ESD保护电路 |
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申请号 | CN200680043082.1 | 申请日 | 2006-09-19 | 公开(公告)号 | CN101517671B | 公开(公告)日 | 2013-04-10 |
申请人 | 加州大学评议会; | 发明人 | Y·马; G·-P·李; | ||||
摘要 | 提供了改进的保护 电路 用作 电压 过载保护电路、RF输入管脚的ESD保护电路以及分布式 放大器 的单位保护单元。优选地,该保护电路包括用以触发 开关 的正 阈值 电压触发器,其中该触发器包括与 电阻 器 串联 的 二极管 串,并且所述开关包括与单反向二极管串联的双极型晶体管开关。可选地,该触发器包括与单二极管和单 电阻器 串联的二极管串,并且用来触发与单反向二极管串联的复合晶体管对晶体管开关。在另一 实施例 中,复合晶体管对晶体管开关由电容器触发。在与分布式放大器使用时,该ESD保护电路优选被吸入到分布式放大器的仿真传输线内。 | ||||||
权利要求 | 1.一种具有过载保护的RF电路,包括: |
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说明书全文 | ESD保护电路技术领域[0001] 本公开涉及低电容负载(low capacitance loading)静电放电(ESD)保护电路,而且更特别地涉及ESD保护电路,该ESD保护电路用作功率放大器的片上电压过载保护电路、用于诸如通讯电路(telecom circuit)的集成电路的RF输入管脚的片上ESD保护电路以及与分布式放大器的仿真(artificial)传输线集成的单位保护单元(unit protection cell)。 背景技术[0002] RF功率放大器的集电极输出通常与RF电感器(经常称为RF扼流器)及输出阻抗匹配网络相连接。输出阻抗匹配网络的另一侧用诸如天线的终端(termination)端接。晶体管集电极输出处的电压由 表示。结果,晶体管集电极输出处的电压可能高于电源电压。而且,该电压多高还将取决于输出阻抗匹配网络的阻抗。在输出阻抗失配的情况下,例如在天线松动或被阻隔时,反射的信号反射回到晶体管并产生大的电压波形,该电压波形如此剧烈以致于可能损害晶体管结(junction)。此外,功率放大器由于要求高效传送高输出功率而往往工作在过驱动(overdirve)状态,在该过驱动状态下晶体管输入电压如此高以致于其接通切断集电极电流。 [0003] 在过驱动期间,晶体管可以被建模为与电容器C并联的开关S,如图1所示。当开关S短路时,通过电感器的电流处于最大。一旦开关S断开,由于电感器电流不能瞬间变为零,所以电感器电流流向晶体管电容和输出阻抗网络。由于巨大的电感器电流,集电极输出处的瞬态电压可能很高。如果这个过度的电压过载高于击穿电压,则其可能导致器件故障和可靠性的降低。 [0004] 即使当输出终端阻抗为50欧姆时,在RF过驱动期间瞬态集电极 输出电压波形可能大于击穿电压,如图2a所示。由于所示的过电压是正的,因而集电极-发射极(C-E)结和集电极-基极(C-B)结易受损坏。与过驱动相结合的调制输入信号以及输出阻抗失配可能使电压过载更加严重。对于伴有RF过驱动的开路终端(例如没有连接天线时),输出电压是最剧烈的,如图2b所示。瞬态输出电压如此之大以致于其甚至变成负的,在该情况下发射极-基极(E-B)结同样易受损坏。对于伴有RF过驱动的短路终端,尽管电压过载不如开路终端那样严重,但它还是比50欧姆的情况更严重,如图2c所示。输入信号的调制可增加额外的瞬态输出电压。用伴有RF过驱动的脉冲串仅进行简单的AM调制时,电压过载甚至变得更糟,如图2d所示。对于多级放大器,如果激励级被过驱动,则输出级的电压过载甚至可能更糟,因为激励级的电压尖峰会被输出级放大。通常,由于电压过载引起的晶体管故障发生在输出级,但它们也可能发生在激励级。 [0005] 电压过载保护电路的功能是将过电压箝位(clamp)到安全电平并从晶体管分流走过载电流。该电压箝位设计应当考虑信号的电压摆动,使得功率放大器的操作不受干扰。电压过载保护电路应当具有低的负载电容,如此不会影响RF性能。 [0006] 图3所示的可以用作电压过载保护电路的ESD保护电路被设计成CMOS的VDD到VSS箝位电路。[Ker,2001]为了避免与非隔离二极管相关的二极管泄漏问题,二极管被选择在场氧化物上掺杂。该设计用二极管串(D1)来触发NMOS(Mn3)。R3两端的电压接通Mn3。 [0007] 图4所示的可以用作电压过载保护电路的利用二极管串的ESD保护电路在GaAs HBT设计中很普遍并且经常使用。因为GaAs上的二极管是用MOVCD或MBE的外延层制作的,所以它们没有与硅的注入二极管相关的电流泄漏问题。 [0008] 当正电压施加到PAD(图4)时,二极管串(D2)被接通。过载电流然后下沉通过(sink through)这串二极管。二极管的数量决定接通这些二极管的预置电压。当负电压施加到PAD时,反向二极管(D3)开启并吸收(sink)过载电流。由于这些二极管的串联电阻,所需二极管的面积巨大。这反过来增大了二极管电容,这样会限制频带宽度。 [0009] 在SiGe的情况下,图5所示的无隔离的注入二极管串实际上是一组串联的如图6所示的双极型晶体管。随着温度的升高,从集电极到 衬底的漏电流增大。由于这个电流泄漏,后级由于电流流向地而具有较低的电流密度。这导致二极管串两端的增量压降的减少。因此,二极管应当被隔离。 [0010] 诸如通讯集成电路之类的集成电路的RF输入管脚的ESD保护可能是困难的。RF输入管脚处的工作电压低,因此ESD保护电路的接通电压必须低。即使如此,对于RF输入管脚的ESD保护,在ESD事件期间RF信号输入处的基极-发射极结必须在ESD保护电路之前首先接通。ESD保护电路只能在基极电压变得足够高时才能接通,这是由于基极-发射极电阻压降而允许的。因为这个固有的问题,在保护电路接通之前,基极-发射极不得不总是忍受一定量的ESD应力。为此,对于RF输入管脚的ESD电压保护更加困难。 [0011] 而且,输入ESD保护电路在ESD应力期间需要限制过度的正向基极-发射极电流。采用双二极管串ESD保护电路将在不引入与一般在RF输出和DC管脚处使用的二极管串中的大量串联二极管相关的显著电阻压降问题的情况下进行工作。仿真还显示双二极管串将具有低电容和低接通电阻。然而,由于双二极管串因较低数量的二极管而具有低接通电压,所以如果输入电压摆动大则其漏电流会较大。当输入RF功率大于10dBm时,双二极管串由于其低接通电压而具有显著的漏电流和较差的线性(双音调(2tone)三阶互调产物)。 [0012] 分布式放大器由于其传输线特性而具有很宽的带宽。然而,当ESD保护电路被添加到分布式放大器时,ESD保护电路的电容负载可能降低(degrade)分布式放大器的带宽。 [0013] 因而需要改进的ESD保护电路,其用作功率放大器的过载保护电路、用于诸如通讯电路的集成电路的RF输入管脚的ESD保护电路以及分布式放大器的单位保护单元。 发明内容 [0014] 此处所公开的实施例提供了ESD保护电路,其用作功率放大器的片上电压过载保护电路、用于诸如通讯集成电路之类的集成电路的RF输入管脚的片上ESD保护电路以及与分布式放大器的仿真传输线集成的单位保护单元。在一个实施例中,过载保护电路包括用以触发开关的正阈值电压触发器。该正阈值电压触发器优选地包括与单电阻器串联的二极管串。该开关优选包含与单反向二极管串联的双极型晶体管 开关。 [0015] 在另一个实施例中,该正阈值电压触发器包括与单二极管和单电阻器串联的二极管串。电压触发器用来触发与单反向二极管串联的复合晶体管(Darlington)对晶体管开关。复合晶体管对晶体管开关包括与第二晶体管串联的第一晶体管。对于提供ESD和电压过载保护两者的同一电路,可以仔细选择二极管的数量以确定适当的接通电压和可以保护的过载电压电平。在每个实施例中,反向二极管可以用来箝位过度的负过载电压。 [0016] 在电压过载事件期间,过电压被耦合在触发器的二极管串的两端并接通开关。电压过载保护电路非常快并且优选地比功率放大器更快。优选地,小于20皮秒接通电压触发器。在优选实施例中,二极管是隔离的注入二极管。 [0017] 过载电压保护优选地具有比用于过载保护电路的常规二极管串方法更小的寄生电容。根据模拟仿真,已示出常规电路的寄生电容是此处所提供的具有相似过载保护性能的过载保护电路的寄生电容的两倍。此外,本发明的过载保护电路占用ESD保护电路的常规二极管串方法的面积的1/4并且具有其一半的电容。更小的尺寸归因于复合晶体管能够更有效地传导过电流。由于更小的电容,此处所提供的过载保护电路可以提高主电路在更高频率处的电路性能。 [0018] 在ESD保护电路的实施例中,其用作诸如通讯集成电路之类的集成电路的RF输入管脚的片上ESD保护电路。ESD保护电路优选包括由电容器触发的复合晶体管开关。在优选实施例中,复合晶体管开关优选具有2个或3个晶体管。 [0019] 在ESD事件期间,ESD被耦合在电容器的两端并接通复合晶体管开关。由于复合晶体管开关具有高电流增益,所以仅需要小量的输入ESD电流来触发复合晶体管开关,从而导致触发电容器的小尺寸。触发电容器还具有阻挡DC电流的好处,减小高功率下的漏电流,提高线性并降低总电容负载。 [0020] 此处所公开的实施例提供了用于分布式放大器的改进的ESD保护电路,其中该ESD保护电路被吸入(absorb)到分布式放大器的仿真传输线中。在这个方案中,由于ESD保护电路分布在每个晶体管级中,ESD保护电路的电容被吸入并成为用于形成仿真传输线的电容的一部 分。由于具有更多的ESD保护电路,每个电流开关(复合晶体管对)的尺寸可以被减小以获得较低的电容。 [0021] 该ESD保护电路可以是二极管或电容器触发的。 [0023] 通过研究附图,本发明的细节(包括制造、结构和操作)可以略见一斑,其中在附图中相同的参考数字表示相同的部分。 [0024] 图1是建模为用于RF过驱动的开关的晶体管的示意图。 [0025] 图2是当输出终端是(a)50欧姆、(b)开路、(c)短路和(d)50欧姆并且输入信号用脉冲AM调制时WCDMA功率放大器的集电极输出在RF过驱动期间的模拟电压波形的图形表示。 [0026] 图3是VDD到VSS箝位电路的示意图。 [0027] 图4是利用所有二极管的片上电压过载保护电路的示意图。 [0028] 图5是在p衬底SiGe中二极管串的横截面图。 [0029] 图6是在p衬底SiGe中无隔离的注入二极管串的示意图。 [0030] 图7是电压过载保护电路的示意框图。 [0031] 图8是利用单双极型晶体管开关的片上电压过载保护电路的示意图。 [0032] 图9是利用复合晶体管对开关的片上电压过载保护电路的示意图。 [0033] 图10是当输出终端阻抗为50欧姆并且集电极输出(a)与电压过载保护电路连接(实线)及(b)没有与电压过载保护电路连接(虚线)时模拟的集电极输出电压波形在RF过驱动期间的图形表示。 [0034] 图11是图10的近视图。 [0035] 图12是利用SiGe基极发射极结的隔离的注入二极管的横截面图。 [0036] 图13是RF输入管脚的电容器触发的复合晶体管开关ESD保护电路的示意图,其利用(a)双晶体管的复合晶体管开关和(b)三晶体管的复合晶体管开关。 [0037] 图14是示出(a)ESD保护电路的模拟的DC漏电流和(b)ESD保护电路的模拟的RF漏电流的图形表示。 [0038] 图15是示出ESD保护电路的模拟的双音调三阶互调产物的图形表示。 [0039] 图16是在每个管脚处带有单ESD保护电路的宽带分布式放大器的示意图。 [0040] 图17是带有被仿真传输线吸入的ESD保护电路的宽带分布式放大器的示意图。 [0041] 图18包括示出有无ESD保护电路的分布式放大器的模拟互阻抗的比较的图形表示,其中所述放大器在每个RF管脚处带有单ESD保护电路或者带有被仿真传输线吸入的ESD保护电路。 [0042] 应当注意这些附图不是按比例绘制的,并且为了所有附图中说明的目的,相似结构或功能的元件通常用相同的参照数字表示。还应当注意,这些附图仅仅打算方便优选实施例的描述。 具体实施方式[0043] 下文公开的每个附加特征和教导可以单独或结合其它特征和教导进行利用以提供ESD保护电路,该ESD保护电路用作功率放大器的片上电压过载保护电路、诸如通讯集成电路之类的集成电路的RF输入管脚的片上ESD保护电路以及与分布式放大器的仿真传输线集成的单位保护单元。现在将参照附图更详细地描述本发明的代表性示例,这些示例既单独地又结合地利用许多这些附图特征和教导。该详细描述仅仅打算教导本领域技术人员实践本教导的优选方面的其他细节,并不打算限制本发明的范围。因此,以下详细描述中所公开的特征和步骤的组合从最广义上来说不是实践本发明所必须的,并且相反教导它们仅仅是为了具体描述本教导的代表性示例。 [0044] 此外,代表性示例和从属权利要求的各种特征可以以未详细明白列举的方式进行组合,以便提供本教导的其它有用实施例。另外,应特别注意,为了原始公开的目的以及为了独立于具体实施方式和/或权利要求书中的特征的组成来限定所要求保护的主题,说明书和/或权利要求书中所公开的所有特征意欲彼此间被单独且独立地公开。还要特别注意,为了原始公开以及为了限定所要求保护的主题的目的,实体组的所有值范围或指示公开了每个可能的中间值或中间实体。 [0045] 这里公开的实施例提供了低负载电容片上ESD保护电路,该ESD保护电路用作功率放大器在输出阻抗失配、RF过驱动以及调制输入信号情形时的电压过载保护电路,用作诸如通讯集成电路之类的集成电路的RF输入管脚的ESD保护电路,待与诸如分布式放大器的宽带放大 器的仿真传输线集成而不降低其性能的单位保护单元。由异质结双极型晶体管技术实现的通讯集成电路的低负载电容片上ESD保护电路在2002年1月18日提交的美国临时专利申请序列号60/349,899中有所描述,该申请在此引用以供参考。 [0046] 该过载保护电路的优选实施例示意性地在图7、8及9中示出。转向图7,如图所示,过载保护电路100优选地分别包括正过载电压补偿块和负过载电压补偿块110和120。正补偿块110优选包括电压触发器112和开关114。负补偿块120优选包括开关122。 [0047] 参考图8,该过载保护电路包括正阈值电压触发器112,该正阈值电压触发器优选包含与单电阻器R1串联的二极管串D2。耦合至开关114的触发器112用来触发开关114。 如图所示,开关114优选为与单二极管D5串联的双极型晶体管开关Q3。 [0048] 参考图9,正阈值电压触发器112优选包含与单二极管D4和单电阻器R1串联的二极管串D2。电压触发器112优选地耦合至并用来触发与单二极管D5串联的复合晶体管对晶体管开关114。复合晶体管对晶体管开关114优选包含与第二晶体管Q3串联的第一晶体管Q2。在同一电路提供ESD和电压过载保护的情况下,可以认真选择二极管的数量以确定适当的接通电压以及可以保护的过载电压电平。 [0049] 图8和图9所示的反向二极管D3可以用来箝位过度的负过载电压。 [0050] 图10(实线)示出了电压过载保护电路箝位过电压的晶体管输出波形。在电压过载事件期间,例如在输出阻抗失配、RF过驱动和/或调制输入信号情形的情况下,过载电流被耦合在触发器的二极管串D2的两端并接通开关。电压过载保护电路的接通时间非常快,小于20皮秒,如图11所示。 [0051] 为了保护SiGe HBT功率放大器,可以实施与图8和图9所示的相同的保护电路布局。由于SiGe HBT具有比GaAs HBT更低的击穿,所以电压过载保护电路对于提高SiGe HBT功率放大器的可靠性非常重要。除了GaAs和SiGe功率放大器工艺技术外,图8和图9所示的过载保护电路布局可以用硅双极型、CMOS等的功率放大器工艺技术来实施。 [0052] 在优选实施例中,如图12所示,二极管是隔离的注入二极管。该隔离的注入二极管是利用常规工艺有利构造的。 [0053] 图8和图9所示的二极管串触发的过载保护电路有利地用作RF输出管脚和DC管脚的ESD保护电路,其中电压摆动和工作电压在这些管脚处为高。然而,如上所述,用以保护RF输入管脚的ESD保护电路需要满足额外的要求。 [0054] 图13示出了RF输入管脚的ESD保护电路200。通过用电容器C1替代图8和9中所示的触发二极管串而修改电路200,电路200包括复合晶体管对晶体管开关214,该复合晶体管对晶体管开关214包含与第二晶体管Q2串联的第一晶体管Q1。电容器C1充当晶体管开关214的触发器212,其与单二极管D1串联。在ESD事件期间,ESD电流被耦合在电容器C1两端并接通复合晶体管对214。由于复合晶体管对214具有高电流增益,仅需要小量的输入ESD电流来触发复合晶体管对214,因而导致触发电容器C1212的小尺寸。电容器C1还具有阻挡DC电流的好处,减小高功率下的漏电流,提高线性并降低总电容负载。尽管该电路不必直接连接到焊盘(pad),但由于ESD从电路之外(通常经过焊盘)进行传送,所以ESD保护电路可以在焊盘处提供ESD保护。 [0055] 对于复合晶体管开关214,其优选包含如图13a所示的串联安装的2个晶体管Q1和Q2或者如图13b所示的串联安装的3个晶体管Q1、Q2和Q3。测量结果已示出双晶体管复合晶体管开关提供更好的ESD保护,但三晶体管复合晶体管开关具有更小的电容。如图14a和图14b所证实的,电容器触发的复合晶体管对ESD保护电路的DC及RF漏电流低于双晶体管ESD保护电路的漏电流。而且,电容器触发的复合晶体管对ESD保护电路具有更好的线性,如图15所示。 [0056] 分别示于图8、9和13的反向二极管D3和D2可以用来箝位过度的负电压。 [0057] 分布式放大器由于其传输线特性而具有很宽的带宽。然而,如图16所示,当ESD保护电路310被添加到分布式放大器300时,ESD保护电路310的电容负载可以降低分布式放大器300的带宽。为了提高ESD鲁棒性同时最小化带宽的降低,ESD保护电路410和420可以被吸入到分布式放大器400的仿真传输线中,如图17所示。在这个方案中,由于ESD保护电路410被分布在每个晶体管级430中,所以ESD保护电路410、420的电容被吸入并且成为用于形成仿真传输线的电容的一部分。通过分布式的ESD保护,一个大的ESD保护电路可以有利地被 分成一个以上的较小电路,其中每个ESD保护电路的电容被吸收到每级中。由于具有更多的ESD保护电路,因而可以减小每个的尺寸以及每个电流开关(复合晶体管对)的尺寸。即使在相同总电容或甚至更大的总电容的情况下,由于电容负载被吸入,所以到分布式放大器的电容负载较小。分布式ESD方案可以应用于其它非复合晶体管ESD保护电路。 [0058] 如图17所示,带有ESD保护电路的分布式放大器400的优选实施例包含集电极电压管脚VC、RF输出管脚RF OUT、RF输入管脚RF IN、第一基极电压管脚VB1、第二基极电压管脚VB2以及多个晶体管级430。放大器400优选包括位于VC、VB1和VB2的二极管触发的ESD保护电路410以及分布在每个晶体管级430的ESD保护电路。优选地,二极管触发的ESD保护电路410分布在每个晶体管级并沿输出传输线与上晶体管级并联,而电容器触发的ESD保护电路420分布在每级并沿输入传输线与下晶体管级并联。 [0059] 对于输出线,一旦ESD电压超过二极管串的接通电压,二极管串就接通复合晶体管。对于RF输入端口保护,可选的ESD保护电路需要满足额外的要求。对于RF输入端口ESD保护,在RF信号输入处的基极-发射极结在ESD事件期间接通。即,由于基极-发射极电阻压降,ESD保护电路仅在基极电压变得足够高时才接通。因为这个固有问题,在保护电路接通之前,基极-发射极不得不忍受一定量的ESD应力。为此,用于输入的ESD电压保护更加困难。输入ESD保护电路需要在ESD应力期间限制过度的正向基极-发射极电流。为此,采用带有由电容器触发的复合晶体管对的ESD保护电路。在ESD事件期间,ESD被耦合在电容器的两端并接通复合晶体管对。电容器还具有阻挡DC电流的好处,减小高功率下的漏电流,并降低总电容负载。 [0060] 对于分布式放大器,总带宽由每个晶体管级的带宽确定。由于所有ESD保护电路的电容负载被分割,所以只有该电容负载的一小部分会影响该带宽。这导致与在每个RF管脚仅有单个大ESD保护电路的情况相比带宽提高。图18比较了无ESD保护电路的分布式放大器、在每个RF管脚处具有单ESD保护电路的分布式放大器以及ESD保护电路分布在每级之间且其电容被仿真传输线吸入的分布式放大器的模拟的互阻抗。如图18所示,对于相同的ESD保护级别,当ESD保护电路沿仿 真传输线分布时,明显存在较小的带宽下降。 [0061] 转回到图8、9和13,示出了二极管触发和电容器触发的ESD保护电路的示范性实施例。在图8中,二极管触发的ESD保护电路包括正阈值电压触发器,其包括与单电阻器R1串联的二极管串D2。该触发器用来触发与单二极管D5串联的双极型晶体管开关Q3。在图9中,正阈值电压触发器包含与单二极管D4和单电阻器R1串联的二极管串D2。电压触发器用来触发与单二极管D5串联的复合晶体管对晶体管开关。该复合晶体管对晶体管开关包含与第二晶体管Q4串联的第一晶体管Q2。对于提供ESD和电压过载保护的同一电路,可以认真选择二极管的数量。 [0062] 图13示出了电容器触发的ESD保护电路。通过用电容器C1替代图8和9所示的触发二极管串而修改该电路,该电路优选包括复合晶体管对晶体管开关,该复合晶体管对晶体管开关包含与第二晶体管Q2串联的第一晶体管Q1。电容器C1充当晶体管开关的触发器。 [0063] 在前述的说明中,已经参照其具体实施例描述了本发明。然而,显然可以对其进行各种修改和变更而不偏离本发明的较宽精神和范围。例如,一个实施例的每个特征可以与其它实施例所示的其它特征进行混合和匹配。根据需要可以类似地并入对本领域技术人员所熟知的特征和方法。附加地且显而易见地,根据需要可以增加或减去一些特征。因此,本发明除了根据所附权利要求书及其等同物之外不受限定。 |