全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路的制作方法

1.本发明是有关一种电压参考电路，特别是关于一种超低功率(ultra-low power)全金属氧化物半导体场效应电晶体(all-mosfet)的电压参考电路。


背景技术：

2.电压参考电路是一种产生固定电压(称为参考电压或vref)的电子装置。理想上，参考电压不受制程变异(process variation)、电源供应电压及温度的影响。电压参考电路可适用于各种应用，例如电源供应、模拟至数字转换器(adc)、数字至模拟转换器(dac)及其他控制系统。
3.考量功率受到限制的应用(例如物联网(iot))的功率消耗，需要使用低功率或超低功率的电压参考电路。刘阳(yang liu)等人提出“具0.027％/v线灵敏度的0.4伏特宽温度范围全金属氧化物半导体场效应电晶体次临界电压参考(a 0.4-v wide temperature range all-mosfet subthreshold voltage reference with 0.027％/v line sensitivity)”，美国电机电子工程师学会电路与系统会刊ii：简报(ieee transactions on circuits and systems ii:express briefs)，第65册，第8号，第969～973页，2018年八月，其内容视为本说明书的一部分。刘的电压参考电路仅使用金属氧化物半导体场效应电晶体(mosfet)，不含双极性接面电晶体(bjt)与电阻器。然而，刘的电压参考电路容易受到制程变异的影响。在一些极端的制程参数(process corner)，刘的电压参考电路所产生的参考电压的百分比误差(percentage error)可高达50％。
4.因此亟需提出一种新颖的电压参考电路，以产生具有低百分比误差的参考电压。


技术实现要素：

5.鉴于上述，本发明实施例的目的之一在于提出一种全金属氧化物半导体场效应电晶体(all-mosfet)的电压参考电路，所产生的参考电压具有稳定偏压电流与低百分比误差的参考电压。
6.根据本发明的实施例，全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路包含第一串接支路、第二串接支路、第三串接支路及放大器。第一串接支路用以产生偏压电流，且包含串接的第一电流源与二极管连接形式的第一n型电晶体，其连接于第一连接节点，且位于电源供应电压与地之间。第二串接支路包含串接的第二电流源、二极管连接形式的第二n型电晶体及第三n型电晶体，其中第二n型电晶体设于第二电流源与第三n型电晶体之间，第二n型电晶体与第三n型电晶体连接于第二连接节点，且第二n型电晶体与第三n型电晶体的闸极连接在一起。第三串接支路包含串接的第三电流源与二极管连接形式的第四n型电晶体，连接于输出节点以提供参考电压，且偏压电流镜射至第三电流源。放大器的非反向节点连接至第一连接节点，且反向节点连接至第二连接节点。第三n型电晶体的临界电压大于第二n型电晶体的临界电压。
7.较佳地，该第三n型电晶体包含适用于较高电源供应电压的金属氧化物半导体场
效应电晶体，该较高电源供应电压高于该全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路的电源供应电压。
8.较佳地，该第二n型电晶体包含适用于该全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路的电源供应电压。
9.较佳地，该第一n型电晶体使用具有标准型态临界电压的金属氧化物半导体场效应电晶体，该标准型态临界电压大于中等型态临界电压。
10.较佳地，该第一电流源包含第一p型电晶体，该第二电流源包含第二p型电晶体，且该第三电流源包含第三p型电晶体。
11.较佳地，该第一p型电晶体的源极连接至电源供应电压，该第一p型电晶体与该第一n型电晶体的汲极连接于该第一连接节点，且该第一n型电晶体的源极连接至地。
12.较佳地，该第二p型电晶体的源极连接至电源供应电压，该第二p型电晶体与该第二n型电晶体的汲极连接在一起，该第二n型电晶体的源极与该第三n型电晶体的汲极连接在一起，且该第三n型电晶体的源极连接至地。
13.较佳地，该第三p型电晶体的源极连接至电源供应电压，该第三p型电晶体的汲极连接至该输出节点；该第一p型电晶体、该第二p型电晶体及该第三p型电晶体的闸极连接在一起；且该第四n型电晶体的汲极连接至该输出节点，源极连接至地。
14.较佳地，该放大器的输出端连接至该第一p型电晶体、该第二p型电晶体及该第三p型电晶体的闸极。
15.较佳地，更包含：防噪音电容器，连接于该放大器的输出端与电源供应电压之间。
16.借由上述技术方案，本发明至少具有以下优点效果：本发明全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路能够产生具有稳定偏压电流与低百分比误差的参考电压。
附图说明
17.图1显示本发明实施例的全金属氧化物半导体场效应电晶体(all-mosfet)的电压参考电路的方框图。
18.图2显示图1的全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路的电路图。
19.图3所示表格例示位于一些制程参数的中等型态临界电压与标准型态临界电压及相应制程变异百分比。
20.【主要元件符号说明】
21.100:全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路
22.11:电流产生器
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111:放大器
23.12:主动负载
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vdd:电源供应电压
24.ibias:偏压电流
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vref:参考电压/输出节点
25.b:第一连接节点
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a:第二连接节点
26.mp1:第一p型电晶体
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mp2:第二p型电晶体
27.mp3:第三p型电晶体
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mn1:第一n型电晶体
28.mn2:第二n型电晶体
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mn3:第三n型电晶体
29.mn4:第四n型电晶体
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cc:防噪音电容器
30.cl:负载电容器
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vth:临界电压
具体实施方式
31.图1显示本发明实施例的全金属氧化物半导体场效应电晶体(all-mosfet)的电压参考电路100的方框图，图2显示图1的全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路100的电路图。
32.在本实施例中，全金属氧化物半导体场效应电晶体的电压参考电路(以下简称电压参考电路)100主要包含电流产生器11，用以产生偏压电流ibias与参考电压vref；与主动负载(active load)12，接收参考电压vref。
33.本实施例的电流产生器11可包含第一串接支路(cascaded branch)，其包含串接的第一电流源(例如第一p型电晶体mp1)与二极管连接形式(diode-connected)(亦即连接闸极与汲极)的第一n型电晶体mn1，连接于第一连接节点b。其中，第一电流源连接至电源供应电压vdd(在本实施例为1.8伏特)，且第一n型电晶体mn1连接至地。详细来说，第一p型电晶体mp1的源极连接至电源供应电压vdd，第一p型电晶体mp1与第一n型电晶体mn1的汲极连接于第一连接节点b，且第一n型电晶体mn1的源极连接至地。如图所示，偏压电流ibias可流经第一串接支路，亦即流经第一p型电晶体mp1与第一n型电晶体mn1。
34.本实施例的电流产生器11可包含第二串接支路，其包含串接于电源供应电压vdd与地之间的第二电流源(例如第二p型电晶体mp2)、二极管连接形式的第二n型电晶体mn2及第三n型电晶体mn3。其中，第二n型电晶体mn2设于第二电流源与第三n型电晶体mn3之间。第二电流源连接至电源供应电压vdd，且第三n型电晶体mn3连接至地。第二n型电晶体mn2与第三n型电晶体mn3连接于第二连接节点a。特别的是，第二n型电晶体mn2与第三n型电晶体mn3的闸极连接在一起。详细来说，第二p型电晶体mp2的源极连接至电源供应电压vdd，第二p型电晶体mp2与第二n型电晶体mn2的汲极连接在一起。第二n型电晶体mn2的源极与第三n型电晶体mn3的汲极连接在一起，且第三n型电晶体mn3的源极连接至地。
35.本实施例的电流产生器11还可包含串接于电源供应电压vdd与地之间的第三串接支路，其包含第三电流源(例如第三p型电晶体mp3)与二极管连接形式的第四n型电晶体mn4。第三p型电晶体mp3的源极连接至电源供应电压vdd，第三p型电晶体mp3与第四n型电晶体mn4的汲极连接于输出节点，以提供参考电压vref。第四n型电晶体mn4的源极连接至地。第一p型电晶体mp1、第二p型电晶体mp2及第三p型电晶体mp3的闸极连接在一起。偏压电流ibias镜射(mirror)至第三p型电晶体mp3。
36.本实施例的电流产生器11可包含放大器111，其非反向(non-inverting)节点(+)连接至第一连接节点b，反向节点(-)连接至第二连接节点a。借此，第一n型电晶体mn1与第三n型电晶体mn3的汲极被强迫为相同电位。放大器111的输出端连接至第一p型电晶体mp1、第二p型电晶体mp2及第三p型电晶体mp3的闸极。此外，防噪音电容器cc可连接于放大器111的输出端与电源供应电压vdd之间。根据上述的电流产生器11，偏压电流ibias可镜射至第三p型电晶体mp3，再借由输出节点vref而进入主动负载12。在本实施例中，主动负载12可包含负载电容器cl，连接于输出节点vref与地之间。
37.对于前述刘的电压参考电路，为了确保流经第一n型电晶体(其连接至放大器的非反向节点)的偏压电流足够大，刘的第一n型电晶体必须使用具有(较小)中等型态(medium-type)临界电压的金属氧化物半导体场效应电晶体(mosfet)。然而，此种型态的电晶体具有较大制程变异百分比，可高达38％，使得偏压电流的范围从90na(纳安培)至0.8na，因此所
产生的参考电压的百分比误差可高达50％。
38.反观本实施例的特征之一，第一n型电晶体mn1使用具有(较大)标准型态(standard-type)临界电压的金属氧化物半导体场效应电晶体，其制程变异百分比远小于具有(较小)中等型态(medium-type)临界电压的金属氧化物半导体场效应电晶体。
39.图3所示表格例示位于一些制程参数(process corner)的中等型态临界电压(vth)与标准型态临界电压及相应制程变异百分比。
40.本实施例的第一n型电晶体mn1使用具有(较大)标准型态临界电压的金属氧化物半导体场效应电晶体，而非如刘使用具有(较小)中等型态临界电压的金属氧化物半导体场效应电晶体。本实施例为了维持流经第一n型电晶体mn1的偏压电流ibias使其不致于变小，根据本实施例的另一特征，第三n型电晶体mn3包含适用(设计)于较高电源供应电压的金属氧化物半导体场效应电晶体，该较高电源供应电压高于电压参考电路100的电源供应电压vdd，然而第二n型电晶体mn2仍然包含适用于电源供应电压vdd的金属氧化物半导体场效应电晶体。在本实施例中，电压参考电路100的电源供应电压vdd为1.8伏特，且第三n型电晶体mn3包含适用于较高电源供应电压(1.8伏特)的金属氧化物半导体场效应电晶体，然而第二n型电晶体mn2仍然包含适用于电源供应电压vdd(1.8伏特)的金属氧化物半导体场效应电晶体。因此，第三n型电晶体mn3的临界电压大于第二n型电晶体mn2，因而得以拉高第二连接节点a的电位。
41.由于(第二/第一)连接节点a与b的电压被(放大器)强迫为相同电位，因此第一连接节点b的电位也会被拉高，因而增大流经第一n型电晶体mn1的偏压电流。
42.对于前述刘的电压参考电路，第二n型电晶体与第三n型电晶体必须使用相同的具有标准型态临界电压的金属氧化物半导体场效应电晶体，且适用于电源供应电压vdd，否则刘所要求的效能即无法达到。
43.相较于刘的电压参考电路的偏压电流范围从90na(纳安培)至0.8na且百分比误差高达50％，本实施例的电压参考电路100所产生偏压电流的范围从20na至8.2na，使得所产生参考电压vref的百分比误差可降低至6％。
44.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。