CN1224103C - 半导体电路调节器 - Google Patents

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Abstract

在设计为输出不同的输出电压的电路中，半导体器件的衬底被连接到一个连接到比电路的衬底电位低的电位的调节器，尤其是一个开关。例如该电路可以应用于一个用户线接口电路(SLIC)。

Description

半导体电路调节器
技术领域
本发明涉及一种半导体电路中的调节器。
背景技术
在大多数的集成电路(IC)工艺中，通过在p型衬底上形成的n型扩散层来构成有源器件。
在有源器件的周围构建了一个用于提供隔离的扩散区，p型隔离层与集成电路的衬底短接，在这种情况下，必须向衬底施加与电路中的最低电位相对应的电位，从而可以向衬底和与构建在衬底上的有源器件岛相关的隔离pn节提供反偏压。
然而，即使有源器件岛被反偏置到衬底上，也总是存在从器件到衬底的电流，其被称为衬底电流。衬底电流可能是来自围绕器件岛的反偏置区的泄漏电流或者其他的从npn晶体管中的正向偏置区或者正向偏置发射极或者集电极发出的少数载流子。
在具有高电压源的电路中，这些衬底电流占了集成电路功率消耗中的很大部分。
衬底的电位通常是通过在集成电路封装中提供的一个管脚供应的。这个管脚接下来被连接到电路上的一个焊点，这个焊点接下来通过到隔离发散区的一个金属导线被连接到衬底。由于衬底电压分布在整个集成电路上，所以可以在集成电路的任何地方进行与隔离扩散区的连接，以获得衬底电压。
这样就不需要对这一电压形成独立的金属连接，除非在应用中需要非常低的电阻或者非常低的噪音。在一些应用中，衬底自己和隔离层构成了半导体器件的一部分，例如在所谓的衬底pnp晶体管中，晶体管周围的隔离层和衬底被设计为集电极。
由于衬底电位是电路中的最低电位，衬底电位与最高的电源电压一起确定电路中可用的电压范围。
在一些应用中，例如在电话系统中提供振铃信号的用户线接口电路(SLIC)中就期望电路的输出电压是不同的。
在使用SLIC提供输出振铃信号的情况下，在SLIC处于通话模式的时候，通常使用一种称为摘机电池(off-hook battery)的电池，在SLIC处于振铃模式的时候，通常使用一种称为振铃电池(ring battery)的电池，其在绝对值上拥有比摘机电池更高的输出电压。
SLIC中的电源电压通常比地电压低，并且衬底的电位确定了在SLIC中可用的电压范围。为了在不同的模式下使用的不同的电池之间进行切换，提供了集成电池开关。
在图1中示出了在设计为输出振铃信号的SLIC中应用的这种现有技术的开关S。在话音传输期间，当SLIC处于通话模式时，提供给负载RL(也就是连接到SLIC的用户电话设备和前往/来自用户的电话线)的电压将在绝对值上低于摘机电池OHB的电压。
来自负载RL的电流将经过一个二极管D2到摘机电池OHB，摘机电池OHB的电压大约是-50伏，提供给负载的电压Vbat2将是大约-50伏。
当SLIC处于通话模式的时候，开关S将是打开的。当确定SLIC向负载RL输出一个振铃信号的时候，也就是确定连接到SLIC上的用户的电话设备振铃的时候，开关被激活并闭合。
其结果是，在这种情况下电位Vbat2将与振铃电池RB的电压相同，在这种情况下将是-90伏。二极管D2现在将被反偏置，并不流过任何电流。线路驱动电路A和B现在被连接到振铃电压，并且可以将振铃电压施加到负载上，从而可以在传递振铃信号的时候增加电压。
然而在通话模式下，存在着与现有技术相关的功率损失问题。这样，来自电路的泄漏电流将流入衬底abt，该衬底具有与高电压降相对应的电位，并因此泄漏电流将造成较大的功率损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进半导体电路，其具有比前述现有技术少的功率损失。
本发明进一步的目的是提供一种机制，在这种机制下，半导体装置的衬底电位在特定的工作模式下可以被控制到优化值。
在本发明的一个方面，提供了一种半导体电路，其可以通过至少一个第一和第二电压提供端子连接到至少两个不同的电压源，该电路被设计为在至少两个电压提供端子接收至少两个不同的电压，在第二端子接收到的电压的绝对值比在第一端子接收到的电压高，该电路包含调节器，用于把所述至少两个电压之间的电压施加到所述的电路，其特征在于，所述电路的衬底被连接到第一端子，以及，该调节器被连接在电路的衬底和第二端子之间。
此外，调节器包含至少一个第一双极型晶体管。
此外，调节器包含至少一个第一双极型npn晶体管。
此外，调节器包含至少一个以达林顿结构与上述至少一个第一双极型npn晶体管连接的至少一个第二双极型npn晶体管。
此外，该电路包含三个或者更多的电压提供端子以接收电源电压。
此外，该电路是用户线接口电路。
此外，其特征在于，调节器是开关。
这些目的和其他的目的可以通过设计输出变化的输出电压的电路来获得，其中半导体器件的衬底被连接到调节器，也就是开关，而所述的调节器被连接到比所述电路的衬底电位低的电位。
附图说明
本发明将在下面参考附图进行更加详细地描述：
图1在前面已经描述过，它是一个示出了依照现有技术的SLIC的电路图；
图2是一个示出了本发明的第一实施例的电路图；
图3是一个依照本发明的第二实施例的电路图。
具体实施方式
图2中示出了一个用户线接口电路(SLIC)的电路图。SLIC包括连接在电位Vbat2和地gnd之间的第一放大器级1，和连接在电位Vbat2和地gnd之间的第二放大器级2。放大器级1和2的输出端子构成了与负载RL连接的输出端子之间的SLIC的输出端子。
连接到电位Vbat2的放大器级的端子被进一步连接到在其中构建了SLIC的集成电路的衬底3，并通过二极管D2连接到拥有第一输出电压Vbat2的第一电池4，电池4可以拥有大约为-50伏的输出电压。
连接到电位Vbat2的放大器级的端子被还被连接到开关S的第一端子，开关S的第二端子被连接到拥有第二输出电压Vrbat的第二电池5。电池5的第二输出电压最好拥有一个较大的绝对输出电压，例如可以是-90伏。
开关S进一步拥有一个第三控制端子。作为对开关S的控制端子的电流反馈的响应，在第一和第二端子之间的连接被相应地打开和闭合。这样，开关S就连接在拥有最高绝对电压的电源电压和集成电路的衬底之间。
在图2中，开关被示为一个单独的npn晶体管，晶体管的发射极和基极的电位接近于振铃电池的电位，而晶体管的集电极端子与衬底电位短接。这样，由于集电极隔离二极管随后将被正向偏置，所以npn集电极的电位不可能低于衬底的电位。
在开关S中施加了控制电流12，也就是说，如图2所示，施加于npn晶体管的基极端子的电流是由横向pnp晶体管E提供的。在这个例子中，横向pnp晶体管的集电极是p型的，由于pnp晶体管的基极端子可以被反向偏置，所以该集电极可以拥有一个低于衬底电位的电位。
横向pnp晶体管的基极端子的电位，也就是扩散型的n-岛可以比衬底电位高，并且可以被工作于接近地电位的电位的电路C控制。
这种安排还具有几个优点。这样，在话音的传输中，开关S被打开而且电位Vbat2基本上是第一电池4的输出电压。
由于现在衬底被连接到这一电位，所有的泄漏电流将可以施加到对应于第一电池4而不是具有更大输出电压的第二电池5的输出电压，因此在SLIC处于通话模式的时候，由泄漏电流导致的功率损失将被显著减少。
另外，所有的衬底pnp晶体管，也就是集电极连接到晶体管的衬底电位的pnp晶体管可以在不增加功率消耗的情况下被保留。否则就必须使用更大的传统的pnp晶体管替换所有的这种衬底pnp晶体管，并且需要如图2所示的将较大的晶体管的集电极连接到Vbat2，从而导致必须构成附加的金属连接，这当然不是所期望的。
另外，结合图2所描述的在电路中发生雪崩现象的危险将大大减少，这是因为可以将电路设计为在开关闭合的时候，也就是电路处于振铃模式的时候，电路的活动部分可以使用拥有较高击穿电压的器件来实现。
另外，电路将是更加可靠的，因为衬底电位较接近于地电位，并且金属导体之间的电压降、可能的多晶硅穿接(cross-under)和穿过隔离层的电阻将降低。只有在有振铃信号的时候才会应用高电压，而有振铃信号的时候仅仅是电路的整个活动时间中一个相当短的时间。
需要进一步注意的是，开关/调节器可以被构建成没有n掺杂的岛，也就是npn晶体管集电极端子或者横向pnp晶体管基极端子和pnp集电极端子处于低于衬底电位的电位。因此只有两个npn晶体管的基极和发射极端子处于衬底电位以下。
在图3中示出了依照第二实施例的应用过程，图2和图3之间的电路的不同之处是开关S被调节器D替代。使用调节器而不是开关的优点是衬底电位随后可以被置于如电池5的振铃电池和如电池4的摘机电池之间的任何电位。
可以根据一个或者几个参数通过例如由控制电路F提供的控制电压来控制调节器D，以便把Vbat2改变为电池4的电压和电池5的电压之间的值。例如可以去监视一个或者几个击穿电位低于电路的其余部分的晶体管，这样就可以使衬底电位的绝对值以及独立电路的振铃电压最大化。
进而，在这个应用中使用的电池的输出电压可以是一个更高或者更低的值。例如振铃电池，也就是电池5的输出电压可以是-110伏，摘机电池，也就是电池4的输出电压可以是-24伏。
在给出的例子中结合SLIC示出了连接到低于衬底电位的电位的调节器的使用。然而本发明并非仅仅限制于使用SLIC，而是可以当然地应用在电路被设计为在不同的运行模式下使用不同的电源电压的其他应用中。
此外，可以使用任何适当的方式构建调节器，例如使用MOS晶体管、半导体闸流管或者其他的半导体器件。
另外，不需要使用p型的衬底。这样就可以使用一个n型的衬底，在这个应用中使用的电位将比地电位要高，而且衬底的电位将对应于电路的最高电位。
最后，这里描述的电路仅仅包含两个不同的电源电压。然而，在一些应用中可能需要或者期望在地电位以外使用仅仅一个电源电压，或者使用三个或者更多不同的电源电压，这里描述的调节器当然可以被修改为这样的应用。

Claims (7)

1.一种半导体电路，其可以通过至少一个第一和第二电压提供端子连接到至少两个不同的电压源，该电路被设计为在至少两个电压提供端子接收至少两个不同的电压，在第二端子接收到的电压的绝对值比在第一端子接收到的电压高，该电路包含调节器，用于把所述至少两个电压之间的电压施加到所述的电路，其特征在于，所述电路的衬底被连接到第一端子，以及，该调节器被连接在电路的衬底和第二端子之间。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，调节器包含至少一个第一双极型晶体管。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，调节器包含至少一个第一双极型npn晶体管。
4、如权利要求3所述的电路，其特征在于，调节器包含至少一个以达林顿结构与上述至少一个第一双极型npn晶体管连接的至少一个第二双极型npn晶体管。
5、如权利要求1所述的电路，其特征在于，该电路包含三个或者更多的电压提供端子以接收电源电压。
6、如权利要求1所述的电路，其特征在于，该电路是用户线接口电路。
7、如权利要求1所述的电路，其特征在于，调节器是开关。
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