专利名称：带有自动启动功能的集成电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成电子电路，特别是那些包括模拟功能的集成电子电路。
与纯逻辑电路相对，具有模拟功能的电路通常需要存在偏置电路，该偏置电路定义了具有明确值的电流源。
通常，这些偏置电路使用带有反馈环路的电流镜像单元该镜像的一条支路将具有强制值的电流强加于另一条支路上，该另一条支路自身将具有强制值的电流强加于第一条支路上。这种类型的反馈环路允许定义相对稳定的运行状态，特别是相对于温度具有非常明确的电流值的电流。传统的偏置电路是“带隙(bandgap)”型或者PTAT(与绝对温度成比例)型。
很可惜，这些偏置电路的缺点是在加电时或运行中非正常中断(电源电能瞬变干扰(power glitch)或其他干扰)后，它们的启动配置的随机性。这种随机性可以由下述事实解释除了它们的稳定运行点，且在该稳定运行点，它们表现出理想特性(尤其，作为温度的函数)之外，它们具有另一不良的稳定运行点，该稳定运行点具有零电流或者虚零电流(换言之，该稳定运行点不同于它们在正常运行中必须保持的运行点)。在没有电源，或重新施加电源时，它们具有停留在该不良的运行点并且不能自发离开该运行点的危险。
由于这个原因，期望在这些电路上增加辅助启动电路，该辅助启动电路强迫电流在重新施加电源的时刻开始流入偏置电路，因此，该辅助启动电路通过驱动该电路离开不良的运行点，而强迫该电路进入它的正常运行点。
本文中使用的启动电路分为两种-那些必须由专门的启动命令激活的启动电路；这些电路在非常短的启动时间内，具有低维持电流损耗和高电流损耗；因此，这些电路具有在稳定状态下汲取很少的电流的优势，但是它们的缺点是当重新施加电源时，不能自动启动。
-无论是初始加电，还是在电能瞬变干扰或其他任何可能中断偏置电路正常运行的干扰事件之后的重新加电，存在电源供应时能够自动启动的那些启动电路；这些电路通常具有汲取不可忽略的稳态电流的缺点。
问题在于电流损耗是一个参数，该参数在许多应用中变得越来越重要，特别是在所有依靠小型电池运行(移动电话等)的应用中。
本发明的目的是提供一种用于自动启动的电路，该电路能够在加电时或者在电源中断后自动重启动，并且在稳定状态中汲取非常少的电流。
根据本发明的启动电路，用于确保偏置电路在其运行中的中断后的自动启动，在具有第一导电类型的集成电路衬底中，其中所述衬底包括至少一个具有相反导电类型的阱和与所述衬底具有相同导电类型的半导体区，该半导体区在所述阱中形成并且与所述阱形成了p-n结，该启动电路(20)包括-第一晶体管，或者用于检测偏置电路的运行状况的晶体管，其连接至偏置电路，以至于当偏置电路正常运行时，它处于导通状态，并且偏置电路非正常运行的情况下，它处于关断状态，该晶体管与所述p-n结串联设置在两个电源端子之间，所述半导体区连接至其中一个电源端子，第一晶体管的漏极通过导体连接至所述阱，-第二晶体管，或者重启动激活晶体管，其栅极连接至第一晶体管的漏极，通过导通第一晶体管，第二晶体管关断，并且当第一晶体管处于关断状态时，第二晶体管通过来自所述结的漏电流的存在而导通。
本发明的原理可以分析如下-第一晶体管被认为是偏置电路运行的镜像；如果偏置电路运行正常，第一晶体管导通；第一晶体管传导支路中的电流，幸运的是，由于它只包括p-n结的泄漏路径，因此汲取非常小的电流；当第一晶体管导通时，它阻止第二晶体管传导电流；-但是，如果偏置电路关断，那么第一晶体管关断；p-n结的漏电流高于第一晶体管的漏电流，从而改变了第二晶体管的栅极电位，直到第二晶体管导通；当第二晶体管导通时，它向偏置电路注入来自电路电源的电流，以至于强制偏置电路重启动。
因此，情况是p-n结具有漏电流，该漏电流显著高于第一晶体管正常运行时的漏电流，这种情况将第二晶体管的栅极带至使第二晶体管导通的电位。
由于这个原因，优选地，p-n结由几个并联的基本结构成几个与衬底具有相同导电类型的半导体区是分离的，但是彼此电连接，这几个半导体区形成了所述结的一个极，所述阱形成了另一极。如果有几个彼此电连接的分离的阱，它们包括至少一个半导体区，该半导体区扩散进入每个阱中，从而形成基本结，并且将这些基本结并联连接以形成作为一个整体的p-n结。
实际上，规定每个阱包括两个扩散的半导体区，这两个半导体区被由栅极覆盖的间隙分开，该栅极与这两个半导体区电连接，这种装配形成了栅极、漏极和源极连接在一起的晶体管。由于该‘晶体管’的所有电极连接在一起，所以它不是以晶体管模式运行，而是作为两个并联的二极管运行，其中一个二极管在阱和漏极之间形成，另一个二极管在阱和源极之间形成。优选地，该晶体管与第一晶体管具有相同的组成和相同的尺寸，或者具有的尺寸是第一晶体管的尺寸的倍数。优选地，具有至少4个(在4个和10个之间)这样配置成反向偏置二极管的晶体管，以至于不管集成电路上形成的各个晶体管的任何泄漏扩散，都能保证该晶体管组件产生的漏电流比第一晶体管的漏电流高的多。
本发明的其他特点和优势在阅读下文中详细的说明，并参照附图后，将变得显而易见。
图1表示根据本发明的启动电路的原理，该原理与以示例形式给出的偏置电路相关；
图2表示p型集成电路衬底的横截面，在该衬底中，形成根据本发明的启动电路；图3表示根据本发明的启动电路，当偏置电路的开/关必须可由控制信号控制时，通过增加其他元件对该启动电路作稍微修改。
在图1的右侧的虚线框10中，表示传统类型的偏置电路，该电路用作其他模拟电路(未示出)的电流参考，该其他模拟电路形成相同集成电路的一部分。并且，在左侧的虚线框20中，表示相关的启动电路，该启动电路设计用于强迫偏置电路在它理想的稳定运行状态下运行，以阻止它保持在具有零电流或虚零电流的假稳定状态下，该假稳定状态是不良的状态。
偏置电路只以示例的形式给出。它是具有两个相应的电流镜像支路的电路，其中，一条支路复制另一条支路的电流。在这个示例中，该电路提供电流参考，且该电流参考与绝对温度成比例。
第一支路包括作为参考的p-MOS晶体管Q1，该晶体管的栅极连接至它的漏极，源极连接至第一电源端子A，该晶体管Q1与npn晶体管Q2串联。如图1所示，晶体管Q2由几个并联的晶体管构成。npn晶体管Q2的发射极经由发射极电阻R2连接至第二电源端子B，它的集电极连接至晶体管P1的漏极和偏置电路的输出端子S。端子B是常规接地端，端子A接收正电源电压Vcc。
偏置电路的第二支路包括与npn晶体管Q4串联的p-MOS晶体管Q3。优选地，晶体管Q3与晶体管Q1相同，该晶体管Q3的源极和栅极分别连接至晶体管Q1的源极和栅极，以便以单位复制比，复制晶体管Q1中存在的电流。npn晶体管Q4的发射极在没有发射极电阻，或者具有比晶体管Q2的发射极电阻R小的发射极电阻的情况下，连接至端子B；并且晶体管Q4的集电极连接至它的基极和晶体管Q2的基极，还连接至晶体管Q3的漏极。晶体管Q2比晶体管Q4大，所以它趋于以大于1的复制比，复制晶体管Q4的电流。
这种双重电流复制产生了用于定义每条支路中参考电流的稳定运行点。该参考电流通过使用输出S驱动其他p-MOS镜像晶体管的栅极，或者通过使用取自Q4基极的输出S’驱动其他npn镜像晶体管的基极，自身可以被复制。
已知许多模拟电路基于混合双极/MOS技术构建，已经描述了使用该技术的偏置电路的示例，但是双极晶体管可以被n-MOS晶体管代替。可以给出其他偏置电路的示例。
为了防止这种偏置电路持续锁定在它的具有零点电流或虚零点电流的不良稳定状态中，则在该偏置电路中接入如虚线框20所示的根据本发明的启动电路。
在以下的说明中，将会考虑基于混合双极和CMOS技术构建集成电路，该集成电路在p-型半导体衬底上形成，在该衬底中，形成用于p-MOS晶体管的n-型隔离阱；电源端子A相对于电源端子B为正，且电源端子B形成电路的常规接地端。如果该电路在n-型衬底上形成，则所述的p-MOS晶体管由在p-型隔离阱中制造的n-MOS晶体管代替，双极晶体管将会是pnp型，电源电位将会颠倒。
首先，启动电路20包括第一p-MOS晶体管P1，其被配置成趋于复制偏置电路的支路中存在的电流。这用于检测偏置电路的正常运行，这是由于如果晶体管Q1和Q2导通(正常运行)，该第一p-MOS晶体管将导通，如果晶体管Q1和Q2关断(尽管端子A和B之间存在电源电压，偏置电路不启动)，该第一p-MOS晶体管关断。晶体管P1的源极和Q1以及Q3的源极一样连接至端子A；晶体管P1的栅极连接至Q1以及Q3的栅极。
晶体管P1与一组并联的反向偏置半导体p-n结串联，该组p-n结的作用是在P1的漏极和接地端子B之间建立漏电流路径。这些结由与衬底具有相同导电类型的半导体区形成，该半导体区扩散进入与衬底具有相反导电类型的阱中。该阱通过导体连接至第一晶体管P1的漏极。扩散进入阱中的半导体区连接至电源端子B。在这些半导体区和阱之间形成的结反向偏置，且只允许漏电流流过该结。
实际上，如下所解释的，这些结能够以和晶体管P1类似的晶体管形式(漏极和源极被栅极分开)制造。图1中，结统一由参考标记J1表示，并由几个并联的晶体管形成，该几个并联的晶体管每个都将它们的源极、栅极和漏极连接在一起，并连接至端子B。这些晶体管在单个阱中，或者在分离的阱中，并且在后一种情况下，所有的阱都连接至晶体管P1的漏极。
与结J1相关的第一晶体管，用于检测需要重启动的非正常状况。为了激活该重启动，提供第二晶体管P2，该晶体管P2的栅极连接至P1的漏极，源极(在图1的情况中直接，在图3的情况中间接)连接至电源端子A。该第二晶体管P2的漏极连接至偏置电路，并允许电流注入该电路，使得当晶体管P2导通时，该偏置电路重启动。在图1所示的偏置电路的示例中，重启动晶体管P2的漏极直接连接至npn晶体管Q4(配置为简单的二极管)的基极和发射极。
该电路如下述工作如果在电源中断或瞬变干扰后偏置电路没有重启动，则偏置电路电流镜像的支路中，电流是零，或者接近零。检测晶体管P1被配置成趋于复制晶体管Q1的电流；由于该电流非常小或者是零，晶体管P1自身将有非常小的电流或零电流流过它。但是，晶体管P1中存在漏电流，特别是晶体管P1的阱(连接至端子A)和该晶体管的漏极之间存在的结的漏电流。由于端子A上存在电源电压Vcc，漏电流从端子A流向晶体管P1的漏极，然后流向结J1的阱，该阱通过导体连接至晶体管P1的漏极。从那里，漏电流可以流经结J1，并流向接地端B。
选择结J1的尺寸，使得结J1中对漏电流的阻抗小于晶体管P1中对漏电流的阻抗。即使漏电流不公知，这也是可能的满足以下条件就足够了，选择结J1的尺寸，使得该尺寸相对于晶体管P1的漏极和源极的尺寸足够大(例如，通过使用几个并联的晶体管构造结J1，每个晶体管的尺寸与P1的尺寸相等，这些晶体管的栅极、漏极和源极连接在一起，并且漏极和源极与阱一起形成理想的结)。
因此，J1的漏阻抗和P1的漏阻抗的比例意味着当漏电流流过时，晶体管P2的栅极电位逐渐下降，使得p-MOS晶体管P2导通。然后，晶体管P2向晶体管Q4注入足够大的电流，使得偏置电路启动。
当偏置电路已经启动，晶体管P1(该晶体管趋于复制偏置电路的支路中存在的电流)趋于允许比结J1的漏电流大的多电流流过。晶体管P1的电流阻抗与结J1的电流阻抗的比例被颠倒，晶体管P2的栅极电位恢复至一个值，该值使该晶体管硬关断。
因此，启动时晶体管P2汲取的电流在它已经启动后不再被汲取。只有结J1的漏电流继续被汲取，该电流代表低稳态损耗。
图2表示集成电路衬底的横截面功能视图，可以将根据本发明的电路安装在该衬底上。
这里的衬底是p-型衬底，且将n-型阱扩散进入该衬底中。p-MOS晶体管在这些阱中形成。
运行检测晶体管P1在一个阱中形成，该阱连接至正电源端子A。P1的源极连接至该端子，栅极连接至偏置电路10，希望检测出该偏置电路的不正常运行，以使它重启动；更精确地，P1的栅极连接至晶体管Q1和Q3的栅极(图2未示出)。
晶体管P2在另一n-型阱中形成，该阱也连接至端子A；P2的源极连接至端子A；栅极连接至晶体管P1的漏极；漏极连接至偏置电路，以强迫重启动电流进入该电路；根据图1，P2的漏极连接至晶体管Q4的发射极和基极。
这里由两个并联的“晶体管”形成结J1，这两个晶体管位于分离的阱31和32中，但是实际上，优选地是使用4至10个并联的晶体管，以至于不管从一个晶体管至另一晶体管的漏电流的扩散，都保证作为一个整体的结J1的漏电流大于处于关断状态的晶体管P1的漏电流。结J1的每个阱连接至P1的漏极以及P2的栅极。两个“晶体管”中的每一个都由p-型半导体漏极区(33，35)和源极区(34，36)形成，这些区被n-型间隙分离，该n-型间隙被栅极(37，38)覆盖；每个“晶体管”的栅极、源极和漏极连接至接地端B。其中形成整个电路的该p-型半导体衬底也经由其正面和/或背面接地。
图3表示电路的改进，根据该电路改进，除了自动启动外，还可以进行偏置电路的手动启动和关闭。例如，理想的是，通过按下提供开/关逻辑信号的按钮，有意禁止偏置电路，以限制静态功率损耗，尽管端子A和B之间存在备用电源Vcc。在这种偏置电路强迫中断的情况下，翻转开/关逻辑信号，以允许电路重启动。
为了这个目的，下述配置是优选的n-MOS晶体管T1的源极连接至端子B，漏极连接至晶体管P2的漏极；当晶体管T1处于导通状态时，它将偏置电路中两条支路的晶体管Q2和Q4的基极和发射极短路，并阻止后者的运行(和电流损耗)。晶体管T1的栅极连接至反相器I1的输出，该反相器的输入端接收开/关逻辑信号(开为高电平，关为低电平)；应用关信号将晶体管T1导通。
反相器I1的输出也连接至p-MOS晶体管T2的栅极，该晶体管串联放置在端子A和晶体管P1的源极之间。晶体管T2由关信号关断，同时晶体管T1导通。它防止导通的晶体管P2和晶体管T1在“停止”模式中汲取任何电流。
反相器I1，晶体管T1和晶体管T2保证偏置电路在关断状态中没有功率损耗。
在已经手动关断电路的情况下，为了更快地手动重启动电路(然后保留较慢的自动重启动，用于电源中断的情况)，额外提供由两个n-MOS晶体管T3和T4串联的组件，一个晶体管由反相器I1的输出控制，另一个晶体管由第二反相器I2的输出控制，该第二反相器自身接收第一反相器I1的输出。该串联组件设置在激活晶体管P2的栅极和接地端B之间。它允许晶体管P2的栅极在很短的时间段(反相器I2的反应时间)内接地，这使得晶体管P2导通，并且瞬间激活启动过程。在这个很短的时间段之外，晶体管T3或T4中至少有一个处于关断状态，并且T3和T4的串联组件不汲取电流，且对晶体管P2没有影响。这个短的启动激活时间段出现在开/关信号变为用于手动启动命令的高逻辑状态的时刻晶体管T3在开关I1反相的时刻导通，而晶体管T4本身还处于导通状态，这是由于它只在反相器I2引入的轻微延迟后反应。在这个非常短的时间段内，晶体管T3和晶体管T4都导通，晶体管P2的栅极接地，P2导通。该晶体管然后立刻关断。
在如图1所示的电源电压中断的情况下，图3的配置决不会阻碍自动重启动。
权利要求
1.一种启动电路(20)，用于确保偏置电路(10)在其运行中的中断后的自动启动，其特征在于，在具有第一导电类型的集成电路衬底中，其中所述衬底包括至少一个具有相反导电类型的阱(31，32)和与所述衬底具有相同导电类型的半导体区(33，34，35，36)，所述半导体区在所述阱中形成并且与所述阱形成了p-n结，所述启动电路(20)包括-第一晶体管(P1)，或者用于检测所述偏置电路的运行状况的晶体管，所述第一晶体管连接至所述偏置电路，以至于当所述偏置电路正常运行时，它处于导通状态，并且当所述偏置电路非正常运行的情况下，它处于关断状态，所述第一晶体管与所述p-n结串联设置在两个电源端子(A和B)之间，所述半导体区(33，34，35，36)连接至其中一个电源端子(B)，所述第一晶体管(P1)的漏极通过导体连接至所述阱，-第二晶体管(P2)，或者重启动激活晶体管，所述第二晶体管的栅极连接至所述第一晶体管的漏极，通过导通所述第一晶体管，所述第二晶体管关断，并且当所述第一晶体管处于关断状态时，所述第二晶体管通过来自所述p-n结的漏电流的存在而导通。
2.如权利要求1所述的启动电路，其特征在于，所述p-n结由几个与所述衬底具有相同导电类型的半导体区形成，且所述半导体区是分离的，但是彼此电连接。
3.如权利要求2所述的启动电路，其特征在于，所述p-n结包括几个彼此电连接的分离的阱，其中至少一个半导体区扩散进入每个阱中，以便在该阱中形成基本p-n结，从而将各个基本结并联连接。
4.如权利要求3所述的启动电路，其特征在于，每个阱包括两个扩散的半导体区，这两个半导体区由一个间隙分离，所述间隙被与这两个半导体区电连接的栅极覆盖，这种装配形成了栅极、漏极和源极连接在一起的晶体管。
5.如权利要求4所述的启动电路，其特征在于，形成在所述阱中并且其栅极、漏极和源极连接在一起的所述晶体管的尺寸是所述第一晶体管(P1)尺寸的倍数。
6.如权利要求4和5中任一项所述的启动电路，其特征在于，栅极、漏极和源极连接在一起并连接至所述第二电源端子(B)的晶体管的个数至少是4个。
全文摘要
本发明涉及集成电子电路，特别涉及那些包括模拟功能的集成电子电路。更具体而言，本发明涉及启动电路，该电路用于确保偏置电路(10)在其运行中的中断后的自动启动。在具有第一导电类型的集成电路衬底中，其中该衬底包括至少一个具有相反导电类型的阱和与该衬底具有相同导电类型的半导体区，该半导体区在所述阱中形成并且与所述阱形成了p－n结(J1)，该启动电路包括第一晶体管(P1)，或者用于检测偏置电路的运行状况的晶体管，其连接至偏置电路，以便当偏置电路正常运行时，它处于导通状态，并且当偏置电路非正常运行时，它处于关断状态，该晶体管与所述p－n结串联设置在两个电源端子(A和B)之间，所述半导体区连接至其中一个电源端子(B)，第一晶体管(P1)的漏极通过导体连接至所述阱，并连接至第二晶体管(P2)的栅极，或者重启动激活晶体管，通过导通第一晶体管，第二晶体管关断，并且当第一晶体管处于关断状态时，第二晶体管通过所述p－n结中的漏电流的存在而导通。
文档编号G05F3/20GK1856757SQ200480027728
公开日2006年11月1日 申请日期2004年9月15日 优先权日2003年9月26日
发明者让-弗朗索瓦·德布鲁 申请人:Atmel格勒诺布尔公司