专利名称：一种适用于射频识别标签芯片的静电保护电路的制作方法
技术领域：
本实用新型属于静电保护技术领域，具体为一种适用于射频识别(RFID)标签芯片的静电保护(ESD, electronic static discharge)电路，尤其适合在无源RFID标签芯片中应用。
背景技术：
RFID (radio frequency identification )射频识别技术在近年来越来越受 到重视。与条码、磁卡、IC卡等同期或早期的识别技术相比，射频卡具有 非接触、读取距离长、可识别运动目标等优点。因为无源RFID标签芯片的 能量来源于电磁波，且感应电压会根据磁场强度而发生改变，所以需要有 射频限压电路对感应电压限制，防止高压损坏芯片内部电路。此外由于 RFID标签芯片在使用过程中经常会出现静电脉冲，所以芯片内还需要一个 稳定性好并且泻放能力强的ESD保护电路，同时还要求能尽可能减小芯片 面积，以实现电路的低功耗和芯片的低成本。传统的两级保护结构的ESD保护电路如图1所示。输入节点PAD上出 现静电脉冲时，大电流通过短沟道NMOS管N管和二极管D回路泻放。电 阻R主要起限流作用，其值与N管的开启电压和D管反向击穿电压有关。 但是在电路实际工作中，由于N管引入的寄生电容使信号延时，N管和D 管就不能起到平分电流的作用，靠近输入节点PAD的N管常常在D管开始 泻放电流之前就已烧毁。此外，电路中的N管只能起到被动的泻放电流作 用，而不能受控工作，这使占用芯片面积大的晶体管N使用效率低，消耗 功率大。发明内容本实用新型提供了一种适用于射频识别标签芯片的静电保护电路，该
保护电路不仅降低了寄生输入电容，提高了ESD保护性能，还可以避免芯 片内部电路因过大磁场强度而产生的高电压造成的损坏，实现限压功能， 具有面积小、低功耗和稳定性好的特点。本实用新型提供的一种适用于射频识别标签芯片的静电保护电路，其 特征在于该电路包括电压比较器电路和电流泻放电路；电压比较器电路 用于检测和比较电压值，它包括PMOS管Pl， P3和电阻R2， R3， PMOS 管P1， P3的栅极和漏极相连，形成正偏二极管结构，并串联在一起，PMOS 管P3的漏极和电阻R2的一端连接，控制节点DS位于PMOS管P3的漏极 和电阻R2的连线上，电阻R2的另一端则与最低电位连接，电阻R3—端 与PMOS管Pl源极相连，另一端连接到检测节点TDD;电流泻放电路用 于泻放静电脉冲和射频高压，它包括NM0S管N1、 N2、 二极管D1和电阻 Rl， NMOS管Nl栅极与控制节点DS相连，漏极连接到输入节点PAD， 源极与最低电位连接，NMOS管N2漏极与电源VCC相连，栅极和源极连 接形成反偏二极管结构，并与最低电位相连，二极管D1的正极连接到输入 节点PAD，负极连接到电源VCC。作为本实用新型的改进方案，电压比较器电路还包括PMOS管P2， PMOS管Pl， P2， P3的栅极和漏极相连，形成正偏二极管结构，并串联在 一起。本实用新型静电保护电路基于电磁场理论，利用MOS管的导通电阻可 控性，采用电压检测的方式来控制泻放管状态，保护内部电路。与传统电 路相比，次保护管NM0S管N1是受控的，且寄生电容较小，而寄生电容 较大的主保护管NMOS管N2没有直接接到输入节点上，减小了输入节点 寄生电容，避免了出现高频信号的延时效应。由于有效的减少了输入寄生 电容，就可以避免出现主保护管还没有工作而次保护管就已烧毁的情况， 提高了电路的稳定性。当输入节点PAD上射频电压高于门限电压时，电压 比较器就会输出高电平启动次保护管开始泻放电流，达到射频限压的作用， 所以此电路不仅能实现ESD保护功能还能起到射频限压的作用，在原有的 基本功能上实现了突破，仅用一个电路就实现了传统的ESD保护功能和限 压功能，有效的减少了面积，降低了功耗，并且保证了较小的信号延时。 总之，本实用新型静电保护电路特别适合无源RFID标签芯片的应用，在减 少面积降低功耗的同时还提升了 ESD保护电路的保护性能，提高了整个标 签芯片的使用寿命。
图1为现有ESD保护电路的结构示意图。图2为本实用新型的静电保护电路的一种结构示意图；图3为本实用新型的静电保护电路的另一种结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型作进一步详细的说明。 输入节点PAD外接标签芯片的天线，静电脉冲和射频信号正是从输入 节点PAD进入ESD保护电路内的。输出节点OUT则接入内部电路。如图 2所示，本实用新型提供的静电保护电路包括电压比较器电路1和电流泻放 电路2两部分，其中，电压比较器电路1用于检测和比较电压值，电流泻 放电路2用于泻放静电脉冲和射频高压。电压比较器电路1包括PMOS管P1， P2， P3和电阻R2， R3。 PMOS 管P1， P2， P3的栅极和漏极相连，形成正偏二极管结构，并串联在一起。 PMOS管P3的漏极和电阻R2的一端连接，控制节点DS位于PMOS管P3 的漏极和电阻R2的连线上，其电压值相同。电阻R2的另一端则与最低电 位连接。电阻R3—端与PM0S管P1源极相连，另一端连接到检测节点TDD， 检测节点TDD的电压由内部电路产生，并跟随输出节点OUT电压变化， 二者成正比关系。当输入节点PAD电压很大时或者产生静电脉冲时，检测 节点TDD电压升高，则控制节点DS输出一个高电平；正常情况下，控制 节点DS输出一个低电平。电流泻放电路2包括NMOS管Nl 、N2、 二极管Dl和电阻Rl 。 NMOS 管N1栅极与控制节点DS相连，漏极连接到输入节点PAD，源极与最低电
位连接。NMOS管N2漏极与电源VCC相连，栅极和源极连接形成反偏二 极管结构，并与最低电位相连。二极管D1的正极连接到输入节点PAD，负 极连接到电源VCC。电阻Rl两端与输入节点PAD和输出节点OUT接连， 起到限流的作用。当控制节点DS为高电平时，NMOS管Nl开始工作，湾 放电流使输入节点PAD电压降低，实现限压功能。在实际应用中，当需要将检测节点TDD限制在更低的电压范围时，电 压比较器电路1可省去PMOS管P2, PMOS管Pl和P3的栅极和漏极直接 相连，形成正偏二极管结构，并串联在一起，其结构如图3所示。下面详细说明本实用新型静电保护电路的工作原理。 以下描述的电压单位为伏特(V)。定义PMOS管的阈值电压为r，，NMOS管的阈值电压为r，。电路共有如下三种工作情况a)输入节点PAD上为正常电压时，即没有出现射频高压和静电脉冲。此时，检测节点TDD电压-y 7DD 、 F r柳T K ，i T K T r ，3 T K W3 ^ r朋T ， T ^ 〃3其中^是R3电阻上的电压。控制节点电压低于NMOS管Nl的阈值电压， 则N1管保持截止状态，此时N2管也为截止状态，所以没有泻放电流产生。 输入节点PAD上的信号通过电阻R1到达输出节点OUT，然后进入内部电 路。内部电路使检测节点TDD电压保持不变。b)输入节点PAD上产生射 频高压时，此时检测节点TDD电压会随之升高，当^W)〉r，+3r，+^时， 控制节点DS电压高于NMOS管Nl的阈值电压，Nl管进入饱和区，开始 从输入引脚PAD上泻放电流。此时输入节点PAD上电压开始降低，检测节 点TDD电压也随之降低，当TDD电压降到F， =rm;v +^3时，电路保持动态稳定。此时输出节点OUT有恒定电压输出。c)输入节点PAD出 现静电脉冲时，高压首先将NMOS管Nl击穿，从N1管泻放电流。同时高 压通过限流电阻Rl和二极管Dl传到NMOS管N2的漏极，将N2管击穿 也开始泻放电流。此时N1管和N2管两条支路同时泻放电流。当输入节点 PAD电压降低后，NMOS管N2和Nl相继进入截止区，电路恢复a工作状 态。
实例-本实例的描述是基于釆用SMIC(中芯国际)0.35nm带嵌入式EEPROM 工艺基础上进行电路设计。工艺库定义PMOS管的阈值电压为F，^0.7V， NMOS管的阈值电压为K，^0.7V， R3电阻为IOKQ。普通NMOS管的耐 压值为9.8V。电路工作时，如果^^〉4.8V，则电路进入b高压泻放状态，如果 FTOD<4.8V，则电路进入a正常状态。在输入节点PAD上出现静电脉冲则电 路直接进入c静电泻放状态。在任何情况下输出节点OUT电压最大值为 9.3V，所以不会对电路器件造成损害。在实际生产时，NMOS管Nl和N2将采用ESD保护管结构，增大源 极的尺寸，加强散热能力。
权利要求1、一种适用于射频识别标签芯片的静电保护电路，其特征在于该电路包括电压比较器电路(1)和电流泻放电路(2)；电压比较器电路(1)用于检测和比较电压值，它包括PMOS管P1，P3和电阻R2，R3，PMOS管P1，P3的栅极和漏极相连，形成正偏二极管结构，并串联在一起，PMOS管P3的漏极和电阻R2的一端连接，控制节点DS位于PMOS管P3的漏极和电阻R2的连线上，电阻R2的另一端则与最低电位连接，电阻R3一端与PMOS管P1源极相连，另一端连接到检测节点TDD；电流泻放电路(2)用于泻放静电脉冲和射频高压，它包括NMOS管N1、N2、二极管D1和电阻R1，NMOS管N1栅极与控制节点DS相连，漏极连接到输入节点PAD，源极与最低电位连接，NMOS管N2漏极与电源VCC相连，栅极和源极连接形成反偏二极管结构，并与最低电位相连，二极管D1的正极连接到输入节点PAD，负极连接到电源VCC。
2、 根据权利要求l所述的静电保护电路，其特征在于电压比较器电 路(1)还包括PMOS管P2， PMOS管Pl， P2， P3的栅极和漏极相连，形 成正偏二极管结构，并串联在一起。
专利摘要本实用新型公开了一种适用于射频识别标签芯片的静电保护电路，该电路包括电压比较器电路和电流泻放电路。电压比较器电路包括PMOS管P1，P3和电阻R2，R3，用于检测和比较电压值；电流泻放电路包括NMOS管N1、N2、二极管D1和电阻R1，用于泻放静电脉冲和射频高压。本实用新型减小了输入节点寄生电容，避免了出现高频信号的延时效应，并避免了出现主保护管还没有工作而次保护管就已烧毁的情况，提高了电路的稳定性。此外，本实用新型不仅能实现ESD保护功能还能起到射频限压的作用，仅用一个电路就实现了两种功能，特别适合应用于无源RFID标签芯片。本实用新型在减少面积降低功耗的同时，还提升了ESD保护电路的保护性能，进一步提高了整个标签芯片的使用寿命。
文档编号G06K19/073GK201041676SQ200720084698
公开日2008年3月26日 申请日期2007年5月11日 优先权日2007年5月11日
发明者刘冬生, 刘政林, 张科峰, 戴逸飞, 邹雪城 申请人:华中科技大学