电压控制的电流路径，电压钳和包括电压钳位的电子组件的制作方法

本公开涉及一种电压控制的电流路径和包括这种电压控制的电流路径的电压钳。

背景技术：

某些电路组件可仅能够承受第一电压范围内的电压，但也可通过其电源轨在第二电压范围操作的组件驱动，所述第二电压范围大于第一电压范围并足够大以损坏更敏感的组件。本公开教导一旦该节点处的电压达到阈值则传导电流远离节点的装置，从而产生钳在该节点的电压和从而保护连接到该节点的组件的可能性。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，提供了一种电压控制的电流路径。所述电压控制的电流路径包括第一阶段，经配置成一旦在第一阶段的输入节点处的电压超过阈值则传导电流。经过第一阶段的电流量是在输入节点处的电压的函数。第二阶段被配置成传递是通过第一阶段的电流的函数的电流。

有利的是，第二阶段具有连接到受保护的节点的第一第二阶段节点。因此，一旦第一阶段开始传送电流，第二阶段可以被配置吸收电流，或者如果适当的话提供电流到受保护的节点，以便提供用于限制在受保护的节点的电压偏移的电流路径。

在一些实施例中，第二阶段的电流可以基本上线性相关于第一阶段的 电流。然而，这不是本公开的限制或要求，也可以调用其它传递函数。

第一阶段的输入节点可连接到受保护的节点。这种连接可以通过低电阻路径的方式进行(即它是趋向零欧姆的电阻)，或者它可以通过制造成具有非零阻抗的居间元件的方式进行。

根据本公开的第二方面，提供包括根据本公开的第一方面的电压控制的电流路径的电压钳。

附图说明

本公开的实施例现在仅将通过非限制性示例的方式来描述，参照附图，其中：

图1是第一组件的电路图，在本示例中，模数转换器具有连接到受保护的节点的输入端，并且其中受保护的节点的信号由在延长的电压范围操作的缓冲器提供；

图2是图1的基准电压发生器的电路图；

图3是图1的配置结合构成本公开的实施例的电压控制的电流路径的的电路图；

图4是构成本公开的第一实施例的电压控制的电流路径的电路图；

图5示出图4的电路上的变化；

图6示出其中第一阶段输入节点和电流路径节点通过额外阻抗彼此分离的实施例；

图7示出两个变形，其可以独立地施加于上文描述的实施例；

图8示出其中第一晶体管是双极性技术实现的第一阶段的变形；

图9示出第一阶段的进一步修改，以添加迟滞；

图10示出图3中所示的电路的变型，以便在电压控制的电流宿的电 流路径中包括静电放电元件；和

图11示出根据本发明的电路的进一步变化。

具体实施方式

图1示意示出其中在第一电压域操作的第一设备10(在该非限制性例子中的模数转换器)接收来自第二设备12的信号的电路，在本示例中，运算放大器在第二电压域操作。第二电压域可以远远大于第一电压域，并且可以引起中间节点14的电压对于模数转换器10变得过高，或过低的可能性。在节点14的电压偏移可导致模数转换器10的损坏。因为模数转换器10的部件已使用低电压工艺制造，这可发生，以便获得在集成电路上的小体积和/或高速。

该中间节点(节点14)可以被称为“被保护的节点”或“受保护的节点”。这些术语将可贯穿本公开互换使用。

在正常操作中，缓冲器12接收其提供给模数转换器10的输入的输入信号Vin。Vin被约束在适当的电压范围。然而，在电路上电时，第二电压域的电源轨+V2和-V2可由电源确立，其可包括机械开关，或者其可包括开关模式组件，诸如电荷泵或基于电感的电源。结果，一旦打开，电源开关+V2和-V2可以不同的速率和遵循不同的电压演变朝其标称电压转变。因此，例如，电源+V2可变得比-V2更迅速建立。这可导致：在缓冲器12的电路建立正确的操作并开始跟踪电压Vin之前，在缓冲器12中允许其输出节点上的电压升得过高，可上升到+V2。其结果是，在受保护的节点14的电压可升高到破坏高电平，其可能不利地影响到模数转换器10的操作。高电压可导致破坏晶体管或可导致晶体管内电荷被捕获，从而扰乱他们的正常运行，直至电荷已泄漏。

当节点14表示到模数转换器10的输入时，司空见惯提供静电放电(ESD)和过压/欠压保护元件。这些可以简单作为提供如图1所示的二极 管20和22，或者可以是通过提供更复杂的基于晶体管的电路，以提供快速的反应时间和更好地控制触发电压，并相比于本地地面或零伏特电源保持节点14的电压特性。

在图1中所示的配置中，二极管20在受保护的节点14和地面之间延伸。在欠压条件的情况下，二极管20可以接通和传导电流到节点14。典型地，滤波器30(包括串联连接在节点14和缓冲器12的输出之间的电阻32以及节点14和地面之间的电容器34)被设置，以便带宽限制发生在模拟到数字转换器10的输入的噪声。电阻器32的发生使中等电流流过二极管20，以限制在节点14的电压偏移。在过电压偏移的情况下，二极管22变成导通。二极管22通常连接到电源轨24，其目的是向模数转换器10提供参考电压并且可是电流。然而，在其正常操作中。连接到电源轨24的电压供给一般不用于吸收从缓冲器12通过电阻器32的电流。二极管22可以连接到电压基准40，它用于提供参考电压Vr到ADC 10。

图2更详细示意性示出电压基准40。参考电压40通常包括精密电压源42(其产生电压Vref)和缓冲器44(其可确保从精密电压基准42获取忽略的电流)。缓冲器44一般仅提供适度的电流到ADC 10，和因此缓冲器44通常构造成在其中具有适度的电流流动。这减少了电路的整体电力消耗，也减少了在半导体晶片上的缓冲器的占用面积，以及因此其有效成本。其结果是，缓冲器44经常无法传递来自二极管22的电流，而不干扰缓冲器44的输出电压V_R。

本发明人认为理想地是提供替代手段以避免节点14过电压偏移，使得如果过电压偏移时，二极管22(如果提供的话)将不传导任何显著量的正向电流，因此缓冲器44的操作将不会受到损害。

图3重复参考图1所描述的配置，和额外的保护电路50已经连接到受保护的节点14，以当节点14的电压升高到高于保护电压V_P的情况下提供电流路径到地面(或如果合适，其他电源轨)。该保护电路包括第一阶段，其用于监控受保护的节点14处的电压，并将其与触发电压VTR比较。 一旦达到V_P，V_TR可以被设定为使晶体管传导不可忽略的电流。如果在节点14的电压超过V_TR，和可选的偏移VT，则电流开始在第一阶段52流动。电流可以经过增益A和用于控制由保护电路50的第二阶段中可控电流路径54传递的电流I’，以便从节点14除去电流，并提供接地通路。V_TR可以相同于或源自V_R。

输入级50可以包括至少第一晶体管60，在这个例子中，其是P型场效应晶体管。晶体管60可具有栅极到源极阈值电压VT，可需要晶体管被显著达到之前导通。当定义触发电压VTR时，VT的效果应该由电路设计者考虑，使得当节点14达到保护电压VP时电路作为整体开始通过电流。

图4更详细地说明电路50的可能实施例。如关于图3所讨论地，第一晶体管60基本上保持不导通，直到节点14的电压命中保护电压VP，其中，VP由晶体管60的栅极电压VTR和阈值电压控制。对于第一近似，通过FET 60的电流由下面的等式进行说明：

I_D≈μ_nC_ox(W/L)(V_GS-Vth)²

其中：I_D＝漏极电流，μ_n＝电荷载子迁移，C_ox＝氧化层电容，W＝栅极宽度，L＝栅极长度，V_GS＝栅极-源极电压，和V_th＝阈值电压。

通过晶体管60的电流被提供给二极管连接的N型场效应晶体管62，其具有连接到场效应晶体管64以形成电流反射镜的栅极。晶体管64被制造为比晶体管62更宽N1倍，以便提供具有1至N1增益的电流镜。晶体管64的漏极被连接到P型场效应晶体管70的漏极，在这个例子中，其源极连接到节点14。晶体管70被提供在二极管连接的配置中，其栅极连接到进一步的P型场效应晶体管72的栅极。晶体管72比晶体管70更宽N2倍，以便形成具有1至N2的增益的第二电流镜。P型晶体管72的漏极连接到N型晶体管的漏极，其栅极连接到其漏极以将其放置在二极管连接的配置中。晶体管80的栅极还连接到另一N型晶体管82的栅极，其漏极连接到节点14并且其源极连接到接地。类似地，晶体管80、64和62的源 极也连接到地。晶体管82被制造为比晶体管80更宽N3倍，以便形成具有1至N3的增益的电流镜。结果，通过晶体管82的电流比流过第一晶体管60更大N1×N2×N3倍。因此，该电路提供从节点14吸收大量电流的相对紧凑的方式，而不必形成当前宽的晶体管作为电流镜的一部分。

图4所示的电路的特别优点是，它是“故障保护”。因此，如果在打开事件，电压VTR不会被迅速形成并比预期更长地接近于零，晶体管60变为在低于VP的电压导通。其结果是，保护电路仍然接通，并在比通常情况下较低的电压接通，从而在图3的电路的加电阶段继续保护节点14。

图4的电路具有使其非常快打开的优点。然而，如果图3的电路的操作是这样的，缓冲器12进入过电压状态，但随后迅速重新建立正常操作和非常迅速地降低其电压，则存在晶体管60可以迅速关闭的可能性。在操作过程中，各晶体管62、64等具有寄生栅电容。如果晶体管60迅速关闭，则晶体管64可以短时间保持导通存储在其寄生栅极电容上的电荷，直到电荷凭借流过二极管连接的晶体管62而放电到地。然而，电路的开关关断时间可通过在晶体管62和64的栅极以及接地之间提供泄漏电阻90而改善，如图5所示。附加泄流电阻92可以被连接在晶体管72的栅极和其源极之间，类似地，泄流电阻94可以连接在地面上晶体管80和82的栅极之间。这些组件允许晶体管更快地转换到关断状态。另外或替代地，响应于激活/停用信号的切换可以被提供以抑制电流从受保护的节点14流动，如关于图9所描述。

图6示出其中最终晶体管82的漏极连接到受保护的节点14和第一晶体管60的漏极被连接到通过阻抗从节点14隔开的中间节点14'的变型中图5的配置，在这种情况下是电阻器100。电阻器32和电阻器100可被串联，使得作为保护电路50的操作结果的节点14的电压变化衰减在节点14'，而且不太可能引起振荡行为。图6还用于显示其中感测电压的节点和从不同节点吸收电流的节点。

可以期望通过由图7所示的多个晶体管代替该晶体管来修改第一阶段 的晶体管60的打开特性。输入级晶体管现在指定为110、112和114。虽然已经示出三个晶体管，但更少或更多个晶体管可被实现。这些晶体管110、112和114可从共享的阈值电压VTR驱动或如图所示可以具有单个阈值电压VTR1、VTR2和VTR3，它们可彼此相差只有几毫伏但它们用于平滑输入阶段在非导电和导电之间的过渡。此外，该晶体管可以关联于负反馈电阻120、122和124，其进一步修改整个电路的特性。

另外地或可选择地，电流镜的增益可以改变。一种方法可是短接电流镜之一，例如由另一晶体管晶体管64的漏极连接到图6的晶体管80的漏极(未示出)，它可以像开关来操作。然而，对于不那么突兀并因此更渐进的方式，电流镜晶体管可分为独立的晶体管，在这里指定为64.1，64.2直到64.N。这些晶体管平行配置，以及它们的栅极连接在一起。为了使每个晶体管的电流流动允许贡献于总电流流动或切换出，进一步晶体管130.1、130.2和130.N可以配置在和晶体管64.1、64.2直到64.N的串联连接的配置。晶体管130.1可以充当开关以允许或抑制电流流动通过晶体管64.1。类似地，晶体管130.2充当晶体管64.2的开关，等。此外，当晶体管130.1、130.2等被设定成导通时，它们可以设定为参考电压，以便充当电流镜64.1、64.2等的共源共栅晶体管。这可进一步线性化电路的响应。在进一步的变化中，提供给共源共栅晶体管的栅极的“打开”电压可以引起改变，作为第一阶段中电流的函数，从而提供可实现非线性传递函数的可能性。

电压阈值V_TR1、V_TR2和V_TR3可以在模拟或数字控制器的控制下被改变，以便实现各种控制策略，诸如滞后，以便抑制振荡。

在到目前为止所描述的实施例中，所有晶体管都是场效应晶体管。然而，等效电路可以只用双极晶体管制成或，如图8所示，可使用多种技术的混合物。在图8中，仅示出第一阶段，和第一晶体管60已经被替换为PNP双极晶体管160，其基极连接以接收阈值电压V_TR和它的发射极到节点14(尽管它也可附连到节点14')。

图9示出图4的电路的进一步变化，其中电阻器R1串联连接晶体管60的栅极和晶体管控制电压V_TR被施加于的输入节点162。第二电阻R2通过进一步晶体管170的方式在晶体管60的栅极和接地之间延伸，其栅极被耦合到晶体管62的栅极。因此，晶体管170传递正比于流过晶体管60的电流的电流。该晶体管170可具有和晶体管62的不同大小，例如，它可以更薄，使得它以1到N4的比率传递更小的电流。因此，当保护电路不工作以及晶体管60不传送任何电流时，全电压V_TR被施加到晶体管60，如果在节点14的电压升高，晶体管60开始导通。这依次又限制了节点14的电压，并可拖动它低于保护电压VP。如果电路然后再关闭，则节点14的电压可突然出现，而引起振荡状态。为了减少这个问题，一旦晶体管60开始导通，晶体管170也开始导通。这允许电流流过R2，由此相比于控制电压V_TR，降低晶体管60的栅极电压。这个现在产生了滞后，使得接通的阈值电压和关掉的阈值电压略有不同。因此，降低振荡行为的风险。进一步的晶体管172可被提供作为并联R1和R2(如图所示)或仅并联R1的二极管连接的P型晶体管。当电流在晶体管170流过时，其也流入晶体管172。在该结构中，晶体管60的栅极看到晶体管172的V_GS的分频版本，这用于小电流近似α.V_T，其中，α<1。这提供具有工艺和温度变化的V_T的改进跟踪。

因此，可提供一种电压驱动电流，其可用于组合使用串联阻抗以钳位在受保护的节点的电压，使得它基本上不在预定操作范围之外。

本文所示的电路已经被用于提供过压保护。然而，本领域技术人员将理解适当的修改，通常交换N型设备用于P型设备，反之亦然，该结构也可用于低压保护。

本文所公开的电路也可被数字启用和禁用。这可以通过改变提供给所述第一晶体管的电压V_TR来完成，或如图9所示，另一个晶体管180可相关联地设置电流镜中的一个，诸如由晶体管62和64所形成的电流镜，以牵引晶体管64的栅极电压到地面，从而关闭它。通过切换所有晶体管130.1 到130.N到关闭状态，类似的方法可以使用图7中所示的配置实现。

节点14可以表示芯片或管芯边界。在图10中，虚线200左侧的组件可设置在例如电路板，而虚线200右侧的组件可以提供在集成电路封装内。因此，该节点14可以是需要免受静电放电事件的节点。二极管20和22可以与ADC 10密切相关联，并且可嵌入ADC到这样的程度：尽管用于保护ADC 10免受ESD事件，它们不用于保护所述保护电路50中的晶体管。为了解决这个问题，保护电路50可以与它自己的ESD保护组件相关联。这种配置示于图10，其中，ESD保护组件210被插入到保护节点14和保护电路50之间的电流流动路径。在图10中，保护组件是电阻。

此前，相对于图6，有人指出，保护电路50可以具有从节点14分离的第二节点14'。节点14'可连接到过滤器30。然而，在图11所示的变型中，节点14'不是直接在信号路径中。这允许其它部件被连接到节点14'的可能性，来修改保护电路50的响应。例如，电容器212可以连接到节点14'，以便修改保护电路的响应。如果输入级由相对于图7描述的多个晶体管形成，这可是有益的，但其中某些输入晶体管的源极连接到节点14和一些到节点14'。这允许由连接到节点14的那些晶体管的快速接通，但从连接于节点14'的那些晶体管的较慢响应速度。这可有助于抑制振荡行为，而不牺牲打开时间。

本文提出的权利要求以适合在USPTO申请的单独依赖格式记载。然而，应当理解，每个权利要求可依赖于同一类别中的任一项前述权利要求，除非这显然是不可行的。