CN113056076A - 一种相位翻转和静电加固保护电路 - Google Patents

一种相位翻转和静电加固保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相位翻转和静电加固保护电路，包括电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`、二极管D1、二极管D2、二极管D3、寄生电阻Rj1和寄生电阻Rj2；电阻Riny的一端与运算放大器的正向输入端口INP相连，电阻Riny的另一端分别连接电阻Rinx的一端和寄生电阻Rj1的一端，寄生电阻Rj1的另一端与二极管D1一端相连，二极管D1的另一端连接至负电源；电阻Rinx的另一端分别连接电阻Rin`的一端和寄生电阻Rj2的一端，寄生电阻Rj2的另一端连接二极管D2的一端，二极管D2的另一端连接至负电源；电阻Rin`的另一端分别连接二极管D3的一端和运算放大器中的输入对管基极相连，二极管D3的另一端连接正电源，同时具有静电加固功能和相位翻转保护功能。

Description

一种相位翻转和静电加固保护电路
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体属于一种相位翻转和静电加固保护电路。
背景技术
输入端口的相位翻转保护电路是提高器件可靠性的重要措施之一。特别的，对于双极型轨对轨运放，其宽达电源轨的工作电压范围使其在某些极端工程应用下输入信号极有可能超过电源轨，造成输出信号错误并伴随过流现象，导致器件发生参数漂移甚至失效。此外，端口的抗静电技术也是提高器件可靠性的关键手段。由于运放的应用环境差异很大，其中由于ESD导致的失效占比很大，因此设计合适的静电加固电路是提高器件寿命和可靠性的重要途径。
然而，目前主流的抗相位翻转保护结构并无抗静电能力，而传统的端口抗静电结构无法满足输入端有抗相位翻转要求的运算放大器之中。市面上大多数轨对轨运放输入端均要求输入电压可高于正电源电压或低于负电源电压若干伏，而传统抗静电结构将输入端与正负电源间压降锁定在二极管的导通电压压降处，无法满足应用需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种相位翻转和静电加固保护电路，解除了传统抗静电结构中输入端与正负电源之间钳位电压的限制，使得输入端电压任意可调。同时可根据与输入对管最接近的节点A的电压设置，提高内部电路的抗相位翻转能力。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种相位翻转和静电加固保护电路，包括电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`、二极管D1、二极管D2、二极管D3、寄生电阻Rj1和寄生电阻Rj2；
所述电阻Riny的一端与运算放大器的正向输入端口INP相连，电阻Riny的另一端分别连接电阻Rinx的一端和寄生电阻Rj1的一端，寄生电阻Rj1的另一端与二极管D1一端相连，二极管D1的另一端连接至负电源；
所述电阻Rinx的另一端分别连接电阻Rin`的一端和寄生电阻Rj2的一端，寄生电阻Rj2的另一端连接二极管D2的一端，二极管D2的另一端连接至负电源；
所述电阻Rin`的另一端分别连接二极管D3的一端和运算放大器中的输入对管基极相连，二极管D3的另一端连接正电源。
优选的，还包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、尾电流源Issn和尾电流源Issp；
所述三极管Q1的基极连接三极管Q2的基极，三极管Q1的基极连接电阻Rin`的另一端；
所述三极管Q1的发射极和三极管Q4的发射极均连接尾电流源Issn的一端，尾电流源Issn的另一端连接至负电源；
所述三极管Q1的集电极连接电阻R1的一端，三极管Q4的集电极连接电阻R2的一端，所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均连接正电源；
所述三极管Q3的基极连接三极管Q4的基极，三极管Q4的基极连接运算放大器的反向输入端口INN；
所述三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极与尾电流源Issp的一端连接，尾电流源Issp的另一端连接正电源；
所述三极管Q2的集电极连接电阻R3的一端、三极管Q3的集电极连接电阻R4的一端，电阻R3的另一端和电阻R4的另一端均与负电源连接。
优选的，所述电阻Riny的阻值小于电阻Rinx的阻值，所述电阻Rinx的阻值小于电阻Rin`的阻值。
优选的，所述电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`的阻值之和为总输入电阻。
优选的，所述寄生电阻Rj1为二极管D1在版图结构中产生的N+接触电阻、外延层电阻、埋层电阻和衬底电阻。
优选的，所述寄生电阻Rj2为二极管D2在版图结构中产生的N+接触电阻、外延层电阻、埋层电阻和衬底电阻。
优选的，所述寄生电阻Rj1和寄生电阻Rj2的阻值相等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种相位翻转和静电加固保护电路，电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`、二极管D1、二极管D2、二极管D3、寄生电阻Rj1和寄生电阻Rj2共同构成了本发明的输入端口相位翻转和静电加固保护电路，二极管D3为输入端与正电源之间的静电加固结构，在电路发生静电时，通过二极管D1和二极管D2的隔离结击穿，形成较强过电流能力的导通回路快速泄放能量，并通过合理设置电阻--二极管级联数目，确保每个节点的能量在可承受的范围之内。
当满足发生相位翻转的条件时，二极管D1和二极管D2先于电路内部其它节点打开，并且不断向节点B、A充电，从而抬高输入对管基极电压，大能量被电阻Rin`阻止进入电路内部，并通过电阻Rinx、电阻Riny释放，避免了BC结正偏进入饱和区引起第一级输出相位翻转，确保输出相位正确。该输入端口保护结构对输入端电压与正负电源之间无钳位作用，避免了传统静电结构中输入端口电压与正负电源间的电压锁定，同时具有静电加固功能和相位翻转保护功能，且可根据与输入对管最接近的节点A的电压设置，提高内部电路的抗相位翻转能力。
进一步的，通过设置电阻Riny为阻值较小的电阻，避免电阻Riny阻止过多静电能量导致电阻Riny下的氧化层被击穿造成器件损坏，通过设置电阻Rin`为较大的电阻，确保与输入对管基极最近的节点具有较高的电压，避免输入对管集电结正偏。
附图说明
图1为本发明一种相位翻转和静电加固保护电路的结构电路图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明一种相位翻转和静电加固保护电路，包括电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`、二极管D1、二极管D2、二极管D3、寄生电阻Rj1、寄生电阻Rj2、三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、尾电流源Issn和尾电流源Issp。
INP是运放的正向输入端口，INN是运放的反向输入端口，VS+是正电源电压，VS-是负电源电压。
电阻Riny的一端与运算放大器的正向输入端口INP相连，电阻Riny的另一端分别连接电阻Rinx的一端和寄生电阻Rj1的一端，寄生电阻Rj1的另一端与二极管D1一端相连，二极管D1的另一端连接至负电源。电阻Rinx的另一端分别连接电阻Rin`的一端和寄生电阻Rj2的一端，寄生电阻Rj2的另一端连接二极管D2的一端，二极管D2的另一端连接至负电源。
电阻Rin`的另一端分别连接二极管D3的一端和运算放大器中的输入对管基极相连，二极管D3的另一端连接正电源。
三极管Q1的基极连接三极管Q2的基极，三极管Q1的基极连接电阻Rin`的另一端；三极管Q1的发射极和三极管Q4的发射极均连接尾电流源Issn的一端，尾电流源Issn的另一端连接至负电源；三极管Q1的集电极连接电阻R1的一端，三极管Q4的集电极连接电阻R2的一端，所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均连接正电源。
三极管Q3的基极连接三极管Q4的基极，三极管Q4的基极连接运算放大器的反向输入端口INN；三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极与尾电流源Issp的一端连接，尾电流源Issp的另一端连接正电源；三极管Q2的集电极连接电阻R3的一端、三极管Q3的集电极连接电阻R4的一端，电阻R3的另一端和电阻R4的另一端均与负电源连接。
本发明的相位翻转和静电加固保护电路能够解决传统静电加固电路天然存在的电压钳位功能导致其无法应用于输入端具有抗相位翻转保护功能的电路中的问题，通过合理设置级联数，在提高端口的抗相位翻转保护能力的同时，可兼顾静电加固功能，提高器件的可靠性。
电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`、寄生电阻Rj1、寄生电阻Rj2和二极管D1、二极管D2、二极管D3共同构成了本发明的输入端口相位翻转和静电加固保护电路。
如图1所示，二极管D3为输入端与正电源之间的静电加固结构，二极管D1、二极管D2与电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`共同构成了相位翻转保护结构和静电保护结构。寄生电阻Rj1、寄生电阻Rj2为二极管D1和二极管D2在版图设计时产生的不可避免的寄生电阻，寄生电阻Rj1、寄生电阻Rj2均包括N+接触电阻、外延层电阻、埋层电阻和衬底电阻，设计时需要粗略估算并代入考虑。电阻Rinx的阻值、电阻Riny的阻值、电阻Rin`的阻值之和为总输入电阻，电阻Riny的阻值小于电阻Rinx的阻值，电阻Rinx的阻值小于电阻Rin`的阻值，电阻Riny需设置为阻值较小的电阻，避免其阻止过多静电能量导致Riny电阻下的氧化层被击穿造成器件损坏，电阻Rin`需设置为较大的电阻，确保与输入对管基极最近的节点具有较高的电压，避免输入对管集电结正偏。设计中，需通过设置A点电压，不断的级联电阻--二极管构成的单元，根据抗相位翻转的指标和抗静电能力的指标分别计算每个电阻的阻值和每个节点所承受的静电能量，合理设置级联级数，保证电路具有较高的可靠性。
该发明结构确保在电路发生静电时，通过二极管D1、二极管D2的隔离结(由隔离与外延层形成的BC结)击穿，形成较强过电流能力的导通回路快速泄放能量，并通过合理设置电阻--二极管级联数目，确保每个节点的能量在可承受的范围之内。
当输入端电压低于负电源电压时，即满足发生相位翻转的条件时，正向二极管D1和二极管D2先于电路内部其它节点打开，并且不断向节点B、A充电，从而抬高输入对管基极电压，大能量被电阻Rin`阻止进入电路内部，并通过电阻Rinx、电阻Riny释放，避免了BC结正偏进入饱和区引起第一级输出相位翻转，确保输出相位正确。
由图1的端口保护结构可知，该输入端口保护结构对输入端电压与正负电源之间无钳位作用，避免了传统静电结构中输入端口电压与正负电源间约0.7V(一个正向BE结导通压降)的电压锁定，同时具有静电加固功能和相位翻转保护功能，且可根据与输入对管最接近的节点A的电压设置，提高内部电路的抗相位翻转能力。
通过二极管D1、二极管D2的隔离结击穿，形成较强过电流能力的导通回路快速泄放能量。并通过合理设置电阻--二极管级联数目，确保每个节点的能量在可承受的范围之内。
通过二极管D1和二极管D2先于电路内部其它节点打开后并且不断向节点B、A充电，从而抬高输入对管基极电压，大能量通过电阻被Rin`阻止，并通过电阻Rinx、电阻Riny释放，避免BC结正偏进入饱和区引起第一级输出相位翻转，确保输出相位正确。
解除了传统抗静电结构中输入端与正负电源之间钳位电压的限制，使得输入端电压任意可调。同时可根据与输入对管最接近的节点A的电压设置，提高内部电路的抗相位翻转能力。
本发明适用于对输入端有特殊应用要求的运算放大器电路，例如轨对轨类型运放，输入电压可高于正电源或低于负电源数伏时，输出相位不发生翻转，同时具有较强的抗静电能力，该发明可根据抗静电能量要求和抗相位翻转能力要求不断级联电阻--二极管单元数目，合理设置各级电阻和节点电压，灵活性和通用性很强。上述所讨论内容仅仅显示了本发明的其中一种具体方式，并不限制本发明的范围。
本发明的一种面向双极型运算放大器的既有静电加固功能又可提升相位翻转保护能力的端口保护电路。
在运放输入端口与正负电源间加入了具有静电保护功能和相位翻转保护功能的电路结构，一方面为静电能量的释放提供了一条外部通道保证运放的端口抗静电能力，另一方面还可提高运放的抗相位翻转能力，满足运放对输入端口的特殊应用要求。
下面对图1所示电路的工作过程进行分析，以说明其功能和效果。
以正向输入端为高电位，负电源电压VS-为低电位为例说明。
当输入端受到2000V静电能量时，输入端口与负电源之间的静电泄放通道由二极管D1、二极管D2组成，大部分的静电能量通过二极管D1和二极管D2的反向击穿作用被释放，仅有很少的静电瞬时能量通过电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`进入电路内部。二极管D1和二极管D2所组成的结构将输入对管基极电位钳位在一个BE结的反向击穿电压(一般为60V，也可选用外延调整版调整该电压值)处，且大部分静电能量被电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`阻止进入电路内部，避免引起电路内部元器件的损伤。
当输入电压比负电源电压低10V时(以输入电压为-10V，负电源为0V为例)，假设电路内部的结构可以保证节点A具有1.3V的抗相位翻转能力(传统结构即可满足)，即A点电压最大比负电源低1.3V，此时VA＝-1.3V。此外，寄生电阻Rj1和寄生电阻Rj2均为N+接触电阻、外延层电阻、埋层电阻和衬底电阻，估算约为200Ω(即Rj1＝Rj2＝200Ω)，输入总电阻为5kΩ(即Riny+Rinx+Rin`＝5kΩ)，则有：
Figure BDA0002973673770000071
Figure BDA0002973673770000072
根据上两式可得1.2Riny+0.6Rinx+0.003Rinx*Riny＝1740，因此电阻Riny、电阻Rinx和电阻Rin`的值如下表所示：
表1电阻分配表
Figure BDA0002973673770000073
Figure BDA0002973673770000081
根据表中电阻组合，当选取Riny＝Rinx＝500Ω，Rin`＝4kΩ的电阻组合方式进行设计，此时VA比负电源低1.33V，当输入端加入2000V的静电能量时，电阻Riny前端承受的静电电压约600V，B点承受的静电电压约150V，C点承受的静电电压约40V，每个节点的电压均在可承受的范围之内。
从以上分析可见，本发明的一种适用于双极型运算放大器的既有静电加固功能又可提升相位翻转保护能力的端口保护电路，灵活性和通用性强，尤其对于轨对轨型运放而言，具有很高的应用价值。输入电压可高于正电源或低于负电源数伏时，本发明的结构可确保输出相位不发生翻转，同时具有较强的抗静电能力，且还可根据抗静电能量和抗相位翻转能力的要求不断级联电阻--二极管单元数目，合理设置各级电阻和节点电压，灵活性和通用性很强。上述所讨论内容仅仅显示了本发明的其中一种具体方式，并不限制本发明的范围。
本发明的保护电路结构在版图方面易于实现，所占面积小，成本低。

Claims (7)

1.一种相位翻转和静电加固保护电路，其特征在于，包括电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`、二极管D1、二极管D2、二极管D3、寄生电阻Rj1和寄生电阻Rj2；
所述电阻Riny的一端与运算放大器的正向输入端口INP相连，电阻Riny的另一端分别连接电阻Rinx的一端和寄生电阻Rj1的一端，寄生电阻Rj1的另一端与二极管D1一端相连，二极管D1的另一端连接至负电源；
所述电阻Rinx的另一端分别连接电阻Rin`的一端和寄生电阻Rj2的一端，寄生电阻Rj2的另一端连接二极管D2的一端，二极管D2的另一端连接至负电源；
所述电阻Rin`的另一端分别连接二极管D3的一端和运算放大器中的输入对管基极相连，二极管D3的另一端连接正电源。
2.根据权利要求1所述的一种相位翻转和静电加固保护电路，其特征在于，还包括三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、尾电流源Issn和尾电流源Issp；
所述三极管Q1的基极连接三极管Q2的基极，三极管Q1的基极连接电阻Rin`的另一端；
所述三极管Q1的发射极和三极管Q4的发射极均连接尾电流源Issn的一端，尾电流源Issn的另一端连接至负电源；
所述三极管Q1的集电极连接电阻R1的一端，三极管Q4的集电极连接电阻R2的一端，所述电阻R1的另一端和电阻R2的另一端均连接正电源；
所述三极管Q3的基极连接三极管Q4的基极，三极管Q4的基极连接运算放大器的反向输入端口INN；
所述三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极与尾电流源Issp的一端连接，尾电流源Issp的另一端连接正电源；
所述三极管Q2的集电极连接电阻R3的一端、三极管Q3的集电极连接电阻R4的一端，电阻R3的另一端和电阻R4的另一端均与负电源连接。
3.根据权利要求1所述的一种相位翻转和静电加固保护电路，其特征在于，所述电阻Riny的阻值小于电阻Rinx的阻值，所述电阻Rinx的阻值小于电阻Rin`的阻值。
4.根据权利要求1所述的一种相位翻转和静电加固保护电路，其特征在于，所述电阻Rinx、电阻Riny、电阻Rin`的阻值之和为总输入电阻。
5.根据权利要求1所述的一种相位翻转和静电加固保护电路，其特征在于，所述寄生电阻Rj1为二极管D1在版图结构中产生的N+接触电阻、外延层电阻、埋层电阻和衬底电阻。
6.根据权利要求1所述的一种相位翻转和静电加固保护电路，其特征在于，所述寄生电阻Rj2为二极管D2在版图结构中产生的N+接触电阻、外延层电阻、埋层电阻和衬底电阻。
7.根据权利要求1所述的一种相位翻转和静电加固保护电路，其特征在于，所述寄生电阻Rj1和寄生电阻Rj2的阻值相等。
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