CN115275956A - 匹配二极管保护单元的电流补偿电路及放大器电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路，包括二极管保护单元，其包含二极管D1和/或二极管D2，D1的阳极和/或D2的阴极与需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路相连；对应的，D1的阴极与供电正端相连，D2的阳极与供电负端相连：还包含电流复制电路，用于模拟匹配D1的反向电流I1为补偿电流I3，和/或模拟匹配D2的反向电流I2为补偿电流I4；电流复制电路的输出与需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路相连，且相对该连接点，补偿电流I3、补偿电流I4对应的与反向电流I1、反向电流I2的电流进出方向相反。本发明通过电流复制电路，使需保护电路的输入端或传输通路的电流与二极管保护单元的漏电流相同，实现传输通路偏置电流的稳定。

Description

匹配二极管保护单元的电流补偿电路及放大器电路

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路及放大器电路。

背景技术

目前的二极管保护电路中，可通过具有反向连接的二极管实现其ESD保护、过压保护及负冲保护的功能，但由于保护二极管产生漏电流，根据基尔霍夫电流定律，流入一个节点的电流和等于流出一个节点的电流和，无论漏电流的流入或流出，实际都对部分对精度有要求的电路产生影响，特别是对有放大效应的电路产生影响。

具体地，在二极管ESD保护电路中，二极管ESD保护电路连接需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路的连接点处，由于人为触碰到需保护电路引脚等原因，产生静电高压，会泄放大电流，从而保护电路。但是，当需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路正常工作时，二极管ESD保护电路中漏电流会影响到需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路的偏置电流，增加了需保护电路的信号误差，影响需保护电路的精度。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路及放大器电路，以解决相关技术中需保护电路正常工作时，二极管ESD保护电路影响所述需保护电路的偏置电流，从而影响需保护电路的精度的技术问题。

本发明提供了一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路，包括二极管保护单元，所述二极管保护单元包含二极管D1和/或二极管D2，所述二极管D1的阳极和/或二极管D2的阴极与需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路相连；对应的，二极管D1的阴极与供电正端相连，二极管D2的阳极与供电负端相连：

还包含电流复制电路，用于模拟匹配二极管D1的反向电流I1为补偿电流I3，和/或模拟匹配二极管D2的反向电流I2为补偿电流I4；所述电流复制电路的输出与需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路相连，且相对该连接点，补偿电流I3、补偿电流I4对应的与反向电流I1、反向电流I2的电流进出方向相反。

可选地，所述电流复制电路包含电流镜电路，电流镜电路的镜像电流作为电流复制电路的补偿电流补偿至需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路。

可选地，所述电流镜电路的参考电流输入端串联有工作在反偏状态的复制二极管；所述复制二极管用以模拟或复制二极管保护单元中二极管D1或二极管D2的反向电流参数。

可选地，所述二极管保护单元中的二极管PN结的结面积相同。

可选地，所述复制二极管包含复制二极管D5、复制二极管D6；所述电流镜电路包含镜像电流源电路和/或镜像电流沉电路；其中镜像电流源电路的参考电流输入端串联复制二极管D5，且复制二极管D5的阳极与供电负端相接；镜像电流源电路的电流输出端与二极管D2的阴极相连，用以补偿二极管D2对需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路的电流影响；

镜像电流沉电路的参考电流输入端串联复制二极管D6，且复制二极管D6的阴极与供电正端相接；镜像电流沉电路的镜像电流沉入端与二极管D1的阳极相连，用以补偿二极管D1对需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路的电流影响。

可选地，所述镜像电流源电路包含PMOS管PM1、PM2；镜像电流沉电路包含NMOS管NM1、NM2；

所述PMOS管PM1的源极连接供电正端，其漏极连接所述复制二极管D5的阴极，其栅极连接其漏极；所述复制二极管D5的阳极与供电负端相连；所述PMOS管PM2的源极连接所述供电正端，其栅极连接所述输入侧PMOS管PM1的栅极，其漏极连接所述NMOS管NM2的漏极；

所述NMOS管NM1的漏极连接所述复制二极管D6的阳极，其栅极连接其漏极，其源极与供电负端相连；所述复制二极管D6的阴极连接所述供电正端；所述NMOS管NM2的栅极连接所述输入侧NMOS管NM1的栅极，其漏极连接所述PMOS管PM2的漏极，其源极连接供电负端。

可选地，镜像电流源电路还包含PMOS管PM3，镜像电流沉电路还包含NMOS管NM3；

所述PMOS管PM3的源极连接所述供电正端，其栅极连接所述输入侧PMOS管PM1的栅极，其漏极连接所述NMOS管NM3的漏极，所述NMOS管NM3的栅极连接所述输入侧NMOS管NM1的栅极，其源极连接供电负端。

可选地，所述需保护电路为差分放大器。

本发明还提供了一种具有保护二极管漏电流补偿的放大器电路，包含有前述任意一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路与放大器，放大器的同相输入端或反相输入端连接有所述二极管D1的阳极和/或所述二极管D2的阴极。

可选地，所述二极管保护单元还包括二极管D3和二极管D4；

所述需保护电路的第一输入端连接有二极管D1的阳极、二极管D2的阴极，第二输入端连接有二极管D3的阳极、二极管D4的阴极；二极管D1、二极管D3的阴极与供电正端相连；二极管D2、二极管D4的阳极与供电负端相连。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、尽可能的消减了保护二极管漏电流带来的误差，特别对于包含放大器的电路，消减了误差的传递；

2、通过制造匹配的方式实现了电性参数的模拟，节省了采样电路的设计与连接，简化了电路实现；

3、二极管的温度特性相同，在电流补偿方面的环境适应性好；

4、可针对保护二极管的选型，将复制二极管与放大器集成制造，如此具有较高的隐蔽性，在相同外观结构下，难以达到本方案的精度；

5、将保护二极管、复制二极管与放大器集成制造，可提高放大器的抗静电干扰能力，提高放大器的精度，消减误差传递。

附图说明

图1为本发明二极管保护单元中的第一二极管保护单元；

图2为本发明二极管保护单元中的第二二极管保护单元；

图3为本发明中包含二极管管保护单元和电流复制电路的电路图；

图4为图3的结构示意图。

附图标号说明：

100、二极管保护单元；110、镜像电流源电路；120、镜像电流沉电路。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1至图4，实施例1中：

具体以CMOS差分放大器作为需保护电路的使用场景，提供了一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路，包括二极管保护单元100和电流复制电路，由于所述COMS差分放大器具有同相输入端IN+和反相输入端IN-，因此所述电流复制电路同时包含镜像电流源电路110和镜像电流沉电路120，所述二极管保护单元100包括二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4；所述镜像电流源电路110包含PMOS管PM1、PMOS管PM2及PMOS管PM3；镜像电流沉电路120包含NMOS管NM1、NMOS管NM2及NMOS管NM3，复制二极管D5和复制二极管D6；

所述二极管D1和二极管D2分别具有抗ESD和抗静电的作用，所述二极管D3和二极管D4同样分别具有抗ESD和抗静电的作用，当CMOS差分放大器正常工作时，所述二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4都处于反偏状态；

其中，二极管保护单元中的四个二极管，二极管D1和二极管D2形成第一二极管保护单元，二极管D3和二极管D4形成第二二极管保护单元，所述第一二极管保护单元和所述第二二极管保护单元分别连接CMOS差分放大器的同相输入端IN+和反相输入端IN-，当所述二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4设为同类型的二极管且PN结面积相同时，设其PN结面积分别为S1、S2、S3及S4。其中，S1＝S2＝S3＝S4＝S，此时二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4的PN结的反向饱和电流密度Js相同，由

I＝Js×S

可得

I1＝I2＝I3＝I4＝I

因此所述二极管D1、二极管D2、二极管D3及二极管D4的电流均相同，即I1、I2、I3、I4的电流均相同。

电流镜电路中的镜像电流源电路110中，流过二极管D5的电流通过PMOS管PM1将电流转换为电压，从而控制PMOS管PM2、PMOS管PM3的栅极电压，再通过PMOS管PM2、PMOS管PM3管将电压转换成电流，从而复制D5中的电流，实现输入端偏置电流校准；

电流镜电路中的镜像电流沉电路120中，流过二极管D6的电流通过NMOS管NM1将电流转换为电压，从而控制NMOS管NM2、NMOS管NM3的栅极电压，再通过NMOS管NM2、NMOS管NM3将电压转换成电流，从而复制D6中的电流，实现输入端偏置电流校准。

其中，所述二极管D5和二极管D6设为面积相同的同类型二极管，其面积分别设为S5和S6，

S5＝S6＝S’

同理，对于相同的工艺，PN结的反向饱和电流密度Js相同，I5＝I6＝I′。假设

则

为使所述电流复制电路中的输出电流(Ip+、Ip-、In+、In-)与所述二极管保护单元100中的漏电流相等，达到Ip+＝11＝Ip-＝I3＝In+＝I2＝In-＝I4，则可以得到

故所述电流复制电路中PMOS的尺寸比例应为：

(W/L)_p2＝(W/L)_p3＝α·(W/L)_p1

所述电流复制电路中NMOS的尺寸比例应为：

(W/L)_n2＝(W/L)_n3＝α·(W/L)_n1

即系数α的作用，通过面积尺寸的比例控制，可以实现电流的线性补偿关系，并能够根据场景应用或后段电路电源的补偿需要，增加或减少补偿量，从而更好的实现精度匹配的要求。

上式中，Ip+为PM2管流向CMOS差分放大器正输入端的漏极电流，Ip－为PM3管流向CMOS差分放大器负输入端的漏极电流，In+为CMOS差分放大器正输入端流向NM2管漏极的电流、In－为CMOS差分放大器负输入端流向NM3管漏极的电流，α为ESD电路中二极管面积与偏置电流校准模块中二极管面积的比值，W和L分别为晶体管的宽和长。

综上所述，在实际使用时，后段被保护电路除了放大器以外，也可包含其他用电电路；涉及ESD漏电流的电路都可以进行所述匹配二极管保护单元的电流补偿电路进行电流补偿，通过加入电流复制电路以后，流入需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路输入端中的电流与ESD保护电路的漏电流相等，从而实现了需保护电路的精度。

可选地，所述电流复制电路包含电流镜电路，电流镜电路的镜像电流作为电流复制电路的补偿电流补偿至需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路。

本实施例中，所述电流复制电路采用电流镜电路，以便更好地实现电流补偿。

可选地，所述电流镜电路的参考电流输入端串联有工作在反偏状态的复制二极管；所述复制二极管用以模拟或复制二极管保护单元100中二极管D1或二极管D2的反向电流参数。

本实施例中，串联工作在反偏状态的复制二极管，用于复制或模拟二极管保护单元100中二极管D1或二极管D2的反向电流参数，以用作电流镜的输入电流。

可选地，所述二极管保护单元100中的二极管PN结的结面积相同。

本实施例中，所述二极管保护单元100中的二极管PN结的结面积相同，因此其反饱和电流密度均相同，且具有共同的温度特性，以实现电流的精确匹配。

可选地，包含有前述任意一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路与放大器，放大器的同相输入端或反相输入端连接有所述二极管D1的阳极和/或所述二极管D2的阴极。

本实施例中，将保护二极管、复制二极管、放大器三者集成于芯片上，可得到一种具有高精度的放大器芯片，可提高放大器的抗静电干扰能力，提高放大器的精度，消减误差传递。

最后说明的是，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)

1.一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路，包括二极管保护单元，所述二极管保护单元包含二极管D1和/或二极管D2，所述二极管D1的阳极和/或二极管D2的阴极与需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路相连；对应的，二极管D1的阴极与供电正端相连，二极管D2的阳极与供电负端相连；其特征在于：

还包含电流复制电路，用于模拟匹配二极管D1的反向电流I1为补偿电流I3，和/或模拟匹配二极管D2的反向电流I2为补偿电流I4；所述电流复制电路的输出与需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路相连，且相对该连接点，补偿电流I3、补偿电流I4对应的与反向电流I1、反向电流I2的电流进出方向相反。

2.如权利要求1所述的匹配二极管保护单元的电流补偿电路，其特征在于，

所述电流复制电路包含电流镜电路，电流镜电路的镜像电流作为电流复制电路的补偿电流补偿至需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路。

3.如权利要求2所述的匹配二极管保护单元的电流补偿电路，其特征在于，

所述电流镜电路的参考电流输入端串联有工作在反偏状态的复制二极管；所述复制二极管用以模拟或复制二极管保护单元中二极管D1或二极管D2的反向电流参数。

4.如权利要求3所述的匹配二极管保护单元的电流补偿电路，其特征在于，

所述二极管保护单元中的二极管PN结的结面积相同。

5.如权利要求4所述的匹配二极管保护单元的电流补偿电路，其特征在于，

所述复制二极管包含复制二极管D5、复制二极管D6；所述电流镜电路包含镜像电流源电路和/或镜像电流沉电路；其中镜像电流源电路的参考电流输入端串联复制二极管D5，且复制二极管D5的阳极与供电负端相接；镜像电流源电路的电流输出端与二极管D2的阴极相连，用以补偿二极管D2对需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路的电流影响；

镜像电流沉电路的参考电流输入端串联复制二极管D6，且复制二极管D6的阴极与供电正端相接；镜像电流沉电路的镜像电流沉入端与二极管D1的阳极相连，用以补偿二极管D1对需保护电路的电信号输入端或电信号传输通路的电流影响。

6.如权利要求5所述的匹配二极管保护单元的电流补偿电路，其特征在于，

所述镜像电流源电路包含PMOS管PM1、PM2；镜像电流沉电路包含NMOS管NM1、NM2；

所述PMOS管PM1的源极连接供电正端，其漏极连接所述复制二极管D5的阴极，其栅极连接其漏极；所述复制二极管D5的阳极与供电负端相连；所述PMOS管PM2的源极连接所述供电正端，其栅极连接所述输入侧PMOS管PM1的栅极，其漏极连接所述NMOS管NM2的漏极；

所述NMOS管NM1的漏极连接所述复制二极管D6的阳极，其栅极连接其漏极，其源极与供电负端相连；所述复制二极管D6的阴极连接所述供电正端；所述NMOS管NM2的栅极连接所述输入侧NMOS管NM1的栅极，其漏极连接所述PMOS管PM2的漏极，其源极连接供电负端。

7.如权利要求6所述的匹配二极管保护单元的电流补偿电路，其特征在于，

镜像电流源电路还包含PMOS管PM3，镜像电流沉电路还包含NMOS管NM3；

所述PMOS管PM3的源极连接所述供电正端，其栅极连接所述输入侧PMOS管PM1的栅极，其漏极连接所述NMOS管NM3的漏极，所述NMOS管NM3的栅极连接所述输入侧NMOS管NM1的栅极，其源极连接供电负端。

8.如权利要求7所述的匹配二极管保护单元的电流补偿电路，其特征在于，所述需保护电路为差分放大器。

9.一种具有保护二极管漏电流补偿的放大器电路，其特征在于，包含有权利要求1-8任一项所述的一种匹配二极管保护单元的电流补偿电路与放大器，放大器的同相输入端或反相输入端连接有所述二极管D1的阳极和/或所述二极管D2的阴极。

10.如权利要求8所述的匹配二极管保护单元的电流补偿电路，其特征在于，

所述二极管保护单元还包括二极管D3和二极管D4；

所述需保护电路的第一输入端连接有二极管D1的阳极、二极管D2的阴极，第二输入端连接有二极管D3的阳极、二极管D4的阴极；二极管D1、二极管D3的阴极与供电正端相连；二极管D2、二极管D4的阳极与供电负端相连。

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