JP2009267410A - Area optimized esd protection circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第1の端子および第2の端子と、該第1の端子と第2の端子の間にあるESD電流経路とを備えるESD保護回路に関するものであり、前記ESD電流経路はESDトランジスタの作動電流区間を介して導かれ、前記ESDトランジスタは、分圧器の中間タップの電位に依存して制御され、前記分圧器は前記第1と第2の端子の間に接続されている。 The present invention relates to an ESD protection circuit including a first terminal, a second terminal, and an ESD current path between the first terminal and the second terminal, the ESD current path being an ESD transistor. The ESD transistor is controlled depending on the potential of the intermediate tap of the voltage divider, and the voltage divider is connected between the first and second terminals.
このようなESD保護回路は例えば、US 5,465,188から公知である。 Such an ESD protection circuit is known, for example, from US 5,465,188.
また本明細書で"ESD"の略語は周知のように「静電放電(electrostatic discharge)」の意味である。ESD保護回路は、これと接続された回路を、電位的に破壊的な静電放電から保護する。ESD保護回路は、保護すべき回路と直列または並列に接続することができる。冒頭に述べた特徴を備える直列回路構成は、US 5,465,188から公知である。この刊行物によれば、ESDトランジスタが、過電流から保護すべき負荷と直列に接続されており、演算増幅器により制御される。この演算増幅器は、ESDトランジスタを介する電圧降下を分圧器によって測定し、基準電圧と比較する。この基準電圧は、バンドギャップリファレンスにより生成される。このような回路の利点は、US 5.465,188によれば温度の影響に対して不感であることである。演算増幅器とバンドギャップリファレンスは、それぞれ多数のトランジスタ(例えば約20)を含んでいる。さらに公知の回路の必要面積が大きいことは欠点である。 Further, in this specification, the abbreviation “ESD” means “electrostatic discharge” as is well known. The ESD protection circuit protects a circuit connected to the ESD protection circuit from a potential destructive electrostatic discharge. The ESD protection circuit can be connected in series or in parallel with the circuit to be protected. A series circuit arrangement with the features mentioned at the outset is known from US 5,465,188. According to this publication, an ESD transistor is connected in series with a load to be protected from overcurrent and is controlled by an operational amplifier. This operational amplifier measures the voltage drop across the ESD transistor with a voltage divider and compares it with a reference voltage. This reference voltage is generated by a bandgap reference. The advantage of such a circuit is that it is insensitive to temperature effects according to US 5.465,188. The operational amplifier and the bandgap reference each include a number of transistors (eg, about 20). Furthermore, the large area required of the known circuit is a disadvantage.
バンドギャップリファレンスと演算増幅器有するESD保護回路が保護すべき回路に対して並列に接続されることもそれ自体公知である。 It is also known per se that an ESD protection circuit having a bandgap reference and an operational amplifier is connected in parallel to the circuit to be protected.
さらに、第1と第2の端子を備え、これら第1と第2の端子が第1のESD電流経路と第2のESD電流経路とを有し、各ESD電流経路はそれぞれ保護すべき回路に並列に接続されているESD保護回路が公知である。障害のない通常状態で2つのESD電流経路は高抵抗であり、保護すべき回路の機能をできるだけ損なわないようにする。しかし2つの端子の一方に静電放電が発生すると、2つのESD電流経路の少なくとも1つは低抵抗になり、保護すべき回路における過剰の電荷を他方に端子に放出する。 The first and second terminals further include a first ESD current path and a second ESD current path, and each ESD current path is a circuit to be protected. ESD protection circuits connected in parallel are known. Under normal conditions without faults, the two ESD current paths are high resistance so as not to impair the function of the circuit to be protected as much as possible. However, when an electrostatic discharge occurs in one of the two terminals, at least one of the two ESD current paths becomes low resistance, releasing excess charge in the circuit to be protected to the other terminal.
一般的にESD保護は、動的な保護と静的な保護に分けられる。動的保護のためには、ESDパルスの高い過渡電流が利用される。このESDパルスは例えば、保護すべき回路に並列に第1のESD電流経路内にあるESDトランジスタを、そのミラーキャパシタンスを介して制御し、これにより高い横電流が保護すべき回路を通過するのを可能にする。 In general, ESD protection is divided into dynamic protection and static protection. For dynamic protection, a high transient current of the ESD pulse is used. This ESD pulse, for example, controls an ESD transistor in the first ESD current path in parallel with the circuit to be protected, via its mirror capacitance, so that a high lateral current passes through the circuit to be protected. enable.
静的ESD保護は最も簡単場合、第2の電流経路にあるツェナーダイオードによって実現される。このツェナーダイオードは第1の電流経路と保護する回路に対して並列に接続される。このようなツェナーダイオードは低電圧の際には高抵抗であり、したがって電気的に作用しない。一方、電圧値が比較的高くなると、保護すべき回路での場合により大きな横電流を通過させることができる。 Static ESD protection is achieved in the simplest case by a Zener diode in the second current path. The zener diode is connected in parallel with the first current path and the circuit to be protected. Such Zener diodes have a high resistance at low voltages and therefore do not act electrically. On the other hand, when the voltage value is relatively high, a larger lateral current can be passed in the circuit to be protected.
このような保護はESDクランプとも称される。前記の動的保護との組合せも、アクティブESDクランプと称される。 Such protection is also referred to as an ESD clamp. This combination with dynamic protection is also referred to as an active ESD clamp.
さらにESD保護回路自体は公知である。このESD保護回路は、保護すべき回路と並列に接続されており、第1と第2の端子、および第1と第2の端子の間にあるESD電流経路を有する。このESD電流経路はESDトランジスタの作動電流区間にわたって案内されている。 Furthermore, the ESD protection circuit itself is known. The ESD protection circuit is connected in parallel with the circuit to be protected, and has first and second terminals and an ESD current path between the first and second terminals. This ESD current path is guided over the operating current section of the ESD transistor.
ESDトランジスタは演算増幅器により制御される。この演算増幅器は、バンドギャップリファレンスの出力と、分圧器の中間タップの電位に依存して制御される。分圧器は第1と第2の端子の間に接続されている。 The ESD transistor is controlled by an operational amplifier. This operational amplifier is controlled depending on the output of the band gap reference and the potential of the intermediate tap of the voltage divider. The voltage divider is connected between the first and second terminals.
基本的に、ESD保護回路が作用する保護電圧は、通常動作時に保護すべき回路の端子に発生する正規の作動電圧に対してできるだけ小さな間隔を有するべきである。 Basically, the protection voltage at which the ESD protection circuit acts should have as little spacing as possible relative to the normal operating voltage generated at the terminals of the circuit to be protected during normal operation.
ここで「スナップバック」作用について説明する。この場合、横電流(すなわち保護すべき回路を通過して横に流れる電流)が「点弧電圧」を上回ると初めて作用し、「消弧電圧」ないしは「消弧電流」を下回ると初めて消失する。ここで調整される電圧も同様に、作動電圧と保護電圧の間で変化しなければならない。 Here, the “snapback” action will be described. In this case, it works for the first time when the lateral current (that is, the current that flows laterally through the circuit to be protected) exceeds the “ignition voltage”, and disappears only when it falls below the “extinguishing voltage” or “extinguishing current”. . The voltage adjusted here must likewise vary between the operating voltage and the protection voltage.
半導体技術では、実現可能なツェナーダイオードのツェナー電圧を任意に選択することができない。したがって、複数の直列に接続されたツェナーダイオードを備える回路が、保護電圧の値が個々のツェナー電圧よりも格段に高い場合の静的ESD保護のために使用される。動的ESD保護のためのスイッチ速度を高めるために、カレントミラーとダーリントントランジスタ回路による実現が公知である。 In semiconductor technology, it is not possible to arbitrarily select a Zener voltage of a Zener diode that can be realized. Thus, a circuit comprising a plurality of series-connected Zener diodes is used for static ESD protection when the value of the protection voltage is much higher than the individual Zener voltage. In order to increase the switching speed for dynamic ESD protection, implementations with current mirrors and Darlington transistor circuits are known.
複数の保護すべき入力端ないし回路を、カップリングダイオードを用いてただ1つのESD端子により統合することも従来技術である。 It is also a conventional technique to integrate a plurality of input terminals or circuits to be protected by a single ESD terminal using a coupling diode.
ESD保護を、正のESDパルスの保護と負のESDパルスの保護に、それぞれ1つの別個のESD回路によって分けることも従来技術である。 It is also prior art to divide ESD protection into positive ESD pulse protection and negative ESD pulse protection, each with one separate ESD circuit.
ESD保護回路の実現の際には、作動領域と保護電圧との間隔が、電子構成部材の仕様データへの温度影響のため不所望に大きいという第1の問題がある。この問題は、「標準」ESD保護メカニズムに対する所要の間隔では小さすぎるサブミクロメータ技術でとくに顕著である。 When realizing the ESD protection circuit, there is a first problem that the interval between the operating region and the protection voltage is undesirably large due to the temperature effect on the specification data of the electronic components. This problem is particularly noticeable with sub-micrometer technology that is too small for the required spacing for “standard” ESD protection mechanisms.
第2の問題は、長期にわたる製造確実性と、可能な技術的適合性を保証しなければならないことである。したがってパラメータが再現可能であり、製造プロセスで検査することのできる構成素子だけが使用可能である。したがって興味深い物理的作用に基づく一連のESD保護回路は、大量生産に十分に適していない。 The second problem is that long-term manufacturing certainty and possible technical compatibility must be ensured. Thus, only components that can reproduce the parameters and can be inspected in the manufacturing process can be used. Therefore, a series of ESD protection circuits based on interesting physical effects are not well suited for mass production.
第3の問題は、通常の半導体技術は集積されたダイオードポケットの使用に基づいており、このダイオードポケットでは個々の構成群がPN接合によって相互に分離されていることにより生じる。したがって基板に対して負の電圧値をとることのできる入力端に対しては、このようなPN接合を備えていない接続可能な構成素子の選択が非常に制限される。 A third problem arises from the fact that normal semiconductor technology is based on the use of integrated diode pockets, in which individual components are separated from one another by PN junctions. Therefore, for an input terminal that can take a negative voltage value with respect to the substrate, the selection of connectable components that do not include such a PN junction is very limited.
第4の問題は、ESDパルスの2つの極性に対して2つのESD保護メカニズムが必要なことである。 A fourth problem is that two ESD protection mechanisms are required for the two polarities of the ESD pulse.
第5の問題は、複数のツェナーダイオードを直列に接続した回路では不可能なほど保護電圧が大きい場合、または保護電圧が実現可能なツェナー電圧よりも小さい場合に生じる
さらにESD保護回路の必要面積はできるだけ小さくすべきである。
The fifth problem occurs when the protection voltage is so large that a circuit in which a plurality of Zener diodes are connected in series is impossible, or when the protection voltage is smaller than a realizable Zener voltage. Further, the required area of the ESD protection circuit is Should be as small as possible.
これらを背景に本発明の課題は、作動電圧領域と保護電圧との間隔が低減されており、必要面積の小さいESD保護回路、すなわち必要面積を低減してかつ第1の問題を解決したESD保護回路を提供することである。 With these backgrounds, the problem of the present invention is that the distance between the operating voltage region and the protection voltage is reduced, and the ESD protection circuit with a small required area, that is, the ESD protection that reduces the required area and solves the first problem. To provide a circuit.
この課題は請求項1の特徴によって解決される。さらに別の利点は従属請求項、明細書および添付図面からも明らかとなる。 This problem is solved by the features of claim 1. Further advantages emerge from the dependent claims, the description and the attached drawings.
本発明のESD保護回路は、演算増幅器およびバンドギャップリファレンスを有する冒頭に述べた公知の回路よりも格段に少数の構成素子しか必要としない。構成素子数が少ないことにより、構成素子のエラーによる回路故障の危険性が低下する。したがって信頼性が向上する。さらに構成素子数の減少により、ESD保護回路の必要面積が格段に小さくなる。US 5,465,188から公知のESD保護回路における、電気特性の温度依存性が小さいという利点も本発明では維持される。 The ESD protection circuit of the present invention requires significantly fewer components than the known circuit described at the beginning with an operational amplifier and a bandgap reference. Since the number of constituent elements is small, the risk of circuit failure due to constituent element errors is reduced. Therefore, reliability is improved. Furthermore, the required area of the ESD protection circuit is significantly reduced due to the reduction in the number of components. The advantage that the temperature dependence of the electrical properties in the ESD protection circuit known from US 5,465,188 is small is also maintained in the present invention.
前述の特徴、および以下さらに説明する特徴はそれぞれ記載した組合せだけでなく、別の組合せまたは単独でも、本発明の範囲を逸脱することなく使用することができると解される。 It will be understood that the features described above, and further described below, can be used not only in the combinations described, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。 In the following, embodiments of the invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1に詳細が示されているように、保護すべき回路10は第1の端子12と第2の端子14との間に接続されている。ESD保護回路16は回路10に並列に接続されており、抵抗20と22からなる分圧器18を有する。分圧器18の中間タップ24に調整される電位は、演算増幅器26の反転入力端に供給される。バンドギャップリファレンス電圧源28が、第2の端子14と演算増幅器26の非反転入力端との間に接続されている。演算増幅器26の出力端はPMOS−ESDトランジスタ30のゲートGを制御し、ソースSは第1の端子12と、ドレインDは第2の端子14と接続されている。
As shown in detail in FIG. 1, a
通常の作動領域では、すなわち第1の端子12と第2の端子14との間の電圧の高さが許容できるとき、わずかな電流しか分圧器18を介して流れない。抵抗20,22は、中間タップ24の電位がこの場合は、バンドギャップリファレンス28の電位よりも低くなるように選定されている。その結果、演算増幅器26の出力信号は正であり、PMOS−ESDトランジスタ30の抵抗は大きい。したがってPMOS−ESDトランジスタ30は電気的にほとんど作用しない。
In the normal operating region, i.e. when the voltage level between the
第1の端子12に静電放電が発生すると、分圧器18を介する電圧が上昇し、ひいては中間タップ24の電位も上昇する。これにより演算増幅器26の入力端の間の、最初は正であった電位差が小さくなり、または負にまでなる。その結果、最初は正であった出力信号も同様に小さくなり、または負にまでなる。これによりPMOS−ESDトランジスタ30が導通制御され、第1の端子12に発生した静電放電はESDトランジスタ30を介し、保護すべき回路10を通過して第2の端子14に流れる。図1に等価の保護回路はPMOSトランジスタ30の代わりにNMOSトランジスタを使用する。ここでは演算増幅器26の反転入力端と非反転入力端とは入れ替えられる。
When electrostatic discharge is generated at the
図2は、第1の端子12と第2の端子14を備えるESD保護回路40を詳細に示す。第1の端子12と第2の端子14との間にはESD電流経路42があり、この電流経路はESDトランジスタ44の作動電流区間を介して導かれる。ESDトランジスタ44は、分圧器48の中間タップ46の電位に依存して導通制御される。前記分圧器は前記第1の端子12と第2の端子14の間に接続されている。このESD保護回路40は、ESDトランジスタ44がトランジスタ49を介して制御されることを特徴とする。トランジスタ49は中間タップ46の反転電位を備えるインバータ50により制御される。
FIG. 2 shows in detail an
分圧器48は2つの抵抗52,54、または個々の抵抗56,58,60,62からなる2つの群52,54を有する。抵抗はオーム抵抗またはダイオードとして実現することができる。
The
インバータ50は、NMOSトランジスタ64とPMOSトランジスタ66からなるCMOSトランジスタペアを有する。これらのゲート端子はそれぞれ中間タップ46に接続されている。インバータ50の出力端58はトランジスタ49のゲート端子に接続されている。トランジスタ49は、第1の端子12と第2の端子14との間でブリーダ抵抗70と直列に接続されている。ブリーダ抵抗70はトランジスタ49の電流端子と第2の端子14との間にある。トランジスタ49とブリーダ抵抗70との間のゲート端子45は、ESDトランジスタ44のゲートと接続されている。
The
この実施例では、動的にスイッチングするESDトランジスタ44が動的ESD保護のベースとして使用される。静的保護により補充するために、パッシブにスイッチングするツェナーダイオードではなくアクティブ回路が使用される。このアクティブ回路はトランジスタ49(ここではPチャネルMOSFETとして構成される)と増幅インバータ50を有する。増幅インバータはトランジスタ49を、分圧器48でスイッチ電圧を上回るときに導通制御する。この分圧器では個別経路の一部が電圧安定性のダイオードによって置換されている。
In this embodiment, a dynamically switching
その機能はインバータ50の増幅作用に基づく。これにより、作動電圧と保護電圧との間の間隔を縮小することができる。第1の端子12と第2の端子14との間が、許容作動電圧よりも小さい供給電圧であれば、分圧器48はその中間タップ46に、増幅インバータがトランジスタ49をまだスイッチオフ状態に維持する電圧値を送出する。この場合、ESDトランジスタ44はスイッチオフされており、導通しないか、または非常にわずかしか導通しない。比較的に大きな正の電圧が第1の端子12と第2の端子14との間に発生すると、分圧器48の中間タップ46に、増幅インバータ50がトランジスタ49を導通制御する値が発生する。所望のようにESDトランジスタ44が同様に導通制御され、第1の端子12に発生した静電放電は大部分が、スイッチオンされたESDトランジスタ44を介し、保護すべき回路10を通過して第2の端子14に導かれる。
Its function is based on the amplification action of the
この実施例はとりわけ、作動電圧と保護電圧との間隔が非常に小さいことを特徴とする。 This embodiment is particularly characterized in that the distance between the operating voltage and the protective voltage is very small.
有利には、電気的パラメータが再現可能であり、製造プロセスで検査することのできる構成素子だけが必要となる。これにより長年にわたる製造確実性、可能な技術的適合性が保証される。 Advantageously, only components are required that have reproducible electrical parameters and can be tested in the manufacturing process. This ensures long-term manufacturing certainty and possible technical compatibility.
保護電圧が、実現可能なツェナー電圧に依存しないことも同様に有利である。したがって任意に小さな値も分圧器により可能である。 It is likewise advantageous that the protection voltage does not depend on the achievable Zener voltage. Thus, arbitrarily small values are possible with the voltage divider.
さらに、この回路は基本的にESDパルスの両極性でのESD保護に適しているので有利である。なぜなら構成素子の選択は、集積ダイオードポケットで製造されたにもかかわらず、負電位の際に寄生的なエラー機能を有していない素子に制限することができるからである。 Furthermore, this circuit is advantageous because it is basically suitable for ESD protection in both polarities of the ESD pulse. This is because the selection of components can be limited to elements that are manufactured with integrated diode pockets but do not have a parasitic error function at negative potentials.
ESDトランジスタ44をスイッチオンする保護電圧を小さくすることによって、回路10にESDパルスが発生する際の最大電圧と、回路10に誘導される電力が縮小されることも有利である。これにより保護すべき回路10でも比較的小さな「頑強でない」構成素子を使用することができる。これにより、保護すべき回路120とESD保護回路40からなる全体回路の必要面積がさらに低減され、全体コストも相応に縮小される。
It is also advantageous to reduce the maximum voltage at which an ESD pulse is generated in the
分圧器48の2つの抵抗52,54、または個々の抵抗56,58,60,62からなる2つの群52,54を適切に選択することにより、温度依存性を最小にすることができ、ひいては作動電圧と保護電圧との間隔をさらに小さくすることができる。例えば温度依存性が反対方向に補償された抵抗56と58を使用することができる。
By proper selection of the two
有利な構成は、種々異なる材料の構成素子56および/または58および/または60および/または62から分圧器が実現されることを特徴とする。これにより電圧依存性および温度依存性を最小にすることができる。別の構成では、分圧器48またはその一部が温度補償のために、ダイオードまたはダイオード機能を備える構成素子により補充される。ダイオード機能を備える構成素子として、バイポーラトランジスタまたはユニポーラトランジスタ、例えばドレイン端子とゲート端子が短絡されたCMOSトランジスタが考えられる。
An advantageous configuration is characterized in that the voltage divider is realized from
増幅インバータ50は正帰還を有してはならない。正帰還の場合には、不所望の静的電圧状態を生じさせるヒステリシスの発生することがある。このような不所望の静的電圧状態とは、生じる横電流がスイッチオフには小さすぎるが、持続的負荷としては大きすぎるような状態である。点A、B、Cは、図5と6に示された別の構成を接続することのできるインタフェースを示す。
The
図3は、増幅インバータ50が固有の供給電圧源75を有する実施例を示す。
FIG. 3 shows an embodiment in which the
インバータ50の端子76は、図2の実施例のようには第2の端子14に直接接続されていない。その代わりに、端子76は供給電圧源75に接続されており、この供給電圧源75が第1の端子12と第2の端子14との間に接続されている。
The terminal 76 of the
これによりインバータ50の供給電圧はESD電圧パルスから導出される。これにより作動電圧と保護電圧は、インバータ50の一般的に制限された電圧領域に依存しなくなる。第2の端子14の電位は基板電圧よりも小さくすることができる。
Thereby, the supply voltage of the
したがって図3の実施例は、上記の第3の問題を解決するのに適する。すでに述べたように第3の問題は、通常の半導体技術は集積されたダイオードポケットの使用に基づいており、このダイオードポケットでは個々の構成群がPN接合によって相互に分離されていることにより生じる。したがって基板に対して負の電圧値をとることのできる入力端に対しては、このようなPN接合を備えていない接続可能な構成素子の選択が非常に制限される。 Therefore, the embodiment of FIG. 3 is suitable for solving the third problem. As already mentioned, the third problem arises from the fact that conventional semiconductor technology is based on the use of integrated diode pockets, in which the individual components are separated from one another by PN junctions. Therefore, for an input terminal that can take a negative voltage value with respect to the substrate, the selection of connectable components that do not include such a PN junction is very limited.
図3の実施例により、負の電圧に対する入力端を、技術的限界までの選択可能な電圧領域で設けることができる。この利点は、すでに図2の実施例と関連して述べた利点に加えて得られる。ESDトランジスタ44内の寄生ダイオードにより、それぞれ反対極性のESDパルスについてさらなる要求が課されなければ前記第4の問題も解決したと見なすことができる。
According to the embodiment of FIG. 3, the input for negative voltages can be provided in a selectable voltage range up to the technical limit. This advantage is obtained in addition to the advantages already mentioned in connection with the embodiment of FIG. The parasitic problem in the
図3aは、図3の電圧源75の具体的構成を示す。この構成で電圧源75は、阻止方向に接続されたツェナーダイオード72とオーム抵抗74からなる直列回路を有する。ツェナーダイオード72とオーム抵抗74はこの順序で第1の端子12と第2の端子14の間に接続されている。インバータ50の端子76は、抵抗74とツェナーダイオード72の間の中間タップ78に接続されている。これにより、ESD発生の際に第1の端子12の正の荷電によりインバータ50を介して降下する電圧が、ツェナーダイオードの導通電圧の値に制限される。
FIG. 3a shows a specific configuration of the
図4は、回路40における種々の電圧と、端子12と14の間に調整される出力電圧U_verとの関係を示す。ここで横軸の値U_verは、端子12と14に接続することのできる負荷されない電圧源の電圧値に相当する。ここでは本発明の理解のために、低い値U_ver≪U_sは、電圧源の正規の所望の電圧値であり、高い値U_ver > U_sはESD発生に起因するものであると仮定することができる。
FIG. 4 shows the relationship between the various voltages in the
このような電圧源が回路40の端子12と14に接続されると、これらの端子12,14間に生じる電圧は周知のように電圧源のオーム性内部抵抗に依存する。
When such a voltage source is connected to
理想電圧源を仮想例とすれば、電圧源の内部抵抗はゼロである。したがって端子12と14の間の電圧は電圧源のソース電圧に相当することとなり、このソース電圧はESD発生の際に高い値をとることがある。
Taking the ideal voltage source as a hypothetical example, the internal resistance of the voltage source is zero. Therefore, the voltage between the
特性曲線81は、回路40の端子12と14の間の電圧U_verを仮想例について示す。この電圧U_verは理想電圧源により、すなわち任意の大きさの電流を送出するESDパルスにより生成される。特性曲線81はこの仮想境界例では45°の傾きであり、横軸にプロットされた供給電圧の値U_verの長さの値は縦軸に同じようにマッピングされる。
The
この特性は実際には不所望のものである。なぜならESD電流と電圧が大きいときには回路10が破壊されることになるからである。むしろ望ましいのは、特性曲線81から分岐する特性曲線86により表される。
This property is actually undesirable. This is because the
この特性曲線86は、本当にESDが発生し、ESDトランジスタ44が作用するときの、端子12と14間の電圧を表す。
This
特性曲線80は、中間タップ46、すなわちインバータ50の入力端における電圧U_invと、端子12と14の間の供給電圧源U_verとの関係を、ESDトランジスタ44が存在しない場合に対して示す。特性曲線80は、ダイオード60,62の順方向電圧の分だけ加算的にずらせば特性曲線81に相当する。したがって特性曲線80は、特性曲線81と同じ前提の下に生じる。
The
特性曲線83は、インバータ50の入力端でインバータの切り替えのために必要なスイッチ電圧を表す。このスイッチ電圧は一次近似で、供給電圧U_verの不変の成分として生じる。横軸の電圧値U_minは、インバータ50の正しい機能のために必要な供給電圧U_verを表す。
A
供給電圧U_verの値がU_0より小さい場合、ダイオード60と62はまだ阻止状態であり、したがって電流は分圧器48を介して流れない。U_verがダイオード60と62の順方向電圧U_0を越えると直ちに、分圧器48を通る電流が上昇し、中間タップ46の電圧は特性曲線80に相応して上昇する。特性曲線80は、始めは所要のスイッチ電圧の特性曲線83の下を経過する。
If the value of the supply voltage U_ver is less than U_0, the
しかし特性曲線80は、供給電圧U_verがさらに上昇すると特性曲線83よりも急峻に上昇するから、2つの特性曲線は供給電圧U_verの値U_sで交差する。この交点で、分圧器48の中間タップ46の電圧は、供給電圧に依存するインバータ50のスイッチ電圧を上回る。PMOS66は阻止され、NMOS64はスイッチオンされる。相応してPMOS49のゲート電位は、下方の端子14の電位によって決定される。PMOSトランジスタ49はスイッチオンされ、これにより作動電流を、ESD電流経路42を介しESDトランジスタ44を通して流すことができる。ESDトランジスタ44は実際の供給電圧U_verを相応の横電流によって制限する。これにより供給電圧のさらなる上昇が阻止されるか、少なくとも大きく緩和される。
However, the
オーム性内部抵抗を備える現実の電圧供給部では、供給電圧が特性曲線86に相当する。中間タップ46で実際に測定可能な電圧は特性曲線分岐85によって表される。横軸に前もって定められた値U_sを越えるとESDトランジスタ44が全無的にスイッチオンされる。この値U_sは、値U_schutzを備える特性曲線86上ではESD保護機能が投入されるときの供給電圧に相当する。
In an actual voltage supply unit having an ohmic internal resistance, the supply voltage corresponds to the
図4aは、図4とは特性曲線82と84が付加されていることで異なっている。これらの付加的特性曲線は、実線で示した特性曲線80と平行に延在し、温度に依存する特性曲線偏移の領域を表す。上側の一点鎖線82は温度が高い場合の経過を一般的に表し、下側の一点鎖線84は温度が低い場合の経過を表す。相応にしてESDトランジスタ44が全無的にスイッチオンされる供給電圧U_verの値も、温度が低い場合には上方に、温度が高い場合には下方にシフトする。すでに述べたように、構成素子56、58、60、62を適切に選択することにより、特性曲線82と84の差を最小にすることができる。
FIG. 4a differs from FIG. 4 by the addition of
下側の値U_aは、回路10の最大許容正規作動電圧の下側限界を表す。U_aより上では保護回路40が温度に依存してすでに作用してしまうことあり得る。
The lower value U_a represents the lower limit of the maximum allowable normal operating voltage of the
上側の値U_mは、回路10の最大許容正規作動電圧の上側限界を表す。U_mより上では保護回路40が温度に依存せずに確実に作用する。
The upper value U_m represents the upper limit of the maximum allowable normal operating voltage of the
しかしこれらの温度依存性は従来技術よりも小さい。したがってESDトランジスタ44が全無的にスイッチオンされる保護電圧U_schutzの値は、回路10の正規供給電圧の作動領域に従来技術の場合よりも接近する。
However, these temperature dependences are smaller than in the prior art. Therefore, the value of the protection voltage U_schutz at which the
図5による構成では、動的にスイッチングする加速トランジスタ47がESDトランジスタ44のドレインとゲートの間に少なくとも1つ付加的に設けられている。これによって動的特性を向上することができる。本明細書で動的特性とは勾配d/dUであると理解されたい。すなわち供給電圧U_verの上昇速度である。
In the configuration according to FIG. 5, at least one
ESDトランジスタ44をそのミラーキャパシタンスを介してスイッチオンするために必要なESDパルスの最小過渡が加速トランジスタによって補助され、一般的には減少する。動的特性を高めることにより、ESD現象が同じであっても小さなESDトランジスタ44を使用することができる。このことは必要面積のさらなる減少につながり、有利である。
The minimum transient of the ESD pulse required to switch on the
別の構成では、付加的なゲート・ソースキャパシタンスまたは付加的なゲート・ドレインキャパシタンスがESDトランスタ44のために設けられている。付加的なゲート・ソースキャパシタンスは動的特性を低減するが、付加的にゲート・ドレイン(ミラー)キャパシタンスは動的特性を相応に高める。付加的なキャパシタンスを適切に選択することにより、動的特性を回路の適用領域に適合することができる。
In another configuration, additional gate-source capacitance or additional gate-drain capacitance is provided for the
図6に示すように付加的なキャパシタンス43は、動的特性を高める加速トランジスタ47のドレインとゲートとの間に、またはゲートとソースとの間、またはゲートと第2の端子14との間に接続することができる。別の変形実施例として、付加的キャパシタンスのブリーダ抵抗71を第2の端子14に接続することもできる。
As shown in FIG. 6, an
さらに有利には、トランジスタ49を全無的に制御することにより、インバータ50の置換によってまたはただ1つのデジタル機能(nand/norゲート)の追加によって静的ESD保護を遮断することができる。このことは、検査および特性決定のために素子を過負荷の下で測定またはスクリーニングする場合に有利である。
Further advantageously, by controlling the
さらにトランジスタ49を全無的に制御することにより、複数の分圧器および/またはインバータ回路を使用することができる。これら複数の分圧器および/またはインバータ回路は相互に依存せずに機能し、プログラミングされてスイッチオンオフする。適切に選択すれば、複数の分圧器と複数の増幅器回路を同時に使用することで、作動電圧と保護電圧との間の間隔をさらに小さくすることができる。
Further, by controlling the
さらに分圧器を、単純なデジタル制御によりプログラミングして切り替えられるように構成すると有利である。これにより異なる保護電圧を調整することができる。 Furthermore, it is advantageous to configure the voltage divider so that it can be programmed and switched by simple digital control. Thereby, different protection voltages can be adjusted.
ここまで説明した実施例は、分圧器48の一方の分岐路54にダイオード60,62を含んでおり、PMOSタイプのインバータ50とトランジスタ49を有している。図7に示した構成では、分圧器48の他方の分岐路52が1つまたは複数のダイオードによって形成されている。さらにこの構成では、NMOSタイプのトランジスタ49が使用される。機能は、図2の対象の機能と等価である。
The embodiment described so far includes
図8に示した構成では、分圧器48の他方の分岐路52がダイオードによって形成されている。トランジスタ49はPMOSタイプである。インバータ50はデジタルバッファにより置換されている。このデジタルバッファは通常は直列に接続された2つのインバータからなる。この回路はさらに急峻な切替点を有し、作動電圧と保護電圧との間の間隔をさらに低減する。
In the configuration shown in FIG. 8, the
図9は、本発明により達成される面積節約を示す。上側の列は公知のESD回路16の必要面積を示す。この面積は、バンドギャップリファレンス28と演算増幅器26の多数のトランジスタによって比較的大きくなっている。ここで各矩形の大きさは、所属の回路部材の必要面積を量的に表す。公知のESD回路16の必要面積は、保護回路10の必要面積よりも2倍から3倍大きい。
FIG. 9 illustrates the area savings achieved by the present invention. The upper row shows the required area of the known
下側の列は本発明のESD回路40の必要面積を示す。ここでは面積の節約が、大きな面積を必要とするモジュール、例えばバンドギャップリファレンスと演算増幅器を設けずに、その代わりに1つのインバータ50と1つのトランジスタ増幅器49を使用することによって達成される。上に説明したようにESDトランジスタ44も比較的に小さく構成することができるので、それによっても面積がさらに節約される。全体として本発明のESD保護回路の必要面積は、保護すべき回路10の必要面積よりも小さい。本発明の重要な利点は、面積低減の利点が動的特性の低下と結び付かないことである。
The lower row shows the required area of the
Claims (14)
前記ESD電流経路はESDトランジスタ(44)の作動電流区間を介して導かれ、
前記ESDトランジスタ(44)は、分圧器(48)の中間タップ(46)の電位に依存して制御され、
前記分圧器は前記第1の端子(12)と第2の端子(14)との間に接続されている形式のESD保護回路において、
前記ESDトランジスタ(44)はトランジスタ(49)を介して制御され、
該トランジスタ(49)は中間タップ(46)の反転電位を備えるインバータ50により制御される、ことを特徴とするESD保護回路。 An ESD protection circuit comprising a first terminal (12) and a second terminal (14), and an ESD current path (42) between the first terminal (12) and the second terminal (14) ( 40)
The ESD current path is led through the operating current section of the ESD transistor (44),
The ESD transistor (44) is controlled depending on the potential of the intermediate tap (46) of the voltage divider (48),
In the ESD protection circuit of the type in which the voltage divider is connected between the first terminal (12) and the second terminal (14),
The ESD transistor (44) is controlled via a transistor (49),
The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the transistor (49) is controlled by an inverter 50 having an inversion potential of an intermediate tap (46).
前記分圧器(48)は2つの抵抗(52,54)、または個々の抵抗(56,58,60,62)からなる2つの群(52,54)を有し、
前記抵抗はオーム抵抗またはダイオードとして実現されている、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to claim 1,
The voltage divider (48) has two resistors (52, 54) or two groups (52, 54) consisting of individual resistors (56, 58, 60, 62),
An ESD protection circuit, wherein the resistor is realized as an ohmic resistor or a diode.
前記分圧器(48)の少なくとも2つの抵抗(56,58)は、反対方向に補償された温度依存性を有する、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to claim 1 or 2,
ESD protection circuit, characterized in that at least two resistors (56, 58) of the voltage divider (48) have temperature dependence compensated in opposite directions.
前記分圧器(48)またはその一部は温度補償のために、ダイオードまたはダイオード機能を備える構成素子を有する、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 3,
An ESD protection circuit, wherein the voltage divider (48) or a part thereof has a diode or a component having a diode function for temperature compensation.
前記分圧器(48)は、種々異なる材料からなるオーム抵抗(56,58)およびダイオード(60,62)を有しており、それらの材料は前記オーム抵抗およびダイオードの電圧依存性および温度依存性が少なくとも部分的に補償されるように選択されている、ことを特徴とするESD保護回路。 In the ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 4,
The voltage divider (48) has ohmic resistors (56, 58) and diodes (60, 62) made of different materials, which materials are voltage and temperature dependent of the ohmic resistors and diodes. Is selected to be at least partially compensated.
温度補償のために用いるダイオードまたはダイオード機能を備える構成素子は、前記分圧器(48)または分圧器の一部である、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 5,
An ESD protection circuit, wherein a diode or a component having a diode function used for temperature compensation is the voltage divider (48) or a part of the voltage divider.
ダイオード機能を備える構成素子としてバイポーラトランジスタ、またはユニポーラトランジスタとしてドレイン端子とゲート端子が短絡されたCMOSトランジスタが使用される、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to claim 6,
An ESD protection circuit, wherein a bipolar transistor is used as a component having a diode function, or a CMOS transistor having a drain terminal and a gate terminal short-circuited as a unipolar transistor.
前記インバータ(50)の出力端(58)は前記トランジスタ(49)のゲート端子に接続されている、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 7,
An ESD protection circuit, wherein an output terminal (58) of the inverter (50) is connected to a gate terminal of the transistor (49).
前記インバータ(50)は非反転機能を有する、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 8,
An ESD protection circuit, wherein the inverter (50) has a non-inverting function.
ESDトランスタ(44)の付加的なゲート・ソースキャパシタンスまたは付加的なゲート・ドレインキャパシタンスが設けられている、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 9,
An ESD protection circuit, characterized in that an additional gate-source capacitance or an additional gate-drain capacitance of the ESD transformer (44) is provided.
前記インバータ(50)は固有の電圧供給部を有する、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 10,
An ESD protection circuit, wherein the inverter (50) has a unique voltage supply.
前記ESDトランジスタ(44)は、動的特性を高めるために別のトランジスタ(47)を有する、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 11,
The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the ESD transistor (44) includes another transistor (47) for enhancing dynamic characteristics.
前記ESDトランジスタ(44)は、動的特性を高めるために第1の端子(12)とESDトランジスタ(44)のゲート端子との間にキャパシタンスを有する、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 12,
The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the ESD transistor (44) has a capacitance between the first terminal (12) and the gate terminal of the ESD transistor (44) in order to enhance dynamic characteristics.
前記ESDトランジスタ(44)は、動的特性を低減するために第2の端子(14)とESDトランジスタ(44)のゲート端子との間にキャパシタンスを有する、ことを特徴とするESD保護回路。 The ESD protection circuit according to any one of claims 1 to 13,
The ESD protection circuit according to claim 1, wherein the ESD transistor (44) has a capacitance between the second terminal (14) and the gate terminal of the ESD transistor (44) in order to reduce dynamic characteristics.
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