CN106876392A - 具热感测功能的功率金氧半晶体管晶粒以及集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具热感测功能的功率金氧半晶体管晶粒以及集成电路。功率金氧半晶体管晶粒具有控制端、相位端、接地端以及热信号输出端，且还包括开关部以及温度感测部。开关部具有：第一电极，耦接控制端；第二电极，耦接接地端；以及第三电极，耦接相位端。温度感测部具有：第一电极；第二电极，耦接热信号输出端；以及第三电极，耦接开关部的第三电极。开关部与温度感测部配置为相同制程所制造的金氧半晶体管。本发明的功率金氧半晶体管晶粒能够准确地感测温度。

Description

具热感测功能的功率金氧半晶体管晶粒以及集成电路
技术领域
本发明涉及一种集成电路，尤其涉及一种具热感测功能的功率金氧半晶体管晶粒以及集成电路。
背景技术
图1是现有的温度传感器的电路图。请参阅图1。在温度传感器中使用一个双极型接面晶体管(bipolar junction transistor，BJT)组件12(例如NPN或PNP)与电流源14。PN接面会随着不同温度而产生不同电压。比较器16比较所产生的电压与另一个与温度无关的电压(例如当在160℃时，PN接面的电压差为0.4V，且将此0.4V设定为默认值)，以便在电压超过0.4V时发出温度保护信号OTP。藉此可保护集成电路(IC)在过热的情况下，可以停止造成高温的操作。
图2是现有的集成电路的配置的俯视图。集成电路是由多个具不同功能的晶粒(die)所组成，且每一个晶粒是由多个单元(cell)组成。请参阅图2，集成电路200包括功率金氧半晶体管晶粒(power MOS transistor die)20、功率金氧半晶体管晶粒22与控制器晶粒(controller die)24。一般而言，温度传感器配置于控制器晶粒24中。然而，当集成电路200具有功率金氧半晶体管晶粒20、功率金氧半晶体管晶粒22与控制器晶粒24时，由于功率金氧半晶体管晶粒20或功率金氧半晶体管晶粒22会有大电流流过，是整个集成电路中温度最高的区域。然而，使用现有技术所感测到的温度却不是最高温度。因此，若将温度传感器配置在控制器晶粒24中，完全无法做到集成电路200的高温保护，集成电路200容易过热而被烧毁。
图3A是现有的功率金氧半晶体管晶粒的等效电路图。图3B是图3A的功率金氧半晶体管晶粒的结构的剖面图。功率金氧半晶体管晶粒30在图3B中示出具相同结构的三个NMOS单元(cell)。标示“PHASE”、“LG”和“GND”分别表示“相位端”、“控制端”和“接地端”。标示“G”、“D”和“S”分别表示“栅极”、“漏极”和“源极”。标示“n+”、“n-”、“p+”、“pw”和“SiO2”分别表示“高掺杂浓度n型区域”、“低掺杂浓度n型区域”、“高掺杂浓度p型区域”、“P阱区域”和“二氧化硅区域”。功率金氧半晶体管晶粒结构的细节为本领域普通技术人员惯用技术手段，且因此下文中省去其详细描述。
发明内容
本发明提供一种具热感测功能的功率金氧半晶体管晶粒以及集成电路。
集成电路包括功率金氧半晶体管晶粒(die)。
功率金氧半晶体管晶粒包括控制端、相位端、接地端以及热信号输出端，且功率金氧半晶体管晶粒还包括两个区块，分别为开关部(part)与温度感测部，每个区块由一到多个单元(cell)构成。开关部具有：第一电极，耦接控制端；第二电极，耦接接地端；以及第三电极，耦接相位端。温度感测部具有：第一电极；第二电极，耦接热信号输出端；以及第三电极，耦接开关部的第三电极。开关部与温度感测部配置为相同制程所制造的金氧半晶体管。
于本发明的一实施例中，温度感测部的第一电极与第二电极两者耦接至热信号输出端。
于本发明的一实施例中，温度感测部的第一电极耦接开关部的第二电极。
于本发明的一实施例中，当热信号输出端上的电压大于相位端上的电压时，进行热感测功能。
于本发明的一实施例中，功率金氧半晶体管晶粒被配置作为功率转换电路的下桥开关。
于本发明的一实施例中，集成电路还包括控制器晶粒。控制器晶粒包括位准偏移器、第一比较器以及开关。位准偏移器耦接相位端，用以转换来自相位端的信号。第一比较器的第一输入端耦接位准偏移器的输出端，其第二输入端耦接热信号输出端。开关的一端耦接第一比较器的输出端，开关的另一端用于输出温度监控信号。控制器晶粒的开关与功率金氧半晶体管晶粒的控制端的导通时间同步。
于本发明的一实施例中，位准偏移器包括第一定电流源、第二定电流源以及第一电阻。第一定电流源耦接第一比较器的第一输入端。第二定电流源耦接热信号输出端与第一比较器的第二输入端。第一电阻的一端耦接第一比较器的第一输入端，且另一端耦接相位端。
于本发明的一实施例中，控制器晶粒还包括位准偏移器以及开关。位准偏移器用以转换来自相位端与热信号输出端的两个信号，其具有：第一端，耦接相位端；第二端，耦接热信号输出端；输出端；以及接地端。开关的一端耦接位准偏移器的输出端，另一端用于输出温度监控信号。控制器晶粒的开关与功率金氧半晶体管晶粒的控制端的导通时间同步。
于本发明的一实施例中，位准偏移器还包括第三定电流源、第二比较器、第二电阻、N型金氧半晶体管、电流镜以及第三电阻。第三定电流源的一端耦接热信号输出端。第二比较器的第一输入端耦接热信号输出端。第二电阻的一端耦接第二比较器的第二输入端，另一端耦接相位端。N型金氧半晶体管的栅极耦接第二比较器的输出端，其源极耦接第二比较器的第二输入端。电流镜耦接至N型金氧半晶体管的漏极及开关的一端。第三电阻耦接开关的一端与接地端之间。
基于上述，本发明的具热感测功能的集成电路不改变原本制程，且在同一个功率金氧半晶体管晶粒内配置开关部与温度感测部。本发明的温度感测部可以感测功率金氧半晶体管晶粒的温度变化，从而提高温度保护的准确性，还可避免集成电路因为温度过高而烧毁。另一方面，本发明相对于现有的具热感测功能的集成电路，构造简单。又由于不改变原本制程，可以避免电路面积增加。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
下面的附图是本发明的说明书的一部分，其显示了本发明的示例实施例，附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。
图1是现有的温度传感器的电路图；
图2是现有的集成电路的配置的俯视图；
图3A是现有的功率金氧半晶体管晶粒的等效电路图；
图3B是图3A的功率金氧半晶体管晶粒的结构的剖面图；
图4A是依照本发明一实施例的功率金氧半晶体管晶粒的等效电路图；
图4B是于图4A的功率金氧半晶体管晶粒的结构的剖面图；
图5A是依照本发明另一实施例的功率金氧半晶体管晶粒的等效电路图；
图5B是基于图5A的功率金氧半晶体管晶粒的结构的剖面图；
图6是依照本发明一实施例的具热感测功能的集成电路的电路图；
图7是依照本发明一实施例的具热感测功能的集成电路的电路图；
图8是依照本发明一实施例的具热感测功能的集成电路的电路图；
图9是依照本发明一实施例的具热感测功能的集成电路的电路图。
附图标记：
12：双极型接面晶体管组件
14：电流源
16：比较器
20、22、30、40、50：功率金氧半晶体管晶粒
24、60、60A、60B、60C：控制器晶粒
62：位准偏移器
62A：第一定电流源
62B：第二定电流源
64：第一比较器
66：开关
68、68A：位准偏移器
70：第三定电流源
72：第二比较器
74：N型金氧半晶体管
76：第一P型金氧半晶体管
78：第二P型金氧半晶体管
80：电流镜
200、600、600A、800、800A：集成电路
C：电容器
D：漏极
G：栅极
GND：接地端
GS：栅极与源极共接
I：电流信号
LG：控制端
N：倍率
N42、N52：开关部
N44、N54：温度感测部
n+：高掺杂浓度n型区域
n-：低掺杂浓度n型区域
OTP：温度保护信号
PHASE：相位端
pw：P阱区域
p+：高掺杂浓度p型区域
R1：第一电阻
R2：第二电阻
R3：第三电阻
S：源极
SiO2：二氧化硅区域
SENSE：热信号输出端
VD、VP、V1～V3：电压
TM：温度监控信号
具体实施方式
现在将详细参考本发明的示范性实施例，并在附图中说明所述示范性实施例的实例。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的组件/构件是用来表示相同或类似部分。
在下述诸实施例中，当组件被指为“耦接”至另一组件时，其可为直接连接或耦接至另一组件，或可能存在介于其间的组件。术语“电路”可表示为至少一组件或多个组件，或者主动地和/或被动地而耦接在一起的组件以提供合适功能。术语“信号”可表示为至少一电流、电压、负载、温度、数据或其他信号。应理解，贯穿本说明书以及附图所指的信号，其物理特性可以为电压或是电流。术语“同步”表示该信号的周期切换动作是彼此相关，而非限定于时间上的一致。
应理解，尽管本文中可使用术语第一、第二等等以描述各种组件，但此等组件不应受到此等术语限制。此等术语仅用以区分一个组件与另一组件。举例而言，在不脱离本揭示内容的教示的情况下，第一开关可被称为第二开关，且类似地，第二开关可被称为第一开关。
图4A是依照本发明一实施例的功率金氧半晶体管晶粒(power MOStransistor die)的等效电路图。图4B是基于图4A的功率金氧半晶体管晶粒的结构的剖面图。请参阅图4A及图4B。在图4B，除了上层有关电极的金属绕线(metal wire)稍有不同之外，功率金氧半晶体管晶粒40示出具相同结构的三个NMOS单元(cell)。标示“PHASE”、“LG”、“SENSE”和“GND”分别表示“相位端”、“控制端”、“热信号输出端”和“接地端”。标示“G”、“D”、“S”和“GS”分别表示“栅极”、”漏极”、“源极”和“栅极与源极共接”。标示“n+”、“n-”、“p+”、“pw”和“SiO2”分别表示“高掺杂浓度n型区域”、“低掺杂浓度n型区域”、“高掺杂浓度p型区域”、“P阱区域”和“二氧化硅区域”。NMOS晶体管晶粒结构的细节为本领域普通技术人员惯用技术手段，且因此下文中省去其详细描述。
功率金氧半晶体管晶粒40包括控制端LG、相位端PHASE、接地端GND以及热信号输出端SENSE，且还包括开关部(switch part)N42以及温度感测部(temperature sensing part)N44。在图4B示出开关部N42的单元(cell)数目为两个，但也可以为一个，或是两个以上，视设计而定。在图4B示出温度感测部N44的单元数目为一个，但也可以为多个，视设计而定。
开关部N42具有第一电极(栅极G)、第二电极(源极S)以及第三电极(漏极D)。开关部N42的第一电极耦接控制端LG，其第二电极耦接至接地端GND，其第三电极耦接相位端PHASE。温度感测部N44同样也具有第一电极(栅极G)、第二电极(源极S)以及第三电极(漏极D)。温度感测部N44的第二电极耦接热信号输出端SENSE，其第三电极耦接开关部N42的第三电极。
图4A中，温度感测部N44第一电极与第二电极两者耦接至热信号输出端SENSE。开关部N42与温度感测部N44共享漏极D，其中漏极D耦接相位端PHASE。
此外，当热信号输出端SENSE上的电压大于相位端PHASE上的电压时，可进行热感测功能。
在本实施例中，可以不改变原本功率金氧半晶体管晶粒40的制程。开关部N42与温度感测部N44配置为相同制程所制造的金氧半晶体管。因此可以在同一个功率金氧半晶体管晶粒40内配置开关部N42与温度感测部N44。功率金氧半晶体管晶粒40相较于图3A的功率金氧半晶体管晶粒30而言，仅多配置一个热信号输出端SENSE。
图5A是依照本发明另一实施例的功率金氧半晶体管晶粒的等效电路图。图5B为基于图5A的功率金氧半晶体管晶粒的结构的剖面图。请参阅图5A及图5B。功率金氧半晶体管晶粒50包括开关部N52以及温度感测部N54。换言之，开关部N52与温度感测部N54配置在同一个功率金氧半晶体管晶粒50。在图5B示出开关部N52的单元数目为两个，但也可以为一个，或是两个以上，视设计而定。在图5B示出温度感测部N54的单元数目为一个，但也可以为多个，视设计而定。
图5A中的开关部N52与图4A中的开关部N42的耦接方式相同。图5A中的温度感测部N54与图4A中的温度感测部N44的耦接方式类似，差异仅在温度感测部N54的第一电极(栅极G)并不耦接其第二电极(源极S)，而是耦接至开关部N52的第二电极(源极S)。
图6是依照本发明一实施例的具热感测功能的集成电路的电路图。请参阅图6。集成电路600包括功率金氧半晶体管晶粒40与控制器晶粒(controllerdie)60。功率金氧半晶体管晶粒40包括开关部N42以及温度感测部N44。关于功率金氧半晶体管晶粒40的实施方式可以参阅图4A和图4B的说明。另外，在图6中的功率金氧半晶体管晶粒40可以置换为功率金氧半晶体管晶粒50。关于功率金氧半晶体管晶粒50的实施方式可以参阅图5A和图5B的说明。另外，功率金氧半晶体管晶粒40的配置位置可对应于如图2的功率金氧半晶体管晶粒20或功率金氧半晶体管晶粒22，并且控制器晶粒60的配置位置可对应于如图2的控制器晶粒24。
控制器晶粒60包括位准偏移器62、第一比较器64以及开关66。位准偏移器62耦接相位端PHASE，用以转换来自相位端PHASE的信号。第一比较器64的第一输入端耦接位准偏移器62的输出端，其第二输入端耦接热信号输出端SENSE。开关66的一端耦接第一比较器64的输出端，开关66的另一端用于输出温度保护信号OTP。控制器晶粒60的开关66与功率金氧半晶体管晶粒40的控制端LG的导通时间(on time)同步。
在功率金氧半晶体管晶粒40被开启时，集成电路600利用开关66来进行热感测。此时，相位端PHASE会降到低电压(例如，接地电压)。温度感测部N44的寄生二极管将随着不同温度而产生不同电压。当热信号输出端SENSE上的电压大于相位端PHASE上的电压时，可进行热感测功能时。功率金氧半晶体管晶粒40可以将热信号输出端SENSE和相位端PHASE上的信号传送至控制器晶粒60。位准偏移器62用以对来自相位端PHASE的信号进行转换运作而产生电压VP。如此一来，第一比较器64可以比较电压VP与热信号输出端SENSE上的电压VD，进而通过开关66输出温度保护信号OTP。
于本发明的一实施例中，当集成电路600属于功率转换电路的降压(buck)结构时，开关部N42配置在功率金氧半晶体管晶粒40所起的作用相当于功率转换电路的下桥开关(low side switch)。
图7是依照本发明一实施例的具热感测功能的集成电路的电路图。请参阅图7。集成电路600A是基于集成电路600的结构。关于第一比较器64与开关66的说明可以参见前文，在此不加以赘述。
在控制器晶粒60A中，位准偏移器62包括第一定电流源62A、第二定电流源62B以及第一电阻R1。第一定电流源62A耦接第一比较器64的第一输入端，并且经由第一电阻R1耦接至相位端PHASE。第二定电流源62B耦接热信号输出端SENSE与第一比较器64的第二输入端。第一电阻R1的一端耦接第一定电流源62A与第一比较器64的第一输入端，且其另一端耦接相位端PHASE。第一定电流源62A与第一电阻R1的作用将使相位端PHASE上的电压增加一个数值，以产生比较用的电压VP。如此一来，第一比较器64可以比较电压VP与热信号输出端SENSE上的电压VD，进而通过开关66输出温度保护信号OTP。
图8是依照本发明一实施例的具热感测功能的集成电路的电路图。请参阅图8。集成电路800包括功率金氧半晶体管晶粒40与控制器晶粒60B。功率金氧半晶体管晶粒40包括开关部N42以及温度感测部N44。关于功率金氧半晶体管晶粒40的实施方式可以参阅图4A和图4B的说明。另外，在图8中的功率金氧半晶体管晶粒40可以置换为功率金氧半晶体管晶粒50。关于功率金氧半晶体管晶粒50的实施方式可以参阅图5A和图5B的说明。另外，功率金氧半晶体管晶粒40的配置位置可对应于如图2的功率金氧半晶体管晶粒20或功率金氧半晶体管晶粒22，并且控制器晶粒60B的配置位置可对应于如图2的控制器晶粒24。
控制器晶粒60B包括开关66。控制器晶粒60B的开关66与功率金氧半晶体管晶粒40的控制端LG的导通时间同步。在功率金氧半晶体管晶粒40开启时，集成电路800利用开关66来进行热感测。此时，相位端PHASE会降到低电压(例如，接地电压)。温度感测部N44的寄生二极管将随着不同温度而产生不同电压。当热信号输出端SENSE上的电压大于相位端PHASE上的电压时，可进行热感测功能。功率金氧半晶体管晶粒40可以将热信号输出端SENSE和相位端PHASE上的信号传送至控制器晶粒60B。
详细而言，控制器晶粒60B还包括位准偏移器68。位准偏移器68的第一端耦接相位端PHASE，其第二端耦接热信号输出端SENSE，其输出端耦接开关66的一端，以及其接地端GND耦接地。位准偏移器68用以对来自相位端PHASE与热信号输出端SENSE的两个信号进行转换运作。开关66的另一端用于输出温度监控信号TM。
于本发明的一实施例中，当集成电路800属于功率转换电路的降压结构时，开关部N42配置在功率金氧半晶体管晶粒40所起的作用相当于功率转换电路的下桥开关。
图9是依照本发明一实施例的具热感测功能的集成电路的电路图。请参阅图9。集成电路800A是基于集成电路800的结构。在控制器晶粒60C中，位准偏移器68A包括第三定电流源70、第二比较器72、第二电阻R2、N型金氧半晶体管74、电流镜80(包含第一P型金氧半晶体管76与第二P型金氧半晶体管78)以及第三电阻R3。第三定电流源70的一端耦接热信号输出端SENSE。第二比较器72的第一输入端(例如正输入端)也耦接热信号输出端SENSE。第二电阻R2的一端耦接第二比较器72的第二输入端(例如负输入端)，其另一端耦接相位端PHASE。N型金氧半晶体管74的栅极耦接第二比较器72的输出端，其源极耦接第二比较器72的第二输入端。第一P型金氧半晶体管76的栅极与漏极两者耦接至N型金氧半晶体管74的漏极。第二P型金氧半晶体管78的栅极耦接第一P型金氧半晶体管76的栅极，其漏极耦接开关66的一端。第三电阻R3的一端耦接第二P型金氧半晶体管78的漏极，其另一端耦接接地端GND。第一P型金氧半晶体管76与第二P型金氧半晶体管78被配置作为电流镜80。开关66的另一端用于输出温度监控信号TM。
位准偏移器68A将热信号输出端SENSE和相位端PHASE的两者间的信号转换成对地(GND)的温度监控信号TM。原理如下。位准偏移器68A将热信号输出端SENSE上的电压V1和相位端PHASE上的电压V2转换成电流信号I，再通过电流镜80将电流信号I放大N倍。于是，经放大的电流信号(N×I)于第三电阻R3的一端产生电压V3，电压V3即为相对于地(GND)的信号。电压V3还可以通过开关66与电容器C进行取样及维持，将感测到的信号储存在电容器C上以作为温度监控信号TM。
另外。电流镜80中的倍率为1:N，N表示倍率。N倍可以为1倍或是1倍以上。第二电阻R2与第三电阻R3的数值可以相同，也可以不相同。
于本发明的一实施例中，温度监控信号TM还可以再进行放大，以利应用于后级电路。
综上所述，本发明的具热感测功能的集成电路不改变原本制程，且在同一个功率金氧半晶体管晶粒内配置开关部与温度感测部。本发明的温度感测部可以感测功率金氧半晶体管晶粒的温度变化，从而提高温度保护的准确性，还可避免集成电路因为温度过高而烧毁。另一方面，本发明相对于现有的具热感测功能的集成电路，构造简单。又由于不改变原本制程，可以避免电路面积增加。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求界定范围为准。

Claims (9)

1.一种具热感测功能的功率金氧半晶体管晶粒，其特征在于，包括：
一控制端、一相位端、一接地端以及一热信号输出端；
一开关部，具有：
一第一电极，耦接所述控制端；
一第二电极，耦接所述接地端；以及
一第三电极，耦接所述相位端；以及
一温度感测部，具有：
一第一电极；
一第二电极，耦接所述热信号输出端；以及
一第三电极，耦接所述开关部的所述第三电极；
其中所述开关部与所述温度感测部为相同制程所制造的金氧半晶体管。
2.根据权利要求1所述的功率金氧半晶体管晶粒，其特征在于，所述温度感测部的所述第一电极与所述第二电极两者耦接至所述热信号输出端。
3.根据权利要求1所述的功率金氧半晶体管晶粒，其特征在于，所述温度感测部的所述第一电极耦接所述开关部的所述第二电极。
4.根据权利要求1所述的功率金氧半晶体管晶粒，其特征在于，当所述热信号输出端上的电压大于所述相位端上的电压时，进行所述热感测功能。
5.根据权利要求1所述的功率金氧半晶体管晶粒，其特征在于，所述功率金氧半晶体管晶粒被配置作为一功率转换电路的下桥开关。
6.一种具热感测功能的集成电路，其特征在于，包括：
一功率金氧半晶体管晶粒，包括：
一控制端、一相位端、一接地端以及一热信号输出端；
一开关部，具有：一第一电极，耦接所述控制端；一第二电极，耦接所述接地端；以及一第三电极，耦接所述相位端；以及
一温度感测部，具有：一第一电极；一第二电极，耦接所述热信号输出端；以及一第三电极，耦接所述开关部的所述第三电极；
其中所述开关部与所述温度感测部为相同制程所制造的金氧半晶体管；以及
一控制器晶粒，包括：
一位准偏移器，耦接所述相位端，用以转换来自所述相位端的信号；
一第一比较器，其第一输入端耦接所述位准偏移器的输出端，其第二输入端耦接所述热信号输出端；以及
一开关，其一端耦接所述第一比较器的输出端，所述开关的另一端用于输出一温度保护信号；
其中所述控制器晶粒的所述开关与所述功率金氧半晶体管晶粒的所述控制端的导通时间同步。
7.根据权利要求6所述的集成电路，其特征在于，所述位准偏移器包括：
一第一定电流源，耦接所述第一比较器的所述第一输入端；
一第二定电流源，耦接所述热信号输出端与所述第一比较器的所述第二输入端；以及
一第一电阻，其一端耦接所述第一比较器的所述第一输入端，且另一端耦接所述相位端。
8.一种具热感测功能的集成电路，其特征在于，包括：
一功率金氧半晶体管晶粒，包括：
一控制端、一相位端、一接地端以及一热信号输出端；
一开关部，具有：一第一电极，耦接所述控制端；一第二电极，耦接所述接地端；以及一第三电极，耦接所述相位端；以及
一温度感测部，具有：一第一电极；一第二电极，耦接所述热信号输出端；以及一第三电极，耦接所述开关部的所述第三电极；
其中所述开关部与所述温度感测部为相同制程所制造的金氧半晶体管；以及
一控制器晶粒，包括：
一位准偏移器，用以转换来自所述相位端与所述热信号输出端的信号，具有：
一第一端，耦接所述相位端；
一第二端，耦接所述热信号输出端；
一输出端；以及
一接地端；以及
一开关，其一端耦接所述位准偏移器的所述输出端，另一端用于输出一温度监控信号；
其中所述控制器晶粒的所述开关与所述功率金氧半晶体管晶粒的所述控制端的导通时间同步。
9.根据权利要求8所述的集成电路，其特征在于，所述位准偏移器还包括：
一第三定电流源，其一端耦接所述热信号输出端；
一第二比较器，其第一输入端耦接所述热信号输出端；
一第二电阻，其一端耦接所述第二比较器的第二输入端，另一端耦接所述相位端；
一N型金氧半晶体管，其栅极耦接所述第二比较器的输出端，其源极耦接所述第二比较器的第二输入端；
一电流镜，耦接至所述N型金氧半晶体管的漏极及所述开关的所述一端；以及
一第三电阻，耦接所述开关的所述一端与所述接地端之间。
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