(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電圧発生器であって、
第１のトランジスタであって、第１のスレッショルド電圧を有し、第１のトランジスタを弱い反転モードに置くようにゲート電極がバイアスされている第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタと同じ導電形で前記第１のトランジスタと直列に接続された第２のトランジスタであって、第２のスレッショルド電圧を有し、第２のトランジスタを弱い反転モードに置くようにバイアスされたゲート電極を有する第２のトランジスタとを含み、第１のスレッショルド電圧の大きさが第２のスレッショルド電圧の大きさよりも小さく、また第２のトランジスタのゲート電極が第２のトランジスタのドレイン電極に電気的につながれて基準電圧の出力を形成している基準電圧発生器。
【請求項２】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタのゲート電極が基準電圧を温度に依存しないものとするような寸法に選ばれている前記基準電圧発生器。
【請求項３】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタのゲート電極が基準電圧が温度に対して正の線形な依存性を有するような寸法に選ばれている前記基準電圧発生器。
【請求項４】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタのゲート電極が基準電圧が温度に対して負の線形な依存性を有するような寸法に選ばれている前記基準電圧発生器。
【請求項５】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１のスレッショルド電圧と第２のスレッショルド電圧との差が１５０ミリボルトを超えている前記基準電圧発生器。
【請求項６】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタが熱電圧の３倍よりも大きいドレイン−ソース電圧を有する前記基準電圧発生器。
【請求項７】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１のトランジスタのゲート電極が接地電圧に電気的につながれている前記基準電圧発生器。
【請求項８】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１のトランジスタのゲート電極が基準電圧に電気的につながれている前記基準電圧発生器。
【請求項９】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタがｎ形トランジスタであって、第１のトランジスタのドレイン電極が電源電圧に電気的につながれており、第１のトランジスタのソース電極が第２のトランジスタのドレイン電極に電気的につながれていて、第２のトランジスタのソース電極が接地電圧に電気的につながれている前記基準電圧発生器。
【請求項１０】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタがｐ形トランジスタであって、第２のトランジスタのソース電極が電源電圧に電気的につながれており、第２のトランジスタのドレイン電極が第１のトランジスタのソース電極に電気的につながれていて、第１のトランジスタのドレイン電極が接地電圧に電気的につながれている前記基準電圧発生器。
【請求項１１】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタがさらに金属酸化物半導体電界効果トランジスタとして定義される前記基準電圧発生器。
【請求項１２】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、基準電圧発生器によって出力される基準電圧よりも大きい電圧を出力するために、基準電圧発生器とカスケード接続された第２の電圧基準発生器をさらに含む前記基準電圧発生器。
【請求項１３】
請求項１に記載の基準電圧発生器であって、第２のトランジスタと直列に接続された第３のトランジスタをさらに含み、第３のトランジスタのゲート電極が第３のトランジスタのドレイン電極に電気的につながれて第２のトランジスタによって出力される基準電圧よりも低い電圧の出力を形成する前記基準電圧発生器。
【請求項１４】
請求項１１に記載の基準電圧発生器であって、第１、第２および第３のトランジスタがｎ形トランジスタであって、第１のトランジスタのドレイン電極が電源電圧に電気的につながれており、第１のトランジスタのソース電極が第２のトランジスタのドレイン電極に電気的につながれており、第２のトランジスタのソース電極が第３のトランジスタのドレイン電極に電気的につながれていて、第３のトランジスタのソース電極が接地電圧に電気的につながれている前記基準電圧発生器。
【請求項１５】
基準電圧発生器であって、
弱い反転モードで動作し、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極を有する第１のトランジスタと、
弱い反転モードで動作し、第１のトランジスタのソース電極に電気的につながれたドレイン電極と、第２のトランジスタのドレイン電極に電気的につながれて基準電圧の出力を形成するゲート電極とを有し前記第１のトランジスタと同じ導電形の第２のトランジスタと、を含み、第２のトランジスタが第１のトランジスタのスレッショルド電圧の大きさよりも高いスレッショルド電圧の大きさを有し、第１および第２のトランジスタが熱電圧の３倍よりも大きいドレイン−ソース電圧を有する基準電圧発生器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタのゲート電極の幅が基準電圧を温度に依存しないものとする寸法に選ばれている前記基準電圧発生器。
【請求項１７】
請求項１５に記載の基準電圧発生器であって、第１および第２のトランジスタのゲート電極の幅が基準電圧が温度に対して正または負のいずれかの線形な依存性を有するような寸法に選ばれている前記基準電圧発生器。
【請求項１８】
請求項１５に記載の基準電圧発生器であって、第１のスレッショルド電圧と第２のスレッショルド電圧との差が１５０ミリボルトを超えている前記基準電圧発生器。
【請求項１９】
トリミング可能な電圧基準システムであって、
第１のトランジスタであって、第１のスレッショルド電圧と、第１のトランジスタを弱い反転モードに置くようにバイアスされたゲート電極とを有する第１のトランジスタと、
前記第１のトランジスタと同じ導電形で前記第１のトランジスタと直列に接続された第２のトランジスタであって、第２のスレッショルド電圧と、第２のトランジスタを弱い反転モードに置くようにバイアスされたゲート電極とを有しており、第１のスレッショルド電圧の大きさが第２のスレッショルド電圧の大きさよりも小さく、第２のトランジスタのゲート電極が第２のトランジスタのドレイン電極に電気的につながれて基準電圧の出力を形成している第２のトランジスタと、
第１トランジスタおよび第２のトランジスタの少なくとも一方と並列に接続された複数の選択可能なトランジスタと、
を含むトリミング可能な電圧基準システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のトリミング可能な電圧基準システムであって、複数の第１の制御スイッチをさらに含んでおり、第１の制御スイッチの１つが電源電圧と複数の選択可能なトランジスタの１つとの間に取り付けられており、複数の選択可能なトランジスタが第１のトランジスタと並列に接続されていて、複数の第１の制御スイッチを選択的に制御する制御モジュールをさらに含む前記トリミング可能な電圧基準システム。
【請求項２１】
請求項２０に記載のトリミング可能な電圧基準システムであって、第２のトランジスタと並列に接続された複数の付加的な選択可能なトランジスタと、複数の第２の制御スイッチとをさらに含み、第２の制御スイッチの１つが複数の付加的な選択可能なトランジスタの１つと接地電圧との間に取り付けられている前記トリミング可能な電圧基準システム。
【請求項２２】
請求項１９に記載のトリミング可能な電圧基準システムであって、複数の第１の制御スイッチをさらに含んでおり、第１の制御スイッチの１つが複数の選択可能なトランジスタの１つと接地電圧との間に取り付けられており、複数の選択可能なトランジスタが第２のトランジスタと並列に接続されていて、複数の第１の制御スイッチを選択的に制御する制御モジュールをさらに含む前記トリミング可能な電圧基準システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（分野）
本開示は、進歩した基準電圧発生器に関するものであり、それは、既存の設計と比べて同等の温度、電源電圧およびプロセス不感受性を備えながら、電力消費、寸法および設計の容易さを改善する。
【背景技術】
【０００２】
（政府利益）
本発明は、（米）国立科学財団によって与えられた認可番号ＥＥＣ９９８６８６６のもとで政府の支援を受けてなされた。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
（関連出願へのクロスリファレンス）
本出願は、２０１０年６月２５日付で出願された米国特許出願第１２／８２３，１６０号および２００９年６月２６日付で出願された米国仮特許出願第６１／２２０，７１２号の利益を主張する。上記出願の開示全体は、ここに引用によって取り込まれる。
【０００４】
（背景および概要）
極低消費電力（ＵＬＰ）回路設計の最近の進歩は、環境および生体分野でのセンサー応用に対する関心の高まりによって実現してきた。それらのシステムは、線形レギュレータ、Ａ／Ｄ変換器および自己完結機能を有するＲＦ通信ブロックなどのアナログおよびデジタル／アナログ混載モジュールをしばしば含む。
【０００５】
電圧基準（ＶＲ）は、そのようなモジュールのための鍵となる構築ブロックである。特に線形レギュレータは、システム全体に対して一定の電圧レベルを供給するために電圧基準を必要とする。さらにＡ／Ｄ変換器の増幅器は、いくつかのバイアス電圧を使用する。従って、１つのシステムに複数の電圧基準回路を採用することがしばしば必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１２／８２３，１６０号
【特許文献２】米国仮特許出願第６１／２２０，７１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電圧基準は、一般に電力供給量が逼迫するワイヤレス・センシング・システムと統合される。非常に限られたエネルギー源のせいでその電力供給量は、数百ナノワットよりも少ない場合がある。このことから、電圧基準は、非常に少ない電力を消費するものであることが不可欠である。他方で電圧基準は、特に１Ｖ付近またはそれより低い領域で、広いＶｄｄの範囲にわたって動作可能でなければならない。それは、エネルギー発生ユニットなどのように低い出力電圧を供給する電力源があるためである。
【０００８】
この節では、本開示に関連する背景情報を提供するが、それは、必ずしも従来技術のものではない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（概要）
進歩した電圧基準発生器が提供される。電圧基準発生器は、第１のトランジスタであって、それを弱い反転モードに置くようにゲート電極をバイアスされた第１のトランジスタと、前記第１のトランジスタと直列に接続された第２のトランジスタであって、それを弱い反転モードに置くようにゲート電極をバイアスされた第２のトランジスタとを含み、第１のトランジスタのスレッショルド電圧は、第２のトランジスタのスレッショルド電圧よりも小さく、また第２のトランジスタのゲート電極は、第２のトランジスタのドレイン電極および第１のトランジスタのソース電極に電気的に接続されて基準電圧の出力を形成している。
【００１０】
この節は、開示の概論を提供するが、これは、全範囲にわたる総括的な開示ではないし、またその特徴のすべての開示でもない。さらに、応用範囲については、ここに提供される説明から明らかになると考える。この概要における説明および特定の実施の形態は、説明のためだけのものであって、本開示の範囲を限定する意図のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】ｎ形トランジスタで実施された進歩した電圧基準発生器の模式図。
【図１Ｂ】ｐ形トランジスタで実施された進歩した電圧基準発生器の模式図。
【図２Ａ】各種の実施例に従ってｎ形トランジスタで実施された基準電圧発生器の模式図。
【図２Ｂ】各種の実施例に従ってｎ形トランジスタで実施された基準電圧発生器の模式図。
【図２Ｃ】各種の実施例に従ってｎ形トランジスタで実施された基準電圧発生器の模式図。
【図３Ａ】各種の実施例に従ってｐ形トランジスタで実施された基準電圧発生器の模式図。
【図３Ｂ】各種の実施例に従ってｐ形トランジスタで実施された基準電圧発生器の模式図。
【図３Ｃ】各種の実施例に従ってｐ形トランジスタで実施された基準電圧発生器の模式図。
【図４Ａ】電圧降下コンポネントを直列に接続された基準電圧発生器の模式図。
【図４Ｂ】別の基準電圧発生器とカスケード接続された基準電圧発生器の模式図。
【図４Ｃ】より低い電圧を供給するように構成された基準電圧発生器の模式図。
【図５】デジタル・トリミング機能を備える電圧基準発生器の模式図。
【図６Ａ】電圧基準発生器の出力電圧についての測定結果を示すグラフ。
【図６Ｂ】電圧基準発生器の温度係数分布についての測定結果を示すグラフ。
【図７Ａ】トリミング可能な電圧基準におけるいくつかの異なる設定について設計間隔と温度係数の関係を示すグラフ。
【図７Ｂ】トリミング可能な電圧基準におけるいくつかの異なる設定について設計間隔と出力電圧の関係を示すグラフ。
【００１２】
ここに示した図面は、選ばれた実施の形態について説明の便宜のためだけのものであり、可能なすべての実施の形態を示すものではないし、また本開示の範囲を限定する意図のものでもない。いくつかの図面を通して、対応する参照符号は、対応するパーツを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（詳細な説明）
ここで例示的実施の形態について添付図面を参照しながらより詳細に説明する。例示的実施の形態は、本開示が完全なものとなり、当業者に対してその範囲を完全に伝えるために提供される。本開示の実施の形態に対する完全な理解を提供するために、特定のコンポネント、デバイスおよび方法の例などの数多くの具体的な詳細が提示されている。当業者には明らかなように、これら特定の詳細を必ずしも採用しなくてもよいし、例示的実施の形態は、数多くの異なる形に具体化することもできるし、また開示の範囲を限定するものとして理解されるべきでもない。
【００１４】
図１Ａおよび１Ｂは、本開示の原理に従う進歩した電圧基準発生器１０の基本回路構造を示す。電圧基準発生器１０は、電源電圧（ＶＤＤ）と接地電圧（ＶＳＳ）との間に直列に接続された２つのトランジスタＭ１およびＭ２を含む。ＶＤＤおよびＶＳＳは、どちらも通常の電源電圧（例えば、電源または電池から取り出される）か、あるいは別の場所（例えば、本提案方式を含む任意の種類の基準電圧発生器）で生成された基準電圧でよい。
【００１５】
トランジスタが２個だけということで、この電圧基準発生器は、既存の設計によるものと比べて、より小型でより単純である。このことは、回路面積、電力およびコストを最小化する点で価値があるのみならず、電圧基準発生器を設計するために要する時間を最小化する点でも価値がある。
【００１６】
注目すべきこととして、第１のトランジスタＭ１のスレッショルド電圧は、第２のトランジスタＭ２のスレッショルド電圧よりも小さい。分かりやすいように、添付図面では、より大きいスレッショルド電圧を有するトランジスタを幅の厚い棒線で示している。望みのスレッショルド電圧を実現するための異なる方法が本開示によって考察され、そのなかには、スレッショルド注入を変える方法、トランジスタのゲート寸法を変える方法、酸化物の厚さを変える方法および基板バイアスを変える方法が含まれるが、これらに限らない。いずれのケースでも、第１のスレッショルド電圧と第２のスレッショルド電圧との差は、最も望ましい動作性能を実現するために、典型的には１５０ミリボルト、好ましくは２００ミリボルトを超える。しかし、差がもっと小さい場合でもこの設計は、機能する。
【００１７】
動作時に、第１のトランジスタＭ１および第２のトランジスタＭ２のゲート−ソース間の電圧は、両方のトランジスタが弱い反転動作モード（一般にサブスレッショルド領域とも呼ばれる）で動作することを保証するように設定されなければならない。トランジスタが（飽和モードでなく）弱い反転モードで動作することによって、発生器の電力消費は、既存の設計と比べて劇的に低減される。さらに、弱い反転モードでの動作は、電圧基準発生器が１Ｖよりもずっと低い電源電圧（ＶＤＤ）においても動作できることを保証する。進歩した動作のために、Ｍ１およびＭ２のドレイン−ソース間の電圧は、ｖＴを熱電圧としたとき、およそ３ｖＴよりも大きくあるべきである。よく知られたサブスレッショルド電流方程式とこれらの仮定を組み合わせることによって、基準電圧ＶＲＥＦの値は、次のようになることが示される。
【００１８】
【数１】
0005544421.tif 000002
【００１９】
ここで、ｍｉは、トランジスタＭｉのサブスレッショルド勾配因子、Ｖｔｈ，ｉは、トランジスタＭｉのスレッショルド電圧、μｉは、トランジスタＭｉの移動度、Ｗｉは、トランジスタＭｉのゲート幅、Ｌｉは、トランジスタＭｉのゲート長である。温度に依存する数値は、Ｖｔｈ，１、Ｖｔｈ，２およびｖＴだけであり、それらは、温度に対して線形な依存性を有する。ＶＢもまた温度依存性を有することに注目する必要があるが、これについては、後に議論する。基準電圧ＶＲＥＦは、従って温度の線形関数であり（直線の傾斜がゼロの場合は、温度に依存しないことを意味する）、トランジスタの寸法（Ｗ１、Ｌ１、Ｗ２、Ｌ２）を変えることによって最適化できる。
【００２０】
トランジスタ寸法を変えることで、ＶＲＥＦの温度依存性を絶対温度に比例（ＰＴＡＴ）から絶対温度に補足的（ＣＴＡＴ）へ、さらに温度に依存しないものに変えることができる。典型的な実施では、トランジスタＭ２のゲート幅に相対的なトランジスタＭ１のゲート幅は、ＶＲＥＦを温度に依存しないものとするように選ばれる。トランジスタＭ１およびトランジスタＭ２のゲート寸法は、ＶＲＥＦの温度依存性に影響することに加えて、電圧基準発生器の電力消費に影響する。例えば、トランジスタＭ１およびＭ２を狭い幅のもの、あるいは長いものに選べば、電圧基準発生器の電力消費を本質的に低減できる。
【００２１】
寄生ＭＯＳＦＥＴ容量との結合によって電源電圧変動除去比が影響を受けるのではあるが、信号を堅固なものとするために出力キャパシタが追加される。出力容量が大きいほど、電源電圧変動除去比がより改善される。
【００２２】
例示的実施の形態で、第１のトランジスタのゲート電極は、このトランジスタを弱い反転モードにバイアスするバイアス電圧（ＶＢ）につながれる。第２のトランジスタＭ２は、ダイオード接続されたトランジスタとして構成され、それのゲート電極は、それのドレイン電極につながれて、この共有されるゲート／ドレイン端子が基準電圧発生器の出力ＶＲＥＦとなるようにされる。上で設定された動作基準に合致するその他のトランジスタ構成も本開示によって想定される。
【００２３】
図１Ａは、ｎ形トランジスタで実施された電圧基準発生器１０を示す。この配置で第１のトランジスタＭ１のドレイン電極は、電源電圧に電気的につながれており、第１のトランジスタのソース電極は、第２のトランジスタのドレイン電極に電気的につながれていて、第２のトランジスタのソース電極は、接地電圧に電気的につながれている。
【００２４】
逆に、ｐ形トランジスタで実施された電圧基準発生器１０が図１Ｂに示されている。この場合には、第２のトランジスタのソース電極が電源電圧に電気的につながれ、第２のトランジスタのドレイン電極が第１のトランジスタのソース電極に電気的につながれて、第１のトランジスタのドレイン電極が接地電圧に電気的につながれる。このやり方では基準電圧は、ＶＳＳでなくてＶＤＤを基準とする。
【００２５】
例示的実施の形態で、第１および第２のトランジスタは、さらに金属酸化物半導体電界効果トランジスタとして定義される。さらに詳細には、第１のトランジスタＭ１は、ゼロに近いスレッショルド電圧Ｖｔｈを有するＭＯＳＦＥＴトランジスタ（ＺＶＴ）で実施され、それは、負のＶｇｓにおいてさえ弱い反転モードに留まる。このようなタイプのＺＶＴデバイスは、０．２５μｍから６５ｎｍまでの範囲の製造技術によって広く入手可能である。第２のトランジスタＭ２は、１個の入力／出力ＭＯＳＦＥＴデバイスで実施される。両トランジスタとも広範囲にわたるＶｄｄでの動作をサポートするように厚い酸化物を有する。その他のタイプのトランジスタも本開示によって企図される。
【００２６】
基準電圧発生器１０は、０．１８μｍプロセス、０．１３μｍプロセスおよび６５ｎｍプロセスを含む複数の工業標準的な回路プロセスのなかで幅広くシミュレートされ、製造されている。わずか３．６ｐｐｍ／℃の温度係数で１７５．５ｍＶの電圧を出力し、電源電圧依存性が０．０３３％／Ｖで、電力消費が２．２ｐＷという、温度依存性のない、０．１３μｍプロセスで製造される１つの例示的基準電圧発生器が設計された。さらにこの１３５０μｍ２の基準は、０．５Ｖという低い電源電圧においても正しく動作し、そのときの電力消費は、２．２２ｐＷであった。
【００２７】
図２Ａ−２Ｃは、ｎ形トランジスタで実施された基準電圧発生器１０の例示的実施の形態を示す。この電圧における温度依存性は、ＶＲＥＦの温度依存性に影響するため、バイアス電圧ＶＢの選択は、非常に重要である。図２Ａで、第１のトランジスタＭ１のゲート電極は、接地電圧ＶＳＳにつながれているので温度に依存しない。さらに注目すべきことは、これまで述べたようにＷおよびＬの寸法を選ぶことによって、ＶＳＳにつながれている場合であっても温度依存性を線形なものにできるということである。図２Ｂで第１のトランジスタＭ１のゲート電極は、基準電圧ＶＲＥＦにつながれており、それは、線形の温度依存性（そして線形傾斜は、ここでもゼロの値を有する）を有する。図２Ｃで第１のトランジスタのゲート電極は、外部電圧ＶＩＮにつながれており、それは、回路設計者によって決められた温度依存性を有する（例えば、ＶＩＮは、別の基準電圧発生器の出力でよい）。ここでも注目すべき点は、各実施例が図３Ａ−３Ｃに示すようにＰ形トランジスタを用いても構築できるということである。
【００２８】
基準電圧発生器のための付加的な回路構成が図４Ａ−４Ｃに示されている。図４Ａは、発生器自身の両端における最大電圧降下を制限するために、ＶＤＤと基準電圧発生器１０との間にどのように電圧降下４１を導入できるかを示している。例示的実施の形態では、１個のダイオードまたはダイオード接続されたトランジスタを用いて４００−７００ｍＶ程度の電圧降下を挿入できる。図４Ｂは、より大きい電圧を出力するために、２個以上の基準電圧発生器をカスケード接続する様子を示している。このカスケード接続を拡張することによって、複数個のＮ形をベースとする構造および／またはＰ形をベースとする構造を用いて各種の基準電圧を発生できる点に注目すべきである。図４Ｃは、第２のトランジスタＭ２を２個以上のトランジスタで置き換えることによってより低い基準電圧を発生できることを示している。この低い基準電圧もまた温度に対して線形な依存性を持つように調整することができる。
【００２９】
プロセス感受性は、多くの電圧基準発生器に関して共通する問題点であり、一般にはトリミングによって解決している。しかし、トリミングは、しばしば時間／コストの大きなプロセスであり、特にバンドギャップ式の電圧基準発生器の場合に抵抗をレーザでトリミングするときは深刻である。従って、トリミングの時間およびコストを削減しながらすべてのダイで温度係数および出力電圧精度を改善するために、電圧基準発生器設計のデジタル・トリミング版を提案する。０．１３μｍプロセスによるプロトタイプ・チップからの測定によれば、２５個のダイにおいて、トリミングが温度係数および公称出力電圧のより狭い分布を可能とすることが示された。温度係数は、５．３ｐｐｍ／℃と４７．４ｐｐｍ／℃との間におさまり、また公称出力は、平均値から±０．４％以内で変動している。この電圧基準発生器は、０．５Ｖおよび２５℃において、２９．５ｐＷを消費する。
【００３０】
温度係数および出力電圧のばらつきを最小限に抑えるために、デジタル・トリミングによる電圧基準発生器システム５０が図５に示されている。温度係数および出力電圧にとって重要なものは、トップとボトムのデバイス幅の比である。しかし設計時点での最適な幅の比は、プロセス変動のせいで各チップにおいて必ずしも理想的なものとならない。従って製造後に幅の比を変更できることが有益である。
【００３１】
例示的実施の形態では、電圧基準発生器システム５０がシステムによる基準電圧出力のベースラインとして機能する電圧基準発生器５１の周囲に構築されている。このベースライン電圧基準発生器５１は、上で述べた原理に従って構築されたものである。ベースライン電圧基準発生器５１の第１のトランジスタおよび第２のトランジスタのいずれか（または図示されているように両方）と並列に、複数の選択可能なトランジスタ５２、５３が接続される。図に示すように、システムが複数個のトップおよびボトムの選択可能なトランジスタを含む場合、ベースライン電圧基準発生器を排除してもよいことが分かる。
【００３２】
選択可能なトランジスタは、並列に配置されたトランジスタ間で有効なゲート幅を互いに異なるようにするために選択的にターン・オンまたはオフすることができる。このように、基準電圧発生器の有効な幅の比を変更できる。例示的実施の形態で、複数の選択可能なトランジスタのゲート電極は、互いに異なる幅寸法を有することになる。例えば、第１（あるいはトップ）のトランジスタと並列に接続された複数の選択可能なトランジスタ５２は、ＺＶＴデバイスの最小幅（３μｍ）から徐々に増大する寸法を有する。他方、第２（ボトム）のトランジスタと並列に接続された複数の選択可能なトランジスタ５３は、図５に示された範囲および細分度において２のベキ乗となる寸法を有する。選択可能なトランジスタに関するその他の寸法組合せも本開示によって考案可能であり、そのなかには同じ幅寸法を有するトランジスタも含まれる。さらに、トリミングをその他の技術、例えば基板バイアスを変える方法によって実現することも可能であることが理解できる。その場合、第１および／第２のトランジスタの強さが変更される。これらの技術もまた本開示のより広い態様のなかに含まれる。
【００３３】
選択可能なトランジスタ５２、５３の動作を選択的に制御するために、複数の制御スイッチ５５を使用できる。制御スイッチに対して制御信号ｂｍｏｄおよびｔｍｏｄを供給することによって、トップとボトムの幅の比を変更できる。例示的実施の形態では、トップとボトムの幅の比を０．５２から３．７５まで２５６種の異なる設定に変更することが可能である。制御信号は、０からＶｄｄまで振れるので、追加の電源電圧を必要としない。ヒューズなど１回限りのプログラマブル・メモリを用いて、最小の電力費用で信号の提供が可能である。一旦、制御信号の１または複数のものがターン・オフされると、それらに接続された選択可能ないずれのトランジスタもダングリング・キャパシタとして振舞うことになって、出力電圧に及ぼす影響は、無視しうるようになる。最後に、出力電圧に対する雑音の効果を抑制するために、出力キャパシタ５９（例えば、０．８ｐＦ）が付け加えられる。
【００３４】
確実に小さい温度係数および／または非常に狭い出力電圧範囲を達成するために、トリミング可能な電圧基準を使用することができる。図６Ａおよび６Ｂは、第１および第２の製造ランについて測定された電圧基準に関する結果を示す。図６Ａで３σの出力電圧ばらつきは、トリミングなしの場合に比べて〜３．５×低減されており、また図６Ｂは、最悪の温度係数がおよそ８×低減されたことを示している。
【００３５】
それよりも設計の目標は、望ましい出力電圧からのずれが最小で、指定された温度係数制約に合致するようにすることであろう。図７Ａおよび７Ｂは、トリミング可能なＶＲにおける異なる設定に対する温度係数および出力電圧の設計間隔を示している。図７Ａは、トップ・デバイスの与えられた合計幅、例えば２２μｍに対して、ボトム・デバイスの合計幅を１０μｍに設定すれば、温度係数を最小化できることを示している。特定の幅の比が最小の温度係数につながる傾向が明らかに認められ、マトリクスのなかに対角ラインを形成する。同様に、異なる設定に対する出力電圧の変化は、幅の比に直接依存する。このことも図７Ｂの対角ラインによって確認できる。
【００３６】
提案された電圧基準について最適な性能と最小トリミング時間とのバランスを取るトリミング手順が開発された。試験時間を短縮するために、トリミング・プロセス中の温度およびトリミング設定の個数が制限される。２つの温度（−２０および８０℃）で、トップ・デバイス幅２つとボトム・デバイス幅８つとを用いた１６個の設定について出力電圧が測定された。次に、各ダイについて、与えられた設計目標に照らして最適な設定が選ばれた。目標は、５０ｐｐｍ／℃より小さい温度係数に晒された場合の出力電圧のばらつきを最小化することである。適切な設定を選んだあとで、各電圧基準がより細かい温度変動に対して試験され、温度係数に対する制約が満たされていることを確認した。
【００３７】
要約すると、本開示の本原理に従う基準電圧発生器は、既存の設計と比べて電力消費、設計の複雑さ、面積および最小の電源電圧の４つの重要な領域で優れている。実施の形態に関する上述の説明は、説明および記述のために提供されたものである。排他的な意図、あるいは発明を制限する意図はない。特別な１つの実施の形態の個々の要素または構造は、一般にその特別な実施の形態のみに制限されない。そうでなくて、応用可能の場合には、それら要素は、相互に交換可能であり、具体的に示されも述べられもしていなくても、１つの選ばれた実施の形態に使用できる。同じことは、また多様に変化もする。そのような変形は、発明からの逸脱と見なされるべきでなく、すべてのそのような修正は、発明の範囲に含まれるものと思量される。
【００３８】
ここに使用される用語は、特別な例示的実施の形態を説明する目的のためだけのものであって、限定的な意図で使用されるものではない。ここに使用されるように、別途文脈上明確に示されない限り、単数として使用される名詞は複数の意味を包含する。「含む」、「含んでいる」および「有している」という表現は、包含的な意味を有し、従って、言及された構造、整数、工程、動作、要素および／またはコンポネントの存在を意味し、１または複数のその他の構造、整数、工程、動作、要素、コンポネントおよび／またはそれらのグループの存在または追加を排除しない。ここに述べられた方法の工程、プロセスおよび操作は、具体的に実行順序として表示されていない限り、そこに議論または表示される特定の順序でそれらを実行することを必ずしも要求しないものとして解釈されるべきである。さらに、追加的または代替的工程を採用できることも理解される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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