CN116073768A - 射频低噪声放大器芯片的静电保护电路及射频放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频低噪声放大器芯片的静电保护电路及射频放大电路,属于半导体领域,具体方案为:该射频低噪声放大器芯片的静电保护电路与主电路电性连接,包括:第一接地端;第一支路,分别与主电路和第一接地端电性连接,第一支路上设有至少两个HEMT管,HEMT管的栅极与自身源极电性连接;靠近主电路的HEMT管的漏极与主电路电性连接,其余HEMT管的漏极与相邻的HEMT管的栅极和源极电性连接;靠近第一接地端的HEMT管的栅极和漏极与第一接地端电性连接。本发明通过在第一支路上串联设置至少两个HEMT管,能够有效降低寄生电容,降低射频低噪声放大电路中的噪声。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域,具体涉及一种射频低噪声放大器芯片的静电保护电路及射频放大电路。
背景技术
静电放电对于集成电路有可能会造成破坏性影响,随着半导体工艺的发展,管芯的特征尺寸越来越小,其栅漏越来越容易被击穿损坏,esd保护电路尤为重要。静电放电的过程中会产生大摆幅电压,在低噪声放大电路中,为了得到较好的噪声指标,输入往往直接连接射频放大管的栅极,极易造成栅极击穿,导致对芯片造成损坏,这种击穿损坏对于芯片来说是破坏性且不可恢复的。Esd保护电路就可以对电压进行泄放到地,实现对芯片放大管的保护。对于应用在手机侧等消费类产品的静电保护要求更高,人体作为一个导体,在接触芯片时很容易产生一个高脉冲电压摧毁芯片;对于基站侧应用的放大器芯片,可靠性要求极高,应用场景一般都是十年以上不更换,所以对于esd过电压能力要求也更高。
在射频芯片设计中,esd保护方式分为两种,其一采用esd二极管或者肖特基二极管,通过串联增加数量对高电压摆幅进行泄放;其二会在端口引入感性到地的匹配元件或网络,也能一定程度释放电荷。
两种esd保护方式均在射频芯片中能见到,功率放大器芯片对于噪声要求较低,且匹配网络较复杂,可以兼容esd管寄生电容带来的影响,也可将匹配网络改为低通拓扑,但是在射频低噪声放大器芯片中,输入尽量不引入额外的损耗以得到良好的噪声指标,所以esd二极管的寄生电容对噪声影响较大,是射频指标不能接受的,且低噪放芯片在系统应用中如果出现时序混乱的非正常应用情况,有大功率信号进入芯片,也会将芯片烧毁,传统esd电路的功能已不能适用低噪声放大器芯片。
发明内容
本发明提供一种射频低噪声放大器芯片的静电保护电路及射频放大电路,能够有效减小寄生电容,降低放大器芯片中产生的噪声。
本发明通过下述技术方案实现:
一方面,本发明提供一种射频低噪声放大器芯片的静电保护电路,与主电路电性连接,包括:第一接地端;第一支路,分别与第一接地端和主电路电性连接,第一支路上设有至少两个HEMT管,HEMT管的栅极与自身源极电性连接;靠近主电路的HEMT管的漏极与主电路电性连接,其余HEMT管的漏极与相邻的HEMT管的栅极和源极电性连接;靠近第一接地端的HEMT管的栅极和源极与第一接地端电性连接。
在其中一些实施例中,静电保护电路还包括第二支路,第二支路中设有HEMT管,第二支路中的HEMT管的源极与第一接地端电性连接,漏极与主电路电性连接,栅极与第一支路上的任意两个HEMT管之间的电路电性连接。
在其中一些实施例中,第二支路上还设有电容器,电容器分别与第二支路上HEMT管的栅极和第一接地端电性连接。
在其中一些实施例中,第一支路上设有的HEMT管为两个。
另一方面,本申请提供一种射频放大电路,包括主电路和静电保护电路,主电路包括射频输入端、射频输出端、第二接地端和电源端,主电路上设有HEMT管,静电保护电路分别与射频输入端和主电路上的HEMT管的栅极电性连接,主电路上的HEMT管的源极连接第二接地端,漏极分别连接射频输出端和电源端,主电路上的HEMT管的漏极与电源端之间设有一电感。
本发明与现有技术相比,具有以下优点及有益效果:
本发明提供的射频低噪声放大器芯片的静电保护电路通过在第一支路上串联设置至少两个HEMT管,能够有效降低寄生电容,降低射频低噪声放大电路中的噪声。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例中的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,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相关的附图。
图1为本发明一些实施例提供的射频低噪声放大器芯片的静电保护电路的电路图;
图2为本发明另一些实施例提供的射频低噪声放大器芯片的静电保护电路的电路图;
图3为传统二极管的等效电路图;
图4为本发明实施例提供的HEMT管寄生电容示意图;
图5为二极管连接的HEMT管开启电压示意图;
图6为本发明实施例提供的射频低噪声放大器芯片的静电保护电路与现有静电保护电路中寄生电容对比展示图;
图7为本发明实施例提供的射频低噪声放大器芯片的静电保护电路与现有静电保护电路中噪声对比展示图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
在本发明的描述中,需要说明的是,所采用的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
此外,本发明的描述中若出现“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂,而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平,并不是表示该结构一定要完全水平,而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”和“具有”以及它们任何变形,意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块,而是可选地还包括没有列出的步骤或模块,或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
当前ESD保护功能指标检测一般分为HBM(Human Body Model 人体模型)模型、MM(Machine Model 机器模型)模型和CDM(Charged Device Model 充电器件模型)模型。HBM指模拟当人体接触芯片时,人体自身由于摩擦等所带静电电荷经由芯片引脚转移至芯片,由于瞬时会有大量电荷流入芯片,会使得短时间内芯片会承受高至于上千伏的电压以及安培级别的电流,若无ESD保护电路,芯片极易因此烧毁。MM模拟的是带静电的机械装置触碰芯片时自身静电荷转移至芯片的情况,相较于HBM,MM的电荷转移时间更短,但其瞬时能达到的电流更大,危害更大。CDM模拟的是由于芯片自身内部电荷的积累,当芯片接触到外部接地端时,内部电荷短时间内将经由该接触位置泄放出去,过程中同样可能会使芯片有烧毁风险。
一方面,本申请实施例提供一种射频低噪声放大器芯片的静电保护电路,请参阅图1,该静电保护电路与射频放大电路的主电路电性连接,用以对射频放大电路的主电路提供静电保护。具体的,该静电保护电路包括第一接地端和第一支路,第一支路分别与主电路和第一接地端电性连接,第一支路上串联设有至少两个HEMT管,每个HEMT管的栅极均与自身的源极电性连接,每个HEMT管的漏极分别与相邻的一个HEMT管的栅极和源极电性连接;在所有的HEMT管中,靠近第一接地端的HEMT管M3的栅极和源极与第一接地端电性连接,靠近第一接地端的HEMT管是指在第一串联支路中距离第一接地端最近的HEMT管;在所有的HEMT管中,靠近主电路的HEMT管M2的漏极与主电路电性连接。
通过上述实施例的设置,多个串联的HEMT管反向接入主电路输入端,当射频低噪声放大器芯片输入端有大量负静电电荷输入时,多个串联的HEMT管导通形成反向放电通路,释放静电电路。另一方面,通过串联多个HEMT管可以有效的减小寄生电容,在低噪声放大器芯片中能够起到重要的作用,使得低噪声放大器芯片中最关键的指标噪声在所有频段得以降低0.1dB以上,可以有效降低噪声,以使得低噪声放大器芯片能够更加适配基站侧、手机,以及wifi领域的低噪声放大器芯片中,对改善噪声、ESD防护等性能方面均有提升。
在其中一些实施例中,请参阅图2,静电保护电路还包括第二支路,在第二支路中也设有HEMT管M4,设置在第二支路中的HEMT管的源极与第一接地端电性连接,漏极与主电路电性连接,栅极与第一支路上的任意两个HEMT管之间的电路电性连接,具体的,第二支路上的HEMT管M4的栅极分别与第一支路上一个HEMT管M3的漏极电性连接,与第一支路上另一个HEMT管M2的源极和栅极电性连接。
通过上述实施例的设置,能够在射频放大芯片的输入端起到耐功率的作用,当有大信号进入芯片时,可以对信号进行限幅,避免过大信号进入芯片使得芯片烧毁。
在其中一些实施例中,第二支路上还设有电容器C1,电容器C1分别与第二支路上的HEMT管M4的栅极和第一接地端电性连接。
通过在第一支路旁再并联一个具有HEMT管的第二支路,并伴有旁路电容,能够起到双重卸电功能,能够达到最佳卸电和限幅功能。
在其中一些实施例中,第一支路上设有的HEMT管为两个,在第一支路上,经试验得知,第一支路串联的HEMT管能够减小寄生电容,且串联的数量越多,寄生电容减少得越多,但是,随着串联的HEMT管数量的增加,静电保护电路的静电释放能力和限幅能力也会逐渐变差。经试验得到,在第一支路上设置两个相互串联的HETM管能够达到减小寄生电容、限幅能力和保证静电释放能力的平衡。在具体的示例中,当射频低噪声放大器芯片处于饱和功率输出时,输入端口的电压摆幅仍保持不超过100mV,而单个HEMT管的导通电压大于0.4V,如图5所示,满足电压摆幅的要求,因此在保证寄生电容满足要求时,本申请在第一支路上设置两个相互串联的HEMT管。
对于低噪声放大器而言,噪声是重要的性能参数之一,而低噪声放大器的输入端口则直接的影响着噪声的性能,为了保证低噪声放大器的噪声性能,其输入端口的静电保护电路需要保证在满足静电保护功能的同时,其所引入的寄生参数尽量小。对于静电保护电路而言,其主要是引入寄生电容效应使得低噪声放大器的噪声受到影响,传统二极管的等效电路如图3所示,其寄生电容
其中为PN结电容,为器件本身的固有寄生电容,在一般IC工艺中,的值为102fF级别。
对于本申请中的静电保护电路而言,如图4所示,此时其寄生电容
其中为单位长度下的电容,为的相对介电常数,为介质层的厚度,为阱的横向扩散长度,W为工艺的栅长,由于HEMT工艺制程的影响,的值一般为101fF级别,图6所示为同一工艺中相同栅宽下肖特基二极管和二极管连接的HEMT管的寄生电容的仿真结果。结果显示HEMT管的寄生电容大概为肖特基二极管的1/10,因此本发明中采用的静电保护电路相较于传统静电保护电路,对噪声的影响更低,同能也能满足静电保护功能。应用传统肖特基二极管与应用本发明所使用静电保护电路的低噪声放大器噪声对比如图7所示。
传统静电保护电路一般有正向和反向两个放电通路,本发明只基于HEMT管搭建反向放电通路,正向放电通路则通过射频管本身的正向导通特性实现,基于输入端射频管本身的泄放电能力同样可以满足一般情况下射频低噪声放大器的静电保护功能。
另一方面,本申请实施例提供一种射频放大电路,主要包括主电路和静电保护电路,主电路包括射频输入端、射频输出端和第二接地端,主电路上也设有HEMT管M1,静电保护电路分别与射频输入端和主电路上的HEMT管M1的栅极电性连接,主电路上的HEMT管M1的源极连接第二接地端,漏极分别连接射频输出端和电源端,主电路上的HEMT管M1的漏极与电源端之间设有一电感L1。
在上述实施例中,当射频放大电路的输入端有大量正静电电荷时,主电路上的HEMT管导通,静电电荷经该HEMT管的栅极到源极,通过第二接地端释放。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化,均落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种射频低噪声放大器芯片的静电保护电路,与主电路电性连接,其特征在于,包括:
第一接地端;
第一支路,分别与所述第一接地端和所述主电路电性连接,所述第一支路上设有至少两个HEMT管,所述HEMT管的栅极与自身源极电性连接;靠近所述主电路的HEMT管的漏极与所述主电路电性连接,其余所述HEMT管的漏极与相邻的所述HEMT管的栅极和源极电性连接;靠近所述第一接地端的HEMT管的栅极和源极与所述第一接地端电性连接。
2.根据权利要求1所述的射频低噪声放大器芯片的静电保护电路,其特征在于,所述静电保护电路还包括第二支路,所述第二支路中设有HEMT管,所述第二支路中的HEMT管的源极与所述第一接地端电性连接,漏极与所述主电路电性连接,栅极与所述第一支路上的任意两个HEMT管之间的电路电性连接。
3.根据权利要求2所述的射频低噪声放大器芯片的静电保护电路,其特征在于,所述第二支路上还设有电容器,所述电容器分别与所述第二支路上HEMT管的栅极和所述第一接地端电性连接。
4.根据权利要求1所述的射频低噪声放大器芯片的静电保护电路,其特征在于,所述第一支路上设有的HEMT管为两个。
5.一种射频放大电路,其特征在于,包括主电路和静电保护电路,所述主电路包括射频输入端、射频输出端、第二接地端和电源端,所述主电路上设有HEMT管,所述静电保护电路分别与所述射频输入端和所述主电路上的HEMT管的栅极电性连接,所述主电路上的HEMT管的源极连接第二接地端,漏极分别连接所述射频输出端和电源端,所述主电路上的HEMT管的漏极与所述电源端之间设有一电感。
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