НИЗКОВОЛЬТНОЕ КМОП ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО
LOW-VOLTAGE CMOS CURRENT MIRROR

Изобретение относится к области радиотехники и электроники, в частности к аналоговым интегральным микросхемам и блокам на основе КМОП транзисторов с нанометровыми размерами элементов.
Развитие КМОП технологии идет по пути уменьшения размеров элементов. При этом неизбежно уменьшается напряжение питания микросхем и выходное сопротивление транзисторов. Статические параметры аналоговых блоков зависят от напряжения питания и выходного сопротивления транзисторов. Новое схемотехническое решение направлено на увеличение выходного сопротивления источников тока с минимальным увеличением сложности схемы и соответствующей площади на кристалле.
В известных технических решениях стабилизация выходного тока достигается последовательным (каскодным) включением МОП транзисторов во входной и выходной цепях, а также введением в схему дополнительного регулятора, управляющего одним из выходных транзисторов [1, 2, 3, 4]. Простое каскодное включение одинаковых МОП транзисторов уменьшает диапазон изменения напряжения на выходе токового зеркала.
Введение дополнительного регулятора на основе операционного усилителя значительно усложняет схему и увеличивает площадь блока на кристалле микросхемы и энергопотребление [4].
Наиболее близким техническим решением является токовое зеркало, описанное в литературе [5]. Прототип содержит идентичные входной и выходной каскады с последовательно включенными МОП транзисторами, имеющими разное пороговое напряжение, и цепи активного регулирования во входном и выходном каскадах.
Самое простое техническое решение для повышения выходного сопротивления токового зеркала - это последовательное включение двух МОП транзисторов в выходной цепи. Дополнительное увеличение выходного сопротивления достигается выбором порогового напряжения МОП транзисторов входной и выходной цепей. Пороговое напряжение транзистора, соединенного стоком с выходом токового зеркала, должно быть меньше, чем у транзистора, соединенного истоком с шиной питания.
Технологически самый простой способ уменьшения порогового напряжения МОП транзисторов - это не проводить дополнительное легирование подложки в местах размещения транзисторов. При этом получается естественный транзистор с близким к нулю пороговым напряжением.
Простое техническое решение не обеспечивает увеличение выходного сопротивления в десятки или сотни раз. Многократное увеличение выходного сопротивления достигается введением в схему цепи активного регулирования на основе операционного усилителя, что увеличивает энергопотребление и площадь блока.
Согласно изобретению технический результат достигается за счет упрощения цепи активного регулирования, включающей истоковый повторитель на основе МОП транзистора с обеднением канала и резистора, соединяющего исток этого транзистора со стоком МОП транзистора, исток которого подключен к первой шине питания. Повышение выходного напряжения токового зеркала увеличивает ток в выходной цепи. Компенсация изменения выходного тока достигается при равенстве величины выходного сопротивления токового зеркала без цепи регулирования и сопротивления резистора в цепи регулирования. Дополнительное уменьшение площади источника тока достигается путем замены резистора в цепи регулирования на МОП транзистор в режиме резистора с затвором, подключенным к шине питания. МОП транзисторы с обогащением и обеднением канала могут быть реализованы в микросхеме одновременно путем селективного легирования подложки. Последовательное (каскодное) включение МОП транзисторов увеличивает выходное сопротивление токового зеркала, однако, снижение напряжения питания микросхемы не позволяет достигнуть полной компенсации зависимости выходного тока от выходного напряжения без активного регулирования.
Задачей настоящего изобретения является повышение выходного сопротивления токового зеркала и повышение точности передачи тока без увеличения энергопотребления и сложности схемы.
Низковольтное КМОП токовое зеркало построено на основе входного и выходного каскадов. Каждый из каскадов включает два МОП транзистора первого типа проводимости, включенных последовательно между первой шиной питания и входом/выходом токового зеркала, соответственно. Причем транзисторы, подключенные истоком к первой шине питания, имеют повышенное пороговое напряжение, а транзисторы, соединенные стоком с входом/выходом, имеют пороговое напряжение противоположного знака. Затворы всех транзисторов соединены с входом токового зеркала, а контакты к подложке - с первой шиной питания.
Отличительный признак изобретения - это упрощенная схема цепей активного регулирования, включающая МОП транзистор первого типа проводимости с пороговым напряжением противоположного знака и ограничительный резистор. Причем сток транзистора подключен к второй шине питания, контакт к подложке - к первой шине питания, а резистор включен между истоком МОП транзистора и точкой последовательного соединения входных/выходных транзисторов. Затвор МОП транзистора соединен с входом/выходом токового зеркала
В цепи активного регулирования глубина отрицательной обратной связи определяется сопротивлением резистора. Истоковый повторитель в цепи активного регулирования отводит часть выходного тока в цепь питания. Величина отводимого тока определяется сопротивлением резистора в цепи активного регулирования. Выбирая номинальную величину сопротивления в цепи регулирования, можно управлять выходным сопротивлением токового зеркала. Причем возможна реализация и отрицательного значения выходного сопротивления токового зеркала.
Возможна альтернатива, позволяющая не использовать в схеме высокоомные резисторы, требующие дополнительных технологических операций. Для этого в цепи активного регулирования резистор заменяется на МОП транзистор второго типа проводимости с затвором, подключенным к первой шине питания, и контактом к подложке, соединенным со второй шиной питания.
Отличительным признаком изобретения является использование в цепи активного регулирования истокового повторителя с обеднением канала, что обеспечивает равенство напряжений на выходном транзисторе и на резисторе в цепи регулирования и, как следствие, линейный характер возрастания тока в цепи регулирования с увеличением выходного напряжения.
На фиг.1 и 2 приведены схемы низковольтного токового зеркала на основе МОП транзисторов с обеднением и обогащением канала, имеющего цепи активного регулирования, где:
1 - входной каскад;
2 - выходной каскад;
3 - первая шина питания;
4 - вход токового зеркала;
5 - выход токового зеркала;
6 - входной транзистор с повышенным пороговым напряжением;
7 - входной транзистор с пониженным пороговым напряжением;
8 - резистор (МОП транзистор) входной цепи активного регулирования;
9 - МОП транзистор с обеднением канала во входной цепи активного регулирования;
10 - выходной транзистор с повышенным пороговым напряжением;
11 - выходной транзистор с пониженным пороговым напряжением;
12 - резистор (МОП транзистор) выходной цепи активного регулирования;
13 - МОП транзистор с обеднением канала в выходной цепи активного регулирования;
14 - вторая шина питания.
На фиг.2 приведена схема низковольтного токового зеркала с улучшенной термостабильностью параметров за счет использования МОП транзисторов вместо резисторов, поз.8 и поз.12.
Резистор в цепи активного регулирования может быть выполнен как в форме легированного поликремниевого проводника, так и в форме МОП транзистора с обогащением канала. В этом случае его затвор подключен к второй шине питания, а контакт к подложке - к первой шине питания. Замена резистора на МОП транзистор снижает зависимость выходного сопротивления токового зеркала от температуры.
Низковольтное токовое зеркало на основе МОП транзисторов с обогащением и обеднением канала, включающее цепи активного регулирования, обеспечивает увеличение выходного сопротивления и точности передачи по току с минимальным увеличением сложности и площади блока на кристалле микросхемы.
Отличительный признак технического решения состоит в комплексном использовании каскодного включения МОП транзисторов с обогащением и обеднением канала совместно с простейшей цепью активного регулирования.
Токовое зеркало с повышенным выходным сопротивлением включает схемотехнически идентичные входной и выходной каскады; каждый на основе двух МОП транзисторов первого типа проводимости, включенных последовательно между первой шиной питания и входом (выходом) токового зеркала соответственно.
Транзисторы, соединенные истоком с первой шиной питания, имеют структуру с обогащением канала и повышенным пороговым напряжением, транзисторы, соединенные стоком с входом (выходом), имеют структуру с обеднением канала и пороговым напряжением противоположного знака; затворы транзисторов соединены с входом токового зеркала, а контакты к подложке - с первой шиной питания. В схемы входного и выходного каскадов введены цепи активного регулирования на основе последовательно соединенных резистора и МОП транзистора с обеднением канала и проводимостью первого типа, причем стоки этих транзисторов подключены к второй шине питания, контакты к подложке - к первой шине питания, а затворы - к входу или выходу токового зеркала соответственно; истоки через резисторы соединены с точками последовательного соединения входных (выходных) транзисторов соответственно; контакты к подложке всех транзисторов подключены к первой шине питания.
На фиг.3 показан результат расчета изменения выходного сопротивления токового зеркала при подключении цепи активного регулирования.
Подбор номинала резистора или ширины МОП транзистора второго типа проводимости в цепи активного регулирования позволяет увеличить величину выходного сопротивления токового зеркала и даже получить его отрицательное значение.
Предложенное техническое решение позволяет простыми средствами управлять выходным сопротивлением источника тока и получить большое усиление в одном усилительном каскаде за счет отрицательного дифференциального сопротивления нагрузочного источника тока.
Источники информации
1. Патент США №4550284.
2. Патент РФ №2365969.
3. Патент РФ №2362202.
4. S. Yan, Е. Sanches-Sinencio, Low voltage analog circuit design techniques., IEICE Transactions on Analog integrated circuits and systems, vol. E00-A, No.2, p.1-17, 2000.
5. T. Serrano, Linares-Barranco, The active-input regulated-cascode current mirror, IEEE Transactions on Circuits and Systems 11: Analog and Digital Signal Processing, vol.41, p.464-467, June 1994 (прототип).