CN114759536A - 一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路 - Google Patents

一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路以及方法，包括：强电流泄放SCR路径包括PNP晶体管和NPN晶体管、第一正偏二极管、第二正偏二极管、第三正偏二极管、第四正偏二极管、第二隧穿管以及各个器件之间的连接关系。本发明通过四个二极管辅助触发SCR，以实现静电浪涌防护电路快速开启、导通后强电压钳位的功能，本发明在面对静电浪涌应力时，根据不同位置和不同方向都可以进行泄放；其次，本发明针对I/O到VSS端口的超低压工作特性，设计了嵌套二极管开启路径，以促进静电浪涌防护电路快速响应，并且提高电路单元的复用性，能减少版图面积，提高静电浪涌防护效能，实现过压过流防护，电路触发电压灵活可控。

Description

一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路
技术领域
本发明涉及集成电路的静电放电及浪涌防护领域，特别是涉及一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路以及方法。
背景技术
低噪声放大器作为射频集成电路的重要组成部分，能扩展电路接收信号的动态范围，具有降低功耗和提高线性度功能。随着半导体工艺制不断缩小，低噪声放大器的工作电压不断降低，在集成度和电学性能提升的同时，也存在可靠性和精度低以及功耗大等问题。尤其在可靠性方面，低噪声放大器易受静电放电(ESD)，以及浪涌或称为电过应力(EOS)产生的过压或过流影响导致失效。又由于低噪声放大器通常工作电压较低，接收信号频率较高，传统的ESD/EOS防护单元会产生较大寄生电容，从而大幅削弱低噪声放大器性能。因此，低噪声放大器对ESD/EOS防护性能及相关寄生问题甚为敏感。
传统的ESD/EOS防护单元占用芯片面积较大、寄生电容大、RC响应时间较慢、单位面积上电路的ESD鲁棒性较差。可控硅(SCR)结构以其单位面积ESD鲁棒性较强、泄流能力强、且工艺兼容性好等优势，受到业界的广泛关注。然而，SCR结构的触发电压过高、易产生闩锁和其他潜在寄生效应，易产生电学性能不稳定等问题，难以广泛应用于集成电路的ESD/EOS防护。
综上所述可以看出，如何利用SCR设计一种适用于低噪声放大器的防护结构是目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路以及方法，解决了现有技术中SCR结构的触发电压过高、易产生闩锁和其他潜在寄生效应无法应用到低噪声放大器中的弊端。
为解决上述技术问题，本发明提供一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路，包括：
强电流泄放SCR路径，所述强电流泄放SCR路径包括：
PNP晶体管，所述PNP晶体管的发射极与低噪声放大器的电源端VDD相连；
NPN晶体管，所述NPN晶体管的集电极与所述PNP晶体管的基极相连，所述NPN晶体管的基极与所述PNP晶体管的集电极相连，所述NPN晶体管的发射极与所述低噪声放大器的接地端VSS相连；
第一正偏二极管，所述第一正偏二极管的阳极与所述低噪声放大器的信号端I/O相连，所述第一正偏二极管的阴极与所述PNP晶体管的集电极和所述NPN晶体管的基极相连；
第二正偏二极管，所述第二正偏二极管的阴极与所述低噪声放大器的电源端VDD相连；
第三正偏二极管，所述第三正偏二极管的阳极分别连接所述PNP晶体管的基极和所述NPN晶体管的集电极，所述第三正偏二极管的阴极与所述低噪声放大器的信号端I/O相连；
第四正偏二极管，所述第四正偏二极管的阳极与所述低噪声放大器的接地端VSS相连，
第一隧穿管，所述第一隧穿管的阳极与所述第二正偏二极管的阳极相连，所述第一隧穿管的阴极与所述PNP晶体管的集电极和所述NPN晶体管的基极相连；
第二隧穿管，所述第二隧穿管的阳极连接所述PNP晶体管的基极和所述NPN晶体管的集电极，所述第二隧穿管的阴极与所述第四正偏二极管的阴极相连。
优选地，所述NPN管的基极与所述PNP管的基极之间包括多个正偏二极管。
本发明还提供了一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片的防护方法，包括：
判断静电浪涌应力的方向以及位置，得到判断结果；
当所述静电浪涌应力为正向时，根据所述静电浪涌应力的位置将强电流泄放SCR路径与所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流；
当所述静电浪涌应力为反向时，根据所述静电浪涌应力的位置将所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流。
优选地，所述当所述静电浪涌应力为正向时，根据所述静电浪涌应力的位置将强电流泄放SCR路径与所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电包括；
当所述静电浪涌正向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与接地端VSS之间时，所述PNP晶体管的发射结、所述第三正偏二极管、所述第一正偏二极管和所述NPN晶体管的发射结构成的辅助结构触发所述强电流泄放SCR路径进行泄放静电浪涌电流，以便提高所述强电流泄放SCR路径的瞬态响应速度和开启后的电压钳位能力。
优选地，所述当所述静电浪涌应力为正向时，根据所述静电浪涌应力的位置将强电流泄放SCR路径与所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电还包括：
当所述静电浪涌正向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与信号端I/O之间时，通过所述PNP晶体管的发射结、第三正偏二极管构成的双二极管组合电路辅助触发开启所述强电流泄放SCR路径，所述强电流泄放SCR路径在正反馈作用下快速开启并泄放静电浪涌电流。优选地，所述当所述静电浪涌应力为正向时，根据所述静电浪涌应力的位置将强电流泄放SCR路径与所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电还包括：
当所述静电浪涌正向应力作用于所述低噪声放大器的信号端I/O与接地端VSS之间时，通过所述第一正偏二极管、所述NPN晶体管的发射结构成的双二极管组合电路辅助触发开启所述强电流泄放SCR路径，所述强电流泄放SCR路径在正反馈作用下快速开启并泄放静电浪涌电流。优选地，所述当所述静电浪涌应力为反向时，根据所述静电浪涌应力的位置将所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流包括：
当所述静电浪涌反向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与接地端VSS之间时，通过所述第四正偏二极管、所述第二隧穿二极管、所述第三正偏二极管、所述第一正偏二极管、所述第一隧穿二极管和所述第二正偏二极管构成第一二极管组合电路，进行静电浪涌电流泄放。
优选地，所述当所述静电浪涌应力为反向时，根据所述静电浪涌应力的位置将所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流还包括：
当所述静电浪涌反向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与信号端I/O之间时，通过所述第一正偏二极管、所述第一隧穿二极管和所述第二正偏二极管构成第二二极管组合电路，进行静电浪涌电流泄放。
优选地，所述当所述静电浪涌应力为反向时，根据所述静电浪涌应力的位置将所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流还包括：
当所述静电浪涌反向应力作用于所述低噪声放大器的信号端I/O与接地端VSS之间时，通过所述第四正偏二极管、所述第二隧穿管和所述第三正偏二极管构成的第三二极管组合电路，进行静电浪涌电流泄放。
本发明还提供了一种射频集成电路，所述射频集成电路采用上述任一项所述的低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路。
本发明所提供的一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路以及方法，采用强电流泄放SCR路径与四个二极管组合触发，以实现静电浪涌防护电路快速开启、导通后强电压钳位的功能，利用四个二极管降低了SCR触发电压，降低闩锁以及其他寄生效应的产生，起到及时泄放的作用，本发明在面对静电浪涌应力时，根据不同位置和不同方向都可以进行泄放；其次，本发明针对静电浪涌在不同位置，通过在不同端设计正偏二极管和隧穿二极管的不同二极管组合电路，以促进静电浪涌防护电路快速响应，并且提高电路单元的复用性，能减少版图面积，提高静电浪涌防护效能，实现过压过流防护，电路触发电压灵活可控，寄生电容低以及过压过流鲁棒性强等电学特征。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提供的电路原理图；
图2为本发明所提供的一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护方法的第一种具体实施例的流程图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路以及方法，通过二极管辅助触发SCR，实现静电浪涌防护电路快速开启、导通后强电压钳位的功能，解决了现有技术中难以实现对低噪声放大器的防护。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明所提供的电路原理图。具体结构如下：
静电浪涌全芯片防护电路由强电流泄放SCR路径100，第一正偏二极管(D1)、第一隧穿管(S1)、第二正偏二极管(D2)、第三正偏二极管(D3)、第二隧穿管(S)和第四正偏二极管(D4)构成。
所述强电流泄放SCR路径100包括一个PNP晶体管(T1)和一个NPN晶体管(T2)，其中所述PNP晶体管(T1)的发射极与低噪声放大器的电源端VDD相连，所述PNP晶体管(T1)的集电极与所述NPN晶体管(T2)的基极相连，所述PNP晶体管(T1)的基极与所述NPN晶体管(T2)的集电极相连，所述NPN晶体管(T2)的发射极和低噪声放大器的接地端VSS相连。
所述PNP晶体管(T1)的基极和所述NPN晶体管(T2)的集电极均与所述第三正偏二极管(D3)所述第二隧穿管(S)2的阳极相连，所述第三正偏二极管(D3)的阴极和所述第一正偏二极管(D1)的阳极均与低噪声放大器的信号端I/O相连，所述第一正偏二极管(D1)的阴极和所述第一隧穿管(S1)的阴极均与所述PNP晶体管(T1)的集电极和所述NPN晶体管(T2)的基极相连，所述第一隧穿管(S1)的阳极与所述第二正偏二极管(D2)的阳极相连，所述第二正偏二极管(D2)的阴极与低噪声放大器的电源端VDD相连，所述第二隧穿管(S)2的阴极与所述第四正偏二极管(D4)的阴极相连，所述第四正偏二极管(D4)的阳极与低噪声放大器的接地端VSS相连。
在所述电源端VDD与所述信号端I/O之间、所述电源端VDD与所述接地端VSS之间和所述信号端I/O与所述接地端VSS之间的正向静电浪涌应力作用下，所述强电流泄放SCR路径100均会及时开启泄放电流，可提高静电浪涌防护电路的集成度，节省芯片面积，降低寄生效应。
通过在所述第NPN管(T2)的基极与所述PNP管(T1)的基极之间增加正偏二极管的数量，可调节静电浪涌防护电路的触发开启电压，以适用于不同工艺节点及工作电压的低噪声放大器的静电浪涌防护。
在本实施例中，采用SCR与四个二极管实现低噪声放大器的防护功能，利用SCR的ESD/EOS强鲁棒性、正偏二极管和隧穿二极管快速导通特性等优点，采用四个二极管改善了SCR接触电压过高、易产生闩锁以及其他潜在寄生效应，采用二极管触发SCR组件实现静电浪涌防护电路的开启、导通后强电压钳位等功能，通过功能复用电路设计，形成了高集成、多端口双向静电浪涌防护电路结构，具有面积和寄生电容小、响应速度快、泄流能力强等优点，并且还可以通过调节局部二极管组合电路设计，领过控制静电浪涌防护电路的开启电压，以适应不同的工作电压低噪声放大器的静电浪涌防护需求。
基于上述实施例，本实施例中重点讲述了本发明低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护方法的重要步骤，请参考图2，图2为本发明所提供的一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护方法的第一种具体实施例的流程图；具有步骤如下：
步骤S201：判断静电浪涌应力的方向以及位置；
步骤S202：当静电浪涌正向应力作用于低噪声放大器的电源端VDD与接地端VSS之间时，所述强电流泄放SCR电路通过由所述PNP晶体管的发射结、所述第三正偏二极管、所述第一正偏二极管和所述NPN晶体管的发射结构成的四个二极管辅助触发，提高所述强电流泄放SCR路径的瞬态响应速度和开启后的电压钳位能力；
步骤S203：当静电浪涌反向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与接地端VSS之间时，通过由所述第四正偏二极管、所述第二隧穿二极管、所述第三正偏二极管、所述第一正偏二极管、所述第一隧穿二极管和所述第二正偏二极管构成的二极管组合电路对静电浪涌电流进行泄放，可实现VDD与VSS端口的双向静电与浪涌防护功能；
步骤S204：当静电浪涌正向应力作用于电源端VDD与信号端I/O之间时，通过由所述PNP晶体管的发射结、第三正偏二极管构成的双二极管组合电路辅助触发开启所述强电流泄放SCR路径，在所述强电流泄放SCR路径在正反馈作用下快速开启并泄放静电浪涌电流，可实现不高于1V工作电压端口的低压快速开启和强静电浪涌鲁棒性；
步骤S205：当静电浪涌反向应力作用于电源端VDD与信号端I/O之间时，静电浪涌电流通过由所述第一正偏二极管、所述第一隧穿二极管和所述第二正偏二极管构成的二极管组合电路泄放，可实现VDD与I/O端口的双向静电与浪涌防护功能；
步骤S206：当静电浪涌正向应力作用于信号端I/O与接地端VSS之间时，通过由第一正偏二极管、所述NPN晶体管的发射结构成的双二极管组合电路辅助触发开启所述强电流泄放SCR路径，在所述强电流泄放SCR路径在正反馈作用下快速开启并泄放静电浪涌电流，可实现不高于1V工作电压端口的低压快速开启和强静电浪涌鲁棒性；
步骤S207：当静电浪涌反向应力作用于信号端I/O与接地端VSS之间时，静电浪涌电流通过由所述第四正偏二极管、所述第二隧穿二极管和所述第三正偏二极管构成的二极管组合电路泄放，可实现I/O与VSS端口的双向静电与浪涌防护功能。
本实施例中，面对不同位置和方向静电浪涌应力，本发明都可以进行泄放，根据静电浪涌应力的方向和位置不同，进行组合电路快速的进行电路泄放，通过二极管开启路径可以促进浪涌防护电路快速相应，当静电浪涌正向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与接地端VSS之间时，本发明能够提高所述强电流泄放SCR路径的瞬态响应速度和开启后的电压钳位能力，当静电浪涌正向应力时，可以实现不高于1V工作电压端口的低压快速开启和强静电浪涌鲁棒性；当静电浪涌反向应力时，可以实现双向静电与浪涌防护功能。本发明的防护方法增加了低噪声放大器的使用范围，并且不影响低噪声放大器的性能。
本发明具体实施例还提供了一种射频集成电路，包括：低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路，用于实现低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路的防护方法。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路，其特征在于，包括：
强电流泄放SCR路径，所述强电流泄放SCR路径包括：
PNP晶体管，所述PNP晶体管的发射极与低噪声放大器的电源端VDD相连；
NPN晶体管，所述NPN晶体管的集电极与所述PNP晶体管的基极相连，所述NPN晶体管的基极与所述PNP晶体管的集电极相连，所述NPN晶体管的发射极与所述低噪声放大器的接地端VSS相连；
第一正偏二极管，所述第一正偏二极管的阳极与所述低噪声放大器的信号端I/O相连，所述第一正偏二极管的阴极与所述PNP晶体管的集电极和所述NPN晶体管的基极相连；
第二正偏二极管，所述第二正偏二极管的阴极与所述低噪声放大器的电源端VDD相连；
第三正偏二极管，所述第三正偏二极管的阳极分别连接所述PNP晶体管的基极和所述NPN晶体管的集电极，所述第三正偏二极管的阴极与所述低噪声放大器的信号端I/O相连；
第四正偏二极管，所述第四正偏二极管的阳极与所述低噪声放大器的接地端VSS相连，
第一隧穿管，所述第一隧穿管的阳极与所述第二正偏二极管的阳极相连，所述第一隧穿管的阴极与所述PNP晶体管的集电极和所述NPN晶体管的基极相连；
第二隧穿管，所述第二隧穿管的阳极连接所述PNP晶体管的基极和所述NPN晶体管的集电极，所述第二隧穿管的阴极与所述第四正偏二极管的阴极相连。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述NPN管的基极与所述PNP管的基极之间包括多个正偏二极管。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述的低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路的防护方法，其特征在于，包括：
判断静电浪涌应力的方向以及位置，得到判断结果；
当所述静电浪涌应力为正向时，根据所述静电浪涌应力的位置将强电流泄放SCR路径与所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流；
当所述静电浪涌应力为反向时，根据所述静电浪涌应力的位置将所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流。
4.如权利要求3所述的防护方法，其特征在于，所述当所述静电浪涌应力为正向时，根据所述静电浪涌应力的位置将强电流泄放SCR路径与所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流包括；
当所述静电浪涌正向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与接地端VSS之间时，所述PNP晶体管的发射结、所述第三正偏二极管、所述第一正偏二极管和所述NPN晶体管的发射结构成的辅助结构触发所述强电流泄放SCR路径进行泄放静电浪涌电流，以便提高所述强电流泄放SCR路径的瞬态响应速度和开启后的电压钳位能力。
5.如权利要求3所述的防护方法，其特征在于，所述当所述静电浪涌应力为正向时，根据所述静电浪涌应力的位置将强电流泄放SCR路径与所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流还包括：
当所述静电浪涌正向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与信号端I/O之间时，通过所述PNP晶体管的发射结、第三正偏二极管构成的双二极管组合电路辅助触发开启所述强电流泄放SCR路径，所述强电流泄放SCR路径在正反馈作用下快速开启并泄放静电浪涌电流。
6.如权利要求3所述的防护方法，其特征在于，所述当所述静电浪涌应力为正向时，根据所述静电浪涌应力的位置将强电流泄放SCR路径与所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流还包括：
当所述静电浪涌正向应力作用于所述低噪声放大器的信号端I/O与接地端VSS之间时，通过所述第一正偏二极管、所述NPN晶体管的发射结构成的双二极管组合电路辅助触发开启所述强电流泄放SCR路径，所述强电流泄放SCR路径在正反馈作用下快速开启并泄放静电浪涌电流。
7.如权利要求3所述的防护方法，其特征在于，所述当所述静电浪涌应力为反向时，根据所述静电浪涌应力的位置将所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流包括：
当所述静电浪涌反向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与接地端VSS之间时，通过所述第四正偏二极管、所述第二隧穿二极管、所述第三正偏二极管、所述第一正偏二极管、所述第一隧穿二极管和所述第二正偏二极管构成第一二极管组合电路，进行静电浪涌电流泄放。
8.如权利要求3所述的防护方法，其特征在于，所述当所述静电浪涌应力为反向时，根据所述静电浪涌应力的位置将所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流还包括：
当所述静电浪涌反向应力作用于所述低噪声放大器的电源端VDD与信号端I/O之间时，通过所述第一正偏二极管、所述第一隧穿二极管和所述第二正偏二极管构成第二二极管组合电路，进行静电浪涌电流泄放。
9.如权利要求3所述的防护方法，其特征在于，所述当所述静电浪涌应力为反向时，根据所述静电浪涌应力的位置将所述低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路中的多个正偏二极管组合为组合电路，进行泄放静电浪涌电流还包括：
当所述静电浪涌反向应力作用于所述低噪声放大器的信号端I/O与接地端VSS之间时，通过所述第四正偏二极管、所述第二隧穿管和所述第三正偏二极管构成的第三二极管组合电路，进行静电浪涌电流泄放。
10.一种射频集成电路，其特征在于，所述射频集成电路采用权利要求1-2中的任一项所述的低噪声放大器的超低压静电浪涌全芯片防护电路。
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