JP6591288B2 - クラスdパワー増幅器に関する静電気放電の保護 - Google Patents

クラスdパワー増幅器に関する静電気放電の保護 Download PDF

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Description

[0001]本出願は、一般的に電力増幅器の設計及び動作、具体的には、電力増幅器集積回路に関する静電放電保護の設計及び動作に関する。
[0002]クラスD電力増幅器(PA)集積回路(IC)は、オフチップオーディオスピーカーを駆動するためのデバイス中で使用され得る。典型的には、そのようなデバイスは、国際電気標準会議(IEC)によって開発された基準のような、業界基準に従った静電放電(ESD)保護を提供する必要がある。「IEC61000−4−2」と呼ばれる、1つの基準は、8KVの接触(contact)及び15KVの空中放電のシステムレベル保護を要求する。この基準は、IEC ESDのイベント中の20アンペア近いピーク電流を減衰させる能力を有するためのシステムを要求する。対照的に、「人体モデル」(HBM)と呼ばれる、それほど厳密ではない基準は、1.3アンペアのピーク電流に変換するたった2KVの保護を要求する。HBMは、IEC61000−4−2がシステムレベルESD試験に関する基準である一方、コンポーネントレベルESD試験に関する基準である。
[0003]実際のアプリケーション中で使用されるクラスDPAは、HBM及びIEC基準の両者を満たす必要がある。一履行において、クラスDPAICは、オーディオ信号を出力するために使用される2つのインタフェースピン、及び電圧検知信号を受信するために使用される2つのインタフェースピン、を供給し得る。従って、クラスDPAICは、HBM及びIECの両者の放電イベントに関するESD保護を要求する4つまたは複数のピンを有し得る。
[0004]典型的には、外部の過渡電圧サプレッサ(TVS)ダイオードは、集積回路に関するESD保護を供給するために使用される。しかしながら、TVSダイオードは高価で、ESD保護を要求するICインタフェースピンの数に依存する、度を越えた部品表(BOM)のコストに結びつき得る。
[0005]従って、HBMとIECの放電イベントに対するクラスDPAのインタフェースピンに関するESD保護を提供するための、単純で低価格な機構を有していることは望ましいだろう。
[0006]本明細書に説明される前述の観点は、添付図面とともに用いられた時、下記の説明を参照することにより、より容易に明確になるであろう。
[0007]図1は、オンチップESD保護を有する集積クラスD電力増幅器の一典型的な実施形態を有する装置を示す。 [0008]図2は、図1に示されるクラスD電力増幅器の一典型的な詳細図を示す。 [0009]図3は、ESD保護回路の選択された部分の詳細な一典型的な実施形態を示す。 [0010]図4は、MOS伝導モード中で動作し、BigFETとして履行されるNMOSトランジスタの一典型的な図を示す。 [0011]図5は、MOS伝導モード中で動作する時、図4に示されるNMOSトランジスタの電流−電圧関係を示す一典型なグラフな図を示す。 [0012]図6は、集積ESD保護を有するクラスD電力増幅器の一典型的な実施形態を示す。
発明の詳細な説明
[0013]添付図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、本発明の典型的な実施形態の説明として意図され、本発明が実施されることができる唯一の実施形態を表すようには意図されていない。本明細書の全体に亘って用いられる「典型的(exemplary)」という用語は、「例、実例、または例示を提供する」を意味し、他の典型的な実施形態に対して、必ずしも好ましいまたは有利であるようには解釈されるべきではない。詳細な説明は、本発明の典型的な実施形態の完全な理解を提供することを目的として特定の詳細を含む。本発明の典型的な実施形態は、これらの特定の詳細なしで実現されうることが当業者に明らかになるであろう。いくつかの事例では、周知の構造およびデバイスが、本明細書に示される典型的な実施形態の新規性を曖昧にすることを避けるために、ブロック図の形式で示される。
[0014]図1は、オンチップESD保護116を備えた、集積クラスD電力増幅器102の典型的な実施形態を有するデバイスを示す。例えば、デバイス100は、携帯電話またはMP3プレーヤーのような、ポータブルオーディオデバイスであり得る。集積クラスDPA102は、オフチップスピーカ104を駆動するためのオーディオ信号を出力するためにインタフェースピン106および108を有している。センス回路110は、過負荷条件を示すセンス信号を受信し、かつデバイス100で他の実体に過負荷条件の指示を出力するために、オーディオスピーカ104に結合される。センス信号は、インタフェースピン112および114を使用して、PA102へも入力される。
[0015]オンチップESD保護回路116は、HBM及びIEC放電の両者のイベントに関連したESDからのインタフェースピン106、108、112および114を保護するために作動する。例えば、保護回路116は、8KVまでの接続イベントおよび/または15KVまでの空中放電イベントに対するESD保護を提供するために作動する。ESD保護回路116が、クラスDPA102に集積されるので、TVSダイオードのような、オフチップESD保護デバイスの必要性は、除去され、その結果コストを節約する。更に、ESD保護回路116は、再度コストを減じる最小のシリコンエリアを備えた大規模なESDのイベントを操作するように構成される。
[0016]図2は、図1に示されるクラスD電力増幅器102の典型的な詳細な図200を示す。典型的な実施形態では、PA102は、集積回路上で提供される。PA102は、また同じ回路に集積されるESD保護回路116を備える。ESD保護回路116は、スナップバック(SB)供給クランプ202及びトリガ回路204を含む。ESD保護回路116は、スピーカ信号線224を使用して、オフチップスピーカ104に結合されるインタフェースピン(あるいはパッド)206及び208にESD保護を供給するように構成される。PA102も、センス線210を使用して、センス入力を受信するインタフェースパッド212及び214にESD保護を提供するように構成される。
[0017]図2で示されるように、SB供給クランプ202は、PA102の第1及び第2供給を横切って(across)接続される。例えば、第1の供給はVDD供給で、第2の供給はVSS供給である。したがって、SB供給クランプ202は、PA102のVDDとVSSとの供給レールを横切って接続される。SB供給クランプ202は、ESDイベントを放電するために優れた電流導通能力および速いターンオン時間を提供する、あらゆる適切な供給クランプを備える。オペレーション中に、万が一、SB供給クランプ202が、ESD放電イベントに応じて活性化すれば、SB供給クランプ202は、保持電圧(V)を維持し、PA102を保護するためのVDDとVSSとの供給レールを横切ってクランプ電圧を提供する。
[0018]トリガ回路204は、PA102のVDDとVSSとの供給レール間でも結合される。トリガ回路204は、ESD放電イベントの結果として生じるクランプ電圧を検知し、それに応じてVSS電源レールへの放電パスを提供するためのNMOS出力トランジスタ216及び218を活性化するために作動する。典型的な実施形態では、トリガ回路204は、VDD電源レールに関連したクランプ電圧をセンスすることによって、ESD放電イベントを検知する。例えば、インタフェースパッド206でのESD放電イベントに応じて、大規模な電流が、ダイオード226を通じてVDD供給レールへ、経路228に沿って流れる。ESDイベントは、保持電圧(V)を維持し、かつVDDとVSSとの供給レールを横切るクランプ電圧を提供するためのSB供給クランプ202を活性化することに帰着するだろう。トリガ回路204は、ESD放電イベントに応じて、VDD電源レール上のクランプ電圧を検知し、VSS電源レールへの抵抗器220及び222を通る放電経路を提供するための出力トランジスタ216及び218を活性化する。ESD保護回路116のオペレーションの詳細な記述は、図3を参照して下で提供される。
[0019]図3は、図2に示されるPA200の選択された部分300の詳細な典型的な実施形態を示す。明瞭さのため部分300はたった1つのNMOS出力トランジスタを含むが、しかしながら回路は、NMOS出力トランジスタを含めるために容易に拡張される。部分300は、スナップバック供給クランプ202、及びVDDとVSSとの供給レールを横切って接続されるトリガ回路204を含む。
[0020]トリガ回路204は、VDD電源レール及び抵抗器304の間で接続されたキャパシタ302を含む。抵抗器304は、キャパシタ302とVSS電源レールとの間で接続される。インバータ306は、端子310でキャパシタ302及び抵抗器304の両者に接続されるその入力を有する。インバータ306の出力は、トリガトランジスタ308のゲート端子に接続される。トリガトランジスタ308は、VDD供給レールに接続されるソース端子を有する。トリガトランジスタ308のドレイン端子は、NMOS出力トランジスタ216のゲート端子に接続される。
[0021]オペレーション中に、ESDイベント(E)がインタフェースパッド206で生じ得る。イベントEは、経路228に沿って流れる大きな流れに帰着し、またSB供給クランプ202に保持電圧(V)を維持させる、IEC放電イベントであり得る。パッド206(VPAD)で生成された電圧レベルは、ダイオード226を横切る電圧(V)、VDD電源レールに沿った電圧(VSR)、及び供給クランプ202を横切るクランプ電圧(VCLAMP)の組み合わせから決定され得る。クランプ電圧VCLAMPは、保持電圧(V)に、供給クランプ202のオン抵抗に関連された電圧を足した組み合わせである。約(20amps)の放電電流を仮定すると、約(0.05オームの)ダイオードオン抵抗、約(0.05オームの)VDD電源レール抵抗、6ボルトの保持電圧(V)、及び約(0.1オームの)供給クランプ202オン抵抗であり;パッド電圧(VPAD)は次式から概算される。
PAD=V+VSR+VCLAMP
PAD〜(0.7+(20*0.05))+(20*0.05)+(6+(0.1*20)
PAD〜10.7ボルト
[0022]ESDイベント(E)に応じて、ノード310は、クランプ電圧を提供する供給クランプ202の活性化に関連された増加電圧を経験する。ノード310での電圧は、インバータ306に、トリガトランジスタ308をターンオンするトリガ信号314を出力させる。ターンオンしたトリガトランジスタ308は、NMOS出力トランジスタ216を活性化させ、それは、約(0.1オームの)抵抗値を有する、抵抗器220を通じて、ESDイベント(E)をVSSへ放電するための導通経路312を提供する。
MOS伝導モード
[0023]典型的な実施形態では、NMOS出力トランジスタ216は、インタフェースパッド206でのパッド電圧を制限するため、かつVSSへの付加的な放電経路312を提供するためのBigFETとして履行される。BigFETは、IECとHBMとのESDイベントを放電するための十分な放電経路を提供するためのMOS伝導モードで作動する、大きなチャネル幅で形成されたNMOSトランジスタである。MOS伝導モードのより詳細な記述は、下記に提供される。
[0024]図4は、MOS伝導モードで作動するBigFETとして構成又は履行された、NMOSトランジスタ216の典型的な詳細図を示す。典型的な実施形態において、MOS導通経路602は、大きな放電経路を提供するために作動するBigFETによって提供される。
[0025]図5は、MOS伝導モードで作動する時、図6に示されるNMOSトランジスタ216の電流−電圧関係を例証する、典型的なグラフ700を示す。グラフ700は、縦軸上にパッド電流(I)、及び横軸上にトランジスタのゲート−ソース電圧(VGS)を示す。プロット線702によって例証されるように、VGS電圧がしきい値(Vt)を越えた後、その後に線形の電流−電圧関係が一般的にある。
[0026]図6は、集積ESD保護を有する、クラスD電力増幅器装置800の典型的な実施形態を示す。例えば、装置800は、図2に示されるクラスDPA102としての使用に適している。一観点において、装置800は、ここで記述されているように、機能を提供するように構成された1つまたは複数のモジュールによって履行される。例えば、ある観点では、各モジュールは、ハードウェアおよび/またはソフトウェアを実行するハードウェアを備える。
[0027]装置800は、インタフェースパッドから信号を出力する手段を含む増幅手段(802)を備える第1のモジュールを含み、それは一観点において、NMOS出力トランジスタ216及び218を備える。
[0028]装置800は、さらにESDイベント中のクランプ電圧を維持する手段(808)、及び一観点においてスナップバック供給クランプ備える、前記増幅手段の第1及び第2供給を横切って結合されるクランプ電圧を維持する手段、を備える第2モジュールをも備える。
[0029]装置800は、一観点においてトリガ回路204を備える、クランプ電圧に応じてESDイベント中に第2供給にインタフェースパッドから放電経路を提供するための出力する手段をトリガする手段を備える、第3モジュールをも備える。
[0030]当業者は、情報および信号が、様々な異なる技術および技法のうちの任意のものを使用して表され得る、または処理され得る情報および信号を理解するであろう。例えば、上記の説明を通して参照され得るデータ、命令群、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、及びチップは、電圧、電流、電磁波、磁界あるいは磁気粒子、光学界または光学粒子、あるいはそれら任意の組み合わせによって表わされうる。トランジスタタイプおよび技術は、同じ結果を達成するために置き換えられ、再配列され、またはそうでなければ修正され得ることはさらに認識される。例えば、PMOSトランジスタを利用して示される回路は、NMOSトランジスタを使用するために変更され得、その反対も同様である。従って、本明細書で開示された増幅器は、様々なトランジスタタイプおよび技術を使用して実現され得、図面で図示されるそれらのトランジスタタイプおよび技術に限定されるわけではない。例えば、BJT、GaAs、MOSFET、または任意の他のトランジスタ技術のようなトランジスタタイプが使用され得る。
[0031]当業者は、ここに開示された実施形態に関連して説明されたさまざまな例示的な論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップが、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、あるいは両方の組み合わせとしてインプリメントされ得ることをさらに理解するであろう。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に例示するために、さまざまな例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、一般的にそれらの機能の観点から、上に説明された。このような機能が、ハードウェアとしてあるいはソフトウェアとして履行されるかは、システム全体に課せられる設計制約及び特定のアプリケーションに依存する。当業者は、各特定のアプリケーションに関して様々な方法で、説明された機能性を履行し得るが、そのような履行の決定は、本発明の典型的な実施形態の範囲から逸脱を引き起こすとして解釈されるべきでない。
[0032]ここに開示された実施形態に関連して説明されたさまざまな例示的な、論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)または他のプログラマブル論理デバイス、ディスクリート・ゲートまたはトランジスタ・ロジック、ディスクリート・ハードウェア・コンポーネント、あるいはここに説明された機能を実行するように設計されたこれらの任意の組み合わせで、履行または実行されうる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであり得るが、代わりに、このプロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシン(state machine)であり得る。プロセッサは、また、例えば、DSPと、1つのマクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアに結合した1つまたは複数のマイクロプロセッサ、または任意のその他のそのような構成の組み合わせといった計算デバイスの組み合わせとしても実現され得る。
[0033]ここで開示された実施形態に関連して記述されたアルゴリズムまたは方法のステップは、ハードウェアにおいて、プロセッサによって実施されるソフトウェアモジュールにおいて、あるいはその2つの組み合わせにおいて、直接的に実現されうる。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読み出し専用メモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM(登録商標))、抵抗器(resistor)、ハードディスク、リムーバルディスク、CD−ROM、あるいは当該技術分野において周知であるその他任意の形状の記憶媒体において存在し得る。典型的な記憶媒体は、プロセッサがこの記憶媒体から情報を読み取り、またこの記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替的に、記憶媒体は、プロセッサに一体化(集積化)され得る。プロセッサ及び記憶媒体は、ASIC内に存在し得る。ASICは、ユーザ端末内に存在し得る。代替において、プロセッサ及び記憶媒体は、ユーザ端末内にディスクリートコンポーネントとして存在し得る。
[0034]1つまたは複数の典型的な実施形態では、説明された機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、あるいはこれらの任意の組み合わせで履行されうる。ソフトウェアで履行される場合、これら機能は、コンピュータ可読媒体上で、1つまたは複数の命令群またはコードとして送信または記憶されうる。コンピュータ可読媒体は、1つの場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を促進する何らかの媒体を含むコンピュータ記憶媒体及び通信媒体の両者を含む。非一時的な記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり得る。限定ではなく例として、このようなコンピュータ可読媒体は、RAM、ROM、EEPROM、CD−ROMまたは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置またはその他の磁気記憶デバイス、あるいは、データ構造または命令の形式で所望のプログラムコードを記憶または伝送するために使用可能であり、かつコンピュータによってアクセスされ得るその他任意の媒体を備え得る。また、任意の接続は、コンピュータ可読媒体と厳密には称されうる。例えば、ソフトウェアがウェブサイト、サーバ、または他の遠隔ソースから、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者回線(DSL)、あるいは赤外線、無線、およびマイクロ波のようなワイヤレス技法を使用して送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、DSL、あるいは赤外線、無線、およびマイクロ波のようなワイヤレス技法は送信媒体の定義に含まれている。ディスク(disk)およびディスク(disc)は、本明細書で使用される場合、コンパクトディスク(disc)(CD)、レーザーディスク(登録商標)(disc)、光学ディスク(disc)、デジタル多用途ディスク(disc)(DVD)、フロッピー(登録商標)ディスク(disk)およびブルーレイ(登録商標)ディスク(disc)を含み、ディスク(disk)は通常、磁気的にデータを再生するが、ディスク(disc)は、レーザーを用いて光学的にデータを再生する。上記の組み合わせもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。
[0035]開示された実例となる実施形態の説明は、いかなる当業者であっても、本発明の製造または使用を可能にするように提供される。これら典型的な実施形態への様々な修正は、当業者にとって容易に明らかであり、ここに定義された一般的な原理は、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態にも適用されうる。したがって、本発明は、ここに示された典型的な実施形態に限定されるようには意図されず、ここに開示される原理および新規な特徴と一致する最も広い範囲を与えられることとなる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[C1]
インタフェースパッドに結合される出力トランジスタを有する増幅器と、
前記増幅器の第1及び第2の供給を横切って結合され、静電気放電(ESD)イベント中に前記第1及び第2の供給を横切ってクランプ電圧を供給するよう構成されたスナップバック供給クランプと、
前記出力トランジスタに結合されるトリガ回路と、前記トリガ回路は、前記クランプ電圧を検知し、前記クランプ電圧が検知された時、前記出力トランジスタが前記インタフェースパッドから前記第2の供給に放電経路を供給できるよう、構成される、
を具備する装置。
[C2]
前記増幅器は、クラスD電力増幅器を備える、C1の装置。
[C3]
前記出力トランジスタは、BigFETとして振る舞うよう構成される、C1の装置。
[C4]
前記スナップバック供給クランプは、前記増幅器と一体化される、C1の装置。
[C5]
前記トリガ回路は、前記増幅器と一体化される、C1の装置。
[C6]
前記トリガ回路は、前記クランプ電圧の検知に応答して前記出力トランジスタをターンオンするよう構成されるトリガトランジスタを備える、C1の装置。
[C7]
前記トリガ回路は、前記第1供給と第1ノードとの間で接続されるキャパシタと、前記第2供給と前記第1ノードとの間で接続される抵抗器と、を備え、前記キャパシタ及び抵抗器は、前記クランプ電圧に応答して前記第1ノードでの電圧を供給するよう構成される、C6の装置。
[C8]
前記トリガ回路は、前記第1ノードに接続されるインバータを備え、前記第1ノードで前記電圧に応答して、前記トリガトランジスタを有効にする反転出力を供給するよう構成される、インバータを備える、C7の装置。
[C9]
前記インタフェースパッドは、オフチップスピーカに音楽信号を出力するよう構成される、C1の装置。
[C10]
前記ESDイベントは、前記インタフェースパッドで発生する、C9の装置。
[C11]
前記ESDイベントは、8KVまでのコンタクトイベント、又は15KVまでの空中放電イベントを具備する、C9の装置。
[C12]
前記第1供給は、VDD供給として構成され、前記第2供給は、VSS供給として構成される、C1の装置。
[C13]
インタフェースパッドからの信号を出力する手段を含む増幅手段と、
静電気放電(ESD)イベント中にクランプ電圧を維持する手段と、前記クランプ電圧を維持する手段は、前記増幅する手段の第1及び第2の供給を横切って結合され、
前記クランプ電圧に応答して、前記インタフェースパッドから前記第2の供給に放電経路を供給させるための前記出力手段をトリガする手段と、
を具備する装置。
[C14]
前記増幅する手段は、クラスD電力増幅手段を備える、C13の装置。
[C15]
前記維持する手段は、前記出力する手段と一体化される、C13の装置。
[C16]
前記トリガする手段は、前記出力する手段と一体化される、C13の装置。
[C17]
前記出力する手段は、BigFETとして振る舞うよう構成される、C13の装置。
[C18]
前記トリガする手段は、
前記クランプ電圧を検知する手段と、
前記クランプ電圧を検知した時、出力する手段が前記放電経路を供給できるようにする手段と
を具備するC13の装置。
[C19]
前記第1の供給は、VDD供給として構成され、前記第2の供給はVSSとして構成され、前記ESDイベントは、前記インタフェースパッドで発生する、C13の装置。
[C20]
前記ESDイベントは、8KVまでのコンタクト、または15KVまでの空中イベントを備える、C13の装置。

Claims (8)

  1. インタフェースパッドに結合された出力において増幅された信号を出力するように構成された信号を出力する手段を含む増幅する手段と、
    静電気放電(ESD)イベント中に前記増幅する手段の第1の電源及び第2の電源間のクランプ電圧を維持する手段と、前記クランプ電圧を前記維持する手段は、前記増幅する手段の前記第1の電源及び前記第2の電源間に結合され
    前記クランプ電圧に応答して、前記インタフェースパッドから前記第2の電源に放電経路を供給するための前記信号を出力する手段をトリガする手段と、
    を具備する装置。
  2. 前記増幅する手段は、クラスD電力増幅のための手段を備える、請求項1の装置。
  3. 前記維持する手段は、前記信号を出力する手段と同一の回路内に構成される、請求項1の装置。
  4. 前記トリガする手段は、前記信号を出力する手段と同一の回路内に構成される、請求項1の装置。
  5. 前記信号を出力する手段は、BigFET構成される、請求項1の装置。
  6. 前記トリガする手段は、
    前記クランプ電圧を検知する手段と、
    前記クランプ電圧を検知した時、前記信号を出力する手段が前記放電経路を供給できるようにする手段と
    を具備する請求項1の装置。
  7. 前記第1の電源は、VDD電源として構成され、前記第2の電源はVSS電源として構成され、前記ESDイベントは、前記インタフェースパッドで発生する、請求項1の装置。
  8. 前記ESDイベントは、8KVまでのコンタクトイベント、または15KVまでの空中放電イベントである、請求項1の装置。
JP2015535847A 2012-10-04 2013-10-04 クラスdパワー増幅器に関する静電気放電の保護 Active JP6591288B2 (ja)

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