專利名稱：用于連續(xù)時(shí)間信號(hào)處理應(yīng)用中的集成電阻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及晶體管的應(yīng)用，用于在集成電路上產(chǎn)生一個(gè)高阻值電阻以應(yīng)用在低帶通濾波器中和在其它模擬信號(hào)處理應(yīng)用中。
為了抑制成本和降低復(fù)雜性，模擬電路設(shè)計(jì)的目的是在集成電路芯片上實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)上由分立元件所執(zhí)行的模擬功能。在許多模擬系統(tǒng)中的模擬信號(hào)處理功能是一個(gè)低通濾波器。低通濾波器接收一個(gè)具有一系列頻率分量的輸入信號(hào)，從信號(hào)中濾掉高頻分量，并只允許低頻分量通過。


圖1和圖2示出現(xiàn)有技術(shù)中兩個(gè)低通濾波器實(shí)施例。圖1圖解了用一個(gè)積分裝置實(shí)現(xiàn)的一個(gè)時(shí)間連續(xù)的低通濾波器。一個(gè)輸入信號(hào)從在Vin輸入到濾波器，由電阻，電容器和運(yùn)算放大器進(jìn)行積分，并在Vout輸出積分輸出信號(hào)。根據(jù)下述公式選取圖1中R和C的值來設(shè)置確定低通濾波器頻率響應(yīng)的低頻極點(diǎn)(fo)fo=12πRCHz]]>嘗試在集成電路(“IC”)芯片上實(shí)現(xiàn)圖1所示的電路。由于10kΩ左右的電阻是在一個(gè)IC芯片上使用無源電阻實(shí)際上能實(shí)現(xiàn)的最大值，所以實(shí)現(xiàn)仍是一個(gè)問題。這個(gè)最大值并不是絕對(duì)的，而是由使用的處理技術(shù)和需要制作電阻的芯片面積所限定。因?yàn)?0kΩ是一個(gè)相對(duì)很小的值，為設(shè)置在1和10Khz之間理想范圍內(nèi)低通濾波的低頻極點(diǎn)，電容器值必須在大約1.5和15毫微法之間。這些電容值太大以致于在一個(gè)IC芯片上不能實(shí)際實(shí)現(xiàn)。因此，必須使用芯片外電容器以產(chǎn)生圖1中C的電容量，導(dǎo)致IC芯片至少兩個(gè)輸入/輸出(I/O)管腳的喪失，因這些管腳必須與該電容器的端部相連接。另外，將一個(gè)外部電容器連接到圖1的濾波器電路所需的I/O管腳和芯片外接線作為將相當(dāng)大量的高頻印刷電路板或模塊噪音耦合回濾波器電路的天線，這樣降低了該濾波電路的功效。
圖2示出了一個(gè)低通濾波器的開關(guān)式電容器裝置。在這個(gè)線路接法中，一個(gè)連續(xù)時(shí)間的電阻器由電容器C1周圍的時(shí)鐘控制的開關(guān)模擬，時(shí)鐘相位φ1和φ2在一個(gè)特有的頻率下產(chǎn)生并一般不相重疊。選取時(shí)鐘頻率和C1、C2的值以得到希望的由下式確定的低頻極點(diǎn)，其中T為時(shí)鐘周期fo=C1TC2]]>當(dāng)在集成電路上實(shí)現(xiàn)時(shí)開關(guān)電容器技術(shù)有許多缺陷。首先，時(shí)鐘在芯片外部形成而且必須引入到芯片上。因此，需要額外的I/O管腳。時(shí)鐘信號(hào)線本身將插件板或模塊的高頻噪聲耦合到濾波電路從而降低了低通濾波器的效用。其次，為了使開關(guān)電路的電容電路工作正常，時(shí)鐘信號(hào)頻率必須比輸入信號(hào)的高頻分量大許多。這種依賴于輸入信號(hào)的有意義的頻率是不切實(shí)際的。最后，在開關(guān)電容電路中需要額外的用于假頻的低通濾波器電路。
需要一個(gè)高阻值有源器件電阻器應(yīng)用在低帶通濾波器和其它模擬信號(hào)處理應(yīng)用中，以使得這些模擬信號(hào)處理應(yīng)用能夠在一個(gè)IC芯片上完全實(shí)現(xiàn)。
提供一個(gè)理想地用在低帶通濾波器或其它信號(hào)處理應(yīng)用中的高阻值電阻的一種電路和方法。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，有源器件電路包括第一和第二晶體三極管，每個(gè)含有一個(gè)柵極、一個(gè)源極和一個(gè)漏極。晶體三極管的源極電壓隨著輸入端的輸入信號(hào)電壓而改變，并且一個(gè)電流源限定柵極為跨接第一和第二晶體三極管的源極電壓，從而在與第二個(gè)晶體三極管的漏極相連的一個(gè)輸出端產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，該第二個(gè)晶體三極管具有一個(gè)基于在第二個(gè)晶體三極管的漏極和源極的電阻的所希望的輸出電阻值。
本發(fā)明將結(jié)合附圖和詳細(xì)說明更全面地描述。
圖1描述現(xiàn)有技術(shù)中積分式時(shí)間連續(xù)的濾波器。
圖2描述現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)開關(guān)電容濾波器。
圖3描述根據(jù)本發(fā)明的原理，在跨接晶體管源極和漏極之間產(chǎn)生一個(gè)高值等效電阻的第一種電路。
圖4描述根據(jù)本發(fā)明的原理，在跨接晶體管源極和漏極之間產(chǎn)生一個(gè)高值等效電阻的第二種電路。
圖5描述了圖3中的電路，它包括一個(gè)用于改善高頻電路總電阻的第三個(gè)晶體管。
圖6描述形成低通濾波器的前端的圖5中的阻性電路。
圖7說明現(xiàn)有技術(shù)中的一種衰減器電路。
圖8示出現(xiàn)有技術(shù)中另一種衰減器電路。
圖9示出包括根據(jù)本發(fā)明的圖3,4和5中的一個(gè)有源電阻裝置的一個(gè)壓控振蕩器(VCO)。
圖10示出一個(gè)包括用于參考電壓輸出濾波的一個(gè)輸出電容的一個(gè)有源器件電阻的實(shí)施例。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)電路2。電路2包括一個(gè)輸入端10，一個(gè)輸出端20，兩個(gè)P型場(chǎng)效應(yīng)晶體三極管12和14和兩個(gè)受控電流源16和18。電路2在晶體三極管14的輸入端和輸出端之間產(chǎn)生一個(gè)高值等效電阻。
圖3中所示的電路2中的晶體三極管12和14各含有一個(gè)柵極(12a和14a)，一個(gè)源極(12b和14b)和一個(gè)漏極(12c和14c)。輸入端10分別與晶體管12和14的源極12b和14b相連接。晶體管12的漏極12c和柵極12a連接在一起并再連接到受控電流源18和晶體管14的柵極14a上。另一個(gè)受控電流源16分別與晶體管12和14的源極12b和14b相連接。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，受控電流源16和18產(chǎn)生幾乎同樣大小的直流電流。該直流電流和晶體管12和14的各參數(shù)限制電路2的工作。這些限制條件由下列公式說明公式1金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)三極管公式IDS=K′WL((VGS-VT)VDS-12V2DS)]]>公式2過驅(qū)動(dòng)電壓VOD=VGS-VT公式3假設(shè)晶體管14的運(yùn)行點(diǎn)VDS(14)=0公式4晶體管12和14之間的匹配門檻值VT(12)=VT(14)公式5柵極至源極的電壓等于VGS(12)=VGS(14)
公式6電阻Req1Req=∂IDC∂VDS=K′WL(VGS-VT-VDS)]]>公式7晶體管141Req=∂IDC(14)∂VDS(14)=K′W(14)L(14)(VGS(14)-VT(14)-VDS(14))]]>公式8將公式3,4,5代入公式71Req=K′W(14)L(14)(VGS(12)-VT(12))]]>公式9將公式2代入公式8并取倒數(shù)Req=1K′W(14)L(14)VOD(12)]]>上面公式9表示晶體管14的漏極14c和漏極14b之間的等效電阻Req是晶體管12的過驅(qū)動(dòng)電壓VOD的函數(shù)，VOD由為電流源16和18選取的直流電流和K’值及晶體管12的寬度(“W”)和長(zhǎng)度(“L”)所決定，因此，對(duì)于一個(gè)特定信號(hào)處理應(yīng)用，可以選取上述各值以選擇一個(gè)適宜的電阻Req。利用這個(gè)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以得到大于1兆歐的電阻值Req。這大約是在集成電路(“IC”)芯片上實(shí)際上可得到的無源電阻值的100倍。相反，如果需要，可以通過將晶體管14設(shè)計(jì)為大數(shù)值的W，小數(shù)值的L和通過增大電流源16和18的源電流來使Req設(shè)計(jì)為相當(dāng)?shù)偷闹怠?br> 雖然圖3中的晶體管12和14被表示為P型晶體管，通過將晶體管12和14替換為n型晶體管可得到相同的功能。對(duì)于n型晶體管12和14，除了低壓端17和高壓端19的位置顛倒以外電路是相同的。受控電流源16和18實(shí)現(xiàn)了對(duì)IC芯片關(guān)或開的功能，受控電流源16和18最好是在IC芯片上利用一種眾所周知的帶隙(band gap)電流源。
圖4示出本發(fā)明的另一種實(shí)施例。電路40包括一個(gè)受控電流源48和兩個(gè)P型晶體管44和46。每個(gè)晶體管包括分別為如圖4中所指明的a、b和c的一個(gè)柵極、一個(gè)源極，和一個(gè)漏極。受控電流源48分別與晶體管44和46的源極44b和46b相連接。晶體管44和46的柵極44a和46a連接在一起并連接到一個(gè)輸入電壓源43。輸出電壓端47與晶體管46的漏極46c相連接。晶體管44的漏極44c與低電壓電源端相連接。
電路40的工作原理與圖3中的電路2相同。然而，電路40的輸出電壓從輸入信號(hào)電壓向上偏移了一個(gè)電壓閾值(VT)。當(dāng)輸入電壓42由一個(gè)高阻抗源產(chǎn)生時(shí)電路40比電路2更有利于使用。當(dāng)圖3中電路2由一個(gè)高阻抗源激勵(lì)時(shí)，受控電流源16和18之間的任何不匹配都會(huì)影響輸入信號(hào)的電壓電平并使得有源電阻電路2效用減弱。這種情況在輸入信號(hào)分別到達(dá)晶體管44和46的高阻抗柵極44a和46a的圖4中的電路40中不會(huì)出現(xiàn)。
在圖4的實(shí)施例中，晶體管為P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。每個(gè)P型晶體管的殼體可以被連接到相同電位以作為源極44a和46a或最好是將殼體連接到高電壓供電端51。在另一實(shí)施例中，晶體管為n型晶體管，其中晶體管44的漏極44c連接到高電壓源端51而不是如圖4所示的低電壓源端49。n型晶體管典型地接法是將殼體連接到低電壓源端。
圖5還描述了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。所描述的電路60與圖3中的電路2相同只是帶有附加的第三個(gè)P型晶體管62。晶體管62的源極62b與晶體管14的漏極14c相連接。柵極62a與低電壓源端相連接，并且漏極62c與輸出端64相連接。晶體管62通過柵極62a與接地端的連接偏置成“開”位置。當(dāng)晶體管14的漏極14c和源極14b開始短路，Req低阻時(shí)，晶體管62大大增強(qiáng)了高頻時(shí)輸入端10與輸出端64之間的整個(gè)電阻。
圖6描述了提供作為低通濾波器100前端的電路60。該低通濾波器100包括有源電阻電路60，一個(gè)電容器102，一個(gè)運(yùn)算放大器104，和一個(gè)衰減器106。電容器102一端與晶體管62的漏極62c相連接并與運(yùn)算放大器104的反相輸入端104a相連接。電容器的另一端與運(yùn)算放大器104的輸出端104c相連并與衰減器106的輸入端相連接。運(yùn)算放大器的同相輸入端104b與低電壓源端相連并且其輸出端104c與衰減器106的輸入端相連接。衰減器106的輸出端連接到一個(gè)輸出端108。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，低通濾波器100在一個(gè)集成電路中實(shí)現(xiàn)并且電路60設(shè)計(jì)成在輸入端10與運(yùn)算放大器的反相輸入端104a之間存在一個(gè)高值電阻(大約1兆歐)。這使得IC芯片上的低通濾波器100中的電容器102具有15至150PF的電容值。并且能產(chǎn)生一個(gè)適宜低通濾波器應(yīng)用的低頻極點(diǎn)。電路60，電容器102和運(yùn)算放大器104在一個(gè)積分電路配置中形成低通濾波器100。衰減器106用于減小低通濾波器100的增益到一個(gè)期望值。
圖7和圖8描述一個(gè)衰減器的實(shí)施例。在圖7的電路108中，輸入信號(hào)110與電阻器112的一端相連。電阻器112的另一端與電阻器114和輸出電壓端116相連。輸入信號(hào)110的衰減量(“A”)由下式確定A=R112(R110+R112)]]>圖8中的電路120包括兩個(gè)n型晶體管128和130，和兩個(gè)P型晶體管124和126用以產(chǎn)生輸入信號(hào)122和輸出電壓端132之間的信號(hào)衰減量。晶體管124和126的每個(gè)源極都連接到高電壓端。晶體管124的柵極和漏極連接在一起并與晶體管126的柵極相連。晶體管128的漏極連接到晶體管124的漏極，它的柵極連接到輸入信號(hào)端122，它的源極連接到低電壓源端。晶體管130的漏極和柵極連接在一起并連接到晶體管126的漏極和輸出電壓端132。晶體管130的源極連接到低電壓源端。電路120產(chǎn)生一個(gè)輸入電壓信號(hào)122和輸出電壓信號(hào)之間的衰減量A=gm128*gm126gm130*gm124]]>在圖9所示的另一實(shí)施例中，包括有源電阻器電路60的低通濾波器100用于濾波一個(gè)波幅控制輸入到一個(gè)模擬壓控振蕩器VCO150。該低通濾波器100的輸出端108連到模擬VCO150的波幅控制輸入端。一個(gè)頻率控制信號(hào)連接到模擬VCO150的另一輸入端。模擬VCO150的一個(gè)輸出連接到峰值檢波器152的一個(gè)輸入端。模擬VCO150的輸出還是VCO電路158的VCO輸出。峰值檢波器的輸出連接到低通濾波器100的輸入端10。低通濾波器100的衰減器106用于調(diào)整VCO電路158的回路增益。
有源元件電阻器實(shí)施例2,40和60可以用于多種信號(hào)處理應(yīng)用中。例如圖10中所示，通過將電容162連接到輸出端和低電壓源端之間可形成一個(gè)簡(jiǎn)單的低通濾波器。該實(shí)施例可以濾掉來自與如圖10中所示的有源元件電阻器電路實(shí)施例60中的輸入端10相連接的參考電壓160的高頻噪聲。
雖然本發(fā)明的具體的實(shí)施例已被描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下可以改變那些實(shí)施例。
權(quán)利要求
1．一種用于產(chǎn)生輸入端和輸出端之間電阻的電路，包括第一和第二晶體管，每個(gè)含有一個(gè)柵極，一個(gè)源極和一個(gè)漏極，各源極連接到一個(gè)受控電流源而第一晶體管的漏極連接到一個(gè)電壓源端；一個(gè)輸入端，連接到第一和第二晶體管；以及一個(gè)連接到第二晶體管的漏極的輸出端；其中第一晶體管的柵極和源極分別與第二晶體管的柵極和源極相連，源極電壓根據(jù)輸入端的輸入信號(hào)電壓而改變，并且電流源限制跨過第一和第二晶體管的柵極到源極的電壓在輸出端產(chǎn)生一個(gè)具有基于跨過第二晶體管的漏極和源極的電阻的期望輸出電阻值的輸出信號(hào)。
2．如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于該電路存在于一個(gè)集成電路上。
3．如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于受控電流源與該晶體管的源極相連接并且該受控電流源存在于該集成電路上。
4．如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于第一和第二晶體管是P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
5．如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于第一和第二晶體管是n型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
6．如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于該輸入端與第一晶體管的源極相連接。
7．如權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于第一晶體管的漏極可連接到幾乎與該受控電流源匹配的第二受控電流源。
8．如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于該受控電流源和第二受控電流源都與第一晶體管相連接并且該電流源和第二電流源都存在于集成電路上。
9．如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于該輸入端與第一晶體管的柵極相連接。
10．如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于該受控電流源與第一晶體管的源極相連接并且該受控電流源存在于集成電路上。
11．如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于還包括第三晶體管，它包括一個(gè)連接到電壓源端的柵極；一個(gè)連接到第二晶體管漏極的源極；一個(gè)漏極；其中輸出端連接到第三晶體管的漏極而不是第二晶體管的漏極。
12．如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于該電路存在于一個(gè)低通濾波器中。
13．如權(quán)利要求12所述的電路，其特征在于低通濾波器的輸入信號(hào)輸入到電路的輸入端而電路的輸出端與積分裝置中的一個(gè)電容器和一個(gè)運(yùn)算放大器相連接。
14．如權(quán)利要求11所述的電路，其特征在于該電路存在于一個(gè)低通濾波器中。
15．如權(quán)利要求14所述的電路，其特征在于低通濾波器的輸入信號(hào)輸入到電路的輸入端而該電路的輸出端與積分裝置中的一個(gè)電容器和一個(gè)運(yùn)算放大器相連接。
16．一種產(chǎn)生輸入端與輸出端之間電阻的方法，包括如下步驟將第一晶體管的柵極和源極分別與第二晶體管的柵極和源極相連接；將受控電流源與各源極相連接；將第一晶體管的漏極與電壓源端相連接；以及將一個(gè)輸入端與第一和第二晶體管相連接并且輸出端與第二晶體管的漏極相連接；其中受控電流源限制第一和第二晶體管的柵極和漏極之間的電壓以在第二晶體管的源極和輸出端之間產(chǎn)生一個(gè)所期望的電阻值。
17．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于還包括步驟將第二受控電流源與第一晶體管的漏極相連接。
18．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于還包括將輸入端與第一和第二晶體管的柵極相連接的步驟。
19．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于還包括步驟將第三晶體管的柵極與電壓源端相連接，將第三晶體管的源極與第二晶體管的漏極相連接，將輸出端移到第三晶體管的漏極處。
20．如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于該輸出端與低通濾波器的一個(gè)電容器相連接。
全文摘要
一種提供理想地用于低帶寬濾波器和其它信號(hào)處理應(yīng)用中的高阻值電阻的電路和方法。在一個(gè)實(shí)施例中,有源元件電路包括第一和第二晶體管,每個(gè)含有一個(gè)柵極,一個(gè)源極和一個(gè)漏極。晶體管的源極電壓根據(jù)輸入端的輸入信號(hào)而改變,一個(gè)電流源限制跨接在第一和第二晶體管的柵極至源極的電壓從而在連接到第二晶體管柵極的輸出端產(chǎn)生一個(gè)具有一個(gè)基于跨過第二晶體管的漏極和源極的電阻的期望輸出電阻值的輸出信號(hào)。
文檔編號(hào)H03H11/00GK1219029SQ9812385
公開日1999年6月9日 申請(qǐng)日期1998年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月21日
發(fā)明者斯蒂文·M·布魯姆 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司