TWI591795B - 靜電放電保護電路 - Google Patents

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Description

靜電放電保護電路
本發明係關於一種靜電放電保護電路。
由於電子電路元件的輸出/輸入端難以避免會受到不可預期的靜電放電(ElectroStatic Discharge，簡稱ESD)襲擊，其常為快速、暫態、高電壓的能量，而造成電路的損壞，因此ESD保護對於電子電路元件的設計相當重要。為解決此類問題，各式的ESD防護電路被施加於電子電路元件，以提供ESD電流可以旁通(bypass)的消散路徑，避免電子電路元件本身免於遭受傷害，常見的相關測試有靜電放電測試、系統層級靜電槍(ESD gun)測試、電氣快速暫態脈衝(Electrical fast transient)測試及雷擊(Surge)測試。
然而，習知技術的ESD保護電路對於靜電放電能量消散路徑仍未臻理想，且可整合於差動對(Differential-pair)電路晶片的ESD保護電路亦為未來趨勢。
為達成前述目的，本發明一實施例提出一種靜電放電防護電路，耦接一差動對電路的一第一節點及一第二節點，該靜電放電防護電路包括：一靜電放電感測單元，耦接該第一節點及該第二節點，感測該第一節點及該第二節點的電性變化以產生一第一觸發信號；以及一第一放電單元，耦接該靜電放電感測單元，根據該第一觸發信號導通一第一放電路徑。
在一實施例中，該靜電放電感測單元更包含：一共模電壓單元，根據該第一節點及該第二節點的電性變化產生一共模電壓；以及一比較器，比較該共模電壓與一參考電壓，藉以產生該第一觸發信號。
在一實施例中，該共模電壓單元是由二個電阻串聯組成的電壓分壓器。
在一實施例中，該第一放電單元耦接該第一節點及該第二節點，當該第一放電單元根據該第一觸發信號導通該第一放電路徑時，該第一節點與該第二節點短路。
在一實施例中，該靜電放電防護電路更包括：一第二放電單元，耦接該第一節點及一接地端，該靜電放電感測單元感測該第一節點及該第二節點的電性變化以產生一第二觸發信號，當該第二放電單元接收到該第二觸發信號時，導通一第二放電路徑使該第一節點接地；其中，該第一放電單元耦接該第二節點及該接地端，根據該第一觸發信號導通該第一放電路徑使該第二節點接地。
在一實施例中，該靜電放電防護電路更包括：一第三放電單元，耦接該第一節點及該第二節點，該靜電放電感測單元感測該第一節點及該第二節點的電性變化以產生一第三觸發信號，當該第三放電單元接收到該第三觸發信號時，該第三放電單元導通一第三放電路徑使該第一節點與該第二節點短路。
在一實施例中，該靜電放電感測單元還包含一第二比較器，比較該共模電壓與一第二參考電壓，藉以產生一第二觸發信號。
在一實施例中，該第一放電單元係選自金氧半場效電晶體、雙極性接面電晶體或矽控整流器所組成的群體。
在一實施例中，該第一觸發信號、第二觸發信號及該第三觸發信號為同一信號。
在一實施例中，該第一觸發信號、第二觸發信號及該第三觸發信號為不同信號。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明本發明的實施例如後。在所有的說明書及圖示中，將採用相同的元件編號以指定相同或類似的元件。
第1圖為本發明提出之ESD防護電路一實施例的示意圖。ESD防護電路100耦接第一節點11及第二節點12，第一節點11與第二節點12為差動訊號的輸入端，一般會連接到晶片的焊墊(Pad)；該第一節點11與第二節點12的信號通常為互補(Complementary)，或稱為差模信號(Differential signal)，差動對電路10對經由第一節點11與第二節點12輸入的差模信號進行信號處理，再提供給負載電路(圖中未示)。
如第1圖所示，ESD防護電路100包含ESD感測單元120、放電單元141、放電單元142及放電單元143，在其他實施例中，放電單元的數量及配置並不以此為限，亦可以只具有一個或二個放電單元。ESD感測單元120具有二個輸入端，分別連接第一節點11與第二節點12，耦接並感測發生於該第一節點11及該第二節點12的電性變化，上述的電性變化可以是電壓量、電流量、或電荷量的變化。當劇烈的電性變化出現在第一節點11及/或第二節點12上時，ESD感測單元120產生觸發信號121、122及123，用以致動放電單元141、放電單元142及放電單元143，使得靜電放電能量能有合適的路徑得以迅速消散。
在本實施例中，放電單元141耦接第一節點11及節點12，從ESD感測單元120接收觸發信號121；放電單元142耦接第一節點11及接地電位，並從ESD感測單元120接收觸發信號122；放電單元143耦接第二節點12及接地電位，並從ESD感測單元120接收觸發信號123。
第2圖為第1圖之實施例的電路圖，在本實施例中，放電單元141、142、143由電晶體構成，其閘極耦接ESD感測單元120，當第一節點11及/或第二節點12上的電性變化使得ESD感測單元120產生觸發信號時，放電單元141、放電單元142、放電單元143皆導通，產生三條放電路徑，放電單元141所建立的放電路徑是使第一節點11及第二節點12短路；放電單元142所建立的放電路徑是使第一節點11接地；放電單元143所建立的放電路徑是使第二節點12接地；藉此，靜電放電能量可經由三條放電路徑快速消散。
在本實施例中，ESD感測單元120是以共模電壓單元125以及比較器126來實現，且共模電壓單元125是由電阻R 1及R 2串聯所形成的電壓分壓器(Voltage divider)來實現。在一較佳實施例，電阻R 1及R 2具有相同的電阻值，共模電壓V com為第一節點11與第二節點12之間的平均電壓；在其他實施例中，電阻R 1及R 2可以有不同的電阻值，端視實際電路的需求而定。當共模電壓V com大於參考電壓V ref時，比較器126產生觸發信號。在本實施例中，提供給放電單元141、放電單元142及放電單元143的觸發信號是相同的，在其他實施例中，亦可將ESD感測單元120設計成具有多個比較器，以根據不同的門檻值分別產生觸發信號，使放電單元141、放電單元142、放電單元143分別根據不同觸發信號導通各自的放電路徑；其中，放電單元可以金氧半場效電晶體(MOSFET)、雙極性接面電晶體(BJT)或矽控整流器(SCR)或其他可快速導通的電子元件實現。
當差動對電路10的電源電壓V DD為3.3伏特時，可將參考電壓V ref設定為1.65伏特(即，V DD/2)。比較器126比較共模電壓V com與參考電壓V ref；當共模電壓V com大於參考電壓V ref時，表示有靜電放電現象發生於該第一節點11及/或該第二節點12，此時比較器126發出觸發信號。在本實施例中，比較器126係為一運算放大器。
第3圖為ESD感測單元另一實施例的電路圖，ESD感測單元220包括比較器126a及126b，分別耦接不同的參考電壓V ref1及V ref2，在此架構下，當共模電壓V com超出由參考電壓V ref1及V ref2建立的電壓範圍 時，ESD感測單元220發出觸發信號。在一實施例中，參考電壓V ref1可為1.15伏特(即，V DD/2-0.5V)，參考電壓V ref2則為2.15伏特(即，V DD/2+0.5V)。
第4圖為根據本發明之ESD防護電路另一實施例的電路圖。當差動模式(Differential-mode)的靜電放電現象發生於第一節點21時，共模電壓單元225所提供的共模電壓V com會大於參考電壓V ref，比較器226產生觸發信號221，使得放電單元241中的場效電晶體導通，建立放電路徑使第一節點21及第二節點22短路，靜電放電能量造成之暫態電流的放電路徑如圖中的破折線所示。
第5圖為根據本發明之ESD防護電路又一實施例的電路圖，在本實施例中，放電單元34及放電單元36皆以電晶體實現，放電單元34的源極和汲極分別耦接第一節點31和接地端，放電單元36的源極和汲極分別耦接第二節點32和接地端，當共同模式(Common-mode)的靜電放電現象發生於第一節點31及第二節點32時，共模電壓V com大於參考電壓V ref，放電單元34及放電單元36的閘極接收到觸發信號，使得其汲極與源極之間導通，建立如圖中破折線所示之兩條放電路徑，使得第一節點31和第二節點32接地。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
10、20‧‧‧差動對電路
11、21、31‧‧‧第一節點
12、22、32‧‧‧第二節點
100‧‧‧ESD防護電路
120、220‧‧‧ESD感測單元
121、122、123、221‧‧‧觸發信號
125、225‧‧‧共模電壓單元
126、126a、126b、226‧‧‧比較器
141、142、143、241、34、36‧‧‧放電單元
第1圖為本發明提出之ESD防護電路一實施例的示意圖； 第2圖為第1圖之實施例的電路圖，其中的放電單元由電晶體構成； 第3圖為ESD感測單元另一實施例的電路圖； 第4圖為根據本發明之ESD防護電路另一實施例的電路圖；以及 第5圖為根據本發明之ESD防護電路又一實施例的電路圖。
10‧‧‧差動對電路
11‧‧‧第一節點
12‧‧‧第二節點
100‧‧‧ESD防護電路
120‧‧‧ESD感測單元
121、122、123‧‧‧觸發信號
141、142、143‧‧‧放電單元

Claims (10)

  1. 一種靜電放電防護電路，耦接一差動對電路的一第一節點及一第二節點，該靜電放電防護電路包括：一靜電放電感測單元，耦接該第一節點及該第二節點，感測該第一節點及該第二節點的電性變化以產生一第一觸發信號，該靜電放電感測單元包含：一共模電壓單元，根據該第一節點及該第二節點的電性變化產生一共模電壓；以及一比較器，比較該共模電壓與一參考電壓，藉以產生該第一觸發信號；以及一第一放電單元，耦接該靜電放電感測單元，根據該第一觸發信號導通一第一放電路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中，該第一節點與該第二節點為一差動訊號的二輸入端。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中，該共模電壓單元是由二個電阻串聯組成的電壓分壓器。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中，該第一放電單元耦接該第一節點及該第二節點，當該第一放電單元根據該第一觸發信號導通該第一放電路徑時，該第一節點與該第二節點短路。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，更包括：一第二放電單元，耦接該第一節點及一接地端，該靜電放電感測單元感測該第一節點及該第二節點的電性變化以產生一 第二觸發信號，當該第二放電單元接收到該第二觸發信號時，導通一第二放電路徑使該第一節點接地；其中，該第一放電單元耦接該第二節點及該接地端，根據該第一觸發信號導通該第一放電路徑使該第二節點接地。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之靜電放電防護電路，更包括：一第三放電單元，耦接該第一節點及該第二節點，該靜電放電感測單元感測該第一節點及該第二節點的電性變化以產生一第三觸發信號，當該第三放電單元接收到該第三觸發信號時，該第三放電單元導通一第三放電路徑使該第一節點與該第二節點短路。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中，該靜電放電感測單元還包含一第二比較器，比較該共模電壓與一第二參考電壓，藉以產生一第二觸發信號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中，該第一放電單元係選自金氧半場效電晶體、雙極性接面電晶體或矽控整流器所組成的群體。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之靜電放電防護電路，其中，該第一觸發信號、該第二觸發信號及該第三觸發信號為同一信號。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之靜電放電防護電路，其中，該第一觸發信號、該第二觸發信號及該第三觸發信號為不同信號。
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