專利名稱：輸入保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于半導(dǎo)體集成電路的輸入保護(hù)電路，尤其是涉及保護(hù)半導(dǎo)體集成電路以防靜電損害的輸入保護(hù)電路。
背景技術(shù)：
存在已知的問題，即當(dāng)高電壓的靜電被施加到半導(dǎo)體集成電路(以下稱為“IC”)上時(shí)，該IC的內(nèi)部電路被靜態(tài)地?fù)p害。為了防止這樣在IC上的靜電損害，已經(jīng)提出了各種技術(shù)。
作為一種防止在IC上的靜電損害的普通技術(shù)，為了保護(hù)該IC的內(nèi)部電路(在下文中也稱為“IC內(nèi)部電路”)以防靜電噪聲等，在向其輸入信號(hào)的輸入端的外圍部分處，在兩個(gè)電源之間串聯(lián)布置多個(gè)靜電保護(hù)二極管。這些靜電保護(hù)二極管連接在輸入端和正電源之間以及在輸入端和負(fù)電源之間。因此，不可能輸入具有電壓(負(fù)電源電壓-二極管的閾值電壓)的電壓信號(hào)和具有電壓(正電源電壓+二極管的閾值電壓)的電壓信號(hào)到該輸入端。
下面將參考圖1到4時(shí)論這樣傳統(tǒng)的輸入保護(hù)電路。圖1是顯示了傳統(tǒng)輸入保護(hù)電路的示例的框圖。如圖1所示，輸入保護(hù)電路通過分別在輸入端T1001和正電源端T1002之間以及在輸入端T1001和負(fù)電源端T1003之間連接保護(hù)二極管D1001和D1002構(gòu)成。在如圖1所示的傳統(tǒng)輸入保護(hù)電路中，保護(hù)二極管D1001和D1002直接連接到輸入端T1001。在例如日本專利2757701和日本未決專利公開2000-22077中都描述了類似于圖1中的電路構(gòu)成的輸入保護(hù)電路。
假定VDD是正的電源電勢，VSS是負(fù)的電源電勢，而VF是保護(hù)二極管D1001和D1002的閾值電壓(也被稱作正向電壓降，其通常是大約0.7V)，當(dāng)施加到輸入端T1001的電勢V1變得大于VDD+VF時(shí)，保護(hù)二極管D1001導(dǎo)通。另一方面，當(dāng)施加到輸入端T1001的電勢V1變得小于VSS-VF時(shí)，保擴(kuò)二極管D1002導(dǎo)通。因此，如圖2所示，在圖1中顯示的傳統(tǒng)的輸入保護(hù)電路不能把超過VDD+VF的輸入信號(hào)或者小于VSS-VF的輸入信號(hào)傳送到內(nèi)部電路1001。
即使將被輸入到輸入端T1001的輸入信號(hào)的電勢沒有變得大于VDD+VF，當(dāng)輸入信號(hào)的電勢超過VDD時(shí)，也把正向偏置電壓施加到保護(hù)二極管D1001。這產(chǎn)生了從輸入端T1001到正電源端T1002的正向漏電流I1002。
此外，如圖3所示，在內(nèi)部電路1001的輸入阻抗有限的情況下，當(dāng)輸入信號(hào)電勢V1超過VDD時(shí)，應(yīng)該固有地流到內(nèi)部電路1001的輸入信號(hào)電流I1001的一部分經(jīng)由保護(hù)二極管D1001流向正電源端T1002。因此，從保護(hù)二極管D1001分離地流向正電源端T1002的漏電流I1002使得輸入信號(hào)波形失真。
保護(hù)二極管D1002的情況也是一樣的，而且當(dāng)輸入信號(hào)電勢比VSS低時(shí)，如圖4所示在保護(hù)二極管D1002中產(chǎn)生正向漏電流I1004，因此使輸入信號(hào)波形變形了。
在日本未決專利公開2000-22077中公開的輸入保護(hù)電路的情況下，其中在輸入端T1001和保護(hù)二極管D1001和D1002之間連接反相放大器電路中的元件，諸如輸入電阻，當(dāng)施加了靜態(tài)地?fù)p害IC的內(nèi)部電路的高壓靜電時(shí)，在IC的內(nèi)部電路被靜態(tài)地?fù)p害之前，靜態(tài)地?fù)p害連接到輸入端T1001的元件。
如以上討論的那樣，傳統(tǒng)的輸入保護(hù)電路有問題是，其電勢超過正電源電勢的輸入信號(hào)或者其電勢變得低于正電源電勢的輸入信號(hào)將正電源電勢的輸入信號(hào)或者其電勢變得低于正電源電勢的輸入信號(hào)將會(huì)變形。此外，在試圖利用在日本未決專利公開2000-22077中公開的方法解決該問題的情況下，輸入電阻可能被靜態(tài)地?fù)p害了。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供輸入保護(hù)電路，其以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)保持輸入信號(hào)的波形同時(shí)防止靜態(tài)損害，并且進(jìn)一步阻止輸入電阻被靜態(tài)地?fù)p害。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于從源于靜電等的過量信號(hào)中保護(hù)內(nèi)部電路的輸入保護(hù)電路，包含輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分(例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，反相放大器電路10)，至少具有輸入電阻、反饋電阻和運(yùn)算放大器，并且以這樣一種方式轉(zhuǎn)換從輸入端輸入的輸入信號(hào)的電勢以便使輸入信號(hào)的電勢位于輸入范圍或者可輸入到內(nèi)部電路的信號(hào)電勢范圍中；第一保護(hù)部分(例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，保護(hù)二極管D1)，連接到在輸入電阻和運(yùn)算放大器之間的虛接地節(jié)點(diǎn)和第一電源電勢，用于當(dāng)輸入信號(hào)的電勢大大地超過在第一電源電勢端的輸入范圍時(shí)，通過允許輸入信號(hào)的輸入電流流向第一電源電勢，來保擴(kuò)內(nèi)部電路；以及第二保護(hù)部分(例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，保護(hù)二極管D2)，連接到在輸入端和輸入電阻之間的任意點(diǎn)和第二電源電勢，用于當(dāng)輸入信號(hào)的電勢大大地超過在第二電源電勢端的輸入范圍時(shí)，通過允許輸入電流從第二電源電勢流向輸入端，來保護(hù)內(nèi)部電路。這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)保持輸入信號(hào)的波形同時(shí)防止內(nèi)部電路被靜電損害，并且進(jìn)一步防止輸入電阻被靜態(tài)地?fù)p害。
依據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了用于從源于靜電等的過量信號(hào)中保護(hù)內(nèi)部電路的輸入保護(hù)電路，包含輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分(例如，在本發(fā)明的實(shí)施例中，反相放大器電路10)，至少具有輸入電阻、反饋電阻和運(yùn)算放大器，并且以這樣一種方式轉(zhuǎn)換從輸入端輸入的輸入信的信號(hào)電勢范圍中；第一保護(hù)部分(例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，保護(hù)二極管D1)，連接到在輸入端和輸入電阻之間的任意點(diǎn)和第一電源電勢，用于當(dāng)輸入信號(hào)的電勢大大地超過在第一電源電勢端的輸入范圍時(shí)，通過允許輸入信號(hào)的輸入電流流向第一電源電勢，來保護(hù)內(nèi)部電路；以及第二保護(hù)部分(例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，保護(hù)二極管D2)，連接到在輸入電阻和運(yùn)算放大器之間的虛接地節(jié)點(diǎn)和第二電源電勢，用于當(dāng)輸入信號(hào)的電勢大大地超過在第二電源電勢端的輸入范圍時(shí)，通過允許輸入電流從第二電源電勢流向輸入端，來保護(hù)內(nèi)部電路。這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)保持輸入信號(hào)的波形同時(shí)防止內(nèi)部電路被靜電損害，并且進(jìn)一步防止輸入電阻被靜態(tài)地?fù)p害。
在本發(fā)明的輸入保護(hù)電路中，當(dāng)從輸入端輸入的輸入信號(hào)的電勢超過第一電源電勢或者第二電源電勢時(shí)，輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分以這樣一種方式轉(zhuǎn)換該輸入信號(hào)的電勢以便使輸入信號(hào)的電勢位于輸入范圍中。因此，在輸入信號(hào)的電勢大于內(nèi)部電路的輸入范圍的情況下，能夠可靠地以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)保持輸入信號(hào)的波形。
在本發(fā)明的輸入保護(hù)電路中，運(yùn)算放大器通過改變偏置電勢阿里改變在虛接地節(jié)點(diǎn)處的電勢，以便以這樣一種方式轉(zhuǎn)換從輸入端輸入的輸入信號(hào)的電勢以使已經(jīng)超過輸入范圍的輸入信號(hào)的電勢位于輸入范圍中。這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠安全地以這樣一種方式轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)以使它的電勢落在內(nèi)部電路的輸入范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的輸入保護(hù)電路中，反饋電阻具有多個(gè)電阻和用于切換多個(gè)電阻的連接的開關(guān)。這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠處理其中輸入信號(hào)的電勢不同的情況。
在本發(fā)明的輸入保護(hù)電路中，運(yùn)算放大器是差分運(yùn)算放大器，其中所述輸入信號(hào)差分輸入到該差分運(yùn)算放大器。因此，在進(jìn)一步放大輸入信號(hào)的情況下，該結(jié)構(gòu)能夠以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)保持輸入信號(hào)的波形同時(shí)防止內(nèi)部電路被靜電損害，并且進(jìn)一步防止輸入電阻被靜態(tài)地?fù)p害。


圖1是顯示了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的輸入保護(hù)電路的框圖；圖2是說明了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的輸入保護(hù)電路的輸入信號(hào)的信號(hào)電平框圖；圖3是說明了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的輸入保護(hù)電路的操作的框圖；圖4是說明了依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的輸入保護(hù)電路的操作的框圖；圖5是顯示了依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的框圖；圖6是顯示了在本發(fā)明第一實(shí)施例中的保護(hù)二極管的框圖；圖7是說明了依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的輸入信號(hào)的信號(hào)電平框圖；圖8是說明了依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作的框圖；圖9是說明了依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作的框圖；圖10是顯示了依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的框圖；圖11是說明了依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的輸入信號(hào)的信號(hào)電平框圖；圖12是說明了依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作的框圖；圖13是說明了依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作的框圖；圖14是顯示了依據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的框圖；圖15是顯示了在本發(fā)明第三實(shí)施例中的電阻的框圖；圖16是顯示了依據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的框圖；以及圖17是說明了依據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的輸入信號(hào)的信號(hào)電平框圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參考附圖詳細(xì)描述依據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
(第一實(shí)施例)在依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，在輸入端和正負(fù)電源之間分別連接兩個(gè)保護(hù)二極管，并且位于輸入端和負(fù)電源之間的保護(hù)二極管直接連接到輸入端。
首先，將結(jié)合圖5討論第一實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路。圖5是顯示了依據(jù)第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的框圖。如圖5所示，輸入保護(hù)電路包含反相放大器電路10和保護(hù)二極管D1和D2作為基本元件。
反相放大器電路10具有運(yùn)算放大器OP和電阻R1和R2。運(yùn)算放大器OP是一種眾所周知的運(yùn)算放大器，其放大施加到由符號(hào)“-”(負(fù))指示的反相輸入端和由符號(hào)“+”(正)指示的同相輸入端的電勢差，并且輸出放大的電勢。
電阻R1和R2是普通的電阻元件。希望電阻R1和R2應(yīng)當(dāng)由同樣的材料構(gòu)成以便具有相同的特征。在半導(dǎo)體集成電路中，特別地，希望使用其阻抗具有低電壓相關(guān)性的多晶體硅(多晶硅)來形成電阻R1和R2。電阻R1和R2可以通過使用半導(dǎo)體層、諸如P型擴(kuò)散層或者N型擴(kuò)散層形成。
如圖5所示，保護(hù)二極管D1連接到正電源端T2和反相放大器電路10的虛接地節(jié)點(diǎn)N1。即，保護(hù)二極管D1連接到運(yùn)算放大器OP的反相輸入端(-)。如圖5所示，還以這樣一種方式連接保護(hù)二極管D1以使其在從虛接地節(jié)點(diǎn)N1觀察正電源端T2時(shí)被正向偏置。
保護(hù)二極管D2連接到負(fù)電源端T3和信號(hào)輸入端T1。即，保護(hù)二極管D2連接到電阻R1。如圖5所示，還以這樣一種方式連接保護(hù)二極管D2以使其在從信號(hào)輸入端T1觀察負(fù)電源端T3時(shí)被反向偏置。信號(hào)輸入端T1經(jīng)由由反相放大器電路10和保護(hù)二極管D1和D2構(gòu)成的輸入保護(hù)電路連接到IC內(nèi)部電路11。
在半導(dǎo)體集成電路中，保護(hù)二極管D1和D2能夠通過使用兩個(gè)半導(dǎo)體層、P型擴(kuò)散層和N型擴(kuò)散層形成。保護(hù)二極管還可以通過使用MOS晶體管形成。如圖6所示，例如，在圖5中連接在正電源端T2和虛接地節(jié)點(diǎn)N1之間的保護(hù)二極管D1能夠通過使用P型MOS晶體管20構(gòu)成。在這種情況下，能夠通過把晶體管20的源極端子和柵極端子共同連接(源級—柵級連接)作為陰極端子、并且使漏極端子用作陽極端子而構(gòu)成保護(hù)二極管D1。此外，如圖6所示，例如，在圖5中連接在負(fù)電源端T3和虛接地節(jié)點(diǎn)N1之間的保護(hù)二極管D2能夠通過使用N型MOS晶體管21構(gòu)成。在這種情況下，能夠通過把晶體管21的源極端子和柵極端子共同連接(源級—柵級連接)作為陽極端子、并且使漏極端子用作陰極端子而構(gòu)成保護(hù)二極管D2。
下面參見圖7到9，將討論依據(jù)第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作。圖7是說明了依據(jù)第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的輸入信號(hào)的信號(hào)電平框圖。圖8和9是說明了依據(jù)第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作的框圖。
圖7示出了各個(gè)電勢電平之間的關(guān)系，其中VDD是施加到正電源端T2的電勢電平，VSS是施加到負(fù)電源端T3的電勢電平，V1是施加到信號(hào)輸入端T1的輸入信號(hào)的電勢電平，VC是施加到偏置輸入端N2的偏置電勢，并且V3是輸入到IC內(nèi)部電路11的信號(hào)的電勢電平。
通常，當(dāng)運(yùn)算放大器具有理想特性時(shí)，虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢電平V2總是保持為與偏置輸入端N2的電勢電平VC相同的電勢。進(jìn)一步，可以假定實(shí)際運(yùn)算放大器電路為特性足夠接近理想特性的元件。因此，在反相放大器電路10正常工作的范圍內(nèi)，虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢電平V2總是保持大約與偏置輸入端N2的電勢電平VC相同的電勢，并且可以認(rèn)為V2＝VC。假設(shè)在圖5的反相放大器電路10中，電阻R1的阻抗為r1，電阻R2的阻抗為r2，則反相放大器電路10的輸入電勢V1和輸出電勢V2滿足下列等式1給出的關(guān)系。
V3-VC＝-(r2/r1)×(V1-VC) (1)參見圖7，將對在向輸入端T1施加在反相放大器電路10正常操作的輸入范圍中的正常電勢的情況下輸入保護(hù)電路的操作給出描述。施加到輸入端T1的輸入信號(hào)的電勢電平V1依據(jù)等式1在反相放大器電路10中被轉(zhuǎn)換為電勢電平V3，然后把轉(zhuǎn)換的電勢電平V3傳送到IC內(nèi)部電路11。此時(shí)，電阻R1的阻抗r1能夠被設(shè)置為大于電阻R2的阻抗r2，而且反相放大器電路10中的放大增益能夠被設(shè)置為等于或者小于1。在這種情況下，如圖7所示，即使向輸入端T1施加了大于正電源電勢電平VDD的輸入信號(hào)電勢V1，也有可能通過衰減電勢V1和在反相放大器電路10中變換它的電平，把輸入信號(hào)電勢V1轉(zhuǎn)換為落在介于電源電勢VDD和VSS的范圍內(nèi)的信號(hào)電勢V3，然后把電勢V3傳送到IC內(nèi)部電路11。因?yàn)樵谶@時(shí)在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢V2被保持在與偏置電勢VC相同的電勢，所以如果已經(jīng)設(shè)置了VSS＜VC(＝V2)＜VDD，則偏置電勢VC防止保護(hù)二極管D1被施加正向偏置電壓，所以保護(hù)二極管D1沒有被導(dǎo)通。除非輸入信號(hào)電勢V1低于負(fù)電源電勢電平VSS，否則保護(hù)二極管D2不會(huì)被導(dǎo)通。
在依據(jù)第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，從上可知，在反相放大器電路10正常操作的輸入范圍中，輸入電流I50不會(huì)流入到保護(hù)二極管D1和D2中。因此，輸入信號(hào)V1不會(huì)被保護(hù)二極管D1和D2的漏電流變形，因而允許輸入信號(hào)V1以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)被輸入到IC內(nèi)部電路11。
此外，依據(jù)第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路能夠依據(jù)輸入信號(hào)V1的電平，將反相放大器電路10的環(huán)路增益(電阻R1的阻抗與電阻R2的阻抗的比值)和偏置電勢電平VC設(shè)置為任意恰當(dāng)?shù)闹?。這使得把每個(gè)電平的輸入信號(hào)V1轉(zhuǎn)換為能夠在內(nèi)部電路中被處理的信號(hào)V3、并且將信號(hào)V3傳輸?shù)絀C內(nèi)部電路11成為可能，而沒有受到半導(dǎo)體集成電路中的正電源電勢電平VDD的限制，而且在半導(dǎo)體集成電路以外沒有提供衰減器和電平變換電路。
參見圖8和9，下面將對在其中向輸入端T1施加顯著地超過反相放大器電路10的輸入范圍的過電壓(沖擊電壓)的情況下輸入保護(hù)電路的操作給出描述。作為這種情況的例子，由于靜電等等原因，向輸入端T1施加了顯著超過反相放大器電路10的輸入范圍的過電壓。
在如圖8所示向輸入端T1施加了遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正電源電勢VDD的正電勢的情況下，輸入電勢V1變得遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正電源電勢VDD，所以反相放大器電路10的輸出電勢V3保持在下限電勢(接近于VSS)。由于在輸入端T1處的輸入電勢V1是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正電源電勢VDD的正電勢，所以在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢隨著輸入電勢電平V1的增加而增加，并且超過正電源電勢VDD。
假定保護(hù)二極管D1的閾值電壓為VF，當(dāng)在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢超過VDD+VF時(shí)，保護(hù)二極管D1被正向偏置并且被導(dǎo)通。因此，電流I41從輸入端T2經(jīng)由電阻R1和保護(hù)二極管D1流向正電源端。如果在這時(shí)施加到保護(hù)二極管D2的電壓高于反向擊穿電壓(其通常大約為幾十伏電壓值)，則電流I41D(保護(hù)二極管D2的反向擊穿電流)從輸入端T1經(jīng)由保護(hù)二極管D2流向負(fù)電源端T3。
從輸入端T1流出的電流主要被分成電流I41和電流I41D。由于能夠使保護(hù)二極管D1的導(dǎo)通阻抗充分地低于電阻R2的阻抗r2，所以流入運(yùn)算放大器OP和IC內(nèi)部電路11的電流I42變得相當(dāng)小。此外，在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢沒有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過VDD+VF，防止過電壓被施加到運(yùn)算放大器OP的輸入部分。在輸入電壓V1變得高于保護(hù)二極管D2的反向擊穿電壓的情況下，保護(hù)二極管D2的反向?qū)ㄗ杩棺兊贸浞值氐陀陔娮鑂1的阻抗r1，使得流向電阻R1的電流I41相當(dāng)小。
當(dāng)如圖9所示向輸入端T1施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)電源電勢VSS的負(fù)電勢時(shí)，保護(hù)二極管D2被導(dǎo)通，使電流I53從負(fù)電源端T3經(jīng)由保護(hù)二極管D2流向輸入端T1。
由于能夠設(shè)置保護(hù)二極管D2的導(dǎo)通阻抗充分地低于電阻R1和R2的阻抗r1和r2，所以從運(yùn)算放大器OP和IC內(nèi)部電路11流出的電流I54變得極其小。在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢沒有變得遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VSS-VF。
從上可知，在第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，當(dāng)向輸入端T1施加過電壓(沖擊電壓)時(shí)，保護(hù)二極管D1或者D2被導(dǎo)通。這能夠防止過電流流入IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP，所以能夠保護(hù)IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP免受靜態(tài)損害。
此外，由于在第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中保護(hù)二極管D2被直接連接到輸入端T1，所以能夠使流經(jīng)電阻R1的電流很小。因此有可能把在電阻R1兩端施加的電壓抑制為較低。這能夠保護(hù)IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP免受靜態(tài)損害，并且還能夠防止輸入電阻R1被過電壓或者過電流損害。
如上所述，依據(jù)第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路，當(dāng)施加到輸入端T1的輸入信號(hào)V1的電勢電平可能比正電源電勢電平VDD高但是不比負(fù)電源電勢電平VSS低時(shí)，如圖7所示，輸入信號(hào)V1能夠以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)被傳送到IC內(nèi)部電路11而沒有變形，并且，當(dāng)向輸入端T1施加過電壓(沖擊電壓)時(shí)，保護(hù)二極管D1或者D2被導(dǎo)通以防止IC內(nèi)部電路11、運(yùn)算放大器OP和輸入電阻R1被過電壓或者過電流損害。
此外，在第一實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，由于在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢V2總是保持在穩(wěn)定電勢VC，所以輸入阻抗能夠僅僅由電阻R1的阻抗r1確定。這能夠確保半導(dǎo)體集成電路的高效設(shè)計(jì)。
(第二實(shí)施例)在依據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，在輸入端和正負(fù)電源之間分別連接兩個(gè)保護(hù)二極管，并且位于輸入端和正電源之間的保護(hù)二極管直接連接到輸入端。
首先，將結(jié)合圖10討論第二實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路。圖10是顯示了依據(jù)第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的框圖。如圖10所示，第二實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路與第一實(shí)施例類似，包含反相放大器電路10和保護(hù)二極管D1和D2作為基本元件。由于以與第一實(shí)施例中同樣的方式構(gòu)成反相放大器電路10，所以將不再重復(fù)它的描述。同樣地，能夠以與第一實(shí)施例中同樣的方式設(shè)計(jì)保護(hù)二極管D1和D2。
如圖10所示，保護(hù)二極管D1連接到正電源端T2和信號(hào)輸入端T1。還以這樣一種方式連接保護(hù)二極管D2以使其在從信號(hào)輸入端T1觀察正電源端T2時(shí)被正向偏置。如圖10所示，保護(hù)二極管D2連接到負(fù)電源端T3和反相放大器電路60的虛接地節(jié)點(diǎn)N1。即，保護(hù)二極管D2連接到運(yùn)算放大器OP的反相輸入端(-)。還以這樣一種方式連接保護(hù)二極管D2以使其在從虛接地節(jié)點(diǎn)N1觀察負(fù)電源端T3時(shí)被反向偏置。
下面參見圖11到13，將討論依據(jù)第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作。圖11是說明了依據(jù)第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的輸入信號(hào)的信號(hào)電平框圖。圖12和13是說明了依據(jù)第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作的框圖。
參見圖11，將對在向輸入端T1施加在反相放大器電路10正常操作的輸入范圍中的正常電勢的情況下輸入保護(hù)電路的操作給出描述。按照第一實(shí)施例，施加到輸入端T1的輸入信號(hào)的電勢電平V1在反相放大器電路10中被轉(zhuǎn)換為電勢電平V3，然后把轉(zhuǎn)換的電勢電平V3傳送到IC內(nèi)部電路11。假定反相放大器電路10的放大增益被設(shè)置為等于或者小于1，如圖11所示，即使向輸入端T1施加了低于負(fù)電源電勢電平VSS的輸入信號(hào)電勢V1，也有可能通過衰減電勢V1和在反相放大器電路10中變換它的電平，把輸入信號(hào)電勢V1轉(zhuǎn)換為落在介于電源電勢VDD和VSS的范圍內(nèi)的信號(hào)電勢V3，然后把電勢V3傳送到IC內(nèi)部電路11。由于在這時(shí)在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢V2總是保持在與偏置電勢VC相同的電勢，所以保護(hù)二極管D2將不會(huì)被導(dǎo)通。除非輸入信號(hào)電勢V1變得高于正電源電勢電平VDD，否則保護(hù)二極管D1也將不會(huì)被導(dǎo)通。
在依據(jù)第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，從上可知，在反相放大器電路10正常操作的輸入范圍中，輸入電流I60不會(huì)流入到保護(hù)二極管D1和D2中。因此，輸入信號(hào)V1不會(huì)被保護(hù)二極管D1和D2的漏電流變形，因而允許輸入信號(hào)V1以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)被輸入到IC內(nèi)部電路11。
此外，依據(jù)第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路能夠依據(jù)輸入信號(hào)V1的電平，將反相放大器電路10的增益(電阻R1的阻抗與電阻R2的阻抗的比值)和偏置電勢電平VC設(shè)置為任意恰當(dāng)?shù)闹?。這使得把每個(gè)電平的輸入信號(hào)V1轉(zhuǎn)換為能夠在內(nèi)部電路中被處理的信號(hào)V3、并且將信號(hào)V3傳輸?shù)絀C內(nèi)部電路11成為可能，而沒有受到半導(dǎo)體集成電路中的負(fù)電源電勢電平VSS的限制，而且在半導(dǎo)體集成電路以外沒有提供衰減器和電平變換電路。
參見圖12和13，下面將對在其中向輸入端T1施加顯著地超過反相放大器電路10的輸入范圍的過電壓(沖擊電壓)的情況下輸入保護(hù)電路的操作給出描述。這種情況的例子是由于靜電等向輸入端T1施加了顯著超過反相放大器電路10的輸入范圍的過電壓的情況。
在如圖12所示向輸入端T1施加了遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)電源電勢電平VSS的負(fù)電勢的情況下，輸入電勢V1變得遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)電源電勢電平VSS，所以反相放大器電路10的輸出電勢V3保持在上限電勢(接近于VDD)。由于在輸入端T1處的輸入電勢V1遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)電源電勢VSS，所以在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢隨著輸入電勢電平V1的減小而減小，并且降到負(fù)電源電勢電平VSS以下。
假定保護(hù)二極管D1的閾值電壓為VF，當(dāng)在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢低于VSS-VF時(shí)，保護(hù)二極管D2被正向偏置并且被導(dǎo)通。因此，電流I81從負(fù)電源端T3經(jīng)由保護(hù)二極管D2和電阻R1流向輸入端T1。如果在這時(shí)施加到保護(hù)二極管D1的電壓高于反向擊穿電壓，則電流I81D(保護(hù)二極管D1的反向擊穿電流)從正電源端T2經(jīng)由保護(hù)二極管D1流向輸入端T1。
流入到輸入端T1的電流主要被分成電流I81和電流I81D。由于能夠使保護(hù)二極管D2的導(dǎo)通阻抗充分地高于電阻R1和R2的阻抗r1和r2，所以從運(yùn)算放大器OP和IC內(nèi)部電路11流出的電流I82變得相當(dāng)小。此外，在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢沒有遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VSS-VF，所以過電壓沒有被施加到運(yùn)算放大器OP的輸入部分。在輸入電壓V1變得高于保護(hù)二極管D1的反向擊穿電壓的情況下，保護(hù)二極管D1的反向?qū)ㄗ杩棺兊贸浞值氐陀陔娮鑂1的阻抗r1，使得流向電阻R1的電流I81相當(dāng)小。
當(dāng)如圖13所示向輸入端T1施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正電源電勢電平VDD的電勢時(shí)，保護(hù)二極管D1被導(dǎo)通，使電流I93從輸入端T1經(jīng)由保護(hù)二極管D1流向正電源端T2。由于能夠設(shè)置保護(hù)二極管D1的導(dǎo)通阻抗充分地低于電阻R1和R2的阻抗r1和r2，所以流入運(yùn)算放大器OP和IC內(nèi)部電路11的電流I94變得極其小。在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢沒有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過VDD+VF。
從上可知，在第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，當(dāng)向輸入端T1施加過電壓(沖擊電壓)時(shí)，保護(hù)二極管D1或者D2被導(dǎo)通。這能夠防止過電流流入IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP，所以能夠保護(hù)IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP免受靜態(tài)損害。
此外，由于在第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中保護(hù)二極管D1被直接連接到輸入端T1，所以能夠使流經(jīng)電阻R1的電流很小。因此有可能把在電阻R1兩端施加的電壓抑制為較低。這能夠保護(hù)IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP免受靜態(tài)損害，并且還能夠防止輸入電阻R1被過電壓或者過電流損害。
如上所述，依據(jù)第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路，在施加到輸入端T1的輸入信號(hào)V1的電勢電平可能比負(fù)電源電勢電平VSS低但是不比正電源電勢電平VDD高的情況下，如圖11所示，輸入信號(hào)V1能夠以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)被傳送到IC內(nèi)部電路11而沒有變形，并且，當(dāng)向輸入端T1施加過電壓(沖擊電壓)時(shí)，保護(hù)二極管D1或者D2被導(dǎo)通以防止IC內(nèi)部電路11、運(yùn)算放大器OP和輸入電阻R1被過電壓或者過電流損害。
此外，在第二實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，由于在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢V2總是保持在穩(wěn)定電勢VC，所以輸入阻抗能夠僅僅由電阻R1的阻抗r1確定。這能夠確保半導(dǎo)體集成電路的高效設(shè)計(jì)。
(第三實(shí)施例)在依據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，在輸入端和正負(fù)電源之間分別連接兩個(gè)保護(hù)二極管，并且位于輸入端和正電源之間的保護(hù)二極管直接連接到輸入端。
首先，將結(jié)合圖14討論第三實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路。圖14是顯示了依據(jù)第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的框圖。如圖14所示，第三實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路與第一實(shí)施例類似，包含反相放大器電路10a和保護(hù)二極管D1和D2作為基本元件。由于以與第一實(shí)施例中同樣的方式構(gòu)成保護(hù)二極管D1和D2，所以將不再重復(fù)它的描述。能夠以與第一實(shí)施例中同樣的方式設(shè)計(jì)保護(hù)二極管D1和D2。
如圖14所示，依據(jù)第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中的反相放大器電路10a具有能夠借助于開關(guān)改變電阻R2的阻抗和偏置電勢電平VC的結(jié)構(gòu)。如圖15所示，以這樣一種方式設(shè)計(jì)反相放大器電路10a中的電阻R2以便能夠使用m個(gè)開關(guān)以m種方式從r21到r2m切換阻抗。同樣地，以這樣一種方式設(shè)計(jì)被輸入到運(yùn)算放大器OP的正輸入端的偏置電勢電平VC，以便能夠使用n個(gè)開關(guān)以n種方式從VC1到VCn對它進(jìn)行切換。
以下將討論第三實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路的操作。在向輸入端T1施加處于其中反相放大器電路10a正常操作的輸入范圍中的正常電壓的情況下，第三實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路在反相放大器電路10a中把施加到輸入端T1的輸入信號(hào)的電勢電平V1轉(zhuǎn)換為電勢電平V3，并且把電勢電平V3傳送到IC內(nèi)部電路11。即使向輸入端T1施加了大于正電源電勢電平VDD的輸入信號(hào)電勢V1，也有可能通過衰減電勢V1和在反相放大器電路10a中變換它的電平，把輸入信號(hào)電勢V1轉(zhuǎn)換為落在介于電源電勢VDD和VSS的范圍內(nèi)的信號(hào)電勢V3，然后把電勢V3傳送到IC內(nèi)部電路11。無論把反饋電阻器R2的阻抗選擇為r21到r2m中的哪個(gè)阻抗，在反相放大器電路10a正常操作的輸入范圍中，在虛接地節(jié)點(diǎn)N1處的電勢V2總是保持在與偏置電勢VC相同的電勢，保護(hù)二極管D1將不會(huì)被導(dǎo)通。
在依據(jù)第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，從上可知，在反相放大器電路10a正常操作的輸入范圍中，輸入電流I100不會(huì)流入到保護(hù)二極管D1和D2中。因此，輸入信號(hào)V1不會(huì)被保護(hù)二極管D1和D2的漏電流變形，因而允許輸入信號(hào)V1以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)被輸入到IC內(nèi)部電路11。
此外，依據(jù)第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路能夠依據(jù)輸入信號(hào)V1的電平，將反相放大器電路10a的增益(電阻R1的阻抗與電阻R2的阻抗的比值)和偏置電勢電平VC設(shè)置為任意恰當(dāng)?shù)闹怠＿@使得把每個(gè)電平的輸入信號(hào)V1轉(zhuǎn)換為能夠在內(nèi)部電路中被處理的信號(hào)V3、并且將信號(hào)V3傳送到IC內(nèi)部電路11成為可能，而沒有受到半導(dǎo)體集成電路中的正電源電勢電平VDD的限制，而且在半導(dǎo)體集成電路以外沒有提供衰減器和電平變換電路。
當(dāng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過反相放大器10a的輸入范圍的過電壓(沖擊電壓)被施加到輸入端T1時(shí)，依據(jù)第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路執(zhí)行與第一實(shí)施例中相同的操作。
在向輸入端T1施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正電源電勢電平VDD的正電勢的情況下，由這個(gè)過度的正電勢生成的輸入電流從輸入端T1經(jīng)由電阻R1和保護(hù)二極管D1流向正電源端T2，或者從輸入端T1經(jīng)由保護(hù)二極管D2流向負(fù)電源端T3(反向擊穿電流)。因此，流入運(yùn)算放大器OP和IC內(nèi)部電路11的電流變得極其小，防止過電壓被施加到運(yùn)算放大器OP的輸入部分，所以運(yùn)算放大器OP的輸入部分不會(huì)被這樣過電壓損害。
在向輸入端T1施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)電源電勢電平VSS的負(fù)電勢的情況下，電流從負(fù)電源端T3經(jīng)由保護(hù)二極管D2流到輸入端T1，所以從運(yùn)算放大器OP和IC內(nèi)部電路11流到輸入端T1的電流極其小。
從上可知，在第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，當(dāng)向輸入端T 1施加過電壓(沖擊電壓)時(shí)，保護(hù)二極管D1或者D2被導(dǎo)通。這能夠防止過電流流入IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP，所以能夠保護(hù)IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP免受靜態(tài)損害。
此外，由于在第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中保護(hù)二極管D2被直接連接到輸入端T1，所以能夠使流經(jīng)電阻R1的電流很小。因此有可能把在電阻R1兩端施加的電壓抑制為較低。這能夠保護(hù)IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP免受靜態(tài)損害，并且還能夠防止輸入電阻R1被過電壓或者過電流損害。
依據(jù)第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路，能夠在制造半導(dǎo)體集成電路之后依據(jù)輸入電壓V1的范圍設(shè)置適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)和偏置電勢電平VC。這能夠允許單個(gè)電路被用在具有不同輸入信號(hào)范圍(規(guī)格)的各式各樣的應(yīng)用中，因此有助于減少半導(dǎo)體集成電路的制造成本。
此外，在輸入信號(hào)V1的范圍隨著時(shí)間推移顯著地變化的應(yīng)用中，總是能夠通過依據(jù)在信號(hào)范圍中的變化而將放大系數(shù)和偏置電勢電平VC改變?yōu)檫m當(dāng)?shù)闹?，來確保有效的信號(hào)傳送。這能夠允許輸入信號(hào)V1以正確的狀態(tài)被有效地傳送到IC內(nèi)部電路11，同時(shí)防止IC內(nèi)部電路11和運(yùn)算放大器OP被過電壓或者過電流損害。
(第四實(shí)施例)依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路被設(shè)計(jì)用于差分輸入信號(hào)，而依據(jù)第一到第三實(shí)施例的輸入保護(hù)電路被設(shè)計(jì)用于單端信號(hào)輸入。
按照第一實(shí)施例，在依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，在輸入端和正負(fù)電源之間分別連接兩個(gè)保護(hù)二極管，并且位于輸入端和負(fù)電源之間的保護(hù)二極管直接連接到輸入端。即，第四實(shí)施例用于第一實(shí)施例被適用到向其差分輸入輸入信號(hào)的差分反相放大器電路的情況。按照第二和第三實(shí)施例，位于輸入端和負(fù)電源之間的保護(hù)二極管可以直接連接到輸入端。
首先，將結(jié)合圖16討論第四實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路。圖16是顯示了依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的框圖。如圖16所示，輸入保護(hù)電路包含差分反相放大器電路90和保護(hù)二極管D91、D92、D93和D94作為基本元件。
差分反相放大器電路90具有差分運(yùn)算放大器OPD、共模反饋電路CMFB和電阻R91、R92、R93和R94。差分運(yùn)算放大器OPD是一種眾所周知的差分運(yùn)算放大器，其放大施加到由符號(hào)“-”(負(fù))指示的反相輸入端和由符號(hào)“+”(正)指示的同相輸入端的電勢差，并且輸出放大的電勢。
共模反饋電路CMFB具有一種眾所周知的類型，并且以這樣一種方式調(diào)整差分運(yùn)算放大器OPD的內(nèi)部偏置電平，以便使差分運(yùn)算放大器OPD的輸出V3P和V3M的中間電勢變得與偏置電勢電平V3C相同。
電阻R91、R92、R93和R94是與第一到第三實(shí)施例中的電阻相似的普通電阻元件。同樣地，保護(hù)二極管D91、D92、D93和D94是與第一到第三實(shí)施例中相似的普通保護(hù)二極管，并且能夠通過使用MOS晶體管來構(gòu)成。
如圖16所示，保護(hù)二極管D91連接到正電源端T2和差分反相放大器電路90的虛接地節(jié)點(diǎn)N91。即，保護(hù)二極管D91連接到差分運(yùn)算放大器OPD的反相輸入端(-)。如圖16所示，還以這樣一種方式連接保護(hù)二極管D91以使其在從虛接地節(jié)點(diǎn)N91觀察正電源端T2時(shí)被正向偏置。
保護(hù)二極管D92連接到負(fù)電源端T3和輸入端T91。即，保護(hù)二極管D92連接到電阻R91。如圖16所示，還以這樣一種方式連接保護(hù)二極管D92以使其在從輸入端T91觀察負(fù)電源端T3時(shí)被反向偏置。信號(hào)輸入端T91經(jīng)由包含差分反相放大器電路90和保護(hù)二極管D91和D92的輸入保護(hù)電路連接到IC內(nèi)部電路91。
如圖16所示，保護(hù)二極管D93連接到正電源端T2和差分反相放大器電路90的虛接地節(jié)點(diǎn)N92。即，保護(hù)二極管D93連接到差分運(yùn)算放大器OPD的同相輸入端(+)。如圖16所示，還以這樣一種方式連接保護(hù)二極管D93以使其在從虛接地節(jié)點(diǎn)N92觀察正電源端T2時(shí)被正向偏置。
保護(hù)二極管D94連接到負(fù)電源端T3和輸入端T92。即，保護(hù)二極管D94連接到電阻R93。如圖16所示，還以這樣一種方式連接保護(hù)二極管D94以使其在從輸入端T92觀察負(fù)電源端T3時(shí)被反向偏置。信號(hào)輸入端T92經(jīng)由包含差分反相放大器電路90和保護(hù)二極管D93和D94的輸入保護(hù)電路連接到IC內(nèi)部電路91。
下面參見圖17，將討論依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的操作。圖17是說明了依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路的輸入信號(hào)的信號(hào)電平框圖。
圖17說明了在各個(gè)電勢電平之間的關(guān)系，其中VDD是施加到正電源端T2的電勢電平，VSS是施加到負(fù)電源端T3的電勢電平，V1P和V1M是分別施加到輸入端T91和T92的輸入差分信號(hào)的電勢電平(輸入電勢)，V3C是施加到共模反饋電路CMFB的電勢電平，而V3P和V3M是分別輸入到IC內(nèi)部電路91的輸入差分信號(hào)的電勢電平。
通常，當(dāng)運(yùn)算放大器電路具有理想的特性時(shí)，在虛接地節(jié)點(diǎn)N91和N92處的電勢電平V2P和V2M總是保持在相同的電勢。此外，實(shí)際的差分運(yùn)算放大器電路能夠被假定為是其特性足夠接近理想特性的元件。因此，在差分反相放大器電路90正常操作的范圍中，在虛接地節(jié)點(diǎn)N91和N92處的電勢電平V2P和V2M近似地保持在相同的電勢，并且有可能認(rèn)為V2P＝V2M。假定在圖16的差分反相放大器電路90中，在虛接地節(jié)點(diǎn)N91和N92處的電勢電平V2P和V2M的中間電勢是V1C，并且電阻R91和R93的阻抗是r1，而且電阻R92和R94的阻抗是r2，則在虛接地節(jié)點(diǎn)處的電勢V2C(＝V2P＝V2M)可以由下列等式2給出。
V2C＝(r1/(r1+r2))×(V1C-VC)+VC(2)參見圖16，將對在向輸入端T91和T92施加在差分反相放大器電路90正常操作的輸入范圍中的正常電勢的情況下輸入保護(hù)電路的操作給出描述。依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路以與第一實(shí)施例中同樣的方式進(jìn)行操作。
施加到輸入端T91和T92的輸入信號(hào)V1P和V1M在差分反相放大器電路90中被轉(zhuǎn)換為信號(hào)V3P和V3M，然后把信號(hào)V3P和V3M傳送到IC內(nèi)部電路91。此時(shí)，電阻R91和R93的阻抗r1能夠被設(shè)置為大于電阻R92和R94的阻抗r2，而且差分反相放大器電路90中的放大增益能夠被設(shè)置為等于或者小于1。在這種情況下，如圖17所示，即使向輸入端T91和T92施加了大于正電源電勢電平VDD的輸入信號(hào)電勢V1P和V1M，也有可能通過衰減輸入信號(hào)V1P和V1M以及在差分反相放大器電路90中變換它們的電平，把輸入信號(hào)V1P和V1M轉(zhuǎn)換為落在介于電源電勢VDD和VSS的范圍內(nèi)的信號(hào)電勢V3P和V3M，然后把信號(hào)V3P和V3M傳送到IC內(nèi)部電路91。由于在這時(shí)在虛接地節(jié)點(diǎn)N91和N92處的電勢V2P和V2M保持在與由等式2決定的虛接地電勢V2C相同的電勢，如果已經(jīng)設(shè)置了VSS＜VC(＝V2P＝V2M)＜VDD，則虛接地電勢V2C防止向保護(hù)二極管D91和D93施加正向偏置電壓，所以保護(hù)二極管D91和D93沒有被導(dǎo)通。此外，除非輸入電勢V1P和V1M變得低于負(fù)電源電勢電平VSS，否則保護(hù)二極管D92和D94將不會(huì)被導(dǎo)通。
在依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，從上可知，在差分反相放大器電路90正常操作的輸入范圍中，輸入電流不會(huì)流入到保護(hù)二極管D91、D92、D93和D94中。因此，輸入信號(hào)V1不會(huì)被保護(hù)二極管D91、D92、D93和D94的漏電流變形，因而允許輸入信號(hào)V1P和V1M以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)被輸入到IC內(nèi)部電路91。
此外，依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路能夠依據(jù)輸入信號(hào)V1P和V1M的電平，適當(dāng)?shù)卦O(shè)置差分反相放大器電路90的環(huán)路增益和在虛接地節(jié)點(diǎn)處的偏置電勢電平V2C(＝V2P＝V2M)。這使得把每個(gè)電平的輸入信號(hào)V1P和V1M轉(zhuǎn)換為能夠在內(nèi)部電路中被處理的信號(hào)V3P和V3M、并且將信號(hào)V3P和V3M傳送到IC內(nèi)部電路91成為可能，而沒有受到半導(dǎo)體集成電路中的正電源電勢電平VDD的限制，而且在半導(dǎo)體集成電路以外沒有提供衰減器和電平變換電路。
下面將對在其中向輸入端T91和T92施加顯著地超過差分反相放大器電路90的過電壓(沖擊電壓)的情況下輸入保護(hù)電路的操作給出描述。這種情況的例子是由于靜電等向輸入端T91和T92施加了顯著超過差分反相放大器電路90的輸入范圍的過電壓的情況。
在向輸入端T91和T92施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正電源電勢VDD的正電勢的情況下，由遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正電源電勢VDD的正輸入電勢生成的電流從輸入端T91和T92經(jīng)由保護(hù)二極管D91和D93流到正電源端T2。如果施加到保護(hù)二極管D92和D94的電壓高于反向擊穿電壓(其通常大約為幾十伏電壓值)，則電流(保護(hù)二極管D92的反向擊穿電流)從輸入端T91和T92經(jīng)由保護(hù)二極管D92和D94流向負(fù)電源端T3。從上可知，從差分運(yùn)算放大器OPD和IC內(nèi)部電路91流出的電流變得極其小，所以沒有過電壓被施加到差分運(yùn)算放大器OPD的輸入部分，因此防止差分運(yùn)算放大器OPD的輸入部分被這樣的過電壓損害。
當(dāng)向輸入端T91和T93施加遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于負(fù)電源電勢VSS的負(fù)電勢時(shí)，電流從負(fù)電源端T3經(jīng)由保護(hù)二極管D92和D94流到輸入端T91和T92。因此，從差分運(yùn)算放大器OPD和IC內(nèi)部電路91流出的電流變得極其小，所以沒有過電壓被施加到差分運(yùn)算放大器OPD的輸入部分。這防止差分運(yùn)算放大器OPD被這樣的過電壓損害。
從上可知，在第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，當(dāng)向輸入端T91和T92施加過電壓(沖擊電壓)時(shí)，保護(hù)二極管D91、D92、D93和D94被導(dǎo)通。這能夠防止過電流流入IC內(nèi)部電路91和差分運(yùn)算放大器OPD，所以能夠保護(hù)IC內(nèi)部電路91和差分運(yùn)算放大器OPD免受靜態(tài)損害。
此外，在第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，由于保護(hù)二極管D92和D94分別直接連接到輸入端T91和T92，所以使流經(jīng)電阻R91和R92的電流很小。因此有可能把在電阻R91和R92兩端施加的電壓抑制為較低。這能夠保護(hù)IC內(nèi)部電路91和差分運(yùn)算放大器OPD免受靜態(tài)損害，并且還能夠防止輸入電阻R91和R92被過電壓或者過電流損害。
如上所述，依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路，當(dāng)施加到輸入端T91和T92的輸入信號(hào)V1P和V1M的電勢電平可能比正電源電勢電平VDD高但是沒有變得比負(fù)電源電勢電平VSS低時(shí)，如圖17所示，輸入信號(hào)V1P和V1M能夠以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)被傳送到IC內(nèi)部電路91而沒有變形。當(dāng)向輸入端T91和T92施加過電壓(沖擊電壓)時(shí)，保護(hù)二極管D91和D93或者保護(hù)二極管D92和D94被導(dǎo)通，以防止IC內(nèi)部電路91、差分運(yùn)算放大器OPD和輸入電阻R91或者R93被過電壓或者過電流損害。
此外，在第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路中，由于在虛接地節(jié)點(diǎn)N91和N92處的電勢V2P和V2M總是保持在穩(wěn)定電勢V2C，所以輸入阻抗能夠僅僅由電阻R91或者R93的阻抗r1確定。這能夠確保半導(dǎo)體集成電路的高效設(shè)計(jì)。
依據(jù)第四實(shí)施例的輸入保護(hù)電路能夠通過使用差分反相放大器電路90調(diào)整相對于差分輸入信號(hào)的信號(hào)。因此，調(diào)整相對于差分輸入信號(hào)的信號(hào)和保護(hù)IC內(nèi)部電路91免受靜態(tài)損害是可能的。因此，輸入保護(hù)電路能夠以無變形的和適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)把輸入信號(hào)輸入到IC內(nèi)部電路91，同時(shí)保護(hù)IC內(nèi)部電路91免受靜態(tài)損害并增加輸入信號(hào)的放大系數(shù)。
本發(fā)明不局限于第一到第四實(shí)施例，而是可以被適用于保護(hù)各種半導(dǎo)體集成電路免受靜態(tài)損害。在第四實(shí)施例中，第二實(shí)施例被適用于其反饋電阻為可變電阻而且其偏置電勢可變的反相放大器電路，而在第五實(shí)施例中，第一實(shí)施例被適用于反相放大器電路。然而本發(fā)明不局限于那些應(yīng)用，而是能夠被適用于需要被保護(hù)免受靜態(tài)損害的任何內(nèi)部電路。依據(jù)本發(fā)明的輸入保護(hù)電路能夠保護(hù)內(nèi)部電路免受靜態(tài)損害，并且在以適當(dāng)狀態(tài)保持輸入信號(hào)的同時(shí)將輸入信號(hào)輸入到內(nèi)部電路。
盡管已經(jīng)就使用反相放大器電路的情況給出了這些實(shí)施例的上述說明，但是本發(fā)明中的輸入保護(hù)電路不局限于反相放大器電路，而是可以適用于同相放大器電路、加法器電路、差分電路、積分器電路等等，本發(fā)明的實(shí)施例中的輸入保護(hù)電路能夠保護(hù)在反相放大器電路10中的電阻(電阻R1、R91或者R93)免受靜態(tài)損害，而且本發(fā)明中的輸入保護(hù)電路還能夠保護(hù)除電阻之外的其它各種元件，諸如電容元件、在輸入保護(hù)電路的前一級的電路。因此，本發(fā)明中的輸入保護(hù)電路不僅能夠保護(hù)內(nèi)部電路而且還能夠保護(hù)在前的電路或元件免受靜態(tài)損害。
簡而言之，本發(fā)明能夠提供輸入保護(hù)電路，其以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)保持輸入信號(hào)的波形同時(shí)防止靜態(tài)損害，并且還防止輸入電阻被靜態(tài)地?fù)p害。
權(quán)利要求
1.一種用于從源于靜電等的過量信號(hào)中保護(hù)內(nèi)部電路的輸入保護(hù)電路，包括輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，其至少具有輸入電阻、反饋電阻、和運(yùn)算放大器，并且以使輸入信號(hào)的電勢處于輸入范圍或者可輸入到所述內(nèi)部電路的信號(hào)電勢范圍中的方式，轉(zhuǎn)換從輸入端輸入的所述輸入信號(hào)的所述電勢；第一保護(hù)部分，連接到在所述輸入電阻和所述運(yùn)算放大器之間的虛接地節(jié)點(diǎn)和第一電源電勢，用于當(dāng)所述輸入信號(hào)的所述電勢大大地超過在所述第一電源電勢端的所述輸入范圍時(shí)，通過允許所述輸入信號(hào)的輸入電流流向所述第一電源電勢，來保護(hù)所述內(nèi)部電路；以及第二保護(hù)部分，連接到在所述輸入端和所述輸入電阻之間的任意點(diǎn)和第二電源電勢，用于當(dāng)所述輸入信號(hào)的所述電勢大大地超過在第二電源電勢端的所述輸入范圍時(shí)，通過允許所述輸入電流從所述第二電源電勢流向所述輸入端，來保護(hù)所述內(nèi)部電路。
2.一種用于從源于靜電等的過量信號(hào)中保護(hù)內(nèi)部電路的輸入保護(hù)電路，包括輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，其至少具有輸入電阻、反饋電阻、和運(yùn)算放大器，并且以使輸入信號(hào)的電勢處于輸入范圍或者可輸入到所述內(nèi)部電路的信號(hào)電勢范圍中的方式，轉(zhuǎn)換從輸入端輸入的所述輸入信號(hào)的所述電勢；第一保護(hù)部分，連接到在所述輸入端和所述輸入電阻之間的任意點(diǎn)和第一電源電勢，用于當(dāng)所述輸入信號(hào)的所述電勢大大地超過在所述第一電源電勢端的所述輸入范圍時(shí)，通過允許所述輸入信號(hào)的輸入電流流向所述第一電源電勢，來保護(hù)所述內(nèi)部電路；以及第二保護(hù)部分，連接到在所述輸入電阻和所述運(yùn)算放大器之間的虛接地節(jié)點(diǎn)和第二電源電勢，用于當(dāng)所述輸入信號(hào)的所述電勢大大地超過在第二電源電勢端的所述輸入范圍時(shí)，通過允許所述輸入電流從所述第二電源電勢流向所述輸入端，來保護(hù)所述內(nèi)部電路。
3.如權(quán)利要求1或2所述的輸入保護(hù)電路，其中，當(dāng)所述輸入信號(hào)的所述電勢超過所述第一電源電勢或者所述第二電源電勢時(shí)，所述輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分以使所述輸入信號(hào)的所述電勢處于所述輸入范圍中的方式，轉(zhuǎn)換從所述輸入端輸入的所述輸入信號(hào)的所述電勢。
4.如權(quán)利要求1或2所述的輸入保護(hù)電路，其中，所述運(yùn)算放大器通過改變偏置電勢來改變在所述虛接地節(jié)點(diǎn)處的電勢，以便以使已經(jīng)超過所述輸入范圍的所述輸入信號(hào)的所述電勢處于所述輸入范圍中的方式，轉(zhuǎn)換從所述輸入端輸入的所述輸入信號(hào)的所述電勢。
5.如權(quán)利要求1或2所述的輸入保護(hù)電路，其中，所述反饋電阻具有多個(gè)電阻和用于切換所述多個(gè)電阻的連接的開關(guān)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的輸入保護(hù)電路，其中，所述運(yùn)算放大器是差分運(yùn)算放大器，其中所述輸入信號(hào)差分輸入到該差分運(yùn)算放大器。
全文摘要
公開了一種輸入保護(hù)電路，其以適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)保持輸入信號(hào)的波形，同時(shí)防止靜態(tài)損害，并且還防止輸入電阻受到靜態(tài)地?fù)p害。輸入保護(hù)電路包括反相放大器電路，其以這樣一種方式轉(zhuǎn)換輸入的輸入信號(hào)的電勢，以使得輸入信號(hào)的電勢處于可輸入到IC內(nèi)部電路的信號(hào)的電勢范圍的輸入范圍中。保護(hù)二極管連接到在輸入電阻和運(yùn)算放大器之間的虛接地節(jié)點(diǎn)和正電源端，以允許已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在正電源端的輸入范圍的輸入信號(hào)流向正電源端，而另一個(gè)保護(hù)二極管連接到在輸入端和輸入電阻之間的任意點(diǎn)和負(fù)電源端，以允許已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過在負(fù)電源端的輸入范圍的輸入信號(hào)的輸入電流從負(fù)電源端流向輸入端，借此保護(hù)IC內(nèi)部電路。
文檔編號(hào)H01L21/822GK1484307SQ0315249
公開日2004年3月24日 申請日期2003年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月2日
發(fā)明者山口基 申請人:恩益禧電子股份有限公司