Dispositivo electrónico y un método para polarizar un transistor MOS en un circuito integrado.

Un dispositivo electronic°, que incluye:

al menos un circuito integrado que incluye al menos un transistor MOS,

yuna unidad (AAB) de polarizacion analogica adaptativa para proporcionar una corriente de polarizacionadaptativa para el al menos un transistor MOS polarizado en la region de saturacion;

en el que la unidad (AAB) de polarizacion analogica adaptativa esta dispuesta en un chip junto con el circuitointegrado que incluye una unidad (PM) de monitorizacion de proceso para extraer un parametro (K) dedispositivo del circuito integrado y una unidad (CU) de calculo para generar una corriente de polarizacionbasandose en la salida de la unidad (PM) de monitorizacion de proceso,en el que la corriente de polarizacion generada por la unidad (CU) de calculo es inversamente proporcional alparametro (K) de dispositivo extraido.

Dispositivo electrónico y un método para polarizar un transistor MOS en un circuito integrado.

CAMPO DE LA INVENCiÓN La presente invención se refiere a un dispositivo electrónico y a un método para polarizar un transistor MOS en un circuito integrado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN Los dispositivos móviles tales como los teléfonos móviles están convirtiéndose en dispositivos cada vez más complejos puesto que deben dar soporte a una pluralidad de aplicaciones multimedia. Como resultado de ello, el consumo de potencia aumenta de manera significativa y la vida útil de la batería se acorta, añadiendo más presión a los diseñadores de los circuitos para que tomen medidas para reducir el consumo de potencia no sólo de los circuitos digitales sino también de los circuitos analógicos.

Para circuitos digitales, tales como un procesador digital de señal (DSP, Digital Signal Processor) en banda base en dispositivos móviles, pueden utilizarse diferentes técnicas de baja potencia que incluyen multi-VT, desactivación de reloj (clock gatíng) , tensión de alimentación múltiple, apagado de potencia, polarización de sustrato, escalado dinámico de tensión y escalado de tensión de alimentación adaptativo. Entre ellas, el escalado de tensión de alimentación adaptativo ha demostrado ser un método eficiente para reducir el consumo de potencia debido al hecho de que el consumo de potencia dinámica disminuye con el cuadrado de la tensión de alimentación.

Por el contrario, no existe una técnica aplicable de manera general para reducir el consumo de potencia en circuitos analógicos. En circuitos analógicos, el consumo de potencia es necesario para mantener la energía de la señal por encima del ruido térmico fundamental con el fin de conseguir la relación señal -ruido deseada. A una temperatura dada, el consumo mínimo de potencia de circuitos analógicos está determinado por la relación señal -ruido requerida y por el ancho de banda requerido. Por lo tanto, una disminución de la tensión de alimentación, de manera similar al modo en que se haría con el escalado de tensión de alimentación adaptativo para circuitos digitales, no conducirá a una reducción de potencia en circuitos analógicos.

En la mayor parte de las aplicaciones, los transistores MOS están polarizados típicamente en la región de saturación para proporcionar la ganancia y el ancho de banda deseados. La polarización se establece usualmente mediante la corriente del drenador -surtidor Ids que circula a través del transistor MOS utilizando circuitos de polarización.

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de un receptor heterodino UMTS de acuerdo con el estado del arte. El receptor incluye un circuito FE de etapa de entrada de radio frecuencia (RF) con tecnología CMOS y un circuito AB de banda base analógico. La señal de entrada es recibida por la antena y sufre la aplicación de una conversión a banda base. El circuito de banda base analógico incluye dos canales 1-y Q-idénticos entre sí. Los canales deseados son amplificados y seleccionados en el dominio analógico y procesados adicionalmente por el procesador digital de señal DSP. Cada uno de los canales 1-y Q-incluyen un amplificador PGA de ganancia programable, filtros CSF de selección de canal y un convertidor ADC de analógico a digital. Como ejemplo, la implementación de los amplificadores PGA de ganancia programable y de los filtros de selección de canal tal como se muestra en la Figura 1 requieren de aproximadamente catorce amplificadores operacionales para la unidad de banda base analógica. Se necesitan amplificadores operacionales y/o amplificadores de transconductancia adicionales para el convertidor ADC de analógico a digital.

La Figura 2 muestra un diagrama de circuito básico de un amplificador operacional de acuerdo con el estado del arte. Aquí, el amplificador operacional OA está polarizado mediante un circuito BC de polarización. La transconductancia de un transistor MOS polarizado en la región de saturación viene dada por la ecuación:

(1)

donde Ids es la corriente drenador -surtidor y donde K = l-IoCoxW/L es la transconductancia del transistor MOS, expresión en la que 1-10 es la movilidad de los portadores de carga, Cox es la capacidad por unidad de superficie de la puerta, y W y L son la anchura y la longitud del transistor MOS, respectivamente. El valor del parámetro K depende del proceso y de la temperatura. La dependencia de la temperatura de la movilidad de los portadores de carga es 1-10 a 1 / " (Y, en donde en la mayoría de los proceso.s y= 1, 5 ... 2, 0.

El circuito BC de polarización de acuerdo con la Figura 2 entrega una corriente de polarización a los transistores MOS. La corriente de polarización puede ser bien una corriente continua constante o una corriente que es proporcional a la temperatura absoluta (PTAT) , para establecer un punto de funcionamiento deseado para los transistores MOS. Una corriente de polarización constante se genera usualmente a partir de una fuente de tensión de referencia, como por ejemplo una tensión de banda prohibida relacionada con una resistencia en el chip o externa. Por otro lado, la corriente PTAT se genera sobre la base de las características tensión-voltaje exponenciales de los transistores MOS en inversión débil.

La Figura 3 muestra un gráfico de la dependencia de la corriente de polarización y de la transconductancia con la temperatura. En el lado izquierdo, se muestra la corriente de polarización frente a la temperatura. En el lado derecho, se muestra la transconductancia de un transistor MOS frente a la temperatura. Cuando la temperatura aumenta, la transconductancia gm para una corriente de drenador Ids constante disminuye más rápidamente que en el caso de una corriente PTAT porque la corriente PTAT aumenta con la temperatura y puede por lo tanto compensar la disminución del parámetro K. Consecuentemente, la transconductancia de un transistor MOS con una corriente de polarización PTAT muestra una pendiente menos pronunciada que una transconductancia con una corriente de polarización constante.

Puesto que los transistores MOS están sujetos tanto a variaciones de proceso como de temperatura, todos los circuitos analógicos deben cumplir las condiciones del caso más desfavorable, como por ejemplo una transconductancia gmmin mínima. La corriente de polarización respectiva debe estar diseñada de tal manera que se consiga cumplir la condición gm <': gmmin a lo largo del intervalo tL -tH de temperatura. Esto se muestra en el lado derecho del diagrama de la Figura 3, donde la transconductancia obtenida con una corriente de polarización constante y la transconductancia obtenida con una corriente PTAT se cruzan a la temperatura t = tH, donde gm = gmmin.

Debe apreciarse que una corriente de polarización constante es menos eficiente desde el punto de vista de la potencia que una corriente de polarización PTAT.

El consumo total de corriente de cualquier circuito analógico puede expresarse como:

(3)

donde Iddmin corresponde a la corriente mínima absoluta, 1l.Iddtemp corresponde a la cantidad de corriente adicional necesaria para mantener la transconductancia requerida a lo largo del intervalo completo de temperaturq, ll.lddproc corresponde a la corriente adicional necesaria para mantener la transconductancia requerida a lo largo de las variaciones de proceso. La corriente de polarización también está afectada por la temperatura y por las variaciones de proceso que deben ser tenidos en cuenta. Para ocuparse de estas variaciones, la corriente de polarización se aumenta típicamente por un factor Vbias. Más aún, debe añadirse un margen Vmargin de seguridad para aumentar la robustez.

La Figura 4 muestra un gráfico de corriente desperdiciada en un circuito analógico típico para una polarización constante. A la temperatura t = ÍH, 1l.Iddtemp = O. Por otro lado, a la temperatura t = tL, tanto la transconductancia como la corriente desperdiciada alcanzan un máximo respectivo. Puesto que la mayor parte de los circuitos analógicos están diseñados utilizando polarización constante, se malgasta mucha potencia especialmente a bajas temperaturas.

Para cualquier circuito analógico, la relación entre el consumo total de corriente y la corriente de polarización puede expresarse como:

1ddtOlal ::::: J3 . 1bias (4)

donde ~ > 1. En otras palabras, el consumo total de potencia es proporcional... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo electrónico, que incluye:

al menos un circuito integrado que incluye al menos un transistor MOS, y una unidad (AAB) de polarización analógica adaptativa para proporcionar una corriente de polarización adaptativa para el al menos un transistor MOS polarizado en la región de saturación; en el que la unidad (AAB) de polarización analógica adaptativa está dispuesta en un chip junto con el circuito integrado que incluye una unidad (PM) de monitorización de proceso para extraer un parámetro (K) de dispositivo del circuito integrado y una unidad (CU) de cálculo para generar una corriente de polarización basándose en la salida de la unidad (PM) de monitorización de proceso, en el que la corriente de polarización generada por la unidad (CU) de cálculo es inversamente proporcional al parámetro (K) de dispositivo extraído.

2. Un dispositivo electrónico de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el parámetro (K) de dispositivo es igual a 1J0CoxW/L, donde 1J0 es la movilidad de los portadores de carga, Cox es la capacidad por unidad de superficie de la puerta, y W y L son la anchura y la longitud del transistor MOS, respectivamente.

3. Un dispositivo electrónico de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la unidad (PM) de monitorización de proceso incluye una unidad (VE) de extracción de tensión umbral para extraer la tensión umbral y una unidad (KE) de extracción de parámetros de dispositivo para extraer el parámetro (K) de dispositivo, en el que la unidad (VE) de extracción de tensión umbral recibe una tensión (Va) continua de entrada y donde su tensión de salida corresponde a la suma de la tensión (VB) continua de entrada y la tensión (VT ) umbral, en el que la unidad (KE) de extracción de parámetros de dispositivo incluye un transistor (M6) MOS y recibe como entrada la tensión de salida de la unidad (VE) de extracción de tensión umbral que se aplica a la puerta del transistor (M6) MOS de tal manera que la corriente de drenador del transistor (M6) MOS es proporcional al parámetro (K) de dispositivo, en el que la corriente de drenador del transistor (M6) MOS constituye la salida de la unidad (PM) de monitorización de proceso.

4. Un método para polarizar al menos un transistor MOS en un circuito integrado, que incluye los pasos de:

polarizar de manera adaptativa el al menos un transistor MOS en la región de saturación mediante la extracción de un parámetro (K) de dispositivo del circuito integrado y generar una corriente de polarización que es inversamente proporcional al parámetro (K) de dispositivo extraído.