專利名稱：限壓保護(hù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子集成電路領(lǐng)域，具體涉及一個(gè)限壓保護(hù)電路，具有靜態(tài)功耗低、 靈敏度高和工藝要求低的特點(diǎn)，尤其適合集成在無(wú)線供能這樣的交流電路系統(tǒng)芯 片上。
背景技術(shù)：
在電源電壓變化的工作環(huán)境中，芯片中一般會(huì)集成一個(gè)限壓保護(hù)電路，用于在電源電壓超過(guò)芯片耐壓時(shí)起到保護(hù)芯片的作用?，F(xiàn)有的片上集成的限壓保護(hù)電路，主要是針對(duì)直流環(huán)境，即電源電壓在零電位以上的變化。常用的結(jié)構(gòu)有普通二極管的串聯(lián)、齊納二極管和一些其他的普通限壓結(jié)構(gòu)。普通二極管由于本身的特性，電壓電流曲線斜率較小，保護(hù)能力有限；齊納二極管具有很好的電壓電流特性，特性曲線斜率很高，而且也能有用于交流環(huán)境，但是需要采用特殊的工藝，增加了工藝成本，而這在有些設(shè)計(jì)中是不希望看到的，如采用全CMOS工藝；其他的限壓結(jié)構(gòu)，比如 Ulrich Kaiser 禾口 Wolfgang Steinhagen 在文獻(xiàn) A Low Transponder IC for High-performance Identification Systems中提到的一種限壓保護(hù)結(jié)構(gòu)，在一般的直流環(huán)境中可以工作，但是靈敏度不高，保護(hù)能力有限，更重要的是用于交流環(huán)境時(shí)，具有很大的襯底漏電流，會(huì)引起閂鎖效應(yīng)(latch-up)，導(dǎo)致芯片不能正常工作。在Pierre Favart^Philippe Deval 禾口Declercq 的文獻(xiàn)A high-Efficiency CMOS Voltage Doubler 至Ij的一禾中的襯底交換技術(shù)(the technique of bulk commutation),可以在交流環(huán)境中大的襯底漏電流問題。此項(xiàng)技術(shù)可以推廣用于限壓保護(hù)電路中，能夠起到很好的作用，并能廣泛的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的一種限壓保護(hù)電路，其特征在于包括一個(gè)電壓檢測(cè)電路，一個(gè)運(yùn)算放大器，一個(gè)通過(guò)旁路電流的開關(guān)管和兩個(gè)襯底輔助晶體管，采用普通的CMOS工藝即可實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明中，電壓檢測(cè)電路，檢測(cè)電源電壓兩端的相對(duì)電位大小，輸出一個(gè)檢測(cè)信號(hào)送至運(yùn)算放大器；運(yùn)算放大器通過(guò)比較檢測(cè)的電壓信號(hào)和預(yù)先設(shè)定電壓信號(hào)，來(lái)控制通過(guò)旁路電流的開關(guān)管的開和關(guān)；兩個(gè)襯底輔助晶體管，在電源電壓變化的情況下，動(dòng)態(tài)偏置旁路開關(guān)管和自身的襯底，使其始終偏置在高電平或者其他合適電平，進(jìn)而消除襯底電流。本發(fā)明中的交流電壓檢測(cè)電路，具有靜態(tài)電流小的特點(diǎn)。在電源電壓未達(dá)到保護(hù)電壓閾值，靜態(tài)電流為0。當(dāng)電源電壓超過(guò)保護(hù)閾值，交流電壓檢測(cè)電路開始工作，同時(shí)其消耗的靜態(tài)電流也非常的小。這樣就克服了傳統(tǒng)的采用電阻分壓結(jié)構(gòu)時(shí)的靜態(tài)功耗高的問題。本發(fā)明中的旁路開關(guān)管，由于采用高增益的運(yùn)算放大器作為比較器來(lái)控制其開和關(guān)，因此具有很高的靈敏度，更快的開關(guān)動(dòng)作，能夠更好的起到保護(hù)作用。本發(fā)明中的旁路開關(guān)管的襯底或者阱，是和兩個(gè)輔助晶體管的襯底或者阱連在一起，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制兩個(gè)開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作，可以很好實(shí)現(xiàn)襯底或者阱的合理偏置，進(jìn)而消除了普通結(jié)構(gòu)在交流環(huán)境中存在的大的漏電流而引起的閂鎖效應(yīng)(latch-up)，克服了不穩(wěn)定的問題。本發(fā)明提供的一種限壓保護(hù)電路，其特點(diǎn)在于采用新的電壓檢測(cè)結(jié)構(gòu)，具有靜態(tài)功耗低的優(yōu)點(diǎn)；采用高增益的運(yùn)算放大器控制旁路電流開關(guān)管，具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；采用襯底交換技術(shù)，可以消除電路在交流環(huán)境中大的襯底漏電流的問題，具有漏電流小的優(yōu)點(diǎn)；采用全CMOS工藝實(shí)現(xiàn)，具有工藝成本低，實(shí)現(xiàn)性高的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明提供的一種限壓保護(hù)電路，可以良好的應(yīng)用于交直流環(huán)境中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，特別適合于像無(wú)線供能系統(tǒng)和膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)等生物醫(yī)療領(lǐng)域，該結(jié)構(gòu)可以很好的集成在片上。


圖1為本發(fā)明所提供的一種限壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1中的電壓檢測(cè)電路具體實(shí)現(xiàn)電路圖。圖3為開關(guān)管和輔助晶體管實(shí)現(xiàn)的襯底或阱交換技術(shù)的原理示意圖；圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式
的一種電路結(jié)構(gòu)圖。圖5為本發(fā)明具體實(shí)施方式
的另外一種電路結(jié)構(gòu)圖。圖6所示為本發(fā)明在無(wú)線供能系統(tǒng)的一種應(yīng)用示意圖。
具體實(shí)施例方式由于現(xiàn)有多基準(zhǔn)電壓輸出電路中，外部電源VDD直接向基準(zhǔn)電源發(fā)生結(jié)構(gòu)提供電壓，因此VDD的波動(dòng)很大程度上將導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓波動(dòng)，降低了基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性。為提高穩(wěn)定性，本發(fā)明人提出可以在外部電源VDD及基準(zhǔn)電源發(fā)生結(jié)構(gòu)之間設(shè)置電源結(jié)構(gòu)，用于接收外部電源VDD的電壓，并輸出電壓提供給所述發(fā)生結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)置的電源結(jié)構(gòu)將能夠?qū)?VDD的波動(dòng)起一定屏蔽作用，降低VDD波動(dòng)對(duì)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性的影響。以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明如圖1所示，本發(fā)明的實(shí)施例由電壓檢測(cè)電路101，運(yùn)算放大器(Opamp)102和開關(guān)管襯底或阱交換電路106三部分組成。其中電壓檢測(cè)電路101檢測(cè)電源電壓兩個(gè)端子的相對(duì)電位差，判斷要不要進(jìn)行限壓保護(hù)；運(yùn)算放大器(opamp) 105通過(guò)比較電壓檢測(cè)電路的輸出電壓和比較參考電壓102來(lái)控制開關(guān)管的開和關(guān)。當(dāng)電壓檢測(cè)電路101輸出大于比較參考電壓102時(shí)，運(yùn)算放大器(opamp) 105輸出高電平，打開開關(guān)管，泄放過(guò)壓引起的大電流， 反之則關(guān)閉開關(guān)管。所以開關(guān)管的尺寸一般比較大，這由設(shè)定的旁路電流值有關(guān)。設(shè)定的旁路保護(hù)電流越大，開關(guān)管的尺寸也就越大。103為運(yùn)算放大器的獨(dú)立電源電壓端子，104 為運(yùn)算放大器105的低電平端子，這兩個(gè)端子都可以從后續(xù)電路中找到合適的電平進(jìn)行偏置。圖2所示的為本發(fā)明中所用的電壓檢測(cè)電路。電源電壓接在兩個(gè)端子201和202 上，正負(fù)極任意。第一支路由電阻203和nmos管204組成，其中nmos管204接成二極管連接的形式，其襯底不是直接連接到電源電壓的一個(gè)端子202上，而是連接到后面的開關(guān)管襯底或阱交換電路的襯底上，和他們一起進(jìn)行襯底偏置。第二支路由pmos管25和電阻206組成，pmos管205的柵和nmos管204的柵連在一起，N阱襯底連在電源端子201上。輸出端207用來(lái)輸出檢測(cè)到的電壓，送至后面的運(yùn)算放大器。當(dāng)電源電壓沒有達(dá)到限壓閾值時(shí)， 兩個(gè)mos管204和205均關(guān)閉，輸出檢測(cè)電壓為低電平；當(dāng)電源電壓大于限壓閾值時(shí)，兩個(gè) mos管均開啟，輸出檢測(cè)電壓為高電平。電阻203和204的取值一般在10 500KΩ之間， 使得開啟后靜態(tài)電流在μ A量級(jí)。mos管204的尺寸和電阻203 —起決定mos管205開啟時(shí)電源電壓的大小。mos管205和電阻206 —起決定檢測(cè)輸出電壓的大小。如前面所說(shuō)，電源電壓小于設(shè)定限壓閾值時(shí)，電路關(guān)閉，靜態(tài)電流為0，開啟后靜態(tài)電流在幾個(gè)μΑ，故具有靜態(tài)電流小的優(yōu)點(diǎn)。

圖3所示為開關(guān)管和輔助晶體管實(shí)現(xiàn)的襯底或阱交換技術(shù)的原理示意圖?；鹃_關(guān)管pmos管303 —般情況下其襯底通過(guò)N阱連接到高電位端子，這里采用襯底或阱交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏置pmos管303的N阱偏置在高電位。兩個(gè)輔助pmos管301和302的襯底和開關(guān)管303連在一起，同時(shí)連接到它們共同的源端。電源電壓接在兩個(gè)端子301和302 上?，F(xiàn)在以交流正弦波為例，分析在交流情況下電路的工作情況。正半周期，301為高電位， 301為0電位，pmos管304開啟，305關(guān)閉，襯底通過(guò)pmos管304連接到301端的高電位上； 負(fù)半周期，301為0電平，302為高電平，pmos管305關(guān)閉，304開啟，襯底通過(guò)pmos管305 連接到302的高電平上。通過(guò)兩個(gè)輔助晶體管304和305，就可以保證在任何電源電壓下， N阱襯底始終連接到高電平上，這樣就克服了固定襯底或者阱偏置下的漏電流問題，消除了閂鎖效應(yīng)(latch-up)，克服了不穩(wěn)定的問題。電壓檢測(cè)圖2中的mos管的襯底和阱和這部分的襯底和阱連在一起，同樣可以減小其漏電流。須注意連在一起的mos管必須是相同類型的mos管，即全為nmos管或者pmos管。圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式
的一種電路結(jié)構(gòu)圖。整個(gè)實(shí)施方案包括電壓檢測(cè)電路，運(yùn)算放大器和開關(guān)管襯底或阱交換電路。401和402接電源電壓的兩個(gè)輸入端，403， 404，405和406組成前面所述的電壓檢測(cè)電路。407輸出電壓檢測(cè)信號(hào)，送至運(yùn)算放大器408 的一個(gè)輸入端，一般為正向輸入端，另外一個(gè)負(fù)輸入端409輸入設(shè)定的比較參考電壓值，比如說(shuō)IV。運(yùn)算放大器的電源電壓高高電位接410，0電位接411，這兩個(gè)電平可以從后續(xù)電路中得到。開關(guān)管412的柵級(jí)接運(yùn)算放大器(Opamp)408的輸出端，N阱襯底和兩個(gè)輔助開關(guān)管413和414連在一起，同時(shí)連在414和414共同的漏端515上，nmos管404的N阱襯底也和它們的連在一起，連接到515上。輔助晶體管413和414的柵級(jí)分別接到電源電壓的兩個(gè)輸入端401和402上?，F(xiàn)以正弦波輸入為例，來(lái)說(shuō)明電路在交流環(huán)境中的工作過(guò)程。不妨設(shè)正半周期， 401端為高電位，402為0電位。開始時(shí)401的正電位小于設(shè)定的限壓閾值，電壓檢測(cè)電路關(guān)閉，檢測(cè)電壓輸出端407為0電位，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器(Opamp)408輸出0電位，開關(guān)管412關(guān)閉，限壓保護(hù)電路不工作。隨著正向電壓的增大，電壓檢測(cè)電路開始工作，輸出端407輸出電壓也隨著增大，當(dāng)其大于409端輸入的比較參考電壓，運(yùn)算放大器(opamp)輸出高電平， 開關(guān)管412打開，限壓保護(hù)電路開始工作。旁路電流通過(guò)412流向0電位402，這樣就避免大電流流向其他的電路，起到限壓保護(hù)的作用。正半周期，輔助晶體管414開啟，413關(guān)閉， 襯底通過(guò)414連接至402的0電平，只有很小的襯底漏電流。在負(fù)半周期，401為0電位， 402為高電位，整個(gè)限壓保護(hù)電路不工作。輔助晶體管413開啟，414關(guān)閉，襯底通過(guò)413連接至401的0電位，也只有很小的襯底漏電流。想要在兩個(gè)周期都能夠起到限壓保護(hù)作用，只需要將兩個(gè)相同的結(jié)構(gòu)反向并聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)，這樣一個(gè)在正半周期工作，另一個(gè)在負(fù)半周期工作，同時(shí)保證很小的襯底漏電流。圖5為本發(fā)明具體實(shí)施方式
的另外一種電路結(jié)構(gòu)圖。和圖4中的主要區(qū)別在于， 開關(guān)管512采用pmos管，輔以兩個(gè)pmos晶體管513和514來(lái)控制N阱的電位。正半周期， pmos管513開啟，514關(guān)閉，N阱偏置在501的高電位上；負(fù)半周期，pmos管514開啟，513 關(guān)閉，N阱偏置在502的高電位上。通過(guò)這兩個(gè)輔助pmos管的開和關(guān)，使得在正負(fù)各半周期，N阱總是偏置在高電位上。其外，還有一個(gè)區(qū)別就是相應(yīng)的電壓檢測(cè)電路也采用了互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)。和圖4中的原理一樣，pmos晶體管503的N阱也是連接至515，來(lái)實(shí)現(xiàn)其N阱的動(dòng)態(tài)偏置。整個(gè)電路的具體工作過(guò)程的分析和圖4的一樣，此處略過(guò)。

圖6所示為本發(fā)明在無(wú)線供能系統(tǒng)的一種應(yīng)用示意圖。圖中605所示為本發(fā)明的兩個(gè)限壓保護(hù)電路的反向并聯(lián)結(jié)構(gòu)。由諧振電容602和諧振電感603組成的諧振腔在E類功率放大器601的激勵(lì)下激發(fā)電磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線能量的發(fā)射過(guò)程。接收端諧振電感604和諧振電容605將接受的能量轉(zhuǎn)化成交流電信號(hào)。交流電信號(hào)通過(guò)整流橋607和濾波電容608 轉(zhuǎn)化成可以利用的直流電。在電壓調(diào)制器609的進(jìn)一步調(diào)制下生成穩(wěn)定的直流電壓供給負(fù)載610使用。611表示框內(nèi)的整個(gè)部分可以集成在片上，做成一個(gè)IC。由于能量傳遞過(guò)程中，整流橋607之前感應(yīng)的電壓信號(hào)可能會(huì)很高，超過(guò)后續(xù)芯片的耐壓值時(shí)，605所示的兩個(gè)限壓保護(hù)電路的反向并聯(lián)結(jié)構(gòu)開始工作，形成旁路電流通路，起到保護(hù)芯片的作用。本發(fā)明專利不僅局限于上述具體實(shí)施方式
，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其他多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明。因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種限壓保護(hù)電路，其特征在于，該電路包含電壓檢測(cè)電路，大尺寸的P型晶體管， 襯底輔助偏置電路和可選的運(yùn)算放大器電路。
2.如權(quán)利要求1所述的限壓保護(hù)電路，其特征在于，由于采用了初步的電壓檢測(cè)電路， 在電源電壓低于限壓閾值時(shí)不會(huì)開啟，其靜態(tài)功耗為零。
3.如權(quán)利要求1所述的限壓保護(hù)電路，其特征在于，采用了P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管提供電源到地的直接電荷泄放通路，為了提高泄放電流的能力，一般要求此P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的尺寸比較大。
4.如權(quán)利要求1所述的限壓保護(hù)電路，其特征在于，包含了兩個(gè)輔助襯底偏置的晶體管，把電路中所有的P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管特別是泄放通路的晶體管的襯底動(dòng)態(tài)的偏置在合理的電位上，降低了襯底泄漏電流，消除了閂鎖效應(yīng)。
5.如權(quán)利要求4所述的限壓保護(hù)電路，其特征在于，該電路不僅可以直接用于一般的直流工作環(huán)境，還可以直接用于一般的交流環(huán)境。
6.如權(quán)利要求1所述的限壓保護(hù)電路，其特征在于，為了使電路可以用在靈敏度更好的場(chǎng)合，可以在電路中加入運(yùn)算放大器，將檢測(cè)的電源電壓和基準(zhǔn)電壓比較，提高泄放電荷晶體管的開啟速度，提高保護(hù)電路的靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可以用于交流環(huán)境的限壓保護(hù)電路，以降低系統(tǒng)靜態(tài)功耗，減小襯底電流，消除閂鎖效應(yīng)。發(fā)明中所述的保護(hù)電路，包含電壓初步檢測(cè)電路，其靜態(tài)電流幾乎為零；包括一個(gè)大電流泄放通路，用以泄放在限幅發(fā)生時(shí)提供電荷泄放通路；包括兩個(gè)輔助襯底晶體管，用以在交流環(huán)境中正確的偏置電路中所有P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的襯底于最高電位，消除襯底電流，降低泄漏電流，確保電路正常穩(wěn)定的工作，此外，為了提高限壓保護(hù)電路的靈敏度，電路還可以包括一個(gè)運(yùn)算放大器電路。
文檔編號(hào)H02H9/04GK102157926SQ20111007935
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月30日
發(fā)明者馮亮, 毛羽, 程玉華, 賈孟軍 申請(qǐng)人:上海北京大學(xué)微電子研究院