CN108388300A - 参考电压产生器电路 - Google Patents

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Abstract

公开一种参考电压产生器电路(100)，其包括具有第一沟道类型的第一晶体管(101)和具有第二沟道类型的第二晶体管(102)。电流源(104)连接到所述第一晶体管(101)的源极端。所述第二晶体管(102)的漏极端连接到所述第一晶体管(101)的漏极端。所述参考电压产生器电路(100)另外包括具有所述第二沟道类型的第三晶体管(103)，其中所述第三晶体管(103)的漏极端连接到所述第二晶体管(102)的源极端。所述第二晶体管(102)的所述源极端与所述第三晶体管(103)的所述漏极端之间的节点连接到所述第一晶体管(101)的栅极端。在所述电流源(104)与所述第一晶体管(101)的所述源极端之间提供用于参考电压(Vrc)的连接。

Description

参考电压产生器电路
技术领域
本公开涉及参考电压产生器电路。
背景技术
射频识别(RFID)标签通常用于存储可以无线方式询问的信息。信息可存储于含于标签中的非易失性存储器中。为缩小大小和降低成本，无源RFID标签不含有电池；电力代替地由外部场提供。对于一些操作，例如存储器的擦除和编程，需要高电压。高电压可利用电荷泵实现，但必须控制电压电平以免损坏标签且确保电压被调谐用于最优存储器性能。可使用参考电压控制电压。参考电压应理想地提供在标签的所有操作温度下均恒定的电压。
用于生产例如带隙参考电压的参考电压的常规技术通常需要大电流(约1μA)和/或占用大物理面积(约10000μm2)。然而，对于无源RFID标签，可用电流和物理面积受到限制。因此，常规参考电压可能消耗高比例的此类RFID标签的可用空间和电流。
发明内容
根据第一方面，提供参考电压产生器电路，其包括：
第一晶体管，其具有第一沟道类型；
电流源，其连接到所述第一晶体管的源极端；
第二晶体管，其具有第二沟道类型，其中所述第二晶体管的漏极端连接到所述第一晶体管的漏极端；以及
第三晶体管，其具有所述第二沟道类型，其中所述第三晶体管的漏极端连接到所述第二晶体管的源极端，所述第二晶体管的所述源极端与所述第三晶体管的所述漏极端之间的节点连接到所述第一晶体管的栅极端，
其中在所述电流源与所述第一晶体管的所述源极端之间提供用于参考电压的连接。
在一些实施例中，第一沟道类型可以是p沟道，且第二沟道类型为n沟道。在其它实施例中，第一沟道类型可以是n沟道且第二沟道类型为p沟道。
电路可仅使用小电流提供参考电压，且仅需要小物理面积，使得参考电压产生器电路尤其适合用于无源RFID标签中，以及具有物理面积和电流限制的其它应用中。电流源可以是电流参考。可再使用来自装置或标签的其它组件的电流源，例如可需要电流参考以用于标签的其它功能，可再使用电流参考以在需要参考电压时产生参考电压。
在一些实施例中，第一晶体管的本体端可连接到第一晶体管的源极端。本体端到源极端而非到供应电压轨的连接可提供较高电源抑制比和较高的参考电压的温度系数独立于供应电压的独立性。
节点处的电压的温度依赖性可补偿第一晶体管的温度依赖性。节点处电压的温度依赖性可适用于产生电压参考的稳定和/或预选定温度系数。预选定温度系数可以是零、小于零，或大于零。稳定的温度系数可意指温度系数大体上独立于温度。通常，MOS晶体管具有负温度系数，即晶体管的阈值电压随温度减小。节点处的电压可具有与第一晶体管相反的温度系数，以至少部分地抵消第一晶体管的任何温度效应，且因此调整参考电压的温度系数，从而例如产生具有稳定的和/或预选定的温度系数的参考电压。在一些实施例中，节点处的电压的温度依赖性可大体上抵消第一晶体管的任何温度依赖性，从而产生至少在所要温度操作范围内大体上独立于温度的参考电压。
在一些实施例中，第二和第三晶体管的几何大小可被选择成使得节点处的电压的温度依赖性补偿第一晶体管的温度依赖性。具体地说，节点处的电压可相关于第二晶体管的宽度与长度的比率和第三晶体管的宽度与长度的比率。通过选择第二和第三晶体管的物理大小，可控制节点处的电压的温度系数，从而允许在产生参考电压时补偿第一晶体管的温度系数。可通过选择第二和第三晶体管的适当尺寸来配置节点处的电压的温度系数，使得提供参考电压的预选定温度系数。取决于所要应用，预选定温度系数可以为正、负或零。
在一些实施例中，第一、第二和第三晶体管中的至少一个或任选地每一个是MOSFET。
在一些实施例中，参考电压产生器电路可包括连接到第一晶体管的源极端的电流源。
在一些实施例中，电流源可被配置成提供在-40℃到90℃的温度范围内大体上独立于温度的电流。大体上独立于温度可意指电流跨温度范围变化不超过1％。在一些实施例中，电流源可被配置成提供具有线性温度系数的电流。
在一些实施例中，电流源可提供随温度变化的电流，使得关于温度的电流的第二差分为负，即具有倒U形状。此随温度的变化可至少部分地补偿电压参考的温度依赖性。具体地说，归因于二阶效应，电压参考可具有随温度变化的电压，使得关于温度的电压的第二差分为正。电流的温度依赖性可对此进行补偿，从而产生具有稳定的温度系数的电压参考。
参考电压可在-40℃到90℃温度范围内大体上独立于温度。大体上独立于温度可意指电压跨温度范围变化不超过1％。可替换的是，平均参考电压跨温度范围可变化小于一个标准差，如从多个(例如，3000个或多个3000个)标称相同的电路所测得。
在一些实施例中，电流源可被配置成提供100nA或更小，或50nA或更小，或25nA或更小的电流。对于，CMOS 140nm技术节点，参考电压产生器电路的几何面积可小于200μm2。因此，参考电压产生器电路的电流要求和物理大小可比常规参考电压产生器电路的电流要求和物理大小小得多。
根据本公开的第二方面，提供包括根据第一方面的实施例中的任一实施例的参考电压产生器电路的RFID标签。根据第一方面的实施例中的任一实施例的参考电压产生器电路可替代地并入到其它CMOS电路，具体地说，低电力CMOS电路中。
本发明的这些和其它方面将从下文中所描述的实施例中显而易见且参考下文中所描述的实施例予以阐明。
附图说明
将参考附图仅借助于例子来描述实施例，在附图中：
图1是根据示例实施例的参考电压产生器电路的示意性电路图；
图2是根据替代示例实施例的参考电压产生器电路的示意性电路图；
图3是图1中所示出的类型的参考电压产生器电路的替代例子的电路图；且
图4是对于若干示例参考电压产生器电路的参考电压随温度而变的曲线图。
应注意，图式是出于图解说明且未按比例绘制。为在图中清楚和便利起见，这些图式的各部分的相对尺寸和比例已通过在大小上放大或减小而示出。相同的附图标记一般用于指代在被修改的和不同的实施例中对应的或相似的特征。
具体实施方式
图1示出示例参考电压产生器100。产生器100包括第一晶体管101、第二晶体管102和第三晶体管103。所示出的晶体管101到103是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)。第一晶体管101是PMOS晶体管(p沟道MOSFET)。第二晶体管102和第三晶体管103是NMOS晶体管(n沟道MOSFET)。
电流源104连接到第一晶体管101的源极端。源极电压Vdd经由电流源104连接到第一晶体管101。电流源104可提供至少在产生器100的典型操作温度内温度大体上恒定的电流，或可提供具有一些限定的温度依赖性的电流。第三晶体管103的源极连接到接地(gnd)107。
第二晶体管102和第三晶体管103以自偏压共源共栅连接的方式连接，从而跨其栅极端产生电压Vr。出于产生器100的目的，除非Vr如此高以使晶体管101可能不再正确地运行，否则可忽略Vr。
第二晶体管102的源极端与第三晶体管103的漏极端之间的中间节点105处的电压Vrm(参看接地)用以闸控第一晶体管101。第一晶体管101的本体端连接到第一晶体管101的源极端。电流源104与第一晶体管101的源极端之间的节点106提供用于输出参考电压Vrc的连接点，所述Vrc相当于第一晶体管101的栅极端与源极端之间的电压Vgs与Vrm的总和。
即使在独立于温度的电流源104的情况下，第一晶体管101也将温度依赖性引入到其输出。由于电路实施方案常常不需要晶体管101的漏极-源极电压的给定温度依赖性，因此可将此引入的温度依赖性调整到所要值。举例来说，可调整温度依赖性以实现温度恒定或接近恒定的电压参考。使用自共源共栅的第二晶体管102和第三晶体管103在产生器100中实现此调整。中间节点105处的电压Vrm具有取决于第二晶体管102和第三晶体管103的几何特性的温度依赖性。具体地说，Vrm的温度依赖性可描述为：
其中T为温度，w102和l102相应地为第二晶体管102的宽度和长度，且w103和l103相应地为第三晶体管103的宽度和长度。
因此，通过适当地选择第二晶体管102和第三晶体管103的几何特性，电压Vrm的温度依赖性可被调谐成与第一晶体管101所引发的温度依赖性相反。因此，自共源共栅的第二和第三晶体管可用以补偿第一晶体管101的温度依赖性，以便调整参考电压Vrc的温度系数。
图2示出替代参考电压产生器电路200。电路200大体上等同于电路100，但在此状况下第一晶体管201是NMOS晶体管，且第二晶体管202和第三晶体管203是PMOS晶体管。电流源204连接到第一晶体管204的源极端。供应电压Vdd连接到第三晶体管203的源极端。中间节点205连接到第一晶体管201的栅极。第一晶体管201的本体端连接到第一晶体管201的源极端。第一晶体管201的源极端与电流源204之间的节点206提供用于输出参考电压Vrc的连接，所述参考电压Vrc相当于供应电压Vdd减去第一晶体管101的栅极端与源极端之间的电压Vgs与Vrm的总和。
图3示出参考电压产生器电路300的替代例子。电路300大体类似于电路100。在电路300中，第一晶体管101实际上被分成以自共源共栅布置连接的四个晶体管301到304。晶体管304的源极端充当用于组合的第一晶体管101的源极端。晶体管301的漏极端充当用于组合的晶体管101的漏极端，且连接到第二晶体管102的漏极端。形成组合的第一晶体管101的每个晶体管301到304的栅极连接到中间节点105。晶体管301到304中的每一个的本体端连接在一起，且连接到晶体管304的源极端(即，组合的第一晶体管101的源极端)。连接点106提供用于输出参考电压Vrc的连接。
第三晶体管103类似地被分成以自共源共栅布置连接的三个晶体管305到307。晶体管305的漏极端充当组合的第三晶体管103的漏极端且经由中间节点105连接到第二晶体管102的源极端，且晶体管307的源极端充当组合的第三晶体管103的源极端，且连接到接地。
在所示出的实施例中，第一晶体管301到304是P沟道MOSFET，且第二晶体管102和第三晶体管305到307是n沟道MOSFET。电流源(未示出)连接到晶体管304的源极端，即连接点106处。图3中邻近于每个晶体管的图式表示可用于晶体管的示例宽度与长度比率。
为验证产生器300的操作，使用CMOS 140nm技术节点制得超过3000个此种类型的样本，且分别对样本进行测试以观察参考电压Vrc如何随温度变化。图4概述了示出样本平均参考电压(线401)随温度而变的结果，以及对于在最大电压(线402)和最小电压(线403)情况下样本的结果。线401上的误差条表示样本的参考电压的标准差。如图4中可见，跨-40℃到80℃温度范围平均参考电压随温度变化极小，跨整个温度范围变化小于一个标准差，或换句话说，任何温度下参考电压中的标准差大于跨温度范围平均参考电压中的变化。在所有状况下，独立于温度的25nA参考电流用作电流源104。
因此，根据本公开的参考电压产生器电路提供使用仅25nA(即远小于常规参考电压所需电流)电流的大体上独立于温度的操作。此外，根据本公开的参考电压产生器电路已被制成有小于11μm x 14μm的尺寸，从而产生比常规参考电压的面积小得多的面积。出于比较目的，优值(figure of merit，FoM)可限定为FoM＝电流×电压×面积。常规带隙参考具有FoMBandgap＝1.1V*1μA*10000μm2＝11000μWμm2。相比之下，根据本公开的参考电压产生器电路可具有FoMVrc＝1.1V*25nA*200μm2＝5.5μWμm2，即比常规参考源小得多。因此，参考电压产生器电路100十分适合于例如无源RFID标签中的小面积、低电流应用。
测量的结果还示出制造产生器电路的过程变化可引入电压参考的绝对值的一些变化。然而，已证明所有样本的电压参考的温度系数大体上相同。对于其中电压参考的绝对值是重要的电路，可通过微调来调整参考电压。
通过阅读本公开，技术人员将显而易见其它变化和修改。此类变化和修改可涉及等效和其它特征，所述等效和其它特征在参考电压和RFID标签的领域中为已知且可用作本文中已经描述的特征的替代或补充。
尽管所附权利要求书是针对特定特征组合，但应理解，本发明的公开的范围也包括本文中明确地或隐含地公开的任何新颖特征或任何新颖特征组合或它的任何一般化，而不管它是否涉及与当前在任何权利要求中主张的发明相同的发明或它是否缓和与本发明所缓和的技术问题相同的任一或全部技术问题。
在单独实施例的上下文中描述的特征也可以组合地提供于单个实施例中。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中所描述的各个特征也可以单独地或以任何合适的子组合形式提供。申请人特此提醒，在审查本申请案或由此衍生的任何另外的申请案期间，可以根据此类特征和/或此类特征的组合而制订新的权利要求。
为了完整起见，还指出，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，术语“一”并不排除多个，且权利要求书中的附图标记不应被认作限制权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种参考电压产生器电路，其特征在于，包括：
第一晶体管，其具有第一沟道类型；
电流源，其连接到所述第一晶体管的源极端；
第二晶体管，其具有第二沟道类型，其中所述第二晶体管的漏极端连接到所述第一晶体管的漏极端；以及
第三晶体管，其具有所述第二沟道类型，其中所述第三晶体管的漏极端连接到所述第二晶体管的源极端，且所述第二晶体管的所述源极端与所述第三晶体管的所述漏极端之间的节点连接到所述第一晶体管的栅极端，
其中在所述电流源与所述第一晶体管的所述源极端之间提供用于参考电压的连接。
2.根据权利要求1所述的参考电压产生器电路，其特征在于，所述节点处的所述电压的温度依赖性补偿所述第一晶体管的温度依赖性。
3.根据权利要求2所述的参考电压产生器电路，其特征在于，所述第二和第三晶体管的几何大小被选择成使得所述节点处的所述电压的所述温度依赖性补偿所述第一晶体管的所述温度依赖性。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的参考电压产生器电路，其特征在于，所述节点处的所述电压的所述温度依赖性被配置成产生所述参考电压的预选定温度系数。
5.根据在前的任一项权利要求所述的参考电压产生器电路，其特征在于，所述第一晶体管的本体端连接到所述第一晶体管的所述源极端。
6.根据在前的任一项权利要求所述的参考电压产生器电路，其特征在于，所述电流源被配置成提供在-40℃到90℃的温度范围内变化小于1％的电流。
7.根据在前的任一项权利要求所述的参考电压产生器电路，其特征在于，所述参考电压在-40℃到90℃的温度范围内变化小于1％。
8.根据在前的任一项权利要求所述的参考电压产生器电路，其特征在于，所述参考电压产生器电路的几何面积小于200μm2。
9.根据在前的任一项权利要求所述的参考电压产生器电路，其特征在于，所述第一沟道类型是p沟道且所述第二沟道类型是n沟道。
10.一种RFID标签，其特征在于，包括根据权利要求1到9中任一项权利要求所述的参考电压产生器电路。
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