施方式如图1所示，本专利技术提供一种基于CMOS的指数波形电流产生电路，包括恒流源(100)、预充电容(101)、第二输出晶体管(102)、第一输出晶体管(103)和预设电压电路(105),预设电压电路(105)的输出端分别与预充电容(101)的上级板和一个MOS晶体管电容(104)的上极板相连；其中，第一输出晶体管(103)的漏极与第二输出晶体管(102)的漏极相连，第一输出晶体管(103)和第二输出晶体管(102)的漏极合并产生总输出电流，第一输出晶体管(103)的栅极与一个MOS晶体管电容(104)的上极板，即MOS晶体管电容(104)的栅极相连，MOS晶体管电容(104)的下极板，即MOS晶体管电容(104)的漏极、源极、衬底均接地；第一输出晶体管(103)的源极接地；第二输出晶体管(102)的栅极、预充电容(101)的上极板和恒流源(100)的阴极相连；第二输出晶体管(102)的源极、预充电容(101)的下极板、和恒流源(100)的阳极接地。作为优选：第二输出晶体管(102)和第一输出晶体管(103)的漏极电流之和在预设时间范围内可近似为随时间呈现指数波形变化的总电流。作为优选：根据恒流源(100)和预充电容(101)的大小确定指数波形的时间常数。为两个尺寸相同的MOS管栅极分别预设相同的初始电压值VGS(0)，在电路工作一开始两个MOS管102和103处于完全相同的饱和区导通状态，初始电流均为I0(忽略沟道长度调制效应)。尺寸较小的104管作为等效电容用来保持103管的工作状态，使得103管漏极电流始终保持为I0。102管的电流为当时，OUT端输出电流这样OUT端的输出电流就可以近似为一指数波形。本专利技术根据刺激器的负载对于恒定输出电压的要求，应用了饱和区电流与过驱动电压的平方关系以及泰勒近似的方式，得到较为精确的指数波形输出脉冲。专利技术主要包括一个斜坡电压发生器控制的平方关系电流发生电路，在输入恒定可控的条件下获得较为精确的与时间有着二次项关系的输出电流；还有一个栅电压恒定在预设点的常数值电流发生电路。总输出电流在较短的时间范围内满足指数函数的二阶泰勒展开式，与理想指数波形之间的误差小。MOS管饱和区范围对应着栅电压范围较大，得到的指数波形输出脉冲可以依据不同的预充电压取得较大的的动态范围。本专利技术的目的是通过如下的措施来达到的：图1为获取泰勒近似的指数电流脉冲的整体电路。第一输出晶体管103与第二输出晶体管102工作状态有差异，但在尺寸上应相匹配。A.平方关系电流发生电路恒流源100、预充电容101、第二输出晶体管102组成了一个以斜坡发生器作为控制源的饱和区电流产生电路。控制源为初始状态时预设电压电路105对预充电容101的电压预设值，而电路的工作状态由恒流源100对预充电容101的放电过程。B.常数值电流发生电路第一输出晶体管103与等效电容控压晶体管104组成了常数值电流产生电路。控制源为初始状态时，预设电压电路105对等效电容空压晶体管104的电压预设值，电路工作状态维持在电压预设值对应的晶体管104的饱和区。C.预设电压电路预设电压电路105只在初始状态时对预充电容101和等效电容控压晶体管104进行统一充电。开始工作后，预设电压电路105即与电流产生电路断开。实施例1根据前述
技术实现思路
，通过应用台湾积体电路制造股份有限公司(TSMC)提供的0.18μm工艺，在cadence中进行了电路图搭建，通过仿真手段验证了上述电路设计具有较高的可行性。电路图依据图一所示结构而搭建，仿真过程中OUT端给予一定值的VDD以确保第二输出晶体管102和第一输出晶体管103工作在饱和区。预充电压电路105的作用是为两个输出部分产生电路的电容预设电压初值，为了简化设置，直接为预充电容101和等效电容控压晶体管104上初始电压进行预设相同的初值。仿真时间与恒流源100的设置均参见神经刺激过程中对于输出脉冲的脉冲宽度典型值。通过设置不同的预充电压可以达到获取不同范围的与理想波形误差较小的输出电流脉冲的结果，而恒流源100和预充电容101则可以调节有效的输出脉冲宽度。数据输出过程：在获取泰勒近似的指数电流脉冲的电路中，需要输出端输出一个较为理想的指数波形，其时间常数与恒流源100和预充电容101的电容值有关，对输出波形进行数据采集并导入CSV文件中，形成与时间对应的一个数组，在基于MATLAB的图形用户界面还原成图像。将输出文件的还原图像与理想的指数波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CMOS的指数波形电流产生电路，其特征在于，包括恒流源(100)、预充电容(101)、第二输出晶体管(102)、第一输出晶体管(103)和预设电压电路(105),预设电压电路(105)的输出端分别与预充电容(101)的上级板和一个MOS晶体管电容(104)的上极板相连；其中，第一输出晶体管(103)的漏极与第二输出晶体管(102)的漏极相连，第一输出晶体管(103)和第二输出晶体管(102)的漏极合并产生总输出电流，第一输出晶体管(103)的栅极与一个MOS晶体管电容(104)的上极板，即MOS晶体管电容(104)的栅极相连，MOS晶体管电容(104)的下极板，即MOS晶体管电容(104)的漏极、源极、衬底均接地；第一输出晶体管(103)的源极接地；第二输出晶体管(102)的栅极、预充电容(101)的上极板和恒流源(100)的阴极相连；第二输出晶体管(102)的源极、预充电容(101)的下极板、和恒流源(100)的阳极接地。

【技术特征摘要】
1.一种基于CMOS的指数波形电流产生电路，其特征在于，包括恒流源(100)、预充电容(101)、第二输出晶体管(102)、第一输出晶体管(103)和预设电压电路(105),预设电压电路(105)的输出端分别与预充电容(101)的上级板和一个MOS晶体管电容(104)的上极板相连；其中，第一输出晶体管(103)的漏极与第二输出晶体管(102)的漏极相连，第一输出晶体管(103)和第二输出晶体管(102)的漏极合并产生总输出电流，第一输出晶体管(103)的栅极与一个MOS晶体管电容(104)的上极板，即MOS晶体管电容(104)的栅极相连，MOS晶体管电容(104)的下极板，即MOS晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，吴祖亚，王文思，侯立刚，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11