JP2016152578A - Esd protection circuit - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ESD protection circuit of small layout area, which does not become a load during normal operation of a differential output buffer.SOLUTION: In an ESD protection circuit, a common mode voltage detection circuit detects the common mode voltage of a differential output signal from a differential output buffer, and outputs a common mode voltage detection signal. An overvoltage detection circuit detects whether the voltage of a common mode voltage detection signal is a common mode voltage at the time of normal operation, or an overvoltage at the time of ESD event occurrence, higher than the common mode voltage at the time of normal operation, and generates a detection signal. When the detection signal indicates that the voltage of a common mode voltage detection signal is overvoltage, an off circuit turns the protected element of the differential output buffer off at the time of ESD event occurrence.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ESD(静電気放電)イベント発生時の過電圧により半導体集積回路の内部回路が破壊されるのを保護するESD保護回路に関するものである。   The present invention relates to an ESD protection circuit that protects an internal circuit of a semiconductor integrated circuit from being destroyed by an overvoltage when an ESD (electrostatic discharge) event occurs.

図7は、従来のESD保護回路を適用する差動出力バッファの構成を表す一例の回路図である。同図に示す差動出力バッファ10は、半導体集積回路に搭載されるものであり、負荷抵抗となる2つのPMOS(P型MOSトランジスタ)P1、P2と、電流源となるNMOS(N型MOSトランジスタ)N1と、差動スイッチとなる2つのNMOSN2、N3と、2つの抵抗素子R1、R2と、オペアンプOPとを備えている。   FIG. 7 is a circuit diagram illustrating an example of a configuration of a differential output buffer to which a conventional ESD protection circuit is applied. A differential output buffer 10 shown in FIG. 1 is mounted on a semiconductor integrated circuit, and includes two PMOS (P-type MOS transistors) P1 and P2 serving as load resistors and an NMOS (N-type MOS transistor serving as a current source). ) N1, two NMOSs N2 and N3 serving as differential switches, two resistance elements R1 and R2, and an operational amplifier OP.

また、ESD保護回路は、第1保護回路12と、第2保護回路14とを備え、第1保護回路12は、4つのダイオードD1、D2、D3、D4を備えている。   Further, the ESD protection circuit includes a first protection circuit 12 and a second protection circuit 14, and the first protection circuit 12 includes four diodes D1, D2, D3, and D4.

通常動作時に、差動出力信号OUTP、OUTNの外部出力端子の電圧は、グランド電圧VSSから電源電圧VDDまでの電圧であるため、第1保護回路12の4つのダイオードD1、D2、D3、D4はいずれもオフ状態である。
また、電源ノードの電圧VDDが、通常動作時の電源電圧VDDの場合、第2保護回路14はオフ状態である。
During normal operation, the voltage at the external output terminal of the differential output signals OUTP and OUTN is a voltage from the ground voltage VSS to the power supply voltage VDD. Therefore, the four diodes D1, D2, D3, and D4 of the first protection circuit 12 are Both are off.
When the voltage VDD of the power supply node is the power supply voltage VDD during normal operation, the second protection circuit 14 is in an off state.

このように、通常動作時には、第1保護回路12および第2保護回路14はいずれもオフ状態であり、ESD保護回路は、差動出力バッファ10の通常動作に何ら影響を与えない。   Thus, during normal operation, both the first protection circuit 12 and the second protection circuit 14 are in an off state, and the ESD protection circuit has no influence on the normal operation of the differential output buffer 10.

続いて、ESDイベント発生時に、外部グランド端子を基準として、差動出力信号OUTPにESDによる過電流が印加された場合、第1保護回路12のダイオードD1がオン状態となり、電源ノードの電圧VDDが急峻に、通常動作時の電源電圧VDDよりも上昇する。   Subsequently, when an ESD event occurs and an overcurrent due to ESD is applied to the differential output signal OUTP with reference to the external ground terminal, the diode D1 of the first protection circuit 12 is turned on, and the voltage VDD of the power supply node is It sharply rises above the power supply voltage VDD during normal operation.

電源ノードの電圧VDDが急峻に、通常動作時の電源電圧VDDよりも上昇すると、第2保護回路14がオン状態となる。その結果、ESD電流は、差動出力信号OUTPの外部出力端子から、第1ダイオードD1、電源ノード、第2保護回路14、グランドノードを介して、外部グランド端子に逃がされる。これにより、電源ノードの電圧VDDがクランプされ、通常動作時の電源電圧VDDで動作する半導体集積回路の内部回路が保護される。   When the voltage VDD of the power supply node steeply rises above the power supply voltage VDD during normal operation, the second protection circuit 14 is turned on. As a result, the ESD current is released from the external output terminal of the differential output signal OUTP to the external ground terminal via the first diode D1, the power supply node, the second protection circuit 14, and the ground node. As a result, the voltage VDD of the power supply node is clamped, and the internal circuit of the semiconductor integrated circuit operating at the power supply voltage VDD during normal operation is protected.

このように、ESDイベント発生時には、第1保護回路12および第2保護回路14がオン状態となり、通常動作時の電源電圧VDDで動作する半導体集積回路の内部回路が保護される。   Thus, when an ESD event occurs, the first protection circuit 12 and the second protection circuit 14 are turned on, and the internal circuit of the semiconductor integrated circuit that operates at the power supply voltage VDD during normal operation is protected.

上記のように、ESDによる過電流が、外部グランド端子を基準として、差動出力信号OUTPの外部出力端子に印加された場合、この過電流がESD保護素子を流れることによって、差動出力信号OUTPの外部接続端子と外部電源端子との間の電圧をVdio、外部電源端子と外部グランド端子との間の電圧をVpcとすると、差動出力信号OUTPの外部接続端子と外部グランド端子との間には、電圧Vclamp=電圧Vdio+電圧Vpcが発生する。   As described above, when an overcurrent due to ESD is applied to the external output terminal of the differential output signal OUTP with reference to the external ground terminal, the overcurrent flows through the ESD protection element, thereby causing the differential output signal OUTP to flow. When the voltage between the external connection terminal and the external power supply terminal is Vdio and the voltage between the external power supply terminal and the external ground terminal is Vpc, the differential output signal OUTP is connected between the external connection terminal and the external ground terminal. Generates voltage Vclamp = voltage Vdio + voltage Vpc.

電圧Vclampは、図8に示すように、差動出力バッファ10の縦積みされたNMOSN2、N1の両端に印加される。この電圧Vclampが、縦積みされたNMOSN2、N1のESD耐圧を超えた場合、NMOSN2、N1の破壊が起きる恐れがあるが、縦積みのNMOSN2、N1のESD耐圧は、表1に示すように、NMOSN2、N1のオン状態(ON)およびオフ状態(OFF)によって変化することがわかっている。   As shown in FIG. 8, the voltage Vclamp is applied to both ends of the NMOSs N2 and N1 stacked in the differential output buffer 10. When this voltage Vclamp exceeds the ESD withstand voltage of the vertically stacked NMOSN2 and N1, the NMOSN2 and N1 may be destroyed. However, the ESD withstand voltage of the vertically stacked NMOSN2 and N1 is It turns out that it changes with the ON state (ON) and the OFF state (OFF) of NMOSN2 and N1.

この例の場合、ESD耐圧(許容される電圧Vclamp)が最大となるのは、表1に示すとおり、NMOSN2、N1がともにオフ状態のときである。
一般に、ESD保護回路として、通常動作を妨げることなく、ESDによる過電圧が印加されたことを検出し、ESD耐圧が最大となるようにMOSトランジスタの状態を制御する回路を付加することができれば、ESD耐圧を向上させることが可能となる。
In this example, the ESD withstand voltage (allowable voltage Vclamp) is maximized when both NMOSN2 and N1 are off as shown in Table 1.
In general, as an ESD protection circuit, if it is possible to add a circuit that detects that an overvoltage due to ESD is applied without interfering with normal operation and controls the state of a MOS transistor so that the ESD withstand voltage is maximized, an ESD protection circuit can be added. The breakdown voltage can be improved.

上記MOSトランジスタの状態を制御してESD耐圧を向上させるESD保護回路として、特許文献1、非特許文献1、2が提案されている。   Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2 have been proposed as an ESD protection circuit that improves the ESD withstand voltage by controlling the state of the MOS transistor.

しかし、特許文献1は、図9に示すように、ESDによる過電圧の印加の検出およびMOSトランジスタの状態制御のために、異電源系でドライブされるレベルシフト回路の存在を前提としており、単一電源系の差動出力バッファでは使用することができない。
非特許文献1は、図10に示すように、ESDによる過電圧の印加の検出およびMOSトランジスタの状態制御のためにRCフィルタを利用するが、一般にESDによる過電圧の印加の検出用のRCフィルタはサイズがかなり大きく、レイアウト面積が増大する。
非特許文献2は、図11に示すように、ESDによる過電圧の印加の検出およびMOSトランジスタの状態制御のために、出力ノードにダイオードストリングを追加する。そのため、出力ノードの寄生容量が増大し、通常動作時の動作速度が遅くなる懸念がある。
However, as shown in FIG. 9, Patent Document 1 presupposes the existence of a level shift circuit driven by a different power supply system for detection of application of an overvoltage by ESD and state control of a MOS transistor. It cannot be used in the differential output buffer of the power supply system.
As shown in FIG. 10, Non-Patent Document 1 uses an RC filter for detection of overvoltage application by ESD and state control of a MOS transistor. Generally, an RC filter for detection of application of overvoltage by ESD is sized. Is considerably large, and the layout area increases.
In Non-Patent Document 2, as shown in FIG. 11, a diode string is added to an output node for detection of application of overvoltage by ESD and state control of a MOS transistor. For this reason, there is a concern that the parasitic capacitance of the output node increases and the operation speed during normal operation becomes slow.

特開2008−205772号公報JP 2008-205782 A

S. Cao et al., "Investigation on Output Driver with Stacked Devices for ESD Design Window Engineering", EOS/ESD 2010, pp. 203-210S. Cao et al., "Investigation on Output Driver with Stacked Devices for ESD Design Window Engineering", EOS / ESD 2010, pp. 203-210 M. Okumura et al., "CDM Secondary Clamp of RX and TX for High Speed SerDes Application in 40 nm CMOS Technology", EOS/ESD 2011, pp. 94-99M. Okumura et al., "CDM Secondary Clamp of RX and TX for High Speed SerDes Application in 40 nm CMOS Technology", EOS / ESD 2011, pp. 94-99

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、差動出力バッファの通常動作時の負荷にならず、かつ、レイアウト面積の小さいESD保護回路を提供することにある。   An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art, and to provide an ESD protection circuit that does not become a load during normal operation of a differential output buffer and has a small layout area.

上記目的を達成するために、本発明は、ESDイベント発生時の過電圧により差動出力バッファが破壊されるのを保護するESD保護回路であって、
前記差動出力バッファの差動出力信号のコモンモード電圧を検出してコモンモード電圧検出信号を出力するコモンモード電圧検出回路と、
前記コモンモード電圧検出信号の電圧が、通常動作時のコモンモード電圧なのか、前記通常動作時のコモンモード電圧よりも高い、前記ESDイベント発生時の過電圧なのかを検出して検出信号を生成する過電圧検出回路と、
前記コモンモード電圧検出信号の電圧が前記過電圧であることを、前記検出信号が表す場合に、前記ESDイベント発生時の差動出力バッファの被保護素子をオフ状態にするオフ回路とを備えることを特徴とするESD保護回路を提供するものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides an ESD protection circuit for protecting a differential output buffer from being destroyed by an overvoltage when an ESD event occurs,
A common mode voltage detection circuit that detects a common mode voltage of a differential output signal of the differential output buffer and outputs a common mode voltage detection signal; and
A detection signal is generated by detecting whether the voltage of the common mode voltage detection signal is a common mode voltage during normal operation or an overvoltage when the ESD event is higher than the common mode voltage during normal operation. An overvoltage detection circuit;
An off circuit that turns off the protected element of the differential output buffer when the ESD event occurs when the common signal detection signal indicates that the voltage of the common mode voltage detection signal is the overvoltage. An ESD protection circuit is provided.

ここで、前記差動出力バッファは、
差動入力信号に応じて、一方がオン状態、他方がオフ状態となる第1差動スイッチおよび第2差動スイッチと、
電源ノードと前記第1差動スイッチおよび第2差動スイッチとの間に接続され、第1バイアス信号の電圧に応じて、抵抗値が変化することで、前記電源ノードに供給される電源電圧よりも低い電圧を前記差動出力バッファに供給する負荷抵抗と、
前記第1差動スイッチおよび第2差動スイッチとグランドノードとの間に接続され、第2バイアス信号の電圧に対応する一定の電流を前記差動出力バッファに流す電流源とを備え、
前記差動出力信号は、前記負荷抵抗と前記第1差動スイッチとの間の第1内部ノード、および、前記負荷抵抗と前記第2差動スイッチとの間の第2内部ノードから出力されるものであることが好ましい。
Here, the differential output buffer is
A first differential switch and a second differential switch, one of which is turned on and the other is turned off in response to a differential input signal;
The power supply node is connected between the first differential switch and the second differential switch, and the resistance value changes according to the voltage of the first bias signal, so that the power supply voltage supplied to the power supply node A load resistor for supplying a lower voltage to the differential output buffer;
A current source connected between the first differential switch and the second differential switch and a ground node, and flowing a constant current corresponding to the voltage of a second bias signal to the differential output buffer;
The differential output signal is output from a first internal node between the load resistor and the first differential switch and a second internal node between the load resistor and the second differential switch. It is preferable.

また、前記コモンモード電圧検出回路は、
前記第1内部ノードと前記第2内部ノードとの間に直列に接続され、同じ抵抗値を持つ第1抵抗素子および第2抵抗素子と、
基準電圧信号の基準電圧と、前記第1抵抗素子と前記第2抵抗素子との間の第3内部ノードから出力される前記コモンモード電圧検出信号の電圧とが等しくなるように、前記電流源に流れる電流を制御する第2バイアス信号の電圧を調整するオペアンプとを備えることが好ましい。
Further, the common mode voltage detection circuit includes:
A first resistance element and a second resistance element connected in series between the first internal node and the second internal node and having the same resistance value;
In the current source, a reference voltage of a reference voltage signal is equal to a voltage of the common mode voltage detection signal output from a third internal node between the first resistance element and the second resistance element. It is preferable to provide an operational amplifier that adjusts the voltage of the second bias signal that controls the flowing current.

また、前記過電圧検出回路は、前記ESDイベント発生時に、前記コモンモード電圧検出信号の電圧が前記過電圧となった場合であっても破壊されない厚さのゲート酸化膜を有する第1MOSトランジスタで構成され、前記第1MOSトランジスタで構成される第1インバータの閾値電圧は、前記通常動作時の電圧よりも高い電圧に設定されていることが好ましい。   Further, the overvoltage detection circuit includes a first MOS transistor having a gate oxide film having a thickness that is not destroyed even when the voltage of the common mode voltage detection signal becomes the overvoltage when the ESD event occurs, The threshold voltage of the first inverter formed of the first MOS transistor is preferably set to a voltage higher than the voltage during the normal operation.

また、前記過電圧検出回路は、前記第1MOSトランジスタで構成され、前記コモンモード電圧検出信号を反転して出力する前記第1インバータと、
前記第1インバータの出力信号を反転して前記検出信号として出力する第2インバータとを備えることが好ましい。
Further, the overvoltage detection circuit includes the first MOS transistor, the first inverter that inverts and outputs the common mode voltage detection signal,
It is preferable to provide a second inverter that inverts an output signal of the first inverter and outputs the inverted signal as the detection signal.

また、前記被保護素子は、第2MOSトランジスタで構成された前記第1差動スイッチ、前記第2差動スイッチおよび前記電流源であり、
前記オフ回路は、前記コモンモード電圧検出信号の電圧が前記過電圧であることを、前記検出信号が表す場合に、前記第2MOSトランジスタのゲートの電圧を制御して前記第2MOSトランジスタをオフ状態にするものであることが好ましい。
Further, the protected element is the first differential switch, the second differential switch, and the current source configured by a second MOS transistor,
The off circuit controls the gate voltage of the second MOS transistor to turn off the second MOS transistor when the detection signal indicates that the voltage of the common mode voltage detection signal is the overvoltage. It is preferable.

また、前記第2MOSトランジスタは、N型MOSトランジスタであり、
前記オフ回路は、前記コモンモード電圧検出信号の電圧が前記過電圧であることを、前記検出信号が表す場合に、前記N型MOSトランジスタのゲートの電圧をグランド電圧にプルダウンして前記N型MOSトランジスタをオフ状態にするものであることが好ましい。
The second MOS transistor is an N-type MOS transistor,
The off-circuit pulls down the voltage of the gate of the N-type MOS transistor to the ground voltage when the detection signal indicates that the voltage of the common-mode voltage detection signal is the overvoltage, and the N-type MOS transistor Is preferably turned off.

本発明では、ESDによる過電圧の印加を検出するために、コモンモード電圧検出信号の電圧を活用する。差動出力バッファは、コモンモード電圧検出回路をもともと備えている場合が多い。よって、本発明によれば、このコモンモード電圧検出回路を、ESDによる過電圧の印加の検出にも活用することによって、レイアウト面積および出力ノードの寄生容量を増大させることなく、ESDによる過電圧の印加の検出を行うことができる。   In the present invention, the voltage of the common mode voltage detection signal is utilized in order to detect the application of overvoltage due to ESD. In many cases, the differential output buffer originally includes a common mode voltage detection circuit. Therefore, according to the present invention, this common mode voltage detection circuit is also used to detect the application of overvoltage by ESD, thereby preventing the application of overvoltage by ESD without increasing the layout area and the parasitic capacitance of the output node. Detection can be performed.

また、本発明によれば、このESDによる過電圧の印加の検出結果を活用して、ESDイベント発生時の差動出力バッファの被保護素子をオフ状態にすることにより、そのESD耐圧を向上させることができる。また、本発明は、ESDによる過電圧の印加の検出に、異電源系でドライブされるレベルシフト回路の存在を前提としていないため、単一電源系の差動出力バッファにも適用可能である。   Further, according to the present invention, the ESD withstand voltage can be improved by turning off the protected element of the differential output buffer when an ESD event occurs by utilizing the detection result of the overvoltage applied by the ESD. Can do. In addition, the present invention is not premised on the presence of a level shift circuit driven by a different power supply system in detecting the application of overvoltage by ESD, and therefore can be applied to a differential output buffer of a single power supply system.

本発明のESD保護回路を適用する差動出力バッファの構成を表す一実施形態の回路図である。It is a circuit diagram of one Embodiment showing the composition of the differential output buffer to which the ESD protection circuit of the present invention is applied. 図1に示す第2保護回路の構成を表す一例の回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram illustrating an example of a configuration of a second protection circuit illustrated in FIG. 1. 図1に示す第3保護回路のESDイベント発生時の状態を表す一例の概念図である。It is a conceptual diagram of an example showing the state at the time of ESD event generation | occurrence | production of the 3rd protection circuit shown in FIG. (A)および(B)は、図1に示す差動出力バッファの通常動作時の動作を表す一例のタイミングチャートである。(A) And (B) is an example timing chart showing the operation | movement at the time of normal operation of the differential output buffer shown in FIG. 図1に示す第3保護回路のESDイベント発生時の状態を表す別の例の概念図である。It is a conceptual diagram of another example showing the state at the time of ESD event generation | occurrence | production of the 3rd protection circuit shown in FIG. (A)、(B)、(C)および(D)は、図1に示す差動出力バッファのESDイベント発生時の動作を表す一例のタイミングチャートである。(A), (B), (C), and (D) are timing charts showing an example of the operation of the differential output buffer shown in FIG. 1 when an ESD event occurs. 従来のESD保護回路を適用する差動出力バッファの構成を表す一例の回路図である。It is an example circuit diagram showing the structure of the differential output buffer to which the conventional ESD protection circuit is applied. 図7に示す差動出力バッファの縦積みのNMOSN2、N1を抜き出して表す一例の回路図である。FIG. 8 is a circuit diagram of an example in which the vertically stacked NMOSs N2 and N1 of the differential output buffer shown in FIG. 7 are extracted and represented. 特許文献1に記載のESD保護回路である。This is an ESD protection circuit described in Patent Document 1. 非特許文献1に記載のESD保護回路である。This is an ESD protection circuit described in Non-Patent Document 1. 非特許文献2に記載のESD保護回路である。This is an ESD protection circuit described in Non-Patent Document 2.

以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明のESD保護回路を詳細に説明する。   Hereinafter, an ESD protection circuit of the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.

図1は、本発明のESD保護回路を適用する差動出力バッファの構成を表す一実施形態の回路図である。同図に示す差動出力バッファ10は、半導体集積回路に搭載され、図示していない前段回路から入力される差動入力信号INN、INPに応じて動作し、差動入力信号INN、INPに対応する差動出力信号OUTN、OUTPを出力するものであり、2つのPMOSP1、P2と、NMOSN1と、2つのNMOSN2、N3と、2つの抵抗素子R1、R2と、オペアンプOPとを備えている。   FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment showing a configuration of a differential output buffer to which an ESD protection circuit of the present invention is applied. A differential output buffer 10 shown in the figure is mounted on a semiconductor integrated circuit, operates in response to differential input signals INN and INP input from a preceding circuit (not shown), and corresponds to the differential input signals INN and INP. Differential output signals OUTN and OUTP to be output, and includes two PMOSs P1 and P2, NMOS N1, two NMOSs N2 and N3, two resistance elements R1 and R2, and an operational amplifier OP.

PMOSP1、P2は、差動出力バッファ10の負荷抵抗である。PMOSP1、P2のソースは、電源ノードに接続され、そのゲートには、第1バイアス信号Pbiasが入力される。
差動出力バッファ10は、第1バイアス信号の電圧Pbiasに応じて、PMOSP1,P2の負荷抵抗の抵抗値が変化し、外部電源端子から電源ノードに供給される電源電圧VDDよりも低い電圧が、供給される。
PMOS P 1 and P 2 are load resistors of the differential output buffer 10. The sources of the PMOSs P1 and P2 are connected to the power supply node, and the first bias signal Pbias is input to the gates thereof.
In the differential output buffer 10, the resistance values of the load resistors of the PMOSs P1 and P2 change according to the voltage Pbias of the first bias signal, and a voltage lower than the power supply voltage VDD supplied from the external power supply terminal to the power supply node is Supplied.

NMOSN1は、差動出力バッファ10に一定の電流を流す電流源である。NMOSN1のソースは、グランドノードに接続され、そのゲートには、オペアンプOPから第2バイアス信号Nbiasが入力される。
差動出力バッファ10には、第2バイアス信号の電圧Nbiasに応じて、一定の電流が、NMOSN1を介してグランドノードへ流れる。
The NMOS N1 is a current source that allows a constant current to flow through the differential output buffer 10. The source of the NMOS N1 is connected to the ground node, and the second bias signal Nbias is input from the operational amplifier OP to the gate thereof.
In the differential output buffer 10, a constant current flows to the ground node via the NMOS N1 according to the voltage Nbias of the second bias signal.

NMOSN2、N3は、差動入力信号INN、INPに応じて、一方がオン状態、他方がオフ状態となる第1差動スイッチおよび第2差動スイッチである。NMOSN2,N3は、PMOSP1、P2とNMOSN1との間にそれぞれ接続され、そのゲートには、差動入力信号INN、INPがそれぞれ入力される。
PMOSP1とNMOSN2との間の第1内部ノード、および、PMOSP2とNMOSN3との間の第2内部ノードから差動出力信号OUTP、OUTNが出力され、それぞれ、外部出力端子に接続されている。
The NMOSs N2 and N3 are a first differential switch and a second differential switch in which one is turned on and the other is turned off according to the differential input signals INN and INP. The NMOSs N2 and N3 are connected between the PMOSs P1 and P2 and the NMOS N1, respectively, and differential input signals INN and INP are input to the gates thereof.
Differential output signals OUTP and OUTN are output from a first internal node between PMOSP1 and NMOSN2 and a second internal node between PMOSP2 and NMOSN3, and are connected to external output terminals, respectively.

抵抗素子R1、R2は、同じ抵抗値を持つものであり、第1内部ノードと第2内部ノードとの間に直列に接続されている。
2つの抵抗素子R1、R2の間の第3内部ノードから、差動出力信号OUTPの電圧と、差動出力信号OUTNの電圧の1/2の電圧を有するコモンモード電圧検出信号が出力される。
The resistance elements R1 and R2 have the same resistance value, and are connected in series between the first internal node and the second internal node.
From the third internal node between the two resistance elements R1 and R2, a common mode voltage detection signal having a voltage that is ½ of the voltage of the differential output signal OUTP and the voltage of the differential output signal OUTN is output.

オペアンプOPは、第2バイアス信号を生成するものである。オペアンプOPの+端子には、基準電圧信号が入力され、−端子には、コモンモード電圧検出信号が入力される。
オペアンプOPは、基準電圧信号の基準電圧VREFと、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomとが等しくなるように、NMOSN1に流れる電流を制御する第2バイアス信号の電圧Nbiasを調整する。
The operational amplifier OP generates a second bias signal. A reference voltage signal is input to the + terminal of the operational amplifier OP, and a common mode voltage detection signal is input to the − terminal.
The operational amplifier OP adjusts the voltage Nbias of the second bias signal that controls the current flowing through the NMOS N1 so that the reference voltage VREF of the reference voltage signal is equal to the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal.

ここで、抵抗素子R1、R2およびオペアンプOPは、差動出力バッファ10の差動出力信号OUTP、OUTNのコモンモード電圧Vcomを検出してコモンモード電圧検出信号を出力する、本発明のコモンモード電圧検出回路を構成する。   Here, the resistance elements R1 and R2 and the operational amplifier OP detect the common mode voltage Vcom of the differential output signals OUTP and OUTN of the differential output buffer 10, and output the common mode voltage detection signal of the present invention. A detection circuit is configured.

続いて、ESD保護回路は、ESDイベント発生時の過電圧により半導体集積回路の内部回路が破壊されるのを保護するものであり、第1保護回路12と、第2保護回路14と、第3保護回路16とを備えている。   Subsequently, the ESD protection circuit protects the internal circuit of the semiconductor integrated circuit from being destroyed by an overvoltage at the time of occurrence of the ESD event, and includes a first protection circuit 12, a second protection circuit 14, and a third protection circuit. Circuit 16.

第1保護回路12は、ESDイベント発生時に、差動出力信号OUTP、OUTNの外部出力端子に印加されるESD電流を電源ノードまたはグランドノードに流すものであり、4つのダイオードD1、D2、D3、D4を備えている。   The first protection circuit 12 causes an ESD current applied to the external output terminals of the differential output signals OUTP and OUTN to flow to the power supply node or the ground node when an ESD event occurs, and includes four diodes D1, D2, D3, D4 is provided.

ダイオードD1は、差動出力信号OUTPから電源ノードへ向かって順方向に接続され、ダイオードD2は、グランドノードから差動出力信号OUTPへ向かって順方向に接続されている。また、ダイオードD3は、差動出力信号OUTNから電源ノードへ向かって順方向に接続され、ダイオードD4は、グランドノードから差動出力信号OUTNへ向かって順方向に接続されている。   The diode D1 is connected in the forward direction from the differential output signal OUTP to the power supply node, and the diode D2 is connected in the forward direction from the ground node to the differential output signal OUTP. The diode D3 is connected in the forward direction from the differential output signal OUTN to the power supply node, and the diode D4 is connected in the forward direction from the ground node to the differential output signal OUTN.

第2保護回路14は、ESDイベント発生時に、差動出力信号OUTP、OUTNの外部出力端子に印加されるESD電流を電源ノードからグランドノードに流し、電源ノードの電圧VDDをクランプするものである。   The second protection circuit 14 clamps the voltage VDD of the power supply node by causing an ESD current applied to the external output terminals of the differential output signals OUTP and OUTN to flow from the power supply node to the ground node when an ESD event occurs.

図2は、図1に示す第2保護回路の構成を表す一例の回路図である。同図に示す第2保護回路14は、アクティブクランプ型のものであり、過電圧検出回路18と、クランプ回路20とを備えている。   FIG. 2 is a circuit diagram illustrating an example of the configuration of the second protection circuit illustrated in FIG. The second protection circuit 14 shown in the figure is an active clamp type, and includes an overvoltage detection circuit 18 and a clamp circuit 20.

過電圧検出回路18は、電源ノードの電圧VDDが、通常動作時の電源電圧VDDなのか、通常動作時の電源電圧VDDよりも高い、ESDイベント発生時の過電圧なのかを検出して検出信号を出力するものであり、RC時定数回路22と、インバータ24とによって構成されている。   The overvoltage detection circuit 18 detects whether the voltage VDD of the power supply node is the power supply voltage VDD during normal operation or the power supply voltage VDD higher than that during normal operation, and outputs a detection signal. The RC time constant circuit 22 and the inverter 24 are included.

RC時定数回路22は、抵抗素子Rと、容量素子Cとを備えている。
抵抗素子Rおよび容量素子Cは、電源ノードと、グランドノードとの間に直列に接続されている。抵抗素子Rと容量素子Cとの間の第4内部ノードから、RC時定数回路22の出力信号n1が出力される。
The RC time constant circuit 22 includes a resistance element R and a capacitance element C.
Resistive element R and capacitive element C are connected in series between the power supply node and the ground node. An output signal n1 of the RC time constant circuit 22 is output from the fourth internal node between the resistance element R and the capacitance element C.

インバータ24は、RC時定数回路22の出力信号n1を反転して出力するものであり、PMOSP9と、NMOSN9とを備えている。
PMOSP9およびNMOSN9は、電源ノードとグランドノードとの間に直列に接続され、そのゲートには、RC時定数回路22の出力信号n1が入力される。PMOSP9とNMOSN9との間の第5内部ノードから、インバータ24の出力信号である検出信号n0が出力される。
The inverter 24 inverts and outputs the output signal n1 of the RC time constant circuit 22, and includes a PMOS P9 and an NMOS N9.
The PMOS P9 and the NMOS N9 are connected in series between the power supply node and the ground node, and the output signal n1 of the RC time constant circuit 22 is input to the gate thereof. A detection signal n0 that is an output signal of the inverter 24 is output from the fifth internal node between the PMOS P9 and the NMOS N9.

クランプ回路20は、過電流が電源ノードに印加され、その結果、電源のノードの電圧が急峻に上昇したことを、検出信号n0が表す場合に、オン状態となって電源ノードとグランドノードとを接続し、電源ノードに印加された過電流をグランドノードに流して電源ノードの電圧VDDをクランプするものであり、NMOSN10を備えている。
NMOSN10は、電源ノードとグランドノードとの間に接続され、そのゲートには、検出信号n0が入力される。
When the detection signal n0 indicates that the overcurrent is applied to the power supply node and, as a result, the voltage of the power supply node has risen sharply, the clamp circuit 20 is turned on to connect the power supply node and the ground node. An overcurrent applied to the power supply node is caused to flow to the ground node to clamp the voltage VDD of the power supply node, and includes an NMOS N10.
The NMOS N10 is connected between a power supply node and a ground node, and a detection signal n0 is input to its gate.

第2保護回路14では、通常動作時に、電源電圧VDDが電源ノードに供給されているとき、容量素子Cは電源電圧VDDに充電されている。そのため、RC時定数回路22の出力信号n1はハイレベル(H)、インバータ24のPMOSP9はオフ、NMOSN9はオンであり、検出信号n0はローレベル(L)、NMOSN10はオフである。
従って、第2保護回路14は、通常動作時には、電源電圧VDDで動作する内部回路の動作に何ら影響しない。
In the second protection circuit 14, during the normal operation, the capacitor C is charged to the power supply voltage VDD when the power supply voltage VDD is supplied to the power supply node. Therefore, the output signal n1 of the RC time constant circuit 22 is high level (H), the PMOS P9 of the inverter 24 is off, the NMOS N9 is on, the detection signal n0 is low level (L), and the NMOS N10 is off.
Therefore, the second protection circuit 14 does not affect the operation of the internal circuit that operates at the power supply voltage VDD during normal operation.

一方、ESDイベント発生時に、過電流が電源ノードに印加されたとき、電源ノードの電圧が急峻に立ち上がるのに対して、RC時定数回路22の出力信号n1は、RC時定数回路22の作用によって電源ノードよりも緩やかに立ち上がる。そのため、RC時定数回路22の出力信号n1は、抵抗素子Rを介して容量素子Cが過電圧に充電されるまでの間、つまり、RC時定数回路22の時定数RCに相当する時間、Lになり、検出信号n0は、時定数RCに相当する時間、Hになり、NMOSN10がオンする。
従って、ESDイベント発生時には、電源ノードに印加されたESD電流がNMOSN10を介してグランドノードに流れ、電源ノードの電圧VDDがクランプされることにより、通常動作時の電源電圧VDDで動作する内部回路を保護することができる。
On the other hand, when an overcurrent is applied to the power supply node when an ESD event occurs, the voltage of the power supply node rises sharply, whereas the output signal n1 of the RC time constant circuit 22 is caused by the action of the RC time constant circuit 22. It rises more slowly than the power supply node. Therefore, the output signal n1 of the RC time constant circuit 22 is set to L during the time until the capacitive element C is charged to an overvoltage via the resistance element R, that is, the time corresponding to the time constant RC of the RC time constant circuit 22. Thus, the detection signal n0 becomes H for a time corresponding to the time constant RC, and the NMOS N10 is turned on.
Therefore, when an ESD event occurs, an ESD current applied to the power supply node flows to the ground node via the NMOS N10, and the voltage VDD of the power supply node is clamped, so that an internal circuit that operates at the power supply voltage VDD during normal operation is Can be protected.

続いて、第3保護回路16は、ESDイベント発生時の過電圧により差動出力バッファ10の被保護素子となるNMOSN1、N2、N3が破壊されるのを保護するものであり、過電圧検出回路26と、オフ回路とを備えている。   Subsequently, the third protection circuit 16 protects the NMOSs N1, N2, and N3 serving as the protected elements of the differential output buffer 10 from being destroyed by an overvoltage at the time of occurrence of the ESD event. And an off circuit.

過電圧検出回路26は、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomが、通常動作時のコモンモード電圧Vcomなのか、通常動作時のコモンモード電圧Vcomよりも高い、ESDイベント発生時の過電圧なのかを検出して検出信号INV_outを出力するものであり、第1インバータ28と、第2インバータ30とを備えている。   The overvoltage detection circuit 26 detects whether the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal is the common mode voltage Vcom during normal operation or an overvoltage at the occurrence of an ESD event that is higher than the common mode voltage Vcom during normal operation. Output a detection signal INV_out, and includes a first inverter 28 and a second inverter 30.

第1インバータ28は、コモンモード電圧検出信号を反転して出力するものであり、PMOSP4と、NMOSN4とを備えている。
PMOSP4およびNMOSN4は、電源ノードとグランドノードとの間に直列に接続され、そのゲートには、コモンモード電圧検出信号が入力される。第1インバータ28のPMOSP4とNMOSN4との間の第6内部ノードから、第1インバータ28の出力信号INV_hvt_outが出力される。
第1インバータ28を構成するPMOSP4およびNMOSN4は、ESDイベント発生時に、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomが過電圧となった場合であっても破壊されない厚さ(厚膜)のゲート酸化膜を有する第1MOSトランジスタで構成されているのが望ましい。また、この第1インバータ28の閾値電圧Vthは、通常動作時のコモンモード電圧Vcomよりも高い電圧に設定されている。
The first inverter 28 inverts and outputs the common mode voltage detection signal, and includes a PMOS P4 and an NMOS N4.
The PMOS P4 and the NMOS N4 are connected in series between the power supply node and the ground node, and a common mode voltage detection signal is input to the gate thereof. The output signal INV_hvt_out of the first inverter 28 is output from the sixth internal node between the PMOSP4 and the NMOS N4 of the first inverter 28.
The PMOS P4 and the NMOS N4 constituting the first inverter 28 have a gate oxide film having a thickness (thick film) that is not destroyed even when the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal becomes an overvoltage when an ESD event occurs. It is desirable to be composed of 1 MOS transistor. The threshold voltage Vth of the first inverter 28 is set to a voltage higher than the common mode voltage Vcom during normal operation.

同様に、第2インバータ30は、第1インバータ28の出力信号INV_hvt_outを反転して出力するものであり、PMOSP5と、NMOSN5とを備えている。
PMOSP5およびNMOSN5は、電源ノードとグランドノードとの間に直列に接続され、そのゲートには、第1インバータ28の出力信号INV_hvt_outが入力される。第2インバータ30のPMOSP5とNMOSN5との間の第7内部ノードから、第2インバータ30の出力信号である検出信号INV_outが出力される。
Similarly, the second inverter 30 inverts and outputs the output signal INV_hvt_out of the first inverter 28, and includes a PMOS P5 and an NMOS N5.
The PMOS P5 and the NMOS N5 are connected in series between the power supply node and the ground node, and the output signal INV_hvt_out of the first inverter 28 is input to the gate thereof. A detection signal INV_out that is an output signal of the second inverter 30 is output from a seventh internal node between the PMOSP5 and the NMOS N5 of the second inverter 30.

オフ回路は、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomが過電圧であることを、検出信号INV_outが表す場合に、ESDイベント発生時の差動出力バッファ10の被保護素子であるNMOSN1、N2、N3のゲートの電圧を制御して強制的にオフ状態にするものであり、プルダウン回路となる3つのNMOSN6、N7、N8を備えている。   When the detection signal INV_out indicates that the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal is an overvoltage, the off circuit includes gates of NMOS N1, N2, and N3 that are protected elements of the differential output buffer 10 when an ESD event occurs. Is forcibly turned off, and includes three NMOSs N6, N7, and N8 serving as pull-down circuits.

NMOSN6、N7は、差動入力信号INN、INPとグランドノードとの間にそれぞれ接続され、NMOSN8は、第2バイアス信号とグランドノードとの間に接続されている。また、NMOSN6、N7、N8のゲートには、検出信号INV_outが入力される。   The NMOSs N6 and N7 are respectively connected between the differential input signals INN and INP and the ground node, and the NMOS N8 is connected between the second bias signal and the ground node. The detection signal INV_out is input to the gates of the NMOSs N6, N7, and N8.

次に、差動出力バッファ10の動作を説明する。   Next, the operation of the differential output buffer 10 will be described.

まず、図3、図4(A)および(B)を参照して、差動出力バッファ10およびESD保護回路の通常動作時の動作を説明する。
図4(A)に示すように、通常動作時の電源電圧VDD=1.2V、グランド電圧VSS=0Vであり、コモンモード電圧検出回路により、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcom=(1.2V+0V)/2=0.6Vに制御されているとする。また、第3保護回路16の第1インバータ28の閾値電圧Vthは0.7Vに設定されているものとする。
First, with reference to FIGS. 3, 4A and 4B, operations of the differential output buffer 10 and the ESD protection circuit during normal operation will be described.
As shown in FIG. 4A, the power supply voltage VDD during normal operation is VDD = 1.2V and the ground voltage VSS = 0V, and the common mode voltage detection circuit uses the common mode voltage detection signal voltage Vcom = (1.2V + 0V). ) / 2 is assumed to be controlled to 0.6V. Further, it is assumed that the threshold voltage Vth of the first inverter 28 of the third protection circuit 16 is set to 0.7V.

この場合、差動出力信号OUTP、OUTNの外部出力端子の電圧は、グランド電圧VSS=0Vから電源電圧VDD=1.2Vまでの電圧であるため、第1保護回路12の4つのダイオードD1、D2、D3、D4はいずれもオフ状態である。   In this case, since the voltages of the external output terminals of the differential output signals OUTP and OUTN are voltages from the ground voltage VSS = 0V to the power supply voltage VDD = 1.2V, the four diodes D1 and D2 of the first protection circuit 12 are used. , D3, and D4 are all off.

また、電源ノードの電圧VDDが、通常動作時の電源電圧VDD=1.2Vの場合、第2保護回路14のクランプ回路20のNMOSN10はオフ状態である。   When the voltage VDD of the power supply node is the power supply voltage VDD at normal operation = 1.2V, the NMOS N10 of the clamp circuit 20 of the second protection circuit 14 is in an off state.

コモンモード電圧検出信号の電圧Vcom=0.6Vは、第3保護回路16の第1インバータ28の閾値電圧Vth=0.7Vよりも低い。そのため、図4(B)に示すように、第1インバータ28の出力信号INV_hvt_outはハイレベル(High)=1.2Vとなり、第2インバータ30から出力される検出信号INV_outはローレベル(Low)=0Vとなる。その結果、オフ回路のNMOSN6、N7、N8はいずれもオフ状態となる。   The voltage Vcom = 0.6V of the common mode voltage detection signal is lower than the threshold voltage Vth = 0.7V of the first inverter 28 of the third protection circuit 16. Therefore, as shown in FIG. 4B, the output signal INV_hvt_out of the first inverter 28 becomes high level (High) = 1.2 V, and the detection signal INV_out output from the second inverter 30 is low level (Low) = 0V. As a result, the NMOSs N6, N7, and N8 in the off circuit are all turned off.

このように、通常動作時には、第1保護回路12、第2保護回路14および第3保護回路16はいずれもオフ状態であり、ESD保護回路は、差動出力バッファ10の通常動作に何ら影響を与えない。   Thus, during normal operation, all of the first protection circuit 12, the second protection circuit 14, and the third protection circuit 16 are in an off state, and the ESD protection circuit has no influence on the normal operation of the differential output buffer 10. Don't give.

通常動作時には、第1バイアス信号の電圧Pbiasに応じて、電源電圧VDD=1.2Vよりも低い電圧が、電源ノードから負荷抵抗のPMOSP1、P2を介して、第1内部ノードおよび第2内部ノードに出力される。   During normal operation, a voltage lower than the power supply voltage VDD = 1.2V is supplied from the power supply node via the load resistors PMOSP1 and P2 in accordance with the voltage Pbias of the first bias signal. Is output.

また、オペアンプOPにより、基準電圧信号の基準電圧VREFと、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomとが等しくなるように、差動出力バッファ10に流れる電流を制御する第2バイアス信号が生成される。つまり、差動出力バッファ10には、第2バイアス信号の電圧Nbiasに対応する電流が電流源のNMOSN1を介して流れ、その結果、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomは、基準電圧信号の基準電圧VREFに等しい電圧に制御される。   Further, the operational amplifier OP generates a second bias signal for controlling the current flowing through the differential output buffer 10 so that the reference voltage VREF of the reference voltage signal is equal to the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal. That is, a current corresponding to the voltage Nbias of the second bias signal flows through the differential output buffer 10 via the NMOS N1 as the current source. As a result, the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal is equal to the reference voltage of the reference voltage signal. Controlled to a voltage equal to VREF.

差動入力信号INNがハイレベル、つまり、差動入力信号INPがローレベルの場合、第1差動スイッチのNMOSN2がオン状態、第2差動スイッチのNMOSN3がオフ状態となる。この場合、電源ノードから、PMOSP1、P2、抵抗素子R1、R2、NMOSN2、N1を介してグランドノードに電流が流れる。その結果、差動出力信号OUTPはローレベル、差動出力信号OUTNはハイレベルとなる。   When the differential input signal INN is at a high level, that is, when the differential input signal INP is at a low level, the NMOS N2 of the first differential switch is turned on and the NMOS N3 of the second differential switch is turned off. In this case, a current flows from the power supply node to the ground node via the PMOSs P1 and P2, the resistance elements R1 and R2, and the NMOSs N2 and N1. As a result, the differential output signal OUTP is at a low level and the differential output signal OUTN is at a high level.

差動入力信号INPがハイレベル、つまり、差動入力信号INNがローレベルの場合の動作も同様である。   The operation is the same when the differential input signal INP is at high level, that is, when the differential input signal INN is at low level.

続いて、図5、図6(A)、(B)、(C)および(D)を参照して、差動出力バッファ10およびESD保護回路のESDイベント発生時の動作を説明する。
ESDイベント発生時に、図6(A)に示すように、外部グランド端子を基準として、差動出力信号OUTPにESDによる過電流が時刻1nsで印加された場合、ESD電流が第1保護回路12および第2保護回路14を流れ、電圧降下が発生することで、図6(B)に示すように、時刻10nsにおいて、差動出力信号OUTPの外部出力端子と外部グランド端子との間の電圧Vclamp=6.9Vになるものとする。
Next, operations of the differential output buffer 10 and the ESD protection circuit when an ESD event occurs will be described with reference to FIGS. 5 and 6A, 6B, 6C, and 6D.
When an ESD event occurs, as shown in FIG. 6A, when an overcurrent due to ESD is applied to the differential output signal OUTP at time 1 ns with reference to the external ground terminal, the ESD current is As a voltage drop occurs through the second protection circuit 14, the voltage Vclamp = between the external output terminal and the external ground terminal of the differential output signal OUTP at time 10ns as shown in FIG. 6B. It shall be 6.9V.

この場合、第1保護回路12のダイオードD1がオン状態となり、ESD電流が第1保護回路12を流れることによって、電源ノードに生じる過電圧は、図6(B)に示すように、第1ダイオードD1により降下されて、例えば、電源ノードの電圧VDD=4.8Vとなる。   In this case, the diode D1 of the first protection circuit 12 is turned on, and the overcurrent generated in the power supply node due to the ESD current flowing through the first protection circuit 12 causes the first diode D1 as shown in FIG. For example, the voltage VDD of the power supply node becomes 4.8V.

電源ノードの電圧VDDが4.8Vになるとき、その立ち上がりが急峻なため、第2保護回路14のクランプ回路20のNMOSN10がオン状態となる。その結果、ESD電流は、差動出力信号OUTPの外部出力端子から、第1ダイオードD1、電源ノード、第2保護回路14、グランドノードを介して、外部グランド端子に逃がされる。これにより、電源ノードの電圧VDDがクランプされ、通常動作時の電源電圧VDDで動作する半導体集積回路の内部回路が保護される。   When the voltage VDD of the power supply node becomes 4.8 V, the rise is steep, so that the NMOS N10 of the clamp circuit 20 of the second protection circuit 14 is turned on. As a result, the ESD current is released from the external output terminal of the differential output signal OUTP to the external ground terminal via the first diode D1, the power supply node, the second protection circuit 14, and the ground node. As a result, the voltage VDD of the power supply node is clamped, and the internal circuit of the semiconductor integrated circuit operating at the power supply voltage VDD during normal operation is protected.

このように、ESDイベント発生時には、第1保護回路12および第2保護回路14がオン状態となり、通常動作時の電源電圧VDDで動作する半導体集積回路の内部回路が保護される。   Thus, when an ESD event occurs, the first protection circuit 12 and the second protection circuit 14 are turned on, and the internal circuit of the semiconductor integrated circuit that operates at the power supply voltage VDD during normal operation is protected.

また、差動出力信号OUTPの外部出力端子に、ESDによる過電圧が発生した場合に、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomが最小値となるのは、NMOSN3、N1がともに強くオン状態であり、差動出力信号OUTNがローレベル(=0V)の場合である。このとき、差動出力信号OUTPの外部出力端子と外部電源端子との間の電圧をVdio、外部電源端子と外部グランド端子との間の電圧をVpcとすると、Vcom≒(Vclamp+0V)/2=(Vdio+Vpc)/2となる。   In addition, when an overvoltage due to ESD occurs at the external output terminal of the differential output signal OUTP, the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal becomes the minimum value because both the NMOS N3 and N1 are strongly on. This is a case where the dynamic output signal OUTN is at a low level (= 0V). At this time, if the voltage between the external output terminal and the external power supply terminal of the differential output signal OUTP is Vdio, and the voltage between the external power supply terminal and the external ground terminal is Vpc, Vcom≈ (Vclamp + 0V) / 2 = ( Vdio + Vpc) / 2.

よって、第1保護回路12の第1ダイオードD1による電圧降下により、Vdio/2をMOSトランジスタの耐圧を超えない範囲で大きく調整しておけば、過電圧の印加時に必ず、Vcom≧Vpc/2とできる。本実施形態の場合、ESDによる過電圧の印加時に、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomは、図6(B)に示すように、最低でも、Vcom=(Vclamp+0V)/2=(6.9V+0V)/2≧3.8Vの値をとる。   Therefore, if Vdio / 2 is largely adjusted within a range that does not exceed the breakdown voltage of the MOS transistor due to a voltage drop due to the first diode D1 of the first protection circuit 12, Vcom ≧ Vpc / 2 can always be established when an overvoltage is applied. . In the present embodiment, when an overvoltage is applied by ESD, the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal is at least Vcom = (Vclamp + 0V) / 2 = (6.9V + 0V) /, as shown in FIG. It takes a value of 2 ≧ 3.8V.

ESDイベント発生時の電源ノードの電圧VDDが4.8Vの場合、第3保護回路16の第1インバータ28の閾値電圧Vthは、図6(B)に示すように、4.8V*0.7V/1.2V=2.83V程度である。   When the voltage VDD of the power supply node when the ESD event occurs is 4.8V, the threshold voltage Vth of the first inverter 28 of the third protection circuit 16 is 4.8V * 0.7V as shown in FIG. /1.2V=2.83V or so.

従って、Vcom≧3.8Vが第1インバータ28に入力された場合、図6(C)に示すように、Vcom=Vth=2.83Vを超えると、第1インバータ28の出力信号INV_hvt_outはローレベル、第2インバータ30から出力される検出信号INV_outはハイレベルとなる。その結果、オフ回路のNMOSN6、N7、N8はオン状態となり、NMOSN1、N2、N3は、図6(D)に示すように、第2バイアス信号の電圧Nbiasおよび差動入力信号INN、INPの電圧がグランド電圧VSSにプルダウンされてローレベルとなるため、強制的にオフ状態となる。   Therefore, when Vcom ≧ 3.8V is input to the first inverter 28, as shown in FIG. 6C, when Vcom = Vth = 2.83V, the output signal INV_hvt_out of the first inverter 28 is low level. The detection signal INV_out output from the second inverter 30 is at a high level. As a result, the NMOSs N6, N7, and N8 in the off circuit are turned on, and the NMOSs N1, N2, and N3 are, as shown in FIG. 6D, the voltage Nbias of the second bias signal and the voltages of the differential input signals INN and INP. Is pulled down to the ground voltage VSS and becomes a low level, so that it is forcibly turned off.

これにより、表1に示すとおり、NMOSN2、N1のESD耐圧は9.6Vまで改善されるため、電圧Vclamp=6.9Vの場合、ESDによる過電圧の印加に対して、NMOSN1、N2,N3を保護することができる。   As a result, as shown in Table 1, the ESD withstand voltage of the NMOSs N2 and N1 is improved to 9.6V. Therefore, when the voltage Vclamp = 6.9V, the NMOSs N1, N2, and N3 are protected against the overvoltage applied by the ESD. can do.

ここで、ESDイベント発生時に、ESDによる過電圧が印加されてからNMOSN1、N2、N3がオフ状態になるまで時間Toffについて見積もる。
第1インバータ28および第2インバータ30の遅延時間は小さいため、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomが上昇するのに要する時間が支配的となる。コモンモード電圧検出信号の電圧VcomのRC時定数を考えれば、時間Toffは、Toff≒(抵抗素子R1、R2の抵抗値)×(コモンモード電圧検出信号に見える容量成分の容量値)程度と見積もられる。
Here, when the ESD event occurs, the time Toff is estimated from when the overvoltage due to ESD is applied until the NMOSs N1, N2, and N3 are turned off.
Since the delay time of the first inverter 28 and the second inverter 30 is small, the time required for the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal to rise is dominant. Considering the RC time constant of the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal, the time Toff is estimated to be about Toff≈ (resistance value of the resistance elements R1 and R2) × (capacitance value of the capacitive component that appears in the common mode voltage detection signal). It is.

本実施形態では、抵抗素子R1、R2の抵抗値を30kΩ、コモンモード電圧検出信号に見える容量成分の容量値を30pFと仮定すれば、Toff=30kΩ×50pF=900ps程度と見積もられ、想定しているESDによる過電圧印加の立ち上がり時間より十分速く第1インバータ28のゲートをコントロールできる。
また、抵抗素子R1、R2の抵抗値やコモンモード電圧検出信号に見える容量成分の容量値を調整すれば、さらに、時間Toffを小さくすることが可能である。
In this embodiment, assuming that the resistance values of the resistance elements R1 and R2 are 30 kΩ and the capacitance value of the capacitive component that appears in the common mode voltage detection signal is 30 pF, it is estimated that Toff = 30 kΩ × 50 pF = 900 ps. The gate of the first inverter 28 can be controlled sufficiently faster than the rise time of the overvoltage application due to the ESD.
Further, the time Toff can be further reduced by adjusting the resistance values of the resistance elements R1 and R2 and the capacitance value of the capacitance component that appears in the common mode voltage detection signal.

本実施形態のESD保護回路は、ESDによる過電圧の印加を検出するために、コモンモード電圧検出信号の電圧Vcomを活用する。差動出力バッファは、コモンモード電圧検出回路をもともと備えている場合が多い。よって、このコモンモード電圧検出回路を、ESDによる過電圧の印加の検出にも活用することによって、レイアウト面積および出力ノードの寄生容量を増大させることなく、ESDによる過電圧の印加の検出を行うことができる。   The ESD protection circuit of the present embodiment uses the voltage Vcom of the common mode voltage detection signal in order to detect application of an overvoltage due to ESD. In many cases, the differential output buffer originally includes a common mode voltage detection circuit. Therefore, by utilizing this common mode voltage detection circuit for detection of overvoltage application by ESD, it is possible to detect application of overvoltage by ESD without increasing the layout area and the parasitic capacitance of the output node. .

そして、このESDによる過電圧の印加の検出結果を活用して、ESDイベント発生時の差動出力バッファ10の被保護素子であるNMOSN1、N2、N3をオフ状態にすることにより、そのESD耐圧を向上させることができる。また、本実施形態のESD保護回路は、ESDによる過電圧の印加の検出に、異電源系でドライブされるレベルシフト回路の存在を前提としていないため、単一電源系の差動出力バッファにも適用可能である。   Then, by utilizing the detection result of the overvoltage applied by the ESD, the ESD withstand voltage is improved by turning off the NMOS N1, N2, and N3 which are the protected elements of the differential output buffer 10 when the ESD event occurs. Can be made. In addition, the ESD protection circuit of the present embodiment does not assume the presence of a level shift circuit driven by a different power supply system in detecting the application of overvoltage by ESD, and therefore can be applied to a differential output buffer of a single power supply system. Is possible.

なお、本実施形態のESD保護回路は、外部グランド端子を基準として、差動出力信号OUTNの外部出力端子に、ESDイベント発生時の過電圧が印加される場合も同様に動作する。
また、差動出力バッファは、図1に示すものに限定されず、負荷抵抗、差動スイッチおよび電流源によって構成される各種構成のものがいずれも利用可能である。
第3保護回路の過電圧検出回路およびオフ回路も図1のものに限定されず、同様の機能を果たす各種構成の回路によって構成することができる。
Note that the ESD protection circuit of this embodiment operates in the same manner when an overvoltage at the time of occurrence of an ESD event is applied to the external output terminal of the differential output signal OUTN with the external ground terminal as a reference.
Further, the differential output buffer is not limited to the one shown in FIG. 1, and any of various configurations including a load resistor, a differential switch, and a current source can be used.
The overvoltage detection circuit and the off-circuit of the third protection circuit are not limited to those shown in FIG. 1, and can be configured by circuits having various configurations that perform the same function.

本発明は、基本的に以上のようなものである。
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
The present invention is basically as described above.
Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention.

10 差動出力バッファ
12 第1保護回路
14 第2保護回路
16 第3保護回路
18、26 過電圧検出回路
20 クランプ回路
22 RC時定数回路
24 インバータ
28 第1インバータ
30 第2インバータ
P1、P2、P4、P5、P9 PMOS
N1、N2、N3、N4、N5、N6、N7、N8、N9、N10 NMOS
R1、R2、R 抵抗素子
OP オペアンプ
D1、D2、D3、D4 ダイオード
C 容量素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Differential output buffer 12 1st protection circuit 14 2nd protection circuit 16 3rd protection circuit 18, 26 Overvoltage detection circuit 20 Clamp circuit 22 RC time constant circuit 24 Inverter 28 1st inverter 30 2nd inverter P1, P2, P4, P5, P9 PMOS
N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7, N8, N9, N10 NMOS
R1, R2, R Resistance element OP Operational amplifier D1, D2, D3, D4 Diode C Capacitance element

Claims (7)

ESDイベント発生時の過電圧により差動出力バッファが破壊されるのを保護するESD保護回路であって、
前記差動出力バッファの差動出力信号のコモンモード電圧を検出してコモンモード電圧検出信号を出力するコモンモード電圧検出回路と、
前記コモンモード電圧検出信号の電圧が、通常動作時のコモンモード電圧なのか、前記通常動作時のコモンモード電圧よりも高い、前記ESDイベント発生時の過電圧なのかを検出して検出信号を生成する過電圧検出回路と、
前記コモンモード電圧検出信号の電圧が前記過電圧であることを、前記検出信号が表す場合に、前記ESDイベント発生時の差動出力バッファの被保護素子をオフ状態にするオフ回路とを備えることを特徴とするESD保護回路。
An ESD protection circuit for protecting a differential output buffer from being destroyed by an overvoltage at the time of occurrence of an ESD event,
A common mode voltage detection circuit that detects a common mode voltage of a differential output signal of the differential output buffer and outputs a common mode voltage detection signal; and
A detection signal is generated by detecting whether the voltage of the common mode voltage detection signal is a common mode voltage during normal operation or an overvoltage when the ESD event is higher than the common mode voltage during normal operation. An overvoltage detection circuit;
An off circuit that turns off the protected element of the differential output buffer when the ESD event occurs when the common signal detection signal indicates that the voltage of the common mode voltage detection signal is the overvoltage. A featured ESD protection circuit.
前記差動出力バッファは、
差動入力信号に応じて、一方がオン状態、他方がオフ状態となる第1差動スイッチおよび第2差動スイッチと、
電源ノードと前記第1差動スイッチおよび第2差動スイッチとの間に接続され、第1バイアス信号の電圧に応じて、抵抗値が変化することで、前記電源ノードに供給される電源電圧よりも低い電圧を前記差動出力バッファに供給する負荷抵抗と、
前記第1差動スイッチおよび第2差動スイッチとグランドノードとの間に接続され、第2バイアス信号の電圧に対応する一定の電流を前記差動出力バッファに流す電流源とを備え、
前記差動出力信号は、前記負荷抵抗と前記第1差動スイッチとの間の第1内部ノード、および、前記負荷抵抗と前記第2差動スイッチとの間の第2内部ノードから出力されるものである請求項1に記載のESD保護回路。
The differential output buffer is
A first differential switch and a second differential switch, one of which is turned on and the other is turned off in response to a differential input signal;
The power supply node is connected between the first differential switch and the second differential switch, and the resistance value changes according to the voltage of the first bias signal, so that the power supply voltage supplied to the power supply node A load resistor for supplying a lower voltage to the differential output buffer;
A current source connected between the first differential switch and the second differential switch and a ground node, and flowing a constant current corresponding to the voltage of a second bias signal to the differential output buffer;
The differential output signal is output from a first internal node between the load resistor and the first differential switch and a second internal node between the load resistor and the second differential switch. The ESD protection circuit according to claim 1, wherein
前記コモンモード電圧検出回路は、
前記第1内部ノードと前記第2内部ノードとの間に直列に接続され、同じ抵抗値を持つ第1抵抗素子および第2抵抗素子と、
基準電圧信号の基準電圧と、前記第1抵抗素子と前記第2抵抗素子との間の第3内部ノードから出力される前記コモンモード電圧検出信号の電圧とが等しくなるように、前記電流源に流れる電流を制御する第2バイアス信号の電圧を調整するオペアンプとを備える請求項2に記載のESD保護回路。
The common mode voltage detection circuit includes:
A first resistance element and a second resistance element connected in series between the first internal node and the second internal node and having the same resistance value;
In the current source, a reference voltage of a reference voltage signal is equal to a voltage of the common mode voltage detection signal output from a third internal node between the first resistance element and the second resistance element. The ESD protection circuit according to claim 2, further comprising an operational amplifier that adjusts a voltage of a second bias signal that controls a flowing current.
前記過電圧検出回路は、前記ESDイベント発生時に、前記コモンモード電圧検出信号の電圧が前記過電圧となった場合であっても破壊されない厚さのゲート酸化膜を有する第1MOSトランジスタで構成され、前記第1MOSトランジスタで構成される第1インバータの閾値電圧は、前記通常動作時の電圧よりも高い電圧に設定されている請求項3に記載のESD保護回路。   The overvoltage detection circuit includes a first MOS transistor having a gate oxide film having a thickness that is not destroyed even when the voltage of the common mode voltage detection signal becomes the overvoltage when the ESD event occurs. 4. The ESD protection circuit according to claim 3, wherein a threshold voltage of the first inverter configured by 1 MOS transistor is set to a voltage higher than the voltage during the normal operation. 前記過電圧検出回路は、前記第1MOSトランジスタで構成され、前記コモンモード電圧検出信号を反転して出力する前記第1インバータと、
前記第1インバータの出力信号を反転して前記検出信号として出力する第2インバータとを備える請求項4に記載のESD保護回路。
The overvoltage detection circuit is composed of the first MOS transistor, the first inverter that inverts and outputs the common mode voltage detection signal,
The ESD protection circuit according to claim 4, further comprising: a second inverter that inverts an output signal of the first inverter and outputs the inverted signal as the detection signal.
前記被保護素子は、第2MOSトランジスタで構成された前記第1差動スイッチ、前記第2差動スイッチおよび前記電流源であり、
前記オフ回路は、前記コモンモード電圧検出信号の電圧が前記過電圧であることを、前記検出信号が表す場合に、前記第2MOSトランジスタのゲートの電圧を制御して前記第2MOSトランジスタをオフ状態にするものである請求項4または5に記載のESD保護回路。
The protected element is the first differential switch, the second differential switch, and the current source configured by a second MOS transistor,
The off circuit controls the gate voltage of the second MOS transistor to turn off the second MOS transistor when the detection signal indicates that the voltage of the common mode voltage detection signal is the overvoltage. The ESD protection circuit according to claim 4 or 5, wherein the ESD protection circuit is one.
前記第2MOSトランジスタは、N型MOSトランジスタであり、
前記オフ回路は、前記コモンモード電圧検出信号の電圧が前記過電圧であることを、前記検出信号が表す場合に、前記N型MOSトランジスタのゲートの電圧をグランド電圧にプルダウンして前記N型MOSトランジスタをオフ状態にするものである請求項6に記載のESD保護回路。
The second MOS transistor is an N-type MOS transistor,
The off-circuit pulls down the voltage of the gate of the N-type MOS transistor to the ground voltage when the detection signal indicates that the voltage of the common-mode voltage detection signal is the overvoltage, and the N-type MOS transistor 7. The ESD protection circuit according to claim 6, wherein the ESD protection circuit is turned off.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11330947A (en) * 1998-02-19 1999-11-30 Lucent Technol Inc Method and device for controlling common mode output voltage of differential buffer
JP2007067095A (en) * 2005-08-30 2007-03-15 Toshiba Corp Electrostatic protective circuit
JP2010283499A (en) * 2009-06-03 2010-12-16 Renesas Electronics Corp Driver circuit
JP2014064272A (en) * 2012-09-03 2014-04-10 Mega Chips Corp Output buffer circuit
JP2014155222A (en) * 2013-02-05 2014-08-25 Freescale Semiconductor Inc Electrostatic discharge circuit

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11330947A (en) * 1998-02-19 1999-11-30 Lucent Technol Inc Method and device for controlling common mode output voltage of differential buffer
JP2007067095A (en) * 2005-08-30 2007-03-15 Toshiba Corp Electrostatic protective circuit
JP2010283499A (en) * 2009-06-03 2010-12-16 Renesas Electronics Corp Driver circuit
JP2014064272A (en) * 2012-09-03 2014-04-10 Mega Chips Corp Output buffer circuit
JP2014155222A (en) * 2013-02-05 2014-08-25 Freescale Semiconductor Inc Electrostatic discharge circuit

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