CN101288231A - 具有多重栅极器件的信号转换器 - Google Patents

具有多重栅极器件的信号转换器 Download PDF

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Abstract

提供了一种模数转换器(10)，包括提供多个数字输出信号的多个多重独立栅极场效应晶体管(MIGFET)(14、16、18、20)。多个MIGFET(14、16、18、20)中的每个MIGFET(14)可以具有用于接收模拟信号的第一栅极(60)、用于被偏置的第二栅极(62)、和用于从多个数字输出信号中提供数字输出信号的电流电极。多个MIGFET中的每个MIGFET可以具有体宽度和沟道长度的组合，该组合在该多个MIGFET中是独特的，以导致该多个MIGFET中的独特的阈值电压。还提供了一种包括多个MIGFET的数模转换器。

Description

具有多重栅极器件的信号转换器
技术领域
本发明总体上涉及信号转换器，更具体地，涉及具有多重栅极器件的信号转换器。
背景技术
传统上，信号转换器，诸如模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，使用电阻器组(resistor bank)和比较器将模拟信号转换为数字信号，反之亦然。在此种信号转换器中的电阻器组和比较器的使用带来了数个问题。例如，工艺偏差或热效应可能导致电阻器组提供不准确的分压。这是因为在集成电路中难于制造高精度的电阻器。因此，在信号转换器中的传统的电阻器组的使用可能导致信号转换中的误差。
而且，比较器的使用增加了信号转换器电路的实现复杂度。具体地，每个比较器可能使用约15个晶体管来实现。典型的32级信号转换器，诸如ADC，可能另外需要约480个晶体管。因此，存在对在信号转换过程中导致较低误差并且低复杂度的信号转换器的需求。
附图说明
本发明借助于示例的方式来说明，并且不受附图的限制，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明的一种实施方式的具有多重栅极器件的示例性模数转换器；
图2是可用作图1的示例性模数转换器的部件的示例性多重栅极器件的局部顶视图；
图3是根据本发明的一种实施方式说明了多重栅极器件的阈值电压与其沟道长度之间的示例性关系的曲线图；
图4是根据本发明的一种实施方式说明了多重栅极器件的阈值电压与其体宽度之间的示例性关系的曲线图；以及
图5是根据本发明的另一实施方式的具有多重栅极器件的示例性数模转换器。
本领域的技术人员应认识到，图中的元件是为了简化和清楚而图示的，并且没有必要依比例绘制。例如，图中的某些元件的尺寸可以相对于其他元件放大以有助于增进对本发明的实施方式的理解。
具体实施方式
信号转换器，不论是模数转换器还是数模转换器，可以使用具有不同的阈值电压的多重独立栅极FET(MIGFET)以提供转换。MIGFET可以优选地基于体宽度和沟道长度具有不同的阈值电压，以提供所需的不同的转换数。这利用了阈值电压随着体宽度改变的相对线性的改变。因此通过使体宽度改变对应的量，可以获得许多不同的阈值电压。对于MIGFET的沟道长度改变来说，也同样成立。体宽度和沟道长度的组合可以实现大量的不同的阈值电压。阈值电压还可以通过MIGFET的第二栅极来调整。这有助于为将要相对于独立确定的基准电压标定的阈值电压建立偏移。
在一个方面，提供了一种模数转换器，其包括提供多个数字输出信号的多个多重独立栅极场效应晶体管(MIGFET)。多个MIGFET中的每个MIGFET可以具有用于接收模拟信号的第一栅极、用于被偏置的第二栅极、和用于从多个数字输出信号中提供数字输出信号的电流电极。多个MIGFET中的每个MIGFET可以具有体宽度和沟道长度的组合，该组合在该多个MIGFET中是独特的，以导致该多个MIGFET中的独特的阈值电压。每个MIGFET可以具有耦合到接地端的第二电流电极。
在另一方面，提供了一种模数转换器，其包括多个FET，该多个FET提供多个数字输出信号。多个FET中的每个FET可以具有用于接收模拟信号的第一栅极和用于提供多个数字输出信号的数字输出信号的电流电极。多个FET中的每个FET可以具有在该多个FET中独特的阈值电压。
在另一方面，提供了一种数模转换器，其包括多个FET，该多个FET在求和节点处提供模拟信号。多个FET中的每个FET可以具有用于从多个数字信号中接收不同的数字信号的第一栅极，和耦合到求和节点的电流电极。多个FET中的每个FET可以具有在该多个FET中独特的阈值电压。
图1是根据本发明的一种实施方式的具有多重栅极器件的示例性模数转换器10。模数转换器(ADC)10可以使用例如，多重栅极器件14、16、18和20实现。ADC 10可以接收模拟信号12，随后可以使用采样保持电路13对其采样。然后，采样的模拟信号可被馈送到每个多重栅极器件14、16、18和20的第一栅极。对于N沟道实现，每个多重栅极器件14、16、18和20的电流电极(漏极端)可以经由各自的负载元件22、24、26和28连接到电压源(Vdd)30。对于N沟道实现，每个多重栅极器件14、16、18和20的第二电流电极(源极端)可以接地。可替换地，在P沟道实现中，每个多重栅极器件14、16、18和20的的源极端可以连接到Vdd。每个多重栅极器件14、16、18和20的第二栅极可以连接到可编程偏置电路32。可编程偏置电路32可以向多重栅极器件14、16、18和20提供可选择的偏置电压或者一组可选择的偏置电压。因此，每个多重栅极器件可以具有施加到其第二栅极的相同或不同的偏置电压。每个多重栅极器件可以提供输出，其与输出V0 36、V1 38、V2 40...和Vn 42相结合，可以表示对应于模拟输入值的数字值。因此，例如，如果在图1中使用了十六个多重栅极器件，则输出可以是对应于特定的采样模拟值的16个数字信号。
数字信号不需要相对模拟输入值是线性的。作为示例，数字信号可以是模拟输入值的对数函数、非线性函数或者用户需要的任何其他的函数。尽管图1中没有示出，但是可以进一步处理该16个数字信号以生成对应于特定的采样模拟信号值的数字字。依赖于所需的量化值的粒度，可以使用任何适当数目的多重栅极器件。在操作中，采样模拟信号被用于偏置每个多重栅极器件14、16、18和20。
可以使用多重独立栅极场效应晶体管(MIGFET)、FinFET、或者任何其他适当的多重栅极晶体管实现多重栅极器件14、16、18和20。负载元件22、24、26和28可以使用电阻器、MIGFET、FinFET、或者任何其他适当的晶体管实现。这些晶体管的每一个可以是N沟道的或P沟道的。而且，这些晶体管每一个可以是平面的或非平面的。此外，对应于负载元件的晶体管可以具有可调的阻抗。
当施加特定值的采样模拟信号值时，这些多重栅极器件的阈值电压确定哪个多重栅极器件将导通。通常，当特定的多重栅极器件导通时，该特定的多重栅极器件的输出电流增加。当增加的输出电流流过负载元件(22，例如)时，这将导致对应于该多重栅极器件的第一电压输出值。相反地，当特定的多重栅极器件截止时，该特定的多重栅极器件的输出电流实质上下降。当下降的输出电流流过负载元件(22，例如)时，这将导致对应于该多重栅极器件的第二电压输出值。当输入的采样模拟信号值超过特定的多重栅极器件的阈值电压时，该特定的多重栅极器件将被导通。如图1中示出的，每个该多重栅极器件14、16、18和20可以具有不同的阈值电压。与其他方面一起，每个该多重栅极器件的阈值电压可能取决于沟道长度、体宽度和多重栅极器件的第二栅极的栅极偏置。尽管图1将多重栅极器件14、16、18和20示出为具有两个栅极，但是它们可以具有另外的栅极。
图2是可用作图1的示例性模数转换器的部件的示例性多重栅极器件的局部顶视图。多重栅极器件14可以包括源极50、漏极52和沟道54。此外，多重栅极器件14可以包括两个栅极：栅极G1 60和栅极G262。通过使用适当的半导体工艺和设计技术，可以改变每个多重栅极器件14、16、18和20的体宽度(BW)56和沟道长度(LG)58。体宽度和沟道长度分别可以在有源区和栅极区的布局过程中定义。体宽度和沟道长度的不同组合可以导致特定的多重栅极器件的不同的阈值电压。
图3是根据本发明的一种实施方式说明了多重栅极器件的阈值电压与其沟道长度之间的示例性关系的曲线图。作为示例，如图3中所示，阈值电压(Vt)70可以随着沟道长度(LG)72的改变而改变。示例性的线(74、76和78)表示当多重栅极器件的第二栅极(VG2)的偏置电压变化时(VG21、VG22和VG23 80)阈值电压(Vt)70和沟道长度(LG)72之间的关系。因此，多重栅极器件的阈值电压(Vt)70可以基于其沟道长度而变化。作为示例，多重栅极器件(14，例如)的沟道长度可以从30纳米变化到100纳米。回来参考图1，在模数转换器10的一种实施方式中，多重栅极器件14可以具有第一体宽度和第一沟道长度。多重栅极器件16可以具有第二体宽度和第二沟道长度。多重栅极器件18可以具有第三体宽度和第三沟道长度。多重栅极器件20可以具有第四体宽度和第四沟道长度。
图4是根据本发明的一种实施方式说明了多重栅极器件的阈值电压与其体宽度之间的示例性关系的曲线图。作为示例，如图4中所示，阈值电压(Vt)70可以随着体宽度(BW)82的改变而改变。示例性的线(84、86和88)表示当多重栅极器件的第二栅极(VG2)的偏置电压变化时(VG21、VG22和VG23 90)阈值电压(Vt)70和体宽度(BW)82之间的关系。因此，多重栅极器件的阈值电压(Vt)70可以基于其体宽度而变化。作为示例，多重栅极器件(14，例如)的体宽度可以从10纳米变化到100纳米。通过使用适当标定的仿真软件，诸如MATLAB，可以测试沟道长度、体宽度和偏置电压的不同组合，以针对每个多重栅极器件14、16、18和20选择这些值的正确组合。事实上，为此目的也可以使用任何其他适当的工具。
图5是根据本发明的另一实施方式的具有多重栅极器件的示例性数模转换器。数模转换器(DAC)92可以使用多重栅极器件102、103、104和106实现。DAC 92可以接收数字信号D094、D196、D298和Dn 100，并且可以将这些数字信号转换为模拟信号Vo 91。每个接收的数字信号D094、D196、D298和Dn 100可以使相应的多重栅极器件导通。每个多重栅极器件102、103、104和106的电极，例如源极，可以耦合到可编程偏置电路1112。每个导通的多重栅极器件可以在求和节点116处生成电流，其然后可以耦合到电流电压转换器的第一输入，该电流电压转换器可以包括运算放大器108和反馈元件110。事实上，可以使用任何适当的元件实现电流电压转换器。尽管图5将多重栅极器件102、103、104和106示出为具有两个栅极，但是它们可以具有另外的栅极。作为示例，可以使用电阻器、多重独立栅极场效应晶体管(MIGFET)、FinFET、或者任何其他适当的多重栅极晶体管实现每个多重栅极器件102、103、104和106。如上文解释的，通过参考图2、3和4，可以改变多重栅极器件的沟道长度、体宽度和第二栅极的偏置电压。
再次参考图5，可编程偏置电路2114可以向每个多重栅极器件的第二栅极提供可编程的偏置电压。对于每个多重栅极器件，可编程的偏置电压可以不同或相同。如上文参考图3和4进一步解释的，特定的多重栅极器件的阈值电压随着其沟道长度、体宽度和偏置电压变化。导通电流根据阈值电压的变化而改变。因此，多重栅极器件的沟道长度、体宽度和/或偏置电压的改变，改变了多重栅极器件将提供给电流电压转换器的电流。通过选择多重栅极器件的沟道长度、体宽度和/或偏置电压的适当的值，可以设定提供给电流电压转换器的电流，由此电流电压转换器生成表示特定的数字字的模拟电压。通过使用适当标定的仿真软件，诸如MATLAB，可以测试沟道长度、体宽度和偏置电压的不同组合，以针对每个多重栅极器件102、103、104和106选择这些值的正确组合。事实上，为此目的也可以使用任何其他适当的工具。输出模拟电压相对于输入数字信号不必是线性的。作为示例，输出模拟电压可以是输入数字信号的对数函数、非线性函数或者用户需要的任何其他的函数。
上文参考具体实施方式描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，该益处、优点、问题的解决方案、以及可以使任何益处、优点或解决方案出现或者更加显著的任何因素，不应被解释为任何或所有权利要求的关键的、必需的或基本的特征或要素。如此处使用的术语“包括”或其任何其他变化形式，目的在于涵盖非排他性的内含物，由此包括一系列元素的处理、方法、物体或装置不仅包括该元素，而且可以包括未明确列出或者对于该过程、方法、物体或装置固有的其他元素。

Claims (20)

1.一种模数转换器，包括：
多个多重独立栅极FET(MIGFET)，提供多个数字输出信号，其中
所述多个MIGFET中的每个MIGFET具有用于接收模拟信号的第一栅极、用于被偏置的第二栅极、和用于从所述多个数字输出信号中提供数字输出信号的电流电极；并且
所述多个MIGFET中的每个MIGFET具有体宽度和沟道长度的组合，所述组合在所述多个MIGFET中是独特的，以导致所述多个MIGFET中的独特的阈值电压。
2.如权利要求1所述的模数转换器，其中所述多个MIGFET包括：
第一MIGFET，具有第一体宽度和第一沟道长度；
第二MIGFET，具有第二体宽度和第二沟道长度；
第三MIGFET，具有第三体宽度和第三沟道长度；以及
第四MIGFET，具有第四体宽度和第四沟道长度。
3.如权利要求1所述的模数转换器，其中所述多个MIGFET中的每个MIGFET的特征进一步在于，具有耦合到接地端的第二电流电极。
4.如权利要求1所述的模数转换器，进一步包括偏置电路，所述偏置电路耦合到所述多个MIGFET的每个第二栅极。
5.如权利要求4所述的模数转换器，其中所述偏置电路提供偏置电压，所述偏置电压改变所述多个MIGFET中的每个MIGFET的阈值电压。
6.如权利要求5所述的模数转换器，其中所述偏置电路的特征进一步在于，所述偏置电路是可编程的。
7.如权利要求1所述的模数转换器，其中所述MIGFET的特征进一步在于，所述MIGFET是N沟道的。
8.一种模数转换器，包括：
多个FET，提供多个数字输出信号，其中
所述多个FET中的每个FET具有用于接收模拟信号的第一栅极和用于提供多个所述数字输出信号的数字输出信号的电流电极；并且
所述多个FET中的每个FET具有在所述多个FET中独特的阈值电压。
9.如权利要求8所述的模数转换器，其中所述多个FET包括多个MIGFET。
10.如权利要求9所述的模数转换器，其中所述多个MIGFET具有至少四种不同的体宽度。
11.如权利要求10所述的模数转换器，其中所述多个MIGFET具有至少四种不同的沟道长度。
12.如权利要求11所述的模数转换器，进一步包括可编程偏置电路，其中所述多个MIGFET中的每个MIGFET具有耦合到所述可编程偏置电路的第二栅极，以改变所述多个MIGFET中的每个MIGFET的阈值电压。
13.如权利要求12所述的模数转换器，进一步包括负载器件，所述负载器件耦合到所述MIGFET的电流电极，其中所述负载器件包括具有可调阻抗的MIGFET。
14.一种数模转换器，包括：
多个FET，在求和节点处提供模拟信号，其中
所述多个FET中的每个FET具有用于从多个数字信号中接收不同的数字信号的第一栅极，和耦合到所述求和节点的电流电极；并且
所述多个FET中的每个FET具有在所述多个FET中独特的阈值电压。
15.如权利要求14所述的数模转换器，其中所述多个FET包括多个MIGFET。
16.如权利要求15所述的数模转换器，其中所述多个MIGFET具有至少四种不同的体宽度。
17.如权利要求16所述的数模转换器，其中所述多个MIGFET具有至少四种不同的沟道长度。
18.如权利要求17所述的数模转换器，其中所述多个MIGFET中的每个MIGFET具有用于被偏置的第二栅极，以改变所述多个MIGFET中的每个MIGFET的阈值电压。
19.如权利要求18所述的数模转换器，进一步包括可编程偏置电路，所述可编程偏置电路耦合到所述多个MIGFET的第二栅极。
20.如权利要求14所述的数模转换器，进一步包括电流电压转换器，所述电流电压转换器耦合到所述求和节点。
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