低阈值电压晶体管偏压电路的制作方法

1.本公开涉及半导体的技术领域，且更特定来说涉及低阈值电压晶体管偏压电路。


背景技术：

2.可制造具有各种阈值电压的晶体管。阈值电压是必须施加到栅极区以在晶体管的源极与漏极之间感应电流的电压。金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)可被制造为具有标准阈值电压(例如，0.6伏阈值)或低阈值电压(例如，0.15伏阈值)。低阈值电压晶体管可用于实现在可能比标准电压阈值晶体管低的电源电压下操作的电路。电路功率消耗可通过使用较低的电源电压来降低。


技术实现要素：

3.本文中公开一种用于维持低阈值电压晶体管的饱和模式操作的偏压电路。在一个实例中，一种电路包含电源端子、接地端子、低阈值电压晶体管及偏压电路。所述低阈值电压晶体管包含栅极及漏极。所述偏压电路包含第一偏压电路晶体管、第二偏压电路晶体管及电阻器。所述第一偏压电路晶体管包含第一电流端子及第二电流端子。所述第一电流端子经耦合到所述电源端子。所述第二偏压电路晶体管包含第一电流端子及第二电流端子。所述第二偏压电路晶体管的所述第一电流端子经耦合到所述接地端子。所述电阻器经耦合到所述第一偏压电路晶体管的所述第二电流端子及所述第二偏压电路晶体管的所述第二电流端子。所述电阻器还经耦合在所述低阈值电压晶体管的所述栅极与所述低阈值电压晶体管的所述漏极之间。
4.在另一实例中，一种电流镜电路包含第一电流镜晶体管、第二电流镜晶体管及偏压电路。所述第一电流镜晶体管包含栅极及漏极。所述第二电流镜晶体管包含耦合到所述第一电流镜晶体管的所述栅极的栅极。所述第一电流镜晶体管及所述第二电流镜晶体管是低阈值电压晶体管。所述偏压电路经耦合到所述第一电流镜晶体管的所述栅极及所述漏极。所述偏压电路经配置以当所述第一电流镜晶体管的阈值电压是负电压时加偏压于所述第一电流镜晶体管以在饱和模式中操作。
5.在进一步实例中，一种线性电压调节器包含电流镜电路及偏压电路。所述电流镜电路包含第一电流镜。所述第一电流镜包含第一低阈值电压晶体管及第二低电压阈值晶体管。所述第一低阈值电压晶体管包含栅极及漏极。所述第二低阈值电压晶体管包含耦合到所述第一低电压阈值晶体管的所述栅极的栅极。所述偏压电路包含耦合在所述第一低阈值电压晶体管的所述漏极与所述第一低阈值电压晶体管的所述栅极之间的电阻器。所述电阻器还经耦合在第二电流镜与第三电流镜之间。
附图说明
6.图1展示使用二极管连接低阈值电压晶体管的常规电流镜的示意图。
7.图2展示包含维持低阈值电压晶体管的饱和模式操作的偏压电路的电流镜电路的
示意图。
8.图3展示包含电流镜电路的低压差线性电压调节器的一部分的示意图，所述电流镜电路包含偏压电路以维持低阈值电压晶体管的饱和模式操作。
9.图4展示包含电流镜电路的低压差线性电压调节器的一部分的示意图，所述电流镜电路包含偏压电路以维持低阈值电压晶体管的饱和模式操作。
10.图5展示图2的电流镜电路及使用二极管连接晶体管的电流镜电路的误差与温度的比较。
11.图6展示图2的电流镜电路及使用二极管连接标准阈值电压晶体管的电流镜电路的误差与电源电压的比较。
具体实施方式
12.金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)通常被制造为具有三个阈值范围之一。在自然阈值电压晶体管中，阈值电压不会通过使用植入物或体相掺杂而改变，且是约0伏(v) /-0.1v。在低阈值电压晶体管中，阈值电压通过使用植入物或体相掺杂而略有改变，且是约0.15v /-0.1v。在标准阈值电压晶体管中，阈值电压是通过使用植入物或体相掺杂来设置，且是约为0.6v到0.8v，差幅是约 /-0.05v。标准阈值电压晶体管可用在广泛范围的低泄漏、模拟及数字应用中。然而，由于较高的阈值电压，可与标准阈值电压晶体管一起使用的最小电源电压高于自然及低阈值电压晶体管的最小电源电压。
13.在低阈值电压晶体管中，阈值电压可在较高温度及工艺角极端下改变极性(例如，从正到负)。因为低阈值电压晶体管的阈值电压可为负，所以当二极管连接时无法保证低阈值电压晶体管的饱和，且因此二极管连接无法用于在宽温度范围，例如1级(-40c至125c)或0级(-40c至150c)汽车要求内实施具有低阈值电压晶体管的电流镜。
14.本文中描述一种即使在低阈值电压晶体管的阈值电压是负时也实现所述晶体管的饱和模式操作的偏压电路。所述偏压电路允许将低阈值电压晶体管用在电流镜及其它电路中作为受益于降低的电源电压的应用，例如低压差线性电压调节器的部分，同时保持在宽温度范围内操作的能力。
15.图1展示使用二极管连接低阈值电压晶体管的电流镜100(常规电流镜)的示意图。电流镜100包含晶体管102、晶体管104、电流源106及电阻器108。晶体管102及晶体管104是低阈值电压晶体管。晶体管102是二极管连接的。晶体管102的源极端子102s经耦合到接地端子112。晶体管102的栅极端子102g经耦合到晶体管102的漏极端子102d。电流源106经耦合到电源端子110且到晶体管102的漏极端子102d。
16.晶体管104的源极端子104s经耦合到接地端子112。晶体管104的栅极端子104g经耦合到晶体管102的栅极端子102g。电阻器108经耦合到电源端子110且到晶体管104的漏极端子104d。从电流源106通过晶体管102的电流经镜像在晶体管104中。在一些电流镜(例如，使用二极管连接标准阈值晶体管的电流镜)中，通过提供大于或等于栅极-源极电压(v
gs
)减去晶体管的阈值电压(v
th
)的漏极-源极电压(v
ds
)(v
ds
≥v
gs-v
th
)来保证晶体管在饱和模式中操作。对于标准阈值电压晶体管，阈值电压始终为正，且在v
ds
＝v
gs
时，所述晶体管在饱和模式中操作。然而，因为晶体管102及晶体管104是低阈值电压晶体管，所以阈值电压在高温下改变极性且变为负。对于负阈值电压，v
ds
＝v
gs
将不提供在饱和模式中的操作。晶体管102
及晶体管104可在线性区中操作，且晶体管102及晶体管104中流动的电流的差异(误差)可是高的(例如，50％-100％的误差)，从而使电流镜100不适用于大多数应用。
17.图2展示包含维持低阈值电压晶体管在高温下的饱和模式操作的偏压电路的电流镜电路200的示意图。电流镜电路200包含电流镜202、偏压电路204及电流源224。电流镜202包含电流镜晶体管206及电流镜晶体管208。电流镜晶体管206及电流镜晶体管208是低阈值电压晶体管。在各种实施方案中，电流镜晶体管206及电流镜晶体管208可为n沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或p沟道mosfet。电流镜晶体管206的栅极端子206g经耦合到电流镜晶体管208的栅极端子208g。电流镜晶体管206的源极端子206s经耦合到接地端子228。电流镜晶体管208的源极端子208s也经耦合到接地端子228。电流镜晶体管206的漏极端子206d经耦合到电流源224。电流镜晶体管206的漏极端子206d中流动的电流通过在电流镜晶体管208的漏极端子208d中流动的电流镜像。
18.电流镜晶体管206不像电流镜100的晶体管102那样是二极管连接的。电流镜晶体管206的漏极端子206d及栅极端子206g经耦合到偏压电路204。偏压电路204加偏压于电流镜202以维持在温度范围内在饱和模式中的操作。偏压电路204包含电阻器220、电流源222、电流镜230及电流镜232。电阻器220跨电流镜晶体管206的漏极端子206d及栅极端子206g连接。电流镜230及电流镜232控制电阻器220中的电流。在电流镜电路200中，电流镜晶体管206的漏极-源极电压是电流镜晶体管206的栅极-源极电压加上跨电阻器220的电压(v
shift
)(v
ds
＝v
gs
v
shift
)。使用适当选择的v
shift
电压产生的漏极-源极电压允许电流镜晶体管206即使在电流镜晶体管206的阈值电压是负时也在饱和模式下操作。如果v
shift
太大，那么禁止在低电源电压下的操作。如果v
shift
太小，那么对阈值电压极性变化的补偿不足。50-100毫伏的v
shift
电压在电流镜电路200的实施方案中提供改进的性能。在电流镜电路200中，镜像电流的误差可显著地小于电流镜100中的误差电流(例如，小于电流镜晶体管206与电流镜晶体管208中的电流之间的5％误差)。
19.电阻器220包含耦合到电流镜晶体管206的漏极端子206d的端子220a及耦合到电流镜晶体管206的栅极端子206g的端子220b。电流镜230向电阻器220供应电流，且电流镜232从电阻器220吸收电流。电流镜230包含偏压电路晶体管210、偏压电路晶体管214及偏压电路晶体管216。偏压电路晶体管210、偏压电路晶体管214及偏压电路晶体管216是标准阈值电压晶体管。偏压电路晶体管210、偏压电路晶体管214及偏压电路晶体管216可为p沟道mosfet。偏压电路晶体管214是二极管连接的。偏压电路晶体管214包含耦合到电源端子226的源极端子214s、耦合到电流源222的漏极端子214d及耦合到偏压电路晶体管214的漏极端子214d的栅极端子214g。偏压电路晶体管216包含耦合到电源端子226的源极端子216s及耦合到偏压电路晶体管214的栅极端子214g的栅极端子216g。偏压电路晶体管210包含耦合到电源端子226的源极端子210s、耦合到偏压电路晶体管214的栅极端子214g的栅极端子210g及耦合到电阻器220的端子220a的漏极端子210d。通过偏压电路晶体管214的电流经镜像在偏压电路晶体管216及偏压电路晶体管210中。流动通过偏压电路晶体管214的电流可相对低(例如，100纳安)。
20.因为v
shift
的值通常是100毫伏(mv)的数量级，所以电阻器220的一些实施方案是100mv/1megohm＝0.1微安(ua)或100纳安(na)的电流被吸收到其中的使用值1megohm的高薄层电阻电阻器来实现。这使偏压电路204具有低静态电流(iq)损失。高薄层电阻器也以小
面积实现。因此，偏压电路204具有低iq及低面积开销。在电流镜电路200的一些实施方案中，电阻器220是使用mosfet来实施。
21.电阻器220中的电流的值也被选择为比从电流源224供应的电流值小10倍，使得由于电流在到电流镜晶体管206的支路与由电阻器220及偏压电路晶体管212形成的支路之间的交叉馈电所致的误差最小化。使电阻器220的电流非常小是确保交叉馈电为低的可靠方法。
22.电流镜232包含偏压电路晶体管212及偏压电路晶体管218。偏压电路晶体管212及偏压电路晶体管218是标准阈值电压晶体管。偏压电路晶体管212及偏压电路晶体管218可为n沟道mosfet。偏压电路晶体管218是二极管连接的。偏压电路晶体管218包含耦合到接地端子228的源极端子218s、耦合到偏压电路晶体管216的漏极端子216d的漏极端子218d及耦合到漏极端子218d的栅极端子218g。偏压电路晶体管212包含耦合到电阻器220的端子220b的漏极端子212d、耦合到接地端子228的源极端子212s及耦合到偏压电路晶体管218的栅极端子218g的栅极端子212g。
23.偏压电路晶体管214、216、210、218、212经定大小以免被强加显著面积损失。偏压电路204的失配规范被放宽，因为目标是实现v
shift
的合理变动值及范围。偏压电路晶体管210及212分别供应及吸收相同电流，从而使v
shift
成为施加在电流镜晶体管206的漏极端子206d与栅极端子206g之间的浮动电压源。使用偏压电路晶体管210及偏压电路晶体管212确保电阻器220中的电流不会分流到任何其它电路分路中。偏压电路晶体管212的位置使自由地容许电流镜晶体管206设置其栅极端子电势以满足吸收电流源224的电流的要求。因为偏压电路晶体管212的漏极提供属于其的高阻抗，所以偏压电路晶体管212可在电流镜晶体管206的栅极电压经强加在其上的情况下保持饱和，且使用电阻器220向电流镜晶体管206的漏极电压提供v
shift
提升。
24.偏压电路204的一些实例是使用双极结型晶体管而非mosfet来实施。例如，偏压电路晶体管210、214及216是pnp双极结型晶体管，且偏压电路晶体管212及218是npn双极结型晶体管。
25.图3展示线性电压调节器300(低压差线性电压调节器)的一部分的示意图，其设置电流极限以保护线性电压调节器300及附接负载电路免于过电流或短路。线性电压调节器300包含功率晶体管306、复本晶体管304及电流镜电路303。功率晶体管306供应电流以对负载电路供电。复本晶体管304是功率晶体管306的小得多的例子，其传递在功率晶体管306中流动的负载电流的按比例缩小版本。电流镜电路303是电流镜电路200的p沟道实施方案。功率晶体管306及复本晶体管304是n沟道mosfet。电流镜电路303包含电流镜302及偏压电路204。在线性电压调节器300的电流极限检测电路系统中使用电流镜电路303允许实施线性电压调节器300以在低到0.6伏的输出电压(vout)下操作。此低输出电压支持对于其阈值电压将处于0.5-0.6v的数量级且因此电流镜302下方的负载电路将不存在剩余空间的标准阈值电压晶体管来说将是非常不切实际的。
26.电流镜电路303包含电流镜晶体管308及电流镜晶体管310。电流镜晶体管308及电流镜晶体管310是低阈值电压晶体管(p沟道mosfet)。电流镜晶体管308的栅极端子308g经耦合到电流镜晶体管310的栅极端子310g。电流镜晶体管308的源极端子308s经耦合到功率晶体管306的源极端子306s。电流镜晶体管310的源极端子310s经耦合到复本晶体管304的
源极端子304s。电流镜晶体管308中流动的电流通过电流镜晶体管310中流动的电流镜像。
27.电流镜晶体管308不是二极管连接的。电流镜晶体管308的漏极端子308d及栅极端子308g经耦合到偏压电路204。电流镜晶体管308的栅极端子308g经耦合到电阻器220的端子220a，且电流镜晶体管308的漏极端子308d经耦合到电阻器220的端子220b。
28.晶体管316、318、320及322经耦合到电流镜302。晶体管316及320的栅极端子是设置电压vcas，且晶体管318及322的栅极端子是具有恒定参考电流(未展示)的设置vbias。当功率晶体管306中的电流超过预定义极限时，由晶体管316、318、320及322形成的nmos电流参考不能提供复本晶体管304及晶体管310所要的电流，且节点v1被拉到逻辑高状态。节点v1经耦合到输出电路312，且当节点v1被拉到逻辑高状态时，晶体管324被导通，且继而信号314被拉到逻辑低状态指示功率晶体管306中流动的电流已超过预定义极限。
29.图4展示在无负载或非常小负载下操作时提供泄漏补偿的线性电压调节器400(低压差线性电压调节器)的一部分的示意图。线性电压调节器400包含功率晶体管402、复本晶体管404、电流镜电路200的例子及电流镜电路406。功率晶体管402及复本晶体管404是p沟道mosfet。复本晶体管404是功率晶体管402的按比例缩小(例如，n:1，其中n是100-1000)例子。
30.复本晶体管404的栅极端子404g经耦合到复本晶体管404的源极端子404s，使得唯一漏极电流是由于各种moset泄漏机制，例如亚阈值泄漏所致。当不存在负载时，功率晶体管402的泄漏电流可对耦合到功率晶体管402的漏极端子402d的输出电容器cout充电。电容器cout理论上可充电到vdd且引起对负载电路的损坏。所述调节器的控制回路至多能够将功率晶体管402的栅极端子402g拉到与vdd相同的电势，这不足以抑制功率晶体管402的泄漏电流。在低压差线性电压调节器400中，电流镜电路200及电流镜电路406对低电源电压及低输出电压提供泄漏补偿。
31.电流镜电路406是电流镜电路200的p沟道实施方案。电流镜电路200及电流镜电路406针对功率晶体管402中的泄漏补偿在宽温度范围内低到0.5伏的输出电压。
32.电流镜电路406包含电流镜408及偏压电路410。电流镜408包含电流镜晶体管412及电流镜晶体管414。电流镜晶体管412及电流镜晶体管414是低阈值电压晶体管(p沟道mosfet)。电流镜晶体管412的栅极端子412g经耦合到电流镜晶体管414的栅极端子414g。电流镜晶体管412的源极端子412s经耦合到功率晶体管402的漏极端子402d。电流镜晶体管414的源极端子414s经耦合到复本晶体管404的漏极端子404d。在电流镜晶体管412中流动的电流通过电流镜晶体管414中流动的电流镜像。
33.电流镜晶体管414不是二极管连接的。电流镜晶体管414的漏极端子414d及栅极端子414g经耦合到偏压电路410。偏压电路410加偏压于电流镜408以维持在温度范围内在饱和模式中的操作。偏压电路410包含电阻器220、电流源432、电流镜440及电流镜442。电阻器220跨电流镜晶体管414的漏极端子414d及栅极端子414g连接。电流镜440及电流镜442控制电阻器220中的电流。电流镜晶体管412的漏极端子412d经耦合到电流镜晶体管206的漏极端子206d，且电流镜晶体管414的漏极端子414d经耦合到电流镜晶体管208的漏极端子208d。在线性电压调节器400中，使用跨电阻器220的电压(v
shift
)产生的漏极-源极电压允许电流镜晶体管414及电流镜晶体管412即使在电流镜晶体管412及414的阈值电压是负时也在饱和模式中操作。
34.偏压电路410的电阻器220包含耦合到电流镜晶体管414的漏极端子414d的端子220a及耦合到电流镜晶体管414的栅极端子414g的端子220b。电流镜442向电阻器220供应电流，且电流镜440从电阻器220吸收电流。电流镜440包含偏压电路晶体管420、偏压电路晶体管424及偏压电路晶体管426。偏压电路晶体管420、偏压电路晶体管424及偏压电路晶体管426是标准阈值电压晶体管。偏压电路晶体管420、偏压电路晶体管424及偏压电路晶体管426可为n沟道mosfet。偏压电路晶体管424是二极管连接的。偏压电路晶体管424包含耦合到接地端子228的源极端子424s、耦合到电流源432的漏极端子424d及耦合到偏压电路晶体管424的漏极端子424d的栅极端子424g。偏压电路晶体管426包含耦合到接地端子228的源极端子426s及耦合到偏压电路晶体管424的栅极端子424g的栅极端子426g。偏压电路晶体管420包含耦合到接地端子228的源极端子420s、耦合到偏压电路晶体管424的栅极端子424g的栅极端子420g及耦合到电阻器220的端子220a的漏极端子420d。通过偏压电路晶体管424的电流经镜像在偏压电路晶体管426及偏压电路晶体管420中。流动通过偏压电路晶体管424的电流可相对低(例如，100纳安)。
35.电流镜442包含偏压电路晶体管422及偏压电路晶体管428。偏压电路晶体管422及偏压电路晶体管428是标准阈值电压晶体管。偏压电路晶体管422及偏压电路晶体管428可为p沟道mosfet。偏压电路晶体管428是二极管连接的。偏压电路晶体管428包含耦合到电源端子226的源极端子428s、耦合到偏压电路晶体管426的漏极端子426d的漏极端子428d及耦合到漏极端子428d的栅极端子428g。偏压电路晶体管422包含耦合到电阻器220的端子220b的漏极端子422d、耦合到电源端子226的源极端子422s及耦合到偏压电路晶体管428的栅极端子428g的栅极端子422g。
36.偏压电路410的一些实例是使用双极结型晶体管而非mosfet来实施。例如，偏压电路晶体管420、424及426是npn双极结型晶体管，且偏压电路晶体管422及428是pnp双极结型晶体管。
37.在复本晶体管404中复制功率晶体管402的泄漏。经复制泄漏使用电流镜202按比例放大且从耦合到功率晶体管402的漏极端子402d的输出电容器cout放电。如果镜像是准确的，那么将功率晶体管402的泄漏分流到电流镜晶体管412中，且电流镜晶体管206及cout电容器电压不会上升。
38.图5展示表示为各种电流镜电路的二极管连接分路中的电流(也被称为参考电流)的百分比的电流镜比误差与温度的比较。由于线性模式操作，电流镜100的误差504随温度增加显著地增加。使用标准阈值电压的电流镜(例如，电流镜100的实施方案)的误差506不会随温度增加。电流镜电路200、电流镜电路303或电流镜电路406的误差502在温度范围内是稳定的且低于误差506或误差504。
39.图6展示使用本文中所描述的偏压电路的电流镜电路及使用二极管连接标准阈值电压晶体管的电流镜电路的电流镜比误差(％)与电源电压的比较。使用低阈值电压晶体管及本文中所描述的偏压电路的电流镜电路(例如，电流镜电路200、电流镜电路303或电流镜电路406)中的误差604在低电源电压下显著地低于在使用标准阈值电压晶体管的电流镜电路中产生的误差602。此外，使用低阈值电压晶体管及本文中所描述的偏压电路，对于低到0.4伏的电源电压，误差被维持在0.5％以下。使用二极管连接标准阈值晶体管，误差高达4％，这影响应用电路的准确度(例如，图4的泄漏补偿电路的准确度引起输出电压误差或引
入图3的电流极限电路中的误差使其过早或过晚跳闸)。
40.本文中所描述的偏压电路的实施方案(例如，偏压电路204或偏压电路410的实施方案)也可用在除电流镜电路之外的电路中以加偏压于低阈值电压晶体管以在温度范围内进行饱和模式操作。
41.在本说明书中，术语“耦合”可涵盖实现与本说明书一致的功能关系的连接、通信或信号路径。例如，如果装置a生成信号以控制装置b来执行动作，那么：在第一实例中，装置a经耦合到装置b，或在第二实例中，如果中介组件c基本上不改变装置a与装置b之间的功能关系，那么装置a通过中介组件c耦合到装置b，使得装置b经由由装置a生成的控制信号通过装置a来控制。
42.在所描述实施例中，修改是可能的，且在权利要求书的范围内，其它实施例也是可能的。