一種夾層電阻結構及其應用

如圖5所示，通過(guò)把兩個(gè)相同大小的JFET管串聯(lián)，可以適應更大的電壓變化范圍，此時(shí)，可以讓Vin在2Vp和2Vb之間變化時(shí)(即2Vp

根據上述原理進(jìn)行類(lèi)推，當串聯(lián)JFET管的個(gè)數為N(N為自然數)時(shí)(見(jiàn)圖6)，它允許的工作電壓范圍就是N×Vp~N×Vb,而且當N×Vp

3 振蕩器的設計

3.1 振蕩器的原理

利用該夾層電阻的特性，下面開(kāi)始設計一款振蕩器。該振蕩器的設計要求為：工作電壓范圍為3~25 V,振蕩器功耗越低越好，最好在微安級，且希望當電壓在9~25 V之間變化時(shí)，振蕩器的輸出頻率是恒定的。

在該振蕩器中，由該夾層電阻(等效為P溝道JFET管)來(lái)提供恒流源，用于芯片內部振蕩器的電容充放電電流。由于振蕩器的振蕩頻率主要取決于電容充放電的電流大小，因此一旦電流恒定，則振蕩頻率就不變。電路要求的電壓最高為25 V,根據前面的分析，單個(gè)器件的耐壓會(huì )不夠，因此采用雙器件串聯(lián)結構，理論耐壓應該可以接近30 V.電路設計如圖7.

圖7是振蕩器的簡(jiǎn)單原理示意圖，實(shí)際線(xiàn)路在此基礎上還會(huì )增加一些輔助線(xiàn)路。在圖7中，Vosc用于控制電容的充放電狀態(tài)，JFET管提供恒定電流源IR對電容C進(jìn)行充電，Vx則輸出到后級的電壓比較器。電路工作的時(shí)候，一開(kāi)始Vosc為低電平，此時(shí)PMOS管打開(kāi)，基準電流IR開(kāi)始給電容C進(jìn)行充電，電容C上的電壓Vx逐漸上升，一旦Vx達到門(mén)限電平Vt,則比較器就翻轉，從而使Vosc也發(fā)生翻轉變?yōu)楦唠娖?，這時(shí)，PMOS管關(guān)斷，NMOS管打開(kāi)，由于NMOS管放電能力較強，電容C上的電壓瞬間就被放到GND,此時(shí)Vosc又翻轉變?yōu)榈碗娖?，NMOS管關(guān)斷，PMOS管開(kāi)始充電。就這樣，通過(guò)保持充電電流的恒定，使得振蕩器的振蕩頻率也始終保持恒定。

3.2 振蕩器的實(shí)現和優(yōu)化

在電路的實(shí)際實(shí)現中，采用了0.8 μm的高壓工藝。經(jīng)過(guò)對出片電路的實(shí)際測試，發(fā)現隨著(zhù)電壓升高，振蕩器頻率逐漸變快，當電壓超過(guò)10 V后，頻率開(kāi)始維持不變，一直到電壓接近30 V,頻率始終不變。也就是說(shuō)當電壓在10~30 V之間變化時(shí)，振蕩器頻率恒定，振蕩器的工作電流在整個(gè)電壓變化范圍內不超過(guò)3 μA.

顯然，頻率穩定的最低電壓為10 V,高于設計要求的9 V.從前面夾層電阻的原理分析部分可以知道，為了降低頻率穩定的最低電壓，可以采用兩種思路：一種是降低夾層電阻的夾斷電壓Vp;另一種是采用單個(gè)夾層電阻來(lái)實(shí)現恒定電流。第一種思路，夾斷電壓Vp主要取決于JFET溝道區的P型注入濃度，以及P型注入、N阱、N+這幾個(gè)的結深，結深一般不好調節，而濃度也較難控制，因此實(shí)施有困難，而且最低電壓為2×Vp,實(shí)施效果也很有限。第二種思路，主要是要提高夾層電阻的擊穿電壓Vb.根據對該夾層電阻的縱向結構分析可以知道，該夾層電阻的擊穿首先發(fā)生在低濃度的P型注入區和上層的N+之間，也即擊穿電壓Vb就是N+和P型溝道區的擊穿電壓。

因此，嘗試在低濃度的P型溝道區域上層N+的下方，用一個(gè)低濃度的N型區來(lái)外包N+,如圖8.

該低濃度N型區用工藝中現成的高壓N注入(即NHV)來(lái)實(shí)現，以此來(lái)提高夾層電阻的耐壓。

3.3 優(yōu)化改進(jìn)結果

電路改進(jìn)設計后，經(jīng)過(guò)試驗驗證，采用此種優(yōu)化結構后，振蕩器可以工作在3~30 V的工作范圍，而且當電壓大于5.5 V以后，振蕩器的輸出頻率就不再變化，也即當電壓在5.5~30 V之間變化時(shí)，振蕩器頻率恒定，同時(shí)振蕩器最大工作電流約為2.5 μA.至此，該振蕩器的各項指標全部達到了設計要求。

4 結束語(yǔ)

夾層電阻是一種比較特殊的電阻。在低電壓工作場(chǎng)合，夾層電阻一般都被當做高阻值的電阻來(lái)使用。但是在高電壓工作場(chǎng)合，或者是寬范圍工作電壓的場(chǎng)合，此時(shí)夾層電阻就相當于是一個(gè)JFET管，利用該特性，在很多設計中，特別是模擬電路的設計中，可以把電路設計得更精巧或者實(shí)現更低的功耗。