TW202138952A - 製程與溫度追蹤參考負載及其方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提出一種參考負載包含一電阻負載與一電晶體負載的一並聯結構，該電阻負載包含一電阻，該電晶體負載包含複數個電晶體，其中該電阻負載的一溫度係數為正，該電晶體負載的一溫度係數為負。

Description

製程與溫度追蹤參考負載及其方法
本揭露大體上是關於一參考負載，尤其是關於一電路與方法用來適應性地決定一參考負載的溫度係數。
本領域具有通常知識者能夠瞭解本揭露所使用的用語，像是CMOS（互補式金氧半導體）、NMOS（n通道金氧半導體）電晶體、PMOS（p通道金氧半導體）電晶體，並能瞭解用於電子電路的基本觀念，像是電壓、電流、負載、反相器、電阻、阻值、開關、邏輯訊號、電流鏡以及比較器。本領域具有通常知識者能夠辨識一電阻符號、一接地符號、一PMOS電晶體符號以及一NMOS電晶體符號，並能識別一PMOS電晶體或一NMOS電晶體的源極、閘極與汲極。本領域具有通常知識者能夠理解一電路圖包含電阻、NMOS電晶體與PMOS電晶體，而無需冗餘的說明用來解釋圖中的一電晶體是如何連接到另一電晶體。本領域具有通常知識者也能瞭解各種單位像是℃（攝氏度數）、微米
Figure 02_image001
、奈米（nm）以及千歐姆（KOhm; Kilo-Ohm）。類似這些的用語與基本觀念從先前技術文件（例如：類比CMOS晶體電路的設計（Behzad Razavi, McGraw-Hill, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”, ISBN 0-07-118839-8），此文件反映出本領域具有通常知識者的理解力）就可獲悉，因此本說明書在此不予詳述。
一個以CMOS（互補式金氧半導體）製程技術所生產的電路（例如：反相器）的速度通常高度相依於PVT（生產製程、供應電壓與接面溫度）。相較於（生產）製程與（接面）溫度，該供應電壓相對地容易被控制，因此，電路設計者通常選擇調整該電路的供應電壓，以維持該電路所需的速度。為了建立一穩定的供應電壓，一電壓調節器（voltage regulator）常被使用，其中該供應電壓是以一閉迴路的方式被控制，以追蹤一參考電壓。上例中，電路設計者可選擇依據製程與溫度來調整該參考電壓，藉此因應製程與溫度的變化，從而提供給該電路的供應電壓可被調整，以維持一所需的速度。
一參考電壓的建立通常會使用一參考負載，其中一參考電流IREF 被接收，並被轉換為一參考電壓VREF 。如圖1A所示，一先前技術的參考負載110包含一NMOS電晶體111與一PMOS電晶體112，該二電晶體堆疊在一起並以一二極體連接型態（diode-connect topology）被配置。所謂「二極體連接」為本領域的通常知識，故本說明書在此不予詳述。作為一範例，一28奈米CMOS製程被採用，NMOS電晶體111的寬度/長度（width/length）為
Figure 02_image003
，PMOS電晶體112的寬度/長度為
Figure 02_image005
該參考電流IREF 的標稱值（nominal value）為
Figure 02_image007
，該參考電壓VREF 在42.5℃下的標稱值為850mv。
如圖1B所示，一替代的參考負載120（其被揭露於美國專利10,222,818中）包含二NMOS電晶體121與122以及二PMOS電晶體123與124。作為一範例，NMOS電晶體121的寬度/長度為
Figure 02_image003
，NMOS電晶體122的寬度/長度為
Figure 02_image009
PMOS電晶體123的寬度/長度為
Figure 02_image011
，PMOS電晶體124的寬度/長度為
Figure 02_image003
，該參考電流IREF 的標稱值為
Figure 02_image013
該參考電壓VREF 在42.5℃下的標稱值為850mV。對二參考負載110與120而言，IREF 與VREF 之間的關係高度相依於溫度。圖1C顯示一曲線表示VREF 之值（V(mv)）與溫度（temp(C)）之間的關係，其中單位“C”代表攝氏溫度的單位℃；對於參考負載110而言，當IREF 被固定在
Figure 02_image007
時，VREF 在42.5℃（M22）下為850mV；當溫度降至-40℃（M24）時，VREF 會升至946mV；當溫度升至125℃（M23）時，VREF 會降至762mV。
圖1D顯示一曲線表示VREF 之值與溫度之間的關係；對於參考負載120而言，當IREF 被固定在
Figure 02_image015
時，VREF 在42.5℃（M19）下為850mV；當溫度降至-40℃（M20）時，VREF 會升至941mV；當溫度升至125℃（M21）時，VREF 會降至770mV。當溫度上升（下降），一電路通常變得較慢（快），因此它需要較高（較低）的參考電壓以維持相同速度。上述需求可藉由使用一參考電流（一固定轉導（constant-gm）電流或一PTAT（與絕對溫度成比例的）電流）來達成，其中該參考電流單純地因為溫度上升而增加。另一方面，若該參考電流IREF 為定值，參考負載110與120都具有一負溫度係數，其中VREF 隨著溫度上升而下降。雖然使用該固定轉導電流或該PTAT電流能夠在溫度上升時使該參考電壓變高，但該負溫度係數仍會稍微減損電流的增加。
據上所述，本領域需要一種方法用來適應性地決定一參考負載的溫度係數。
依據本揭露的一實施例，一參考負載包含一電阻負載與一電晶體負載的一並聯結構，該電阻負載包含一電阻，該電晶體負載包含複數個電晶體，其中該電阻負載的一溫度係數為正，以及該電晶體負載的一溫度係數為負。本實施例中，該電阻負載的阻值是依據該阻值與該電晶體負載的阻值之間的比較而被校準。
依據本揭露的一實施例，一校準電路包含：一電阻負載，包含一可調電阻受控於一控制訊號，用來接收一第一電流並據以建立一第一電壓；一電晶體負載，包含複數個電晶體，用來接收一第二電流並據以建立一第二電壓；一比較器，用來依據該第一電壓與該第二電壓之間的比較結果輸出一邏輯訊號；以及一有限狀態機，用來接收該邏輯訊號並輸出該控制訊號。
依據本揭露的一實施例，一方法包含：藉由使用一電阻負載與一電晶體負載的一並聯結構，建立一可控溫度係數的負載（a load of conditioned temperature coefficient），其中該電阻負載包含一電阻，該電晶體負載包含複數個電晶體，該電阻負載的一溫度係數為正，以及該電晶體負載的一溫度係數為負。本實施例中，該電阻負載的阻值是依據該阻值與該電晶體負載的阻值之間的比較而被校準。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
本揭露是針對參考負載。儘管本說明書揭示了本揭露的多個實施例可視為實施本發明的較佳範例，但本發明可藉由多種方式被實施，不限於後述的特定範例，也不限於用來實現該些特定範例之技術特徵的特定方式。在其它例子中，本領域人士所熟知的細節未被顯示或說明，以避免妨礙呈現本揭露之觀點。
本揭露的表達是基於工程上的觀點。舉例來說，「X等於Y」表示「X與Y之間的差異小於一特定的工程誤差」；「X甚小於Y」表示「X除以Y所得到的值小於一工程誤差」；以及「X為零」表示「X小於一特定的工程誤差」。
本揭露中，一邏輯訊號是一電壓，該電壓可處於一高電壓狀態或一低電壓狀態；一開關是一受控於一邏輯訊號的裝置，其中當該邏輯訊號處於一高電壓狀態時，該開關近似於一短路的電路；當該邏輯訊號處於一低電壓狀態時，該開關近似於一開路的電路。為了讓說明簡潔，「該邏輯訊號X為高（低）」表示「該邏輯訊號X處於一高電壓狀態（低電壓狀態）」。
圖2依據本揭露的一實施例顯示一參考負載200的示意圖。參考負載200包含一電阻負載（Resistor load）210與一電晶體負載（Transistor load）220的並聯結構。電阻負載210包含一電阻211。電晶體負載220包含二NMOS電晶體221與222以及二PMOS電晶體223與224。電晶體負載220同於圖1B所示的參考負載120，且已詳述於美國專利10,222,818中，故本說明書在此不予贅述。作為一非限制性的範例，參考負載200的製造是使用一28奈米CMOS製程；電阻211的阻值為26.6KOhm；NMOS電晶體221的寬度/長度為
Figure 02_image003
；NMOS電晶體222的寬度/長度為
Figure 02_image011
；PMOS電晶體223的寬度/長度為
Figure 02_image011
；PMOS電晶體224的寬度/長度為
Figure 02_image003
；IREF 的標稱值為
Figure 02_image017
；VREF 在42.5℃時的標稱值為850mV。當IREF 固定為
Figure 02_image017
時，VREF 之值對溫度的曲線如圖3A所示。
如圖3A所示，VREF 在42.5℃（M16）時的標稱值為850mV；當溫度降至-40℃（M18）時，VREF 升至908mV；當溫度升至125℃（M17）時，VREF 降至802mV。雖然它仍具有一負溫度係數，該電壓隨溫度變化的程度遠少於圖1A之參考負載110與圖1B之參考負載120的例子。電阻負載210的溫度係數可藉由下述方式來定性（characterized）：移除電晶體負載220與調整參考電流IREF ，以使VREF 在42.5℃仍舊是850mV；接著變化溫度以觀察VREF 是如何據以變化。當電晶體負載220被移除且IREF 被固定為
Figure 02_image019
時，VREF 之值對溫度的曲線如圖3B所示。
如圖3B所示，VREF 在42.5℃（M4）時的標稱值為850mV；當溫度降至-40℃（M5）時，VREF 降至767mV；當溫度升至125℃（M6）時，VREF 升至939mV，因此，電阻負載210具有一正溫度係數。另一方面，電晶體負載220同於圖1B的參考負載120，具有一負溫度係數。因此，在溫度相依性方面，電阻負載210補償了電晶體負載220。藉由調整電阻負載210的阻值，參考負載200的溫度係數可被調整。電阻負載210之較小的（較大的）阻值會讓電阻負載210產生較多的（較少的）顯著影響，並使參考負載200的溫度係數傾向正（負）溫度係數的方向。
於一實施例中，電阻211為一可調電阻具有一可調阻值。圖4依據本揭露的一實施例顯示一可調電阻400的一實施例。可調電阻400包含複數個開關電阻單元410、420、430…等等的並聯結構，該些開關電阻單元分別受控於複數個邏輯訊號C1 、C2 、C3 …等等。上述複數個邏輯訊號整體而言是來自一控制訊號。開關電阻單元410（420、430）包含一電阻411（421、431），並包含一開關412（422、432）受控於C1 （C2 、C3 ）。當C1 （C2 、C3 ）為高，開關412（422、432）被開啟，且開關電阻單元410（420、430）的阻值大約等於電阻411（421、431）的阻值。當C1 （C2 、C3 ）為低，開關412（422、432）被關閉，且開關電阻單元410（420、430）大約相當於一開路的電路。
藉由改變邏輯訊號C1 、C2 、C3 等等其中之一的值，可調電阻400的阻值可被調整。由於這對本領域具有通常知識者而言是顯而易知的，因此冗餘的解釋應非必要。於一實施例中，電阻411、421、431等等都是相同的；此例中，當C1 、C2 、C3 等等中更多（更少）的邏輯訊號被設為高，可調電阻400具有較小的（較大的）阻值，且該控制訊號的增量（減量）會導致可調電阻400之阻值的減少（增加），該控制訊號的增量（減量）發生在當C1 、C2 、C3 等等其中之一由低（高）轉高（低）時。
於一實施例中，電阻負載210的阻值是依據該阻值與電晶體負載220的阻值之間的比較結果而被調整。圖5依據本揭露的一實施例顯示一校準電路500的功能方塊圖。校準電路500包含一電阻負載（Resistor load）510、一電晶體負載（Transistor load）520、一比較器（comparator）530以及一有限狀態機（FSM）540。電阻負載510可為電阻負載210的一複製品；或者若一就地校準（in-situ calibration）被執行時，電阻負載510可為電阻負載210本身。同樣地，電晶體負載520可為電晶體負載220的一複製品；或者若一就地校準被執行時，電晶體負載520可為電晶體負載220本身。電阻負載510與電晶體負載520並非被配置成並聯連接型態，而是分開地接收一第一電流I1 與一第二電流I2 ，從而分別地建立一第一電壓V1 與一第二電壓V2 。比較器530比較該第一電壓V1 與該第二電壓V2 ，並輸出一邏輯訊號DEC 指出該第一電壓V1 是否高於該第二電壓V2 。有限狀態機540接收該邏輯訊號DEC ，並輸出一控制訊號CTL 以調整電阻負載510。該控制訊號CTL 之值的增加（減少）會導致電阻負載510之阻值的減少（增加）。
舉例而言，當圖4的可調電阻400用來實現電阻負載510時，該控制訊號CTL 為該些邏輯訊號C1 、C2 、C3 等等的集合，該控制訊號CTL 之值的增加（減少）是藉由將C1 、C2 、C3 等等其中之一從低（高）翻轉至高（低）而實現。若該邏輯訊號DEC 指出該第一電壓V1 高於（低於）該第二電壓V2 ，有限狀態機540會增加（減少）該控制訊號CTL 之值，以降低（提高）電阻負載510的阻值。因此，電阻負載510的阻值被調整，以令該阻值趨近等於電晶體負載520之阻值乘以一因數，該因數是依I2 /I1 而定，I2 /I1 為該第二電流I2 與該第一電流I1 之間的比例。舉例而言，若I1 為I2 的三倍，電阻負載510的阻值會被調整，以令該阻值趨近於電晶體負載520之阻值的三分之一，此作法可藉由歐姆定律來證實，歐姆定律為本領域具有通常知識者所熟知。
於一實施例中，校準電路500進一步包含一溫度檢測器（未顯示於圖5），其量測一溫度，且該第一電流I1 與該第二電流I2 是基於該溫度以及依據一查找表（look-up table）（未顯示於圖5）而被縮放。在一較高的（較低的）溫度下，隨著電阻負載510的阻值較高（較低），I2 /I1 之值為該查找表中較大的（較小的）值。藉由上述方式，電阻負載510的阻值會被調整，以令該阻值趨近等於電晶體負載520的阻值乘以一縮放因數，該縮放因數是依據該溫度而設定。藉由使用一電流鏡架構，一電流像是I1 或I2 可以被調整，由於電流鏡為習知技術，因此本說明書在此不予詳述。比較器、溫度檢測器、有限狀態機以及查找表同樣為本領域具有通常知識者所熟知，因此本說明書在此不予詳述。
若電阻負載510為電阻負載210的複製品，校準電路500的控制訊號CTL 是用來控制電阻負載210。
於一實施例中，該參考電流IREF 為一固定轉導（constant-gm）電流，其為習知技術，因此本說明書不予詳述。於另一實施例中，該參考電流IREF 為一PTAT（與絕對溫度成比例的（proportional to absolute temperature））電流，其同樣為習知技術，因此本說明書不予詳述。固定轉導電流與PTAT電流都可藉由電流鏡架構來縮放，由於電流鏡架構為習知技術，故本說明書不予詳述。
於一替代實施例中，電晶體負載210被參考負載110取代，參考負載110包含一NMOS電晶體與一PMOS電晶體堆疊在一起，且該二電晶體按一二極體連接型態（diode-connect topology）而被配置。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
110:參考負載 111:NMOS電晶體 112:PMOS電晶體IREF :參考電流VREF :參考電壓 120:參考負載 121:NMOS電晶體 122:NMOS電晶體 123:PMOS電晶體 124:PMOS電晶體 200:參考負載 210:電阻負載（Resistor load） 220:電晶體負載（Transistor load） 211:電阻 221:NMOS電晶體 222:NMOS電晶體 223:PMOS電晶體 224:PMOS電晶體IREF :參考電流VREF :參考電壓 400:可調電阻 410、420、430:開關電阻單元C1 、C2 、C3 :邏輯訊號 411、421、431:電阻 412、422、432:開關 500:校準電路 510:電阻負載（Resistor load） 520:電晶體負載（Transistor load） 530:比較器（comparator） 540:有限狀態機（FSM）I1 :第一電流I2 :第二電流V1 :第一電壓V2 :第二電壓DEC :邏輯訊號CTL :控制訊號
［圖1A］顯示一先前技術之參考負載的示意圖； ［圖1B］顯示另一先前技術之參考負載的示意圖； ［圖1C］顯示圖1A之參考負載的電壓對溫度的曲線； ［圖1D］顯示圖1B之參考負載的電壓對溫度的曲線； ［圖2］依據本揭露的一實施例顯示一參考負載的示意圖； ［圖3A］顯示圖2之參考負載的電壓對溫度的曲線； ［圖3B］顯示圖2之參考負載中該電阻負載的電壓對溫度的曲線； ［圖4］顯示一可調電阻可作為圖2之參考負載的電阻負載；以及 ［圖5］依據本揭露的一實施例顯示一校準電路的功能方塊圖。
200:參考負載
210:電阻負載(Resistor load)
220:電晶體負載(Transistor load)
211:電阻
221:NMOS電晶體
222:NMOS電晶體
223:PMOS電晶體
224:PMOS電晶體
I REF :參考電流
V REF :參考電壓

Claims (10)

  1. 一種校準電路，包含： 一電阻負載，包含一可調電阻受控於一控制訊號，用來接收一第一電流並據以建立一第一電壓； 一電晶體負載，包含複數個電晶體，用來接收一第二電流並據以建立一第二電壓； 一比較器，用來依據該第一電壓與該第二電壓之間的一比較結果輸出一邏輯訊號；以及 一有限狀態機，用來接收該邏輯訊號並輸出該控制訊號。
  2. 如請求項1之校準電路，進一步包含：一溫度檢測器，用來檢測一溫度。
  3. 如請求項2之校準電路，其中該第一電流與該第二電流之間的一比例是依據該溫度而定。
  4. 一種參考負載，包含：一電阻負載與一電晶體負載的一並聯結構，該電阻負載包含一電阻，該電晶體負載包含複數個電晶體，其中該電阻負載的一溫度係數為正，以及該電晶體負載的一溫度係數為負。
  5. 如請求項4之參考負載，其中該電晶體負載包含一第一PMOS（p通道金氧半導體）電晶體、一第一NMOS（n通道金氧半導體）電晶體、一第二PMOS電晶體以及一第二NMOS電晶體，其中： 該第一PMOS電晶體的一源極、一閘極與一汲極分別連接至一第一節點、一第二節點與一第三節點； 該第一NMOS電晶體的一源極、一閘極與一汲極分別連接至一第四節點、該第三節點與該第二節點； 該第二PMOS電晶體的一源極、一閘極與一汲極分別連接至該第三節點、該第四節點與該第二節點；以及 該第二NMOS電晶體的一源極、一閘極與一汲極分別連接至該第二節點、該第一節點與該第三節點。
  6. 如請求項4之參考負載，其中該電晶體負載包含一NMOS（n通道金氧半導體）電晶體與一PMOS（p通道金氧半導體）電晶體，該NMOS電晶體與該PMOS電晶體堆疊在一起（stacked），並按一二極體連接型態（diode-connect topology）而被配置。
  7. 如請求項4之參考負載，其中該電阻是可調的。
  8. 如請求項7之參考負載，其中該電阻被調整以具有一阻值趨近於該電晶體負載的一阻值乘以一縮放因數（scaling factor）。
  9. 如請求項7之參考負載，其中該參考負載用來接收一參考電流並據以建立一參考電壓。
  10. 如請求項9之參考負載，其中該參考電流為一固定轉導（constant-gm）電流或一PTAT（與絕對溫度成比例的）電流。
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