CN103635995B - 保护电路 - Google Patents
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Abstract
具有变压器(11)作为保护电路，变压器(11)的端子(11a)连接到无线IC的端子部(1)，端子(11b)连接到接地点，端子(11c)连接到片上电路(7)的输入或输出，端子(11d)连接到偏置电源电路(18)。端子侧电感(11f)和电路侧电感(11g)之间，通过磁耦合来传输信号，被DC绝缘而完全分开，从而对端子部(1)和片上电路(7)的输入或输出，可提供不同的DC电位。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路中设置的保护电路，例如涉及在输入高频信号的电子电路中，用于防止包括静电放电(ELectro-Static Discharge，ESD)的噪音造成的电路击穿的保护电路。
背景技术
在输入高频信号的电子电路中，例如在无线电路的IC(Integrated Circuit；集成电路)中，设置用于防止静电放电造成的电路击穿的保护电路。图10是表示在无线电路的接收块的高频信号输入单元中设置了ESD保护电路的结构例的电路图。
在从外部被信号输入的端子部(焊盘)101的后级，连接着低噪声放大器(LoWNoise Amplifier，LNA)102。在图10的例子中，为了防止静电放电造成输入信号振幅为容许电压值以上，作为ESD保护电路的ESD二极管电路103插入在端子部101和低噪声放大器102之间。
ESD二极管电路103的两个二极管103a、103b串联连接，一个二极管103a的阴极连接着电源，另一个二极管103b的阳极连接着地(GND)。静电放电造成输入信号在正侧变化时，二极管103a为导通(ON)状态，在二极管103a中流过电流而防止为电源电压以上。此外，输入信号在负侧变化时，二极管103b为导通状态，在二极管103b中流过电流而防止为接地电位以下。
但是，在构成ESD二极管电路103的二极管103a、103b中，存在寄生电容成分。二极管的寄生电容，在设置ESD二极管电路103的情况下成为使接收信号的传输特性劣化的因素。在作为输入信号处理数GHz的微波信号的无线电路中，为了抑制对传输特性的影响，在研究减小ESD二极管电路的寄生电容的技术。
频率越高，寄生电容的影响越大，例如在处理频率为微波频段的十倍以上即数十GHz的毫米波信号的情况下，寄生电容的影响增大。因此，毫米波段的无线电路中，难以消除寄生电容造成的传输特性的劣化。
作为对起因于上述二极管的寄生电容的课题的解决对策，提出了使用传输线的ESD保护电路(参照专利文献1)。图11是表示专利文献1中记载的ESD保护电路的第1例的电路图，图12是表示专利文献1中记载的ESD保护电路的第2例的电路图。
图11的第1例，具有连接端子部(焊盘)151和接地点的传输线154、连接片上(on-chip)电路(例如低噪声放大器)157的输入和偏置电源电路168的传输线155、以及连接端子部151和片上电路157的输入的电容156。
在毫米波段中，传输线154的阻抗高，所以从端子部151向片上电路157通过信号。另一方面，因静电放电产生的信号是比毫米波段低得多的频率。对于低频率的静电放电信号，传输线154的阻抗低，显现与信号路径和接地点被短路的情况同样的特性，所以能够抑制对片上电路157的静电放电信号的传输。
图12的第2例，是未设置图11中的传输线154和电容156的结构。在传输线155和偏置电源电路168之间，连接ESD二极管电路103、电阻159，在传输线155和ESD二极管电路103的连接点上连接电容158的一端，电容158的另一端被接地。
在毫米波段中，传输线155的阻抗高，所以能够抑制ESD二极管电路103的寄生电容造成的对信号路径的影响。对于低频率的静电放电信号，传输线155的阻抗低，显现与信号路径和ESD二极管电路103连接着的情况同样的特性，所以在产生了静电放电的情况下，通过ESD二极管电路103能够抑制信号振幅。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2008/0112101号说明书
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的是，在保护电路中，抑制寄生电容造成的性能劣化，不增加占有面积而提高保护功能。
解决问题的方案
本发明的保护电路，包括在电子电路的端子部和所述电子电路的输入或输出之间设置的、具有被磁耦合的多个电感的变压器，所述变压器的端子侧电感的一端连接到所述端子部，另一端接地，所述变压器的电路侧电感的一端连接到所述电子电路的输入或输出，另一端连接到所述电子电路的偏置电源电路。
此外，本发明的保护电路，包括在电子电路的端子部和所述电子电路的输入或输出之间设置的、具有被磁耦合的多个电感的变压器，所述变压器的端子侧电感的一端连接到所述端子部，另一端接地，所述电子电路是差动结构的电路，所述变压器的电路侧电感具有中点端子，所述电感的一端连接到所述差动结构的一个电子电路的输入或输出，另一端连接到所述差动结构的另一个电子电路的输入或输出，所述中点端子连接到所述电子电路的偏置电源电路。
根据上述结构，在变压器的端子侧电感和电路侧电感之间，通过磁耦合来传输信号，但由于DC上被绝缘而分开。因此，电子电路的端子部及外部和电子电路的输入输出的DC电位被分离，不使用信号路径中串联连接的电容，能够将端子部的电位和电子电路的偏置电位分开。此外，对于因静电放电产生的比信号频带低的频率的信号，能够降低阻抗，将静电放电信号从变压器的端子侧电感的另一端流入接地点，防止被输入到电子电路侧。
发明的效果
根据本发明，在保护电路中，抑制寄生电容造成的性能劣化，不增加占有面积而提高保护功能。
附图说明
图1是表示设置了本发明的第1的实施方式的保护电路的无线电路的结构图。
图2是表示将本实施方式的变压器11生成在IC上的构造例子的图，(a)是顶视图，(b)是(a)的A-A线截面图。
图3是表示相对于图1的结构进行了ESD抗性的增强的第1变形例的无线电路的图。
图4是表示在图1所示的无线电路中适用的片上电路的具体例子的图，(a)是表示在接收电路中适用的结构例的图，(b)是表示在发送电路中适用的结构例子的图。
图5是表示在图3所示的无线电路中适用的片上电路的具体例子的图，(a)是表示接收电路中适用的结构例的图，(b)是表示发送电路中适用的结构例子的图。
图6是表示相对于图3的结构在端子部侧设置了ESD二极管电路的第2变形例的无线电路的图。
图7是表示一例本实施方式中使用的偏置电源电路的图。
图8是表示相对于图3的结构设置了匹配电路元件的第3变形例的无线电路的图。
图9是表示设置了本发明的第2的实施方式的保护电路的无线电路的结构的图。
图10是表示在无线电路的接收块的高频信号输入单元中设置了ESD保护电路的结构例的电路图。
图11是表示专利文献1中记载的ESD保护电路的第1例子的电路图。
图12是表示专利文献1中记载的ESD保护电路的第2例子的电路图。
图13是表示考虑了耐压的以往的ESD保护电路的例子的图。
标号说明
1端子部(焊盘)
2低噪声放大器
3ESD二极管电路
7、7a、7b片上电路
8AC接地用电容
9电阻
11、15变压器
11a、11b、11c、11d、15a、15b、15c、15d端子
11f、15f端子侧电感
11g、15g电路侧电感
11h布线层
12晶体管
13传输线
14电容
15e中点端子
16功率放大器
18偏置电源电路
19偏置电源端子
具体实施方式
(获得本发明的一形态的经过)
作为ESD保护电路的例子，在图11所示的第1例、及图12所示的第2例中，各自的传输线154、155成为片上电路157的输入匹配电路的一部分。在实际的电路中，根据需要在端子部151和片上电路157之间另外连接传输线、电阻、电容、电感这类元件。
在图11及图12所示的专利文献1提出的技术中，有以下所示的课题。图11的第1例中所使用的电容156，从扩宽匹配电路的带宽观点来看，期望是足够大的电容值。另一方面，在IC上组装大电容时，对于基板的寄生电容变大，成为信号损耗的因素。在图12的第2例中，不使用电容156来实现保护电路，所以不产生寄生电容造成的特性的劣化。但是，端子部151和片上电路157的输入的DC电位变得相同，所以在IC外部需要用于将DC电位分开的电容元件，有导致组装成本增大的顾虑。
此外，在图11和图12所示的结构中，ESD保护用的传输线为1条，但为了对于静电放电获得足够的抗性，有传输线为1条不足的情况。需要将同样的传输线并排地连接，导致占有面积的增大。再有，在图11的结构中，还需要考虑电容156的耐压。在图13中，考虑耐压，在比电容156靠近端子部151的点上连接着新的传输线160。
鉴于上述情况，在本发明中，提供抑制电路的寄生电容造成的性能劣化，可不增加占有面积而提高保护功能的保护电路。此外，提供不使用信号路径中串联连接的电容，而可将端子部的电位和电子电路的偏置电位分开的保护电路。
(本发明的实施方式)
在以下的实施方式中，作为适用本发明的电子电路的一例，表示使用在无线IC中形成电路的片上电路的结构例。作为片上电路，例如假想包含低噪声放大器、功率放大器的其中一个的电路。作为对于电路输入输出的信号，假想数十GHz的毫米波信号。在片上电路的输入单元或输出单元中，设置本发明的实施方式的保护电路。
在本实施方式中，作为片上电路的输入输出匹配电路，使用变压器。变压器连接设置在片上电路的输入或输出的端子部(焊盘)周边的电路中。在变压器中，利用彼此绝缘的磁耦合的两个电感的功能。
作为片上电路，例如假想在接收单元的输入单元中所设置的低噪声放大器、在发送单元的输出单元中所设置的功率放大器。通过变压器的端子部侧电感，连接端子部和接地点或ESD保护电路(ESD二极管电路)。此外，通过变压器的电路侧电感(片上电路侧电感)，连接片上电路的输入或输出和偏置电源电路。
由此，不使用DC电位分开用的电容元件，能够进行输入或输出的端子部的电位和片上电路的偏置电位的分开。此外，通过形成变压器的一个电感的占有面积能够构成ESD对策电路，在ESD抗性的增强中也不需要增加占有面积。
(第1的实施方式)
图1是表示设置了本发明的第1的实施方式的保护电路的无线电路的结构的图。本实施方式的保护电路包括有两个电感并具有四个端子的变压器11作为片上电路7的输入输出匹配电路。再有，变压器11如果包含彼此绝缘的磁耦合的两个电感，则不限于两绕组，例如，根据电路结构、可组装的占有面积的状况，只要可使用，也可以三绕组以上。
变压器11的端子11a上连接着无线IC的端子部(焊盘)1，端子11b上连接着接地点，端子11c上连接着片上电路7的输入或输出，端子11d上连接着偏置电源电路18。
变压器11的端子侧电感11f和电路侧电感(片上电路侧电感)11g之间，通过磁耦合来传输信号，被DC绝缘、分开。因此，端子部1和片上电路7的输入或输出上，被提供不同的DC电位。
在频率为数十GHz的毫米波段中，变压器11的阻抗足够大，通过磁耦合从端子部1对片上电路7传输信号。另一方面，在比毫米波段低的频率中，变压器11的阻抗变小，显现与变压器11的端子11a和端子11b、以及端子11c和端子11d短路的情况同样的特性。由此，因静电放电产生的大振幅的低频信号流入到变压器11的端子11b上连接的接地点，能够防止对片上电路7的传输。
图2是表示将本实施方式的变压器11生成在IC上的构造例子的图，(a)是顶视图，(b)是(a)的A-A线截面图。在半导体基板上，通过大致八边形的环状的布线层形成了端子侧电感11f。在端子侧电感11f的端部，形成端子11a、11b。此外，在端子侧电感11f的内侧(环的中心侧)，同样通过大致八边形的环状的布线层形成电路侧电感11g。
端子侧电感11f和电路侧电感11g形成在同一面的层中。电路侧电感11g的端部绕过端子侧电感11f，通过连接导体与布线层11h的一端连接，布线层11h的另一端通过连接导体与端子11c、11d连接。
在图2(a)、(b)中，两个电感布线在同一面的层中重叠配置，通过与一个电感同等的占有面积能够生成变压器11。另一方面，图11和图12中所示的以往例的电路结构中作为必要的传输线，每一个都需要与一个电感同等的面积。因此，图1中所示的本实施方式的电路，通过图11所示的以往例的电路的大约1/2的占有面积能够实现同等的功能。
在本实施方式中，通过使用变压器，能够将IC外部和片上电路的输入输出的DC电位分离，所以不使用在信号路径中串联连接的电容，而能够将端子部的电位和片上电路的偏置电位分开。此外，通过变压器，不设置电容，而对于比因静电放电产生的信号频带低的频率的信号能够降低阻抗，将静电放电信号流到地而能够防止输入到片上电路中。
在使用本实施方式中的变压器的结构中，不必为了与ESD保护以及和外部的DC电位分离而需要电容元件，所以能够抑制寄生电容造成的性能劣化，不增加占有面积而增强对静电放电的抗性，并能够提高保护功能。此外，也不必为了ESD保护而需要传输线，所以能够抑制电子电路的性能劣化，能够削减占有面积。在使用低噪声放大器作为电子电路的情况下，通过除去DC电位分离用的电容，能够改善低噪声放大器的增益及噪声性能。
图3是表示对于图1的结构进行了ESD抗性的增强的第1变形例的无线电路的图。在第1变形例中，在变压器11的端子11d和偏置电源电路18之间，连接作为ESD保护电路的ESD二极管电路3、电阻9，在端子11d和ESD二极管电路3之间的连接点上连接AC接地用电容8的一端，AC接地用电容8的另一端被接地。
ESD二极管电路3的两个二极管3a、3b串联连接，一个二极管3a的阴极连接到电源，另一个二极管3b的阳极被接地。静电放电造成输入信号在正侧变化时，二极管3a成为导通状态，二极管3a中流入电流而防止为电源电压以上。此外，输入信号在负侧变化时，二极管3b成为导通状态，二极管3b中流过电流而防止为接地电位以下。
在图13所示的以往例中，电容156的耐压低，所以对于传输线155难以插入用于ESD对策的电路。相反，本实施方式的变压器11的耐压足够大。因此，通过在端子11d上连接ESD二极管电路3，能够防止因静电放电产生的大振幅的低频信号被输入到片上电路7，获得信号振幅抑制的效果。
此外，不需要追加电路结构，例如，不需要追加新线路，利用与图1所示的本实施方式的电路大致同等的占有面积，实现ESD抗性的增强。与考虑为具有同等的ESD抗性的图13的电路结构比较，能够将占有面积减少到大约1/3。
再有，本实施方式可适用于接收电路、发送电路的任何一个。图4是表示在图1所示的无线电路中适用的片上电路的具体例子的图，(a)是表示在接收电路中适用的结构例子的图，(b)是表示在发送电路中适用的结构例子的图。
在图4(a)所示的接收电路的结构中，设置低噪声放大器2作为片上电路7。在变压器11的端子11c上，连接低噪声放大器2的输入。在图4(b)所示的发送电路的结构中，设置功率放大器(Power Amplifier，PA)16作为片上电路7。在变压器11的端子11c上，连接功率放大器16的输出。
图5是表示在图3所示的无线电路中适用的片上电路的具体例子的图，(a)是表示在接收电路中适用的结构例子的图，(b)是表示在发送电路中适用的结构例子的图。
在图5(a)所示的接收电路的结构中，设置低噪声放大器2作为片上电路7。在变压器11的端子11c上，连接低噪声放大器2的输入。在图5(b)所示的发送电路的结构中，设置功率放大器16作为片上电路7。在变压器11的端子11c上，连接功率放大器16的输出。
再有，本实施方式的结构，在接收电路和发送电路中能够获得效果。此外，在对发送电路进行ESD抗性的增强的情况下，从偏置电源电路18向片上电路7流动电流，所以为了抑制电压降，能够省略插入图3的电阻9。
图6是表示对于图3的结构在端子部侧设置了ESD二极管电路的第2变形例的无线电路的图。
在端子部1具有接地电位以外的电位的情况下，如图6那样，也可以对端子部1侧进行ESD抗性的增强。在第2变形例中，在变压器11的端子11b连接ESD二极管电路3，在端子11b和ESD二极管电路3的连接点连接AC接地用电容8的一端，AC接地用电容8的另一端被接地。由此，能够进一步加强ESD抗性。
图7是表示一例本实施方式中使用的偏置电源电路的图，表示适用了图3的结构的例子。偏置电源电路18具有晶体管12。晶体管12的栅极和漏极连接到偏置电源端子19，源极被接地。通过从漏极向源极流过基准电流Ir，能够在偏置电源端子19上产生期望的DC电位。偏置电源电路18根据电路的温度特性，基于周围的温度变化调整偏置电位。
由此，从偏置电源端子19通过电阻9、ESD二极管电路3，对变压器11的端子11d施加规定的偏置电压。使用利用晶体管12的偏置电路，例如，在晶体管的性能因温度而有变化的情况下，通过提供DC电位，也能够抑制片上电路7的特性的变化。
图8是表示相对于图3的结构设置了匹配电路元件的第3变形例的无线电路的图。
在通过变压器11难以对IC外部和片上电路的输入或输出的阻抗进行匹配的情况下，如图8那样，也可以设置匹配电路元件。在第3变形例中，在端子部1和变压器11的端子11a之间，以及片上电路7和变压器11的端子11c之间，连接传输线13。此外，在变压器11的端子11a和11b之间，以及端子11c和11d之间，连接电容14。
由此，能够容易地匹配IC外部和片上电路之间的阻抗。但是，在阻抗通过变压器11能够匹配的状态下，追加匹配电路元件，有使信号传输特性劣化的顾虑。
(第2的实施方式)
图9是表示设置了本发明的第2的实施方式的保护电路的无线电路的结构的图。在第1的实施方式中假想了单一结构的片上电路，但也能够适用于差动结构的片上电路。在第2的实施方式中表示差动结构的例子。
第2的实施方式的保护电路包括在片上电路侧具有中点端子15e的5端子的变压器15。在变压器15的端子15a上连接着无线IC的端子部(焊盘)1，在端子15b上连接着接地点，在端子15c上连接着第1片上电路7a的输入或输出，在端子15d上连接着第2片上电路7b的输入或输出。
此外，在中点端子15e上，通过ESD二极管电路3、电阻9，连接偏置电源电路18，在中点端子15e和ESD二极管电路3的连接点上连接AC接地用电容8的一端，AC接地用电容8的另一端被接地。在变压器15的端子侧电感15f和电路侧电感15g之间，通过磁耦合来传输信号，但被DC绝缘，所以被分开。
在变压器15的电路侧电感15g两端的端子15c和端子15d中，传输彼此相位反转的信号。即，在端子15c、15d上分别连接的第1片上电路7a和第2片上电路7b中，传输正负反转的信号。此外，通过在中点端子15e和偏置电源电路18之间插入ESD二极管电路3，能够加强ESD抗性。
在差动结构中，也能够适用使用了变压器的保护电路，所以与第1的实施方式同样，能够抑制寄生电容造成的性能劣化，不增加占有面积而加强对静电放电的抗性，能够提高保护功能。
再有，对于本发明，在不脱离本发明的宗旨及范围而基于说明书的记载、以及公知的技术，本领域技术人员进行各种各样的变更、应用，都是本发明予定的，包含在要求保护的范围中。此外，在不脱离本发明的宗旨的范围中，也可以任意地组合上述实施方式中的各结构要素。
(本公开的一方式的概要)
本发明的第1保护电路包括在电子电路的端子部和所述电子电路的输入或输出之间设置的、具有被磁耦合的多个电感的变压器，所述变压器的端子侧电感的一端连接到所述端子部，另一端接地，所述变压器的电路侧电感，一端连接到所述电子电路的输入或输出，另一端连接到所述电子电路的偏置电源电路。
本发明的第2保护电路包括在电子电路的端子部和所述电子电路的输入或输出之间，具有被磁耦合的多个电感的变压器，所述变压器的端子侧电感的一端连接到所述端子部，另一端接地，所述电子电路是差动结构的电路，所述变压器的电路侧电感具有中点端子，所述电感的一端连接到所述差动结构的一个电子电路的输入或输出，另一端连接到所述差动结构的另一个电子电路的输入或输出，所述中点端子连接到所述电子电路的偏置电源电路。
本发明的第3保护电路，在上述第1保护电路或第2保护电路中，
在所述电路侧电感的另一端和所述偏置电源电路之间，设置将二极管串联连接并将其一端连接到电源、另一端接地的ESD保护电路。
本发明的第4保护电路，在上述第3保护电路中，
在所述端子侧电感的另一端和接地用地之间，设置所述ESD保护电路，将所述串联连接的二极管间的连接点通过电容接地。
本发明的第5保护电路，在上述第1保护电路到第4保护电路的任意一个保护电路中，
所述电子电路是在无线装置的接收单元中所设置的低噪声放大器，所述变压器设置在所述端子部和所述低噪声放大器的输入之间。
本发明的第6保护电路，在上述第1保护电路到第4保护电路的任意一个保护电路中，
所述电子电路是在无线装置的发送单元中所设置的功率放大器，所述变压器设置在所述端子部和所述功率放大器的输出之间。
本申请基于2012年1月5日申请的日本专利申请(特愿2012-000795)，其内容在此作为参照而引入。
工业实用性
本发明具有在保护电路中，抑制寄生电容造成的性能劣化、不增加占有面积而提高保护功能的效果。本发明作为在电子电路设置的保护电路，例如在输入高频信号的电子电路中，用于防止包含静电放电的噪音造成的电路击穿的保护电路等是有用的。
Claims (5)
1.保护电路，包括在电子电路的端子部和所述电子电路的输入或输出之间设置的、具有被磁耦合的多个电感的变压器，
所述变压器的端子侧电感的一端连接到所述端子部，另一端接地，
所述电子电路是差动结构的电路，
所述变压器的电路侧电感具有中点端子，一端连接到所述差动结构一方的电子电路的输入或输出，另一端连接到所述差动结构的另一方的电子电路的输入或输出，所述中点端子连接到所述电子电路的偏置电源电路，
所述偏置电源电路是具有连接到栅极的漏极、以及被接地的源极，并在所述栅极及所述漏极中产生期望的DC电位的晶体管。
2.如权利要求1所述的保护电路，
在所述电路侧电感的另一端和所述偏置电源电路之间，设置将二极管串联连接并将其一端连接到电源、另一端接地的静电放电保护电路。
3.如权利要求2所述的保护电路，
在所述端子侧电感的另一端和所述接地用地之间，设置所述静电放电保护电路，将所述串联连接的二极管间的连接点通过电容接地。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的保护电路，
所述电子电路是在无线装置的接收单元中所设置的低噪声放大器，
所述变压器设置在所述端子部和所述低噪声放大器的输入之间。
5.如权利要求1至3中任意一项所述的保护电路，
所述电子电路是在无线装置的发送单元中所设置的功率放大器，
所述变压器设置在所述端子部和所述功率放大器的输出之间。
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