专利名称：用于连续时间信号处理应用中的集成电阻器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置。更具体地说，本发明涉及晶体管的应用，用于在集成电路上产生一个高阻值电阻以应用在低带通滤波器中和在其它模拟信号处理应用中。
为了抑制成本和降低复杂性，模拟电路设计的目的是在集成电路芯片上实现在传统上由分立元件所执行的模拟功能。在许多模拟系统中的模拟信号处理功能是一个低通滤波器。低通滤波器接收一个具有一系列频率分量的输入信号，从信号中滤掉高频分量，并只允许低频分量通过。
图1和图2示出现有技术中两个低通滤波器实施例。图1图解了用一个积分装置实现的一个时间连续的低通滤波器。一个输入信号从在Vin输入到滤波器，由电阻，电容器和运算放大器进行积分，并在Vout输出积分输出信号。根据下述公式选取图1中R和C的值来设置确定低通滤波器频率响应的低频极点(fo)fo=12πRCHz]]>尝试在集成电路(“IC”)芯片上实现图1所示的电路。由于10kΩ左右的电阻是在一个IC芯片上使用无源电阻实际上能实现的最大值，所以实现仍是一个问题。这个最大值并不是绝对的，而是由使用的处理技术和需要制作电阻的芯片面积所限定。因为10kΩ是一个相对很小的值，为设置在1和10Khz之间理想范围内低通滤波的低频极点，电容器值必须在大约1.5和15毫微法之间。这些电容值太大以致于在一个IC芯片上不能实际实现。因此，必须使用芯片外电容器以产生图1中C的电容量，导致IC芯片至少两个输入/输出(I/O)管脚的丧失，因这些管脚必须与该电容器的端部相连接。另外，将一个外部电容器连接到图1的滤波器电路所需的I/O管脚和芯片外接线作为将相当大量的高频印刷电路板或模块噪音耦合回滤波器电路的天线，这样降低了该滤波电路的功效。
图2示出了一个低通滤波器的开关式电容器装置。在这个线路接法中，一个连续时间的电阻器由电容器C1周围的时钟控制的开关模拟，时钟相位φ1和φ2在一个特有的频率下产生并一般不相重叠。选取时钟频率和C1、C2的值以得到希望的由下式确定的低频极点，其中T为时钟周期fo=C1TC2]]>当在集成电路上实现时开关电容器技术有许多缺陷。首先，时钟在芯片外部形成而且必须引入到芯片上。因此，需要额外的I/O管脚。时钟信号线本身将插件板或模块的高频噪声耦合到滤波电路从而降低了低通滤波器的效用。其次，为了使开关电路的电容电路工作正常，时钟信号频率必须比输入信号的高频分量大许多。这种依赖于输入信号的有意义的频率是不切实际的。最后，在开关电容电路中需要额外的用于假频的低通滤波器电路。
需要一个高阻值有源器件电阻器应用在低带通滤波器和其它模拟信号处理应用中，以使得这些模拟信号处理应用能够在一个IC芯片上完全实现。
提供一个理想地用在低带通滤波器或其它信号处理应用中的高阻值电阻的一种电路和方法。在本发明的一个实施例中，有源器件电路包括第一和第二晶体三极管，每个含有一个栅极、一个源极和一个漏极。晶体三极管的源极电压随着输入端的输入信号电压而改变，并且一个电流源限定栅极为跨接第一和第二晶体三极管的源极电压，从而在与第二个晶体三极管的漏极相连的一个输出端产生一个输出信号，该第二个晶体三极管具有一个基于在第二个晶体三极管的漏极和源极的电阻的所希望的输出电阻值。
本发明将结合附图和详细说明更全面地描述。
图1描述现有技术中积分式时间连续的滤波器。
图2描述现有技术中的一个开关电容滤波器。
图3描述根据本发明的原理，在跨接晶体管源极和漏极之间产生一个高值等效电阻的第一种电路。
图4描述根据本发明的原理，在跨接晶体管源极和漏极之间产生一个高值等效电阻的第二种电路。
图5描述了图3中的电路，它包括一个用于改善高频电路总电阻的第三个晶体管。
图6描述形成低通滤波器的前端的图5中的阻性电路。
图7说明现有技术中的一种衰减器电路。
图8示出现有技术中另一种衰减器电路。
图9示出包括根据本发明的图3,4和5中的一个有源电阻装置的一个压控振荡器(VCO)。
图10示出一个包括用于参考电压输出滤波的一个输出电容的一个有源器件电阻的实施例。
图3示出根据本发明的一个实施例的一个电路2。电路2包括一个输入端10，一个输出端20，两个P型场效应晶体三极管12和14和两个受控电流源16和18。电路2在晶体三极管14的输入端和输出端之间产生一个高值等效电阻。
图3中所示的电路2中的晶体三极管12和14各含有一个栅极(12a和14a)，一个源极(12b和14b)和一个漏极(12c和14c)。输入端10分别与晶体管12和14的源极12b和14b相连接。晶体管12的漏极12c和栅极12a连接在一起并再连接到受控电流源18和晶体管14的栅极14a上。另一个受控电流源16分别与晶体管12和14的源极12b和14b相连接。
在本发明的一个最佳实施例中，受控电流源16和18产生几乎同样大小的直流电流。该直流电流和晶体管12和14的各参数限制电路2的工作。这些限制条件由下列公式说明公式1金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)三极管公式IDS=K′WL((VGS-VT)VDS-12V2DS)]]>公式2过驱动电压VOD=VGS-VT公式3假设晶体管14的运行点VDS(14)=0公式4晶体管12和14之间的匹配门槛值VT(12)=VT(14)公式5栅极至源极的电压等于VGS(12)=VGS(14)
公式6电阻Req1Req=∂IDC∂VDS=K′WL(VGS-VT-VDS)]]>公式7晶体管141Req=∂IDC(14)∂VDS(14)=K′W(14)L(14)(VGS(14)-VT(14)-VDS(14))]]>公式8将公式3,4,5代入公式71Req=K′W(14)L(14)(VGS(12)-VT(12))]]>公式9将公式2代入公式8并取倒数Req=1K′W(14)L(14)VOD(12)]]>上面公式9表示晶体管14的漏极14c和漏极14b之间的等效电阻Req是晶体管12的过驱动电压VOD的函数，VOD由为电流源16和18选取的直流电流和K’值及晶体管12的宽度(“W”)和长度(“L”)所决定，因此，对于一个特定信号处理应用，可以选取上述各值以选择一个适宜的电阻Req。利用这个电路拓扑结构可以得到大于1兆欧的电阻值Req。这大约是在集成电路(“IC”)芯片上实际上可得到的无源电阻值的100倍。相反，如果需要，可以通过将晶体管14设计为大数值的W，小数值的L和通过增大电流源16和18的源电流来使Req设计为相当低的值。
虽然图3中的晶体管12和14被表示为P型晶体管，通过将晶体管12和14替换为n型晶体管可得到相同的功能。对于n型晶体管12和14，除了低压端17和高压端19的位置颠倒以外电路是相同的。受控电流源16和18实现了对IC芯片关或开的功能，受控电流源16和18最好是在IC芯片上利用一种众所周知的带隙(band gap)电流源。
图4示出本发明的另一种实施例。电路40包括一个受控电流源48和两个P型晶体管44和46。每个晶体管包括分别为如图4中所指明的a、b和c的一个栅极、一个源极，和一个漏极。受控电流源48分别与晶体管44和46的源极44b和46b相连接。晶体管44和46的栅极44a和46a连接在一起并连接到一个输入电压源43。输出电压端47与晶体管46的漏极46c相连接。晶体管44的漏极44c与低电压电源端相连接。
电路40的工作原理与图3中的电路2相同。然而，电路40的输出电压从输入信号电压向上偏移了一个电压阈值(VT)。当输入电压42由一个高阻抗源产生时电路40比电路2更有利于使用。当图3中电路2由一个高阻抗源激励时，受控电流源16和18之间的任何不匹配都会影响输入信号的电压电平并使得有源电阻电路2效用减弱。这种情况在输入信号分别到达晶体管44和46的高阻抗栅极44a和46a的图4中的电路40中不会出现。
在图4的实施例中，晶体管为P型场效应晶体管。每个P型晶体管的壳体可以被连接到相同电位以作为源极44a和46a或最好是将壳体连接到高电压供电端51。在另一实施例中，晶体管为n型晶体管，其中晶体管44的漏极44c连接到高电压源端51而不是如图4所示的低电压源端49。n型晶体管典型地接法是将壳体连接到低电压源端。
图5还描述了根据本发明的另一个实施例。所描述的电路60与图3中的电路2相同只是带有附加的第三个P型晶体管62。晶体管62的源极62b与晶体管14的漏极14c相连接。栅极62a与低电压源端相连接，并且漏极62c与输出端64相连接。晶体管62通过栅极62a与接地端的连接偏置成“开”位置。当晶体管14的漏极14c和源极14b开始短路，Req低阻时，晶体管62大大增强了高频时输入端10与输出端64之间的整个电阻。
图6描述了提供作为低通滤波器100前端的电路60。该低通滤波器100包括有源电阻电路60，一个电容器102，一个运算放大器104，和一个衰减器106。电容器102一端与晶体管62的漏极62c相连接并与运算放大器104的反相输入端104a相连接。电容器的另一端与运算放大器104的输出端104c相连并与衰减器106的输入端相连接。运算放大器的同相输入端104b与低电压源端相连并且其输出端104c与衰减器106的输入端相连接。衰减器106的输出端连接到一个输出端108。
在本发明的一个最佳实施例中，低通滤波器100在一个集成电路中实现并且电路60设计成在输入端10与运算放大器的反相输入端104a之间存在一个高值电阻(大约1兆欧)。这使得IC芯片上的低通滤波器100中的电容器102具有15至150PF的电容值。并且能产生一个适宜低通滤波器应用的低频极点。电路60，电容器102和运算放大器104在一个积分电路配置中形成低通滤波器100。衰减器106用于减小低通滤波器100的增益到一个期望值。
图7和图8描述一个衰减器的实施例。在图7的电路108中，输入信号110与电阻器112的一端相连。电阻器112的另一端与电阻器114和输出电压端116相连。输入信号110的衰减量(“A”)由下式确定A=R112(R110+R112)]]>图8中的电路120包括两个n型晶体管128和130，和两个P型晶体管124和126用以产生输入信号122和输出电压端132之间的信号衰减量。晶体管124和126的每个源极都连接到高电压端。晶体管124的栅极和漏极连接在一起并与晶体管126的栅极相连。晶体管128的漏极连接到晶体管124的漏极，它的栅极连接到输入信号端122，它的源极连接到低电压源端。晶体管130的漏极和栅极连接在一起并连接到晶体管126的漏极和输出电压端132。晶体管130的源极连接到低电压源端。电路120产生一个输入电压信号122和输出电压信号之间的衰减量A=gm128*gm126gm130*gm124]]>在图9所示的另一实施例中，包括有源电阻器电路60的低通滤波器100用于滤波一个波幅控制输入到一个模拟压控振荡器VCO150。该低通滤波器100的输出端108连到模拟VCO150的波幅控制输入端。一个频率控制信号连接到模拟VCO150的另一输入端。模拟VCO150的一个输出连接到峰值检波器152的一个输入端。模拟VCO150的输出还是VCO电路158的VCO输出。峰值检波器的输出连接到低通滤波器100的输入端10。低通滤波器100的衰减器106用于调整VCO电路158的回路增益。
有源元件电阻器实施例2,40和60可以用于多种信号处理应用中。例如图10中所示，通过将电容162连接到输出端和低电压源端之间可形成一个简单的低通滤波器。该实施例可以滤掉来自与如图10中所示的有源元件电阻器电路实施例60中的输入端10相连接的参考电压160的高频噪声。
虽然本发明的具体的实施例已被描述，本领域的普通技术人员应当理解在不背离本发明的实质和范围的情况下可以改变那些实施例。
权利要求
1．一种用于产生输入端和输出端之间电阻的电路，包括第一和第二晶体管，每个含有一个栅极，一个源极和一个漏极，各源极连接到一个受控电流源而第一晶体管的漏极连接到一个电压源端；一个输入端，连接到第一和第二晶体管；以及一个连接到第二晶体管的漏极的输出端；其中第一晶体管的栅极和源极分别与第二晶体管的栅极和源极相连，源极电压根据输入端的输入信号电压而改变，并且电流源限制跨过第一和第二晶体管的栅极到源极的电压在输出端产生一个具有基于跨过第二晶体管的漏极和源极的电阻的期望输出电阻值的输出信号。
2．如权利要求1所述的电路，其特征在于该电路存在于一个集成电路上。
3．如权利要求2所述的电路，其特征在于受控电流源与该晶体管的源极相连接并且该受控电流源存在于该集成电路上。
4．如权利要求1所述的电路，其特征在于第一和第二晶体管是P型场效应晶体管。
5．如权利要求1所述的电路，其特征在于第一和第二晶体管是n型场效应晶体管。
6．如权利要求2所述的电路，其特征在于该输入端与第一晶体管的源极相连接。
7．如权利要求6所述的电路，其特征在于第一晶体管的漏极可连接到几乎与该受控电流源匹配的第二受控电流源。
8．如权利要求7所述的电路，其特征在于该受控电流源和第二受控电流源都与第一晶体管相连接并且该电流源和第二电流源都存在于集成电路上。
9．如权利要求2所述的电路，其特征在于该输入端与第一晶体管的栅极相连接。
10．如权利要求1所述的电路，其特征在于该受控电流源与第一晶体管的源极相连接并且该受控电流源存在于集成电路上。
11．如权利要求1所述的电路，其特征在于还包括第三晶体管，它包括一个连接到电压源端的栅极；一个连接到第二晶体管漏极的源极；一个漏极；其中输出端连接到第三晶体管的漏极而不是第二晶体管的漏极。
12．如权利要求1所述的电路，其特征在于该电路存在于一个低通滤波器中。
13．如权利要求12所述的电路，其特征在于低通滤波器的输入信号输入到电路的输入端而电路的输出端与积分装置中的一个电容器和一个运算放大器相连接。
14．如权利要求11所述的电路，其特征在于该电路存在于一个低通滤波器中。
15．如权利要求14所述的电路，其特征在于低通滤波器的输入信号输入到电路的输入端而该电路的输出端与积分装置中的一个电容器和一个运算放大器相连接。
16．一种产生输入端与输出端之间电阻的方法，包括如下步骤将第一晶体管的栅极和源极分别与第二晶体管的栅极和源极相连接；将受控电流源与各源极相连接；将第一晶体管的漏极与电压源端相连接；以及将一个输入端与第一和第二晶体管相连接并且输出端与第二晶体管的漏极相连接；其中受控电流源限制第一和第二晶体管的栅极和漏极之间的电压以在第二晶体管的源极和输出端之间产生一个所期望的电阻值。
17．如权利要求16所述的方法，其特征在于还包括步骤将第二受控电流源与第一晶体管的漏极相连接。
18．如权利要求16所述的方法，其特征在于还包括将输入端与第一和第二晶体管的栅极相连接的步骤。
19．如权利要求16所述的方法，其特征在于还包括步骤将第三晶体管的栅极与电压源端相连接，将第三晶体管的源极与第二晶体管的漏极相连接，将输出端移到第三晶体管的漏极处。
20．如权利要求16所述的方法，其特征在于该输出端与低通滤波器的一个电容器相连接。
全文摘要
一种提供理想地用于低带宽滤波器和其它信号处理应用中的高阻值电阻的电路和方法。在一个实施例中,有源元件电路包括第一和第二晶体管,每个含有一个栅极,一个源极和一个漏极。晶体管的源极电压根据输入端的输入信号而改变,一个电流源限制跨接在第一和第二晶体管的栅极至源极的电压从而在连接到第二晶体管栅极的输出端产生一个具有一个基于跨过第二晶体管的漏极和源极的电阻的期望输出电阻值的输出信号。
文档编号H03H11/00GK1219029SQ9812385
公开日1999年6月9日 申请日期1998年11月5日 优先权日1997年11月21日
发明者斯蒂文·M·布鲁姆 申请人:国际商业机器公司