CN104579172B - 具有温度系数补偿的电阻电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有温度系数补偿的电阻电路，包括：由第一电阻和第二电阻串联形成的第一串联电阻；由第三电阻和第四电阻串联形成的第二并联电阻；第一串联电阻和第二并联电阻相串联；第一电阻和第二电阻分别具有正负温度系数并使第一串联电阻的正负温度系数相抵消；第三电阻和第四电阻分别具有正负温度系数并使第二并联电阻的正负温度系数相抵消。本发明的第一串联电阻和第二并列电阻之间具有二次温度系数补偿的功能，能使电阻电路在任何工艺角变化组合下都保持温度系数补偿功能，在任意工艺角下都能够实现高精度电阻。

Description

具有温度系数补偿的电阻电路
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路，特别是涉及一种具有温度系数补偿的电阻电路。
背景技术
在许多系统芯片(system on chip，SOC)应用中，振荡器是一个非常重要的模块。振荡器分为阻容振荡器即RC振荡器、电感电容振荡器、晶体振荡器、音叉振荡器等。RC振荡器是通过对电容进行充电和放电实现振荡信号的输出，通过调节电阻或电容的值能够调节振荡信号的频率。相对于于其它各种类型的振荡器，RC振荡器具有结构简单，精度较高的优点。所以片上RC振荡器(RC silicon oscillator)在智能卡(smart card),单片机(MicroControl Unit，MCU)等产品中广泛用于电荷泵(PUMP)驱动，逻辑(LOGIC)时钟等。
RC振荡器频率的温度系数由RC乘积的温度系数决定，其中R即电阻本身的温度系数又占主要因素。温度系数补偿之后的电阻为高精度RC振荡器的工程实现提供了可能。现有技术中，具有温度系数补偿的电阻电路主要采用具有正负温度系数的电阻相串联的方式实现，或者采用具有正负温度系数的电阻相并联的方式实现。如图1所示，是现有具有温度系数补偿的电阻电路图；图1中采用具有正温度系数的电阻Rp101和具有负温度系数的电阻Rn101串联形成串联电阻R101，通过电阻Rp101和Rn101的正负温度系数的互相抵消补偿使得整个串联电阻R101的温度系数降低或消除。在片上RC振荡器的应用中，两个串联电阻Rp101和Rn101都是片上结构，片上电阻实现不同温度系数的电阻需要采用不同类型的电阻，如多晶硅电阻、扩散电阻或N阱电阻能实现正温度系数；多晶硅电阻能实现负温度系数。多晶硅电阻的正负温度系数能根据其掺杂浓度的不同而不同。由于串联电阻Rp101和Rn101的电阻类型不同，由于两种电阻类型不同，两个电阻的工艺角(corner)不一定是相同方向变化，而图1所示结构只在电阻相同corner变化下起到补偿作用，相反corner变化时不但无补偿作用，补偿效果还会恶化。
和串联形成的温度系数补偿的电阻电路类似，并联形成的温度系数补偿的电阻电路也同样由于在两个并联电阻的类型不同时，两个电阻的工艺角不一定是相同方向变化，相反corner变化时不但无补偿作用，补偿效果还会恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有温度系数补偿的电阻电路，能在任何工艺角变化组合下都保持温度系数补偿功能，在任意工艺角下都能够实现高精度电阻。
为解决上述技术问题，本发明提供的具有温度系数补偿的电阻电路包括：由第一电阻和第二电阻串联形成的第一串联电阻；由第三电阻和第四电阻串联形成的第二并联电阻；所述第一串联电阻和所述第二并联电阻相串联。
所述第一电阻具有第一正温度系数，所述第二电阻具有第一负温度系数，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第一正温度系数和所述第一负温度系数的大小设置为使所述第一串联电阻的正负温度系数相抵消。
所述第三电阻具有第二正温度系数，所述第四电阻具有第二负温度系数，所述第三电阻、所述第四电阻、所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的大小设置为使所述第二并联电阻的正负温度系数相抵消。
进一步的改进是，所述第一正温度系数、所述第一负温度系数、所述第二正温度系数、所述第二负温度系数都为一次项系数。
进一步的改进是，所述第一正温度系数和所述第一电阻的常数项的乘积绝对值等于所述第一负温度系数和所述第二电阻的常数项的乘积绝对值。
进一步的改进是，所述第一正温度系数和所述第一负温度系数的绝对值相等，所述第一电阻的常数项和所述第二电阻的常数项的大小相等。
进一步的改进是，所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的绝对值相等，所述第三电阻的常数项和所述第四电阻的常数项的大小相等。
进一步的改进是，所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的绝对值不相等，根据所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的大小设置所述第三电阻和所述第四电阻的常数项大小并使所述第二并联电阻的一次项温度系数为零。
进一步的改进是，所述第一正温度系数和所述第二正温度系数相等；所述第一负温度系数和所述第二负温度系数相等。
进一步的改进是，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻采用CMOS工艺形成并集成在同一硅片上。
进一步的改进是，所述第一电阻为CMOS工艺中的多晶硅电阻、扩散电阻或N阱电阻；所述第三电阻为CMOS工艺中的多晶硅电阻、扩散电阻或N阱电阻；所述第二电阻为多晶硅电阻；所述第四电阻为多晶硅电阻。
本发明通过两个分别进行了温度系数补偿的第一串联电阻和第二并列电阻相串联，能够使得第一串联电阻和第二并列电阻之间具有二次温度系数补偿的功能，也即当正负温度系数的电阻在相反方向工艺角变化时使得第一串联电阻的温度系数向一个方向恶化时第二并联电阻的温度系数会向另一个方向恶化，二者正好实现补偿，从而能在任何工艺角变化组合下都保持温度系数补偿功能，在任意工艺角下都能够实现高精度电阻。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有具有温度系数补偿的电阻电路图；
图2本发明实施例具有温度系数补偿的电阻电路图；
图3A是图2中的串联电阻随温度的变化曲线；
图3B是图2中的并联电阻随温度的变化曲线；
图3C是图2中串并联后得到的总电阻随温度的变化曲线；
图4A是本发明实施例电阻电路和现有电阻电路在第一种工艺角下的测试曲线；
图4B是本发明实施例电阻电路和现有电阻电路在第二种和第三种工艺角下的测试曲线。
具体实施方式
如图2所示，本发明实施例具有温度系数补偿的电阻电路图；本发明实施例具有温度系数补偿的电阻电路包括：由第一电阻Rp1和第二电阻Rn1串联形成的第一串联电阻R1；由第三电阻Rp2和第四电阻Rn2串联形成的第二并联电阻R2；所述第一串联电阻R1和所述第二并联电阻R2相串联。
所述第一电阻Rp1具有第一正温度系数，所述第二电阻Rn1具有第一负温度系数，所述第一电阻Rp1、所述第二电阻Rn1、所述第一正温度系数和所述第一负温度系数的大小设置为使所述第一串联电阻R1的正负温度系数相抵消。
所述第三电阻Rp2具有第二正温度系数，所述第四电阻Rn2具有第二负温度系数，所述第三电阻Rp2、所述第四电阻Rn2、所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的大小设置为使所述第二并联电阻R2的正负温度系数相抵消。
电阻的温度系数可以包括一次项系数、二次项系数等，考虑多次项系数时可用如下公式(1)表示：
R＝R0×(1+α1×T+α2×T2+…) (1)；
公式(1)中R表示具有温度系数的电阻，R0表示一电阻常数项；T表示实际温度和室温的差值，本发明实施例中室温为25℃；α1表示一次项系数，α2表示二次项系数。一般α2以上的高次项系数可以忽略。故较佳选择为，所述第一正温度系数、所述第一负温度系数、所述第二正温度系数、所述第二负温度系数都为一次项系数。
对于所述第一串联电阻R1的温度系数可以推导为：
R1＝Rp1+Rn1＝Rp10×(1+α11×T)+Rn10×(1+α12×T)＝Rp10+Rn10+(Rp10×α11+Rn10×α12)T (2)；
公式(2)中R1表示所述第一串联电阻R1的值，Rp1表示所述第一电阻Rp1的值，Rn1表示所述第二电阻Rn1的值，Rp10表示Rp1常数项，Rn10表示Rn1常数项，α11表示所述第一正温度系数，α12表示所述第一负温度系数。可知，要使R1和温度无关，需要将系数(Rp10×α11+Rn10×α12)设置为零，也即所述第一正温度系数α11和所述第一电阻Rp1的常数项的乘积绝对值等于所述第一负温度系数α12和所述第二电阻Rn1的常数项的乘积绝对值。在一较佳实施例中，将所述第一正温度系数和所述第一负温度系数的绝对值设置为相等，所述第一电阻Rp1和所述第二电阻Rn1的常数项大小也设置为相等。
对于所述第二串联电阻R2的温度系数可以推导为：
对公式(3)进行泰勒展开并省略二次项可以得到：
公式(3)和(4)中R2表示所述第二并联电阻R2的值，Rp2表示所述第三电阻Rp2的值，Rn2表示所述第四电阻Rn2的值，Rp20表示Rp2常数项，Rn20表示Rn2常数项，α13表示所述第二正温度系数，α14表示所述第二负温度系数。可知，要使R2和温度无关，需要将系数设置为零。当将所述第二正温度系数α13和所述第二负温度系数α14的绝对值设置为相等时，所述第三电阻Rp2和所述第四电阻Rn2的常数项大小设置为相等。当将所述第二正温度系数α13和所述第二负温度系数α14的绝对值设置为不相等时，所述第三电阻Rp2和所述第四电阻Rn2的常数项大小设置需要满足上述公式(4)，使所述第二并联电阻R2的一次项温度系数为零。
在一较佳实施例中，所述第一正温度系数和所述第二正温度系数相等；所述第一负温度系数和所述第二负温度系数相等。
本发明实施例中，所述第一电阻Rp1、所述第二电阻Rn1、所述第三电阻Rp2和所述第四电阻Rn2采用CMOS工艺形成并集成在同一硅片上。所述第一电阻Rp1为CMOS工艺中的多晶硅电阻、扩散电阻或N阱电阻；所述第三电阻Rp2为CMOS工艺中的多晶硅电阻、扩散电阻或N阱电阻；所述第二电阻Rn1为多晶硅电阻；所述第四电阻Rn2为多晶硅电阻。这样使本发明实施例的具有温度系数补偿的电阻电路能应用于片上RC振荡器中。
如图3A所示，是图2中的串联电阻R1随温度的变化曲线；如图3B所示，是图2中的并联电阻随温度的变化曲线，具体为并联电阻R2的4倍值R2’随温度的变化曲线；如图3C所示，是图2中串并联后得到的总电阻R3随温度的变化曲线。本发明实施例通过两个分别进行了温度系数补偿的第一串联电阻R1和第二并列电阻R2相串联，能够使得第一串联电阻R1和第二并列电阻R2之间具有二次温度系数补偿的功能，也即当正负温度系数的电阻在相反方向工艺角变化时使得第一串联电阻R1的温度系数向一个方向恶化时第二并联电阻R2的温度系数会向另一个方向恶化，二者正好实现补偿，从而能在任何工艺角变化组合下都保持温度系数补偿功能，在任意工艺角下都能够实现高精度电阻。
如图4A所示，是本发明实施例电阻电路和现有电阻电路在第一种工艺角下的测试曲线，曲线的横坐标为T即实际温度和室温的差值，纵坐标为单位电阻(Unite res.)；如图4B所示，是本发明实施例电阻电路和现有电阻电路在第二种和第三种工艺角下的测试曲线；图4A和图4B中所测试的电阻电路的所述第一电阻Rp1和所述第三电阻Rp2都采用CMOS工艺中的具有正温度系数的P型扩散电阻B，；所述第二电阻Rn1和所述第四电阻Rn2都采用CMOS工艺中的具有负温度系数的n型多晶硅电阻A。作为比较，如图1中所示现有电阻电路的电阻Rp101采用CMOS工艺中的具有正温度系数的P型扩散电阻B，电阻Rn101采用CMOS工艺中的具有负温度系数的n型多晶硅电阻A。第一种工艺角为TypA&B，第二种工艺角为MAX A，MINB，第三种工艺角为MIN A，MAX B。曲线201a为现有电阻电路在第一种工艺角下的测试曲线，曲线201b本发明实施例电阻电路在第一种工艺角下的测试曲线；曲线202a为现有电阻电路在第二种工艺角下的测试曲线，曲线202b本发明实施例电阻电路在第二种工艺角下的测试曲线；曲线203a为现有电阻电路在第三种工艺角下的测试曲线，曲线203b本发明实施例电阻电路在第三种工艺角下的测试曲线；由上比较可知，本发明实施例电阻确实能够在任何工艺角变化组合下都保持温度系数补偿功能，在任意工艺角下都能够实现高精度电阻。另外，如表一所示，分别为本发明实施例电阻电路和现有电阻电路在三种工艺角下的测量值，表一中的测量值为所测试得到的单位电阻的最大值和最小值的差值除以最小值。
表一
工艺角 本发明实施例电阻电路的测量值 现有电阻电路的测量值 提高倍数
TypA&B 0.125％ 0.625％ 约5
MAX A，MIN B 0.15％ 4.35％ 约29
MIN A，MAX B 0.255％ 4.35％ 约17
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于，包括：由第一电阻和第二电阻串联形成的第一串联电阻；由第三电阻和第四电阻并联形成的第二并联电阻；所述第一串联电阻和所述第二并联电阻相串联；
所述第一电阻具有第一正温度系数，所述第二电阻具有第一负温度系数，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第一正温度系数和所述第一负温度系数的大小设置为使所述第一串联电阻的正负温度系数相抵消；
所述第三电阻具有第二正温度系数，所述第四电阻具有第二负温度系数，所述第三电阻、所述第四电阻、所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的大小设置为使所述第二并联电阻的正负温度系数相抵消。
2.如权利要求1所述的具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于：所述第一正温度系数、所述第一负温度系数、所述第二正温度系数、所述第二负温度系数都为一次项系数。
3.如权利要求2所述的具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于：所述第一正温度系数和所述第一电阻的常数项的乘积绝对值等于所述第一负温度系数和所述第二电阻的常数项的乘积绝对值。
4.如权利要求3所述的具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于：所述第一正温度系数和所述第一负温度系数的绝对值相等，所述第一电阻的常数项和所述第二电阻的常数项的大小相等。
5.如权利要求2所述的具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于：所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的绝对值相等，所述第三电阻的常数项和所述第四电阻的常数项的大小相等。
6.如权利要求2所述的具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于：所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的绝对值不相等，根据所述第二正温度系数和所述第二负温度系数的大小设置所述第三电阻和所述第四电阻的常数项大小并使所述第二并联电阻的一次项温度系数为零。
7.如权利要求2所述的具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于：所述第一正温度系数和所述第二正温度系数相等；所述第一负温度系数和所述第二负温度系数相等。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于：所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻采用CMOS工艺形成并集成在同一硅片上。
9.如权利要求8所述的具有温度系数补偿的电阻电路，其特征在于：所述第一电阻为CMOS工艺中的多晶硅电阻、扩散电阻或N阱电阻；所述第三电阻为CMOS工艺中的多晶硅电阻、扩散电阻或N阱电阻；所述第二电阻为多晶硅电阻；所述第四电阻为多晶硅电阻。
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