CN102647176A - 输出驱动器 - Google Patents

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CN102647176A CN2012100203098A CN201210020309A CN102647176A CN 102647176 A CN102647176 A CN 102647176A CN 2012100203098 A CN2012100203098 A CN 2012100203098A CN 201210020309 A CN201210020309 A CN 201210020309A CN 102647176 A CN102647176 A CN 102647176A
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Abstract

具有电源线，控制开关，至少一个保护器件和至少一个电压箝位器件的输出驱动器。输出线和至少一个电压箝位器件。控制开关设置在至少一个保护器件和电源线之间。该至少一个保护器件以串联排布设置在输出线和控制开关之间。该至少一个电压箝位器件跨在对应的保护器件设置，该至少一个电压箝位器件用于将跨在保护器件的电压箝位在预定阈值电压以下。

Description

输出驱动器
技术领域
本发明涉及一种输出驱动器，更具体地，本发明涉及一种具有输入节点和输出节点的输出驱动器。
背景技术
随着半导体电路被制造得更小，晶体管的工作电压也被按比例缩小以防止晶体管的击穿。结果，也降低了栅极和驱动器的输出电压。然而，一些遗留系统需要比形成栅极的晶体管可以承受的电压更高的来自栅极的输出电压。因此，将具有级联排布的附加晶体管的电路用于转换较高的输出电压。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种具有输入节点和输出节点的输出驱动器，所述输出驱动器包括：连接在电源线和所述输出节点之间的控制开关，所述控制开关设置成响应所述输入节点上的信号，选择性地达到在所述输出节点和所述电源线之间的电流通路；至少一个在所述输出节点和所述控制开关之间以串联连接的保护器件；以及至少一个与所述至少一个保护器件并联连接的电压箝位器件，并且所述电压箝位器件设置成将跨在所述至少一个保护器件的电压箝位至预定阈值电压以下的电压电平值。
根据本发明所述的输出驱动器，还包括至少一个对应于每个所述至少一个保护器件的第一电压参考线，每个所述至少一个保护器件都用于基于所述至少一个第一电压参考线上对应的第一参考电压控制所述至少一个保护器件和所述电源线之间的电压。
根据本发明所述的输出驱动器，还包括设置在所述至少一个保护器件和所述控制开关之间的中间保护器件。
根据本发明所述的输出驱动器，还包括被调整以输出第二参考电压的第二电压参考线，而且所述中间保护器件用于基于所述第二参考电压控制跨在所述控制开关的电压。
根据本发明所述的输出驱动器，所述中间保护器件用于基于所述至少一个第一电压参考线之一上对应的第一参考电压控制跨在所述控制开关的电压。
根据本发明所述的输出驱动器，所述至少一个电压箝位器件由二极管，二极管-连接的场效应晶体管，二极管-连接的双极晶体管或齐纳二极管的至少之一形成。
根据本发明所述的输出驱动器，所述至少一个电压箝位器件由两个二极管-连接的场效应晶体管以串联排布形成。
根据本发明所述的输出驱动器，所述控制开关，所述至少一个保护器件和所述中间保护器件的每一个都由场效应晶体管形成。
根据本发明所述的输出驱动器，所述至少一个电压箝位器件用于在所述输出节点从低电压状态到高电压状态的至少一个转换过程中将跨在所述至少一个保护器件的电压箝位至预定的阈值电压以下。
根据本发明所述的一种输出驱动器包括：中间保护器件；控制开关，所述控制开关设置在所述中间保护器件和电源线之间；输出线；保护器件，所述保护器件设置在所述输出线和所述控制开关之间；中间保护器件，所述中间保护器件设置在所述保护器件和所述控制开关之间；电压箝位器件，所述电压箝位器件设置为跨在所述保护器件而且用于将跨在所述保护器件的电压电平值箝位在预定阈值电压以下；以及参考电压线，所述参考电压线与所述保护器件的栅极和所述中间保护器件的栅极连接。
根据本发明所述的输出驱动器，所述电压箝位器件由二极管，二极管-连接的场效应晶体管，二极管-连接的双极晶体管或齐纳二极管的至少之一形成。
根据本发明所述的输出驱动器，所述电压箝位器件由两个二极管-连接的场效应晶体管以串联排布形成。
根据本发明所述的一种运行输出驱动器的方法，包括：输入信号给控制开关；基于所述输入信号将来自电源线的电流转换经过所述控制开关；所述电流流经至少一个保护器件；以及使用跨在每个所述至少一个保护器件设置的对应的电压箝位将跨在每个所述至少一个保护器件的电压箝位在对应的预定阈值电压以下。
根据本发明所述的方法，还包括输入至少一个第一参考电压给每个所述至少一个保护器件；以及基于所述至少一个第一参考电压控制在所述至少一个保护器件和所述电源线之间的电压。
根据本发明所述的方法，还包括使所述电流流经设置在所述至少一个保护器件和所述控制开关之间的中间保护器件。
根据本发明所述的方法，还包括输入第二参考电压给所述中间保护器件；以及基于所述第二参考电压控制跨在开关器件的电压。
根据本发明所述的方法，还包括使用二极管，二极管-连接的场效应晶体管，二极管-连接的双极晶体管或齐纳二极管的至少之一形成所述对应的电压箝位器件。
根据本发明所述的方法，还包括使用两个以串联排布的二极管-连接的场效应晶体管形成所述对应的电压箝位器件。
根据本发明所述的方法，由场效应晶体管形成每个所述控制开关，所述至少一个保护器件和所述中间保护器件。
根据本发明所述的方法，在所述输入信号从低电压状态到高电压状态或从高电压状态到低电压状态的至少一个转换过程中用所述对应的电压箝位器件将跨在所述至少一个保护器件的电压箝位至对应的预定阈值电压以下。
附图说明
结合附图，通过实例的方式而不是限定说明一个或多个实施例，其中具有相同参考数字标记的元件代表相同的元件，其中：
图1是根据实施例的输出驱动器的示意性视图；
图2是没有电压箝位的图1所示驱动器的各个电压的电压对时间图；
图3是图1所示驱动器的各个电压的电压对时间图；
图4是根据实施例的输出驱动器的示意性视图；
图5是根据另一个实施例的输出驱动器的示意性视图；
图6是根据另一个实施例的输出驱动器的示意性视图；
图7是运行图1所示输出驱动器的方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据实施例的输出驱动器100的示意性视图。输出驱动器100包括按串联排布并且按顺序从负载120连接到接地电源线125的电压箝位位保护器件105，中间保护器件110和控制开关115。输出驱动器100还包括与负载120和电压箝位位保护器件105之间的连接点连接的输出线130。负载120设置在输出驱动器100(通过电压箝位位保护器件105)和正电源线135之间。
电压箝位位保护器件105包括保护器件140和跨在设置的电压箝位145，即与保护器件的源极和漏极连接。保护器件140的漏极与输出线130连接而且保护器件的源极与中间保护器件110的漏极连接。保护器件140的栅极与电压参考线150连接。
中间保护器件110的栅极与电压参考线150连接而且中间保护器件的源极与控制开关115的漏极连接。
控制开关115设置在中间保护器件110和接地电源线125之间。控制开关115的源极与接地电源线125连接而且控制开关的栅极与输入线155连接。
第一节点160是控制开关115和中间保护器件110的源极之间的连接点。第二节点165是中间保护器件110的漏极和保护器件140的源极之间的连接点。
电压箝位145包括两个二极管-连接的n-沟道金属氧化物半导体(MOS)晶体管170。每个二极管-连接的n-沟道金属氧化物半导体晶体管170都具有例如约0.65V的阈值电压。
控制开关115，中间保护器件110和保护器件140是n-沟道MOS器件。
在一些实施例中，输出驱动器100的负载120是电阻器。在另一个实施例中，负载是另一个与输出驱动器100相似的互补输出驱动器，但是由p-型器件形成。图5是输出驱动器180的实施例，其中负载120是输出驱动器100的互补-对称形式。负载120中每个具有“｀”的元件都是输出驱动器100中没有“｀”的元件的互补元件。负载120中的每个晶体管都是p-沟道(MOS)晶体管。互补输出驱动器180具有互补输出线155′和互补电压参考线150′。｀｀
在运行时，将施加给输出驱动器100的电流和电压设置成保护控制开关115，中间保护器件110和保护器件140免受损坏。特别地，当电流流经控制开关115，中间保护器件110和保护器件140时，比导致热载流子注入的电压大的电压不能施加给以上器件。如果MOS器件上的电压过大而同时电流正在流经MOS器件，MOS器件会由于热载流子注入而损坏。在热载流子注入中，形成流经MOS器件沟道的电流的电子获得足够注入到MOS器件的栅极氧化物中的能量，从而改变器件的阈值或毁坏器件。
在运行时，输入线155上的输入电压控制流经控制开关115的电流，从而控制输出线130和接地电源线125之间的电流。如果输入线155处于接地电源线125的电压(0V)，那么流经控制开关115的电流是零。因此流经中间保护器件110和保护器件140的电流也是零。由于流经输出驱动器100的电流是零，对应于正电源线135的电压，负载120将输出线130保持在高逻辑输出状态。保护器件140和中间保护器件110保护控制开关115免受导致热载流子注入的电压值。
保护器件140和中间保护器件110具有阈值电压。阈值电压是例如约0.65V。假设电压参考线150上的电压值设定为VRef，如果控制开关115和中间保护器件110之间的第一节点160上的电压升高到大于VRef减去中间保护器件的阈值电压，中间保护器件关闭以防止第一节点160上的电压升高到大于VRef减去阈值电压。如果第二节点165上的电压升高到大于VRef减去保护器件的阈值电压，保护器件关闭以防止第二节点165上的电压升高到大于VRef减去阈值电压。因此，如果输出线115处于接地电源线125的电压，大于VRef减去阈值电压的电压不会施加到控制开关115上。
保护器件140，中间保护器件110和控制开关115形成级联排布。
如果输入线155处于响应高逻辑值的电压，例如1.65V，则控制开关115打开并且电流流经控制开关，中间保护器件110和保护器件140。因此，输出线130响应低逻辑值被转换到低电压。第一节点160和第二节点165以及输出线130上的电压都处于响应低逻辑值的电压，即基本上是接地线125上的电压的低逻辑输出状态。因此，控制开关115，中间保护器件110和保护器件140都基本上是零而且没有器件在这个状态损坏。
因此，当电流流经控制开关115，中间保护器件110和保护器件140时高压没有施加在以上器件上而且输出驱动器100在高逻辑输出状态和低逻辑输出状态都被保护免受热载流子注入。
由于输出线130响应从低逻辑输出状态转化到高逻辑状态的输入线155而从高逻辑输出状态转换到低逻辑状态。控制开关115响应输入线155上的电压而从非传导态转换到传导态。随着控制开关115转换，流经控制开关的电流将第一节点160上的电压释放给接地电源线125的电压上的电压。由于电压参考线150和第一节点160之间的电压大于中间保护器件110的阈值电压，中间保护器件打开。电流流经中间保护器件110并且释放第二节点165上的电压。由于电压参考线150和第二节点165之间的电压大于保护器件140的阈值电压，保护器件打开。
与第一和第二节点160，165相比输出线130具有高电容而且放电不如第一和第二节点160，165快。输出线130响应正电源线135的电压从高逻辑输出状态释放电压穿过保护器件140。如果电压箝位145不存在，则穿过保护器件140的电压变得大于导致热载流子注入进入到保护器件140的栅极中的电压。
图2是假设电压箝位145不存在，当输出驱动器从高逻辑输出状态转换到低逻辑输出状态时，输出线130的，第一和第二节点160，165的，以及保护器件140上的电压的电压对时间图200。在这个实例中，正电源线135上的电压是3.6V，电压VRef是1.65V，而且中间保护器件110和保护器件140的阈值电压是0.65V。
y-轴210代表电压而且x-轴220代表经过的时间。线230代表输出线130上的电压，线240代表第二节点165上的电压，线250代表第一节点160上的电压。如上所述，当控制开关115打开时，第一和第二节点160，165上的电压释放。由于与第一和第二节点160，165相比控制线具有较大的电容，因此控制线150上的电压比第一和第二节点160，165上的电压释放得慢。线260代表跨在保护器件140的电压。由于第一和第二节点160，165和输出线130之间的电容差别跨在保护器件140的电压的最高峰是2.65V。
因此，由于没有电压箝位145，当输出驱动器转换时跨在保护器件140的电压和流经保护器件的电流在一段时间内足够高，从而导致热载流子注入进入到保护器件140的栅极氧化物中并且损坏器件。
当输出线130在电压箝位145存在时从高逻辑输出状态转换到低逻辑输出状态。如果两个二极管-连接的n-沟道MOS晶体管170上的电压都大于器件的阈值电压的总和，则形成电压箝位145的两个二极管-连接的n-沟道MOS晶体管170传导。因此，如果二极管-连接的n-沟道MOS晶体管170的阈值电压是例如0.65V，则如果两个二极管-连接的n-沟道MOS晶体管170上的电压超过1.3V，二极管-连接的n-沟道MOS晶体管170开始传导。
图3是假设电压箝位145存在，当输出驱动器从高逻辑输出状态转换到低逻辑输出状态时，输出线130的，第一和第二节点160，165的，以及跨在保护器件140的电压的电压对时间图300。在这个实例中，正电源线135上的电压是3.6V，电压VRef是1.65V，而且中间保护器件110和保护器件140的阈值电压是0.65V。
y-轴310代表电压而且x-轴320代表经过的时间。线330代表输出线130上的电压，线340代表第二节点165上的电压，线350代表第一节点160上的电压。当控制开关115打开时，第一节点160上的电压释放。由于与第一节点160相比控制线具有较大的电容，因此输出线130上的电压比第一节点160上的电压释放得慢。与输出线130上的电压相比，第二节点165上的电压首先释放得快，然后由于电压箝位145在跨在电压箝位的电压大于约1.3V之后开始传导，第二节点165上的电压释放得较慢。传导的电压箝位145使第二节点165上的电压高于没有电压箝位时的电压。由于电压箝位145，跨在保护器件140的电压峰值是1.65V。因此，由于跨在器件的峰值电压低于热载流子注入的阈值，电压箝位位的保护器件105没有被热载流子注入损坏。
在图1的实施例中，电压箝位145由两个二极管-连接的n-沟道MOS晶体管170形成。在其他实施例中，电压箝位145由一个或多个正向偏压二极管，一个或多个每个是n-沟道或p-沟道的二极管-连接的场效应晶体管，一个或多个每个是NPN或PNP型的二极管-连接的双极晶体管或一个或多个反向偏置的齐纳二极管或以上的任意组合形成。
在图1的实施例中，保护器件140的栅极和中间保护器件110的栅极与相同的电压参考线150连接。在其他实施例中，保护器件140的栅极和中间保护器件110的栅极与具有不同参考电压的不同电压参考线连接。通过控制第一和第二节点160，165的电压以保护控制开关115，中间保护器件110和保护器件140来选择电压参考值以保护控制开关115，中间保护器件110和保护器件140。
图4是根据实施例的输出驱动器400的示意性视图。输出驱动器400与输出驱动器100相似但是包括附加的电压箝位位保护器件405，电压箝位位保护器件405的形成方法与电压箝位位保护器件105相同。附加的电压箝位位保护器件405设置在电压箝位位保护器件105和输出线130之间。参考电压线450与附加的增强保护器件405中的保护器件425的栅极连接。选择参考电压线450上的电压VRefA从而控制附加的电压箝位位保护器件405和电压箝位位保护器件105之间的节点490上的电压。
在其他实施例中，在电压箝位位保护器件105和输出线130之间有1个以上的附加电压箝位位保护器件405串联连接。每个与附加的参考电压线连接的附加电压箝位位保护器件的相应的电压参考具有被选择的电压，该电压用于控制相应的增强保护器件和相邻的离控制开关115较近的增强保护器件之间的节点上的电压。
在一些实施例中，输出驱动器400的负载120是电阻器。在另一个实施例中，负载是另一个与输出驱动器400相似的互补输出驱动器，但是由p-型器件形成。图6是输出驱动器480的实施例，其中负载120是输出驱动器400的互补-对称形式。负载120中每个具有“｀”的元件都是输出驱动器400中没有“｀”的元件的互补元件。负载120中的每个晶体管都是p-沟道(MOS)晶体管。互补输出驱动器480具有互补输出线455′和互补电压参考线450′。
图1和图4的实施例由n-沟道MOS晶体管形成。在其他实施例中，图1和图4的电路的互补电路由p-沟道晶体管形成。
图7是根据实施例运行图1所示输出驱动器的方法的流程图500。
在步骤505，电压参考线150上的电压值输入给保护器件140的栅极。方法继续到步骤510。
在步骤510，电压参考线150上的电压值输入给中间保护器件110的栅极。方法继续到步骤515。
在步骤515，输入线155上的信号输入给控制开关115的栅极。方法继续到步骤520。
在步骤520，基于输入给输入线155的信号控制开关115打开并且来自接地电源线125的电流流经控制开关。方法继续到步骤525。
在步骤525，电流流经设置在保护器件140和控制开关115之间的中间保护器件110。方法继续到步骤530。
在步骤530，电流流经保护器件140。方法继续到步骤535。
在步骤535，基于电压参考线150上的电压值，保护器件140和接地电源线125之间的电压被保护器件140控制。方法继续到步骤540。
在步骤540，基于电压参考线150上的电压值，跨在控制开关115的电压被中间保护器件110控制。方法继续到步骤545。
在步骤545，使用跨在保护器件140设置的电压箝位145将跨在保护器件140的电压箝位在电压箝位145的预定阈值电压以下。
以上方法是实例，而且与本公开的实施例兼容的任何以上方法步骤的顺序都在本公开的范围内。另外，包括上述方法步骤之外的插入到上述方法步骤之前，中间或之后的方法步骤的方法也在本公开的范围内。
输出驱动器包括，电源线，控制开关，至少一个保护器件，输出线和至少一个电压箝位器件。控制开关设置在至少一个保护器件和电源线之间。该至少一个保护器件在输出线和控制开关之间串联排布。该至少一个电压箝位器件跨在对应的至少一个保护器件之一设置，该至少一个电压箝位器件被调整从而将跨在对应的保护器件的电压箝位在预定阈值电压以下。
运行输出驱动器的方法包括，输入信号给控制开关，基于输入信号将来自电源线的电流转换经过控制开关，使电流流经至少一个保护器件，和箝位跨在每个至少一个保护器件的电压。使用跨在每个至少一个保护器件设置的对应的电压箝位将跨在每个至少一个保护器件的电压箝位在对应的预定阈值电压以下。
输出驱动器包括电源线，控制开关，中间保护器件，保护器件，输出线，电压箝位器件和参考电压线。控制开关设置在中间保护器件和电源线之间。中间保护器件设置在保护器件和控制开关之间。保护器件设置在输出线和控制开关之间。电压箝位器件跨在保护器件设置，调整电压箝位器件将跨在保护器件的电压箝位在预定阈值电压以下。参考电压线与保护器件的栅极和中间保护器件的栅极连接。
本领域的普通技术人员可以很容易地发现本公开的实施例满足以上列举的一个或多个优点。阅读完以上说明书之后，本领域的普通技术人员可以进行各种改变，等效物的替换和举出各种其他本文中已广泛公开的实施例。因此在此允许的保护只受到本文所附权利要求及其等效所包含的解释的限制。

Claims (10)

1.一种具有输入节点和输出节点的输出驱动器，所述输出驱动器包括：
连接在电源线和所述输出节点之间的控制开关，所述控制开关设置成响应所述输入节点上的信号，选择性地启用在所述输出节点和所述电源线之间的电流通路；
至少一个在所述输出节点和所述控制开关之间以串联配置的保护器件；以及
至少一个与所述至少一个保护器件并联连接的电压箝位器件，并且所述电压箝位器件设置成将跨在所述至少一个保护器件两端的电压箝位至预定阈值电压以下的电压电平值。
2.根据权利要求1所述的输出驱动器，还包括至少一个对应于每个所述至少一个保护器件的第一电压参考线，每个所述至少一个保护器件都被用于基于所述至少一个第一电压参考线上对应的第一参考电压控制所述至少一个保护器件和所述电源线之间的电压。
3.根据权利要求2所述的输出驱动器，还包括设置在所述至少一个保护器件和所述控制开关之间的中间保护器件。
4.根据权利要求3所述的输出驱动器，还包括用于输出第二参考电压的第二电压参考线，而且所述中间保护器件用于基于所述第二参考电压控制跨在所述控制开关两端的电压。
5.根据权利要求3所述的输出驱动器，所述中间保护器件用于基于所述至少一个第一电压参考线之一上对应的第一参考电压控制跨在所述控制开关两端的电压。
6.根据权利要求1所述的输出驱动器，所述至少一个电压箝位器件由二极管，二极管连接的场效应晶体管，二极管连接的双极晶体管或齐纳二极管的至少之一形成。
7.根据权利要求1所述的输出驱动器，所述至少一个电压箝位器件由两个二极管连接的场效应晶体管以串联排布形成。
8.根据权利要求3所述的输出驱动器，所述控制开关，所述至少一个保护器件和所述中间保护器件中的每一个都由场效应晶体管形成。
9.一种输出驱动器包括：
中间保护器件；
控制开关，所述控制开关设置在所述中间保护器件和电源线之间；
输出线；
保护器件，所述保护器件设置在所述输出线和所述控制开关之间；
中间保护器件，所述中间保护器件设置在所述保护器件和所述控制开关之间；
电压箝位器件，所述电压箝位器件设置为跨在所述保护器件两端而且用于将跨在所述保护器件两端的电压电平值箝位至预定阈值电压以下；以及
参考电压线，所述参考电压线与所述保护器件的栅极和所述中间保护器件的栅极连接。
10.一种操作输出驱动器的方法，包括：
输入信号给控制开关；
基于所述输入信号将来自电源线的电流通过所述控制开关进行转换；
所述电流流经至少一个保护器件；以及
使用跨在每个所述至少一个保护器件两端设置的对应的电压箝位器件将跨在每个所述至少一个保护器件两端的电压箝位在对应的预定阈值电压以下。
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