CN111654263B - 带有低通滤波器的集成电路 - Google Patents

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Abstract

带有低通滤波器的集成电路，涉及集成电路技术。本发明的低通滤波器包括：第一NMOS管，其漏极接VDD端，源极接参考点，栅极接输入端；第二NMOS管，其漏极接VDD端，源极接参考点，栅极接输出端；核心PMOS管，其源极接输入端，栅极接参考点，漏极接输出端；输出端通过电容接地；电流源，其电流输入端接参考点，电流输入端接地。本发明的有益效果是，省去了占用较大面积的电阻器件，并且不再需要调节栅电压的开关管，相比功能相同或相似的现有技术，芯片体积更小，更加有利于集成电路芯片微型化。

Description

带有低通滤波器的集成电路
技术领域
本发明涉及集成电路技术。
背景技术
低通滤波器主要目的容许低频率的信号通过，遏制高频率的信号。最简单的低通滤波器是由一个电阻(R)和一个电容(C)组成的一阶无源低通滤波器，参见图1，因此也简称为RC滤波器。输入信号结果电阻到输出信号，电容的一端接电阻的输出端，电容的另一端接地。
低通滤波器的重要指标是-3dB频率点，记为fc，即低通滤波器的输出信号功率下降为直流信号功率1/2时对应的频率点。从直流(0Hz)到滤波器-3dB频率点之间的频率宽度简称为带宽。
Figure GDA0004126084860000011
在CMOS芯片中，集成电阻和电容需要占用较大的芯片面积，因此一般集成的电阻在几十欧姆到几十千欧姆之间，一般集成的电容几十飞法(fF，10-15F)到几十皮法(pF，10- 12F)之间。当低通滤波器需要较小的fc时，如30KHz的带宽，如果选择C＝50pF，那么需要R＝100KΩ以上，此时的电阻和电容都占用较大芯片面积，所以不利于传统的一阶RC低通滤波器在集成电路中实现。
集成在芯片中的低通滤波器模块，非常适合用于为带隙基准电压源(Bandgap)等电压参考源(Voltage Reference)的输出电压滤除噪声，为运算放大器的输入滤除高频噪声等。
现有技术的CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺芯片集成的低通滤波器电路有以下两类：
中国专利申请CN201966876U“一种低通滤波器电路”，此类低通滤波器需要使用跨导放大器等电路，电路复杂，工作原理与本发明差别较大，不详述。
中国专利申请CN 110311650A“低通滤波器，低通滤波器以及CMOS芯片”，参见图2、图3。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于占用面积较小的带有低通滤波器的集成电路。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，带有低通滤波器的集成电路，包括：
第一NMOS管，其漏极接VDD端，源极接参考点，栅极接输入端；
第二NMOS管，其漏极接VDD端，源极接参考点，栅极接输出端；
核心PMOS管，其源极接输入端，栅极接参考点，漏极接输出端；
输出端通过电容接地；
电流源，其电流输入端接参考点，电流输出端接地。
第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比相同，并且管长大于管宽。
所述核心PMOS管由至少两个串联的PMOS管构成，其中各MOS管的栅极皆连接至参考点。
在同样的思路下，本发明还提供了第二种带有低通滤波器的集成电路，包括：
第十一NMOS管，其源极接GND端，漏极接参考点，栅极接输入端；
第十二NMOS管，其漏极接GND端，源极接参考点，栅极接输出端；
核心NMOS管，其漏极接输入端，栅极接参考点，源极接输出端；
输出端通过电容接地；
电流源，其电流输入端接高电平VDD，电流输出端接参考点。
第十一NMOS管和第十二NMOS管的宽长比相同，并且管长大于管宽。
所述核心NMOS管由至少两个串联的NMOS管构成，其中各MOS管的栅极皆连接至参考点。
本发明的有益效果是，省去了占用较大面积的电阻器件，并且不再需要调节栅电压的开关管，相比功能相同或相似的现有技术，芯片体积更小，更加有利于集成电路芯片微型化。
附图说明
图1是RC滤波器的原理图。
图2是对比文件2的框图。
图3是对比文件2的电路图。
图4是本发明实施例1的电路图。
图5是本发明的AC特性曲线图。
图6是本发明的实施例2的电路图。
图7是本发明的实施例3的电路图。
具体实施方式
实施例1
如图4所示。本发明的集成电路中，通滤波器由电流源Is、第一NMOS管NMOS1，第二NMOS管NMOS2，核心PMOS管PMOS1，以及一个等效电容组成。
电流源Is、第一NMOS管NMOS1，第一NMOS管NMOS2，核心PMOS管PMOS1构成等效电阻。
等效电容可以通过多晶硅-介电层-多晶硅(Polysilicon-Insulator-Polysilicon，简称PIP)电容，金属-氧化物-金属(Metal oxid metal，简称MIM)电容，金属-介电层-金属(Metal insulator metal，简称MOM)电容，MOS电容(将NMOS管或者PMOS管的源极-漏极短接作为等效电容的一极，栅极作为等效电容的另一极)等构成均可。
另外，等效电容也可以通过芯片管脚外接芯片外部电容实现。
输入信号Vin经过等效电阻到输出信号Voutput，等效电容的正极连接输出信号Voutput，等效电容的负极连接到地(GND)。等效电阻和等效电容组合，原理上等效于一阶RC低通滤波器，起到低通滤波的作用。
等效电阻的工作原理是，第一NMOS管NMOS1和第二NMOS管NMOS2是尺寸相等的对称连接方式，区别只是第一NMOS管NMOS1的栅极连接到输入信号Vin，第二NMOS管NMOS2的栅极连接到输出信号Voutput。第一NMOS管NMOS1和第二NMOS管NMOS2的作用是为核心PMOS管PMOS1提供从电源Vdd到核心PMOS管PMOS1栅极之间的电流通路。
由于电流源Is的位置更靠近地，有时候也可以称做电流沉(current sink)。电流源Is的作用是为PMOS管PMOS1提供从PMOS管PMOS1栅极到地之间的电流通路。电流源Is通常由电流镜构成。
第一NMOS管NMOS1，第二NMOS管NMOS2和电流源Is一起为核心PMOS管PMOS1的栅极提供工作电压。通常而言，MOS的管长(L)小于管宽(W)。但是，本电路中的第一NMOS管NMOS1、第二NMOS管NMOS2是反长宽比的MOS管，也就是MOS管的管长(L)大于管宽(W)。例如第一NMOS管NMOS1和第二NMOS管NMOS2的宽长比(W/L)皆为2.6um/20um。电流源Is提供一个小电流，如1uA，使核心PMOS管PMOS1的栅极电压为150mV左右。
此时，核心PMOS管PMOS1工作在可变电阻区(也成为非饱和区)，因此源极-漏极之间的电阻受Vgs影响。已知源极电压，再设计产生恰当的栅极电压，可以使得核心PMOS管PMOS1的源极-漏极之间有较大的等效电阻。此时核心PMOS管PMOS1源极-漏极之间的电阻Ron，即输入信号Vin到输出信号Voutput之间的等效电阻为：
Figure GDA0004126084860000031
其中，μ是器件载流子迁移率，Cox是单位栅电容大小，
Figure GDA0004126084860000032
是MOS管的宽长比，Vgs是MOS管的栅极-源极电压差，Vth是MOS管的阈值电压。载流子迁移率和单位栅电容大小跟CMOS器件的生产工艺相关，受电路设计影响较小。对于给定工艺的MOS管器件，阈值电压Vth也是一个确定值。
所以，由公式可知，选择较小的
Figure GDA0004126084860000033
选择接近于Vth的Vgs电压，可以获得较大的Ron。
核心PMOS管PMOS1也是一个反长宽比的器件，例如选择W/L＝12um/20um。为了获得更大的电阻，一种办法是增大PMOS管的管长(L)。
核心PMOS管PMOS1可以由多个管长为L1的PMOS管串联组成，参见图6，这样PMOS管PMOS1总的管长L为多个L1之和。遵循电阻串联原理，总的等效电阻为单个PMOS的Ron之和。
为了降低单个PMOS管的管宽(W)，也可以由多个较小管宽(W)的PMOS管并联组成PMOS管PMOS1。
第一NMOS管NMOS1和第二NMOS管NMOS2可以由多个管长为L2的NMOS管串联组成，这样NMOS管NMOS1总的管长L为多个L2之和。
为了降低单个NMOS管的管宽(W)，也可以由多个较小管宽(W)的NMOS管并联组成第一NMOS管NMOS1和第二NMOS管NMOS2。
由于PMOS管与NMOS管的原理相似性，本电路的NMOS管在特定的条件下也可以使用PMOS管来实现其功能。本电路的PMOS管PMOS1在特定的条件下也可以由NMOS管来实现其功能。
本发明的MOS管宽长比(W/L)只是在特定工艺下的一种优选结果，也可以选择其他数值的MOS管宽长比(W/L)。
本电路的等效电阻部分可以完全由MOS管构成，等效电阻值由PMOS管PMOS1的宽长比(W/L)和栅极-源极电压差Vgs等决定，经过设计可以达到千欧姆(KΩ)～几十兆欧姆(MΩ)的量级。因此具有占用芯片面积小，-3dB带宽小，功耗小等优势。
根据上述原理，本发明的低通滤波器AC特性曲线仿真波形如图5所示。AC特性曲线也可以称为幅度-频率响应曲线，可以直观的得出滤波器的-3dB带宽等信息。本电路的等效电阻只使用了25pF，PMOS管PMOS1的等效电阻Ron约为47MΩ，图示的低通滤波器-3dB带宽为134KHz左右。
实施例2
如图6所示，可以通过多个管长为L1的PMOS管串联组成PMOS管PMOS1。遵循电阻串联原理，这样等效电阻为单个PMOS管的Ron之和。
实施例3
如图7，本实施例采用NMOS管作为核心MOS管NMOS10，包括：
第十一NMOS管NMOS11，其源极接GND端，漏极接参考点，栅极接输入端；
第十二NMOS管NMOS12，其漏极接GND端，源极接参考点，栅极接输出端；
核心NMOS管，其漏极接输入端，栅极接参考点，源极接输出端；
输出端通过电容接地；
电流源，其电流输入端接高电平VDD，电流输出端接参考点。第十一NMOS管和第十二NMOS管的宽长比相同，并且管长大于管宽。
与实施例2相似，核心NMOS管也可由至少两个串联的NMOS管构成，其中各MOS管的栅极皆连接至参考点。

Claims (6)

1.带有低通滤波器的集成电路，其特征在于，所述低通滤波器包括：
第一NMOS管，其漏极接VDD端，源极接参考点，栅极接输入端；
第二NMOS管，其漏极接VDD端，源极接参考点，栅极接输出端；
核心PMOS管，其源极接输入端，栅极接参考点，漏极接输出端；
输出端通过电容接地；
电流源，其电流输入端接参考点，电流输出端接地。
2.如权利要求1所述的带有低通滤波器的集成电路，其特征在于，第一NMOS管和第二NMOS管的宽长比相同，并且管长大于管宽。
3.如权利要求1所述的带有低通滤波器的集成电路，其特征在于，所述核心PMOS管由至少两个串联的PMOS管构成，其中各MOS管的栅极皆连接至参考点。
4.带有低通滤波器的集成电路，其特征在于，所述低通滤波器包括：
第十一NMOS管，其源极接GND端，漏极接参考点，栅极接输入端；
第十二NMOS管，其漏极接GND端，源极接参考点，栅极接输出端；
核心NMOS管，其漏极接输入端，栅极接参考点，源极接输出端；
输出端通过电容接地；
电流源，其电流输入端接高电平VDD，电流输出端接参考点。
5.如权利要求4所述的带有低通滤波器的集成电路，其特征在于，第十一NMOS管和第十二NMOS管的宽长比相同，并且管长大于管宽。
6.如权利要求4所述的带有低通滤波器的集成电路，其特征在于，所述核心NMOS管由至少两个串联的NMOS管构成，其中各MOS管的栅极皆连接至参考点。
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