CN101675487A - 可数控的片上电阻器及方法 - Google Patents

Abstract

一种可数控电阻器包括基板和形成在所述基板上的至少一个可数控电阻级。每个级可以包括与开关串联的第一电阻器，与所述第一电阻器和所述开关并联的第二电阻器。每个级还包括连接到所述开关的控制线，以响应于与所述控制线相关联的控制位来断开和闭合所述开关。多个电阻级可以串联，并且所述可数控可变电阻器可以集成到基板上。

Description

可数控的片上电阻器及方法

技术领域

本发明总体上涉及电阻器，并且特别涉及与制作可数控片上电阻器相关联的方法和设备。

背景技术

电阻器在几乎所有电子电路中扮演重要角色。在很多情况下，电路的性能受限于可用来实现该电路的电阻器的精度。互补型金属氧化物半导体(CMOS)芯片制造工艺当前不能够实现精确的电阻值。例如，在CMOS芯片中实现的电阻器的值可变化至其设计值的20-30％那么多。当在CMOS中实现以对抗在CMOS电阻器产品中存在的该概率性分布(probabilistic spread)时，可数控电阻器依赖于根据控制信号而改变其值的晶体管开关。然而，即使是处于“导通”状态，这些开关也会在信号路径中引入某些“导通电阻”，这可能改变电路的行为。传统的方法试图通过增加开关中晶体管的沟道宽度由此减小其导通电阻来降低该导通电阻的影响。但是，这又增加了开关的寄生电容。因此，CMOS开关要么具有大的寄生电容，要么具有大的导通电阻，而这两者均可能影响可数控电阻和/或使用可数控电阻的电路的性能。

这些情况产生了在如何在片上制造精确的电阻器值方面的问题，而当前电信产业的增长却要求制造商在芯片上包括尽可能多的功能并避免使用片下部件。因此，需要方法来实现精确的、可线性变化的片上电阻值。

此外，电子电路在使用期间的温度变化导致片上电阻器值的漂移。为了对抗这种趋势，还需要可以在规定范围内可以可靠且精确地调整的片上可变电阻器。

数种现有方法试图解决这些问题，现在将描述这些方法的一些示例。例如，“修正(trimming)”是用来纠正片上无源部件的值的后处理(即，制造后)步骤。然而，该工艺大大增加了已完成的芯片的成本。另一种方法涉及将MOS晶体管用作可变电阻器，并适当偏置MOS晶体管和适当确定MOS晶体管的大小。然而，这种方法不适于其中例如对于数字控制字的每个增量都需要线性/固定电阻步长的应用，这是因为二进制加权的晶体管的并联在有效电阻范围内产生非线性电阻步长。

用来解决片上电阻器的这些问题的第三种方法涉及在与主电阻器串联的场效应晶体管(FET)上使用脉宽调制(PWM)。然而，这种方法存在可能使通信系统由于馈入的时钟而产生附加噪声的缺点。再一种方法是将MOS晶体管用作有源熔丝来短路而调整串联或并联布置的电阻器。然而，这种方法不适于CMOS应用，这是因为实现低电阻开关在芯片上占用了较大的面积，并且在电阻器中引入了相当大的寄生电容，而这可能引入非线性的行为。

又一种方法涉及使用接地的开关电阻器串。然而，由于接地端，这种技术导致可变电阻器中恒定的电流消耗。这使得该方法在单端电路和/或低功率电路的使用中没有吸引力。此外，电路中无源部件(电阻器)和有源部件(开关)的数目随着数字控制字中的位数线性增加而呈指数式增加。再又一种方法将CMOS开关或传输门阵列用作可变电阻器。然而，这种方法使用导致非线性电阻步长的二进制加权结构。另外，传输门在供应电压范围的极限附近具有非线性的电压与电流比特性，而这可能导致可用电压摆动的降低。因此，期望提供可数控电阻器方法及设备，其实现任意小、且仍然基本上线性的电阻增加步长，而不管与开关相关联的导通电阻如何。

发明内容

根据示例性实施方式，一种可数控电阻器包括：基板；至少一个可数控电阻级，形成在所述基板上，所述至少一个可数控电阻级中的各可数控电阻级包括：第一电阻器，与开关串联；第二电阻器，与所述第一电阻器和所述开关并联；以及控制线，连接到所述开关，以响应于与所述控制线相关联的控制位来断开和闭合所述开关。

根据另一示例性实施方式，一种集成电路芯片包括：第一电路，设置在所述集成电路芯片上，用于执行一功能，所述第一电路还能够确定与所述功能的性能相关联的补偿电阻值，并生成与所述补偿电阻值相关联的数字控制字；以及可数控可变电阻器，连接到所述第一电路并且包括至少一个可数控电阻级，所述至少一个可数控电阻级中的各可数控电阻级包括：第一电阻器，与开关串联；第二电阻器，与所述第一电阻器和所述开关并联；以及控制线，连接到所述第一电路和所述开关，以响应于与所述数字控制字的相应位来断开和闭合所述开关。

根据再一示例性实施方式，一种用于补偿集成电路芯片上的效应的方法包括：估计与所述效应相关联的值；生成与所述值相关联的数字控制字；以及使用所述数字控制字中的至少一个位操作可数控可变电阻器中相应的至少一个开关，所述可变电阻器包括至少一个可数控电阻级，所述至少一个可数控电阻级中的各可数控电阻级包括：第一电阻器，与所述至少一个开关中的一个开关串联；以及第二电阻器，与所述第一电阻器和所述至少一个开关中的所述一个并联。

本文所描述的示例性实施方式提供了多种潜在的益处，例如包括：提供可以用CMOS技术实现的具有良好频率响应的高线性可数控电阻器结构。可以使与可数控电阻器的整体电阻相关联的电阻增加步长任意小，而不管开关的导通电阻如何。具有最小沟道宽度的开关可以在这些示例性架构中使用以减小电阻器中的寄生电容。这可以为期望精确的RC常数的示例性应用提供显著的益处。另外，与类似“修正”这样的方法相比较，使用本文所述的可数控电阻器将增加设备产量，并且从而显著节约成本。

附图说明

附图示出了示例性实施方式，其中：

图1示出了根据示例性实施方式的可数控电阻器；

图2示出了根据示例性实施方式的多级可数控电阻器；

图3是示出了根据示例性实施方式的仿真可数控电阻器的示例性V/I特性的图；

图4示出了作为用于根据示例性实施方式的仿真可数控电阻器的控制字输入的函数的输出电阻；

图5是示出了根据示例性实施方式的仿真可数控电阻器的频率响应的图；

图6描绘了根据另一示例性实施方式的与另一电路组合的可数控电阻器；以及

图7是示出了根据示例性实施方式的用于补偿集成电路芯片上的效应的方法的流程图。

具体实施方式

以下对示例性实施方式的详细描述参照了附图。不同附图中的相同标号标识相同或类似元件。此外，以下详细描述并不限制本发明。代之的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

根据示例性实施方式，可以用CMOS技术实现具有良好频率响应的高线性可数控电阻器结构。可以使与可数控电阻器的整体电阻相关联的电阻增加步长任意小，而不管被有效“吸收”的开关的导通电阻如何。

术语“CMOS”可以用来指代特定类型的数字电路设计，和/或指代用来实现集成电路(即芯片)上的电路的工艺族。示例性商用CMOS产品是在例如0.1平方厘米和4平方厘米之间的大小的基板上具有数百万或数亿个n型和p型晶体管的集成电路。在早期CMOS制作工艺中，这些晶体管的栅极由诸如铝这样的金属制成。更新的CMOS工艺从金属栅极转变成了多晶硅栅极，以更好地耐受在离子柱植入之后施加到基板上的高温。CMOS基板因此可以包括设置在绝缘氧化层的上面的金属(或多晶硅)层，而该绝缘氧化层又放置在半导体层的上面。存在数种方式来使用CMOS技术实现电阻器。例如，可以通过在CMOS基板的上面沉积多晶硅层并在两端添加接触件(contact)来构建多晶硅电阻器。使用CMOS技术制作晶体管的另一种方式是将它们实现为N阱/P阱电阻器。可以通过在基板上提供N型掺杂或P型掺杂的半导体材料层来构建N阱/P阱电阻器。电阻材料的掺杂确定了给定工艺的电阻率(每单位面积的电阻)。

为了制作根据这些示例性实施方式的可数控电阻器，在CMOS基板上提供多个电阻级或“构造块”。在图1中示出了制作为基板11上的集成元件的示例性电阻级10，例如，CMOS基板上的CMOS元件。其中，电阻值为R_down的第一电阻器12串联到开关14。开关14在闭合时具有电阻R_switch。电阻值为R_up的第二电阻器16并联到第一电阻器12与开关14的串联组合。控制线18连接到开关14，以响应于控制线18上提供的控制位来断开和闭合开关14，例如值“0”闭合开关，而值“1”断开开关。当开关14断开时，开关电阻足够高，对于所有实际用途被认为是无限大。在这种情况中，电阻级10的端A和B之间的电阻为R_up。然而，当开关14闭合时，通过以下等式来计算电阻级10的中的A和B之间的有效电阻：

$R_{\mathrm{AB}}=\frac{R_{\mathrm{up}}(R_{\mathrm{down}}+R_{\mathrm{switch}})}{R_{\mathrm{up}}+R_{\mathrm{down}}+R_{\mathrm{switch}}}---\left(1\right)$

通过适当选择电阻值R_up和R_down，可以使级10的两个电阻值(即，开关14断开时的电阻值和开关14闭合时的电阻值)之间的差等于任意期望的步长值(ΔR)。以这种方式，可以基于开关14的位置来实现例如仅几欧姆的电阻变化，而不管其导通电阻的值R_switch如何。

为了制作电阻变化范围大于单电阻级设备提供的电阻变化范围的可数控电阻器，设备提供的总电阻可以替代地在多个级10之间被划分，这多个级10在基板上制作并且串联在一起。在图2中示出了根据这些示例性实施方式的布置在基板21(例如CMOS基板)上的示例性多级可数控电阻器设备20，其中，存在N个串联的级10并且在对应的控制字中存在N个位。这些级10中的每一级因此可以由数字控制字的一个位进行控制，但为了简化说明，在图2中仅示出了三个级。例如，数字控制字的最低有效位(LSB)可以控制图2的可数控电阻器20的级0中的开关14，控制字的第二LSB可以控制级1中的开关14，而最高有效位(MSB)可以控制级N-1中的开关14。

当所有开关14都闭合时，在示例性可数控电阻器20中的所有N个级的有效电阻相等，即，总有效电阻在所有级10之间均匀分布。这种开关状态还为可数控电阻器20提供了最小电阻R_min。当一些或全部开关14断开时，每个级10的有效电阻是二进制加权的，通过按照如下面等式中所描述的那样选择电阻值，使得可数控电阻器20的总电阻随数字控制字的值呈线性变化。当所有开关14都断开时，达到最大电阻(R_max)。可以通过在0和2^N-1之间改变数字控制字的值来实现R_min和R_max之间的中间电阻水平。

为了制作如图2中所示那样的多级可数控电阻器，设计者例如可以选择或者被提供值N、R_min、ΔR和R_switch。使用这四个值，可以使用以下公式来计算任意级10“n”(其中，n在从0到N-1的范围内变化)的特定电阻值R_up和R_down：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{n,\mathrm{up}}=\frac{R_{\min }}{N}+2^n\mathrm{\ΔR}\\ R_{n,\mathrm{up}}\left|\right|(R_{n,\mathrm{down}}+R_{\mathrm{switch}})=\frac{R_{\min }}{N}\end{array}\right.\⇒\left\{\begin{array}{c}{R}_{n,\mathrm{up}}=\frac{R_{\min }}{N}+2^n\mathrm{\ΔR}\\ R_{n,\mathrm{down}}=\frac{R_{\min }}{N}(\frac{R_{\min }}{N\·2^n\·\mathrm{\ΔR}}+1)-R_{\mathrm{switch}}\end{array}\right.$

通过ΔR、R_min和N在等式(2)中隐含了R_max。更具体来说，最大电阻R_max可以计算为R_max＝R_min+N×ΔR。因此，这些对等式(2)的替换可以用来制作根据示例性实施方式的多级可数控电阻器。例如，设计者可以显示地定义R_max并随后确定ΔR，或者可以定义ΔR并确定R_max。

这些示例性实施方式提供的可数控电阻器具有多种有益的品质，包括例如：线性的电压与电流比特性、良好的频率响应、低寄生电容、整个设计的电阻范围内的线性电阻步长，以及在N位控制字的整个范围内完全单调。为了说明这些特性，已经使用90纳米CMOS技术仿真了示例性的可数控电阻器。该纯说明性的仿真被设计为具有N＝6个级10、R_min为14千欧、ΔR为210欧，而R_switch为1.9千欧。

图3-5的图示出了与该仿真相关联的结果。更具体来说，图3示出当与等同的理想电阻器相比较时，在使用值为0、32和63的6位控制字的情况下，上述仿真的根据示例性实施方式的可数控电阻器的电压与电流比特性。如图3中所示，仿真的可数控电阻器的响应与等同的理想电阻器几乎相同。

图4(a)和4(b)示出了上述仿真的可数控电阻器所提供的电阻的线性。更具体来说，图4(a)示出了控制字值从0到63的变化，而图4(b)示出了整个(仿真)多级结构的输出电阻的对应变化。可以在图4(b)中看到，电阻步长是非常线性的(例如，每个步长近似为210±5Ω)，并且严格单调。图4(b)中看到的尖峰是当开关断开或闭合时发生的瞬时电流流过的结果。因为开关在零时刻不断开或者闭合，所以电流在控制字改变时即刻改变。例如，最大的尖峰发生在图4(b)的中间，此时控制字的所有位均改变。这些尖峰通常在可数控电阻器的校准阶段(例如，当控制字值被以下参照图6的示例性实施方式所示出和描述的另一电路确定时)发生。一旦开始正常工作，控制字将变为静态，并且在电阻器的电阻值中将不存在这些尖峰。图5针对0、9、18、27、36、45、54和63的6位控制字值相对于频率示出了仿真结构的有效电阻的变化，分别参照曲线500、502、504、508、510和514。其中，可以看到，在高达100兆赫兹的范围内，根据该示例性实施方式的仿真多级结构提供的电阻保持在编程值的约1％内。

根据这些示例性实施方式的可数控电阻器存在许多不同应用。除了用作通用可数控可变电阻器之外，这些设备还可以与其他电路协同使用。因此，如图6中一般性示出的，根据前述示例性实施方式的可数控可变电阻器10或20可以通过控制线62和另一连接64连接到另一电路60。控制线62被该另一电路使用用于设置上述可变电阻器10或20的电阻，该另一电路60通过连接64经受所述电阻。例如，与可数控电阻器10或20配对的另一电路60可以估计芯片66上的过程分布(process spread)的效应，并可以随后生成唯一控制字(通过线62来传送)以控制可变电阻的电阻，从而使该效应最小化。

另选地，该另一电路60可以估计芯片66上的温度漂移的效应，并生成唯一控制字(通过线62来传送)以控制单元10或20的电阻，来最小化该效应。在芯片66的操作期间可以实时进行这些或其他类型的调整。该另一电路60可以是任何类型的其他电路，其使用可控可变电阻器，例如信道选择滤波器，可以在例如名称为“Tunable，Multi-bandwidth channelselect filter for an LTE radio receiver”的文献(Section 6.2，F.Oredsson，I.Din，Lund University，2006)中找到其实施例。

因此，将意识到，根据示例性实施方式，用于调整电路的一般性方法可以包括图7的步骤。其中，在步骤70处，估计与要被调整的效应相关联的值。在步骤72处生成与所估计出的值相关联的数字控制字，并在步骤74处将该数字控制字中的位用于操作可数控电阻器中相应的至少一个开关。

应意识到，前述实施方式是纯示例性的，并且可以实现它们的变体。例如，尺寸最小的开关，即具有最小沟道宽度的开关，可以在这些示例性架构中使用以减小电阻器中的寄生电容。这可以为期望精确RC常数的那些示例性应用提供显著益处。另外，与例如“修正”这样的方法相比较，如本文所述的可数控电阻器的使用将增加设备产量，并且显著节约成本。

上述示例性实施方式各个方面都旨在说明而非限制本发明。因此，本发明能够具有许多变体，本领域技术人员可以从本文所包含的描述中推导出它们的详细实现。所有这些变体和修改被认为落入所附权利要求书限定的本发明的范围和精神内。除非明确说明，否则本申请的描述中所使用的元件、操作或指令不应该被解释为对于本发明是关键或必不可少的。此外，如本文所使用的，冠词“一”意图包括一个或更多个项。

Claims (23)

1.一种可数控电阻器，该可数控电阻器包括：

基板；

至少一个可数控电阻级，形成在所述基板上，所述至少一个可数控电阻级中的各可数控电阻级包括：

第一电阻器，与开关串联连接；

第二电阻器，与所述第一电阻器和所述开关并联连接；以及

控制线，连接到所述开关，以响应于与所述控制线相关联的控制位来断开和闭合所述开关。

2.如权利要求1所述的可数控电阻器，其中，所述至少一个可数控电阻级包括多个相互串联连接的可数控电阻级，并且其中，所述控制线提供控制字，所述控制字具有与所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级相关联的位。

3.如权利要求2所述的可数控电阻器，其中，所述可数控电阻器的总电阻基本上随所述控制字的值呈线性变化。

4.如权利要求3所述的可数控电阻器，其中，对于所述多个可数控电阻级的各可数控电阻级n，所述第一电阻器的电阻值(R_n，down)被计算为：

$R_{n,\mathrm{down}}=\frac{R_{\min }}{N}(\frac{R_{\min }}{N\·2^n\·\mathrm{\ΔR}}+1)-R_{\mathrm{switch}}$

并且，所述第二电阻器的电阻值(R_n，up)被计算为：

$R_{n,\mathrm{up}}=\frac{R_{\min }}{N}+2^n\mathrm{\ΔR}$

其中，R_min是所述可数控电阻器的最小总电阻，ΔR为所述可数控电阻器的步长电阻，N是所述多个可数控电阻级的数目，而R_switch是所述开关的导通电阻。

5.如权利要求1所述的可数控电阻器，其中，所述基板是互补型金属氧化物半导体(CMOS)基板，其具有栅极层、绝缘层和半导体层。

6.如权利要求3所述的可数控电阻器，其中，所述总电阻在所有所述开关断开时具有最大值，而在所有所述开关都闭合时具有最小值。

7.如权利要求3所述的可数控电阻器，其中，所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级n的有效电阻在所述开关闭合时均相等，所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级n的所述有效电阻在所述开关断开时是二进制加权的。

8.一种集成电路芯片，该集成电路芯片包括：

第一电路，放置在所述集成电路芯片上，用于执行功能，所述第一电路还能够确定与所述功能的性能相关联的补偿电阻值，并生成与所述补偿电阻值相关联的数字控制字；以及

可数控可变电阻器，连接到所述第一电路并且包括：

至少一个可数控电阻级，所述至少一个可数控电阻级中的各可数控电阻级包括：

第一电阻器，与开关串联连接；

第二电阻器，与所述第一电阻器和所述开关并联连接；以及

控制线，连接到所述第一电路和所述开关，以响应于与所述数字控制字的相应位来断开和闭合所述开关。

9.如权利要求8所述的集成电路芯片，其中，所述至少一个可数控电阻级包括多个相互串联连接的可数控电阻级。

10.如权利要求9所述的集成电路芯片，其中，所述可数控电阻器的总电阻基本上随所述控制字的值呈线性变化。

11.如权利要求10所述的集成电路芯片，其中，对于所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级n，所述第一电阻器的电阻值(R_n，down)被计算为：

$R_{n,\mathrm{down}}=\frac{R_{\min }}{N}(\frac{R_{\min }}{N\·2^n\·\mathrm{\ΔR}}+1)-R_{\mathrm{switch}}$

并且，所述第二电阻器的电阻值(R_n，up)被计算为：

$R_{n,\mathrm{up}}=\frac{R_{\min }}{N}+2^n\mathrm{\ΔR}$

其中，R_min是所述可数控电阻器的最小总电阻，ΔR为所述可数控电阻器的步长电阻，N是所述多个可数控电阻级的数目，而R_switch是所述开关的导通电阻。

12.如权利要求8所述的集成电路芯片，所述集成电路芯片还包括互补型金属氧化物半导体(CMOS)基板，所述互补型金属氧化物半导体基板具有栅极层、绝缘层和半导体层。

13.如权利要求10所述的集成电路芯片，其中，所述总电阻在所有所述开关都断开时具有最大值，而在所有所述开关闭合时具有最小值。

14.如权利要求8所述的集成电路芯片，其中，所述第一电路是滤波器，而所述功能是信道选择。

15.如权利要求14所述的集成电路芯片，其中，所述补偿电阻值用于补偿所述集成电路芯片上的过程分布。

16.如权利要求14所述的集成电路芯片，其中，所述补偿电阻值用于补偿所述集成电路芯片上的温度漂移。

17.如权利要求10所述的集成电路芯片，其中，所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级n的有效电阻在所述开关闭合时均相等，所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级n的所述有效电阻在所述开关断开时是二进制加权的。

18.一种用于补偿集成电路芯片上的效应的方法，该方法包括：

估计与所述效应相关联的值；

生成与所述值相关联的数字控制字；以及

使用所述数字控制字中的至少一个位来操作可数控可变电阻器中相应的至少一个开关，所述可变电阻器包括：

至少一个可数控电阻级，所述至少一个可数控电阻级中的各可数控电阻级包括：

第一电阻器，与所述至少一个开关中的一个开关串联连接；以及

第二电阻器，与所述第一电阻器和所述至少一个开关中的所述一个并联连接。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述效应是过程分布和温度漂移之一。

20.如权利要求18所述的方法，其中，所述至少一个可数控电阻级包括多个相互串联连接的可数控电阻级。

21.如权利要求20所述的方法，其中，所述可数控电阻器的总电阻基本上随所述数字控制字的值呈线性变化。

22.如权利要求21所述的方法，其中，对于所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级n，所述第一电阻器的电阻值(R_n，down)被计算为：

$R_{n,\mathrm{down}}=\frac{R_{\min }}{N}(\frac{R_{\min }}{N\·2^n\·\mathrm{\ΔR}}+1)-R_{\mathrm{switch}}$

并且，所述第二电阻器的电阻值(R_n，up)被计算为：

$R_{n,\mathrm{up}}=\frac{R_{\min }}{N}+2^n\mathrm{\ΔR}$

其中，R_min是所述可数控电阻器的最小总电阻，ΔR为所述可数控电阻器的步长电阻，N是所述多个可数控电阻级的数目，而R_switch是所述开关的导通电阻。

23.如权利要求21所述的方法，其中，所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级n的有效电阻在所述开关闭合时均相等，所述多个可数控电阻级中的各可数控电阻级n的所述有效电阻在所述开关断开时是二进制加权的。

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