專利名稱：過電壓保護的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對放大器和比較器的差動輸入端的保護，具體地說，涉及具有受保護的輸入端的差動型放大器。
背景技術：
及現(xiàn)有技術狀況在許多實際應用的包含運算放大器的電路中，由于使用了反饋并且運算放大器的增益非常高，因此這類放大器的兩個輸入端之間的電壓很接近于零。而相反，比較器被設計成提供能體現(xiàn)比較器的兩個輸入端之間電壓的輸出信號，因此，電路正常使用時，在比較器的輸入端之間一般總存在一定的電壓。但是，輸入電壓可能由于給輸入端提供信號的外部電路的原因而變得太大，這就可能損壞比較器電路。如果運算放大器所用的反饋沒有正常工作，在提供的輸入電壓變得太大時，這樣的放大器也會被損壞。反饋失效的原因可能是在大電壓供給輸入端的同時、在運算放大器的輸出端上做出了“轉換速率”限制，或者運算放大器的輸出端上連接了太大的負載。因此，運算放大器、尤其是比較器都需要保護電路。比較器在常規(guī)電路中顯然還沒有對輸入端之間電壓的機構限制。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是為差動放大器的輸入端提供簡單而有效的保護。
這里討論的基于晶體管的差動型放大器的兩個輸入端在常規(guī)方式下是輸入、有源放大晶體管的基極端子。輸入晶體管中基射結受到其中發(fā)射極和基極相互連接而連結成二極管的晶體管保護。則保護晶體管中有效的pn結是在基極與集電極之間的結，它通常具有高于基極和發(fā)射極之間的pn結的反向擊穿電壓。保護晶體管可以有利地以與輸入晶體管基本上相同的方式來制造，并且具有與它們基本相同的電特性，這使得在電子集成電路中能簡便地引入這樣的保護。
因此，通?？紤]包括兩個放大晶體管的差動型放大器，放大器的輸入端直接連接到每個放大晶體管的基極，用來接收輸入電壓，其差值產生和/或被放大、所得結果作為放大器的輸出端上的輸出電壓。因而輸出電壓體現(xiàn)了輸入端之間的電壓。最好，輸出端直接連接到放大晶體管其中之一的集電極。
為保護輸入端，特別是防止過大電流流過放大晶體管，第一晶體管中每一個的發(fā)射極直接與保護二極管串聯(lián)。每個保護二極管都連接成具有與其所連接的晶體管的基極與發(fā)射極之間pn結所形成的二極管相同的方向或極性。并且，保護二極管是由發(fā)射極和基極直接互相電連接的保護晶體管構成的。
通常不使用術語“發(fā)射極”和“集電極”，以與具有最低擊穿電壓的第一晶體管的pn結形成的二極管相同的方向或極性、直接把保護二極管與每個放大晶體管的pn結中反向擊穿電壓最低的一個pn結串聯(lián)。每個保護二極管都包括與放大晶體管相同極性類型的保護晶體管，在差動放大器中它們一般與其他晶體管基本一樣，或至少有基本相同的電特性或屬性。通過直接的電連接使每個保護晶體管中的第一和第二pn結中具有最小反向擊穿電壓的那個pn結短路。
放大晶體管和保護晶體管都可以是基本相同類型的npn晶體管或基本相同類型的pnp晶體管。


現(xiàn)在參照附圖以非限制性實施例對本發(fā)明進行描述。圖中圖1是已知類型的基于簡單晶體管的差動放大器的電路圖；圖2是只示出一些基本元件的圖1中放大器的簡化電路圖；
圖3是垂直npn晶體管的橫剖面示意圖；圖4是已知類型的帶輸入端保護的差動放大器的電路圖；圖5a是說明基極和集電極直接互相電氣連接的晶體管和二極管之間的等效關系圖；圖5b是說明基極和發(fā)射極直接互相電氣連接的晶體管與二極管之間的等效關系圖；圖6a是根據圖2的帶輸入端保護的放大器的電路圖，其中通過將晶體管連接成二極管的形式實現(xiàn)保護。
圖6b是一種采用了其他極性的晶體管、類似于圖6a的電路圖。
圖7是一種具有與圖6a所示相同的輸入端保護、按照圖1的放大器的電路圖。
最佳實施例的描述以下描述有某些明確極性的元件的放大器電路。對本領域的技術人員來說，顯然放大器電路也可以使用相反的極性，所以只要所用元件在其他方面有相應的或類似的電特性，用pnp晶體管代替npn晶體管或相反，使二極管反向，使正電壓改成負電壓或負電壓改成正電壓，使電流方向相反等。
圖1中示出輸入級的常見形式的電路圖，輸入級以適合用作例如比較器或運算放大器的差動放大器來說明。兩個完全一樣的晶體管T1和T2、例如圖中所示npn型晶體管構成電路的兩個輸入端1和3。晶體管T1和T2的發(fā)射極在發(fā)射極節(jié)點5相互連接并連接到第三npn晶體管T3的集電極，T3上加上適當?shù)钠秒妷浩鸬诫娏髟吹淖饔貌⑾蜉斎刖w管T1和T2提供發(fā)射極電流。第三晶體管的發(fā)射極如圖所示可連接到某電源VEE，例如相對地電平略有偏移的負電壓或者地電平本身。
兩個第一晶體管T1和T2、也就是放大晶體管或輸入晶體管的集電極以某種合適的方式、比如圖示的通過電流鏡像電路連接到電源VCC、例如正的恒定電壓。電流鏡像電路包括兩個pnp晶體管T4和T5，它們的基極相連而發(fā)射極都連接到電源VCC。用于第一輸入晶體管T1的pnp晶體管T4的基極和集電極相連，所以它起到二極管的作用，而這兩個晶體管T4和T5的集電極連接到各自的輸入晶體管T1和T2的集電極。與輸入晶體管T1和T2連接到驅動電壓VCC相關的重要事實是晶體管T4和T5具有相等的阻抗、以及空載或無載電壓(戴維南等效)，所以輸入晶體管T1和T2工作在其工作區(qū)，即它們沒有飽和，因此從其集電極到其基極的電壓一直為正，因此電流反射鏡中的晶體管T4和T5可以用連接在晶體管的集電極和正電源VCC之間的電阻代替。
圖2示出輸入級的簡化實施例，僅部分示意了電路組成中的基本元件。晶體管T3在圖中表示成電流發(fā)生器I1，而輸入晶體管T1和T2的集電極如所示僅連接到常規(guī)表示的連接節(jié)點。
圖1和圖2中示出的兩個電路的輸出信號原則上是通過輸入晶體管T1和T2中任何一個的集電極電流。代表該電流的電壓可以在比如第二輸入晶體管T2的集電極端子7上提取或找到。
當輸入端子1、3之間的電壓小時，兩個輸入晶體管T1和T2導通，電流從它們的發(fā)射極端子流向公共的發(fā)射極節(jié)點5。流過這些晶體管的電流分別由電流源I1或晶體管T3決定并且在它們中間分配，使得更多電流流經其輸入端、即基極具有最高電壓的輸入晶體管。當輸入端之間的電壓變得足夠大時，足夠大的意思是電壓差不多等于某VT時，其中VT與絕對溫度成比例，在室溫下大約為26mV，流經輸入端電位最低的輸入晶體管的電流可以忽略，而其他輸入晶體管基極或輸入端的電位由該晶體管的飽和電流決定。該晶體管基極和發(fā)射極之間的電壓大約由VBE＝VT·log(I1/IS)給定，其中I1是電流發(fā)生器I1所產生的電流，而IS為晶體管的飽和電流。
現(xiàn)在假設第二輸入晶體管T2的輸入端3的電壓保持恒定，而連續(xù)降低第一輸入晶體管T1的第二輸入端1的電壓。第一輸入晶體管T1上的電壓一直被降低，直到由電流發(fā)生器I1的電流和輸入晶體管的飽和電流決定發(fā)射極節(jié)點的電壓。當進一步降低該電壓時，第一輸入晶體管T1中基極和發(fā)射極之間的pn結的正向偏置程度愈來愈小，而后變?yōu)榉聪蚱?。當電壓最終變得足夠負時，只要超過所述pn結的擊穿電壓，電流又流過第一輸入晶體管T1的發(fā)射極，但這次是以相反的方向流過。該電流全部從第一輸入端1、即第一輸入晶體管T1的基極流出。這時電流不再由電流源I1決定，而是由外部電壓源的驅動能力以及兩個輸入晶體管T1和T2的電阻決定。在任何情況下，該電流都可能損壞這兩個輸入晶體管T1、T2，但可能主要是損壞其中發(fā)出功率變得最大的第一輸入晶體管T1。反向偏置的pn結開始導通電流之前、npn晶體管在其發(fā)射極和基極之間能夠允許的電壓對于不同的制造過程和不同的元件布局是不一樣的。對于信號處理晶體管，通常這種電流大于6V左右而小于10V左右。
通常，雙極型晶體管包括彼此相鄰處于一排中的三個區(qū)，這些區(qū)常常包含半導體材料制成的彼此上下迭放的具有交替極性的各層，所以就存在一個中間區(qū)和兩個外部區(qū)。雙極型晶體管可以是npn型的或者pnp型的。從也被稱為電極的各個區(qū)設置與外部電路的連接。中間區(qū)被稱為基區(qū)，兩個外部區(qū)分別構成集電區(qū)和發(fā)射區(qū)。如果電壓加在npn晶體管的端子上，使得對于npn晶體管Vc＞Vb＞Ve，而加在pnp晶體管使得Vc＜Vb＜Ve，其中Vc、Vb、Ve分別是晶體管的集電極、基極和發(fā)射極上的電位，如果給基極提供不太大的電流，該電流也應該是對npn晶體管為正而對pnp晶體管為負，通過晶體管集電極的電流由所提供的基極電流控制。粗略地講，集電極電流與基極電流成正比，該比例常數(shù)稱為BF、即“前向電流增益”，也由β來表示。
雙極型晶體管的兩個外部區(qū)中任意一個可稱為發(fā)射極，而另一個區(qū)則是晶體管的集電極。但是通常這樣確定集電極和發(fā)射極。使得比例常數(shù)β盡可能地大。對于相同極性的外加電壓，如果晶體管倒轉、使得集電極處在發(fā)射極以前所在的位置，有可能測量相應的比例常數(shù)或電流增益系數(shù)BR、即“反向電流增益”。通常BF比BR大得多。這種情況取決于晶體管的布局或結構的幾種最優(yōu)化，這些最優(yōu)化主要考慮的是期望有盡可能大的BF、即增益系數(shù)之一應該被給予最高的可能值。BR的值沒有BF重要，通常的值為BF＝50-100而BR＝0.5-10。值得注意的是，在放大器電路中使用晶體管的顯而易見的條件是它具有大于1的電流增益系數(shù)。
集成電路中npn晶體管的最常見實施例是垂直晶體管，如圖3的橫剖面示意圖所示。在某種具有與基極相同類型的低摻雜的外層材料11中，設置構成晶體管的各部分或區(qū)的層。集電區(qū)13是具有與外層材料相反摻雜的最低層。在這個最低層的中央有另一個構成基區(qū)的層15，而在基區(qū)的中央還有一個形成發(fā)射區(qū)的層17，所以在結構的中央得到這樣的層次序、即從下往上分別是集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)。不同的區(qū)在外邊緣一直延伸到結構表面而用于外部電連接。這樣制造這種晶體管，使得摻雜程度按發(fā)射極-基極-集電極的順序減小、即發(fā)射區(qū)的摻雜高于基區(qū)，而基區(qū)的摻雜又高于集電區(qū)。另外，結構中心的基區(qū)層15非常薄，集電區(qū)層相對較厚。這是為了得到所需的特性，包括高電流增益系數(shù)BF和良好的高頻特性。這些特性還導致集電極-基極結反向偏置時的擊穿電壓BVcb變得明顯高于發(fā)射極-基極結反向偏置時的擊穿電壓BVeb。在已經最優(yōu)化的制造過程中，集電極和基極間的擊穿電壓BVcb大致在50-120V的數(shù)量級，而發(fā)射極-基極結的擊穿電壓BVeb則為6-12V。這樣的制造工藝被用于要求電路能承受高電壓的應用中，例如，音頻放大器電路、電壓變換器、汽車所用的電子電路等。
上面描述的保護輸入級的已知方法包括在輸入端與按照圖3的輸入晶體管T1和T2的基極端串聯(lián)的連接電阻R1和R2。由此限制基極電流。此外，在這些晶體管的發(fā)射極和基極之間可以連接二極管D1和D2，使得這些二極管以與各個晶體管中基極-發(fā)射極-二極管相反的方向導通。這樣，當晶體管T1和T2中有一個的發(fā)射極和基極間反向電壓超過對應的反向并聯(lián)的外部二極管D1和D2的正向電壓時，所述正向電壓大約為0.6到1V，電流將通過外部二極管而不是通過各個晶體管來傳導。這種包括保護元件的電路方案的優(yōu)點在于增加的保護元件不影響正常工作時輸入級的跨導。眾所周知，在制造集成電路時，當制造工藝中只能使用晶體管時，則通過如圖5a所示將晶體管的基極和集電極相連得到二極管。由于晶體管中存在的兩個pn結顯然在晶體管的基極和發(fā)射極相連的情況下、如圖5b所示也是具備二極管功能的元件。但是，很少使用這樣的二極管元件，因為相對于通過把晶體管的基極和集電極相連而得到的二極管，它在大多數(shù)應用中都得到相對較差的特性。
但是看來，以非常規(guī)方式使用雙極性晶體管有可能獲得對差動放大器輸入端的保護。上面已經提及，大多數(shù)情況下需要晶體管的高電流增益，但在下文所描述的應用中卻是不必要的。
圖6a中示出一種結構基本與圖1和2所示放大器相同并且?guī)л斎攵吮Ｗo的差動放大器的電路原理圖。圖7中示出一個更完整的電路圖。在這個電路方案中，輸入晶體管T1、T2和公共的發(fā)射極節(jié)點5之間連接了兩個npn晶體管T6和T7。這些晶體管的基極端子連接到各自的發(fā)射極端子，所以僅使用了基極-集電極-二極管。它們這樣連接，使得放大器正常工作時發(fā)射極的電平高于集電極-基極，即基極-集電極-二極管被正向偏置。
如果以與上述相同的方式，第二輸入晶體管T2基極3上的輸入電壓保持恒定，而逐漸減小其他輸入端1的電壓、即第一輸入晶體管T1的基極電壓，那么首先通過第一晶體管的電流又會逐漸減小到0，進一步減小輸入電壓后，在第一晶體管T1中電流將以從發(fā)射極到基極的方向“反向流動”，但是這時，電流只有在節(jié)點5和輸入端1之間的電壓超過晶體管T1的發(fā)射極與基極之間的擊穿電壓BVeb和保護晶體管T6的集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓BVce之和后才開始流動。晶體管的集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓BVce在許多情況下都顯著地大于同一晶體管的發(fā)射極與基極之間的擊穿電壓BVeb，即比后者大許多倍，而且與上面已定義的集電極與基極之間的擊穿電壓BVcb在同一個數(shù)量級。在按照圖4的保護電路方案中，當節(jié)點5和輸入端1之間的電壓超過輸入晶體管的發(fā)射極與基極之間的擊穿電壓BVeb時，輸入晶體管T1中已經發(fā)生了電流浪涌。
圖6b中示出類似于圖6a、但放大或有源元件和保護元件都使用了npn晶體管的差動放大器的電路原理圖。電路的工作方式與圖6a和圖7中說明的電路基本相同。
按照圖6a和圖7或圖6b的電路解決方案的優(yōu)點在于，與沒有保護元件的情況相比，電路可以承受高出許多倍的電壓。與按照圖4的已知電路方案相比存在兩個優(yōu)點。在已知方案中，當保護開始起作用時，電流流過保護元件R1、R2、D1和D2。這樣的非控制電流主要會導致過熱。對于按照圖6a和圖7的方案就不會如此。另外，電阻常常不適合集成到單片集成電路中，或者是由于制造工藝本身不適合制造電阻，或者是由于它們在電路板上占的面積太大。在集成電路中，電阻越長其具有的阻值越大，由于電阻的寬度不允許小于掩模生產、光學分辨率等所決定的確定的最小尺寸，而電阻值由長度與寬度的比值決定，因此高阻值的電阻長度長而面積大。在根據圖4的保護電路中，在電路中未示出的為放大器輸入端饋送信號的其他元件所允許的情況下，電阻R1和R2的功率生成可能變得顯著。
按照圖6a、6b和7的電路中，連接成二極管的晶體管T6和T7影響了差動放大器的跨導。這一點可能是優(yōu)點，也可能是缺點。因此在某些以前已知電路中，可以用電阻連接到保護晶體管T6和T7的位置上以降低跨導。
權利要求
1.一種差動型放大器，它包括兩個第一晶體管，每個第一晶體管具有發(fā)射極、基極和集電極；直接連接到所述第一晶體管中每一個的所述基極、用于接收輸入電壓的輸入端；以及用于提供代表所述輸入端之間電壓的輸出電壓的輸出端，其特征在于直接與所述第一晶體管中每一個的所述發(fā)射極串聯(lián)的保護二極管，所述保護二極管中每一個都連接成具有與該保護二極管連接到其發(fā)射極的所述第一晶體管的基極與發(fā)射極之間的pn結所形成的二極管相同的方向或極性，并且所述保護二極管中每一個包括保護晶體管，所述保護晶體管的發(fā)射極和基極是直接互相電連接的。
2.如權利要求1所述的放大器，其特征在于所述輸出端直接連接到所述第一晶體管之一的所述集電極上。
3.如權利要求1-2中任何一個所述的放大器，其特征在于所述第一晶體管和所述保護晶體管都具有基本相同的電特性。
4.一種差動型放大器，它包括兩個同一極性類型的第一晶體管，每個第一晶體管具有發(fā)射極、基極和集電極，在所述基極和所述發(fā)射極之間存在第一pn結，并且在所述基極和所述集電極之間存在第二pn結；直接連接到所述第一晶體管中每一個的所述基極、用于接收輸入電壓的輸入端；以及用于提供代表所述輸入端之間電壓的輸出電壓的輸出端，其特征在于每一個所述第一晶體管中的所述第一和第二pn結之中具有最低反向擊穿電壓的那個pn結直接與保護二極管串聯(lián)，后者具有與所述擊穿電壓最低的第一晶體管的所述pn結所形成的二極管相同的方向或極性，所述保護二極管包括與所述第一晶體管相同極性類型的保護晶體管，每個保護晶體管具有發(fā)射極、基極和集電極，在所述基極和所述發(fā)射極之間存在第一pn結，并且在所述基極和所述集電極之間存在第二pn結，所述保護晶體管中每一個中所述第一和第二pn結之中具有最低反向擊穿電壓的那一個pn結被直接電連接所短路。
5.如權利要求4所述的放大器，其特征在于所述輸出端直接連接到所述第一晶體管之一的所述集電極；
6.如權利要求4-5中任何一個所述的放大器，其特征在于所述第一晶體管和所述保護晶體管都具有基本相同的電特性。
7.如權利要求4-6中任何一個所述的放大器，其特征在于所述輸入晶體管中在所述基極和所述發(fā)射極之間的所述pn結的擊穿電壓比所述基極與所述集電極之間的所述pn結的擊穿電壓低。
8.如權利要求4-7中任何一個所述的放大器，其特征在于所述第一晶體管和所述保護晶體管都是基本相同類型的npn晶體管，所述保護晶體管中每一個的發(fā)射極和基極是直接互相電連接的。
9.如權利要求4-7中任何一個所述的放大器，其特征在于所述第一晶體管和所述保護晶體管都是基本相同類型的pnp晶體管，所述保護晶體管中每一個的發(fā)射極和基極是直接互相電連接的。
全文摘要
一種差動型放大器、比如比較器或運算放大器,它具有兩個由例如npn型的輸入放大晶體管(T1,T2)的基極端子構成的輸入端(1,3)。輸入晶體管的集電極通過比如電流鏡像電路(T4,T5)連接到某個電源電壓(V
文檔編號H03F1/52GK1355957SQ00809059
公開日2002年6月26日 申請日期2000年4月19日 優(yōu)先權日1999年4月22日
發(fā)明者H·斯滕斯特倫 申請人:艾利森電話股份有限公司