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精品文档-下载后可编辑一种夹层电阻结构及其应用-基础电子摘要:在模拟电路的设计中,经常会用到一种特殊的夹层电阻,但是关于该电阻的相关介绍较少。文章提出了一种夹层电阻的结构,对其原理进行了详细的分析,在此基础上,利用该夹层电阻,设计了一款支持宽工作电压范围的振荡器。,又对该振荡器进行优化改进,使其能适应3~30V的宽工作电压,并且在5.5~30V范围内保持输出频率不变,进一步阐述了该夹层电阻的原理和特性。
1引言
在集成电路的线路设计中,特别是模拟电路的设计中,不可避免地都会需要用到电阻。对于低阻值的应用,一般可以用铝线电阻、多晶电阻、N+电阻或者P+电阻等实现。对于更大一点的电阻,则可以用N阱电阻、P阱电阻或者高阻多晶等实现。对于更高阻值要求,或者阻值要求高但是占用面积要小且精度要求不高,这时候可以用倒比的MOS管或者夹层电阻来实现。顾名思义,夹层电阻就是被其他层次夹在中间的电阻,夹层电阻的方块阻值一般在5~50kΩ,随着电压的提高,还可以到100kΩ或更高。
2夹层电阻结构及原理特性分析
2.1夹层电阻的结构
在集成电路工艺中,实现夹层电阻有很多种方法。本文研究的夹层电阻就是其中的一种,它不需要通过额外增加光刻MASK层就能实现。图1为该夹层电阻的平面示意图。
图1中,夹层电阻区为低浓度的P型注入区,它主要利用工艺中的现有层次实现,比如Pbase层或者Pbody层。该P型夹层电阻区被N+和N阱完全包围,因此该结构就是一个被N+和N阱两个层次夹在中间的P型夹层电阻。
2.2夹层电阻的特性
夹层电阻的优势是阻值很高,缺点是对电压比较敏感。对该夹层电阻进行I-V扫描,起始电压为0V,步进为0.5V,结果发现如下特性:当电阻两端电压从0开始增加时,夹层电阻的阻值迅速上升,但是到电压超过4V左右后,电阻阻值虽然还是继续增加,但是此时呈现出线性上升的特性,即电阻跟随电压呈比例地上升,当电压到14~15V左右时,电阻开始急剧减小,呈现出击穿效应。把上述电阻测试时的I-V数值进行曲线拟合,得到图2.
图2中,拐点Vp约为4V,拐点Vb约为14~15V.
2.3夹层电阻的原理分析
观察该曲线,发现它很像MOS管的输出特性曲线。进一步分析其纵向结构发现,该夹层电阻实际上可以理解成一个P沟道的JFET管(结型场效应管),它的纵向剖面示意图如图3所示。
图3中,JFET管的沟道区为低浓度的P型注入区,P型沟道被N+和N阱上下夹住,因此可以把N+和N阱看成JFET管的栅极(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)。
因此在图2中,拐点Vp就是该P沟道JFET管的夹断电压,当-Vds电压超过Vp后,JFET管产生夹断,源漏电流开始趋于稳定。拐点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。
在前面的夹层电阻测试时,实际上是把PJFET管的栅端(Gate)和源端(Source)短接,形成了图4所示的连接结构。
由图4可知,只要把该JFET管的栅源短接且都接到输入工作电压Vin上,则当电压在Vp和Vb之间变化时(即VpVinVb),该JFET管的漏端就能输出恒定的电流IR.恒定电流的大小取决于该JFET管的尺寸,也即低浓度P型注入区的长度L和宽度W(见图1)。
一般来说,Vp在3~4V左右,而Vb可以在10~15V左右甚至更高,当然,由于不同工艺间的差异,Vp和Vb的大小会有所不同。
上述单器件电流源能满足输入电压在4~15V左右之间变化时,输出恒定电流。为了获得更宽的电压范围,需要对上述电路进行改进,如图5.
如图5所示,通过把两个相同大小的JFET管串联,可以适应更大的电压变化范围,此时,可以让Vin在2Vp和2Vb之间变化时(即2VpVin2Vb),在JFET管的漏端输出恒定的电流IR.而且电流的大小取决于单个JFET管的尺寸,即低浓度P型注入区的长度L和宽度W.假定Vp为4V,Vb为15V,则图5的双器件电流源结构允许的电压范围就是8~30V.
根据上述原理进行类推,当串联JFET管的个数为N(N为自然数)时(见图6),它允许的工作电压范围就是N×Vp~N×Vb,而且当N×VpVinN×Vb时,电路能输出恒定的电流。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。
3振荡器的设计
3.1振荡器的原理
利用该夹层电阻的特性,下面开始设计一款振荡器。该振荡器的设计要求为:工作电压范围为3~25V,振荡器功耗越低越好,在微安级,且希望当电压在9~25V之间变化时,振荡器的输出频率是恒定的。
在该振荡器中,由该夹层电阻(等效为P沟道JFET管)来提供恒流源,用于芯片内部振荡器的电容充放电电流。由于振荡器的振荡频率主要取决于电容充放电的电流大小,因此一旦电流恒定,则振荡频率就不变。电路要求的电压为25V,根据前面的分析,单个器件的耐压会不够,因此采用双器件串联结构,理论耐压应该可以接近30V.电路设计如图7.
图7是振荡器的简单原理示意图,实际线路在此基础上还会增加一些辅助线路。在图7中,Vosc用于控制电容的充放电状态,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。
3.2振荡器的实现和优化
在电路的实际实现中,采用了0.8μm的高压工艺。经过对出片电路的实际测试,发现随着电压升高,振荡器频率逐渐变快,当电压超过10V后,频率开始维持不变,一直到电压接近30V,频率始终不变。也就是说当电压在10~30V之间变化时,振荡器频率恒定,振荡器的工作电流在整个电压变化范围内不超过3μA.
显然,频率稳定的电压为10V,高于设计要求的9V.从前面夹层电阻的原理分析部分可以知道,为了降低频率稳定的电压,可以采用两种思路:一种是降低夹层电阻的夹断电压Vp;另一种是采用单个夹层电阻来实现恒定电流。种思路,夹断电压Vp主要取决于JFET沟道区的P型注入浓度,以及P型注入、N阱、N+这几个的结深,结深一般不好调节,而浓度也较难控制,因此实施有困难,而且电压为2×Vp,实施效果也很有限。第二种思路,主要是要提高夹层电阻的击穿电压Vb.根据对该夹层电阻的纵向结构分析可以知道,该夹层电阻的击穿首先发生在低浓度的P型注入区和上层的N+之间,也即击穿电压Vb就是N+和P型沟道区的击穿电压。
因此,尝试在低浓度的P型沟道区域上层N+的下方,用一个低浓度的N型区来外包N+,如图8.
该低浓度N型区用工艺中现成的高压N注入(即NHV)来实现,以此来提高夹层电阻的耐压。
3.3优化改进结果
电路改进设计后,经过试验验证,采用此种优化结构后,振荡器可以工作在3~30V的工作范围,而且当电压大于5.5V以后,振荡器的输出频率就不再变化,也即当电压在5.5~30V之间变化时,振荡器频率恒定,同时振荡器工作电流约为2.5
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