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CN101728389B - Buck降压转换器衬底噪声的被动消除方法 - Google Patents

Buck降压转换器衬底噪声的被动消除方法 Download PDF

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Abstract

提供一种Buck降压转换器衬底噪声的被动消除方法。本发明给出了一种使用片内电容器的被动消除方法来减小Buck降压转换器中的衬底噪声。在根据本发明的Buck降压转换器中，增加一个适当的电容器(C1)，以获得幅度相近、相位相反的噪声，从而在衬底中取得更好的噪声消除的效果。所增加的电容器可以通过MOS电容器、NMOS隔离环n阱电容器、n阱结电容器、隔离p阱结电容器等来实现。与现有技术不同，本发明利用电容，从而易于实现；同时，利用Buck降压转换器中的接线寄生电感，减小了衬底噪声。

Description

Buck降压转换器衬底噪声的被动消除方法
技术领域
本发明涉及半导体器件的衬底噪声消除，更具体地，涉及Buck降压转换器衬底噪声的被动消除方法。
背景技术
Buck降压转换器是本领域中公知的器件。开关Buck降压转换器在衬底中注入了噪声，影响了模拟模块。
现有的隔离方法都不足以减小衬底噪声。
Dale H.Nelson等人的美国专利US No.6,040,728提供了一种主动衬底噪声诸如消除方法。其中，使用主动方法，并需要设计运算放大器。因此，实现起来较为复杂。
M.Shoyama等人的论文“Mechanism of Common-Mode NoiseReduction in Balanced Boost Switching Converter”(35thAnnual IEEEPower Electronics Specialists Conference，Pages：1115-1120Vol.2，20-25June2004)提出了共模噪声消除机制。其中，在Boost升压转换器(Boostconverter)中使用大负载电感器，降低了接地线上的噪声。
图1是Buck降压转换器的电路结构示意图。在图1中，对于没有外部肖特基二极管的Buck降压转换器来说，由于电源的寄生电感，点A和B处都具有噪声且噪声相位相反。从点A、通过一个n阱/p衬底结，以及从点B、通过两个结，都注入了衬底噪声，从而导致了不同的噪声幅度。
因此，需要一种方法来有效地消除由于开关Buck降压转换器而产生的衬底噪声。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种全新且简单的技术来进一步减小衬底噪声并改善电路性能。
前面已经提到，对于没有外部肖特基二极管的Buck降压转换器来说，由于电源的寄生电感，点A和B处都具有噪声且噪声相位相反，且噪声幅度也不同。本发明提出增加一个适当的电容器，以获得幅度相近、相位相反的噪声，从而在衬底中取得更好的噪声消除的效果。
所增加的电容器可以通过MOS电容器、NMOS隔离环n阱电容器、n阱结电容器、隔离p阱结电容器等来实现。
与现有技术不同，本发明利用了电容并且易于实现。而且，本发明利用了Buck降压转换器中的接线寄生电感，减小了衬底噪声。
本发明给出了一种使用片内(on-chip)电容器的被动消除方法来减小Buck降压转换器中的衬底噪声。
根据本发明的一个方面，提供了一种形成于衬底中的Buck降压转换器，包括：
P沟道金属氧化物半导体(PMOS)器件，其中，将驱动器信号输入到所述PMOS器件的栅极；
N沟道金属氧化物半导体(NMOS)器件，其中，将所述驱动器信号输入到所述NMOS器件的栅极，并且其中，所述PMOS器件和所述NMOS器件串联连接在电源和地之间；以及
电容器，分别连接到第一节点和地，所述第一节点是所述PMOS器件和所述NMOS器件之间的连接点，所述电容器在第二节点处和第三节点处生成幅度相近、相位相反的噪声，其中所述第二节点位于所述PMOS器件和所述电源之间，所述第三节点位于所述NMOS器件和所述地之间。
优选地，在本发明的Buck降压转换器中，所述PMOS器件形成在p型衬底中且具有第一n型阱；所述NMOS器件形成在p型衬底中且具有第二n型阱以及所述第二n型阱中的第一p型阱。
优选地，在本发明的Buck降压转换器中，所述电容器是MOS电容器。
优选地，所述MOS电容器具有与所述地相隔离的第三n型阱，其中，在所述p型衬底中形成第二p型阱用作P+保护。
优选地，在本发明的Buck降压转换器中，所述电容器是NMOS隔离环n阱电容器。
优选地，通过以相同形状和尺寸来布置所述第一n型阱和所述第二n型阱，在所述NMOS器件中形成所述NMOS隔离环n阱电容器。
优选地，在本发明的Buck降压转换器中，所述电容器是n阱结电容器。
优选地，通过提供第四n型阱以形成n阱结并将所述第四n型阱连接到所述地，来形成所述n阱结电容器。
优选地，在本发明的Buck降压转换器中，所述电容器包括隔离p阱结和位于所述电源和所述地之间的解耦电容器。
优选地，所述隔离p阱结和解耦电容器是以连接到所述地的第三p型阱来形成的，所述第三p型阱位于所述PMOS器件的第一n型阱以及所述NMOS器件的第二n型阱之中，但与所述PMOS器件的第一n型阱以及所述NMOS器件的第二n型阱相隔离。
附图说明
通过参考附图，本领域技术人员将能够更好地理解本发明的目的与优势。在附图中：
图1是Buck降压转换器的电路结构示意图；
图2是根据本发明的Buck降压转换器的半导体结构示意图；
图3示出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的第一种实现方式；
图4示出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的第二种实现方式；
图5示出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的第三种实现方式；
图6示出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的第四种实现方式；以及
图7A和7B示出了在根据本发明的Buck降压转换器的电路结构上的点A和点B处产生的噪声的对比。
具体实施方式
下面将结合附图来详细地描述本发明的各种实施例。
再次参看图1，对于没有外部肖特基二极管的Buck降压转换器来说，由于电源的寄生电感，点A和B处都具有噪声且噪声相位相反。从点A、通过一个n阱/p衬底结，以及从点B、通过两个结，都注入了衬底噪声，从而导致了不同的噪声幅度。
图2是根据本发明的Buck降压转换器的半导体结构示意图。参看图2，本发明提出增加一个适当的电容器C1，以获得幅度相近、相位相反的噪声，从而在衬底中取得更好的噪声消除的效果。
如图1和图2所示，本发明的Buck降压转换器形成于p型衬底26中，包括：P沟道金属氧化物半导体(PMOS)器件11，其中，将驱动器10的信号输入到PMOS器件11的栅极；N沟道金属氧化物半导体(NMOS)器件12，其中，将驱动器10的信号输入到NMOS器件12的栅极，并且其中，PMOS器件11和NMOS器件12串联连接在电源VDD和地GND之间；以及电容器C1，分别连接到第一节点和地GND，第一节点是PMOS器件11和NMOS器件12之间的连接点(接负载)，电容器C1在第二节点A处和第三节点B处生成幅度相近、相位相反的噪声，其中第二节点A位于PMOS器件11和电源VDD之间，第三节点B位于NMOS器件12和地GND之间。
如图2所示，PMOS器件11形成在p型衬底26中且具有第一n型阱23。NMOS器件12也形成在p型衬底26中且具有第二n型阱24以及第二n型阱24中的第一p型阱25。
在图2中，电容器C1一端通过第三节点B而连接到地GND，另一端则连接到p型衬底26。
图3-6给出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的四种实现方式。
图3示出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的第一种实现方式。参看图3，电容器C1被实现为MOS电容器。其中，MOS电容器C1具有形成于p型衬底26中、与地GND相隔离的第三n型阱27。此外，如图3所示，在p型衬底26中还形成第二p型阱28用作P+保护。
图4示出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的第二种实现方式。参看图4，电容器C1被实现为NMOS隔离环n阱电容器。其中，通过以相同形状和尺寸来布置第一n型阱23和第二n型阱24，在NMOS器件12中形成所述NMOS隔离环n阱电容器。
图5示出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的第三种实现方式。参看图5，电容器C1被实现为n阱结电容器。其中，在p型衬底26中提供第四n型阱29以形成n阱结，将第四n型阱29连接到地GND，从而形成了n阱结电容器。
图6示出了在根据本发明的Buck降压转换器中加入电容器的第四种实现方式。参看图6，电容器C1被实现为包括隔离p阱结和位于电源VDD和地GND之间的解耦电容器。其中，隔离p阱结和解耦电容器是以连接到地GND的第三p型阱30来形成的。第三p型阱30位于PMOS器件11的第一n型阱23以及NMOS器件12的第二n型阱24之中，但与PMOS器件11的第一n型阱23以及NMOS器件12的第二n型阱24相隔离。
根据上述图1-6，本发明还提供了一种用于制造Buck降压转换器的方法，其包括如下步骤：形成P沟道金属氧化物半导体(PMOS)器件11，其中，将驱动器10的信号输入到PMOS器件11的栅极；形成N沟道金属氧化物半导体(NMOS)器件12，其中，将驱动器10的信号输入到NMOS器件12的栅极；将PMOS器件11和NMOS器件12串联连接在电源VDD和地GND之间；以及形成分别连接到第一节点和地GND的电容器C1，第一节点是PMOS器件11和NMOS器件12之间的连接点(接负载)，电容器C1在第二节点A处和第三节点B处生成幅度相近、相位相反的噪声，其中第二节点A位于PMOS器件11和电源VDD之间，第三节点B位于NMOS器件12和地GND之间。
如图2所示，形成PMOS器件11的步骤包括在p型衬底26中提供第一n型阱23。形成NMOS器件12的步骤包括在p型衬底26中提供第二n型阱24以及在第二n型阱24中提供第一p型阱25。
在图2中，电容器C1一端通过第三节点B而连接到地GND，另一端则连接到p型衬底26。
当电容器C1被形成为MOS电容器(图3)时，在p型衬底26中提供与地GND相隔离的第三n型阱27。此外，如图3所示，还包括在p型衬底26中形成第二p型阱28用作P+保护。
当电容器C1被实现为NMOS隔离环n阱电容器(图4)时，通过以相同形状和尺寸来布置第一n型阱23和第二n型阱24，在NMOS器件12中形成所述NMOS隔离环n阱电容器。
当电容器C1被实现为n阱结电容器(图5)时，在p型衬底26中提供第四n型阱29以形成n阱结，将第四n型阱29连接到地GND，从而形成了n阱结电容器。
当电容器C1被实现为包括隔离p阱结和位于电源VDD和地GND之间的解耦电容器(图6)时，隔离p阱结和解耦电容器是以连接到地GND的第三p型阱30来形成的。第三p型阱30提供于PMOS器件11的第一n型阱23以及NMOS器件12的第二n型阱24之中，但与PMOS器件11的第一n型阱23以及NMOS器件12的第二n型阱24相隔离。
发明人对本发明进行了硅验证。其中，电容器C1是使用图3所示的NMOS电容器来实现的。
图7A和7B示出了在根据本发明的Buck降压转换器的电路结构上的点A和点B处产生的噪声的对比。从图7A和7B中可以清楚地看出衬底消除效果。
图7A是电源VDD(点A)处的波形和地GND(点B)处的波形。从图7A中可以看出，两个波形具有基本相同的幅度与相反的相位。
图7B中的上图是重叠在一起的衬底噪声波形的比较，图7B中的下图是重叠在一起的衬底噪声频谱的比较。
此外，根据上面的详细描述，可以看出本发明还提供了一种半导体器件结构，包括：
p型衬底；
P沟道金属氧化物半导体(PMOS)器件，其通过在p型衬底中提供第一n型阱而形成于p型衬底中；
N沟道金属氧化物半导体(NMOS)器件，其通过在p型衬底中提供第二n型阱以及在所述第二n型阱中提供第一p型阱而形成于p型衬底中，其中，所述PMOS器件和所述NMOS器件串联连接在电源和地之间；以及
电容器，分别连接到p型衬底和地，所述电容器在位于所述PMOS器件和所述电源之间的一个节点处和位于所述NMOS器件和所述地之间的另一节点处生成幅度相近、相位相反的噪声。
优选地，所述电容器是MOS电容器。其中，所述MOS电容器具有与所述地相隔离的第三n型阱，其中，在所述p型衬底中形成第二p型阱用作P+保护。
优选地，所述电容器是NMOS隔离环n阱电容器。其中，通过以相同形状和尺寸来布置所述第一n型阱和所述第二n型阱，在所述NMOS器件中形成所述NMOS隔离环n阱电容器。
优选地，所述电容器是n阱结电容器。其中，通过提供第四n型阱以形成n阱结并将所述第四n型阱连接到所述地，来形成所述n阱结电容器。
优选地，所述电容器包括隔离p阱结和位于所述电源和所述地之间的解耦电容器。其中，所述隔离p阱结和解耦电容器是以连接到所述地的第三p型阱来形成的，所述第三p型阱位于所述PMOS器件的第一n型阱以及所述NMOS器件的第二n型阱之中，但与所述PMOS器件的第一n型阱以及所述NMOS器件的第二n型阱相隔离。
相应地，本发明还提供了一种制造半导体器件结构的方法，包括如下步骤：
提供p型衬底；
通过在p型衬底中提供第一n型阱而在p型衬底中形成P沟道金属氧化物半导体(PMOS)器件；
通过在p型衬底中提供第二n型阱以及在所述第二n型阱中提供第一p型阱而p型衬底中形成N沟道金属氧化物半导体(NMOS)器件；
将所述PMOS器件和所述NMOS器件串联连接在电源和地之间；以及
形成分别连接到p型衬底和地的电容器，所述电容器在位于所述PMOS器件和所述电源之间的一个节点处和位于所述NMOS器件和所述地之间的另一节点处生成幅度相近、相位相反的噪声。
优选地，形成MOS电容器。其中，形成所述MOS电容器包括在p型衬底中提供与所述地相隔离的第三n型阱，且进一步包括：在所述p型衬底中形成第二p型阱用作P+保护。
优选地，形成NMOS隔离环n阱电容器。其中，通过以相同形状和尺寸来布置所述第一n型阱和所述第二n型阱，在所述NMOS器件中形成所述NMOS隔离环n阱电容器。
优选地，形成n阱结电容器。其中，通过提供第四n型阱以形成n阱结并将所述第四n型阱连接到所述地，来形成所述n阱结电容器。
优选地，形成隔离p阱结和位于所述电源和所述地之间的解耦电容器。其中，所述隔离p阱结和解耦电容器是以连接到所述地的第三p型阱来形成的，所述第三p型阱位于所述PMOS器件的第一n型阱以及所述NMOS器件的第二n型阱之中，但与所述PMOS器件的第一n型阱以及所述NMOS器件的第二n型阱相隔离。

Claims (9)

1.一种形成于衬底中的Buck降压转换器，包括： 
P沟道金属氧化物半导体PMOS器件，所述PMOS器件形成在p型衬底中且具有第一n型阱，其中，将驱动器信号输入到所述PMOS器件的栅极； 
N沟道金属氧化物半导体NMOS器件，所述NMOS器件形成在p型衬底中且具有第二n型阱以及所述第二n型阱中的第一p型阱，其中，将所述驱动器信号输入到所述NMOS器件的栅极，并且其中，所述PMOS器件和所述NMOS器件串联连接在电源和地之间；以及 
电容器，分别连接到第一节点和地，所述第一节点是所述PMOS器件和所述NMOS器件之间的连接点，所述电容器在第二节点处和第三节点处生成幅度相近、相位相反的噪声，其中所述第二节点位于所述PMOS器件和所述电源之间，所述第三节点位于所述NMOS器件和所述地之间。 
2.如权利要求1所述的Buck降压转换器，其中所述电容器是MOS电容器。 
3.如权利要求2所述的Buck降压转换器，其中所述MOS电容器具有与所述地相隔离的第三n型阱，其中，在所述p型衬底中形成第二p型阱用作P+保护。 
4.如权利要求1所述的Buck降压转换器，其中所述电容器是NMOS隔离环n阱电容器。 
5.如权利要求4所述的Buck降压转换器，其中，通过以相同形状和尺寸来布置所述第一n型阱和所述第二n型阱，在所述NMOS器件中形成所述NMOS隔离环n阱电容器。 
6.如权利要求1所述的Buck降压转换器，其中所述电容器是n阱结电容器。 
7.如权利要求6所述的Buck降压转换器，其中，通过提供第四n型阱以形成n阱结并将所述第四n型阱连接到所述地，来形成所述n阱结电容器。 
8.如权利要求1所述的Buck降压转换器，其中，所述电容器包括隔离p阱结和位于所述电源和所述地之间的解耦电容器。 
9.如权利要求8所述的Buck降压转换器，其中所述隔离p阱结和解耦电容器是以连接到所述地的第三p型阱来形成的，所述第三p型阱位于所述PMOS器件的第一n型阱以及所述NMOS器件的第二n型阱之中，但与所述PMOS器件的第一n型阱以及所述NMOS器件的第二n型阱相隔离。 
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