JP2004165911A - トランジスタの駆動方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】MOSFETで発生する1/fノイズを低減するために、そのバックゲートにある電圧を与え、該MOSFETのBodyーsourceのPN接合を浅い順バイアスにする際、MOSFETの製造プロセスにおけるバラツキやPN接合温度の変動に影響されず、容易にバイアス設定を行うため。
【解決手段】1/Fノイズを低減させようとしているMOSFETに隣接して、そのバックゲートにバイアス電圧を与えるためのダイオードを配置する。そのダイオードは該MOSFETのソースーバルク間のPN接合と同等の接合を用い、配置したダイオードをある電流値で定電流駆動し、該ダイオードのアノードーカソード間に発生する電圧で該MOSFETのバックゲートにバイアスを与える。
【選択図】 図1
【解決手段】1/Fノイズを低減させようとしているMOSFETに隣接して、そのバックゲートにバイアス電圧を与えるためのダイオードを配置する。そのダイオードは該MOSFETのソースーバルク間のPN接合と同等の接合を用い、配置したダイオードをある電流値で定電流駆動し、該ダイオードのアノードーカソード間に発生する電圧で該MOSFETのバックゲートにバイアスを与える。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はMOSFETを用いた増幅などの信号処理を行う回路において、そのMOSFETの発する1/Fノイズと呼ばれる低周波ノイズを効果的に低減するMOSFET駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は従来のMOSFETを用いた、インピーダンス変換を主な目的にしたソースフォロワーと呼ばれる回路である。このソースフォロワーの出力端子(Vout)には入力トランジスタM1のゲート部分で発生する1/Fノイズが増幅されて現れる。
【0003】
この1/Fノイズは本回路の信号処理帯域が低周波に偏っている場合、大きなノイズ源となり、S/Nが低下して問題となることが多い。
【0004】
図6は、その入力トランジスタにMOSFETを用いた差動増幅器の従来例として、示したもので、本増幅器の出力端子に現れるノイズの大半は入力トランジスタであるM1,M2によって決定される。したがって、この出力端子に現れる信号のS/N比を向上させるにはM1,M2のノイズを低減することが非常に重要であり、その低周波成分は図5と同様にM1,M2で発生する1/Fノイズが決定する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このMOSFETの1/Fノイズを低減する方法として、“Body bias Dependence of 1/f Noise in NMOS Transistors from Deep−Subthreshold to Strong Inversion(IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES VOL.48 NO.5 MAY 2001)に紹介されている。この文献ではMOSFETのbody−source接合電圧(Vbs)を0.5Vに順バイアスにした場合、Vbsが0Vの場合に比較して、1/Fノイズが約1桁低下したと報告されている。
【0006】
この効果を通常の信号処理回路に応用した場合、Vbsが0.5Vほども順バイアスしてしまうと、Body−source接合のリーク電流が無視できなくなる場合があるため、Vbsの設定にはかなり精度が必要になるという問題があった。また、MOSFETを作製する半導体プロセスの製造バラツキやBody−source接合の温度によって、同じVbsを与えても該リーク電流は大きく変動してしまう問題もあった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
1/Fノイズを低減させようとしているMOSFETに隣接して、そのバックゲートにバイアス電圧を与えるためのダイオードを配置して、その配置したダイオードをある電流値で定電流駆動する。該ダイオードのアノードーカソード間に発生する電圧で該バックゲートバイアスを与えることで、該1/fノイズを低減させるMOSFETのBody−source接合のバイアス電圧を該ダイオードの接合面積と、該ダイオードを駆動する定電流値で制御する。配置したダイオードと該MOSFETのBody−source接合のダイオードは並列に接続されることになり、その接合面積比をKdとすると、該定電流駆動する電流値をI1とした時、該MOSFETのBody−source接合ダイオードに流れる電流IdはId=I1*1/(1+Kd)と表され、接合面積比Kdと、電流I1で制御できることが判る。配置するダイオードを形成する接合を、該1/fノイズを低減するMOSFETのBody−source間の接合と半導体製造プロセス的に等しくし、かつ隣接して配置することで半導体製造バラツキや接合温度変化に追従して該リーク電流Idを制御することが可能であり、またダイオードの電流に対するアノードーカソード間電圧(Vd)のコンダクタンス(gm)が小さいため、該Vbsの設定を直接電圧で設定する場合より容易になる。
【0008】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は本発明にかかる第一の実施例で、ソースフォロワーである。
【0009】
図で、M1は入力トランジスタ、I1はM1をバイアスする定電流源、D1はM1のバックゲートのバイアス電圧を設定するためのダイオード、I2はD1のバイアス電流を設定する電流源、D2はM1のBody−source間のPN接合によるダイオード、1は電源、2は入力端子、3は出力端子である。
【0010】
ダイオードD2の電流Id2はM1のBody−source間電圧Vbs,D2の接合面積As2を用いて
Id2=As2*Is*{exp(Vbs/vt)−1}
vt=kT/q(kはボルツマン定数、Tは絶対温度,qは電子電荷)
Isは逆方向飽和電流密度と表される。
【0011】
またD1のアノードーカソード間電圧(Vd1)は
Vd1=vt*ln[I2/(As1*Is)]
D1,D2は隣接しているのでIsや接合温度はほぼ等しいと考えられ、VbsはVd1に等しいので結局Id2は
Id2=(As2/As1)*I2
したがってM1のVgsは電流I2と、D1、D2の接合面積比As2/As1で制御できることが判る。ダイオードD1の面積As1をD2の面積As2より充分大きくすることで入力MOSFET M1の寄生ダイオードのリーク電流を無視できるレベルにまで小さくすることは容易である。
【0012】
(実施例2)
図2は本発明に係る第2の実施例であり、差動増幅器の入力段を示したものである。図2において、M1,M2は入力NMOSFET,M3,M4は能動負荷となるPMOSFET,D1,D2はそれぞれM1,M2のBody−source間の寄生ダイオード、D3はM1,M2のバックゲートにバイアスを与えるためのダイオード、I1はバイアス電流源、I2はD3のバイアス電流源、1は差動入力端子、2は出力端子、3は電源である。
【0013】
実施例1と同様に、電流源I2の電流値とD1,D2とD3の接合面積比によってM1,M2の寄生ダイオードD1,D2のリーク電流を、動作上問題ないレベルまで設定することは容易に可能であり、またD1,D2を浅い順バイアスにすることでM1,M2の1/Fノイズを低減することができる。
【0014】
(実施例3)
図3は図1,2で示した実施例を、MOS型光電変換装置に応用したもので、1はフォトダイオード、2は増幅MOSトランジスタ、3は選択トランジスタ、4がリセットトランジスタ、5は2の増幅トランジスタにバイアス電流を供給する定電流源、6は1のフォトダイオードの電荷を2の増幅トランジスタの入力に転送する転送スイッチである。7は、2の増幅MOSトランジスタのバックゲートバイアス設定用のダイオード、8はダイオード7のバイアス電流源である。フォトダイオードで、入射光に応じて発生した信号電荷は2の増幅MOSトランジスタのゲート端子に附随する寄生容量によって電圧に変換され、3の選択トランジスタのゲート端子にHIレベルの信号が与えられると、その選択トランジスタはONし、増幅トランジスタ2のゲートの信号電圧はソースフォロワーの回路構成となっている増幅トランジスタ2のソース端子から出力される。
【0015】
この光電変換セルが複数、2次元に配置された場合の光電変換装置の1例を図4に示す。100は光電変換セル、101はセンサーセルの選択信号線、16は水平転送スイッチ、14は水平転送用シフトレジスタであり、水平転送スイッチ16を順次ONさせる。15は垂直シフトレジスタで、光電変換セルを選択し活性化させる前記101の信号線を駆動する。17は出力アンプ、18は出力端子、10はノイズ除去回路である。
【0016】
光電変換セル100の構成は図3と同様で、各列の光電変換セル出力は垂直信号線8に接続され、垂直信号線にはさらに、光電変換セルで発生する、製造バラツキによる雑音を除去するための雑音除去回路10が通常接続される。
【0017】
10のノイズ除去回路は、前記センサーがリセット状態の時の出力と、光入力に応じた信号の出力とを用いて、何らかの差分出力を得るものであることをここでは仮定する。
【0018】
信号線101−1に印加されるパルスによって第一行のセンサーセルが選択され、センサーに入力された光信号に応じた信号(Vsig)が前記垂直信号線8に出力される。出力された信号は水平転送スイッチ16を駆動するパルスによって順次ONすることで、水平信号線19を介して、第一行目のセンサー出力信号は出力アンプ17によって順次得られる。
【0019】
出力アンプ17の入力差動段では、図2の、第2の実施例のように、入力トランジスタのバックゲートがダイオードとバイアス電流源でバイアスされている。
【0020】
以上のような構成とすることで、従来の光電変換装置において問題となっていた1/Fノイズの、主な発生源となるトランジスタを低ノイズ化することが可能になる。
【0021】
【発明の効果】
以上示したように、MOSFETの1/Fノイズを低減するため、そのbody−source間のPN接合を順バイアスにする際、問題となった半導体製造プロセスのバラツキ、接合温度の変化による、該MOSFETの該PN接合のリーク電流の制御性の悪化、該バイアス電圧設定の困難さが、本発明の駆動方法を取ることにより解決される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる第一の実施例で、ソースフォロワーである。
【図2】本発明に係る第2の実施例であり、差動増幅器の入力段を示したものである。
【図3】図1,2で示した実施例を、MOS型光電変換装置に応用したものである。
【図4】光電変換セルが複数、2次元に配置された場合の光電変換装置の1例を示す図である。
【図5】従来のMOSFETを用いた、インピーダンス変換を主な目的にしたソースフォロワーと呼ばれる回路である。
【図6】入力トランジスタにMOSFETを用いた差動増幅器の従来例として、示したものである。
【発明の属する技術分野】
本発明はMOSFETを用いた増幅などの信号処理を行う回路において、そのMOSFETの発する1/Fノイズと呼ばれる低周波ノイズを効果的に低減するMOSFET駆動方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は従来のMOSFETを用いた、インピーダンス変換を主な目的にしたソースフォロワーと呼ばれる回路である。このソースフォロワーの出力端子(Vout)には入力トランジスタM1のゲート部分で発生する1/Fノイズが増幅されて現れる。
【0003】
この1/Fノイズは本回路の信号処理帯域が低周波に偏っている場合、大きなノイズ源となり、S/Nが低下して問題となることが多い。
【0004】
図6は、その入力トランジスタにMOSFETを用いた差動増幅器の従来例として、示したもので、本増幅器の出力端子に現れるノイズの大半は入力トランジスタであるM1,M2によって決定される。したがって、この出力端子に現れる信号のS/N比を向上させるにはM1,M2のノイズを低減することが非常に重要であり、その低周波成分は図5と同様にM1,M2で発生する1/Fノイズが決定する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このMOSFETの1/Fノイズを低減する方法として、“Body bias Dependence of 1/f Noise in NMOS Transistors from Deep−Subthreshold to Strong Inversion(IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES VOL.48 NO.5 MAY 2001)に紹介されている。この文献ではMOSFETのbody−source接合電圧(Vbs)を0.5Vに順バイアスにした場合、Vbsが0Vの場合に比較して、1/Fノイズが約1桁低下したと報告されている。
【0006】
この効果を通常の信号処理回路に応用した場合、Vbsが0.5Vほども順バイアスしてしまうと、Body−source接合のリーク電流が無視できなくなる場合があるため、Vbsの設定にはかなり精度が必要になるという問題があった。また、MOSFETを作製する半導体プロセスの製造バラツキやBody−source接合の温度によって、同じVbsを与えても該リーク電流は大きく変動してしまう問題もあった。
【0007】
【課題を解決するための手段】
1/Fノイズを低減させようとしているMOSFETに隣接して、そのバックゲートにバイアス電圧を与えるためのダイオードを配置して、その配置したダイオードをある電流値で定電流駆動する。該ダイオードのアノードーカソード間に発生する電圧で該バックゲートバイアスを与えることで、該1/fノイズを低減させるMOSFETのBody−source接合のバイアス電圧を該ダイオードの接合面積と、該ダイオードを駆動する定電流値で制御する。配置したダイオードと該MOSFETのBody−source接合のダイオードは並列に接続されることになり、その接合面積比をKdとすると、該定電流駆動する電流値をI1とした時、該MOSFETのBody−source接合ダイオードに流れる電流IdはId=I1*1/(1+Kd)と表され、接合面積比Kdと、電流I1で制御できることが判る。配置するダイオードを形成する接合を、該1/fノイズを低減するMOSFETのBody−source間の接合と半導体製造プロセス的に等しくし、かつ隣接して配置することで半導体製造バラツキや接合温度変化に追従して該リーク電流Idを制御することが可能であり、またダイオードの電流に対するアノードーカソード間電圧(Vd)のコンダクタンス(gm)が小さいため、該Vbsの設定を直接電圧で設定する場合より容易になる。
【0008】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は本発明にかかる第一の実施例で、ソースフォロワーである。
【0009】
図で、M1は入力トランジスタ、I1はM1をバイアスする定電流源、D1はM1のバックゲートのバイアス電圧を設定するためのダイオード、I2はD1のバイアス電流を設定する電流源、D2はM1のBody−source間のPN接合によるダイオード、1は電源、2は入力端子、3は出力端子である。
【0010】
ダイオードD2の電流Id2はM1のBody−source間電圧Vbs,D2の接合面積As2を用いて
Id2=As2*Is*{exp(Vbs/vt)−1}
vt=kT/q(kはボルツマン定数、Tは絶対温度,qは電子電荷)
Isは逆方向飽和電流密度と表される。
【0011】
またD1のアノードーカソード間電圧(Vd1)は
Vd1=vt*ln[I2/(As1*Is)]
D1,D2は隣接しているのでIsや接合温度はほぼ等しいと考えられ、VbsはVd1に等しいので結局Id2は
Id2=(As2/As1)*I2
したがってM1のVgsは電流I2と、D1、D2の接合面積比As2/As1で制御できることが判る。ダイオードD1の面積As1をD2の面積As2より充分大きくすることで入力MOSFET M1の寄生ダイオードのリーク電流を無視できるレベルにまで小さくすることは容易である。
【0012】
(実施例2)
図2は本発明に係る第2の実施例であり、差動増幅器の入力段を示したものである。図2において、M1,M2は入力NMOSFET,M3,M4は能動負荷となるPMOSFET,D1,D2はそれぞれM1,M2のBody−source間の寄生ダイオード、D3はM1,M2のバックゲートにバイアスを与えるためのダイオード、I1はバイアス電流源、I2はD3のバイアス電流源、1は差動入力端子、2は出力端子、3は電源である。
【0013】
実施例1と同様に、電流源I2の電流値とD1,D2とD3の接合面積比によってM1,M2の寄生ダイオードD1,D2のリーク電流を、動作上問題ないレベルまで設定することは容易に可能であり、またD1,D2を浅い順バイアスにすることでM1,M2の1/Fノイズを低減することができる。
【0014】
(実施例3)
図3は図1,2で示した実施例を、MOS型光電変換装置に応用したもので、1はフォトダイオード、2は増幅MOSトランジスタ、3は選択トランジスタ、4がリセットトランジスタ、5は2の増幅トランジスタにバイアス電流を供給する定電流源、6は1のフォトダイオードの電荷を2の増幅トランジスタの入力に転送する転送スイッチである。7は、2の増幅MOSトランジスタのバックゲートバイアス設定用のダイオード、8はダイオード7のバイアス電流源である。フォトダイオードで、入射光に応じて発生した信号電荷は2の増幅MOSトランジスタのゲート端子に附随する寄生容量によって電圧に変換され、3の選択トランジスタのゲート端子にHIレベルの信号が与えられると、その選択トランジスタはONし、増幅トランジスタ2のゲートの信号電圧はソースフォロワーの回路構成となっている増幅トランジスタ2のソース端子から出力される。
【0015】
この光電変換セルが複数、2次元に配置された場合の光電変換装置の1例を図4に示す。100は光電変換セル、101はセンサーセルの選択信号線、16は水平転送スイッチ、14は水平転送用シフトレジスタであり、水平転送スイッチ16を順次ONさせる。15は垂直シフトレジスタで、光電変換セルを選択し活性化させる前記101の信号線を駆動する。17は出力アンプ、18は出力端子、10はノイズ除去回路である。
【0016】
光電変換セル100の構成は図3と同様で、各列の光電変換セル出力は垂直信号線8に接続され、垂直信号線にはさらに、光電変換セルで発生する、製造バラツキによる雑音を除去するための雑音除去回路10が通常接続される。
【0017】
10のノイズ除去回路は、前記センサーがリセット状態の時の出力と、光入力に応じた信号の出力とを用いて、何らかの差分出力を得るものであることをここでは仮定する。
【0018】
信号線101−1に印加されるパルスによって第一行のセンサーセルが選択され、センサーに入力された光信号に応じた信号(Vsig)が前記垂直信号線8に出力される。出力された信号は水平転送スイッチ16を駆動するパルスによって順次ONすることで、水平信号線19を介して、第一行目のセンサー出力信号は出力アンプ17によって順次得られる。
【0019】
出力アンプ17の入力差動段では、図2の、第2の実施例のように、入力トランジスタのバックゲートがダイオードとバイアス電流源でバイアスされている。
【0020】
以上のような構成とすることで、従来の光電変換装置において問題となっていた1/Fノイズの、主な発生源となるトランジスタを低ノイズ化することが可能になる。
【0021】
【発明の効果】
以上示したように、MOSFETの1/Fノイズを低減するため、そのbody−source間のPN接合を順バイアスにする際、問題となった半導体製造プロセスのバラツキ、接合温度の変化による、該MOSFETの該PN接合のリーク電流の制御性の悪化、該バイアス電圧設定の困難さが、本発明の駆動方法を取ることにより解決される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる第一の実施例で、ソースフォロワーである。
【図2】本発明に係る第2の実施例であり、差動増幅器の入力段を示したものである。
【図3】図1,2で示した実施例を、MOS型光電変換装置に応用したものである。
【図4】光電変換セルが複数、2次元に配置された場合の光電変換装置の1例を示す図である。
【図5】従来のMOSFETを用いた、インピーダンス変換を主な目的にしたソースフォロワーと呼ばれる回路である。
【図6】入力トランジスタにMOSFETを用いた差動増幅器の従来例として、示したものである。
Claims (6)
- 電界効果型トランジスタから生じる1/Fノイズを低減するため、
該トランジスタのBody−source間のPN接合と同等の接合を持つダイオードと、該ダイオードにバイアス電流を与える電流源によって、該電界効果型トランジスタのバックゲートにバイアス電圧を印加することを特徴とするトランジスタ駆動方法。 - 請求項1において、該ダイオードと該電界効果型トランジスタを近接して配置することを特徴とするトランジスタ駆動方法。
- 請求項1における電流源を抵抗で置き換え、該トランジスタのバックゲートを駆動することを特徴とする。
- ペアとなる電界効果型トランジスタを入力トランジスタとして用いた差動増幅器において、該電界効果型トランジスタから生じる1/Fノイズを低減するため、
該トランジスタのBody−source間のPN接合と同等の接合を持つダイオードと、該ダイオードにバイアス電流を与える電流源によって、該電界効果型トランジスタのバックゲートにバイアス電圧を印加することを特徴とするトランジスタ駆動方法。 - 請求項1、4において、該ダイオードのアノードを該トランジスタのバックゲートに、またカソードをソース端子に接続することを特徴とするトランジスタ駆動方法。
- 光信号を信号電荷に変換する光電変換素子と、該信号電荷を受け、信号電圧として増幅、出力するMOS型増幅トランジスタを用いた光電変換素子において、該増幅トランジスタの1/Fノイズを低減するため、該増幅トランジスタのBody−source間のPN接合と同等の接合を持つダイオードと、該ダイオードにバイアス電流を与える電流源によって、該増幅トランジスタのバックゲートにバイアス電圧を印加することを特徴とするトランジスタ駆動方法。
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JP2002328365A JP2004165911A (ja) | 2002-11-12 | 2002-11-12 | トランジスタの駆動方法 |
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CN110134978A (zh) * | 2018-02-02 | 2019-08-16 | 格芯公司 | 背栅调谐电路 |
-
2002
- 2002-11-12 JP JP2002328365A patent/JP2004165911A/ja not_active Withdrawn
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