DE102005009138A1 - Widerstands-Schaltkreis - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Widerstands-Schaltkreis, insbesondere für Anwendungen in integrierten Schaltkreisen. Gemäß der Erfindung umfasst der Widerstands-Schaltkreis einen MOS-Transistor, der im linearen Bereich betrieben wird und dessen Drain-Durchlasswiderstand durch eine Vorspannung kontrolliert wird, die von einem Referenzstrom abgeleitet wird, und einen Vorspannungsschaltkreis, der einen Stromspiegelschaltkreis zur Erzeugung des Referenzstromes in Abhängigkeit eines Widerstandswertes eines Referenzwiderstandes umfasst. Die vorgeschlagene Lösung bietet ein simples Verfahren zur Kontrolle der Vorspannung eines MOS-Transistors, der im linearen Betrieb arbeitet, um einen Durchlasswiderstand in Abhängigkeit eines Referenzwiderstandes zu erzielen.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Widerstands-Schaltkreis, insbesondere für Anwendungen in integrierten Schaltkreisen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei Anwendungen in integrierten Schaltkreisen ist die Verwendung von Standard Widerstandsschichten, beispielsweise Polysilikon, Diffusion, N-Well (N-Wanne), nicht wirklich eine Option um Impedanzen mit hohen Werten zu integrieren aufgrund der Tatsache, dass jede dieser bekannten Lösungen entweder einen niederen Widerstandswert oder eine sehr schlechte Präzision aufweist.
  • Einige Hersteller bieten daher spezielle hochohmige Widerstandsschichten an, beispielsweise ausgewähltes Polysilikondoping bzw. Ablagerung von Dünnfilmwiderständen wie SiGe, aber diese Lösungen bieten ebenfalls eine schlechte Präzision und die Notwendigkeit von zusätzlichen Prozessschritten.
  • In Entwürfen des Standes der Technik wurde bereits ein MOS Transistor, der im sogenannten „linearen Bereich" betrieben wird, als Widerstand verwendet. In der Veröffentlichung von Yannis P. Tsividis et al. „Six-Terminal MOSFET's: Modeling and Applications in High Linear, Electronically Tuneable Resistors", sind ein paar Techniken zum Entwurf von einstellbaren Widerständen mit relativ großen Widerstandswerten und eng kontrollierten Toleranzen (Widerstände mit sechs Anschlüssen) offenbart.
  • In derselben Richtung offenbart das US-Patent Nr. 6,703,682 B2 von Cecil James Aswell einen Widerstand mit fünf Anschlüssen, welcher eine spezielle Ausgestaltung eines konventionellen MOSFET's mit sechs Anschlüssen ist, wenn entweder Drain oder Source auf oder nahe bei der gemeinsamen „Rail" des Schaltkreises betrieben werden müssen.
  • Die US 5,345,118 von Bert White and Mehrdad Negahban-Hagh lehrt einen Konditionierungsschaltkreis, bei welchem mit drei zusätzlichen Anschlüssen der Wert des Widerstandes, der mittels ein Paar von NMOS Bauelementen gebildet wird (Drain gekoppelt und Source gekoppelt), kontrolliert werden kann und bei dem die Nichtlinearität aufgrund der Drain-Source-Spannung UDS eliminiert werden kann.
  • Alle diese Lösungen gemäß dem Stand der Technik leiden aber entweder unter einer schlechten Präzision oder einem begrenzten maximalen Widerstandswert, oder sie sind nicht einsetzbar für Anwendungen in integrierten Schaltkreisen.
    •
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Widerstands-Schaltkreis anzugeben, mit welchem hohe Widerstandswerte erreicht werden können und welcher eine gute Präzision aufweist und leicht in integrierte Schaltkreise implementiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Widerstands-Schaltkreises gelöst, wie er in dem unabhängigen Anspruch beschrieben ist.
  • Andere Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung angesehen werden, sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß der Erfindung umfasst der Widerstands-Schaltkreis einen MOS Transistor M8, der im linearen Bereich betrieben wird und dessen Drain Durchlasswiderstand durch eine Vorspannung gesteuert wird, die von einem Referenzstrom abgeleitet wird, und ferner einem Vorspannungsschaltkreis, der einen Stromspiegelschaltkreis zur Erzeugung des Referenzstromes in Abhängigkeit eines Widerstandswertes eines Referenzwiderstandes R aufweist.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Stromspiegel einen ersten Zweig mit einem Sourcefolger, der aus zwei MOS Transistoren M6, M4 und einem ersten Referenzwiderstand R gebildet ist, der zwischen der Source von M6 und einer Versorgungsspannung vddi geschaltet ist, sowie einen zweiten Zweig mit einem Sourcefolger gebildet aus zwei MOS Transistoren M3, M5 und einem Transistor M7, der mit seinem Drain mit der Source des Transistors M5 verbunden ist und mit seiner Source mit der Versorgungsspannung, und einem Transistor M2 welcher den Strom, der durch die ersten und zweiten Zweige des Stromspiegels fließt, in einem dritten Zweig spiegelt, welcher gebildet ist durch den Transistor M1 und einem zweiten Referenzwiderstand R, der zwischen der Drain des Transistors M2 und der Drain des Transistors M1 geschaltet ist.
  • Die Referenzspannung wird zwischen dem Gate und der Source des Transistors M8 angelegt, welcher als Widerstandselement arbeitet, wobei die Referenzspannung gleich dem Spannungsabfall zwischen der Drain von M8 und der Source von M1 ist.
  • Die vorgeschlagene Lösung bietet ein simples Verfahren zur Kontrolle der Vorspannung eines MOS Transistors, der im linearen Betrieb verwendet wird, um einen Durchlasswiderstand in Abhängigkeit eines Referenzwiderstandes zu erzielen.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lösung zur Integration eines hohen Widerstandswertes mittels eines MOS Transistors vor, mit einer mäßigen Abweichung hinsichtlich der Temperatur, dem Prozess und der Versorgungsspannung.
  • Der Widerstands-Schaltkreis kann in einen Standard CMOS Prozess implementiert werden, wobei keine zusätzlichen Prozessschritte notwendig sind.
  • Weiterhin erlaubt der vorgeschlagene Widerstands-Schaltkreis die Integration eines großen Schichtwiderstandswertes mit einer adäquaten Kontrolle über seine Änderungen hinsichtlich Änderungen der Versorgungsspannung und Temperatur.
  • Für solche Anwendungen, die keine hoch präzisen linearen Widerstände benötigen, ist diese Lösung sehr einfach zu implementieren, wobei sie keine komplizierten Steuerschaltkreise benötigt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Blockdiagramm des MOS Widerstandes mit entsprechendem Vorspannungsschaltkreis gemäß der Erfindung.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm eines aktiven Filterschaltkreises unter Verwendung des MOS Widerstandes.
  • 3 zeigt ein Blockdiagramm des Vorspannungsschaltkreises, der in 2 gezeigt ist.
  • Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
  • Eine bevorzugte Lösung für den MOS Widerstand mit einem Vorspannungsschaltkreis wird in 1 präsentiert, wobei die Inbetriebnahmeschaltung nicht einbezogen ist.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch zwei Sourcefolger implementiert, die einen Stromspiegel ausbilden. Der erste Sourcefolger besteht aus den Transistoren M5 und M3 und der zweite Sourcefolger aus den Transistoren M6 und M4. Die Transistoren M5, M6 (und M1, der später beschrieben werden wird) haben dieselbe Größe und müssen zusammen in einer isolierten N-Well angeordnet werden, und mit ihrer Source mit dem N-Well Substrat verbunden werden, um den sogenannten „body effect" zu vermeiden. Der Transistor M3 entspricht dem Transistor M4. Die Transistoren M3 und M4 erzwingen es, dass der Strom in beiden Zweigen des Stromspiegels derselbe ist. Aus diesem Grunde ist der Strom, der durch den Widerstand R fließt derselbe, wie der Strom, der durch den Transistor M7 fließt, welcher in seinem linearen Bereich arbeitet. Daher können wir in erster Annäherung schreiben: 1/gDS(M7) = R [1]
  • Der Transistor M2 spiegelt den Strom, der durch die Zweige des Stromspiegels fließt, in einen separaten Zweig, der durch den Transistor M1 und den Widerstand R gebildet wird, und, aufgrund dieser Symmetrie, muss der Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen CM und BIAS derselbe sein, wie die Gate Spannung, die am Transistor M7 angelegt ist. Aus diesem Grunde hat der Transistor M8 dieselbe Übersteuerung (oder UGs – Uth) wie der Transistor M7. Die Leitfähigkeit im linearen Bereich, wenn UDS sehr klein ist, ist näherungsweise gegeben durch: Gds = WL ·μ·Cox·(Ugs – Uth) [2] wobei W = Designbreite, L = Designlänge, μ = Permeabilität, Cox = Oxidkapazität und Uth = Schwellenspannung sind.
  • Wenn man als WR das Verhältnis zwischen (W/L)M7 und (W/L)M8 bezeichnet, kann der Widerstand RD(M8), den man in der Drain von M8 sieht, WR-mal größer sein, als der Durchlasswiderstand des Transistors M7. Weil aber der Durchlasswiderstand von M7 gleich R ist, berechnet sich der Widerstand, den man in der Drain von M8 sieht zu: RD(M8) = RW·RDS(M7) = WR·R [3]
  • Der Wert von WR kann extrem hoch sein, was es erlaubt, sehr hohe Widerstandswerte mit relativ geringem Flächenverbrauch zu erzielen.
  • Um gute Resultate zu erzielen sollten die folgenden Designregeln in Betracht gezogen werden.
  • Falls UDS des Transistors M8 zu groß ist, ist die Gleichung in [2] nicht mehr gültig, da der Wert von RDS im Verhältnis zum Original driften wird. Die Übersteuerung ist gewöhnlich empfindlich auf W/L. Falls W/L(M7) sich sehr von WL(M8) unterscheidet, kann die Schaltung einen Verlust in der Präzision aufweisen. In tiefen Sub-Mikro Technologien ist Gleichung [2] nicht mehr gültig.
  • 2 zeigt ein Beispiel für eine aktive Tiefpassfilterschaltung erster Ordnung mit differenziellen Eingängen und Ausgängen, welche den Widerstands-Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung zur Einstellung der Eckfrequenz verwendet. Die Eckfrequenz des Tiefpassfilters berechnet sich zu: fc = 1/(2π(RD(M8)∥R1)C1) [4]
  • Die Vorspannung zur Steuerung des Durchlasswiderstandes RD der Gruppen von MOS Transistoren M8-1 und M8-2 wird durch den Vorspannungsschaltkreis 10 erzeugt, der in 3 beschrieben ist.
  • 3 zeigt ein Blockdiagramm des Vorspannungsschaltkreises 10 der in 2 gezeigt ist. Der Vorspannungsschaltkreis entspricht der Schaltung von 1, mit Ausnahme, dass der Widerstandstransistor M8 extern im Filterschaltkreis angeordnet ist. Wenn man die Gleichung [3] verwendet, beispielsweise wenn für R 10 kΩ gewählt wird, W = 40 μm ist und L = 1 μm (WR = 40), berechnet sich der Widerstand RD(M8) zu RD(M8) = 40·10 kΩ = 400 kΩ

Claims (7)

  1. Ein Widerstands-Schaltkreis welcher umfasst, einen MOS Transistor, (M8) betrieben im linearen Bereich, welcher einen Drain Durchlasswiderstand RD(M8) aufweist, der durch eine Vorspannung, die von einem Referenzstrom abgeleitet wird, gesteuert wird, und einen Vorspannungsschaltkreis, welcher eine Stromspiegelschaltung zur Erzeugung des Referenzstromes in Abhängigkeit des Widerstandes eines Referenzwiderstandes (R) umfasst.
  2. Der Widerstands-Schaltkreis gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stromspiegel umfassend einen ersten Zweig mit einem Sourcefolger gebildet durch zwei Transistoren (M6, M4) und einem ersten Referenzwiderstand (R), der zwischen der Source von M6 und einer Versorgungsspannung (vddi) geschaltet ist; einen zweiten Zweig mit einem Sourcefolger gebildet durch MOS Transistoren M3, M5 und einen Transistor (M7), der mit seiner Drain mit der Source des Transistors M5 verbunden ist und mit seiner Source mit der Versorgungsspannung; und einem Transistor (M2), welcher den Strom der durch die ersten und zweiten Zweige des Stromspiegels fließt in einen dritten Zweig spiegelt und gebildet ist durch den Transistor (M1) und einen zweiten Referenzwiderstand (R), der zwischen der Drain des Transistors M2 und der Drain des Transistors M1 geschaltet ist.
  3. Der Widerstands-Schaltkreis gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung zwischen dem Gate und der Source des Transistors (M8) angelegt wird.
  4. Der Widerstands-Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung gleich dem Spannungsabfall zwischen der Drain von M2 und der Source von M1 ist.
  5. Der Widerstands-Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (M1, M5, M6) alle dieselbe Größe aufweisen und sich in einem isolierten N-Well befinden, wobei deren Sourcen mit dem N-Well Substrat verbunden sind.
  6. Der Widerstands-Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (M3) gleich dem Transistor (M4) ist.
  7. Der Widerstands-Schaltkreis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass WR das Verhältnis zwischen (W/L)M7 und (W/L)M8 ist und der Widerstand RD(M8) gesehen in der Drain von M8 WR-mal größer ist, als der Durchlasswiderstand des Transistors M7, welcher RD(M8) = RW·RDS(M7) = WR·R ist.
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