专利名称：一种可提供宽范围工作电压的基准电流源的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用结型场效应管来作为基准电流源的微电子领域，特别涉及一种可提供宽范围工作电压的基准电流源。*
背景技术：
在集成电路设计中，特别是在模拟电路的设计中，经常会需要用到一些基准电流源(也叫恒流源)，主要用于为电路内部各种放大器提供基准电流，当然有时也用于一些振荡器的充放电电流或者其它应用。衡量基准电流源性能好坏的主要有几个指标恒流电流的精度(也叫恒流特性)、工作电压范围、温度特性等。现有的上述基准电流源，比较常用的实现方法有如下几种
第一种，通过无源电阻和MOS管来实现。如图I所示，主要通过无源电阻R来调节基准电流的大小，该基准电流源结构简单。但缺点是精度较差，基准电流随电源变化而变化，而且如果所需电阻较大，实现起来比较占用版图面积，进而增加芯片成本。第二种，通过两个MOS管来实现。如图2所示，通过用MOS管作为有源电阻来调节基准电流的大小，优点是采用MOS管做电阻会比较节省版图面积。但缺点是该电流基准精度很差，电流随电源波动大。第三种，通过基准电压和电阻来实现。如图3所示，Vref为基准电压，Vref基本不随电源电压变化而变化，因此该基准电流精度较高。但缺点是一是需要一个高精度的基准电压，增加了电路实现的复杂度，而且会带来额外的功耗；二是不能在宽范围的工作电压下正常工作。第四种，通过PTAT电流源来实现。如图4所示，是一个与绝对温度成正比的PTAT基准电流源。该基准电流精度较高，不随电源电压变化，适用于对精度要求高的场合。但缺点是一是不能在宽范围的电源电压下工作，二是电路结构相对比较复杂。从上面的介绍和分析中可以看出，现有的这些基准电流源电路一般都是由MOS管和电阻的组合，其复杂程度由所需电流基准的精度和其它具体要求决定。上述电流基准还有一个共同的缺点，就是允许电源电压波动的范围都很小。但是在实际应用中，有些电路往往需要用在一些电源电压波动范围比较大的场合，电压波动范围从几个伏特到几十个伏特甚至更大，特别的，比如电源电压在5V 15V变化的工作场合，上述基准电流源电路结构就很难直接满足需求。为了解决宽工作电压范围的问题，如图5所示，现有技术一般采用如下解决思路首先对宽范围的输入工作电压进行预处理，即增加一个“电源管理模块”，把输入电压转换成一个较低的且相对稳定的电压，然后再把转换后的电压给“传统基准电流电路”供电。但是如此一来，不仅大大增加了线路的复杂程度，而且实现起来会大幅增加芯片面积，从而增加电路成本。
总之，现有技术的缺点主要为
第一、结构比较复杂，需要增加电源管理模块，大大增加了电路的复杂度，也增加了电路的实现成本；
第二、增加的电源管理模块会消耗功耗，增加了整个电路的电流；
第三、当工作电压范围发生变化 时，电源管理模块又要重新设计，拓展性和适应性较差。
发明内容
本发明提出了一种可提供宽范围工作电压的基准电流源，通过一种特殊的结型场效应管(JFET管)的实现结构，来解决较宽工作电压范围下的基准电流问题。为了实现上述发明目的，本发明通过采用如下技术方案来实现
一种可提供宽范围工作电压的基准电流源，包括结型场效应管，所述结型场效应管的结构为一个P沟道的JFET管，其沟道为低浓度的P型注入，可以利用工艺中的现有层次，t匕如Pbase层或者Pbody层，P型沟道被N+和NWELL完全包围(其中N+指高浓度的N型掺杂区；NWELL指N讲，低浓度N型区)，N+和NWELL作为JFET管的栅端，两个SP注入区一个作为JFET管的源端、另一个作为JFET管的漏端(SP指P+，即高浓度的P型区);SP注入区外围为有源区，把栅端和源端短接后连接到输入工作电压，漏端输出电流，所述P沟道JFET管的夹断电压为Vp (Vp主要取决P型注入的浓度，以及P型注入、NWELL、N+这几个的结深)，击穿电压为Vb (Vb主要取决于N+、P型注入的惨杂浓度)，当采用单个JFET管来作为基准电流源时，其工作电压范围为Vp Vb，即Vp <输入工作电压< Vb时，输出电流为恒定电流。一般来说，Vp在2V 3V左右，而Vb可以在IOV 15V左右甚至更高，当然，由于不同工艺间的差异，Vp和Vb的大小会有不同。因此，一般来说，如果输入电压在2V 15V之间变化时，该单JFET管电流源就能满足要求。特别地，当采用N个JFET管串联来作为基准电流源时，其中N为串联JFET管的个数且大于等于2，每个JFET管的尺寸相同(也即长度L和宽度W必须相等，否则电路的分压比会发生变化，电路就有可能会无法正常工作)，其工作电压范围为N*Vp N*Vb，即N*Vp<输入工作电压< N*Vb时，输出电流为恒定电流，此时恒定电流的大小取决于单个JFET管的沟道浓度和尺寸(即低浓度P型注入区的长度L和宽度W)。所述恒定电流的大小由P沟道JFET管的沟道浓度和尺寸决定(即低浓度P型注入区的长度L和宽度W)，一般大小在一百纳安到一百微安之间。本发明的有益效果在于可以很容易就解决宽工作电压范围下的基准电流源问题；另外，还具有线路简单，实现容易的特点；线路没有额外功耗，除了基准电流通路外，无其它消耗电流的直流通路，特别适用于低功耗应用的场合；在版图实现时，仅利用现有工艺的版图层次，并不需要额外增加版图的光刻次数；通过简单的扩展，电路可以满足更宽的工作电压范围。
图I是现有的通过无源电阻和MOS管来实现基准电流源的结构示意 图2是现有的通过两个MOS管来实现基准电流源的结构示意图；图3是现有的通过基准电压和电阻来实现基准电流源的结构示意 图4是现有的通过PTAT电流源来实现基准电流源的结构示意 图5是现有的宽范围工作电压基准电流源的结构示意 图6是本发明基准电流源的JFET管平面结构示意 图7是本发明基准电流源的JFET管剖面结构示意 图8是本发明基准电流源的JFET管的P沟道源漏电流和源漏电压特性曲线 图9是本发明基准电流源的单JFET管恒流源结构示意 图10是本发明基准电流源的双JFET管串联时恒流源结构示意图；
图11是本发明基准电流源的多JFET管串联时恒流源结构示意 图12是本发明的一种恒定频率振荡器结构应用例示意图。
具体实施例方式如图6、图7所示，分别为本发明基准电流源的JFET管平面结构、剖面结构示意图。JFET管的沟道为低浓度的P型注入，可以利用工艺中的现有层次，比如Pbase层或者Pbody层。P型沟道被N+和NWELL完全包围，因此可以把N+和NWELL看成JFET管的栅端Gate，把两个SP注入区一个看成JFET管的源端Source，另一个看成JFET管的漏端Drain, SP注入区外围为有源区T0。提出一种特殊的结型场效应管(JFET管)的实现结构，是一个P沟道的JFET管。为了实现基准电流，把JFET管的栅端Gate和源端Source短接，经过分析可以知道，该P沟道JFET管的源漏电流Ids和源漏电压Vds存在如图8所示的曲线关系。Vp为该P沟道JFET管的夹断电压，当-Vds电压超过Vp后，JFET管产生夹断，源漏电流Ids开始趋于稳定，Vp主要取决P型注入的浓度，以及P型注入、NWELL、N+这几个的结深。Vb为该P沟道JFET管的击穿电压，当-Vds电压大于Vb后，JFET管产生击穿，Ids增大，击穿电压Vb主要取决于N+、P型注入的惨杂浓度。如图9所示，把该JFET管的栅端Gate、源端Source短接且都接到输入工作电压Vin上，则当输入工作电压Vin在Vp和Vb之间变化时，该JFET管的漏端Drain就能输出恒定电流IR。恒定电流IR的大小取决于沟道浓度以及该JFET管的尺寸，即低浓度P型注入区的长度L和宽度W，如图6所示。一般来说，Vp在2V 3V左右，而Vb可以在IOV 15V左右甚至更高，当然，由于不同工艺间的差异，Vp和Vb的大小会有不同。因此，一般来说，如果输入电压Vin在2V 15V左右之间变化时，该单JFET管电流源就能满足要求。但是在实际应用时，输入工作电压Vin的范围往往是不固定的，特别是当Vb较小时，则允许的输入工作电压Vin范围就会比较小。因此为了适应更宽的输入工作电压Vin的变化范围，可以在实际应用时对上述电路进行如下变化。如图10所示，通过把两个相同大小的JFET管串联，可以适应更大的输入工作电压Vin变化范围，此时，可以让输入工作电压Vin在2Vp和2Vb之间变化(S卩2Vp < Vin < 2Vb)，在JFET管的漏端Drain输出恒定电流IR，而且电流的大小取决于单个JFET管的沟道浓度和尺寸(即低浓度P型注入区的长度L和宽度W)。假定Vp为2V，Vb为15V，则图中的双JFET管电流源结构允许的电压范围就是4V 30V。
如图11所示，根据上述原理进行类推，当串联JFET管的个数为N (N为大于2的自然数)时，它允许的工作电压范围就是N*Vp N*Vb，而且当N*Vp < Vin < N*Vb时，电路能输出恒定电流IR。需要注意的是，当进行2个以上的JFET管串联时，各个JFET管的尺寸必须相同(也即长度L和宽度W必须相等)，否则电路的分压比会发生变化，电路就有可能会无法正常工作。在这个前提下，输出恒定电流IR的大小取决于其中单个JFET管的尺寸。同样的，提出了一种基于上述发明的一种典型应用实例，如图12所示，是本发明的一种恒定频率振荡器结构应用例示意图。 在该应用中，由本发明的JFET管来提供基准电流源，用于芯片内部振荡器的电容C充放电电流。由于振荡器的振荡频率主要取决于电容C充放电的电流大小，因此一旦电流恒定，则振荡频率就稳定了。在图12中，Vosc用于控制电容C的充放电状态，JFET管提供恒定电流源IR对电容C进行充电，Vx则输出到后级的电压比较器。电路工作的时候，一开始Vosc为低电平，此时PMOS管打开，基准电流IR开始给电容C进行充电，电容C上的电压Vx逐渐上升，一旦Vx达到门限电平Vt，则比较器就翻转，从而使Vosc也发生翻转变为高电平，这时，PMOS管关断，NMOS管打开，由于NMOS管放电能力较强，电容C上的电压瞬间就被放到GND，此时Vosc又翻转变为低电平，NMOS管关断，PMOS管开始充电。就这样，通过保持充电电流的恒定，使得振荡器的振荡频率也始终保持恒定。上述电路在实际应用中，可以允许输入电压在5V 30V之间变化时，振荡器频率保持不变，而且振荡器的工作电流在整个电压变化范围内不超过 2uA。
所以，通过此种结构，可以很方便的实现在较宽工作电压变化范围的情况下，芯片的振荡频率保持恒定不变，而且整体功耗很低。
权利要求
1.一种可提供宽范围工作电压的基准电流源，其特征在于包括结型场效应管，所述结型场效应管的结构为一个P沟道的JFET管，其沟道为低浓度的P型注入，P型沟道被N+和NWELL完全包围，N+和NWELL作为JFET管的栅端(Gate)，两个SP注入区一个作为JFET管的源端(Source)、另一个作为JFET管的漏端(Drain);把栅端(Gate)和源端(Source)短接后连接到输入工作电压(Vin)，漏端(Drain)输出电流，所述P沟道JFET管的夹断电压为Vp，击穿电压为Vb，当采用单个JFET管来作为基准电流源时，其工作电压范围为Vp Vb，即Vp <输入工作电压(Vin) < Vb时，输出电流为恒定电流(IR)。
2.如权利要求I所述的可提供宽范围工作电压的基准电流源，其特征在于当采用N个JFET管串联来作为基准电流源时，其中N为串联JFET管的个数且大于等于2，每个JFET管的尺寸相同，其工作电压范围为N*Vp N*Vb，即N*Vp <输入工作电压(Vin)< N*Vb时，输出电流为恒定电流(IR)。
3.如权利要求I或2所述的可提供宽范围工作电压的基准电流源，其特征在于所述恒定电流(IR)的大小由P沟道JFET管的沟道浓度和尺寸决定，大小在一百纳安到一百微安之间。
全文摘要
本发明公开了一种可提供宽范围工作电压的基准电流源，包括结型场效应管，所述结型场效应管的结构为一个P沟道的JFET管，其沟道为低浓度的P型注入，P型沟道被N+和NWELL完全包围，N+和NWELL作为JFET管的栅端，两个SP注入区一个作为JFET管的源端、另一个作为JFET管的漏端；把栅端和源端短接后连接到输入工作电压，漏端输出电流，可采用单个或N个JFET管串联来作为基准电流源，其工作电压范围为N*Vp～N*Vb，即N*Vp＜输入工作电压＜N*Vb时，输出为恒定电流。其优点在于可实现宽工作电压范围；且线路简单、实现容易、没有额外功耗，版图实现简单；还可进行扩展，满足更宽的工作电压范围。
文档编号G05F1/565GK102654779SQ20121015254
公开日2012年9月5日 申请日期2012年5月17日 优先权日2012年5月17日
发明者从红艳, 吴海宏, 孙锋, 张勇, 曹发兵, 朱奎, 朱琪, 沈小波, 王勇, 陈钟鹏, 韩磊 申请人:中科芯集成电路股份有限公司