专利名称：过电压保护的制作方法
技术领域：
本发明涉及对放大器和比较器的差动输入端的保护，具体地说，涉及具有受保护的输入端的差动型放大器。
背景技术：
及现有技术状况在许多实际应用的包含运算放大器的电路中，由于使用了反馈并且运算放大器的增益非常高，因此这类放大器的两个输入端之间的电压很接近于零。而相反，比较器被设计成提供能体现比较器的两个输入端之间电压的输出信号，因此，电路正常使用时，在比较器的输入端之间一般总存在一定的电压。但是，输入电压可能由于给输入端提供信号的外部电路的原因而变得太大，这就可能损坏比较器电路。如果运算放大器所用的反馈没有正常工作，在提供的输入电压变得太大时，这样的放大器也会被损坏。反馈失效的原因可能是在大电压供给输入端的同时、在运算放大器的输出端上做出了“转换速率”限制，或者运算放大器的输出端上连接了太大的负载。因此，运算放大器、尤其是比较器都需要保护电路。比较器在常规电路中显然还没有对输入端之间电压的机构限制。
发明概述本发明的目的是为差动放大器的输入端提供简单而有效的保护。
这里讨论的基于晶体管的差动型放大器的两个输入端在常规方式下是输入、有源放大晶体管的基极端子。输入晶体管中基射结受到其中发射极和基极相互连接而连结成二极管的晶体管保护。则保护晶体管中有效的pn结是在基极与集电极之间的结，它通常具有高于基极和发射极之间的pn结的反向击穿电压。保护晶体管可以有利地以与输入晶体管基本上相同的方式来制造，并且具有与它们基本相同的电特性，这使得在电子集成电路中能简便地引入这样的保护。
因此，通常考虑包括两个放大晶体管的差动型放大器，放大器的输入端直接连接到每个放大晶体管的基极，用来接收输入电压，其差值产生和/或被放大、所得结果作为放大器的输出端上的输出电压。因而输出电压体现了输入端之间的电压。最好，输出端直接连接到放大晶体管其中之一的集电极。
为保护输入端，特别是防止过大电流流过放大晶体管，第一晶体管中每一个的发射极直接与保护二极管串联。每个保护二极管都连接成具有与其所连接的晶体管的基极与发射极之间pn结所形成的二极管相同的方向或极性。并且，保护二极管是由发射极和基极直接互相电连接的保护晶体管构成的。
通常不使用术语“发射极”和“集电极”，以与具有最低击穿电压的第一晶体管的pn结形成的二极管相同的方向或极性、直接把保护二极管与每个放大晶体管的pn结中反向击穿电压最低的一个pn结串联。每个保护二极管都包括与放大晶体管相同极性类型的保护晶体管，在差动放大器中它们一般与其他晶体管基本一样，或至少有基本相同的电特性或属性。通过直接的电连接使每个保护晶体管中的第一和第二pn结中具有最小反向击穿电压的那个pn结短路。
放大晶体管和保护晶体管都可以是基本相同类型的npn晶体管或基本相同类型的pnp晶体管。
现在参照附图以非限制性实施例对本发明进行描述。图中图1是已知类型的基于简单晶体管的差动放大器的电路图；图2是只示出一些基本元件的图1中放大器的简化电路图；
图3是垂直npn晶体管的横剖面示意图；图4是已知类型的带输入端保护的差动放大器的电路图；图5a是说明基极和集电极直接互相电气连接的晶体管和二极管之间的等效关系图；图5b是说明基极和发射极直接互相电气连接的晶体管与二极管之间的等效关系图；图6a是根据图2的带输入端保护的放大器的电路图，其中通过将晶体管连接成二极管的形式实现保护。
图6b是一种采用了其他极性的晶体管、类似于图6a的电路图。
图7是一种具有与图6a所示相同的输入端保护、按照图1的放大器的电路图。
最佳实施例的描述以下描述有某些明确极性的元件的放大器电路。对本领域的技术人员来说，显然放大器电路也可以使用相反的极性，所以只要所用元件在其他方面有相应的或类似的电特性，用pnp晶体管代替npn晶体管或相反，使二极管反向，使正电压改成负电压或负电压改成正电压，使电流方向相反等。
图1中示出输入级的常见形式的电路图，输入级以适合用作例如比较器或运算放大器的差动放大器来说明。两个完全一样的晶体管T1和T2、例如图中所示npn型晶体管构成电路的两个输入端1和3。晶体管T1和T2的发射极在发射极节点5相互连接并连接到第三npn晶体管T3的集电极，T3上加上适当的偏置电压起到电流源的作用并向输入晶体管T1和T2提供发射极电流。第三晶体管的发射极如图所示可连接到某电源VEE，例如相对地电平略有偏移的负电压或者地电平本身。
两个第一晶体管T1和T2、也就是放大晶体管或输入晶体管的集电极以某种合适的方式、比如图示的通过电流镜像电路连接到电源VCC、例如正的恒定电压。电流镜像电路包括两个pnp晶体管T4和T5，它们的基极相连而发射极都连接到电源VCC。用于第一输入晶体管T1的pnp晶体管T4的基极和集电极相连，所以它起到二极管的作用，而这两个晶体管T4和T5的集电极连接到各自的输入晶体管T1和T2的集电极。与输入晶体管T1和T2连接到驱动电压VCC相关的重要事实是晶体管T4和T5具有相等的阻抗、以及空载或无载电压(戴维南等效)，所以输入晶体管T1和T2工作在其工作区，即它们没有饱和，因此从其集电极到其基极的电压一直为正，因此电流反射镜中的晶体管T4和T5可以用连接在晶体管的集电极和正电源VCC之间的电阻代替。
图2示出输入级的简化实施例，仅部分示意了电路组成中的基本元件。晶体管T3在图中表示成电流发生器I1，而输入晶体管T1和T2的集电极如所示仅连接到常规表示的连接节点。
图1和图2中示出的两个电路的输出信号原则上是通过输入晶体管T1和T2中任何一个的集电极电流。代表该电流的电压可以在比如第二输入晶体管T2的集电极端子7上提取或找到。
当输入端子1、3之间的电压小时，两个输入晶体管T1和T2导通，电流从它们的发射极端子流向公共的发射极节点5。流过这些晶体管的电流分别由电流源I1或晶体管T3决定并且在它们中间分配，使得更多电流流经其输入端、即基极具有最高电压的输入晶体管。当输入端之间的电压变得足够大时，足够大的意思是电压差不多等于某VT时，其中VT与绝对温度成比例，在室温下大约为26mV，流经输入端电位最低的输入晶体管的电流可以忽略，而其他输入晶体管基极或输入端的电位由该晶体管的饱和电流决定。该晶体管基极和发射极之间的电压大约由VBE＝VT·log(I1/IS)给定，其中I1是电流发生器I1所产生的电流，而IS为晶体管的饱和电流。
现在假设第二输入晶体管T2的输入端3的电压保持恒定，而连续降低第一输入晶体管T1的第二输入端1的电压。第一输入晶体管T1上的电压一直被降低，直到由电流发生器I1的电流和输入晶体管的饱和电流决定发射极节点的电压。当进一步降低该电压时，第一输入晶体管T1中基极和发射极之间的pn结的正向偏置程度愈来愈小，而后变为反向偏置。当电压最终变得足够负时，只要超过所述pn结的击穿电压，电流又流过第一输入晶体管T1的发射极，但这次是以相反的方向流过。该电流全部从第一输入端1、即第一输入晶体管T1的基极流出。这时电流不再由电流源I1决定，而是由外部电压源的驱动能力以及两个输入晶体管T1和T2的电阻决定。在任何情况下，该电流都可能损坏这两个输入晶体管T1、T2，但可能主要是损坏其中发出功率变得最大的第一输入晶体管T1。反向偏置的pn结开始导通电流之前、npn晶体管在其发射极和基极之间能够允许的电压对于不同的制造过程和不同的元件布局是不一样的。对于信号处理晶体管，通常这种电流大于6V左右而小于10V左右。
通常，双极型晶体管包括彼此相邻处于一排中的三个区，这些区常常包含半导体材料制成的彼此上下迭放的具有交替极性的各层，所以就存在一个中间区和两个外部区。双极型晶体管可以是npn型的或者pnp型的。从也被称为电极的各个区设置与外部电路的连接。中间区被称为基区，两个外部区分别构成集电区和发射区。如果电压加在npn晶体管的端子上，使得对于npn晶体管Vc＞Vb＞Ve，而加在pnp晶体管使得Vc＜Vb＜Ve，其中Vc、Vb、Ve分别是晶体管的集电极、基极和发射极上的电位，如果给基极提供不太大的电流，该电流也应该是对npn晶体管为正而对pnp晶体管为负，通过晶体管集电极的电流由所提供的基极电流控制。粗略地讲，集电极电流与基极电流成正比，该比例常数称为BF、即“前向电流增益”，也由β来表示。
双极型晶体管的两个外部区中任意一个可称为发射极，而另一个区则是晶体管的集电极。但是通常这样确定集电极和发射极。使得比例常数β尽可能地大。对于相同极性的外加电压，如果晶体管倒转、使得集电极处在发射极以前所在的位置，有可能测量相应的比例常数或电流增益系数BR、即“反向电流增益”。通常BF比BR大得多。这种情况取决于晶体管的布局或结构的几种最优化，这些最优化主要考虑的是期望有尽可能大的BF、即增益系数之一应该被给予最高的可能值。BR的值没有BF重要，通常的值为BF＝50-100而BR＝0.5-10。值得注意的是，在放大器电路中使用晶体管的显而易见的条件是它具有大于1的电流增益系数。
集成电路中npn晶体管的最常见实施例是垂直晶体管，如图3的横剖面示意图所示。在某种具有与基极相同类型的低掺杂的外层材料11中，设置构成晶体管的各部分或区的层。集电区13是具有与外层材料相反掺杂的最低层。在这个最低层的中央有另一个构成基区的层15，而在基区的中央还有一个形成发射区的层17，所以在结构的中央得到这样的层次序、即从下往上分别是集电区、基区和发射区。不同的区在外边缘一直延伸到结构表面而用于外部电连接。这样制造这种晶体管，使得掺杂程度按发射极-基极-集电极的顺序减小、即发射区的掺杂高于基区，而基区的掺杂又高于集电区。另外，结构中心的基区层15非常薄，集电区层相对较厚。这是为了得到所需的特性，包括高电流增益系数BF和良好的高频特性。这些特性还导致集电极-基极结反向偏置时的击穿电压BVcb变得明显高于发射极-基极结反向偏置时的击穿电压BVeb。在已经最优化的制造过程中，集电极和基极间的击穿电压BVcb大致在50-120V的数量级，而发射极-基极结的击穿电压BVeb则为6-12V。这样的制造工艺被用于要求电路能承受高电压的应用中，例如，音频放大器电路、电压变换器、汽车所用的电子电路等。
上面描述的保护输入级的已知方法包括在输入端与按照图3的输入晶体管T1和T2的基极端串联的连接电阻R1和R2。由此限制基极电流。此外，在这些晶体管的发射极和基极之间可以连接二极管D1和D2，使得这些二极管以与各个晶体管中基极-发射极-二极管相反的方向导通。这样，当晶体管T1和T2中有一个的发射极和基极间反向电压超过对应的反向并联的外部二极管D1和D2的正向电压时，所述正向电压大约为0.6到1V，电流将通过外部二极管而不是通过各个晶体管来传导。这种包括保护元件的电路方案的优点在于增加的保护元件不影响正常工作时输入级的跨导。众所周知，在制造集成电路时，当制造工艺中只能使用晶体管时，则通过如图5a所示将晶体管的基极和集电极相连得到二极管。由于晶体管中存在的两个pn结显然在晶体管的基极和发射极相连的情况下、如图5b所示也是具备二极管功能的元件。但是，很少使用这样的二极管元件，因为相对于通过把晶体管的基极和集电极相连而得到的二极管，它在大多数应用中都得到相对较差的特性。
但是看来，以非常规方式使用双极性晶体管有可能获得对差动放大器输入端的保护。上面已经提及，大多数情况下需要晶体管的高电流增益，但在下文所描述的应用中却是不必要的。
图6a中示出一种结构基本与图1和2所示放大器相同并且带输入端保护的差动放大器的电路原理图。图7中示出一个更完整的电路图。在这个电路方案中，输入晶体管T1、T2和公共的发射极节点5之间连接了两个npn晶体管T6和T7。这些晶体管的基极端子连接到各自的发射极端子，所以仅使用了基极-集电极-二极管。它们这样连接，使得放大器正常工作时发射极的电平高于集电极-基极，即基极-集电极-二极管被正向偏置。
如果以与上述相同的方式，第二输入晶体管T2基极3上的输入电压保持恒定，而逐渐减小其他输入端1的电压、即第一输入晶体管T1的基极电压，那么首先通过第一晶体管的电流又会逐渐减小到0，进一步减小输入电压后，在第一晶体管T1中电流将以从发射极到基极的方向“反向流动”，但是这时，电流只有在节点5和输入端1之间的电压超过晶体管T1的发射极与基极之间的击穿电压BVeb和保护晶体管T6的集电极和发射极之间的击穿电压BVce之和后才开始流动。晶体管的集电极和发射极之间的击穿电压BVce在许多情况下都显著地大于同一晶体管的发射极与基极之间的击穿电压BVeb，即比后者大许多倍，而且与上面已定义的集电极与基极之间的击穿电压BVcb在同一个数量级。在按照图4的保护电路方案中，当节点5和输入端1之间的电压超过输入晶体管的发射极与基极之间的击穿电压BVeb时，输入晶体管T1中已经发生了电流浪涌。
图6b中示出类似于图6a、但放大或有源元件和保护元件都使用了npn晶体管的差动放大器的电路原理图。电路的工作方式与图6a和图7中说明的电路基本相同。
按照图6a和图7或图6b的电路解决方案的优点在于，与没有保护元件的情况相比，电路可以承受高出许多倍的电压。与按照图4的已知电路方案相比存在两个优点。在已知方案中，当保护开始起作用时，电流流过保护元件R1、R2、D1和D2。这样的非控制电流主要会导致过热。对于按照图6a和图7的方案就不会如此。另外，电阻常常不适合集成到单片集成电路中，或者是由于制造工艺本身不适合制造电阻，或者是由于它们在电路板上占的面积太大。在集成电路中，电阻越长其具有的阻值越大，由于电阻的宽度不允许小于掩模生产、光学分辨率等所决定的确定的最小尺寸，而电阻值由长度与宽度的比值决定，因此高阻值的电阻长度长而面积大。在根据图4的保护电路中，在电路中未示出的为放大器输入端馈送信号的其他元件所允许的情况下，电阻R1和R2的功率生成可能变得显著。
按照图6a、6b和7的电路中，连接成二极管的晶体管T6和T7影响了差动放大器的跨导。这一点可能是优点，也可能是缺点。因此在某些以前已知电路中，可以用电阻连接到保护晶体管T6和T7的位置上以降低跨导。
权利要求
1.一种差动型放大器，它包括两个第一晶体管，每个第一晶体管具有发射极、基极和集电极；直接连接到所述第一晶体管中每一个的所述基极、用于接收输入电压的输入端；以及用于提供代表所述输入端之间电压的输出电压的输出端，其特征在于直接与所述第一晶体管中每一个的所述发射极串联的保护二极管，所述保护二极管中每一个都连接成具有与该保护二极管连接到其发射极的所述第一晶体管的基极与发射极之间的pn结所形成的二极管相同的方向或极性，并且所述保护二极管中每一个包括保护晶体管，所述保护晶体管的发射极和基极是直接互相电连接的。
2.如权利要求1所述的放大器，其特征在于所述输出端直接连接到所述第一晶体管之一的所述集电极上。
3.如权利要求1-2中任何一个所述的放大器，其特征在于所述第一晶体管和所述保护晶体管都具有基本相同的电特性。
4.一种差动型放大器，它包括两个同一极性类型的第一晶体管，每个第一晶体管具有发射极、基极和集电极，在所述基极和所述发射极之间存在第一pn结，并且在所述基极和所述集电极之间存在第二pn结；直接连接到所述第一晶体管中每一个的所述基极、用于接收输入电压的输入端；以及用于提供代表所述输入端之间电压的输出电压的输出端，其特征在于每一个所述第一晶体管中的所述第一和第二pn结之中具有最低反向击穿电压的那个pn结直接与保护二极管串联，后者具有与所述击穿电压最低的第一晶体管的所述pn结所形成的二极管相同的方向或极性，所述保护二极管包括与所述第一晶体管相同极性类型的保护晶体管，每个保护晶体管具有发射极、基极和集电极，在所述基极和所述发射极之间存在第一pn结，并且在所述基极和所述集电极之间存在第二pn结，所述保护晶体管中每一个中所述第一和第二pn结之中具有最低反向击穿电压的那一个pn结被直接电连接所短路。
5.如权利要求4所述的放大器，其特征在于所述输出端直接连接到所述第一晶体管之一的所述集电极；
6.如权利要求4-5中任何一个所述的放大器，其特征在于所述第一晶体管和所述保护晶体管都具有基本相同的电特性。
7.如权利要求4-6中任何一个所述的放大器，其特征在于所述输入晶体管中在所述基极和所述发射极之间的所述pn结的击穿电压比所述基极与所述集电极之间的所述pn结的击穿电压低。
8.如权利要求4-7中任何一个所述的放大器，其特征在于所述第一晶体管和所述保护晶体管都是基本相同类型的npn晶体管，所述保护晶体管中每一个的发射极和基极是直接互相电连接的。
9.如权利要求4-7中任何一个所述的放大器，其特征在于所述第一晶体管和所述保护晶体管都是基本相同类型的pnp晶体管，所述保护晶体管中每一个的发射极和基极是直接互相电连接的。
全文摘要
一种差动型放大器、比如比较器或运算放大器,它具有两个由例如npn型的输入放大晶体管(T1,T2)的基极端子构成的输入端(1,3)。输入晶体管的集电极通过比如电流镜像电路(T4,T5)连接到某个电源电压(V
文档编号H03F1/52GK1355957SQ00809059
公开日2002年6月26日 申请日期2000年4月19日 优先权日1999年4月22日
发明者H·斯滕斯特伦 申请人:艾利森电话股份有限公司