專利名稱：壓差可控開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于MOS集成電路開關(guān)。特別地，它涉及一種根據(jù)外電路兩端電壓差值控制 電路的導(dǎo)通與斷開的MOS集成電路開關(guān)。
背景技術(shù)：
眾所周知MOSFET開關(guān)管廣泛地應(yīng)用在各種各樣的集成電路之中，開關(guān)管的導(dǎo)通或斷開 是由開關(guān)管柵極連接的集成電路的正電源和負(fù)電源來控制的。對于P型MOSFET開關(guān)管，它有 源極、漏極、柵極和管襯底四個端口，通常集成電路是在P型硅片上制作的，它的襯底是P 型硅片，P型MOSFET開關(guān)管的管襯底是由N阱區(qū)形成，接在這四個端口的最高電位上或者正 電源電壓上。當(dāng)柵極連到負(fù)電源或地上時，柵極下面的N型硅反型成P型硅，開關(guān)管導(dǎo)通， 電流或電壓可以在源極和漏極之間流動，，反之，當(dāng)柵極連到正電源上時，開關(guān)管柵極下面的 N型硅N型加強，源極和漏極被兩個反相二級管隔斷，在源極和漏極之間無電流或電壓流動， 開關(guān)管斷開。對于N型MOSFET開關(guān)管，它有源極、漏極、柵極和管襯底四個端口，通常它的 管襯底與集成電路芯片的襯底是同一個襯底，在P型硅片上制作的，它的襯底是與接在這四 個端口的最低電位上或者負(fù)電源上，當(dāng)柵極連到正電源上時，開關(guān)管導(dǎo)通，電流或電壓可以 在源極和漏極之間流動，反之，當(dāng)柵極連到負(fù)電源上時，開關(guān)管斷開，源極和漏極被隔斷， 在源極和漏極之間無電流或電壓流動。存在這樣的應(yīng)用，在某些時候，集成電路芯片上的供電正電源(或負(fù)電源)低于(或高 于)外接輸入或輸出接口的電壓，這樣MOSFET開關(guān)管兩端電壓中的其中一端高于正電源或低 于負(fù)電源，P型M0SFET開關(guān)管的管襯底不是接在開關(guān)管的四個端口的最高電位上，N型M0SFET 開關(guān)管的管襯底不是接在開關(guān)管的四個端口的最低電位上，按以上所述方法連接的MOSFET開 關(guān)管由于不能關(guān)斷而將不能正常工作。同時，當(dāng)外接輸入和輸出接口的電壓差值過大，特別是瞬時的過量電荷沖擊超過了 MOSFET開關(guān)管的承受能力，造成MOSFET開關(guān)管被擊穿，則直接導(dǎo)致集成電路無法回復(fù)到符 合設(shè)計要求的正常工作狀態(tài)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明即為了解決上述問題，使開關(guān)能夠根據(jù)外接電路的電壓差值以及輸入控制信號，自動 的根據(jù)設(shè)置條件閉合與斷開，并允許外界電壓高于MOSFET開關(guān)管一定范圍，從而對MOSFET開 關(guān)管進行保護，防止瞬時的過量電荷沖擊造成MOSFET開關(guān)管被擊穿。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的-一種壓差可控開關(guān)，包括兩類端口和三類模塊，具體為外界端口，標(biāo)記為A端與B端，開關(guān)閉合時外界端口A端與B端連通，開關(guān)斷開時外界端口 A端與B端斷開；控制端口，由若干端口d、 C2……Cn組成，向電平位移部分傳送控制信號； MOSFET開關(guān)管部分，由兩個或兩個以上串聯(lián)的MOS管構(gòu)成，第一端與第二端分別連接在A端 和B端，組成該部分的各MOS管的柵極連接不同的控制和限幅輸出部分； 控制和限幅輸出部分，第一端連接外界電路的A端或B端，其余端口連接電平位移部分，并 視開關(guān)功能需要連接M0SFET開關(guān)管部分各M0S管的柵極；電平位移部分，由外加控制信號C端進行控制，控制端口的數(shù)量不限，輸出信號連接控制和 限幅輸出部分。所述MOSFET開關(guān)管部分，既可以是兩個MOSFET串聯(lián)構(gòu)成，也可以是多個M0SFET管的串聯(lián)構(gòu) 成，還可以是兩組或兩組以上的MOSFET管串聯(lián)以后再并聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)。串聯(lián)的M0S管中，最 靠近A端的M0S管的襯底倒向A端，MOS管的柵極對應(yīng)連接在與A端相連的控制與限幅輸出 部分；最靠近B端的MOS管的襯底倒向B端，MOS管的柵極對應(yīng)連接在與B端相連的控制與 限幅輸出部分；位于中間的各MOS管根據(jù)需要，襯底可以倒向A端或B端，倒向A端時MOS 管的柵極對應(yīng)連接在與A端相連的控制與限幅輸出部分，倒向B端時MOS管的柵極對應(yīng)連接 在與B端相連的控制與限幅輸出部分。各組成MOS管既可以是P型MOSFET管，也可以是N型 M0SFET管，或者是P型MOSFET管和N型MOSFET管的任意組合而成的混合體。 所述控制和限幅輸出部分，包括交叉連接的雙M0S開關(guān)管對，以及并聯(lián)在開關(guān)管對的源漏級 之間的限幅器。雙MOS管開關(guān)管對的源極作為控制和限幅輸出部分的第一端連接外界電路， 雙MOS開關(guān)管的柵極與漏極交叉連接，分別作為控制和限幅輸出部分的輸出端口，連接電平 位移部分，并視開關(guān)功能和需要連接MOSFET開關(guān)管部分。并聯(lián)在開關(guān)管對的源漏級之間的限 幅器，對外界電路電壓進行限幅，保護M0S開關(guān)管各M0S管不被擊穿，具體實現(xiàn)可以為通常 的模擬集成方法實現(xiàn)的各種限幅器。所述電平位移部分，包括但不限于以下部分組成輸入信號處理單元；NM0S差分對管；恒流 源。輸入信號處理單元由一個或數(shù)個傳輸門結(jié)構(gòu)的MOS管構(gòu)成,每個傳輸門結(jié)構(gòu)均由 一個NM0S 管和一個PM0S管組成，傳輸門MOS管的柵極由外加控制信號控制，從而將控制信號或控制信號的反相信號傳至NMOS差分對管，進行了電平的位移；NMOS差分對管柵極連接輸入信號單元，源極連接恒流源，漏極作為電平位移單元的輸出端口連接控制和限幅輸出部分；恒流源 由通常的模擬電路實現(xiàn)方法實現(xiàn)，向NMOS差分對管提供穩(wěn)定的電流，并提高NMOS差分對管源極的電壓。以上所述的M0SFET開關(guān)管部分、控制和限幅輸出部分、電平位移部分，可采用普通MOS開關(guān) 管以節(jié)約開銷，其型號可釆用同一類型，也可采用不同類型。說明書附1是表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的簡略結(jié)構(gòu)框圖。圖2是表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的MOSFET開關(guān)管部分的實施方式的電路圖。圖3是表示本發(fā)明壓差可控開關(guān)的控制和限幅輸出部分的實施方式的電路圖。圖4是表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的第三輸入控制信號處理部分的實施方式的電路圖。
具體實施方式
參照


本發(fā)明的實施方式。圖1是表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的的簡略結(jié)構(gòu)框圖。圖1所示的壓差可控開關(guān)具有由兩 個或兩個以上串聯(lián)的MOS管構(gòu)成、控制電路導(dǎo)通與斷開的M0SFET開關(guān)管部分1;對開關(guān)外接 電路兩端電壓差進行比較和限幅的控制和限幅輸出部分2、 3;根據(jù)外加信號對開關(guān)進行電平 調(diào)整的電平位移部分4、 5?？刂坪拖薹敵霾糠?、 3可以一致也可以不一致；電平位移部 分4、 5可以一致也可以不一致。 由圖1說明壓差可控開關(guān)的工作原理如下當(dāng)A、 B兩端電壓未超出設(shè)定閾值時，控制與限幅輸出部分將控制MOSFET部分各個MOS管工作在線性區(qū)，AB之間電路導(dǎo)通，MOSFET開關(guān)管部分的工作類似于電阻。當(dāng)A端和/或B端電壓超出設(shè)定閥值時，連接在電壓超出設(shè)定值一端的控制與限幅輸出部分將發(fā)出控制信號，使柵極與之對應(yīng)相連的MOSFET開關(guān)管中的MOS管截止，從而斷開AB之間的電路。當(dāng)A端和/或B端電壓過高有可能擊穿M0S管或其他元器件時，控制與限幅輸出部分將對電壓 值進行限幅，從而確保M0SFET開關(guān)管部分各開關(guān)管兩端電壓差值不超過M0S管的承受能力。圖2是表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的M0SFET開關(guān)管部分的實施方式的電路圖。圖2 (a)是本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的MOSFET開關(guān)管部分的第一實施例，由兩個串聯(lián)的PMOS管組成。M0S管M21的襯底連接A端，M()S管M21的柵極連接在與A端相連接的控制和限幅輸出部分；M0S管M22的襯底連接B端，MOS管M22的柵極連接在與B端相連接的控制和限幅輸出部分。當(dāng)外電路A端超過設(shè)置的門限閾值，與A端相連的控制與限幅輸出部分將輸出控制信號，使 相應(yīng)的M0S管M21的柵極收到高電平信號，從而斷開M0S管M21，電路斷開；同樣的，當(dāng)外 電路B端超過設(shè)置的門限閾值，與B端相連的控制與限幅輸出部分將輸出控制信號，使相應(yīng) 的MOS管M22的柵極收到高電平信號，從而斷開MOS管M22，電路斷開；當(dāng)A、 B兩端電壓均 超過設(shè)置的門限閾值，則MOS管M21、 M22均截止，電路斷開。當(dāng)外電路A端電壓和B端均低于設(shè)定的門限閾值，兩PMOS管將處于正常工作狀態(tài)，MOS管M21 和M22均可視之為電阻，電路導(dǎo)通，開關(guān)處于閉合狀態(tài)。圖2 (b)是表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的MOSFET開關(guān)管部分的第二實施例，由4個串聯(lián)的 PMOS管組成，其中M21、 M23的襯底向A端偏置，柵極受到連接A端的控制與限幅輸出部分 的控制；M22、 M24的襯底向B端偏置，柵極受到連接B端的控制與限幅輸出部分的控制。 這一連接方式較之圖2 (a)的連接，增加了串聯(lián)的MOS管，從而能夠提高設(shè)定的門限閾值， 在A、 B間導(dǎo)通時MOSFET則相當(dāng)于較大的電阻，從而限制過大的電流對電路元件造成的損害。 基于以上的原理，MOSFET開關(guān)管可以在以上實施例的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加串聯(lián)的MOSFET開關(guān)管， 從而滿足更高的電壓差閾值需求，并限制過大電流對元件的損害。圖3是表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的控制與限幅輸出部分的實施方式的電路圖，由圖可以看 出，控制與限幅輸出部分由交叉連接的MOS管對和限幅器電路組成。由兩個PMOS管組成的交叉連接的MOS開關(guān)管對，將外加電路A端或B端的電壓通過MOS管對 連接至電平位移部分，并視需要部分或全部連接MOSFET開關(guān)管部分。限幅器并聯(lián)在交叉連接 的MOS開關(guān)管對的源極和漏極之間，作為交叉連接的MOS開關(guān)管對的偏置電路。 由于PM0S管的柵極交叉連接，從而保證了MOS管的兩輸出端中僅有一個為高電平，另一個為 低電平，M31和M32漏極端輸出具體是高電平還是低電平則直接取決于電平位移部分接收到 的外加輸入信號。基于這樣的運用，交叉連接的MOS管M31和M32與MOSFET開關(guān)管部分的連接，將根據(jù)開關(guān)實 現(xiàn)的功能和MOSFET開關(guān)管部分的MOS管類型來決定。當(dāng)外加電路A端或B端電壓過高，且電平位移部分輸出D點為高電平，則E點必為低電平，D 點所連接的MOSFET開關(guān)管部分的各PMOS管，或E點所連接的MOSFET開關(guān)管部分的各NMOS管，將處于截止?fàn)顟B(tài)，從而使MOSFET開關(guān)管兩端的外界電路斷開。基于同樣的原因，當(dāng)三電 平位移部分輸出D點為低電平，則E點必為高電平，也可以控制電路的斷開。 同時，并聯(lián)在交叉連接的MOS開關(guān)管對的源極和漏極之間的限幅器，使得MOS開關(guān)管對源漏 極之間的電壓差比較穩(wěn)定，控制與限幅輸出部分輸出端的電壓幅度受到限制。 由于限幅器電路限制了 A端(或B端)與D點(或E點)之間的電壓差幅值,亦即限制了 MOSFET 開關(guān)管各相應(yīng)MOS管的源極(或漏極)之間的電壓差，從而防止過高的電壓對MOSFET開關(guān)管 的擊穿，保護了開關(guān)管的正常工作。圖4表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的電平位移部分的電路圖，包括但不限于以下單元輸入信 號處理單元；醒OS差分對管；恒流源。圖4 (a)表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的電平位移部分的第一實施例，圖中輸入信號處理單 元411和412，均由一個傳輸門組成，向NMOS差分對管的柵極傳送外加的控制信號。圖中的 外加控制信號分別為d和C2，可以將其擴展為多個控制端口，也可以在d或C2之前增加一個 反向器之后合并為一個控制信號端口，從而使輸入信號處理單元的411和412的輸入信號為 反向信號。輸入信號處理單元411的傳輸門的NMOS管和PMOS管分別連接外加控制信號d和C2，傳輸門 的輸入端連接外加電壓V,，輸出端連接剛0S差分對管421的一MOS管的柵極；輸入信號處理 單元412的傳輸門的PM0S管和剛0S管分別連接外加控制信號d和C"傳輸門的輸入端連接 外加電壓V2,輸出端連接NMOS差分對管421的另一 M0S管的柵極。NMOS差分對管421，其柵極連接輸入信號單元411和412，源極連接恒流源431，漏極作為電 平位移單元的第三端和第四端連接控制和限幅輸出部分；恒流源431，由通常的模擬電路實現(xiàn)方法實現(xiàn)，向NM0S差分對管提供穩(wěn)定的電流，并提高NM0S 差分對管源極的電壓。由于這樣的連接方法，傳輸門在外加控制信號使之導(dǎo)通的時候，將相應(yīng)的電平位移至NMOS差 分對管，而不改變外加的電平值。具體而言，當(dāng)C,為高電平和/或C2為低電平時，輸入信號 處理單元411將電平值V,傳至所連接的NM0S差分對管的柵極；當(dāng)C,為低電平和/或G為高電 平時，輸入信號處理單元411將電平值V2傳至所連接的NM0S差分對管的柵極。 NM0S差分對管421的兩柵極將接收到的位移電平V,和V2通過差分放大后，由輸出端D、 E連 接控制和限幅輸出部分。這一連接使NM0S差分對管的源極和漏極的電壓能夠浮動在一定范圍內(nèi)，從而擴大了開關(guān)能夠承載的電壓，對保護開關(guān)不受擊穿起到相應(yīng)的作用。圖4 (b)表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的電平位移部分的第二實施例，圖中輸入信號處理單元411和412，均由兩個串聯(lián)個傳輸門組成，且兩傳輸門倒向連接，亦即第一傳輸門的NMOS 管連接第二傳輸門的PMOS管，第一傳輸門的PM0S管連接第二傳輸門的NM0S管。兩傳輸門的 銜接處作為輸入信號處理單元411和42的輸出端，向NM0S差分對管的柵極傳送外加的控制 信號。圖中輸入信號處理單元411和412的柵極所連接的外加控制信號已經(jīng)合并為控制信號 C,使輸入信號處理單元的411和412的輸入信號為反向信號，在實際應(yīng)用中可以將其擴展為 多個控制端口，也可以如圖4 (a)所示分為d和C2。輸入信號處理單元411中傳輸門的輸入 端分別連接Vi和V2，輸入信號處理單元412中傳輸門的輸入端分別連接V3和V4，根據(jù)控制信 號C，分別將不同的電壓值加到NM0S差分對管421M0S管的柵極。 NMOS差分對管421和恒流源431的構(gòu)建方式和工作原理與圖4 (a)相同。 這一連接方式能夠使剛OS差分對管的柵極根據(jù)外加控制信號C的值，合理的選擇傳輸?shù)奈灰?電平，使得NMOS差分對管的電壓浮動范圍進一步增大，并使D、 E兩點的電平能夠根據(jù)控制 信號C而產(chǎn)生很大的改變，并將這一電平傳至控制與限幅輸出部分，并視需要傳遞至MOSFET 開赴開關(guān)管部分。圖4 (c)表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的電平位移部分的第三實施例，在圖(a)的基礎(chǔ)上， 兩組相對獨立的NM0S管差分對和恒流源共用輸入信號處理單元，從而節(jié)約了器件開銷和電路 面積。根據(jù)電路的需要，可以繼續(xù)增加相對獨立的NMOS管差分對和恒流源數(shù)量而共用輸入信 號處理單元。其工作原理與圖4 (a) —致。圖4 (d)表示本發(fā)明的壓差可控開關(guān)的電平位移部分的第四實施例，在圖(b)的基礎(chǔ)上， 兩組相對獨立的NM0S管差分對和恒流源共用輸入信號處理單元，從而節(jié)約了器件開銷和電路 面積。根據(jù)電路的需要，可以繼續(xù)增加相對獨立的NMOS管差分對和恒流源數(shù)量而共用輸入信 號處理單元。其工作原理與圖4 (a) —致。上述實施實例只是應(yīng)用中的有限的一部分，其他實施實例還包括但不限于所述壓差可控 開關(guān)由以上所述功能塊中的某一個部分、某幾個部分或者所有部分的組合構(gòu)成，并且本發(fā)明 不局限于這些實施形態(tài)，而由權(quán)利要求的范圍示出，與權(quán)利要求的范圍均等的內(nèi)容和權(quán)利要 求的范圍之內(nèi)的所有變更或變化都包含在本發(fā)明要求的權(quán)利范圍之內(nèi)。工業(yè)上利用和應(yīng)用的可能性本發(fā)明的壓差可控開關(guān)可以應(yīng)用于但不限于電池保護芯片、電源管理芯片、集成電路和 集成芯片的保護電路或裝置等等與本發(fā)明相關(guān)的所有應(yīng)用范圍和場合中。
權(quán)利要求
1. 一種壓差可控開關(guān)，其特征在于，包括兩類端口和三類模塊，具體為外界端口，標(biāo)記為A端與B端，開關(guān)閉合時外界端口A端與B端信號通路連通，開關(guān)斷開時外界端口A端與B端信號通路斷開；控制端口，由若干端口C1、C2……Cn組成，傳遞向電平位移部分傳送控制信號；第一類模塊即MOSFET開關(guān)管部分，由兩個或兩個以上串聯(lián)的MOS管構(gòu)成，第一端與第二端分別連接在A端和B端，組成該部分的各MOS管的柵極連接不同的控制和限幅輸出部分；第二類模塊即控制和限幅輸出部分，第一端連接外界電路的A端或B端，其余端口連接電平位移部分，并視開關(guān)功能需要連接MOS管部分各MOS管的柵極；第三類模塊即電平位移部分，由外加控制信號通過控制口C1、C2……Cn進行控制，控制端口的數(shù)量不限，輸出信號連接控制和限幅輸出部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓差可控開關(guān)，其特征在于，所述的MOSFET5f關(guān)管部分，串聯(lián)的MOS 管中，最靠近A端的MOS管的襯底倒向A端，MOS管的柵極對應(yīng)連接在與A端相連的控制與 限幅輸出部分最靠近B端的MOS管的襯底倒向B端，MOS管的柵極對應(yīng)連接在與B端相連 的控制與限幅輸出部分；位于中間的各MOS管根據(jù)需要，襯底可以倒向A端或B端，倒向A 端時該MOS管的柵極對應(yīng)連接在與A端相連的控制與限幅輸出部分，倒向B端時該MOS管的 柵極對應(yīng)連接在與B端相連的控制與限幅輸出部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓差可控開關(guān)，其特征在于，所述的MOSFET開關(guān)管部分，既可以是兩 個MOSFET串聯(lián)構(gòu)成，也可以是多個MOSFET管的串聯(lián)構(gòu)成，還可以是兩組或兩組以上的多個 MOSFET管串聯(lián)以后再并聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)，各MOS開關(guān)管既可以是P型MOSPET管，也可以是N 型MOSFET管，或者是P型MOSFET管和N型MOSFET管的任意組合而成的混合體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓差可控開關(guān)，其特征在于，所述的控制和限幅輸出部分，包括 交叉連接的雙MOS開關(guān)管對，可以是PM0S開關(guān)管對或NM0S開關(guān)管對，MOS開關(guān)管的源極作 為控制和限幅輸出部分的第一端連接外界電路A端或B端，MOS開關(guān)管的柵極與漏極交叉連 接，分別作為控制和限幅輸出部分的輸出端口，連接電平位移部分，并視開關(guān)功能和需要連 接M0S管部分，從而將外加電路的較高的電壓信號傳至MOSFET開關(guān)管部分，使MOS管截止以 斷開外界電路并聯(lián)在開關(guān)管對的源漏級之間的限幅器，對外界電路電壓進行限幅，保護MOS開關(guān)管各MOS 管不被擊穿，具體實現(xiàn)可以為通常的模擬集成方法實現(xiàn)的各種限幅器。5根據(jù)權(quán)利要求1所述壓差可控開關(guān)，其特征在于，所述的電平位移部分，包括 輸入信號處理單元，由一個或數(shù)個傳輸門結(jié)構(gòu)的MOS管構(gòu)成，傳輸門MOS管的柵極由外加控 制信號控制，從而將控制信號或控制信號的反相信號傳至NMOS差分對管,進行了電平的位移; NMOS差分對管，其柵極分別連接不同的輸入信號單元，源極連接恒流源，漏極作為電平位移 單元的輸出端口連接控制和限幅輸出部分；恒流源，由通常的模擬電路實現(xiàn)方法賣現(xiàn)，向醒OS差分對管提供穩(wěn)定的電流，并提高,0S 差分對管源極的電壓。6根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5所述壓差可控開關(guān)，其特征在于所述的MOSFET開關(guān)管部分、 控制和限幅輸出部分、電平位移部分，可采用普通M0S開關(guān)管以節(jié)約開銷，其型號可采用同 一類型，也可采用不同類型。
全文摘要
本發(fā)明提供一種壓差可控開關(guān)，能夠根據(jù)外電路兩端電壓差值控制電路的導(dǎo)通與斷開。該壓差可控開關(guān)具有由兩個或兩個以上串聯(lián)的MOS管構(gòu)成、控制電路導(dǎo)通與斷開的MOSFET開關(guān)管部分(1)；利用開關(guān)外接電路兩端電壓差對MOSFET開關(guān)管部分進行控制的控制和限幅輸出部分(2)和(3)；根據(jù)外加信號對開關(guān)進行電平調(diào)整的電平位移部分(4)和(5)。該電路能夠處理外界電路兩端電壓高于MOS管擊穿電壓一定范圍的情形，合理的避免MOS管出現(xiàn)擊穿。
文檔編號H03K17/08GK101222218SQ20071003650
公開日2008年7月16日 申請日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者曹先國 申請人:曹先國