CN116263469A - 片上系统中用于电压调节器的电流监测电路 - Google Patents

片上系统中用于电压调节器的电流监测电路 Download PDF

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Abstract

本公开涉及片上系统中用于电压调节器的电流监测电路。本公开描述一种片上系统(SoC),其包含内置自测试(BIST)块、具有通道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的低压差(LDO)电压调节器，以及具有感测MOSFET、调谐MOSFET、感测电阻器和调谐电阻器的电流监测电路。在本文中，所述通道MOSFET和所述感测MOSFET两者都接收输入电压，并且所述通道MOSFET的栅极耦合到所述感测MOSFET的栅极。所述感测MOSFET、所述调谐MOSFET和所述感测电阻器串联连接在所述输入电压与接地之间，并且所述调谐电阻器耦合在所述调谐MOSFET的栅极与接地之间。所述BIST块被配置成调谐通过所述调谐电阻器的电流，以便调整所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的连接点处的电压。

Description

片上系统中用于电压调节器的电流监测电路
相关申请
本申请要求2021年12月14日提交的第63/289,321号临时专利申请的权益，所述临时专利申请的公开内容由此以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开的技术涉及一种能够在片上系统(SoC)的内置自测试(BIST)块中实现电压调节器的高准确性负载电流测量的改进的电流监测电路。
背景技术
现代片上系统(SoC)的一个重要特征是内置自测试(BIST)。所述BIST是指将生产测试功能性添加到SoC自身并利用该芯片中已经可用的计算能力。现代BIST功能包含多路复用许多不同的测试节点、感测电压和强制电流，它们用于测量关键电路操作，例如测量电源电压。然后，可以使用机载微处理器来启用校准例程。利用这些内部功能可节省生产测试时间和资源。随着SoC的可用计算能力随过程节点的改进而增加，BIST成为更有价值的特征。
为了启用BIST，要求与测量相关的电路具有严格的准确性。例如，要求用于估计由LDO供应到底层电路块的负载电流的用于低压差(LDO)电压调节器的电流监测电路产生大小缩小的准确的复制负载电流。通常，整个SoC中使用许多LDO电压调节器以用于块到块隔离。由于这种频繁的实例化，电流监测电路的面积或静止电流的小幅增加将引起整个芯片上的大幅增加。
一种用于LDO电压调节器的常规电流监测电路通常使用简单的电流镜结构。然而，当请求LDO电压调节器在小漏极-源极电压下(即，在低LDO输入电压下)操作时，简单的电流镜结构无法向BIST提供准确的缩放结果，并且还引入饱和区不准确性。此外，简单的电流镜结构还可能限制BIST中可测量的最大电流范围。实施电流监测电路的另一常规解决方案为使用电流传送器结构，所述电流传送器结构可以减小/消除饱和区不准确性。然而，电流传送器结构必须良好匹配以维持准确性，从而导致使用更大的装置和更多的芯片面积。另外，电流传送器结构也在较低的LDO输入电压下运行困难，并且在缩放时引入更多不准确性。
因此，仍需要能够在SoC的BIST块中实现LDO电压调节器的高准确性负载电流测量的改进的电流监测电路设计。此外，还需要保持最终产品的高密度、成本效益和易于实施。
发明内容
本公开描述了一种片上系统(SoC),其包含能够在内置自测试(BIST)块中实现低压差(LDO)电压调节器的高准确性负载电流测量的电流监测电路。所公开的SoC包含BIST块、具有通道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的LDO电压调节器，以及具有感测MOSFET、调谐MOSFET、感测电阻器和调谐电阻器的电流监测电路。在本文中，所述通道MOSFET和所述感测MOSFET两者都接收输入电压，并且所述通道MOSFET的栅极耦合到所述感测MOSFET的栅极。所述感测MOSFET、所述调谐MOSFET和所述感测电阻器串联连接在所述输入电压与接地之间，并且所述调谐电阻器耦合在所述调谐MOSFET的栅极与接地之间。所述BIST块被配置成调谐通过所述调谐电阻器的电流，以便调整所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的连接点处的电压。
在SoC的一个实施例中，通道MOSFET的第一端子接收输入电压，通道MOSFET的第二端子具有LDO电压调节器的输出电压，并且通道MOSFET的栅极为通道MOSFET的第三端子。感测MOSFET的第一端子接收输入电压，感测MOSFET的第二端子耦合到调谐MOSFET的第一端子，并且感测MOSFET的栅极为感测MOSFET的第三端子。调谐MOSFET的第二端子经由感测电阻器耦合到接地，并且调谐MOSFET的栅极为调谐MOSFET的第三端子。
在SoC的一个实施例中，LDO电压调节器进一步包含误差放大器，所述误差放大器被配置成接收LDO电压调节器的输出电压和基准电压，并且被配置成基于LDO电压调节器的输出电压与基准电压的比较而驱动通道MOSFET的栅极和感测MOSFET的栅极。
在SoC的一个实施例中，BIST块被配置成调谐通过调谐电阻器的电流，以便将感测MOSFET和调谐MOSFET的连接点处的电压朝向LDO电压调节器的输出电压调整。
在SoC的一个实施例中，BIST块被配置成感测LDO电压调节器的输出电压，被配置成感测感测MOSFET和调谐MOSFET的连接点处的电压，被配置成计算LDO电压调节器的输出电压与感测MOSFET和调谐MOSFET的连接点处的电压之间的电压差，并且被配置成基于LDO电压调节器的输出电压与感测MOSFET和调谐MOSFET的连接点处的电压之间的电压差而调谐通过调谐电阻器的电流。
在SoC的一个实施例中，通道MOSFET和感测MOSFET中的每一个是P沟道MOSFET(PMOS)。通道MOSFET的第一端子为通道MOSFET的源极，并且通道MOSFET的第二端子为通道MOSFET的漏极。感测MOSFET的第一端子为感测MOSFET的源极，并且感测MOSFET的第二端子为感测MOSFET的漏极。
在SoC的一个实施例中，调谐MOSFET是PMOS。调谐MOSFET的第一端子为调谐MOSFET的源极，并且调谐MOSFET的第二端子为调谐MOSFET的漏极。感测MOSFET和调谐MOSFET的连接点处的电压为VGS+(ITUNE*RTUNE)，其中：VGS为调谐MOSFET的栅极-源极电压，ITUNE为通过调谐电阻器的电流；并且RTUNE为调谐电阻器的电阻。
在SoC的一个实施例中，LDO电压调节器被配置成将负载电流从通道MOSFET的第二端子提供到接地。通道MOSFET的宽度与长度(W/L)比为感测MOSFET的W/L比的N倍，其中N为正数。感测电阻器的最大值为(VOUT-VDS_SAT)/ILOAD_MAX的N倍，其中:VOUT为LDO电压调节器的输出电压，VDS_SAT为调谐MOSFET的漏极-源极电压的饱和值，并且ILOAD_MAX为由LDO电压调节器提供的负载电流的最大值。
在SoC的一个实施例中，调谐MOSFET是N沟道MOSFET(NMOS)。调谐MOSFET的第一端子为调谐MOSFET的漏极，并且调谐MOSFET的第二端子为调谐MOSFET的源极。感测MOSFET和调谐MOSFET的连接点处的电压为VGD+(ITUNE*RTUNE)，其中：VGD为调谐MOSFET的栅极-漏极电压，ITUNE为通过调谐电阻器的电流；并且RTUNE为调谐电阻器的电阻。
在SoC的一个实施例中，通道MOSFET和感测MOSFET中的每一个是NMOS。通道MOSFET的第一端子为通道MOSFET的漏极，并且通道MOSFET的第二端子为通道MOSFET的源极。感测MOSFET的第一端子为感测MOSFET的漏极，并且感测MOSFET的第二端子为通道MOSFET的源极。
在SoC的一个实施例中，调谐MOSFET是PMOS。调谐MOSFET的第一端子为调谐MOSFET的源极，并且调谐MOSFET的第二端子为调谐MOSFET的漏极。感测MOSFET和调谐MOSFET的连接点处的电压为VGS+(ITUNE*RTUNE)，其中：VGS为调谐MOSFET的栅极-源极电压，ITUNE为通过调谐电阻器的电流，RTUNE为调谐电阻器的电阻。
在SoC的一个实施例中，调谐MOSFET是NMOS。调谐MOSFET的第一端子为调谐MOSFET的漏极，并且调谐MOSFET的第二端子为调谐MOSFET的源极。感测MOSFET和调谐MOSFET的连接点处的电压为VGD+(ITUNE*RTUNE)，其中：VGD为调谐MOSFET的栅极-漏极电压，ITUNE为通过调谐电阻器的电流，并且RTUNE为调谐电阻器的电阻。
在SoC的一个实施例中，通道MOSFET的W/L比为感测MOSFET的W/L比的N倍，其中N为正数。
在SoC的一个实施例中，通道MOSFET和感测MOSFET具有相同的极性沟道。调谐MOSFET是PMOS或NMOS。
在另一方面中，可以单独地或一起地组合前述方面中的任一方面，和/或如本文所描述的各种单独方面和特征，以获得额外优点。除非本文相反指示，否则本文所公开的各种特征和元件中的任一者可以与一个或多个其他公开的特征和元件组合。
本领域技术人员在阅读以下对于优选实施例的具体说明以及相关的附图后，将会认识到本公开的范围并且了解其另外的方面。
附图说明
并入本说明书中并形成本说明书的一部分的附图说明了本公开的几个方面，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
图1A和图1B示出根据本公开的一些实施例的包含能够在内置自测试(BIST)块中实现低压差(LDO)电压调节器的高准确性负载电流测量的改进的电流监测电路的片上系统(SoC)。
图2A-图4B示出根据本公开的一些实施例的包含用不同晶体管类型实施的改进的电流监测电路的SoC。
图5A和图5B示出包含图1A和图1B中所示的改进的电流监测电路的SoC的准确性性能。
应理解，为作明确说明，图1-5B可能并非按比例绘制。
具体实施方式
下文阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实践实施例并说明实践实施例的最佳模式所必需的信息。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并将认识到这些概念在此未特别述及的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。
应理解，尽管术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所用，术语“和/或”包含相关联所列项目中的一个或多个项目的任何和所有组合。
应当理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上”或“延伸到”另一元件上时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，不存在中间元件。同样，应理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上方”或“在另一元件上方延伸”时，其可以直接在另一元件上方或直接在另一元件上方延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上方”或“直接在另一元件上方”延伸时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。
诸如“以下”或“以上”或“上”或“下”或“水平”或“竖直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与如图所示的另一元件、层或区域的关系。应理解，这些术语和上面讨论的那些旨在包括除附图中描绘的朝向之外的装置的不同朝向。
本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a/an)”和“所述”也旨在包含复数形式。还应理解，当在本文中使用时，项“包括(comprises/comprising)”和/或包含(includes/including)指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的群组。
除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解的是，除非本文明确地定义，否则本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关技术中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释。
本文中参考本公开的实施例的示意性图示来描述实施例。这样，层和元件的实际尺寸可以不同，并且预期会由于例如制造技术和/或公差而与图示的形状不同。例如，说明或描述为正方形或矩形的区可以具有圆形或弯曲特征，并且示出为直线的区可以具有一些不规则性。因此，图中所说明的区是示意性的，并且其形状不旨在说明装置的区的精确形状，并且不旨在限制本公开的范围。另外，为了说明目的，结构或区的大小可以相对于其他结构或区放大，并且因此提供结构或区以说明本发明的一般结构，且可以按比例绘制或可以不按比例绘制。附图之间的共同元件在本文中可以用共同的元件标号示出，并且随后不再描述。
本公开描述了一种能够在片上系统(SoC)的内置自测试(BIST)块中实现低压差(LDO)电压调节器的高准确性负载电流测量的电流监测电路。图1A和1B一起示出根据本公开的一些实施例的具有示例性电流监测电路12的示例性SoC 10。出于此简化说明的目的，SoC 10包含电流监测电路12、与电流监测电路12耦合的LDO电压调节器14(图1A)和被配置成估计/测量LDO电压调节器14的负载电流的BIST块16(图1B)。在现实应用中，SoC 10可包含多个LDO电压调节器、多个电流监测电路和其它电子功能块(本文中未示出)，且可指代整个微芯片。在此，LDO电压调节器14被配置成基于输入电压VIN和基准电压VREF将负载电流ILOAD提供到底层电路块(未示出)。通常，负载电流ILOAD相对较大，这不适合BIST块16中的直接测量(例如，功率浪费)。电流监测电路12耦合到LDO电压调节器14，且被配置成提供感测电压VSENSE，所述感测电压与负载电流ILOAD一起缩放。BIST块16被配置成测量感测电压VSENSE，且基于感测电压VSENSE来估计LDO电压调节器14的负载电流ILOAD。因此，LDO电压调节器14的负载电流ILOAD与电流监测电路12的感测电压VSENSE之间的缩放准确性确定BIST块16的测量/估计是否有效/准确。
详细地，LDO电压调节器14包含通道装置18和误差放大器(EA)20。在一个实施例中，通道装置18可以由P沟道金属氧化物半导体(PMOS)场效应晶体管(FET)PMP实施，其中PMP18的源极耦合到输入电压VIN，并且PMP 18的漏极处的电压为LDO电压调节器14的输出电压VOUT。EA 20可以由运算放大器实施，且用作LDO电压调节器14中的反馈环路。EA 20被配置成接收输出电压VOUT和基准电压VREF并驱动PMP 18的栅极。当输入电压VIN足够大时，PMP 18可以保持饱和，并且正是这种饱和可以确保输出电压VOUT保持稳定。应注意，LDO电压调节器14可进一步包含在PMP 18的漏极与接地之间的额外电子部件(例如，为简单起见未示出的一个或多个电阻器、一个或多个电容器等)，以便提供负载电流ILOAD。
电流监测电路12包含感测装置22、调谐装置24、感测电阻器RSENSE26和调谐电阻器RTUNE 28。在一个实施例中，感测装置22可以由PMOS FET PMSENSE实施，并且调谐装置24可以由PMOS FET PMTUNE实施。此处，PMSENSE 22的源极耦合到输入电压VIN，PMSENSE 22的具有漏极电压VDRAIN的漏极耦合到PMTUNE 24的源极，并且PMSENSE 22的栅极由LDO电压调节器14的EA 20驱动。PMTUNE 24的具有感测电压VSENSE的漏极经由感测电阻器RSENSE 26耦合到接地，PMTUNE 24的具有调谐电压VTUNE的栅极经由调谐电阻器RTUNE 28耦合到接地。PMTUNE24以源极跟随器配置连接。
通常，PMP 18的宽度与长度(W/L)比为PMSENSE 22的W/L比的N倍，其中N为正数。如果PMSENSE 22的漏极处的漏极电压VDRAIN可以被调谐为等于PMP 18的漏极处的输出电压VOUT，则LDO电压调节器14的负载电流ILOAD将为通过电流监测电路12中的感测电阻器RSENSE 26的感测电流ISENSE的N倍。
此处，PMSENSE 22的漏极处的漏极电压VDRAIN为PMTUNE 24的栅极处的调谐电压VTUNE加上PMTUNE 24的栅极-源极电压VGS的总和，并且PMTUNE 24的栅极处的调谐电压VTUNE等于调谐电流ITUNE乘以调谐电阻器RTUNE 28的电阻。
VDRAIN＝VGS+VTUNE
VTUNE＝ITUNE*RTUNE
因此，调整通过调谐电阻器RTUNE 28的调谐电流ITUNE可以改变PMSENSE 22的漏极处的漏极电压VDRAIN的值，以便将PMSENSE 22的漏极处的漏极电压VDRAIN与PMP 18的漏极处的输出电压VOUT匹配。
BIST块16被配置成感测输出电压VOUT(在PMP 18的漏极处)和漏极电压VDRAIN(在PMSENSE 22的漏极处)。接下来，BIST块16被配置成计算输出电压VOUT(在PMP 18的漏极处)与漏极电压VDRAIN(在PMSENSE 22的漏极处)之间的电压差。然后，基于输出电压VOUT与漏极电压VDRAIN之间的电压差，BIST块16被配置成提供/调整调谐电流ITUNE(通过调谐电阻器RTUNE 28)以将漏极电压VDRAIN(在PMSENSE 22的漏极处)朝向PMP 18的漏极处的输出电压VOUT调谐。通过使用BIST电流力功能性获得调谐电流ITUNE。因此，由于BIST块16中不需要新功能性，所以在面积开销中不考虑BIST块16。
BIST块16可以重复上述步骤，直到均衡为止。一旦漏极电压VDRAIN(在PMSENSE 22的漏极处)通过BIST调谐等于输出电压VOUT(在PMP 18的漏极处)，则可由VSENSE/RSENSE计算的通过感测电阻器RSENSE 26的感测电流ISENSE应为LDO电压调节器14的负载电流ILOAD的1/N。因此，启用BIST 16以通过测量PMTUNE 24的漏极处的感测电压VSENSE来估计LDO电压调节器14的负载电流ILOAD。
ILOAD＝N*(VSENSE/RSENSE)
应注意，漏极电压VDRAIN(在PMSENSE 22的漏极处)的目标值应等于输出电压VOUT(在PMP 18的漏极处)，这消除了与错配的MOSFET操作区(例如，非饱和区)相关联的不准确性。因此，即使当请求LDO电压调节器14在小漏极-源极电压(即，在低LDO输入电压VIN下)操作时，电流监测电路12仍可以向BIST 16提供准确的缩放结果(即，VSENSE)。且因此，BIST 16所估计的负载电流应该会准确匹配实际负载电流ILOAD。
与具有简单电流镜结构或电流传送器结构的常规SoC相比，具有改进的电流监测电路12的SoC 10可以具有其它优点。由于电流监测电路12仅具有一个镜级，因此没有由于多个镜级而引入显著的系统误差。SoC 10使得使用的芯片面积的最少，因为PMTUNE 24和调谐电阻器RTUNE 28没有匹配要求。因此，PMTUNE 24和调谐电阻器RTUNE 28可以较小。电流监测电路12的静止电流和泄漏电流不会增加，因为未将额外的镜级添加到LDO电压调节器14的输出或输入电压VIN。在SoC10中，由于BIST块16的定量误差，可能引入一些不准确性。然而，由于已经对BIST块16提出了高准确性要求，定量误差非常低。
此外，电流监测电路12的连接配置比电流传送器结构更适合使电流测量范围最大化。很明显，感测电压VSENSE(在PMTUNE 24的漏极处)等于漏极电压VDRAIN(在PMSENSE 22的漏极处)与PMTUNE 24的漏极-源极电压VDS2之间的差。当PMSENSE 22的漏极处的漏极电压VDRAIN等于PMP 18的漏极处的输出电压V输出(通过BIST调谐)时，PMTUNE 24的漏极处的感测电压VSENSE等于输出电压VOUT(在PMP 18的漏极处)与PMTUNE 24的漏极-源极电压VDS2之间的差。
如果VDRAIN＝VOUT
则VSENSE＝VOUT-VDS2
当PMTUNE 24在饱和情况下工作时，感测电压VSENE可达到最大值，所述最大值等于输出电压VOUT(在PMP 18的漏极处)与PMTUNE24的饱和漏极-源极电压VDS2_SAT之间的差(对于给定VIN)。
VSENSE_MAX＝VOUT-VDS2_SAT
为了估计LDO电压调节器14的负载电流ILOAD的最大值(即，获得通过感测电阻器RSENSE 26的感测电流ISENSE的最大值)，感测电阻器RSENSE 26的最大值可以达到：
RSENSE_MAX＝VSENSE_MAX/ISENSE_MAX
RSENSE_MAX＝(VOUT-VDS2_SAT)/ISENSE_MAX
RSENSE_MAX＝N*(VOUT-VDS2_SAT)/ILOAD_MAX
如果在电流监测电路12中使用电流传送器结构，则将在镜级中扣除两个或更多个VDS2_SAT。在感测电阻器RSENSE的值相同的情况下，LDO电压调节器14的负载电流ILOAD的可估计最大值将减小。
BIST块16还被配置成接收输入电压VIN并且耦合到接地。输入电压VIN等于PMSENSE22的漏极-源极电压VDS1、PMTUNE 24的漏极-源极电压VDS2和PMTUNE 24的漏极处的感测电压VSENSE的总和。
VIN＝VDS1+VDS2+VSENSE
因此，感测电压VSENSE的保证最大值为
V SENSE_MAX＝VIN-VDS1_SAT-VDS2_SAT
其中VDS1_SAT为PMSENSE 22的饱和漏极-源极电压。
在一个实施例中，当LDO电压调节器14的通道装置18由PMOS FET PMP实施时，电流监测电路12的调谐装置24可以由N沟道金属氧化物半导体(NMOS)FET NMTUNE代替PMTUNE实施，而电流监测电路12的感测装置22保留PMOS FET PMSENS实施，如图2A和2B中所示。
在此实施例中，PMSENSE 22的漏极处的漏极电压VDRAIN为NMTUNE24的栅极处的调谐电压VTUNE加上NMTUNE 24的栅极-漏极电压VGD的总和，并且NMTUNE 24的栅极处的调谐电压VTUNE等于调谐电流ITUNE乘以调谐电阻器RTUNE 28的电阻。
VDRAIN＝VGD+VTUNE
VTUNE＝ITUNE*RTUNE
此处，调整通过调谐电阻器RTUNE 28的调谐电流ITUNE仍可以控制PMSENSE 22的漏极处的漏极电压VDRAIN的值朝向PMP 18的漏极处的输出电压VOUT(尽管是以非线性方式)。BIST块16的测量过程仍然为：1)感测输出电压VOUT(在PMP 18的漏极处)和漏极电压VDRAIN(在PMSENSE 22的漏极处)；2)计算输出电压VOUT与漏极电压VDRAIN之间的电压差；3)基于输出电压VOUT与漏极电压VDRAIN之间的电压差而调整调谐电流ITUNE以将漏极电压VDRAIN朝向输出电压VOUT调谐；4)重复步骤1)-3)，直到均衡为止；5)测量NMTUNE 24的源极处的感测电压VSENSE；以及6)根据ILOAD＝N*(VSENSE/RSENSE)来计算/估计LDO电压调节器14的负载电流ILOAD。
另外，当调谐装置24由NMTUNE实施时，为了启用NMTUNE 24的操作，NM TUNE 24的源极处的感测电压VSENSE必须小于NMTUNE 24的栅极处的调谐电压VTUNE。
VSENSE＝VTUNE–VGS
VSENSE＝VDRAIN–VGD–VGS
此处，VGS为NMTUNE 24的栅极-源极电压。当PMSENSE 22的漏极处的漏极电压VDRAIN等于PMP 18的漏极处的输出电压VOUT(通过BIST调谐)时，NMTUNE 24的源极处的感测电压VSENSE为：
VSENSE＝VOUT–VGD–VGS
对于NMTUNE 24，感测电压VSENE限于支持NMTUNE 24的VGS，而对于PMTUNE 24，感测电压VSENENE限于支持PMTUNE 24的VDS。
在一个实施例中，LDO电压调节器14的通道装置18可以由NMOS FET NMP代替PMP实施，并且为了实现准确的缩放，电流监测电路12的感测装置22可以由NMOS FET NMSENSE代替PMSENSE实施，如图3A和3B以及图4A和4B中所示。此处，调谐装置24可以由PMTUNE(图3A中示出)或由NMTUNE(图4A中示出)实施。
在图3A中，LDO电压调节器14的EA 20驱动LDO电压调节器14的NMP 18的栅极和NMSENSE 22的栅极两者。NMP 18的漏极和NMSENSE 22的漏极都耦合到输入电压VIN。NMP 18的W/L比为NMSENSE22的W/L比的N倍，其中N为正数。如果NMSENSE 22的源极处的源极电压VSOURCE可以被调谐为等于NMP 18的源极处的输出电压VOUT，则LDO电压调节器14的负载电流ILOAD将为通过电流监测电路12中的感测电阻器RSENSE 26的感测电流ISENSE的N倍。此处，NMSENSE 22的源极处的源极电压VSOURCE为PMTUNE 24的栅极处的调谐电压VTUNE加上PMTUNE 24的栅极-源极电压VGS的总和，并且PMTUNE 24的栅极处的调谐电压VTUNE等于调谐电流ITUNE乘以调谐电阻器RTUNE 28的电阻。
VSOURCE＝VGS+VTUNE
VTUNE＝ITUNE*RTUNE
因此，调整通过调谐电阻器RTUNE 28的调谐电流ITUNE可以控制NMSENSE 22的源极处的源极电压VSOURCE的值朝向NMP 18的源极处的输出电压VOUT。BIST块16(图3B中示出)的测量过程为：1)感测输出电压VOUT(在NMP 18的源极处)和源极电压VSOURCE(在NMSENSE22的源极)；2)计算输出电压VOUT与源极电压VSOURCE之间的电压差；3)基于输出电压VOUT与源极电压VSOURCE之间的电压差来调整调谐电流ITUNE以将源极电压VSOURCE朝向输出电压电压VOUT调谐；4)重复步骤1)-3)，直到均衡为止；5)测量PMTUNE 24的漏极处的感测电压VSENSE；以及6)根据ILOAD＝N*(VSENSE/RSENSE)来计算/估计LDO电压调节器14的负载电流ILOAD。
在图4A中，通道装置18和感测装置22两者都由NMOS FET实施(分别为NMP和NMSENSE)，而调谐装置24由NMTUNE实施。类似地，LDO电压调节器14的EA 20驱动LDO电压调节器14的NMP 18的栅极和NMSENSE 22的栅极两者。NMP 18的漏极和NMSENSE 22的漏极都耦合到输入电压VIN。NMP 18的W/L比为NMSENSE 22的W/L比的N倍。此处，NMSENSE 22的源极处的源极电压VSOURCE为NMTUNE 24的栅极处的调谐电压VTUNE加上NMTUNE 24的栅极-漏极电压VGD的总和，并且NMTUNE 24的栅极处的调谐电压VTUNE等于调谐电流ITUNE乘以调谐电阻器RTUNE 28的电阻。
VSOURCE＝VGD+VTUNE
VTUNE＝ITUNE*RTUNE
因此，调整通过调谐电阻器RTUNE 28的调谐电流ITUNE可以控制NMSENSE 22的源极处的源极电压VSOURCE的值朝向NMP 18的源极处的输出电压VOUT(尽管是以非线性方式)。BIST块16(图4B中示出)的测量过程为：1)感测输出电压VOUT(在NMP 18的源极处)和源极电压VSOURCE(在NMSENSE 22的源极)；2)计算输出电压VOUT与源极电压VSOURCE之间的电压差；3)基于输出电压VOUT与源极电压VSOURCE之间的电压差来调整调谐电流ITUNE以将源极电压VSOURCE朝向输出电压电压VOUT调谐；4)重复步骤1)-3)，直到均衡为止；5)测量NMTUNE24的源极处的感测电压VSENSE；以及6)根据ILOAD＝N*(VSENSE/RSENSE)来计算/估计LDO电压调节器14的负载电流ILOAD。
应注意，LDO电压调节器14中的通道装置18和电流监测电路12中的感测装置22通常由相同类型的晶体管(例如，两个PMOS FET或两个NMOS FET)实施。然而，电流监测电路12中的调谐装置24可以由与LDO电压调节器14中的通道装置18相比的相同类型或不同类型的晶体管(例如，两个PMOS FET、两个NMOS FET、一个PMOS FET用于通道装置18且一个NMOSFET用于调谐装置24，或一个NMOS FET用于通道装置18且一个PMOS FET用于调谐装置24)实施。感测装置22和调谐装置24的连接点处的电压(例如，图1A和2A中的VDRAIN或图3A和4A中的VSOURCE)总是朝向LDO电压调节器14的输出电压VOUT调谐。
图5A和5B在均衡情况下比较包含图1A和1B中所示的改进的电流监测电路12的SoC10与具有电流传送器电路(未示出)的常规SoC的准确性性能。使用相同的LDO电压调节器14和相同的典型操作条件来捕捉性能数据。图5A示出实际施加的负载电流与调整后的镜像电流(按N缩放值调整，即估计的负载电流)的关系。可以观察到，在常规SoC中，调整后的镜像电流偏离预期电流，而在所提出的SoC10中，调整后的镜像电流匹配预期电流。图5B示出实际施加的负载电流与调整后的镜像电流的百分比误差。可以观察到，与具有电流传送器电路的常规SoC相比，所提出的SoC 10以更小量级的误差执行。
可以设想，可以组合前述方面中的任一方面，和/或如本文所描述的各种单独方面和特征以获得额外优点。除非本文相反指示，否则本文所公开的各种实施例中的任一实施例可以与一个或多个其它公开的实施例组合。
本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有这种改进和修改都被认为是在本文所公开的概念和下文的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
●低压差LDO电压调节器，包含通道金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET；
●电流监测电路，包含感测MOSFET、调谐MOSFET、感测电阻器和调谐电阻器，其中：
●所述通道MOSFET和所述感测MOSFET中的每一个接收相同输入电压；
●所述通道MOSFET的栅极和所述感测MOSFET的栅极耦合在一起；
●所述感测MOSFET、所述调谐MOSFET和所述感测电阻器串联连接在所述输入电压与接地之间；并且
●所述调谐电阻器耦合在所述调谐MOSFET的栅极与接地之间；以及
●内置自测试BIST块，被配置成调谐通过所述调谐电阻器的电流，以便调整所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的连接点处的电压。
2.根据权利要求1所述的设备，其中：
●所述通道MOSFET的第一端子接收所述输入电压，所述通道MOSFET的第二端子具有所述LDO电压调节器的输出电压，并且所述通道MOSFET的栅极为所述通道MOSFET的第三端子；
●所述感测MOSFET的第一端子接收所述输入电压，所述感测MOSFET的第二端子耦合到所述调谐MOSFET的第一端子，并且所述感测MOSFET的栅极为所述感测MOSFET的第三端子；并且
●所述调谐MOSFET的第二端子经由所述感测电阻器耦合到接地，并且所述调谐MOSFET的栅极为所述调谐MOSFET的第三端子。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述LDO电压调节器进一步包含误差放大器，所述误差放大器被配置成接收所述LDO电压调节器的输出电压和基准电压，并且被配置成基于所述LDO电压调节器的输出电压与所述基准电压的比较而驱动所述通道MOSFET的栅极和所述感测MOSFET的栅极。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述BIST块被配置成调谐通过所述调谐电阻器的电流，以便将所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的所述连接点处的电压朝向所述LDO电压调节器的输出电压调整。
5.根据权利要求4所述的设备，其中：
●所述BIST块被配置成感测所述LDO电压调节器的输出电压；
●所述BIST块被配置成感测所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的所述连接点处的电压；
●所述BIST块被配置成计算所述LDO电压调节器的输出电压与所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的所述连接点处的电压之间的电压差；并且
●所述BIST块被配置成基于所述LDO电压调节器的输出电压与所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的所述连接点处的电压之间的所述电压差而调谐通过所述调谐电阻器的电流。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述通道MOSFET和所述感测MOSFET中的每一个是P沟道MOSFET(PMOS)。
7.根据权利要求6所述的设备，其中：
●所述通道MOSFET的第一端子为所述通道MOSFET的源极，并且所述通道MOSFET的第二端子为所述通道MOSFET的漏极；并且
●所述感测MOSFET的第一端子为所述感测MOSFET的源极，并且所述感测MOSFET的第二端子为所述感测MOSFET的漏极。
8.根据权利要求6所述的设备，其中所述调谐MOSFET是PMOS。
9.根据权利要求8所述的设备，其中：
●所述调谐MOSFET的第一端子为所述调谐MOSFET的源极，并且所述调谐MOSFET的第二端子为所述调谐MOSFET的漏极；并且
●所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的所述连接点处的电压为VGS+(ITUNE*RTUNE)，其中：
●VGS为所述调谐MOSFET的栅极-源极电压；
●ITUNE为通过所述调谐电阻器的电流；并且
●RTUNE为所述调谐电阻器的电阻。
10.根据权利要求9所述的设备，其中：
●所述LDO电压调节器被配置成将负载电流从所述通道MOSFET的第二端子提供到接地；
●所述通道MOSFET的宽度与长度(W/L)比为所述感测MOSFET的W/L比的N倍，其中N为正数；并且
●所述感测电阻器的最大值为(VOUT-VDS_SAT)/ILOAD_MAX的N倍，其中:
●VOUT为所述LDO电压调节器的输出电压；
●VDS_SAT为所述调谐MOSFET的漏极-源极电压的饱和值；并且
●ILOAD_MAX为由所述LDO电压调节器提供的所述负载电流的最大值。
11.根据权利要求6所述的设备，其中所述调谐MOSFET是N沟道MOSFET(NMOS)。
12.根据权利要求11所述的设备，其中：
●所述调谐MOSFET的第一端子为所述调谐MOSFET的漏极，并且所述调谐MOSFET的第二端子为所述调谐MOSFET的源极；并且
●所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的所述连接点处的电压为VGD+(ITUNE*RTUNE)，其中：
●VGD为所述调谐MOSFET的栅极-漏极电压；
●ITUNE为通过所述调谐电阻器的电流；并且
●RTUNE为所述调谐电阻器的电阻。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述通道MOSFET和所述感测MOSFET中的每一个是N沟道MOSFET(NMOS)。
14.根据权利要求13所述的设备，其中：
●所述通道MOSFET的第一端子为所述通道MOSFET的漏极，并且所述通道MOSFET的第二端子为所述通道MOSFET的源极；并且
●所述感测MOSFET的第一端子为所述感测MOSFET的漏极，并且所述感测MOSFET的第二端子为所述通道MOSFET的源极。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述调谐MOSFET是P沟道MOSFET(PMOS)。
16.根据权利要求15所述的设备，其中：
●所述调谐MOSFET的第一端子为所述调谐MOSFET的源极，并且所述调谐MOSFET的第二端子为所述调谐MOSFET的漏极；并且
●所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的所述连接点处的电压为VGS+(ITUNE*RTUNE)，其中：
●VGS为所述调谐MOSFET的栅极-源极电压；
●ITUNE为通过所述调谐电阻器的电流；并且
●RTUNE为所述调谐电阻器的电阻。
17.根据权利要求13所述的设备，其中所述调谐MOSFET是NMOS。
18.根据权利要求17所述的设备，其中：
●所述调谐MOSFET的第一端子为所述调谐MOSFET的漏极，并且所述调谐MOSFET的第二端子为所述调谐MOSFET的源极；并且
●所述感测MOSFET和所述调谐MOSFET的所述连接点处的电压为VGD+(ITUNE*RTUNE)，其中：
●VGD为所述调谐MOSFET的栅极-漏极电压；
●ITUNE为通过所述调谐电阻器的电流；并且
●RTUNE为所述调谐电阻器的电阻。
19.根据权利要求1所述的设备，其中所述通道MOSFET的宽度与长度(W/L)比为所述感测MOSFET的W/L比的N倍，其中N为正数。
20.根据权利要求1所述的设备，其中：
●所述通道MOSFET和所述感测MOSFET具有相同的极性沟道；并且
●所述调谐MOSFET是P沟道MOSFET(PMOS)或N沟道MOSFET(NMOS)。
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