用于d類功率放大器的靜電放電保護(hù)的制作方法
【專利說明】用于D類功率放大器的靜電放電保護(hù)
[0001]背景
[0002]領(lǐng)域
[0003]本申請(qǐng)一般涉及功率放大器的操作和設(shè)計(jì)，并且尤其涉及用于功率放大器集成電路的靜電放電保護(hù)的操作和設(shè)計(jì)。
[0004]背景
[0005]D類功率放大器(PA)集成電路(IC)能夠被使用在設(shè)備中以驅(qū)動(dòng)片外音頻揚(yáng)聲器。通常，此類設(shè)備需要提供合乎工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(諸如，由國際電工委員會(huì)(IEC)所開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn))的靜電放電(ESD)保護(hù)。一種此類標(biāo)準(zhǔn)(稱為“IEC61000-4-2”)要求8KV接觸和15KV空氣放電的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)。該標(biāo)準(zhǔn)要求系統(tǒng)在IEC ESD事件期間具有吸收接近于20安培的峰值電流的能力。與之形成對(duì)比的是，一種不那么嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)(稱為“人體模型”(HBM))僅要求2KV(轉(zhuǎn)換為1.3安培的峰值電流)的保護(hù)。HBM是用于組件級(jí)ESD測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，而IEC61000-4-2是用于系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中使用的D類PA需要同時(shí)滿足HBM和IEC標(biāo)準(zhǔn)二者。
[0006]在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，D類PA IC可以提供用以輸出音頻信號(hào)的兩個(gè)接口管腳以及用以接收電壓傳感信號(hào)的兩個(gè)接口管腳。由此，D類PA IC可以具有要求針對(duì)HBM和IEC放電事件二者的ESD保護(hù)的四個(gè)或更多個(gè)接口管腳。
[0007]通常，外部瞬變電壓抑制(TVS) 二極管被用來提供針對(duì)集成電路的ESD保護(hù)。然而，TVS 二極管是昂貴的，并且取決于要求ESD保護(hù)的IC接口管腳的數(shù)量而可能導(dǎo)致過高的物料清單(BOM)成本。
[0008]相應(yīng)地，會(huì)期望有簡單和低成本的機(jī)制來為D類PA的接口管腳提供針對(duì)HBM和IEC放電事件的ESD保護(hù)。
[0009]附圖簡述
[0010]通過參照以下結(jié)合附圖考慮的描述，本文中所描述的以上方面將變得更易于明了，在附圖中:
[0011]圖1示出了具有帶有片上ESD保護(hù)的集成D類功率放大器的示例性實(shí)施例的設(shè)備;
[0012]圖2示出了圖1中所示的D類功率放大器的示例性詳細(xì)視圖；
[0013]圖3示出了 ESD保護(hù)電路的選定部分的詳細(xì)示例性實(shí)施例；
[0014]圖4示出了實(shí)現(xiàn)為BigFET (雙極型絕緣柵場效應(yīng)晶體管)并操作在MOS傳導(dǎo)模式中的NMOS晶體管的示例性示圖；
[0015]圖5示出了解說圖4中所示的NMOS晶體管在操作于MOS傳導(dǎo)模式中時(shí)的電流-電壓關(guān)系的示例性圖表；以及
[0016]圖6示出了具有集成ESD保護(hù)的D類功率放大器裝置的示例性實(shí)施例。
[0017]詳細(xì)描述
[0018]下面結(jié)合附圖闡述的詳細(xì)描述旨在作為對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的描述，而非旨在代表可在其中實(shí)踐本發(fā)明的僅有實(shí)施例。貫穿本描述使用的術(shù)語“示例性”意指“用作示例、實(shí)例或解說”，并且不應(yīng)一定解釋成優(yōu)于或勝于其它示例性實(shí)施例。本詳細(xì)描述包括具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的透徹理解。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的是，沒有這些具體細(xì)節(jié)也可實(shí)踐本發(fā)明的示例性實(shí)施例。在一些實(shí)例中，公知的結(jié)構(gòu)和設(shè)備以框圖形式示出以免煙沒本文中給出的示例性實(shí)施例的新穎性。
[0019]圖1示出了具有帶有片上ESD保護(hù)116的集成D類功率放大器102的示例性實(shí)施例的設(shè)備100 ;例如，設(shè)備100可以是便攜式音頻設(shè)備，諸如便攜式電話機(jī)或者M(jìn)P3播放器。集成D類PA 102具有用以輸出音頻信號(hào)以驅(qū)動(dòng)片外揚(yáng)聲器104的接口管腳106和108。傳感電路110被耦合到音頻揚(yáng)聲器104以接收指示過載狀況的傳感信號(hào)并且向設(shè)備100處的其他實(shí)體輸出對(duì)此過載狀況的指示。傳感信號(hào)也使用接口管腳112和114輸入到PA 102。
[0020]片上ESD保護(hù)電路116操作以保護(hù)接口管腳106、108、112和114免受與HBM和IEC放電事件二者相關(guān)聯(lián)的ESD的影響。例如，保護(hù)電路116操作以提供針對(duì)最高達(dá)8KV的接觸事件和/或最高達(dá)15KV的空氣放電事件的ESD保護(hù)。因?yàn)镋SD保護(hù)電路116與D類PA102集成，所以消除了對(duì)于片外ESD保護(hù)設(shè)備(諸如TVS 二極管)的需要，藉此節(jié)省了成本。此外，ESD保護(hù)電路116被配置成以最小硅面積來處置大ESD事件，這又節(jié)省了成本。
[0021]圖2示出了圖1中所示的D類功率放大器102的示例性詳細(xì)視圖200。在一示例性實(shí)施例中，PA 102被設(shè)在集成電路上。該P(yáng)A 102包括同樣被集成在相同電路上的ESD保護(hù)電路116。ESD保護(hù)電路116包括驟回(SB)電源鉗位電路202和觸發(fā)電路204。ESD保護(hù)電路116被配置成向使用揚(yáng)聲器信號(hào)線224耦合到片外揚(yáng)聲器104的接口管腳(或焊盤)206和208提供ESD保護(hù)。PA 102也被配置成向使用傳感線210接收傳感輸入的接口焊盤212和214提供ESD保護(hù)。
[0022]如圖2中所解說的，SB電源鉗位電路202被跨PA 102的第一和第二電源地連接。例如，第一電源為VDD電源而第二電源為VSS電源。由此，SB電源鉗位電路202跨PA 102的VDD和VSS電源軌連接。SB電源鉗位電路202包括提供優(yōu)秀的電流傳導(dǎo)能力和針對(duì)放電ESD事件的快速導(dǎo)通時(shí)間的任何合適的電源鉗位電路。在操作期間，若SB電源鉗位電路202響應(yīng)于ESD放電事件而激活，則SB電源鉗位電路202維持保持電壓(Vh)并且提供跨VDD和VSS電源軌的鉗位電壓以保護(hù)PA 102。
[0023]觸發(fā)器電路204也耦合在PA 102的VDD和VSS電源軌之間。觸發(fā)電路204操作以檢測(cè)作為ESD放電事件的結(jié)果而發(fā)生的鉗位電壓，并且作為響應(yīng)，激活NMOS輸出晶體管216和218以提供去往VSS電源軌的放電路徑。在一示例性實(shí)施例中，觸發(fā)電路204通過感測(cè)與VDD電源軌相關(guān)聯(lián)的鉗位電壓來檢測(cè)ESD放電事件。例如，響應(yīng)于接口焊盤206處的ESD放電事件，大電流沿路徑228經(jīng)二極管226流向VDD電源軌。ESD事件將導(dǎo)致激活SB電源鉗位電路202以維持保持電壓(Vh)并且提供跨VDD和VSS電源軌的鉗位電壓。觸發(fā)電路204響應(yīng)于ESD放電事件而檢測(cè)VDD電源軌上的鉗位電壓，并且激活輸出晶體管216和218以提供經(jīng)電阻器220和222去往VSS電源軌的放電路徑。ESD保護(hù)電路116的操作的更詳細(xì)的描述在以下參照?qǐng)D3來提供。
[0024]圖3示出了圖2中所示的PA 200的選定部分300的詳細(xì)示例性實(shí)施例。為了清楚起見，該部分300包括僅一個(gè)NMOS輸出晶體管，但是，該電路可以容易地?cái)U(kuò)展為同時(shí)包括兩個(gè)NMOS輸出晶體管。該部分300包括跨VDD和VSS電源軌連接的驟回電源鉗位電路202和觸發(fā)電路204。
[0025]觸發(fā)電路204包括連接在VDD電源軌和電阻器304之間的電容器302。電阻器304被連接在電容器302和VSS電源軌之間。反相器306的輸入端在端子310處被連接到電容器302和電阻器304 二者。反相器306的輸出端被連接到觸發(fā)晶體管308的柵極端子。觸發(fā)晶體管308具有連接到VDD電源軌的源極端子。觸發(fā)晶體管308的漏極端子被連接到NMOS輸出晶體管216的柵極端子。
[0026]在操作期間，ESD事件(E1)可以發(fā)生在接口焊盤206處。事件E1可以是導(dǎo)致大電流沿著路徑228流動(dòng)并且使得SB電源鉗位電路202維持保持電壓(Vh)的IEC放電事件在焊盤206處生成的電壓電平(Vpad)能夠從跨二極管226的電壓(Vd)、沿VDD電源軌的電壓(Vsk)、和跨電源鉗位電路202的鉗位電壓(VaAMP)的組合來確定。鉗位電壓Vclamp為保持電壓(Vh)加上與電源鉗位電路202的導(dǎo)通電阻相關(guān)聯(lián)的電壓的組合。假定大約(20安培)的放電電流、大約(0.05歐姆)的二極管導(dǎo)通電阻、大約(0.05歐姆)的VDD電源軌電阻、大約6伏特的保持電壓(Vh)以及大約(0.1)的電源鉗位電路202導(dǎo)通電阻，則焊盤電壓(Vpad)可以從以下表達(dá)式近似得出。
[0027]Vpad —V D+Vse+Vclamp
[0028]Vpad- (0.7+ (20*0.05)) + (20*0.05) + (6+ (0.1*20))
[0029]VPAD?10.7 伏特
[0030]響應(yīng)于ESD事件(E1)，節(jié)點(diǎn)310經(jīng)歷與提供鉗位電壓的電源鉗位電路202的激活相關(guān)聯(lián)的增大的電壓。節(jié)點(diǎn)310處的電壓使得反相器306輸出使得觸發(fā)晶體管308導(dǎo)通的觸發(fā)信號(hào)314。導(dǎo)通了的觸發(fā)晶體管308激活NMOS輸出晶體管216，該NMOS輸出晶體管216提供了傳導(dǎo)路徑312以使ESD事件(E1)經(jīng)電阻器220(其具有大約(0.1歐姆)的電阻值)向VSS放電。
[0031]MOS傳導(dǎo)樽式
[0032]在一示例性實(shí)施例中，NMOS輸出晶體管216被實(shí)現(xiàn)為BigFET以限制接口焊盤206處的焊盤電壓，并且提供去往VSS的附加放電路徑312。BigFET是配置有大溝道寬度的、操作在MOS傳導(dǎo)模式中以提供足以將IEC和HBMESD事件放電的放電路徑的NMOS晶體管。以下提供了 MOS傳導(dǎo)模式的更為詳細(xì)的描述。
[0033]圖4示出了實(shí)現(xiàn)為或者配置為操作在MOS傳導(dǎo)模式中的BigFET的NMOS晶體管216的示例性詳細(xì)示圖。在一示例性實(shí)施例中，MOS傳導(dǎo)路徑602由操作以提供大放電路徑的BigroT提供。
[0034]圖5示出了解說圖6中所示的NMOS晶體管216在操作于MOS傳導(dǎo)模式中時(shí)的電流-電壓關(guān)系的示例性圖表700。圖表700在縱軸上示出了焊盤電流(I)并在橫軸上示出了晶體管柵極-源極電壓(Ves)。如由標(biāo)繪線702所解說的，在Ves電壓超過閾值(Vt)之后，此后一般有線性的電流-電壓關(guān)系。
[0035]圖6示出了具有集成ESD保護(hù)的