CN106796833B - 伪电阻电路和电荷检测电路 - Google Patents

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Abstract

公开了能够抑制电阻值随着过程或温度的波动而产生的波动并便于调整的伪电阻电路。该伪电阻电路包括第一MOSFET、第二MOSFET、生成与绝对温度大致成正比的第一电流的第一电流源、以及生成与绝对温度成大致线性函数关系的第一电压的电压源。第一MOSFET的栅极和第二MOSFET的栅极连接在一起，第二MOSFET被连接成二极管，第一电流被提供给第二MOSFET的漏极，第一电压被提供给第二MOSFET的源极，且在第一MOSFET的漏极和源极之间形成其电阻值取决于第一MOSFET的栅极电压的电阻器。

Description

伪电阻电路和电荷检测电路
技术领域
本发明涉及伪电阻电路和电荷检测电路。
背景技术
作为安装在电子装置上的传感器，使用电荷检测电路的传感器是已知的，该电荷检测电路被配置为根据从感测单元输出的电荷来输出电压。例如，专利文献1公开了在运算放大器的输入端子和输出端子之间提供并联连接的电容器和电阻器的电荷检测电路。
在使用该电荷检测电路的传感器中，为了检测具有相当低的频率(例如，大约几mHz到几Hz)的信号，如生物信号，有必要通过电容器和电阻器来降低高通滤波器的截止频率。亦即，有必要增加电阻器的电阻值(例如，增加到大约10TΩ)。
在增加电阻器的电阻值时，使用典型的电阻性元件就电路尺寸而言是不实际的。因此，例如专利文献2公开了使用MOSFET的弱反转区来形成具有较大电阻值的电阻器的配置。
然而，使用MOSFET的弱反转区来实现电阻器时的一个缺陷是：随着过程或温度的波动，电阻值波动很大。为此，在使用MOSFET的弱反转区来实现电阻器时，有必要抑制过程中的波动或者温度的影响。例如，专利文献3公开了以下配置：使用具有温度依存性的多个电流源来调整MOSFET的栅极电压，由此抑制MOSFET的漏极电流的温度依存性。
专利文献1：日本未决专利申请No.2008-224230
专利文献2：国际公布No.95/25349
专利文献3：PCT日文翻译专利公布：No.8-509312
在专利文献3公开的配置中，为了抑制MOSFET的漏极电流的温度依存性，必须精确地设置根据实验发现的多个参数，且调整是困难的。
发明内容
已在考虑现有技术的限制的情况下完成了本文描述的发明，且本发明的目的是提供能够抑制电阻值随着或温度的波动而产生的波动并便于调整的伪电阻电路。
因此，描述了根据本发明的一方面的伪电阻电路，该伪电阻电路包括第一MOSFET、第二MOSFET、生成与绝对温度大致成正比的第一电流的第一电流源、以及生成作为绝对温度的大致线性函数的第一电压的电压源，其中，第一MOSFET的栅极和第二MOSFET的栅极连接在一起，第二MOSFET被连接成二极管，第一电流被提供给第二MOSFET的漏极，第一电压被提供给第二MOSFET的源极，且在第一MOSFET的漏极和源极之间形成其电阻值取决于第一MOSFET的栅极电压的电阻器。
根据本文的公开，有可能提供能够抑制电阻值随着过程或温度的波动而产生的波动并便于调整的伪电阻电路。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的伪电阻电路的配置示例的图。
图2是示出图1中示出的电路的电流源和电压源的配置示例的图。
图3是示出当仅关注N通道MOSFET时的电阻值的图。
图4是示出当关注N通道MOSFET和电流源时的电阻值的图。
图5是示出根据本发明实施例的电荷检测电路的配置示例的图。
应该注意，附图不一定是按照比例绘制的，且出于说明目的，在所有附图中一般由类似的附图标记来表示类似结构或功能的元素。还应该注意到，附图仅旨在便于描述本文所描述的各个实施例。附图并不描述本文公开的教导的每个方面，且不限制权利要求的范围。
具体实施方式
在下面的描述中，仅出于解释的目的，特定的术语被阐述用以提供对本文所述的各个实施例的全面理解。然而，本领域技术人员显然应该明白，这些特定细节不是实施本文所述的概念所必需的。
图1是示出根据本发明实施例的伪电阻电路的配置示例的图。伪电阻电路100包括N通道MOSFET 110和120、电流源130和电压源140。
N通道MOSFET 110(第二MOSFET)被连接成二极管，且其栅极连接到N通道MOSFET120的栅极。将来自电流源130的电流IPTAT提供给N通道MOSFET 110的漏极。将来自电压源140的电流Vbias提供给N通道MOSFET 110的源极。
N通道MOSFET 120(第一MOSFET)的栅极连接到N通道MOSFET 110的栅极。在伪电阻电路100中，N通道MOSFET 120工作在弱反转区，由此在N通道MOSFET 120的漏极和源极之间形成其电阻值Reff取决于栅极电压VG的电阻器。
电流源130生成与绝对温度大致成正比的电流IPTAT(第一电流)。电流源130的配置示例将在下文描述。
电压源140生成电压Vbias(第一电压)，该电压是绝对温度的大致线性函数。在该实施例中，如果N通道MOSFET 120的源极电压Vs＝VCM，则建立关系Vbias＝VCM-A·T。在此，A是常数，且T是绝对温度。电压源140的配置示例将在下文描述。
图2是示出图1中示出的电路100的电流源130和电压源140的配置示例的图。
如图所示，电流源130包括电流源210和P通道MOSFET 220。在电流源130中，从P通道MOSFET 220的漏极输出电流IPTAT。
电流源210(第三电流源)包括N通道MOSFET 230和231、P通道MOSFET 232和233、以及电阻器234。电流源210的输出电流是N通道MOSFET 231的电流IDS2(第三电流)。
如还示出的，N通道MOSFET 230被连接成二极管，且其源极接地。N通道MOSFET 231的栅极连接到N通道MOSFET 230的栅极，且N通道MOSFET 231的源极通过电阻器234接地。N通道MOSFET 230和231的尺寸比例如是1：npTAT。
P通道MOSFET 232被配置为使得：电源电压VDD被施加到源极，漏极连接到N通道MOSFET 230的漏极，且栅极连接到P通道MOSFET 233的栅极。P通道MOSFET 233被连接成二极管，且被配置为使得：电源电压VDD被施加到源极，且漏极连接到N通道MOSFET 231的漏极。P通道MOSFET 220被配置为使得：电源电压VDD被施加到源极，且栅极连接到P通道MOSFET233的栅极。P通道MOSFET 232、233和220的尺寸比例如是1∶1∶1/n。
在电流源130中，通过表达式(1)来表达N通道MOSFET 230的栅-源电压VGS1：
等式1：
在此，k是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电荷，且K是K近似参数。IDS1是N通道MOSFET 230中流动的电流，且IOS1是取决于N通道MOSFET 230的尺寸的电流。
电压VGS1也是N通道MOSFET 231的栅极电压，并且可通过表达式(2)来表达：
等式2
VGS1＝VGS2+IDS2RPTAT...(2)
在此，VGS2是N通道MOSFET 231的栅-源电压。IDS2是N通道MOSFET 231中流动的电流，亦即电流源210的输出电流。RPTAT是电阻器的电阻值。
根据表达式(1)和(2)推导出表达式(3)。
等式3
在此，IOS2是取决于N通道MOSFET 231的尺寸的电流。
IDS2通过表达式(4)来表达。
等式4
在电流源130中，在N通道MOSFET 231中流动的电流是IDS2。P通道MOSFET 220按电流镜配置连接到P通道MOSFET 233，并因此电流IPTAT通过表达式(5)来表达。
等式5
在此，B是常数。根据表达式(5)，从电流源130输出的电流IPTAT是与绝对温度大致成正比的电流。
电压源140包括电阻器240和电流源250。在电压源140中，在电阻器240和电流源250之间输出电压Vbias。
电阻器240(第一电阻器)被配置为使得将电压VCM(第二电压：与N通道MOSFET 120的源极电压大致相同的电压)施加到一端，且另一端连接到N通道MOSFET 261的漏极。
如还示出的，电流源250(第二电流源)包括N通道MOSFET 260和261以及P通道MOSFET 262。在电流源250中，在N通道MOSFET 261中流动的电流变为输出电流IPTAT2(第二电流)。
N通道MOSFET 260被连接成二极管，且被配置为使得漏极连接到P通道MOSFET 262的漏极，且源极接地。N通道MOSFET 261被配置为使得栅极连接到N通道MOSFET 260的栅极，且源极接地。N通道MOSFET 260和261的尺寸比例如是1∶1/nbias。
P通道MOSFET 262被配置为使得电源电压VDD被施加到源极，且栅极连接到P通道MOSFET 233的栅极。P通道MOSFET 233和262的尺寸比例如是1∶1。
与电流源130类似，电流源250生成与绝对温度大致成正比的电流IPTAT2。在该实施例中，IPTAT2＝(1/nbias)IDS2。因此，如果电阻器240的电阻值是Rbias，则电压Vbias通过表达式(6)来表达。
等式6
Vbias＝VCM-RbiasIPTAT 2＝VCM-A·T...(6)
在此，A是常数。
接下来，将描述图1中示出的伪电阻电路100中的电阻值Reff。
首先，如图3中所示，将仅关注N通道MOSFET 120来提供描述。当N通道MOSFET 120工作在弱反转区中时，通过表达式(7)来表达在N通道MOSFET 120中流动的电流IDS。
等式7
在此，VGS是N通道MOSFET 120的栅-源电压，且VDS是N通道MOSFET 120的漏-源电压。IOS是取决于N通道MOSFET 120的尺寸的电流，且由表达式(8)来表达。
等式8
在此，μ是电子迁移率，Cox是每单位面积的氧化物容量，W是通道宽度，L是通道长度，且Ksa是弱反转区中的K近似参数。VTS是阈值电压。
根据表达式(7)和(8)，通过表达式(9)来表达N通道MOSFET120的漏极和源极之间的电阻值Reff。
等式9
表达式(9)包括温度T。表达式(9)还包括随着过程波动的阈值电压VTS。因此，在该实施例的伪电阻电路100中，如下所述，通过电流源130和电压源140来抑制电阻值Reff随着过程和温度的波动而产生的波动。
首先，如图4中所示，将关注电流源130的动作来提供描述。当N通道MOSFET 120工作在弱反转区中时，通过表达式(10)来表达电压VG。
等式10
在表达式(7)中，由于VGS＝VG-VCM，如果将表达式(10)中的VG替换到表达式(7)中，则通过表达式(11)来表达电流IDS。
等式11
根据表达式11，通过表达式(12)来表达电阻值Reff。
等式12
如果在表达式(12)中代入表达式(5)中的电流IPTAT，则通过表达式(13)来表达电阻值Reff。
等式13
表达式(13)不包括阈值电压VTS。更具体地，由于电流源130的动作，过程中的波动对电阻值Reff的影响被抑制了。然而，表达式(13)仍包括温度T。在该实施例中，利用电压源140的动作，抑制了电阻值Reff的随着温度的波动而产生的波动。
如果在表达式(13)中代入表达式(6)中的Vbias，则通过表达式(14)来表达电阻值Reff。
等式14
在此，在N通道MOSFET 120中，假设了表达式(15)。
等式15
VDS≈0...(15)
因此，根据表达式(14)和表达式(15)，通过表达式(16)来表达电阻值Reff。
等式16
可通过表达式(17)来表达电压Vbias。
等式17
因此，考虑表达式(5)和表达式(17)，可通过表达式(18)来表达电阻值Reff。
等式18
然后，应用表达式(15)，可通过表达式(19)来表达电阻值Reff。
等式19
表达式(16)和表达式(19)不包括阈值电压VTS和温度T。因此，在图1中示出的伪电阻电路100中，通过电流源130和电压源140抑制了电阻值Reff随着过程和温度的波动而产生的波动。
如上所述，在图1中示出的伪电阻电路100中，如表达式(13)所示，有可能通过电流源130和电压源140抑制电阻值Reff随着过程中的波动而产生的波动，其中电流源130生成与绝对温度大致成正比的电流IPTAT，并且电压源140生成电压Vbias，电压Vbias是绝对温度的大致线性函数。
在图1中示出的示例性实施例的伪电阻电路100中，电压源140生成的电压Vbias在绝对零度处与N通道MOSFET 120的源极电压大致相等(亦即，Vbias＝VCM-A·T)，由此有可能抑制电阻值Reff随着温度的波动而产生的波动。
因此，在伪电阻电路100中，为了抑制电阻值Reff随着过程或温度的波动而产生的波动，不需要精确地设置根据实验发现的多个参数，且方便了调整。
在示例性实施例的伪电阻电路100中，基于相同的电流源210来执行电流源130和电流源250中的电流生成。因此，如表达式(19)中示出的，有可能通过电流源130和电流源250中的电阻比和电流比来调整电阻值Reff。
图5是示出根据本发明实施例的电荷检测电路的示例的图。电荷检测电路500包括图1中示出的伪电阻电路100、运算放大器510和电容器520。
运算放大器510被配置为使得非反相输入端子接地，且将电荷QIN输入到反相输入端子。电荷QIN例如是从感测元件输出的电荷。伪电阻电路100连接在运算放大器510的输出端子和反相输入端子之间。电容器520与伪电阻电路100并联连接。
电荷检测电路500根据从运算放大器510的输出端子向反相输入端子输入的电荷QIN来输出输出电压VOUT。在电荷检测电路500中，伪电阻电路100使用MOSFET的弱反转区来使得伪电阻电路100的电阻值有可能是较大值，例如大约10TΩ。因此，电荷检测电路500适于检测具有相当低的频率的信号，如生物信号。如上所述，在伪电阻电路100中抑制了电阻值随着过程或温度的波动而产生的波动。因此，变得有可能抑制电荷检测电路500的输出电压随着过程或温度的波动而产生的波动。
虽然关于特定示例和子系统描述了各个实施例，但是对于本领域普通技术人员明显的是，实施例仅是为了易于理解本发明，且无论如何也不能解释为限制本发明。可在不偏离本发明的精神的情况下改变或改善本发明，且本发明涵盖其等同替代。
对附图标记的描述
100：伪电阻电路
110、120、230、231、260、261：N通道MOSFET
130、210、250：电流源
140：电压源
220、232、233、362：P通道MOSFET
234、240：电阻器
500：电荷检测电路
510运算放大器
520：电容器

Claims (15)

1.一种伪电阻电路，包括：
第一MOSFET，具有漏极、源极和栅极；
第二MOSFET，具有漏极、源极和栅极，所述第二MOSFET的栅极耦接到所述第一MOSFET的栅极，所述第二MOSFET被连接成二极管；
第一电流源，耦接到所述第二MOSFET的漏极，并被配置为生成与绝对温度大致成正比的第一电流；以及
电压源，耦接到所述第二MOSFET的源极，并被配置为生成第一电压，所述第一电压是绝对温度的大致线性函数，
其中，在所述第一MOSFET的漏极和源极之间形成电阻器，所述电阻器的电阻值取决于所述第一MOSFET的栅极电压，
所述第一MOSFET和所述第二MOSFET是N通道MOSFET，
所述电压源生成的所述第一电压在绝对零度处与所述第一MOSFET的源极电压大致相等。
2.根据权利要求1所述的伪电阻电路，其中，所述电压源包括：
第一电阻器，具有第一端和第二端，其中，第二电压被施加到所述第一电阻器的第一端；以及
第二电流源，耦接在所述第一电阻器的第二端与地之间，所述第二电流源被配置为生成与绝对温度大致成正比的第二电流。
3.根据权利要求2所述的伪电阻电路，其中，所述电压源被配置为在所述第一电阻器的第二端输出所述第一电压。
4.根据权利要求3所述的伪电阻电路，其中，所述第一电流源包括被配置为生成与绝对温度大致成正比的第三电流的第三电流源。
5.根据权利要求4所述的伪电阻电路，其中，所述第一电流源基于所述第三电流生成所述第一电流。
6.根据权利要求5所述的伪电阻电路，其中，所述第二电流源基于所述第三电流生成所述第二电流。
7.根据权利要求6所述的伪电阻电路，其中，所述第二电流源包括：
第三MOSFET，具有漏极、源极和栅极；
第四MOSFET，被连接成二极管，第四MOSFET的漏极耦接到所述第三MOSFET的漏极，以及第四MOSFET的源极耦合到地；以及
第五MOSFET，第五MOSFET的栅极耦接到所述第四MOSFET的栅极，第五MOSFET的漏极耦接到所述第一电阻器的第二端，以及第五MOSFET的源极耦接到地，
所述第四MOSFET和所述第五MOSFET是N通道MOSFET，
所述第三MOSFET是P通道MOSFET。
8.根据权利要求1所述的伪电阻电路，其中，所述第一电流源包括：
第六MOSFET，具有漏极、源极和栅极；
第七MOSFET，具有漏极、源极和栅极；
第八MOSFET，具有漏极、源极和栅极；
第九MOSFET，具有漏极、源极和栅极；以及
第二电阻器，被耦接到地，
所述第六MOSFET和所述第八MOSFET是P通道MOSFET，
所述第七MOSFET和所述第九MOSFET是N通道MOSFET。
9.根据权利要求8所述的伪电阻电路，其中，将电源电压施加到所述第六MOSFET的源极。
10.根据权利要求9所述的伪电阻电路，其中，所述第七MOSFET被连接成二极管，且所述第七MOSFET的漏极耦接到所述第六MOSFET的漏极。
11.根据权利要求10所述的伪电阻电路，其中，所述第八MOSFET被连接成二极管，且将电源电压施加到所述第八MOSFET的源极，且所述第八MOSFET的栅极耦接到所述第六MOSFET的栅极。
12.根据权利要求11所述的伪电阻电路，其中，所述第九MOSFET的漏极耦接到所述第八MOSFET的漏极，所述第九MOSFET的栅极耦接到所述第七MOSFET的栅极，以及所述第九MOSFET的源极耦接到所述第二电阻器。
13.一种电荷检测电路，包括：
根据权利要求1所述的伪电阻电路；
电容器，与所述伪电阻电路的电阻器并联连接；以及
运算放大器，其输出端子耦接到所述电阻器的第一端和所述电容器的第一端，且其反相输入端子耦接到所述电阻器的第二端以及所述电容器的第二端。
14.根据权利要求13所述的电荷检测电路，其中，从所述运算放大器的输出端子输出电压，所述电压取决于输入所述运算放大器的反相输入端子的电荷。
15.根据权利要求13所述的电荷检测电路，其中，所述运算放大器的非反相输入耦接到地。
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