用于输出器件的保护电路的制作方法

本发明涉及集成电路领域，更具体地涉及用于输出器件的保护电路。

背景技术：

输出器件被用于提供集成电路的高驱动能力。例如，包括运算放大器的驱动级被用于提高模拟电路的驱动能力。然而，在很多情形中，输出器件耦合在输出焊盘和集成电路之间。输出器件经受来自输出焊盘的过应力电压，诸如静电放电(ESD)脉冲。结果，可以导致对于输出器件的永久损害，并且整体器件的操作会失败。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种电子器件，包括：输出器件，耦合至输出焊盘，并且所述输出器件根据保护信号而导通；以及检测电路，配置为检测控制节点的电压电平，并且基于检测的电压电平生成所述保护信号，以及根据所述检测的电压电平将所述电压电平转换至预定电压电平。

本发明的实施例还提供了一种电子器件，包括：输出器件，耦合至输出焊盘；以及检测电路，配置为响应于从所述输出焊盘发生的静电放电(ESD)事件生成感测电压，并且根据所述感测电压来增大控制信号的电压电平，其中，所述检测电路配置为根据所述控制信号使所述输出器件导通。

本发明的实施例还提供了一种用于保护输出器件的方法，所述输出器件配置为根据保护信号而导通，所述方法包括：检测控制节点的电压电平，所述控制节点通过检测电路的第一开关耦合至输出焊盘；根据检测的电压电平，通过所述检测电路将所述电压电平转换至预定电压电平；以及基于所述检测的电压电平，通过所述第一开关生成所述保护信号以使所述输出器件导通。

附图说明

当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。

图1是根据本发明的一些实施例的电子器件的示意性框图；

图2是根据本发明的一些实施例的图1中的电子器件的电路图；

图3是根据本发明的一些实施例的示出图2中的电子器件的操作的保护方法的流程图；以及

图4是根据本发明的一些实施例的示出图2中的开关NM1的电流-电压(IV)曲线和没有任何来自其他的电路的保护的图2中的开关NM1的I-V曲线的示图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题不同特征的不同实施例或实例。以下描述组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例而不旨在限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触而形成的实施例，并且也可以包括形成在第一部件和第二部件之间的附加部件使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可以在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是出于简明和清楚的目的，而其本身并未指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

本说明书中使用的术语通常具有其在本领域中以及在使用每一个术语的具体的内容中的普通含义。本说明书中使用的实例，包括本文所讨论的任何术语的实例，仅是示例性的，并且绝不是限制本发明的或任何示例性术语的范围和意义。同样地，本发明不限于该说明书中给出的各个实施例。

尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等以描述各个元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语用于将一个元件与另一元件区分开。例如，在不背离本发明的范围的情况下，可以将第一元件叫做第二元件，并且类似地，可以将第二元件叫做第一元件。此处所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关联列项目的任何和所有组合。

图1是根据本发明的一些实施例的电子器件100的示意性框图。

如图1所示，电子器件100包括内部电路120、输出器件140、检测电路160和偏置电路180。内部电路120耦合至输出器件140。输出器件140配置为将来自内部电路120的输出信号Sout传送至输出焊盘100A。输出焊盘100A配置为连接至外部器件，例如包括，测试机、示波器等。

在一些实施例中，内部电路120包括至少一个有源电路。例如，在一些实施例中，内部电路120包括至少一个模拟电路，诸如放大器、混合器、射频电路等或它们的组合。在各个实施例中，内部电路120包括至少一个混合信号电路，诸如数字模拟转换器(DAC)或以上述有源电路的组合实施的电路。

在一些实施例中，输出器件140配置为用作内部电路120的驱动级。为了说明，在一些实施例中，输出器件140包括具有大尺寸的晶体管，例如功率晶体管，其中晶体管的尺寸设置为足够驱动耦合至输出焊盘100A的输出负载。在一些其他实施例中，输出器件140包括推挽式放大器。例如，输出器件140配置为增加来自内部电路120的输出信号Sout的输出功率。有效地，通过输出器件140来增加内部电路120的用于驱动耦合至输出焊盘100A的输出负载的驱动能力。

检测电路160耦合至输出焊盘100A。检测电路160配置为感测来自输出焊盘100A的电压VO。检测电路160还被配置为根据电压VO生成保护信号VP以使输出器件140导通。在一些实施例中，根据静电放电(ESD)事件生成电压VO。在各个实施例中，通过电压VO来使能检测电路160。

偏置电路180耦合至检测电路160。偏置电路180配置为使检测电路160偏置，从而使得检测电路160为常开。为了说明，在正常操作中，检测电路160为常开。当从输出焊盘100A发生静电放电(ESD)事件时，生成电压VO，并且因此使能检测电路160。因此，检测电路160生成保护信号VP。根据保护信号VP，使输出器件140导通以旁路由ESD事件导致的ESD电流。结果，提高了输出器件140的可靠性。

为了说明目的给出图1中电子器件100的布置。电子器件100的各个布置在本发明的考虑的范围内。

下面参考图2和图3描述了关于电子器件100的各个实施例。本发明不限于下面的实施例。其他实施例在本发明所保护的范围内。

现在参考图2。图2是根据本发明的一些实施例的图1中的电子器件100的电路图。

为了简化，示出图1中的电子器件100的输出器件140以作为图2的开关NM1。开关NM1的第一端子耦合至输出焊盘100A，开关NM1的第二端子耦合至地，并且开关NM1的控制端子配置为接收保护信号VP并且耦合至内部电路120的输出端子。如图2示例性地示出，检测电路160包括开关PM1、开关PM2、开关NM2、电阻器件和电容器件。为了说明，由电阻器R1实施电阻器件，并且由电容器C1实施电容器件。

为了说明的目的给出电阻器R1和电容器C1。实施电阻器件和电容器件的各个组件在本发明的考虑范围内。例如，在一些实施例中，由MOS电容器、金属-绝缘体-金属(MIM)电容器或金属-氧化物-金属(MOM)电容器实施电容器件。此外，在一些实施例中，由二极管连接的MOSFET、多晶硅电阻器和扩散电阻器实施电阻器件。

开关PM1的第一端子耦合至输出焊盘100A。开关PM1的第二端子被配置为生成至开关NM1的控制端子的保护信号VP。开关PM1的控制端子耦合至控制节点NC，其耦合至输出焊盘100A以感测来自输出焊盘100A的电压VO。电容器C1的第一端子耦合至控制节点NC，并且电容器C1的第二端子耦合至地。控制节点NC的电压电平通过寄生电容CP随着来自输出焊盘100A的电压VO而变化，寄生电容耦合在开关PM1的第一端子和控制端子之间。

在一些实施例中，开关PM1和电容器C1配置为作为检测单元一起操作。检测单元能够根据通过寄生电容CP耦合至控制节点NC的电压VO生成感测电压VS。然后，当感测电压VS的电压电平低于电压VO时，检测单元能够生成保护信号VP以使输出器件140导通。

此外，在一些实施例中，电容器C1和寄生电容CP配置为作为分压器一起操作。分压器能够可操作地对来自输出焊盘100A的电压VO进行分压以生成感测电压VS。或者说，由电压VO通过电容器C1和寄生电容CP两者来确定控制节点NC的电压电平，即，感测电压VS的电压电平。

开关PM2的第一端子耦合至输出焊盘100A。开关PM2的第二端子耦合至电阻器R1的第一端子。开关PM2的控制端子耦合至控制节点NC以接收感测电压VS。电阻器R1的第一端子配置为输出控制信号VC，并且电阻器R1的第二端子耦合至地。开关NM2的第一端子耦合至控制节点NC，开关NM2的第二端子耦合至地，并且开关NM2的控制端子耦合至电阻器R1的第一端子以接收控制信号VC。

开关PM2配置为根据感测电压VS生成电流I。电阻器R1配置为将电流I转换成控制信号VC。开关NM2配置为将感测电压VS的电压电平拉至预定电压电平。在各个实施例中，开关PM2、开关NM2和电阻R1作为正反馈机制操作，从而使得感测电压VS的电压电平能够被快速地拉至预定电压电平。为了说明，在一些实施例中，预定电压电平是接地参考电压电平。当感测电压VS减小时，开关PM2稍微闭合以生成电流I1。因此，由电阻器R1生成控制信号VC，并且开关NM2稍微闭合。因此通过开关NM2将控制节点NC拉至地。结果，感测电压VS的电压电平被转换至接地参考电压电平，并且还能够闭合开关PM1以输出保护信号VP。

在一些实施例中，开关PM2被设计为开关PM1的复制品。为了说明，开关PM1-PM2被配置为具有相同的尺寸，并且开关PM1-PM2设置为彼此邻近。结果，开关PM1-PM2的每一个中都出现类似的工艺变化，并且因此开关PM1-PM2能够响应于感测信号VS而生成类似的变化趋势。

在各个实施例中，当开关PM2稍微闭合时，开关PM2足以生成来自其第一端子或第二端子的信号的一部分或将来自其第一端子或第二端子的信号的一部分传送至另一个。或者说，当开关PM2稍微闭合时，开关PM2的电阻值低至足够将信号的至少一部分通过开关PM2进行传播。在各个实施例中，当开关PM2完全闭合时，开关PM2足够生成来自其第一端子或第二端子的完整信号或将来自其第一端子或第二端子的完整信号传送至另一个。换句话说，当开关PM2完全闭合时，开关PM2的电阻值是最低的，并且因此允许信号通过开关PM2进行传播。

在一些实施例中，以不同类型的晶体管实施开关PM1-PM2和开关NM1-NM2。为了说明，在一些实施例中，以金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)实施开关PM1-PM2和开关NM1-NM2。在一些实施例中，以双极结型晶体管(BJT)实施开关PM1-PM2和开关NM1-NM2。只为了说明的目的，在图2中将开关PM1-PM2和开关NM1-NM2示出为MOSFET。实施开关PM1-PM2和开关NM1-NM2的不同类型的晶体管在本发明的考虑的范围内。

偏置电路180耦合至控制节点NC。偏置电路180配置为使开关PM1和开关PM2偏置。开关PM1和开关PM2被偏置为常开，从而使得内部电路120和输出器件140的操作不受开关PM1和PM2的影响。在一些实施例中，偏置电路180包括电阻器R2。电阻器R2的第一端子配置为接收系统电压VDD，并且电阻器R2的第二端子耦合至控制节点NC，该控制节点耦合至开关PM1的控制端子和开关PM2的控制端子。根据系统电压VDD确定电阻器R2的电阻值以保持开关PM1和开关PM2为常开。为了说明，系统电压VDD约为5伏，并且电阻器R2的电阻值在从约1千欧至约10千欧的范围中。

为了说明的目的给出电阻器R2。实施电阻器R2的各个组件在本发明的考虑范围内。例如，在一些实施例中，由二极管连接的MOSFET、多晶硅电阻器或扩散电阻器实施电阻器R2。

在一些实施例中，当ESD事件发生时，根据系统电压VDD和来自输出焊盘100A的电压VO确定电容器C1的电容值。为了说明，系统电压VDD约为5伏，并且当ESD事件发生时，来自输出焊盘100A的电压VO等于或高于系统电压VDD。确定电容器C1的电容值以生成感测电压VS，其中感测电压VS和来自输出焊盘100A的电压VO之间的电压差值足以使开关PM2闭合。结果，能够闭合开关PM2以生成电流I。

为了说明目的给出图2中偏置电路180的布置和电阻器R2的电阻值。偏置电路180的各个布置和电阻器R2的各个电阻值在本发明的考虑的范围内。

现在参考图2和图3两者。图3是根据本发明的一些实施例的示出图2中的电子器件100的操作的保护方法300的流程图。

如图3示例性地示出，保护方法300包括操作S310、S320、S330、S340、S350、S360、S370和S380。在操作S310中，通过使用电容器C1和寄生电容CP对电压VO进行分压来生成感测电压VS，对应于ESD事件而生成电压VO并且从输出焊盘100A传送。

为了说明，当从输出焊盘100A发生ESD事件时，生成输出焊盘100A的电压VO。在一些实施例中，例如，当输出焊盘100A与其他电路、人体或测试机接触时发生ESD事件。如上所述，电压VO通过寄生电容CP耦合至控制节点NC，并且通过电容器C1和寄生电容CP对电压VO进行分压来生成感测电压VS。或者说，控制节点NC的电压电平响应于从输出焊盘100A发生的ESD事件而变化。

在操作S320中，根据感测电压VS闭合开关PM2以生成电流I。为了说明，当从输出焊盘100A发生ESD事件时，感测电压VS变低。因此，开关PM2稍微闭合以生成电流I。

在操作S330中，电流I被传送至电阻器R1以生成控制信号VC。在操作S340中，根据控制信号VC闭合开关MM2。为了说明，如上所述，开关PM2常开，并且因此控制信号VC的电压电平为接地参考电压电平。当从输出焊盘100A发生ESD事件时，感测电压VS变低，并且因此根据感测电压VS闭合开关PM2。由于闭合开关PM2而生成的电流I，所以控制信号VC的电压电平增大。因此，控制信号VC的电压电平增大。因此，开关NM2稍微闭合。

在操作S350中，控制节点NC通过闭合的开关NM2耦合至地。在操作S360中，感测电压VS的电压电平被转换至接地参考电平。在操作S370中，完全闭合开关PM1以传送保护信号VP。在操作S380中，根据保护信号VP闭合开关NM1以将ESD电流旁路至地。

为了说明，如上所述，当从输出焊盘100A发生ESD事件时，开关NM2稍微闭合。因此，控制节点NC通过开关NM2耦合至地，并且通过开关PM2将控制节点NC下拉至地。因此，感测电压VS的电压电平被转换至接地参考电压电平。因此，开关PM1闭合以传送输出焊盘100A的电压，即，保护信号VP，该电压在ESD事件发生期间为高电压。因此，通过保护信号VP闭合开关NM1，并且由ESD事件导致的ESD电流被旁路至地。换句话说，来自输出焊盘100A的电压VO不会损害开关NM1的控制端子。结果，提高了电子器件100的可靠性。

在一些实施例中，操作S320-S370被作为正反馈机制操作。通过该正反馈机制，输出器件140能够在ESD事件发生时被有效地导通。为了说明，如上所述，当从输出焊盘100A发生ESD事件时，感测电压VS减小以稍微闭合开关PM2。因此，开关PM2生成具有初始电流值的电流I。因此根据具有初始电流值的电流I生成具有初始电压电平的控制信号VC。因此，开关NM2稍微闭合以将控制节点NC下拉至地。因此，进一步减小了感测电压VS，并且增大了感测电压VS和来自输出焊盘100A的电压之间的电压差值。因此，还闭合开关PM2并且开关NM2的电阻减小以生成更高的电流I。因此，增加了控制信号VC的电压电平，并且还闭合开关NM2。结果，控制节点NC的电压电平能够在更短的时间内转换至接地参考电平。或者说，通过正反馈机制，缩短了控制节点NC被完全下拉至地的时间间隔，并且因此开关NM1在ESD事件发生时能够即刻闭合。

上述说明包括示例性操作，但操作不必按照示出的顺序执行。根据本发明的各个实施例的精神和范围，可以视情况添加、替换、重排和/或消除操作。

现在参考图4。图4是根据本发明的一些实施例的示出图2中的开关NM1的电流-电压(I-V)曲线400和没有任何来自其他的电路的保护的情况下的图2中的开关NM1的I-V曲线420的示图。下面参考图2中的电子器件100解释图4中示出的I-V曲线400和420。

在图4中，通过对输出焊盘100A施加传输线脉冲(TLP)来测试图2中的开关NM1的I-V曲线400，其中，在本实施例中，开关NM1的面积为约9600平方微米(μm²)。如图4所示，图4中的示图的x轴是传输线脉冲的电压电平，并且图4中的示图的y轴是开关NM1的对应电流。

如I-V曲线400所示，在一些实施例中，当传输线脉冲的电压电平约为10伏时，开关NM1能够在遭受击穿(标记为430)之前承受约10安。在一些方法中，在没有来自其他电路(例如，测试电路160)的任何保护的情况下操作具有相同单元尺寸的开关NM1，也通过施加相同的传输线脉冲进行测试，并且其性能示出为I-V曲线420。根据I-V曲线420，在没有来自其他电路的保护的情况下，当传输线脉冲的电压约为10伏时，开关NM1能够在遭受击穿(标记为440)之前承受约0.39安。换句话说，通过图2中示出的布置，开关NM1的可靠性有效地提高了约25(＝10/0.39)倍以上。

在一些方法中，镇流电阻器件用来保护集成电路免于ESD脉冲。例如，镇流电阻器件的单元面积配置为足以分配ESD脉冲。然而，镇流电阻器件的单元面积较大，并且镇流电阻器件需要使用具有额外掩模的电阻器保护氧化物(RPO)层来实施。结果，显著提高了这种布置的总成本。此外，由于镇流电阻器件的额外负载，所以降低了集成电路的性能。

与其他方法中使用镇流电阻器件的保护电路相比，因为电子器件100使用能够利用普通半导体层实施的开关、电阻器件和电容器件，所以本发明的电子器件100能够在没有额外的掩模的情况下实施。此外，检测电路160的单元面积比其他方法中的镇流电阻器件的单元面积相对更小，并且输出器件140的操作不受检测电路160的影响，因为开关NM1在没有额外负载的情况下操作并且通过电压VO使能检测电路160。结果，改善了电子器件100的整体成本和性能。

如上所述，本发明的电子器件和保护方法能够检测是否从输出焊盘发生ESD事件并且能够相应地断开输出器件。电子器件能够通过正反馈机制生成保护信号，其中能够在没有额外的掩模的情况下实施正反馈机制和输出器件。相应地，电子器件能够在ESD事件发生时快速输出保护信号，并且节省了电子器件的成本。结果，改善了整个系统的成本和可靠性。

在本文中，术语“耦合”还可以被称为“电耦合”，并且术语“连接”可以被称为“电连接”。“耦合”和“连接”也可以用于指示两个或多个元件相互配合或相互作用。

在一些实施例中，公开了一种包括输出器件和检测电路的电子器件。输出器件被耦合至输出焊盘，并且根据保护信号而闭合。检测电路配置为检测控制节点的电压电平，并且基于检测的电压电平生成保护信号，以及根据检测的电压电平将电压电平转换至预定电压电平。

还公开了一种包括输出器件和检测电路的电子器件。输出器件耦合至输出焊盘。检测电路配置为响应于从输出焊盘发生的ESD事件而生成感测电压，并且根据感测电压提供控制信号的电压电平。检测电路配置为根据控制信号而使输出器件导通。

还公开了用于保护配置为根据保护信号而导通的输出器件的方法，并且方法包括以下步骤。通过检测电路的第一开关来检测耦合至输出焊盘的控制节点的电压电平。根据电压电平，通过检测电路将电压电平由转换至预定电压电平。基于检测的电压电平，由第一开关生成保护信号以使输出器件导通。

本发明的实施例提供了一种电子器件，包括：输出器件，耦合至输出焊盘，并且所述输出器件根据保护信号而导通；以及检测电路，配置为检测控制节点的电压电平，并且基于检测的电压电平生成所述保护信号，以及根据所述检测的电压电平将所述电压电平转换至预定电压电平。

根据本发明的一个实施例，其中，所述检测电路包括：分压器，配置为将来自所述输出焊盘的电压分给所述控制节点，以检测所述控制节点处的电压电平；以及开关，配置为根据所述检测的电压电平选择性地闭合。

根据本发明的一个实施例，其中，所述分压器配置为通过所述开关的寄生电容接收所述电压。

根据本发明的一个实施例，其中，所述分压器包括：电容器件，耦合在所述控制节点和地之间。

根据本发明的一个实施例，其中，所述开关的第一端子耦合至所述输出焊盘，所述开关的第二端子配置为输出所述保护信号，并且所述开关的控制端子耦合至所述控制节点。

根据本发明的一个实施例，其中，所述检测电路包括：第一开关，配置为根据所述检测的电压电平生成电流；电阻器件，配置为根据所述电流生成控制信号；以及第二开关，配置为根据所述控制信号将所述控制节点的电压电平转换至所述预定电压电平。

根据本发明的一个实施例，其中，所述第一开关的第一端子耦合至所述输出焊盘，所述第一开关的第二端子通过所述电阻器件耦合至地，所述第一开关的控制端子耦合至所述控制节点，所述第二开关的第一端子耦合至所述控制节点，所述第二开关的第二端子耦合至地，并且所述第二开关的控制端子耦合至所述电阻器件以接收所述控制信号。

根据本发明的一个实施例，电子器件还包括：偏置电路，配置使所述检测电路偏置。

本发明的实施例还提供了一种电子器件，包括：输出器件，耦合至输出焊盘；以及检测电路，配置为响应于从所述输出焊盘发生的静电放电(ESD)事件生成感测电压，并且根据所述感测电压来增大控制信号的电压电平，其中，所述检测电路配置为根据所述控制信号使所述输出器件导通。

根据本发明的一个实施例，其中，所述检测电路包括：第一开关，配置为根据所述感测电压而闭合。

根据本发明的一个实施例，其中，所述检测电路还包括：分压器，配置为通过所述第一开关和所述输出焊盘生成所述感测电压。

根据本发明的一个实施例，其中，所述分压器包括：电容器件，耦合在所述第一开关的控制端子和地之间。

根据本发明的一个实施例，其中，所述第一开关的第一端子耦合至所述输出焊盘，所述第一开关的第二端子耦合至所述输出器件，并且所述检测电路还包括：第二开关，所述第二开关的第一端子耦合至所述输出焊盘，并且所述第二开关的控制端子耦合至所述第一开关的控制端子以接收所述感测电压；第一电阻器件，耦合在所述第二开关的第二端子和地之间；以及第三开关，所述第三开关的第一端子耦合至所述第一开关的控制端子，所述第三开关的第二端子耦合至地，并且所述第三开关的控制端子耦合至所示第二开关的第二端子。

根据本发明的一个实施例，电子器件还包括：第二电阻器件，所述第二电阻器件的第一端子配置为接收系统电压，并且所述第二电阻器件的第二端子耦合至所述第一开关的控制端子。

根据本发明的一个实施例，其中，所述检测电路配置为根据所述感测电压生成电流，并且将所述电流转换成所述控制信号。

根据本发明的一个实施例，其中，所述检测电路包括：第一开关，配置为根据所述感测电压生成所述电流；电阻器件，配置为根据所述电流生成所述控制信号；以及第二开关，配置为使能所述检测电路以根据所述控制信号而使所述输出器件导通。

本发明的实施例还提供了一种用于保护输出器件的方法，所述输出器件配置为根据保护信号而导通，所述方法包括：检测控制节点的电压电平，所述控制节点通过检测电路的第一开关耦合至输出焊盘；根据检测的电压电平，通过所述检测电路将所述电压电平转换至预定电压电平；以及基于所述检测的电压电平，通过所述第一开关生成所述保护信号以使所述输出器件导通。

根据本发明的一个实施例，其中，检测所述控制节点的电压电平包括：通过所述检测电路的第一电容器件将来自所述输出焊盘的电压分给所述控制节点以检测所述电压电平。

根据本发明的一个实施例，其中，将所述电压电平转换至所述预定电压电平包括：根据所述检测的电压电平，通过所述检测电路的第二开关生成电流；根据所述电流，通过电阻器件生成控制信号；以及根据所述控制信号，通过所述检测电路的第三开关将所述控制节点的电压电平拉至地。

根据本发明的一个实施例，其中，生成所述保护信号包括：根据所述检测的电压电平闭合所述第一开关以生成所述保护信号。

以上论述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的各方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍的实施例相同的目的和/或实现相同优点的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替换以及改变。