CN107465180A - 一种具有交流检测和直流检测的钳位电路 - Google Patents

一种具有交流检测和直流检测的钳位电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有交流检测和直流检测的钳位电路，该钳位电路包括：交流检测模块1，直流检测模块2，ESD泄放管Mesd。当ESD发生时，节点AC_OUT的电压为低，直流检测模块开启并对PAD上的电压进行直流检测。若PAD的电压高于设定的值VH，则直流检测的输出DC_OUT为逻辑高，Mesd被开启并泄放ESD电流。在泄放ESD过程中，当PAD的电压低于设定的安全值VL时，直流检测的输出由高变为低，Mesd被关断，结束对ESD的泄放。与传统的钳位电路相比，本发明的钳位电路具有直流检测功能，其优点在于不容易被非ESD的情况误触发。另外，当ESD触发该电路时，不会将PAD的电压泄放得过低，使得PAD在受ESD攻击时电路仍然能够保持正常的工作状态。使得本发明的电路具有更灵活广泛的应用。

Description

一种具有交流检测和直流检测的钳位电路
技术领域
本发明涉及微电子技术中的ESD（Electrostatic Discharge）技术领域，特别是涉及一种应用交流检测和直流检测来防止非ESD误触发以及防止ESD触发后泄放过度的钳位（clamp）电路，该技术使得clamp电路具有更灵活更广泛的应用。
背景技术
任何两个不同材料的物体摩擦，都有可能产生静电。当电子元器件在制造、生产、组装、测试、存放、搬运等过成中，静电会积累在人体、仪器、存放设备等之中，甚至在电子器件本身也会积累电荷。当静电源与其它物体接触时，存在着电荷流动，将产生潜在的破坏性电压、电流以及电磁场，严重时可以将其中的物体击毁，这就是静电放电ESD。
随着集成电路技术和工艺水平的不断发展，芯片上的晶体管以及器件尺寸越做越小，芯片的集成度越来越高，这些对芯片ESD保护提出了更高的要求，使得集成电路的静电放电保护电路的设计难度达到了空前的高度。
clamp电路在ESD防护电路中扮演着至关重要的角色。传统的clamp电路如图1所示，一般RC的时间常数设置为几百纳秒，其缺点在于容易被非ESD事件（例如百纳秒级的上电速度）误触发；另外，ESD泄放场效应管Mesd一旦被触发，则容易将PAD的电压拉得很低，可能会影响芯片的正常工作状态。基于以上缺点，图1所示的clamp电路的应用受到一定的限制。然而在一些特殊的应用场合或者特殊的芯片引脚，例如对于电源上电速度很快的特殊应用需求或者open drain的引脚，传统的clamp电路容易被误触发而影响芯片的功能。因此，设计出具有更灵活更广泛应用的 clamp防护电路，对整个微电子的发展是非常有意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种clamp电路的结构，该clamp电路结构利用交流检测加上直流检测的方法，有效防止非ESD误触发以及防止ESD触发后泄放过度，该技术使得clamp电路具有更灵活更广泛的应用。
为了实现上述目的，本发明提供的clamp电路包含交流检测模块，直流检测模块，ESD泄放场效应管Mesd。交流检测模块的上端接PAD，交流检测模块的下端接GND，交流检测模块的输出端AC_OUT接直流检测模块的输入端；直流检测模块的上端接PAD，直流检测模块的下端接GND，直流检测模块的输入端接交流检测模块的输出端，直流检测模块的输出端DC_OUT接ESD泄放场效应管Mesd的栅极；场效应管Mesd的漏端接PAD，场效应管Mesd的源端接GND，场效应管Mesd的栅极接直流检测模块的输出端。
根据本发明的实施例，所述交流检测模块包含电阻R1和电容C1，电阻R1的一端接PAD，电阻R1的另一端连接电容C1和直流检测模块的输入端场效应管MP1的栅极，电容C1的另一端接地GND。
根据本发明的实施例，所述直流检测模块包含电阻R2，R3，R4，R5，场效应管MP1，MN1，MN2，反相器INV。场效应管MP1的源端连接到PAD，场效应管MP1的栅极连接到交流检测模块的R1和C1的连接点，场效应管MP1的漏端接电阻R2；电阻R2的一端接场效应管MP1的漏端，电阻R2的另一端接电阻R3的一端和场效应管MN1的漏端；电阻R3的一端接电阻R4的一端和场效应管MN1的源端以及场效应管MN2的栅极；电阻R4的一端接电阻R3的一端和场效应管MN1的源端以及场效应管MN2的栅极，电阻R4的另一端接地GND；场效应管MN1的源端连接R3和R4以及场效应管MN2的栅极，场效应管MN1的漏端连接R2和R3，场效应管MN1的栅极连接反相器INV的输出端和场效应管Mesd的栅极；场效应管MN2的源端连接地GND，场效应管MN2的漏端连接R5和反相器INV的输入端，场效应管MN2的栅极连接R3和R4以及场效应管MN1的源端；R5的一端接PAD，R5的另一端接场效应管MN2的漏端和反相器INV的输入端；反相器INV的输入端接R5的一端和场效应管MN2的漏端，反相器INV的输出端接场效应管MN1的栅极和场效应管Mesd的栅极。
根据本发明的实施例，场效应管Mesd的漏端接PAD，场效应管Mesd的源端接地GND，场效应管Mesd的栅极接直流检测模块的输出端，即反相器INV的输出端和场效应管MN1的栅极。
根据本发明的技术方案，具有以下的有益效果：由于本发明的clamp电路具有直流检测功能，其优点在于不容易被非ESD的情况误触发，另外，当ESD触发该电路时，不会将PAD的电位拉得过低，可以使得PAD在受ESD攻击时电路仍然能够正常工作。因此，该clamp电路具有更灵活广泛的应用。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显和清晰，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中。
图1为现有技术电源钳位电路示意图。
图2为本发明钳位电路示意图。
图3为本发明钳位电路具体实施例示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明具有交流检测和直流检测的钳位电路包含一个交流检测模块U1，一个直流检测模块U2， ESD泄放场效应管Mesd。其连接关系如下：交流检测模块U1的上端接PAD，交流检测模块U1的下端接GND，交流检测模块U1的输出端AC_OUT接直流检测模块U2的输入端；直流检测模块U2的上端接PAD，直流检测模块U2的下端接GND，直流检测模块U2的输入端接交流检测模块U1的输出端，直流检测模块U2的输出端DC_OUT接ESD泄放场效应管Mesd的栅极；场效应管Mesd的漏端接PAD，场效应管Mesd的源端接GND，场效应管Mesd的栅极接直流检测模块U2的输出端。
在电路正常工作时，若PAD上的电压为恒定的电源电压VDD，则节点AC_OUT的电压为PAD上的电压，直流检测模块被关断，其输出节点DC_OUT为低，场效应管Mesd被关断；若正常工作时，PAD上传输翻转的数字逻辑信号，交流检测到交流电压，节点AC_OUT的电压为逻辑低，开启直流检测模块。但由于PAD的电压峰值不够大，直流检测模块的输出节点DC_OUT仍为低，泄放管Mesd被关断。
当发生ESD时，交流检测模块检测PAD上的ESD电压，节点AC_OUT的电压相对于PAD为低，直流检测模块开启并对PAD的电压进行直流检测。若PAD的电压高于设定的值VH，则直流检测模块的输出DC_OUT为逻辑高，场效应管Mesd被开启并泄放ESD电流。另外，电路在发生ESD时，直流检测模块具有迟滞的功能，即在场效应管Mesd被开启泄放ESD电流时，PAD的电压逐渐降低，当PAD的电压低于设定的安全值VL（VL<VH）时，输出DC_OUT的逻辑由高变为低，场效应管Mesd被关断，结束对ESD的泄放。
如图3所示。本发明具有交流检测和直流检测的钳位电路具体实施例包括交流检测模块1，直流检测模块2和 ESD泄放场效应管Mesd。电路的器件连接关系如下：电阻R1的一端接PAD，电阻R1的另一端连接电容C1和直流检测模块2的输入端场效应管MP1的栅极；电容的一端接电阻R1和直流检测模块2的输入端场效应管MP1的栅极，C1的另一端接地GND；场效应管MP1的源端连接到PAD，场效应管MP1的栅极连接到交流检测模块R1和C1的连接点，场效应管MP1的漏端接电阻R2；电阻R2的一端接场效应管MP1的漏端，电阻R2的另一端接电阻R3的一端和场效应管MN1的漏端；电阻R3的一端接电阻R4的一端和场效应管MN1的源端以及场效应管MN2的栅极；电阻R4的一端接电阻R3的一端和场效应管MN1的源端以及场效应管MN2的栅极，电阻R4的另一端接地GND；场效应管MN1的源端连接R3和R4以及场效应管MN2的栅极，场效应管MN1的漏端连接R2和R3，场效应管MN1的栅极连接反相器INV的输出端和场效应管Mesd的栅极；场效应管MN2的源端连接地GND，场效应管MN2的漏端连接R5和反相器INV的输入端，场效应管MN2的栅极连接R3和R4以及场效应管MN1的源端；R5的一端接PAD，R5的另一端接场效应管MN2的漏端和反相器INV的输入端；反相器INV的输入端接R5的一端和场效应管MN2的漏端，反相器INV的输出端接场效应管MN1的栅极和场效应管Mesd的栅极；场效应管Mesd的漏端接PAD，场效应管Mesd的源端接地GND，场效应管Mesd的栅极接反相器的输出端和场效应管MN1的栅极。
在电路正常工作时，节点AC_OUT的电压为PAD上的电压，直流检测模块2中的场效应管MP1被关断，节点n1的电压为低，场效应管MN2被关断，节点n2的电压为高，反相器的输出节点DC_OUT为低，泄放管Mesd被关断；若正常工作时，PAD上传输翻转的数字逻辑信号，当PAD从0V上升到VDD时，交流检测模块1检测到PAD的电压变化，节点AC_OUT的电压为逻辑低，直流检测模块2中的场效应管MP1被开启，节点n1的电压为VDD×R4/(R2+R3+R4)，但由于PAD的电压峰值不够大，场效应管MN2仍被关断，节点n2的电压为高，反相器的输出节点DC_OUT为低，泄放管Mesd被关断。
当发生ESD时，交流检测模块1检测PAD上的ESD电压，节点AC_OUT的电压相对于PAD为低，直流检测模块2中的场效应管MP1被开启，节点n1的电压为Vesd×R4/(R2+R3+R4)。其中Vesd为发生ESD时PAD上的电压，一般Vesd的峰值可达十几V，此时节点n1的电压大于场效应管MN2的开启电压，场效应管MN2被开启，节点n2的电压为低，反相器的输出节点DC_OUT为高，场效应管Mesd被开启并泄放ESD电流。同时，反相器的输出接到场效应管MN1的栅极，场效应管MN1被开启，电阻R3被短路，使得节点n1的电压Vesd×R4/(R2+R4)进一步增大，促进场效应管MN2的开启。直流检测模块具有迟滞的功能，即在场效应管Mesd被开启泄放ESD电流时，PAD的电压Vesd逐渐降低，当节点n1的电压Vesd×R4/(R2+R4)低于场效应管MN2的开启电压时，节点n2的电压为高，输出DC_OUT的逻辑由高变为低，结束对ESD的泄放。另一方面，交流检测模块1检测到交流电压以后，节点AC_OUT的电压由低逐渐上升为高，当节点AC_OUT的电压上升到使场效应管MP1关断时，节点n1的电压为低，场效应管MN2被关断，节点n2的电压为高，反相器的输出节点DC_OUT为低，场效应管Mesd被关断，结束ESD的泄放。
以上实例仅为本发明的优选例子而已，本发明的设计构思并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有交流（AC）检测和直流（DC）检测的钳位（clamp）电路，包含有交流检测模块，直流检测模块， ESD泄放场效应管Mesd，具体的连接关系如下：交流检测模块的上端接PAD，交流检测模块的下端接GND，交流检测模块的输出端AC_OUT接直流检测模块的输入端；直流检测模块的上端接PAD，直流检测模块的下端接GND，直流检测模块的输入端接交流检测模块的输出端，直流检测模块的输出端DC_OUT接场效应管Mesd的栅极；场效应管Mesd的漏端接PAD，场效应管Mesd的源端接GND，场效应管Mesd的栅极接直流检测模块的输出端。
2.根据权利要求1所述的clamp电路，其特征在于：所述交流检测模块包含电阻R1和电容C1，电阻R1的一端接PAD，电阻R1的另一端连接电容C1和直流检测模块的输入端场效应管MP1的栅极，电容C1的另一端接地GND。
3.根据权利要求1至2所述的clamp电路，其特征在于：所述直流检测模块包含电阻R2，R3，R4，R5，场效应管MP1，MN1，MN2，反相器INV，场效应管MP1的源端连接到PAD，场效应管MP1的栅极连接到交流检测模块的R1和C1的连接点，场效应管MP1的漏端接电阻R2；电阻R2的一端接场效应管MP1的漏端，电阻R2的另一端接电阻R3的一端和场效应管MN1的漏端；电阻R3的一端接电阻R4的一端和场效应管MN1的源端以及场效应管MN2的栅极；电阻R4的一端接电阻R3的一端和场效应管MN1的源端以及场效应管MN2的栅极，电阻R4的另一端接地GND；场效应管MN1的源端连接R3和R4以及场效应管MN2的栅极，场效应管MN1的漏端连接R2和R3，场效应管MN1的栅极连接反相器INV的输出端和场效应管Mesd的栅极；场效应管MN2的源端连接地GND，场效应管MN2的漏端连接R5和反相器INV的输入端，场效应管MN2的栅极连接R3和R4以及场效应管MN1的源端；R5的一端接PAD，R5的另一端接场效应管MN2的漏端和反相器INV的输入端；反相器INV的输入端接R5的一端和场效应管MN2的漏端，反相器INV的输出端接场效应管MN1的栅极和场效应管Mesd的栅极。
4.根据权利要求1至3所述的clamp电路，其特征在于：场效应管Mesd的漏端接PAD，场效应管Mesd的源端接地GND，场效应管Mesd的栅极接反相器的输出端和场效应管MN1的栅极。
5.根据权利要求1至4所述的clamp电路，其特征在于：所述 clamp电路在芯片正常工作时，若交流检测模块没有检测到交流电压，节点AC_OUT的电压为PAD上的电压，直流检测模块被关断，其输出节点DC_OUT为低，场效应管Mesd被关断；若交流检测模块检测到交流电压使得节点AC_OUT的电压为低，直流检测模块被开启，但由于PAD上的峰值电压一般为VDD，远小于发生ESD时的峰值电压，因此直流检测模块的输出节点DC_OUT为低，场效应管Mesd被关断。
6.根据权利要求1至4所述的clamp电路，其特征在于：所述clamp电路在发生ESD时，交流检测模块检测PAD上的ESD电压，节点AC_OUT的电压相对于PAD为低，直流检测模块开启并对PAD的电压进行直流检测；若PAD的电压高于设定的值VH，则直流检测模块的输出DC_OUT为逻辑高，场效应管Mesd被开启并泄放ESD电流。
7.根据权利要求1至6所述的clamp电路，其特征在于：所述clamp电路在发生ESD时，直流检测模块具有迟滞的功能，即在场效应管Mesd被开启泄放ESD电流时，PAD的电压逐渐降低，当PAD的电压低于设定的安全值VL（VL<VH）时，输出DC_OUT的逻辑由高变为低，场效应管Mesd被关断，结束对ESD的泄放。
8.根据权利要求1，2，3，4所述的clamp电路，其特征在于：由于有所述clamp电路由于具有直流检测的功能，其优点在于不容易被非ESD的情况误触发，另外，当ESD触发该电路时，不会将PAD的电位拉得过低，可以使得PAD在受ESD攻击时电路仍然能够正常工作；因此，该clamp电路具有更灵活广泛的应用。
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