DE10163633A1

DE10163633A1 - Stromquellenschaltung

Info

Publication number: DE10163633A1
Application number: DE10163633A
Authority: DE
Inventors: Jochen Rudolph
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-10
Also published as: DE50205270D1; EP1321843B1; EP1321843A1; US6690229B2; US20030117210A1; JP2003223232A; JP4157928B2; ATE313109T1

Abstract

Bei einer Stromquellenschaltung, bei welcher ein erster und ein zweiter MOS-Feldeffekttransistor eine Stromspiegelschaltung bilden, wobei dem ersten MOS-Feldeffekttransistor über einen in Kaskode geschalteten dritten MOS-Feldeffekttransistor ein Referenzstrom zuführbar ist und die Drain-Elektrode eines mit dem zweiten MOS-Feldeffekttransistor in Kaskode geschalteten vierten MOS-Feldeffekttransistor einen Ausgang bildet, sind die Source-Elektroden des dritten und des vierten MOS-Feldeffekttransistors an Eingänge eines Regelverstärkers angeschlossen, dessen Ausgang mit der Gate-Elektrode des vierten MOS-Feldeffekttransistors verbunden ist. Der vierte MOS-Feldeffekttransistor ist ein Extended-drain-MOS-Feldeffektransistor. Die Drain-Elektrode und die Gate-Elektrode des vierten MOS-Feldeffekttransistors sind über einen weiteren MOS-Feldeffekttransistor miteinander verbunden, dessen Gate-Elektrode mit einer Betriebsspannung für die Schaltung beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromquellenschaltung, bei welcher ein erster und ein zweiter MOS-Feldeffekttransistor eine Stromspiegelschaltung bilden, wobei dem ersten MOS- Feldeffekttransistor über einen in Kaskode geschalteten dritten MOS-Feldeffekttransistor ein Referenzstrom zuführbar ist und die Drain-Elektrode eines mit dem zweiten MOS- Feldeffekttransistor in Kaskode geschalteten vierten MOS-Feldeffekttransistors einen Ausgang bildet.
Für verschiedene schaltungstechnische Zwecke werden Stromquellen benötigt, die eine möglichst hohe Ausgangsimpedanz aufweisen sollten. Je höher die Ausgangsimpedanz, desto geringer ist die Abhängigkeit des Ausgangsstroms von der anliegenden Spannung.
Eine einfache Stromspiegelschaltung besteht aus zwei Transistoren, insbesondere MOS- Feldeffekttransistoren, deren Source- und Gate-Elektroden jeweils miteinander verbunden sind. Ferner sind die Gate-Elektrode und die Drain-Elektrode des einen Transistors miteinander verbunden und werden von einem Referenzstrom beaufschlagt. Der Drain-Elektrode des anderen MOS-Feldeffekttransistors kann dann der gewünschte Ausgangsstrom entnommen werden. Dieser ist jedoch von der am anderen MOS-Feldeffekttransistor - im folgenden auch Ausgangstransistor genannt - anliegenden Spannung abhängig, da dessen Parameter spannungsabhängig sind.
Eine Verminderung dieser Abhängigkeiten ist mit Kaskode-Schaltungen möglich, wie sie beispielsweise in US 5,844,434 dargestellt sind. Zur weiteren Stabilisierung des Stroms ist es beispielsweise aus JP 0060061859 AA bekanntgeworden, die Source-Elektrode des Ausgangstransistors durch Steuerung der Gate-Elektrode auf konstantes Potential zu regeln. Damit wird die Ausgangsimpedanz gegenüber einer einfachen Kaskode-Schaltung um die Schleifenverstärkung erhöht.
Diese hohe Ausgangsimpedanz steht bei Realisierung in einem Sub-micron-Prozess jedoch nur in einem begrenzten Ausgangsspannungsbereich zur Verfügung. Bei höheren Ausgangsspannungen fließt aufgrund des Hot-carrier-Effekts ein Substratstrom direkt vom Drain des Kaskode-Transistors zum Substrat. Dieser Substratstrom wird durch die Regelung nicht beeinflußt und führt zu einer drastischen Verringerung der Ausgangsimpedanz. Selbst durch höhere Kanallänge des Ausgangstransistors läßt sich die Reduktion der Ausgangsimpedanz nur geringfügig kompensieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromquellenschaltung anzugeben, die in einem großen Ausgangsspannungsbereich eine hohe Ausgangsimpedanz aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Source-Elektroden des dritten und des vierten MOS-Feldeffekttransistors an Eingänge eines Regelverstärkers angeschlossen sind, dessen Ausgang mit der Gate-Elektrode des vierten MOS-Feldeffekttransistors verbunden ist, daß der vierte MOS-Feldeffekttransistor ein Extended-drain-MOS- Feldeffekttransistor ist und daß die Drain-Elektrode und die Gate-Elektrode des vierten MOS-Feldeffekttransistors über einen weiteren MOS-Feldeffekttransistor miteinander verbunden sind, dessen Gate-Elektrode mit einer Betriebsspannung für die Schaltung beaufschlagt ist.
Da die eingangs genannten Probleme bei n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren wesentlich gravierender auftreten, ist eine Ausgestaltung der Erfindung derart besonders vorteilhaft, daß der Extended-drain-MOS-Feldeffekttransistor ein Extended-drain-n-well-MOS-Feldeffekttransistor ist und daß der weitere MOS-Feldeffekttransistor ein p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor ist.
Die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung weist den Vorteil einer hohen Ausgangsimpedanz über einen sehr großen Ausgangsspannungsbereich auf, wobei die Ausgangsspannung die für diese Technologie zulässige Betriebsspannung überschreiten kann. Zum Erreichen dieser Eigenschaften werden keine zusätzlichen Maskenschritte für spezielle Hochvolttransistoren benötigt. Ferner kann die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung auch bei einer Ausgangsspannung betrieben werden, die höher als die Betriebsspannung der übrigen Schaltung ist. Außerdem weist die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung eine hohe Genauigkeit des Stromspiegelverhältnisses im Betriebsspannungs-, Ausgangsspannungs- und Temperaturbereich auf.
Die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung dient als Stromspiegel, wenn der Referenzstrom von außen zugeführt wird. Mit einer internen Referenzstromquelle stellt die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung auch eine hochgenaue Stromquelle dar.
Neben der hohen Ausgangsimpedanz in einem großen Ausgangsspannungsbereich weist die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung den Vorteil auf, daß sie im Gegensatz zu anderen bekannten Schaltungen nicht zerstört wird, wenn am Ausgangstransistor eine Spannung anliegt, während die Schaltung selbst, also der Regelverstärker und weitere Schaltungselemente noch nicht mit einer Betriebsspannung versorgt werden. Schließlich hat die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung den Vorteil, daß sie in hochintegrierten Standard-CMOS-Technologien einsetzbar ist. Durch die Vermeidung des Hot-carrier- Effekts bei hohen Ausgangsspannungen erhöht sich außerdem die Lebensdauer der Stromquellenschaltung.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromquellenschaltung besteht darin, daß mit dem weiteren MOS-Feldeffekttransistor mindestens ein als Diode geschalteter MOS-Feldeffekttransistor in Reihe geschaltet ist.
Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist derart ausgebildet, daß der Ausgang des Regelverstärkers über einen Widerstand mit der Gate-Elektrode des vierten MOS-Feldeffekttransistors verbunden ist, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, daß der Regelverstärker von einem Operational-transconductance-amplifier gebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung wird vermieden, daß für den Fall einer Spannung am Ausgangstransistor, die höher als die Betriebsspannung ist, der von dem weiteren MOS-Feldeffekttransistor zur Gate-Elektrode geleitete Strom durch ausgangsseitig im Regelverstärker befindliche Dioden kurzgeschlossen wird.
Extended-drain-MOS-Feldeffekttransistoren, die auch lightly doped drain n-well transistor oder lightly doped drift region transistor genannt werden, sind beispielsweise beschrieben in: Y. Q. Li, C. A. T. Salama, M. Seufert, M. King "Submicron BiCMOS compatible highvoltage MOS transistors", ISPSD Proc., 1994, pp. 355-359.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei sind - von näher angegebenen Ausnahmen abgesehen, die Transistoren als n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren ausgebildet.
Ein erster MOS-Feldeffekttransistor 1 und ein zweiter MOS-Feldeffekttransistor 2 stellen den eigentlichen Stromspiegel dar, dem über einen Eingang 5 ein Referenzstrom Iin zugeführt werden kann. Eine Stromspiegelschaltung ist an sich bekannt und braucht im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht näher erläutert zu werden. Es sei jedoch kurz erwähnt, daß der dem Ausgang 6 entnehmbare Strom Iout in einem durch Transistorgeometrien bestimmten Verhältnis zum Referenzstrom Iin steht. Um die Wirkung verschieden hoher Spannungen am Eingang 5 und am Ausgang 6 zu vermindern, ist ein dritter Transistor 3 mit einer bei 14 zugeführten Vorspannung und ein vierter Transistor dem ersten und zweiten Transistor jeweils in Kaskode zugeschaltet, wobei der MOS- Feldeffekttransistor 4 im folgenden auch Ausgangstransistor genannt wird. Außerdem werden in einem OTA (Operational-transconductance-amplifier) 7 die beiden Source-Spannungen der Kaskode-Transistoren 3, 4 miteinander verglichen, wodurch ein Steuersignal entsteht, das über einen Widerstand 8 der Gate-Elektrode des Ausgangstransistors 4 zugeführt wird. Zur Dämpfung der Schwingneigung der Regelschleife ist ein MOS-Feldeffekttransistor 9 als Kapazität zwischen den Ausgang des OTA 7 und Massepotential geschaltet.
Der Trend moderner CMOS-Technologien geht zu weiterer Verringerung der Transistorabmessungen und Verringerung der Gate-oxide-Dicke der Transistoren. Damit verbunden ist eine Reduzierung der Versorgungsspannung solcher in Deep-submicron-Technologie gefertigter Chips. In bestimmten Applikationen, wie zum Beispiel Interface mit Chips höherer Versorgungsspannung oder Ansteuerung von Leistungstreibern, ist es erforderlich, daß die Ausgangsstufe eine höhere Spannung als die eigene, für diese Technologie zulässige Versorgungsspannung annehmen kann. Für solche "High-voltage"-Applikationen stellt dabei die Lebensdauer der in der Ausgangsstufe zum Einsatz kommenden Transistoren das Hauptproblem dar.
Durch den Einsatz eines Extended-drain-Transistors wird bei geeigneter Dimensionierung der n-Well-drift-region eine hohe Lebensdauer bis zur maximalen Ausgangsspannung erzielt. Ein Gate-oxide-breakdown wird unter allen Bedingungen durch die Transistorkombination 10, 11, 12 verhindert.
In Schaltungssystemen mit unterschiedlichen Spannungsversorgungen kann es vorkommen, daß die Spannungsversorgung nach dem Starten bereits den maximalen Spannungswert erreicht hat, eine andere Spannungsversorgung aber noch nicht vorhanden ist. Für diesen Betriebszustand ist ein sogenannter Fail-save-mode erforderlich. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel schützt die Reihenschaltung aus einem p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor 10 und den beiden als Dioden geschalteten n- bzw. p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren 11 und 12 den Ausgangstransistor 4 für den Fall, daß eine Spannung am Ausgang 6 bereits anliegt, während die bei 13 zugeführte Betriebsspannung (noch) nicht vorhanden ist. Der Transistor 10 erhält dabei als Gate-Potential 0 V und schaltet über die MOS-Feldeffekttransistoren 11, 12 die Gate-drain-Spannung des Ausgangstransistors 4 auf einen Wert, der unter der Gate-oxide-Durchbruchsspannung liegt. Dabei dient der Widerstand 8 zur Entkopplung des OTA-Ausgangs. Nach dem Aufstarten der Betriebsspannung bei 13 schaltet der MOS-Feldeffekttransistor 10 ab, so daß die Funktion der Kaskode-Regelung nicht mehr beeinflußt wird.

Claims

1. Stromquellenschaltung, bei welcher ein erster und ein zweiter MOS-Feldeffekttransistor eine Stromspiegelschaltung bilden, wobei dem ersten MOS-Feldeffekttransistor über einen in Kaskode geschalteten dritten MOS-Feldeffekttransistor ein Referenzstrom zuführbar ist und die Drain-Elektrode eines mit dem zweiten MOS-Feldeffekttransistor in Kaskode geschalteten vierten MOS-Feldeffekttransistors einen Ausgang bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Elektroden des dritten (3) und des vierten (4) MOS-Feldeffekttransistors an Eingänge eines Regelverstärkers (7) angeschlossen sind, dessen Ausgang mit der Gate-Elektrode des vierten MOS-Feldeffekttransistors (4) verbunden ist, daß der vierte MOS-Feldeffekttransistor (4) ein Extended-drain-MOS-Feldeffekttransistor ist und daß die Drain-Elektrode und die Gate-Elektrode des vierten MOS-Feldeffekttransistors (4) über einen weiteren MOS-Feldeffekttransistor (10) miteinander verbunden sind, dessen Gate-Elektrode mit einer Betriebsspannung für die Schaltung beaufschlagt ist.

2. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Extended-drain-MOS-Feldeffekttransistor ein Extendeddrain-n-well-MOS-Feldeffekttransistor (4) ist und daß der weitere MOS-Feldeffekttransistor ein p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (10) ist.

3. Stromquellenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem weiteren MOS-Feldeffekttransistor (10) mindestens ein als Diode geschalteter MOS-Feldeffekttransistor (11, 12) in Reihe geschaltet ist.

4. Stromquellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Regelverstärkers (7) über einen Widerstand (8) mit der Gate-Elektrode des vierten MOS-Feldeffekttransistors (4) verbunden ist.

5. Stromquellenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker von einem Operational-transconductance-amplifier (7) gebildet ist.