專利名稱：一種可提供寬范圍工作電壓的基準(zhǔn)電流源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管來作為基準(zhǔn)電流源的微電子領(lǐng)域，特別涉及一種可提供寬范圍工作電壓的基準(zhǔn)電流源。*
背景技術(shù)：
在集成電路設(shè)計(jì)中，特別是在模擬電路的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)需要用到一些基準(zhǔn)電流源(也叫恒流源)，主要用于為電路內(nèi)部各種放大器提供基準(zhǔn)電流，當(dāng)然有時(shí)也用于一些振蕩器的充放電電流或者其它應(yīng)用。衡量基準(zhǔn)電流源性能好壞的主要有幾個(gè)指標(biāo)恒流電流的精度(也叫恒流特性)、工作電壓范圍、溫度特性等?，F(xiàn)有的上述基準(zhǔn)電流源，比較常用的實(shí)現(xiàn)方法有如下幾種
第一種，通過無源電阻和MOS管來實(shí)現(xiàn)。如圖I所示，主要通過無源電阻R來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電流的大小，該基準(zhǔn)電流源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但缺點(diǎn)是精度較差，基準(zhǔn)電流隨電源變化而變化，而且如果所需電阻較大，實(shí)現(xiàn)起來比較占用版圖面積，進(jìn)而增加芯片成本。第二種，通過兩個(gè)MOS管來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，通過用MOS管作為有源電阻來調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電流的大小，優(yōu)點(diǎn)是采用MOS管做電阻會(huì)比較節(jié)省版圖面積。但缺點(diǎn)是該電流基準(zhǔn)精度很差，電流隨電源波動(dòng)大。第三種，通過基準(zhǔn)電壓和電阻來實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，Vref為基準(zhǔn)電壓，Vref基本不隨電源電壓變化而變化，因此該基準(zhǔn)電流精度較高。但缺點(diǎn)是一是需要一個(gè)高精度的基準(zhǔn)電壓，增加了電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，而且會(huì)帶來額外的功耗；二是不能在寬范圍的工作電壓下正常工作。第四種，通過PTAT電流源來實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，是一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的PTAT基準(zhǔn)電流源。該基準(zhǔn)電流精度較高，不隨電源電壓變化，適用于對(duì)精度要求高的場(chǎng)合。但缺點(diǎn)是一是不能在寬范圍的電源電壓下工作，二是電路結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜。從上面的介紹和分析中可以看出，現(xiàn)有的這些基準(zhǔn)電流源電路一般都是由MOS管和電阻的組合，其復(fù)雜程度由所需電流基準(zhǔn)的精度和其它具體要求決定。上述電流基準(zhǔn)還有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是允許電源電壓波動(dòng)的范圍都很小。但是在實(shí)際應(yīng)用中，有些電路往往需要用在一些電源電壓波動(dòng)范圍比較大的場(chǎng)合，電壓波動(dòng)范圍從幾個(gè)伏特到幾十個(gè)伏特甚至更大，特別的，比如電源電壓在5V 15V變化的工作場(chǎng)合，上述基準(zhǔn)電流源電路結(jié)構(gòu)就很難直接滿足需求。為了解決寬工作電壓范圍的問題，如圖5所示，現(xiàn)有技術(shù)一般采用如下解決思路首先對(duì)寬范圍的輸入工作電壓進(jìn)行預(yù)處理，即增加一個(gè)“電源管理模塊”，把輸入電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)較低的且相對(duì)穩(wěn)定的電壓，然后再把轉(zhuǎn)換后的電壓給“傳統(tǒng)基準(zhǔn)電流電路”供電。但是如此一來，不僅大大增加了線路的復(fù)雜程度，而且實(shí)現(xiàn)起來會(huì)大幅增加芯片面積，從而增加電路成本。
總之，現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)主要為
第一、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要增加電源管理模塊，大大增加了電路的復(fù)雜度，也增加了電路的實(shí)現(xiàn)成本；
第二、增加的電源管理模塊會(huì)消耗功耗，增加了整個(gè)電路的電流；
第三、當(dāng)工作電壓范圍發(fā)生變化 時(shí)，電源管理模塊又要重新設(shè)計(jì)，拓展性和適應(yīng)性較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種可提供寬范圍工作電壓的基準(zhǔn)電流源，通過一種特殊的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET管)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，來解決較寬工作電壓范圍下的基準(zhǔn)電流問題。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明通過采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
一種可提供寬范圍工作電壓的基準(zhǔn)電流源，包括結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，所述結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)為一個(gè)P溝道的JFET管，其溝道為低濃度的P型注入，可以利用工藝中的現(xiàn)有層次，t匕如Pbase層或者Pbody層，P型溝道被N+和NWELL完全包圍(其中N+指高濃度的N型摻雜區(qū)；NWELL指N講，低濃度N型區(qū))，N+和NWELL作為JFET管的柵端，兩個(gè)SP注入?yún)^(qū)一個(gè)作為JFET管的源端、另一個(gè)作為JFET管的漏端(SP指P+，即高濃度的P型區(qū));SP注入?yún)^(qū)外圍為有源區(qū)，把柵端和源端短接后連接到輸入工作電壓，漏端輸出電流，所述P溝道JFET管的夾斷電壓為Vp (Vp主要取決P型注入的濃度，以及P型注入、NWELL、N+這幾個(gè)的結(jié)深)，擊穿電壓為Vb (Vb主要取決于N+、P型注入的慘雜濃度)，當(dāng)采用單個(gè)JFET管來作為基準(zhǔn)電流源時(shí)，其工作電壓范圍為Vp Vb，即Vp <輸入工作電壓< Vb時(shí)，輸出電流為恒定電流。一般來說，Vp在2V 3V左右，而Vb可以在IOV 15V左右甚至更高，當(dāng)然，由于不同工藝間的差異，Vp和Vb的大小會(huì)有不同。因此，一般來說，如果輸入電壓在2V 15V之間變化時(shí)，該單JFET管電流源就能滿足要求。特別地，當(dāng)采用N個(gè)JFET管串聯(lián)來作為基準(zhǔn)電流源時(shí)，其中N為串聯(lián)JFET管的個(gè)數(shù)且大于等于2，每個(gè)JFET管的尺寸相同(也即長(zhǎng)度L和寬度W必須相等，否則電路的分壓比會(huì)發(fā)生變化，電路就有可能會(huì)無法正常工作)，其工作電壓范圍為N*Vp N*Vb，即N*Vp<輸入工作電壓< N*Vb時(shí)，輸出電流為恒定電流，此時(shí)恒定電流的大小取決于單個(gè)JFET管的溝道濃度和尺寸(即低濃度P型注入?yún)^(qū)的長(zhǎng)度L和寬度W)。所述恒定電流的大小由P溝道JFET管的溝道濃度和尺寸決定(即低濃度P型注入?yún)^(qū)的長(zhǎng)度L和寬度W)，一般大小在一百納安到一百微安之間。本發(fā)明的有益效果在于可以很容易就解決寬工作電壓范圍下的基準(zhǔn)電流源問題；另外，還具有線路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易的特點(diǎn)；線路沒有額外功耗，除了基準(zhǔn)電流通路外，無其它消耗電流的直流通路，特別適用于低功耗應(yīng)用的場(chǎng)合；在版圖實(shí)現(xiàn)時(shí)，僅利用現(xiàn)有工藝的版圖層次，并不需要額外增加版圖的光刻次數(shù)；通過簡(jiǎn)單的擴(kuò)展，電路可以滿足更寬的工作電壓范圍。


圖I是現(xiàn)有的通過無源電阻和MOS管來實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電流源的結(jié)構(gòu)示意 圖2是現(xiàn)有的通過兩個(gè)MOS管來實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電流源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是現(xiàn)有的通過基準(zhǔn)電壓和電阻來實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電流源的結(jié)構(gòu)示意 圖4是現(xiàn)有的通過PTAT電流源來實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電流源的結(jié)構(gòu)示意 圖5是現(xiàn)有的寬范圍工作電壓基準(zhǔn)電流源的結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明基準(zhǔn)電流源的JFET管平面結(jié)構(gòu)示意 圖7是本發(fā)明基準(zhǔn)電流源的JFET管剖面結(jié)構(gòu)示意 圖8是本發(fā)明基準(zhǔn)電流源的JFET管的P溝道源漏電流和源漏電壓特性曲線 圖9是本發(fā)明基準(zhǔn)電流源的單JFET管恒流源結(jié)構(gòu)示意 圖10是本發(fā)明基準(zhǔn)電流源的雙JFET管串聯(lián)時(shí)恒流源結(jié)構(gòu)示意圖；
圖11是本發(fā)明基準(zhǔn)電流源的多JFET管串聯(lián)時(shí)恒流源結(jié)構(gòu)示意 圖12是本發(fā)明的一種恒定頻率振蕩器結(jié)構(gòu)應(yīng)用例示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖6、圖7所示，分別為本發(fā)明基準(zhǔn)電流源的JFET管平面結(jié)構(gòu)、剖面結(jié)構(gòu)示意圖。JFET管的溝道為低濃度的P型注入，可以利用工藝中的現(xiàn)有層次，比如Pbase層或者Pbody層。P型溝道被N+和NWELL完全包圍，因此可以把N+和NWELL看成JFET管的柵端Gate，把兩個(gè)SP注入?yún)^(qū)一個(gè)看成JFET管的源端Source，另一個(gè)看成JFET管的漏端Drain, SP注入?yún)^(qū)外圍為有源區(qū)T0。提出一種特殊的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET管)的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)P溝道的JFET管。為了實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)電流，把JFET管的柵端Gate和源端Source短接，經(jīng)過分析可以知道，該P(yáng)溝道JFET管的源漏電流Ids和源漏電壓Vds存在如圖8所示的曲線關(guān)系。Vp為該P(yáng)溝道JFET管的夾斷電壓，當(dāng)-Vds電壓超過Vp后，JFET管產(chǎn)生夾斷，源漏電流Ids開始趨于穩(wěn)定，Vp主要取決P型注入的濃度，以及P型注入、NWELL、N+這幾個(gè)的結(jié)深。Vb為該P(yáng)溝道JFET管的擊穿電壓，當(dāng)-Vds電壓大于Vb后，JFET管產(chǎn)生擊穿，Ids增大，擊穿電壓Vb主要取決于N+、P型注入的慘雜濃度。如圖9所示，把該JFET管的柵端Gate、源端Source短接且都接到輸入工作電壓Vin上，則當(dāng)輸入工作電壓Vin在Vp和Vb之間變化時(shí)，該JFET管的漏端Drain就能輸出恒定電流IR。恒定電流IR的大小取決于溝道濃度以及該JFET管的尺寸，即低濃度P型注入?yún)^(qū)的長(zhǎng)度L和寬度W，如圖6所示。一般來說，Vp在2V 3V左右，而Vb可以在IOV 15V左右甚至更高，當(dāng)然，由于不同工藝間的差異，Vp和Vb的大小會(huì)有不同。因此，一般來說，如果輸入電壓Vin在2V 15V左右之間變化時(shí)，該單JFET管電流源就能滿足要求。但是在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，輸入工作電壓Vin的范圍往往是不固定的，特別是當(dāng)Vb較小時(shí)，則允許的輸入工作電壓Vin范圍就會(huì)比較小。因此為了適應(yīng)更寬的輸入工作電壓Vin的變化范圍，可以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)上述電路進(jìn)行如下變化。如圖10所示，通過把兩個(gè)相同大小的JFET管串聯(lián)，可以適應(yīng)更大的輸入工作電壓Vin變化范圍，此時(shí)，可以讓輸入工作電壓Vin在2Vp和2Vb之間變化(S卩2Vp < Vin < 2Vb)，在JFET管的漏端Drain輸出恒定電流IR，而且電流的大小取決于單個(gè)JFET管的溝道濃度和尺寸(即低濃度P型注入?yún)^(qū)的長(zhǎng)度L和寬度W)。假定Vp為2V，Vb為15V，則圖中的雙JFET管電流源結(jié)構(gòu)允許的電壓范圍就是4V 30V。
如圖11所示，根據(jù)上述原理進(jìn)行類推，當(dāng)串聯(lián)JFET管的個(gè)數(shù)為N (N為大于2的自然數(shù))時(shí)，它允許的工作電壓范圍就是N*Vp N*Vb，而且當(dāng)N*Vp < Vin < N*Vb時(shí)，電路能輸出恒定電流IR。需要注意的是，當(dāng)進(jìn)行2個(gè)以上的JFET管串聯(lián)時(shí)，各個(gè)JFET管的尺寸必須相同(也即長(zhǎng)度L和寬度W必須相等)，否則電路的分壓比會(huì)發(fā)生變化，電路就有可能會(huì)無法正常工作。在這個(gè)前提下，輸出恒定電流IR的大小取決于其中單個(gè)JFET管的尺寸。同樣的，提出了一種基于上述發(fā)明的一種典型應(yīng)用實(shí)例，如圖12所示，是本發(fā)明的一種恒定頻率振蕩器結(jié)構(gòu)應(yīng)用例示意圖。 在該應(yīng)用中，由本發(fā)明的JFET管來提供基準(zhǔn)電流源，用于芯片內(nèi)部振蕩器的電容C充放電電流。由于振蕩器的振蕩頻率主要取決于電容C充放電的電流大小，因此一旦電流恒定，則振蕩頻率就穩(wěn)定了。在圖12中，Vosc用于控制電容C的充放電狀態(tài)，JFET管提供恒定電流源IR對(duì)電容C進(jìn)行充電，Vx則輸出到后級(jí)的電壓比較器。電路工作的時(shí)候，一開始Vosc為低電平，此時(shí)PMOS管打開，基準(zhǔn)電流IR開始給電容C進(jìn)行充電，電容C上的電壓Vx逐漸上升，一旦Vx達(dá)到門限電平Vt，則比較器就翻轉(zhuǎn)，從而使Vosc也發(fā)生翻轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，這時(shí)，PMOS管關(guān)斷，NMOS管打開，由于NMOS管放電能力較強(qiáng)，電容C上的電壓瞬間就被放到GND，此時(shí)Vosc又翻轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，NMOS管關(guān)斷，PMOS管開始充電。就這樣，通過保持充電電流的恒定，使得振蕩器的振蕩頻率也始終保持恒定。上述電路在實(shí)際應(yīng)用中，可以允許輸入電壓在5V 30V之間變化時(shí)，振蕩器頻率保持不變，而且振蕩器的工作電流在整個(gè)電壓變化范圍內(nèi)不超過 2uA。
所以，通過此種結(jié)構(gòu)，可以很方便的實(shí)現(xiàn)在較寬工作電壓變化范圍的情況下，芯片的振蕩頻率保持恒定不變，而且整體功耗很低。
權(quán)利要求
1.一種可提供寬范圍工作電壓的基準(zhǔn)電流源，其特征在于包括結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，所述結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)為一個(gè)P溝道的JFET管，其溝道為低濃度的P型注入，P型溝道被N+和NWELL完全包圍，N+和NWELL作為JFET管的柵端(Gate)，兩個(gè)SP注入?yún)^(qū)一個(gè)作為JFET管的源端(Source)、另一個(gè)作為JFET管的漏端(Drain);把柵端(Gate)和源端(Source)短接后連接到輸入工作電壓(Vin)，漏端(Drain)輸出電流，所述P溝道JFET管的夾斷電壓為Vp，擊穿電壓為Vb，當(dāng)采用單個(gè)JFET管來作為基準(zhǔn)電流源時(shí)，其工作電壓范圍為Vp Vb，即Vp <輸入工作電壓(Vin) < Vb時(shí)，輸出電流為恒定電流(IR)。
2.如權(quán)利要求I所述的可提供寬范圍工作電壓的基準(zhǔn)電流源，其特征在于當(dāng)采用N個(gè)JFET管串聯(lián)來作為基準(zhǔn)電流源時(shí)，其中N為串聯(lián)JFET管的個(gè)數(shù)且大于等于2，每個(gè)JFET管的尺寸相同，其工作電壓范圍為N*Vp N*Vb，即N*Vp <輸入工作電壓(Vin)< N*Vb時(shí)，輸出電流為恒定電流(IR)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的可提供寬范圍工作電壓的基準(zhǔn)電流源，其特征在于所述恒定電流(IR)的大小由P溝道JFET管的溝道濃度和尺寸決定，大小在一百納安到一百微安之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可提供寬范圍工作電壓的基準(zhǔn)電流源，包括結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管，所述結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)為一個(gè)P溝道的JFET管，其溝道為低濃度的P型注入，P型溝道被N+和NWELL完全包圍，N+和NWELL作為JFET管的柵端，兩個(gè)SP注入?yún)^(qū)一個(gè)作為JFET管的源端、另一個(gè)作為JFET管的漏端；把柵端和源端短接后連接到輸入工作電壓，漏端輸出電流，可采用單個(gè)或N個(gè)JFET管串聯(lián)來作為基準(zhǔn)電流源，其工作電壓范圍為N*Vp～N*Vb，即N*Vp＜輸入工作電壓＜N*Vb時(shí)，輸出為恒定電流。其優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)寬工作電壓范圍；且線路簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、沒有額外功耗，版圖實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；還可進(jìn)行擴(kuò)展，滿足更寬的工作電壓范圍。
文檔編號(hào)G05F1/565GK102654779SQ20121015254
公開日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者從紅艷, 吳海宏, 孫鋒, 張勇, 曹發(fā)兵, 朱奎, 朱琪, 沈小波, 王勇, 陳鐘鵬, 韓磊 申請(qǐng)人:中科芯集成電路股份有限公司