TWI695559B - 靜電放電防護電路、感測裝置及電子裝置 - Google Patents

Abstract

一種靜電放電防護電路，具有：一漏電流消除單元，具有：一第一二極體，其具有與一感測電路之一訊號輸入端耦接之一陽極，及與一共模偏置電壓耦接之一陰極，其中，該共模偏置電壓係該感測電路之一輸入共模電壓；及一第二二極體，具有耦接該訊號輸入端之一陰極，及耦接該共模偏置電壓之一陽極；以及一靜電放電洩除單元，具有：一第一單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陽極，及耦接一系統正電壓之一陰極；及一第二單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陰極，及耦接一系統地端之一陽極。

Description

靜電放電防護電路、感測裝置及電子裝置

本發明係關於靜電放電(Electrostatic discharge,ESD)防護電路，尤指一種可改善漏電流現象的靜電放電防護電路。

隨著半導體製程技術的演進，積體電路的晶片面積乃持續縮小。然而，對於面積持續微縮的積體電路晶片而言，其可靠度的問題也隨之出現，其中，靜電放電(Electrostatic discharge,ESD)為最重要的可靠度問題之一。圖1與圖2繪示兩種習知的ESD電路的架構圖。如圖1所示，一組ESD電路1’電性連接於一輸入端3’與晶片的一內部電路2’之間，且其包括兩個主要的單向導通元件(下文簡稱“ESD電子元件)，一第一二極體11’與一第二二極體12’。 該第一二極體11’的陰極耦接系統正工作電源VDD，且其陽極電性連接於該輸入端3’與該內部電路2’之間；以及該第二二極體12’的陽極耦接系統負工作電源VSS(或系統接地端GND)，且其陰極電性連接於該輸入端3’與該內部電路2’之間；其中，當一正壓ESD產生於輸入端3’時，ESD能量係通過第一二極體11’被傳送到系統正工作電壓VDD；以及，當一負壓ESD產生於輸入端3’時，ESD能量係通過第二二極體12’被傳送到系統接地端GND或系統負工作電源VSS。

如圖2所示，包括一第一金氧半場效電晶體41’與一第二金氧半場效晶體42’的一ESD電路4’電性連接於輸入端3’與晶片的內部電路2’之間。該第一金氧半場效電晶體41’為一P型MOSFET，其源極耦接系統正工作電源VDD，其汲極電性連接於該輸入端3’與該內部電路2’之間，且其閘極電性連接其源極；以及該第二金氧半場效電晶體42’為一N型MOSFET，其源極耦接系統負工作電源VSS(或系統接地端GND)，其汲極電性連接於該輸入端3’與該內部電路2’之間，且其閘極電性連接其源極；其中，當一正壓ESD產生於輸入端3’時，ESD能量係通過第一金氧半場效電晶體41’被傳送到系 統正工作電壓VDD；以及，當一負壓ESD產生於輸入端3’時，ESD能量係通過第二金氧半場效電晶體42’被傳送到系統接地端GND或系統負工作電源VSS。

圖3繪示一習知的具有靜電放電防護能力的感測電路之架構圖。由圖1與圖3可知，圖3之中的感測電路5’可視為如圖1所示之內部電路2’，其包括一開關單元51’及一類比前端單元(Analog front-end,AFE)52’；其中，該類比前端單元52’例如為一取樣與保持電路，用於對一類比訊號進行訊號採樣，以供後端的控制與處理單元能夠進一步地將複數個採樣點處理成數位資料。所述類比訊號轉換例如是電荷訊號、電流訊號、或電壓訊號。當然，圖2所示的ESD電路4’也可以應用在圖3所示的感測電路5’之中，以提供一靜電放電保護功能。

值得注意的是，若透過輸入端3’輸入的一輸入訊號為一電流訊號或一電荷訊號，則前述的兩種ESD電路的漏電流便會成為所述感測電路5’的雜訊源。舉例而言，如圖3所示，矽製的第一二極體11’與第二二極體12’的逆向飽和電流(Reverse saturation current,IS)通常為nA等級，且IS(T2)=IS(T1)×2^(T2-T1)/10；也就是說，隨著環境溫度的上升，逆向飽和電流(亦即，漏電流)會不斷地升高。有鑑於此，電子電路工程師在設計電路晶片時，通常會藉由縮小ESD電子元件的結構尺寸來降低ESD電子元件的漏電流，使得電路晶片能夠落在預的PVT(Process,Voltage,Temperature)誤差範圍內。然而，縮小ESD電子元件的結構尺寸卻反而會降低前述的兩種ESD電路的靜電放電防護能力。

由上述說明可知，本領域亟需一種新穎的靜電放電防護電路。

本發明之主要目的在於提出一種靜電放電防護電路，其可藉由增加一簡潔的防漏電電路組態，及在一感測電路進行一類比採樣操作時，使該防漏電電路組態的兩端看到相同的電壓，從而有效防止漏電流對該類比採樣操作產生干擾。也就是說，本發明的靜電放電防護電路可在設置於一類比前端電路中時，藉由一巧妙的漏電流防止機制確保該類比前端電路能夠在優秀的訊號雜 訊比的狀態下，完成對電荷訊號或電流訊號的類比採樣操作。

為達成上述目的，一種靜電放電防護電路乃被提出，其具有：一漏電流消除單元，具有：一第一二極體，其具有與一感測電路之一訊號輸入端耦接之一陽極，及與一共模偏置電壓耦接之一陰極，其中，該共模偏置電壓係該感測電路之一輸入共模電壓；及一第二二極體，具有耦接該訊號輸入端之一陰極，及耦接該共模偏置電壓之一陽極；以及一靜電放電洩除單元，具有：一第一單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陽極，及耦接一系統正電壓之一陰極；及一第二單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陰極，及耦接一系統地端之一陽極。

在可能的實施例中，該感測電路為一電流感測電路或一電荷感測電路。

在一實施例中，該第一單向導通元件與該第二單向導通元件皆為一二極體。

在一實施例中，該第一單向導通元件為一P型MOSFET，且該第二單向導通元件為一N型MOSFET。

為達成上述目的，本發明進一步提出一種靜電放電防護電路，其具有：一漏電流消除單元，具有：一第一二極體，其具有與一感測電路之一訊號輸入端耦接之一陽極，及經由一限流電阻與一共模偏置電壓耦接之一陰極，其中，該共模偏置電壓係該感測電路之一輸入共模電壓；及一第二二極體，具有耦接該訊號輸入端之一陰極，及與該第一二極體之所述陰極耦接之一陽極；以及一靜電放電洩除單元，具有：一第一單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陽極，及耦接一系統正電壓之一陰極；及一第二單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陰極，及耦接一系統地端之一陽極。

在一實施例中，所述之靜電放電防護電路更包括：一電容，其一端係與該限流電阻中和該共模偏置電壓連接的一端耦接，且其另一端耦接至該系統地端，俾以和該限流電阻組成一低通濾波單元。

為達成上述目的，本發明進一步提出一種感測裝置，其包括一感測器陣列與一感測模組，其中該感測模組內部整合有如前述之靜電放電防護電路，且該感測器陣列係一電荷感測器陣列或一電流感測器陣列。

另外，本發明亦提出一種電子裝置，其具有如前述之感測裝置。

在可能的實施例中，所述電子裝置可為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、智慧型眼鏡、數位相機或門禁裝置。

<本發明>

1:靜電放電防護電路

11:漏電流消除單元

12:靜電放電洩除單元

2:感測電路

21:開關單元

22:類比前端單元

3:訊號輸入端

111:第一二極體

112:第二二極體

121:第一單向導通元件

122:第二單向導通元件

13:限流電阻

14:電容

41:感測器

<習知>

1’:ESD電路

2’:內部電路

3’:輸入端

11’:第一二極體

12’:第二二極體

4’:ESD電路

41’:第一金氧半場效電晶體

42’:第二金氧半場效電晶體

5’:感測電路

51’:開關單元

52’:類比前端單元

圖1繪示一習知的ESD電路的架構圖。

圖2繪示另一習知的ESD電路的架構圖。

圖3繪示一習知的具有靜電放電防護能力的感測電路之架構圖。

圖4繪示本發明之靜電放電防護電路的第一實施例之架構圖。

圖5繪示本發明之靜電放電防護電路的第二實施例之架構圖。

圖6繪示本發明之靜電放電防護電路的第三實施例之架構圖。

圖7繪示具有本發明靜電放電防護電路的感測電路之一實施例架構圖。

為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。

第一實施例

圖4繪示本發明之靜電放電防護電路的第一實施例之架構圖。本發明之靜電放電防護電路1係應用於一感測電路2之中，特別是用於電荷訊號或電流訊號進行訊號採樣的感測電路。如圖4所示，該感測電路2包括一開關單元21與一類比前端(Analog front-end,AFE)單元22，且本發明之靜電放電防護 電路1包括：一漏電流消除單元11與一靜電放電洩除單元12。

漏電流消除單元11係耦接於感測電路2的一訊號輸入端3與一共模偏置電壓VCOM之間。可以推知的是，若感測電路2用於感測一感測器陣列所輸出的N組類比訊號，則訊號輸入端3與漏電流消除單元11的數量也會對應地增加至N個。並且，由圖4可知漏電流消除單元11是由一第一二極體111與一第二二極體112所組成；其中，第一二極體111以其陽極電性連接至訊號輸入端3，且共模偏置電壓VCOM連接該第一二極體111的陰極。此外，第二二極體112以其陰極電性連接至訊號輸入端3與第一二極體111的陽極，並以其陽極電性連接至第一二極體111的陰極。簡單地說，本發明是利用彼此背靠背連接的兩個二極體組成所謂的漏電流消除單元11。

另一方面，靜電放電洩除單元12耦接於漏電流消除單元11與共模偏置電壓VCOM之間，並包括：一第一單向導通元件121及一第二單向導通元件122。在此實施例中，第一單向導通元件121和第二單向導通元件122均為一二極體，且第一單向導通元件121具有耦接第一二極體111的所述陰極之一陽極，及耦接一系統正電壓VDD之一陰極；以及第二單向導通元件122具有耦接第一二極體111的所述陰極之一陰極，及耦接一系統地端GND之一陽極。在此須說明的是，本發明並不限定二極體為第一單向導通元件121和第二單向導通元件122的唯一可實施態樣。在另一可能的實施例中，第一單向導通元件121為一P型MOSFET，且第二單向導通元件122為一N型MOSFET。

另外，VAin為輸入類比前端單元22的運算放大器的負輸入端的訊號，且共模偏置電壓VCOM為輸入類比前端單元22的運算放大器的正輸入端的訊號。值得注意的是，在理想的情況下，輸入訊號VAin會因為運算放大器的虛短路(Virtual short)而等於共模偏置電壓VCOM。因此，當開關單元21導通以對電荷訊號或電流訊號進行一類比採樣操作時，由於漏電流消除單元11的兩端點的電壓皆為VCOM，因此漏電流消除單元11不會有任何漏電流產生而干擾到該類比採樣操作。同時，即使第一單向導通元件121(亦即，二極體)與第二單向導通元件122產生逆向飽和電流(Reverse saturation current,IS)，所述逆向飽和 電流會因為漏電流消除單元11的阻擋而無法進一步地流入運算放大器的負輸入端。也就是說，第一單向導通元件121與第二單向導通元件122的漏電流便由共模偏置電壓VCOM吸收，而不會成為感測電路2的類比前端單元21的雜訊源，從而使類比前端單元21不管是對電荷訊號或電流訊號進行類比採樣操作，皆能夠在保持優秀的訊號雜訊比的狀態下完成所述類比採樣操作。

第二實施例

圖5繪示本發明之靜電放電防護電路的第二實施例之架構圖。比較圖4與圖5可以輕易地發現，所述靜電放電防護電路1的第二實施例更包括一限流電阻13，其耦接於靜電放電洩除單元12與共模偏置電壓VCOM之間。 在非理想的情況下，輸入訊號VAin與共模偏置電壓VCOM之間可能會有幾mV的電壓差。因此，本發明特別提出包括限流電阻13的靜電放電防護電路1的第二實施例。其中，限流電阻13的阻值為幾k歐姆到幾M歐姆，其除了可以起到限流作用以外，還能夠同時降低由VAin與VCOM之間的電壓差造成的漏電流之影響。值得特別說明的是，若感測電路2用於感測一感測器陣列所輸出的N組類比訊號，則訊號輸入端3與漏電流消除單元11的數量也會對應地增加至N個。此時，由於每個訊號輸入端3都必須電性連接共模偏置電壓VCOM，這會導致用以傳輸共模偏置電壓VCOM的線路變多且複雜，連帶地生成線路雜訊。此時，限流電阻13也可以在一定程度上起到線路雜訊的隔離作用。

第三實施例

圖6繪示本發明之靜電放電防護電路的第三實施例之架構圖。比較圖5與圖6可以輕易地發現，靜電放電防護電路1的第三實施例又進一步包括一電容14，其一端係與限流電阻13中和共模偏置電壓VCOM連接的一端耦接，且其另一端耦接至系統地端GND，俾以和限流電阻13組成一低通濾波單元，以更有效地濾除線路雜訊。

本發明之靜電放電防護電路的應用例

圖7繪示具有本發明靜電放電防護電路的感測電路之一實施例架構圖。同時參閱圖6與圖7可知，感測電路2包含N個開關單元21與一類比 前端單元22，其中各開關單元21均電性連接至一感測器陣列之複數個感測器41中的一個感測器，且每一個感測器41均包括一光二極體(Photo diode)及一寄生電容(Source capacitor)。特別注意的是，雖然圖7所示的靜電放電防護電路係以圖6所示的架構實現，但本發明並不以此為限。另一方面，圖7所示之靜電放電防護電路包含N個漏電流消除單元11及一個靜電放電洩除單元12，其中，各漏電流消除單元11之一端皆電性連接一訊號輸入端3及一開關單元21，而另一端則與靜電放電洩除單元12電性連接。此設計架構的目的係在於讓N個訊號輸入端3共享同一個靜電放電洩除單元12。如此，對於同時包含感測電路與本發明之靜電放電防護電路的積體電路晶片而言，不但可以保證其ESD能力，同時還能對其面積進行優化。

另外，由於現有的指紋辨識裝置通常包含光感測器陣列與感測電路模組(如圖7所示)，且指紋辨識裝置也已經被廣泛地應用在各式電子產品之中，因此，本發明進一步提出一種具有如前述之感測電路的電子裝置，其中，該電子裝置可為智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、智慧型眼鏡、數位相機或門禁裝置。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之靜電放電防護電路、感測裝置及電子裝置；並且，經由上述可得知本發明具有下列優點：

1.本發明的靜電放電防護電路可藉由增加一簡潔的防漏電電路組態，及在一感測電路進行一類比採樣操作時，使該防漏電電路組態的兩端看到相同的電壓，從而有效防止漏電流對該類比採樣操作產生干擾。

2.本發明的靜電放電防護電路可在設置於一類比前端電路中時，藉由一巧妙的漏電流防止機制確保該類比前端電路能夠在優秀的訊號雜訊比的狀態下，完成對電荷訊號或電流訊號的類比採樣操作。

必須加以強調的是，前述本案所揭示者乃為較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論目的、手段與功效，皆繪示其迴異於習知技 術，且其首先發明合於實用，確實符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並早日賜予專利俾嘉惠社會，是為至禱。

1:靜電放電防護電路

11:漏電流消除單元

12:靜電放電洩除單元

2:感測電路

21:開關單元

22:類比前端單元

3:訊號輸入端

111:第一二極體

112:第二二極體

121:第一單向導通元件

122:第二單向導通元件

Claims (8)

1. 一種靜電放電防護電路，其具有：一漏電流消除單元，具有：一第一二極體，其具有與一感測電路之一訊號輸入端耦接之一陽極，及與一共模偏置電壓耦接之一陰極，其中，該共模偏置電壓係該感測電路之一輸入共模電壓；及一第二二極體，具有耦接該訊號輸入端之一陰極，及耦接該共模偏置電壓之一陽極；以及一靜電放電洩除單元，具有：一第一單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陽極，及耦接一系統正電壓之一陰極；及一第二單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陰極，及耦接一系統地端之一陽極；其中，該感測電路為一電流感測電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中，該第一單向導通元件及該第二單向導通元件皆為一二極體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之靜電放電防護電路，其中，該第一單向導通元件為一P型MOSFET，且該第二單向導通元件為一N型MOSFET。
4. 一種靜電放電防護電路，其具有：一漏電流消除單元，具有：一第一二極體，其具有與一感測電路之一訊號輸入端耦接之一陽極，及經由一限流電阻與一共模偏置電壓耦接之一陰極，其中，該共模偏置電壓係該感測電路之一輸入共模電壓；及一第二二極體，具有耦接該訊號輸入端之一陰極，及與該第一二極體之所述陰極耦接之一陽極；以及一靜電放電洩除單元，具有：一第一單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陽極，及耦接一系統正電壓之一陰極；及一第二單向導通元件，具有耦接該第一二極體的所述陰極之一陰極，及耦接一系統地端之一陽極。
5. 如申請專利範圍第4項所述之靜電放電防護電路，其更包括：一電容，其一端係與該限流電阻中和該共模偏置電壓連接的一端耦接，且其另一端耦接至該系統地端，俾以和該限流電阻組成一低通濾波單元。
6. 一種感測裝置，包括一感測器陣列與一感測模組，其中該感測模組內部整合有如申請專利範圍第1-5項中任一項所述之靜電放電防護電路，且該感測器陣列係一電荷感測器陣列或一電流感測器陣列。
7. 一種電子裝置，其具有如申請專利範圍第6項所述之感測裝置。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電子裝置，其係由智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、智慧型手錶、智慧型眼鏡、數位相機和門禁裝置所組成的群組所選擇的一種裝置。

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