专利名称：超低电流发生器和使用这样的发生器的电压调节器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电流发生器。本发明也涉及一种使用这样的发生器的电压调节器。其特别适用于在集成电路中产生超低电流，其在温度和供电电压的波动方面是准稳态的。本发明也适用于生产具有非常低的电压降的串型稳态电压调节器，而不用管输入处的电能来源。
背景技术：
机载硬件的重量依然是飞机的主要限制。电气，电子和计算机系统复杂度的增加使得飞机内的配线变得更多。如此一来，数百公里的铜缆在飞机内部穿过，这导致飞机机载硬件总重量的增加。考虑到涉及的长度，使用具有较小密度例如由铝制造的导线不足以解决问题。一个有效的方法在于消除配线电缆的最大值，以及在于采用自主的能量源来为多个部件供电。示例性的应用特别涉及位于飞机内多个位置处的多个传感器。那么，消除配线的解决方案在于在每个传感器或每组传感器附近放置自主的能量源。由于电池过短的使用寿命以及拙劣的温度特性，在航空电子部分不可能使用电池。一种解决方案在于使用再生环境能源例如热换能器的能量源。这样就可能使用利用 “塞贝克” (keback)效应或逆向珀尔贴(Pelletier)效应的换能器。这些换能器利用存储在换能器内部大量的水和周围空气的温度差来产生电动势差，这种温度差是由水和空气的热惯性之差或者其它任何温度梯度带来的。在飞机的例子中，由于所述热惯性，在飞行过程中水的温度和空气的温度演变不同。可以使用其它类型的换能器，特别是例如利用飞机的机械振动的机械式换能器。这些换能器包括具有多个分支的非常小尺寸的梁(beam)，传递到这些梁的振动产生电能。这些换能器提供的电压或电流随着时间的变化是不稳定的。所以它们不能直接地为电子元件供电。已知的是使用电压或电流调节器，其输入连接至不稳定电源例如换能器， 并且提供规定的电压例如3V作为输出。由于上述换能器产生的低能量水平，所以有必要制造消耗非常低能量水平的调整器，其因此具有非常低的电压降和非常小的偏置电流，同时还要顾及到生产的限制，特别是作为集成电路。
发明内容
所以本发明的目的特别是允许集成电路的生产消耗最小的电流，该电流典型的在纳米功率部分，具有几纳瓦的量级。为了该目的，本发明的主题是使用场效应晶体管的电流发生器，其至少包括-晶体管Pl，P2，P3构成的第一组Q，该晶体管Pl，P2，P3连接为电流镜并能够连接至供电电压Vdd;-晶体管Ni，N2构成的第二组Q-1，该晶体管Ni，N2连接为电流镜，其沟道具有与第一组的晶体管相反的极性，每个晶体管Ni，N2串联连接至第一组的晶体管；-第二组的第一晶体管附与具有相同极性沟道的晶体管N3R串联连接，且其与晶体管N4连接为电流镜，该晶体管N4串联连接第一组的最后晶体管P3 ；晶体管N3R能够在其线性区工作，所产生的电流的值取决于该晶体管的等效电阻 Req,晶体管N3R和N4具有超长的沟道，所以L/W的比值至少大于数百，L为沟道的长度以及 W为沟道的宽度，确定L的值，W的值和比值L/W的值以在同一时间得到针对供电电压的变化的稳定的电流值，而且还得到针对温度的准稳定的电流值，而且还得到这些相同晶体管的针对温度的非常稳定的电压VGS。比值L/W可以至少大于500，以及宽度W可以是0. 6 μ m的量级。有利的，发生器能够用于作为电压参考VKef，所述的参考提供在晶体管N3R和N4的栅极的电平处。第一组的晶体管Pl，P2，P3为例如P-沟道型。本发明的另一个主题为电压调节器，用于在输入电压和输出电压Vs之间进行调节，其采用场效应晶体管，该调节器至少包括-如前所述的电流发生器；-P沟道场效应输出晶体管P5，其源极连接至所述调节器的输入电压，以及在其漏极上产生输出电压；-运算放大器，其负输入连接至所述发生器的参考电压；-P沟道晶体管P4，其与所述发生器的第一组的晶体管相连作为电流镜；-N沟道晶体管N5，其与所述发生器的第二组的晶体管相连作为电流镜；-在晶体管P4和晶体管N5之间连接的一对晶体管(附0，P10)，该对晶体管包括N 沟道型的第一晶体管附0，和ρ沟道型的第二晶体管P10，第一晶体管mo的栅极和漏极一起连接于第二晶体管Pio的源极，第二晶体管PlO的源极连接于晶体管P4的漏极和输出晶体管P5的漏极，第一晶体管mo的源极和第二晶体管Pio的漏极一起连接于运算放大器的正输入以及晶体管N5的漏极，第一晶体管mo的沟道非常长，所以比值L/W非常大，L为沟道的长度以及W为沟道的宽度；当晶体管NlO打开到开启状态时，在晶体管N4的端子之间呈现的电压步长被复制到晶体管mo的端子之间，根据电压步长的增加的输出电压取决于晶体管mo的控制。有利的，调节器包括在晶体管P4和晶体管N5之间串联连接的例如K个晶体管对 (ΝΙΟ, P10), (Nil, Pll),(附2，P12)，其中K大于1，当打开至开启状态时，对中的每个第一晶体管mo，Nil, N12在这些端子之间呈现所述电压步长V,ef，调节器包括控制晶体管对的装置，输出电压根据施加到晶体管上的控制状态的结合取决于给定数目的电压步长Vref。
带着结合所附附图提供的下述描述的目的，本发明的其它特性和优点将变得明晰，所附附图表示-图1，自主电力供电系统的示意图；-图加至2c，示例性的热换能器以及其操作的图；-图3，具有串联调节的、使用至少一个换能器作为自主能量源的自主电力供电系统的更详细的图；-图如至4d，根据现有技术的产生非常低电流的例子；
-图5，在本发明中使用的用于产生电流的示例性电路；-图6，场效应晶体管结构的提示；-图7，具有根据本发明的装置中所使用的超长沟道的场效应晶体管的拓扑图；-图8a和8b，通过拓扑视图以及通过截面视图的更详细的根据本发明的发生器中所用的具有超长沟道的场效应晶体管的实施例的图；-图9，根据本发明的调节器的示例性实施例；-图10，根据本发明的调节器的另一个示例性实施例；-图11，用于具有塞贝克效应热换能器作为自主能量源的应用的电压曲线图。
具体实施例方式图1以示意性方式示出了基于能量再生装置的自主电力供电系统。其包括在输入处的换能器1，用于将物理现象，例如温差或者振动，转换成电能。换能器1之后接变换器 2，其用于将换能器产生的电压转换成直流(DC)电压。当然，换能器输出的电压可以是连续的，交变的或者更一般的是周期性的。在所有的情况中，其都由变换器2转换成DC电压，该 DC电压还不能由电子元件使用。变换器2之后接有存储元件3，例如具有非常高容量的电容器。最终，调节器4产生根据所需精确度水平具有在给定变化范围内的参考电压V。图2a，2b和2c示出了利用塞贝克效应的热换能器的操作。更准确的，图加示出了这种换能器的组成元件。在例如将换能器安装在飞机上的情况中，其包括水21和空气22 的储备，该水和空气储存在由热绝缘体23制成的容器中，该容器由与空气流沈拂过的金属壁25接触的热偶发电器M封闭。图2b通过两根曲线观，29示出了空气和水的温度随着时间的演变过程。第一曲线观示出了在起飞阶段201期间，在巡航阶段202期间以及在着陆阶段203期间空气温度的连续变化。第二曲线四示出了在相同阶段水的温度的演变过程。 图2c通过第一曲线271和第二曲线272分别示出了空气和水之间的温度差ΔΤ的轮廓图和换能器产生的输出电压在前述阶段201，202和203随着时间变化的轮廓图。产生的电压 272在整个飞机飞行的阶段显示出具有单个交变(alternation)的正弦曲线的轮廓图。图3更详细的示出了在有两个自主能量再生源的情况中图1类型的能量再生链。 该系统包括第一换能器1，其为例如图加到2c所示的热换能器。这种换能器能够提供包括在低至微瓦(μ W)级高至几毫瓦(mW)级的范围内的电功率。由换能器1产生的电压经变换器2整流成直流电压，变换器2的输出连接至电能存储元件3，例如存储式超级电容器。该系统还包括第二换能器10。这是一种利用机械振动的机械换能器。如前所述这种类型的换能器包括传递振动的梁，基于此产生电能。这种换能器10能够提供几纳瓦(nW) 至几微瓦(yW)范围的电功率。所产生的电压通过变换器2转换成直流电压。该变换器的输出为作为能量存储和变换器2的有源二极管的预偏置的电容器30充电。由于涉及到较低的功率，电容器30具有小于之前的电容器3的电容量。存储电容器3，30的输出连接至调节器的输入，这些输出被连接至例如第一电容器3和第二电容器30的输出支路的二级管电路31隔离。更特别的，电容器3，30通过隔离电路31连接至MOS型晶体管32的输入，晶体管32的输出产生所需的调节电压，例如等于3伏特。在航空应用中，由于梁正好从第一次振动就能再生能量，第二换能器10使得可能在飞机一启动到就能获得电压。由于如图2c 所示在起飞阶段201期间产生的电压是缓慢建立的，使用具有塞贝克效应的热换能器不可能在飞机启动时就得到电压。换能器的布图是传统的串型。所以其包括晶体管32，晶体管32的栅级由承担调节功能的运算放大器装置33的输出控制。出于该目的，运算放大器33的一个输入连接至晶体管32的输出，以及另一个输入连接至对应于所需的调节电压的参考电压35。所以所得到的电压使得可能例如为一个或多个传感器34以及可选的特别包含能量管理单元37的微处理器系统供电。该单元通过合适的接口控制例如串型调节器所用的电压参考。电路36提供用于运算放大器和低击穿二极管的偏置电流。根据本发明的电路使得可能得到几纳安(nA)量级的偏置电流。举例来说，在此将采用IOnA的偏置电流。图如至4d示出了根据现有技术可能得到电流I = IOnA的布图。在图如所示的第一布图中，电阻Rl串联连接在供电电压Vdd和场效应晶体管m 之间，场效应晶体管W的漏极连接至栅极，源极连接到地电位。在这里，根据传统术语场效应晶体管将被称为MOS晶体管。根据电流镜类型的布图，第二 MOS晶体管N2与晶体管m 共栅连接。两个晶体管Ni，N2的源极连接到地电位。电流I流过的电阻Rl，由以下关系式给出
权利要求
1.一种使用场效应晶体管的电流(I)发生器，其特征在于其包括至少-连接为电流镜并能够连接至供电电压(Vdd)的晶体管(Pl，P2，P3)构成的第一组 (41) Q ；-连接为电流镜的晶体管(附，拟)构成的第二组Q-1，第二组的晶体管的沟道具有与第一组的晶体管相反的极性，每个晶体管(N1，N2)串联连接到第一组Gl)的晶体管；-第二组的第一晶体管(Ni)与具有相同极性沟道的称为N3R的晶体管串联连接，晶体管N3R与称为N4的晶体管连接为电流镜，该晶体管N4与第一组的最后晶体管(P3) 串联连接；晶体管N3R能够在其线性区工作，所产生的电流(I)的值取决于该晶体管的等效电阻 (Req)，晶体管N3R和N4具有超长的沟道(72)，所以L/W的比值至少大于数百，L为沟道的长度以及W为沟道的宽度，W的值和L/W的值被确定以得到针对供电电压变化的稳定的电流值。
2.如权利要求1所述的使用场效应晶体管的电流发生器，其特征在于所述L/W的比值至少大于500。
3.如在前任一项权利要求所述的使用场效应晶体管的电流发生器，其特征在于宽度W 为0.6μπι的量级。
4.如在前任一项权利要求所述的使用场效应晶体管的电流发生器，其特征在于所述电流发生器能够用作电压参考(Vref),所述参考提供在晶体管N3R和Ν4的栅极(A)的电平处。
5.如在前任一项权利要求所述的使用场效应晶体管的电流发生器，其特征在于第一组 (41)的晶体管(Ρ1，Ρ2，Ρ3)为P沟道型。
6.一种电压调节器，用于在输入电压(91)和输出电压(Vs)之间调节，该电压调节器采用场效应晶体管，其特征在于该电压调节器包括至少-如权利要求4和5所述的电流发生器(90)；-P沟道场效应输出晶体管(PO，该P沟道场效应输出晶体管(PO的源极连接至所述调节器的输入电压，以及在该P沟道场效应输出晶体管(PO的漏极上产生输出电压；-运算放大器(93)，该运算放大器(9 的负输入连接至所述发生器的参考电压；-称为P4的P沟道晶体管，与所述发生器的第一组Gl)的晶体管相连作为电流镜；-称为N5的N沟道晶体管，与所述发生器的第二组的晶体管相连作为电流镜；-在晶体管P4和晶体管N5之间连接的一对晶体管(mo，P10)，该对晶体管包括N沟道型的第一晶体管(NlO)，和P沟道型的第二晶体管(PlO)，第一晶体管(NlO)的栅极和漏极一起连接于第二晶体管(PlO)的源极，第二晶体管(PlO)的源极连接于晶体管P4的漏极和输出晶体管(PO的漏极，第一晶体管(NlO)的源极和第二晶体管(PlO)的漏极一起连接至运算放大器(如)的正输入以及晶体管N5的漏极，第一晶体管(mo)的沟道非常长，所以比值L/W非常大，L为沟道的长度以及W为沟道的宽度；当晶体管mo切换到开启状态时，在晶体管mo的端子之间复制了在晶体管N4的端子之间呈现的电压步长(U，根据电压步长的增加的输出电压取决于晶体管NlO的控制。
7.如权利要求6所述的电压调节器，其特征在于其包括在晶体管P4和晶体管N5之间串联连接的K对晶体管((N10，P10)，(Nil, Pll),(附2，P12))，当被切换至开启状态时，对中的每个第一晶体管(WO，Nil, N12)在这些端子之间呈现出所述电压步长(Vref),所述调节器包括控制晶体管对的装置，输出电压根据施加到晶体管对上的控制状态的结合取决于给定数目的电压步长(U。
8.如权利要求7所述的电压调节器，其特征在于所述第一晶体管(mo，mi，m2)插入到具有超长沟道的晶体管(71，72，73，74)的区域。
9.如权利要求8所述的电压调节器，其特征在于所述第一晶体管(N10，N11，N12)以相对于晶体管M对称的方式布置，所述第一晶体管(mo，mi，m》具有与晶体管M相同的结构。
全文摘要
本发明涉及一种超低电流发生器和使用这样的发生器的电压调节器。电压调节器包括晶体管(P1，P2，P3)构成的第一组(41)Q，晶体管(P1，P2，P3)连接为电流镜，以及能够连接至供电电压(Vdd)；晶体管(N1，N2)构成的第二组Q-1，晶体管(N1，N2)连接为电流镜，每个晶体管串联连接到第一组的晶体管；第二组的第一晶体管(N1)与晶体管N3R串联连接，晶体管N3R与晶体管N4连接为电流镜，晶体管N4串联连接至第一组的最后晶体管(P3)。晶体管N3R在其线性区工作，所产生的电流的值取决于该晶体管的等效电阻，两个晶体管具有超长的沟道，所以L/W的比值非常大。
文档编号G05F1/56GK102411392SQ20111032495
公开日2012年4月11日 申请日期2011年9月19日 优先权日2010年9月17日
发明者C·范海克 申请人:泰勒斯公司