一種電晶體電阻及其相關方法
2023-08-02 06:54:06
專利名稱：一種電晶體電阻及其相關方法
技術領域：
本發明涉及一種電阻裝置，提高涉及一種電晶體電阻裝置及其方法。
背景技術：
在集成電路(integrated circuit, IC)中，常常需要使用到電阻，而現 有的半導體工藝提供了多種實作電阻的方式。例如,在標準的互補式金屬氧 化物半導體(complimentary metal oxide semiconductor, CM0S)工藝中，提 供了下列幾種電阻珪化多晶矽(silicided polysilicon)、石圭化p+或n+主 動區(active region) 、 n型井(n we 11)和金屬層(metal layer)等，其中， 以n型井的單位面積電阻值最高，大約是lk ohm/square。然而，在某些電 路中，需要使用到非常大的電阻值，如一個3dB帶寬為100kHz的一階濾波器， 若其電容值為10pF，則其所需的電阻值約160k ohm,即使是使用n型井的電 阻，仍會佔用IC非常大的面積。這對於現今的IC講求尺寸小、元件密度高 而言，會造成設計上很大的困擾。
因此，有些IC設計者會將M0S電晶體操作在電阻區(resistive region, 又稱為三極體區(triode region)),以當作電阻來4吏用。如此，雖可得到非 常大的單位面積電阻值，但其很大的缺點是，電阻值會隨著輸入信號而改變， 亦即線性度(1 inear i ty)很差。
發明內容
有鑑於此，本發明的一目的，在於提供一種電晶體電阻及其方法，該晶 體管電阻具有較好的電阻線性度。
本發明的另一目的，在於提供一種電晶體電阻及其方法，該電晶體電阻 可提供大的電阻值。
本發明的另一目的，在於提供一種電晶體電阻及其方法，該電晶體電阻 該電晶體電阻具有較好的電阻線性度以及可提供大的電阻值。依據本發明的一實施例，其揭露一種電晶體電阻，包含 一第一電晶體， ，橾作於電阻區(resistive region),該第一電晶體的漏極與源極分別用於接 收一第一輸入信號與輸出一第一輸出信號；以及一補償電路，用於依據該第 一輸入信號產生一第一補償信號，送入該第一電晶體的一柵極，以使得該第 一電晶體的該柵極與該源極間的電壓差接近一常數。
依據本發明的一 實施例，其揭露一種改良電晶體電阻的線性度的方法， 包含提供一操作於電阻區(resistive region)的一第一電晶體，其中，該 第 一 電晶體的 一漏極與 一源極分別用於接收一輸入信號與輸出 一輸出信號； 以及依據該輸入信號產生一補償信號，送入該第一電晶體的一柵極，以使得 該柵極與該源極間的電壓差接近一常數。
圖1A是本發明的M0S電晶體電阻的一實施例的示意圖。 圖1B是圖1A的偏壓電路的一實施例的電路圖。 圖2是本發明的M0S電晶體電阻用於差動組態的一實施例的示意圖。 圖3是本發明的M0S電晶體電阻的一較佳實施例的示意圖。 圖4是本發明的M0S電晶體電阻的另 一較佳實施例的示意圖。 圖5是依據本發明示出的M0S電晶體電阻的線性度改良方法的一較佳實 施例的流程圖。
附圖符號說明
10、 20、 30、 40:電晶體電阻
11、 21a、 21b、 31、 34、 41a、 41b、 44a、 44b: NM0S電晶體
12、 32:補償電路 13、 23a、 23b:偏壓電路 131: PM0S電晶體 132:電流源
22、 42:差動放大器 33、 43a、 43b:定轉導偏壓電路
51-53:電晶體電阻的線性度改良方法的一較佳實施例流程。
具體實施例方式
本說明書是以MOS電晶體為例，然並不以此為限。圖1A是本發明的晶體 管電阻的一實施例的示意圖。圖中，電晶體電阻IO包含一麗0S電晶體11、 一補償電路12及一偏壓電路13。畫0S電晶體11操作於電阻區，亦即，其柵才及對源極電壓v^需大於臨界電壓(threshold voltage) VT，且漏極對源極電
壓v。s需較小。當NM0S電晶體11搡作於電阻區時，會有一電流i。從其漏極流
入，並從源極流出，且i。與v。s間的關係是
formula see original document page 6 式(l)
其中，K=i~|inC。xf， )in與CM是與材料有關的參數，W與L分別為柵極 2 丄
的寬度與長度。由式(1)可推得NM0S電晶體11的電阻值為
RM0S= vDS/iD= l/[2K(vGS—VT)] 式(2) 如圖1A所示，偏壓電路13提供一偏壓至電晶體11的柵極，使電晶體 11操作於電阻區。當電晶體11的漏極接收一輸入信號時，源極的輸出信號 會與該輸入信號做同相位的改變，如圖中的信號波形所示(在本實施例中，輸 入與輸出信號皆為電壓信號)。然而，由式(2)可知，電晶體11的電阻值IUs 會隨著Ves而變。因此，若柵極電壓維持於偏壓電路13所提供的偏壓不變， Vcs便會隨著輸出信號的變動而漂動，造成IUs的改變。在本實施例中，補償 電路12的目的，即是依據輸入信號，產生與輸入信號同相位(因而亦與輸出 信號同相位)的補償信號，加至電晶體11的柵極，以使Vm接近一常數。如此， 便能使R,接近定值，而改善電阻線性度。請注意，只要補償電路12的信號
增益，可使補償信號具有使Ves接近常數的效果，就可利用任何方式來實作補
償電路12，例如但不限於 一般的非反相放大器(non-inverting amplifier)。 圖1B是偏壓電路13的一實施例的電路圖。圖中，偏壓電路13包含一二 極管連接形式(diode connected)的PM0S電晶體131及一電流源132。晶體 管131的源極、柵極與漏極分別耦接至一電壓源Vdd、電晶體11的柵極與電 流源132。而二極體連接形式，是將電晶體131的柵極與漏極相耦接，如此 可使電晶體131固定操作於飽和區(saturation region,又稱為定電流區 (constant-current region)),亦可l吏電晶體131的柵-極電壓不被鎖定，而 可配合補償信號的加入而變動。
圖2是本發明的電晶體電阻用於差動組態(dif f erenUa 1 conf igurat ion) 的一實施例的示意圖。圖中，電晶體電阻20包含NM0S電晶體21a與21b、 一差動放大器(differential amplif ier) 22及偏壓電路23a與23b。電晶體 21a與21b皆操作於電阻區，其電阻值滿足前述的式(2)。偏壓電路23a與23b 分別提供一偏壓至電晶體21a與21b的柵極，使電晶體21a與21b操作於電 阻區。電晶體21a與21b的漏極分別接收第一與第二輸入信號，其中，第二輸入信號是第一輸入信號的一反相信號，而電晶體21a與21b的源極所分別 輸出的第 一與第二輸出信號會與第 一與第二輸入信號做同相位的改變，如圖 2中的信號波形所示(在本實施例中，所有輸入與輸出信號皆為電壓信號)。 在本實施例中，是以差動放大器22作為補償電路，以依據第一與第二輸入信 號，產生分別與第一、第二輸出信號同相位的第一、第二補償信號，分別加 至電晶體21a與21b的柵極，以使電晶體21a與21b的v^皆能接近常數，而 使電晶體21a與21b的電阻值接近定值。
圖3是本發明的電晶體電阻的一較佳實施例的示意圖。圖中，電晶體電 阻30包含麗0S電晶體31與34、 一補償電路32及一定轉導偏壓(constant transconductance bias, 或稱consta'nt-gm bias)電路33。 電晶體31與34 分別操作於電阻區與飽和區。由於電晶體34操作於飽和區，其漏極電流可表 示為
因此，電晶體34的轉導值即為
gm=| = 2K(VGS-VT) 式(3)
由於電晶體31與34的柵極相接且源極相接，因此，丙者的Vm相等。並 且，在本較佳實施例中，畫0S電晶體31與34的柵極是設計為具有實質相同 的寬度對長度比，且位於同一集成電路(IC)上，因而具有相同的K值及VT值。 在這些條件下，由式(2)與式(3)可推得，電晶體31的電阻值即為電晶體34 的轉導值的倒數。
定轉導偏壓電路33可提供一偏壓電流至電晶體34，以使電晶體34的轉 導值不受溫度、元件工藝及定轉導偏壓電路3 3運作所需的電壓源等因素的影 響。而由於電晶體31的電阻值是電晶體34的轉導值的倒數，因此電晶體31 的電阻值亦可不受前述因素的影響，而更增其可靠度。定轉導偏壓技巧是本 發明所屬技術領域中具通常知識者所習知，此處便不贅述。
圖4示出了本發明的電晶體電阻的另一較佳實施例，其是將圖3的較佳 實施例應用於差動組態。如圖4所示，電晶體電阻40包含電晶體41a、 41b、 44a與44b、 一差動放大器42及定轉導偏壓電路43a與43b。電晶體41a與 41b操作於電阻區，而電晶體44a與44b操作於飽和區。並且，基於前述的 推導，可知電晶體41a與41b的電阻值分別為電晶體44a與44b的轉導值的倒數。在本較佳實施例中，是以差動放大器42作為補償電路，以依據第一與 第二輸入信號(兩者互為反相)，產生分別與第一、第二輸出信號同相位的第 一、第二補償信號，分別加至電晶體41a與41b的柵極，以使電晶體41a與 41b的v。s皆能接近常數，而使電晶體41a與41b的電阻值接近定值。再者， 定轉導偏壓電路43a與43b可分別使電晶體44a與44b的轉導值不受溫度、 元件工藝及偏壓電路的電壓源等因素的影響，連帶使電晶體41a與41b的電 阻值亦可不受這些因素的影響，而更增可靠度。
在前述第1A、 2、 3、 4圖中，亦可不用麗OS電晶體，而以PMOS電晶體 來實施本發明的M0S電晶體電阻。此是本發明所屬技術領域中具通常知識者 可輕易思及，此處便不多敘述。
圖5是依據本發明示出的M0S電晶體電阻的線性度改良方法的一較佳實 施例的流程圖。如圖所示，此流程包含下列步驟
步驟51:提供一操作於電阻區的第一MOS電晶體，其中，該第一M0S晶 體管的漏極與源極分別用於接收一輸入信號與輸出 一輸出信號；
步驟52:提供一操作於飽和區的第三MOS電晶體，其中，該第三M0S晶 體管的柵極與源極分別與第一MOS電晶體的柵極與源極相耦接；以及
步驟53:依據該輸入信號產生一補償信號，送入第一M0S電晶體的柵極， 以使得第一 M0S電晶體的柵極與源極間的電壓差接近一常數。
以上所述是利用較佳實施例詳細說明本發明，而非限制本發明的範圍。 大凡熟知此類技藝人士皆能明了，適當而作些微的改變及調整，仍將不失本 發明的要義所在，亦不脫離本發明的精神和範圍。
權利要求
1. 一種電晶體電阻，包含一第一電晶體，操作於電阻區，該第一電晶體的漏極與源極分別用於接收一第一輸入信號與輸出一第一輸出信號；以及一補償電路，用於依據該第一輸入信號產生一第一補償信號，送入該第一電晶體的柵極，以使得該第一電晶體的該柵極與該源極間的電壓差接近一常數。
2. 如權利要求1所述的電晶體電阻，其中，該第一補償信號的變動與該第一輸出信號的變動相對應。
3. 如權利要求2所述的電晶體電阻，其中，該第一補償信號與該第一輸出信號是同相位的電壓信號。
4. 如權利要求1所述的電晶體電阻，更包含 一偏壓電路，用於對該第一電晶體進行偏壓。
5. 如權利要求4所述的電晶體電阻，其中，該偏壓電路包含耦接至該第 一電晶體的一二極體連接形式的電晶體。
6. 如權利要求1所述的電晶體電阻，更包含一第二電晶體，操作於電阻區，該第二電晶體的漏極與源極分別用於接 收一第二輸入信號與輸出一第二輸出信號，其中，該第二輸入信號是該第一輸入信號的一反相信號。
7. 如權利要求6所述的電晶體電阻，其中，該補償電路依據該第一輸入信號與該第二輸入信號產生該第一補償信號與一第二補償信號，其中，該第 二補償信號是該第 一補償信號的 一反相信號，且被送入該第二電晶體的柵極， 以使得該第二電晶體的該柵極與該源極間的電壓差接近一常數。
8. 如權利要求7所述的電晶體電阻，其中，該補償電路是一差動放大器。
9. 如權利要求1所述的電晶體電阻，更包含一第二電晶體，操作於飽和區，該第二電晶體的柵極與源極分別與該第 一電晶體的該柵極與該源極相耦接。
10. 如權利要求9所述的電晶體電阻，其中，該第一與第二電晶體是在同 一集成電路上。
11. 如權利要求9所述的電晶體電阻，其中，該第一與第二電晶體的柵極具有實質相同的寬度對長度比。
12. 如權利要求9所述的電晶體電阻，更包含 一定轉導偏壓電路，用於對該第二電晶體進行定轉導偏壓。
13. —種改良電晶體電阻的線性度的方法，包含提供一操作於電阻區的一第一電晶體，其中，該第一電晶體的漏極與源 極分別用於接收一輸入信號與輸出一輸出信號；以及依據該輸入信號產生一補償信號，送入該第一電晶體的一柵極，以使得 該柵極與該源極間的電壓差接近一常數。
14. 如權利要求13所述的方法，其中，該補償信號的變動與該輸出信號 的變動相對應。
15. 如權利要求13所述的方法，其中，該補償信號與該輸入信號是同相 位的電壓信號。
16. 如權利要求13所述的方法，更包含提供一操作於飽和區的一第二電晶體，其中，該第二電晶體的柵極與源 極分別與該第 一電晶體的該柵極與該源極相耦接。
17. 如權利要求16所述的方法，其中，該第一與第二電晶體的柵極具有 實質相同的寬度對長度比。
18. 如權利要求16所述的方法，更包含 該第二電晶體進行定轉導偏壓。
全文摘要
一種電晶體電阻及其相關方法，其是將一電晶體操作於電阻區，且其漏極與源極分別接收一輸入信號與輸出一輸出信號，再利用一補償電路，其可依據該輸入信號產生一補償信號，以送入該電晶體的柵極，使得該電晶體的柵極與源極間的電壓差接近一常數以改善電晶體電阻的電阻線性度。
文檔編號H01C13/00GK101414810SQ200710180260
公開日2009年4月22日 申請日期2007年10月16日 優先權日2007年10月16日
發明者林尹堯 申請人:瑞昱半導體股份有限公司