本公開(kāi)涉及一種電壓控制的電流路徑和包括這種電壓控制的電流路徑的電壓鉗。

背景技術(shù)：

某些電路組件可僅能夠承受第一電壓范圍內(nèi)的電壓，但也可通過(guò)其電源軌在第二電壓范圍操作的組件驅(qū)動(dòng)，所述第二電壓范圍大于第一電壓范圍并足夠大以損壞更敏感的組件。本公開(kāi)教導(dǎo)一旦該節(jié)點(diǎn)處的電壓達(dá)到閾值則傳導(dǎo)電流遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)的裝置，從而產(chǎn)生鉗在該節(jié)點(diǎn)的電壓和從而保護(hù)連接到該節(jié)點(diǎn)的組件的可能性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開(kāi)的第一方面，提供了一種電壓控制的電流路徑。所述電壓控制的電流路徑包括第一階段，經(jīng)配置成一旦在第一階段的輸入節(jié)點(diǎn)處的電壓超過(guò)閾值則傳導(dǎo)電流。經(jīng)過(guò)第一階段的電流量是在輸入節(jié)點(diǎn)處的電壓的函數(shù)。第二階段被配置成傳遞是通過(guò)第一階段的電流的函數(shù)的電流。

有利的是，第二階段具有連接到受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)的第一第二階段節(jié)點(diǎn)。因此，一旦第一階段開(kāi)始傳送電流，第二階段可以被配置吸收電流，或者如果適當(dāng)?shù)脑?huà)提供電流到受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)，以便提供用于限制在受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)的電壓偏移的電流路徑。

在一些實(shí)施例中，第二階段的電流可以基本上線性相關(guān)于第一階段的 電流。然而，這不是本公開(kāi)的限制或要求，也可以調(diào)用其它傳遞函數(shù)。

第一階段的輸入節(jié)點(diǎn)可連接到受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)。這種連接可以通過(guò)低電阻路徑的方式進(jìn)行(即它是趨向零歐姆的電阻)，或者它可以通過(guò)制造成具有非零阻抗的居間元件的方式進(jìn)行。

根據(jù)本公開(kāi)的第二方面，提供包括根據(jù)本公開(kāi)的第一方面的電壓控制的電流路徑的電壓鉗。

附圖說(shuō)明

本公開(kāi)的實(shí)施例現(xiàn)在僅將通過(guò)非限制性示例的方式來(lái)描述，參照附圖，其中：

圖1是第一組件的電路圖，在本示例中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有連接到受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)的輸入端，并且其中受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)的信號(hào)由在延長(zhǎng)的電壓范圍操作的緩沖器提供；

圖2是圖1的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器的電路圖；

圖3是圖1的配置結(jié)合構(gòu)成本公開(kāi)的實(shí)施例的電壓控制的電流路徑的的電路圖；

圖4是構(gòu)成本公開(kāi)的第一實(shí)施例的電壓控制的電流路徑的電路圖；

圖5示出圖4的電路上的變化；

圖6示出其中第一階段輸入節(jié)點(diǎn)和電流路徑節(jié)點(diǎn)通過(guò)額外阻抗彼此分離的實(shí)施例；

圖7示出兩個(gè)變形，其可以獨(dú)立地施加于上文描述的實(shí)施例；

圖8示出其中第一晶體管是雙極性技術(shù)實(shí)現(xiàn)的第一階段的變形；

圖9示出第一階段的進(jìn)一步修改，以添加遲滯；

圖10示出圖3中所示的電路的變型，以便在電壓控制的電流宿的電 流路徑中包括靜電放電元件；和

圖11示出根據(jù)本發(fā)明的電路的進(jìn)一步變化。

具體實(shí)施方式

圖1示意示出其中在第一電壓域操作的第一設(shè)備10(在該非限制性例子中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器)接收來(lái)自第二設(shè)備12的信號(hào)的電路，在本示例中，運(yùn)算放大器在第二電壓域操作。第二電壓域可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一電壓域，并且可以引起中間節(jié)點(diǎn)14的電壓對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器10變得過(guò)高，或過(guò)低的可能性。在節(jié)點(diǎn)14的電壓偏移可導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換器10的損壞。因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換器10的部件已使用低電壓工藝制造，這可發(fā)生，以便獲得在集成電路上的小體積和/或高速。

該中間節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)14)可以被稱(chēng)為“被保護(hù)的節(jié)點(diǎn)”或“受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)”。這些術(shù)語(yǔ)將可貫穿本公開(kāi)互換使用。

在正常操作中，緩沖器12接收其提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器10的輸入的輸入信號(hào)Vin。Vin被約束在適當(dāng)?shù)碾妷悍秶?。然而，在電路上電時(shí)，第二電壓域的電源軌+V2和-V2可由電源確立，其可包括機(jī)械開(kāi)關(guān)，或者其可包括開(kāi)關(guān)模式組件，諸如電荷泵或基于電感的電源。結(jié)果，一旦打開(kāi)，電源開(kāi)關(guān)+V2和-V2可以不同的速率和遵循不同的電壓演變朝其標(biāo)稱(chēng)電壓轉(zhuǎn)變。因此，例如，電源+V2可變得比-V2更迅速建立。這可導(dǎo)致：在緩沖器12的電路建立正確的操作并開(kāi)始跟蹤電壓Vin之前，在緩沖器12中允許其輸出節(jié)點(diǎn)上的電壓升得過(guò)高，可上升到+V2。其結(jié)果是，在受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)14的電壓可升高到破壞高電平，其可能不利地影響到模數(shù)轉(zhuǎn)換器10的操作。高電壓可導(dǎo)致破壞晶體管或可導(dǎo)致晶體管內(nèi)電荷被捕獲，從而擾亂他們的正常運(yùn)行，直至電荷已泄漏。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)14表示到模數(shù)轉(zhuǎn)換器10的輸入時(shí)，司空見(jiàn)慣提供靜電放電(ESD)和過(guò)壓/欠壓保護(hù)元件。這些可以簡(jiǎn)單作為提供如圖1所示的二極 管20和22，或者可以是通過(guò)提供更復(fù)雜的基于晶體管的電路，以提供快速的反應(yīng)時(shí)間和更好地控制觸發(fā)電壓，并相比于本地地面或零伏特電源保持節(jié)點(diǎn)14的電壓特性。

在圖1中所示的配置中，二極管20在受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)14和地面之間延伸。在欠壓條件的情況下，二極管20可以接通和傳導(dǎo)電流到節(jié)點(diǎn)14。典型地，濾波器30(包括串聯(lián)連接在節(jié)點(diǎn)14和緩沖器12的輸出之間的電阻32以及節(jié)點(diǎn)14和地面之間的電容器34)被設(shè)置，以便帶寬限制發(fā)生在模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器10的輸入的噪聲。電阻器32的發(fā)生使中等電流流過(guò)二極管20，以限制在節(jié)點(diǎn)14的電壓偏移。在過(guò)電壓偏移的情況下，二極管22變成導(dǎo)通。二極管22通常連接到電源軌24，其目的是向模數(shù)轉(zhuǎn)換器10提供參考電壓并且可是電流。然而，在其正常操作中。連接到電源軌24的電壓供給一般不用于吸收從緩沖器12通過(guò)電阻器32的電流。二極管22可以連接到電壓基準(zhǔn)40，它用于提供參考電壓Vr到ADC 10。

圖2更詳細(xì)示意性示出電壓基準(zhǔn)40。參考電壓40通常包括精密電壓源42(其產(chǎn)生電壓Vref)和緩沖器44(其可確保從精密電壓基準(zhǔn)42獲取忽略的電流)。緩沖器44一般僅提供適度的電流到ADC 10，和因此緩沖器44通常構(gòu)造成在其中具有適度的電流流動(dòng)。這減少了電路的整體電力消耗，也減少了在半導(dǎo)體晶片上的緩沖器的占用面積，以及因此其有效成本。其結(jié)果是，緩沖器44經(jīng)常無(wú)法傳遞來(lái)自二極管22的電流，而不干擾緩沖器44的輸出電壓V_R。

本發(fā)明人認(rèn)為理想地是提供替代手段以避免節(jié)點(diǎn)14過(guò)電壓偏移，使得如果過(guò)電壓偏移時(shí)，二極管22(如果提供的話(huà))將不傳導(dǎo)任何顯著量的正向電流，因此緩沖器44的操作將不會(huì)受到損害。

圖3重復(fù)參考圖1所描述的配置，和額外的保護(hù)電路50已經(jīng)連接到受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)14，以當(dāng)節(jié)點(diǎn)14的電壓升高到高于保護(hù)電壓V_P的情況下提供電流路徑到地面(或如果合適，其他電源軌)。該保護(hù)電路包括第一階段，其用于監(jiān)控受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)14處的電壓，并將其與觸發(fā)電壓VTR比較。 一旦達(dá)到V_P，V_TR可以被設(shè)定為使晶體管傳導(dǎo)不可忽略的電流。如果在節(jié)點(diǎn)14的電壓超過(guò)V_TR，和可選的偏移VT，則電流開(kāi)始在第一階段52流動(dòng)。電流可以經(jīng)過(guò)增益A和用于控制由保護(hù)電路50的第二階段中可控電流路徑54傳遞的電流I’，以便從節(jié)點(diǎn)14除去電流，并提供接地通路。V_TR可以相同于或源自V_R。

輸入級(jí)50可以包括至少第一晶體管60，在這個(gè)例子中，其是P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。晶體管60可具有柵極到源極閾值電壓VT，可需要晶體管被顯著達(dá)到之前導(dǎo)通。當(dāng)定義觸發(fā)電壓VTR時(shí)，VT的效果應(yīng)該由電路設(shè)計(jì)者考慮，使得當(dāng)節(jié)點(diǎn)14達(dá)到保護(hù)電壓VP時(shí)電路作為整體開(kāi)始通過(guò)電流。

圖4更詳細(xì)地說(shuō)明電路50的可能實(shí)施例。如關(guān)于圖3所討論地，第一晶體管60基本上保持不導(dǎo)通，直到節(jié)點(diǎn)14的電壓命中保護(hù)電壓VP，其中，VP由晶體管60的柵極電壓VTR和閾值電壓控制。對(duì)于第一近似，通過(guò)FET 60的電流由下面的等式進(jìn)行說(shuō)明：

I_D≈μ_nC_ox(W/L)(V_GS-Vth)²

其中：I_D＝漏極電流，μ_n＝電荷載子遷移，C_ox＝氧化層電容，W＝柵極寬度，L＝柵極長(zhǎng)度，V_GS＝柵極-源極電壓，和V_th＝閾值電壓。

通過(guò)晶體管60的電流被提供給二極管連接的N型場(chǎng)效應(yīng)晶體管62，其具有連接到場(chǎng)效應(yīng)晶體管64以形成電流反射鏡的柵極。晶體管64被制造為比晶體管62更寬N1倍，以便提供具有1至N1增益的電流鏡。晶體管64的漏極被連接到P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管70的漏極，在這個(gè)例子中，其源極連接到節(jié)點(diǎn)14。晶體管70被提供在二極管連接的配置中，其柵極連接到進(jìn)一步的P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管72的柵極。晶體管72比晶體管70更寬N2倍，以便形成具有1至N2的增益的第二電流鏡。P型晶體管72的漏極連接到N型晶體管的漏極，其柵極連接到其漏極以將其放置在二極管連接的配置中。晶體管80的柵極還連接到另一N型晶體管82的柵極，其漏極連接到節(jié)點(diǎn)14并且其源極連接到接地。類(lèi)似地，晶體管80、64和62的源 極也連接到地。晶體管82被制造為比晶體管80更寬N3倍，以便形成具有1至N3的增益的電流鏡。結(jié)果，通過(guò)晶體管82的電流比流過(guò)第一晶體管60更大N1×N2×N3倍。因此，該電路提供從節(jié)點(diǎn)14吸收大量電流的相對(duì)緊湊的方式，而不必形成當(dāng)前寬的晶體管作為電流鏡的一部分。

圖4所示的電路的特別優(yōu)點(diǎn)是，它是“故障保護(hù)”。因此，如果在打開(kāi)事件，電壓VTR不會(huì)被迅速形成并比預(yù)期更長(zhǎng)地接近于零，晶體管60變?yōu)樵诘陀赩P的電壓導(dǎo)通。其結(jié)果是，保護(hù)電路仍然接通，并在比通常情況下較低的電壓接通，從而在圖3的電路的加電階段繼續(xù)保護(hù)節(jié)點(diǎn)14。

圖4的電路具有使其非?？齑蜷_(kāi)的優(yōu)點(diǎn)。然而，如果圖3的電路的操作是這樣的，緩沖器12進(jìn)入過(guò)電壓狀態(tài)，但隨后迅速重新建立正常操作和非常迅速地降低其電壓，則存在晶體管60可以迅速關(guān)閉的可能性。在操作過(guò)程中，各晶體管62、64等具有寄生柵電容。如果晶體管60迅速關(guān)閉，則晶體管64可以短時(shí)間保持導(dǎo)通存儲(chǔ)在其寄生柵極電容上的電荷，直到電荷憑借流過(guò)二極管連接的晶體管62而放電到地。然而，電路的開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間可通過(guò)在晶體管62和64的柵極以及接地之間提供泄漏電阻90而改善，如圖5所示。附加泄流電阻92可以被連接在晶體管72的柵極和其源極之間，類(lèi)似地，泄流電阻94可以連接在地面上晶體管80和82的柵極之間。這些組件允許晶體管更快地轉(zhuǎn)換到關(guān)斷狀態(tài)。另外或替代地，響應(yīng)于激活/停用信號(hào)的切換可以被提供以抑制電流從受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)14流動(dòng)，如關(guān)于圖9所描述。

圖6示出其中最終晶體管82的漏極連接到受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)14和第一晶體管60的漏極被連接到通過(guò)阻抗從節(jié)點(diǎn)14隔開(kāi)的中間節(jié)點(diǎn)14'的變型中圖5的配置，在這種情況下是電阻器100。電阻器32和電阻器100可被串聯(lián)，使得作為保護(hù)電路50的操作結(jié)果的節(jié)點(diǎn)14的電壓變化衰減在節(jié)點(diǎn)14'，而且不太可能引起振蕩行為。圖6還用于顯示其中感測(cè)電壓的節(jié)點(diǎn)和從不同節(jié)點(diǎn)吸收電流的節(jié)點(diǎn)。

可以期望通過(guò)由圖7所示的多個(gè)晶體管代替該晶體管來(lái)修改第一階段 的晶體管60的打開(kāi)特性。輸入級(jí)晶體管現(xiàn)在指定為110、112和114。雖然已經(jīng)示出三個(gè)晶體管，但更少或更多個(gè)晶體管可被實(shí)現(xiàn)。這些晶體管110、112和114可從共享的閾值電壓VTR驅(qū)動(dòng)或如圖所示可以具有單個(gè)閾值電壓VTR1、VTR2和VTR3，它們可彼此相差只有幾毫伏但它們用于平滑輸入階段在非導(dǎo)電和導(dǎo)電之間的過(guò)渡。此外，該晶體管可以關(guān)聯(lián)于負(fù)反饋電阻120、122和124，其進(jìn)一步修改整個(gè)電路的特性。

另外地或可選擇地，電流鏡的增益可以改變。一種方法可是短接電流鏡之一，例如由另一晶體管晶體管64的漏極連接到圖6的晶體管80的漏極(未示出)，它可以像開(kāi)關(guān)來(lái)操作。然而，對(duì)于不那么突兀并因此更漸進(jìn)的方式，電流鏡晶體管可分為獨(dú)立的晶體管，在這里指定為64.1，64.2直到64.N。這些晶體管平行配置，以及它們的柵極連接在一起。為了使每個(gè)晶體管的電流流動(dòng)允許貢獻(xiàn)于總電流流動(dòng)或切換出，進(jìn)一步晶體管130.1、130.2和130.N可以配置在和晶體管64.1、64.2直到64.N的串聯(lián)連接的配置。晶體管130.1可以充當(dāng)開(kāi)關(guān)以允許或抑制電流流動(dòng)通過(guò)晶體管64.1。類(lèi)似地，晶體管130.2充當(dāng)晶體管64.2的開(kāi)關(guān)，等。此外，當(dāng)晶體管130.1、130.2等被設(shè)定成導(dǎo)通時(shí)，它們可以設(shè)定為參考電壓，以便充當(dāng)電流鏡64.1、64.2等的共源共柵晶體管。這可進(jìn)一步線性化電路的響應(yīng)。在進(jìn)一步的變化中，提供給共源共柵晶體管的柵極的“打開(kāi)”電壓可以引起改變，作為第一階段中電流的函數(shù)，從而提供可實(shí)現(xiàn)非線性傳遞函數(shù)的可能性。

電壓閾值V_TR1、V_TR2和V_TR3可以在模擬或數(shù)字控制器的控制下被改變，以便實(shí)現(xiàn)各種控制策略，諸如滯后，以便抑制振蕩。

在到目前為止所描述的實(shí)施例中，所有晶體管都是場(chǎng)效應(yīng)晶體管。然而，等效電路可以只用雙極晶體管制成或，如圖8所示，可使用多種技術(shù)的混合物。在圖8中，僅示出第一階段，和第一晶體管60已經(jīng)被替換為PNP雙極晶體管160，其基極連接以接收閾值電壓V_TR和它的發(fā)射極到節(jié)點(diǎn)14(盡管它也可附連到節(jié)點(diǎn)14')。

圖9示出圖4的電路的進(jìn)一步變化，其中電阻器R1串聯(lián)連接晶體管60的柵極和晶體管控制電壓V_TR被施加于的輸入節(jié)點(diǎn)162。第二電阻R2通過(guò)進(jìn)一步晶體管170的方式在晶體管60的柵極和接地之間延伸，其柵極被耦合到晶體管62的柵極。因此，晶體管170傳遞正比于流過(guò)晶體管60的電流的電流。該晶體管170可具有和晶體管62的不同大小，例如，它可以更薄，使得它以1到N4的比率傳遞更小的電流。因此，當(dāng)保護(hù)電路不工作以及晶體管60不傳送任何電流時(shí)，全電壓V_TR被施加到晶體管60，如果在節(jié)點(diǎn)14的電壓升高，晶體管60開(kāi)始導(dǎo)通。這依次又限制了節(jié)點(diǎn)14的電壓，并可拖動(dòng)它低于保護(hù)電壓VP。如果電路然后再關(guān)閉，則節(jié)點(diǎn)14的電壓可突然出現(xiàn)，而引起振蕩狀態(tài)。為了減少這個(gè)問(wèn)題，一旦晶體管60開(kāi)始導(dǎo)通，晶體管170也開(kāi)始導(dǎo)通。這允許電流流過(guò)R2，由此相比于控制電壓V_TR，降低晶體管60的柵極電壓。這個(gè)現(xiàn)在產(chǎn)生了滯后，使得接通的閾值電壓和關(guān)掉的閾值電壓略有不同。因此，降低振蕩行為的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)一步的晶體管172可被提供作為并聯(lián)R1和R2(如圖所示)或僅并聯(lián)R1的二極管連接的P型晶體管。當(dāng)電流在晶體管170流過(guò)時(shí)，其也流入晶體管172。在該結(jié)構(gòu)中，晶體管60的柵極看到晶體管172的V_GS的分頻版本，這用于小電流近似α.V_T，其中，α<1。這提供具有工藝和溫度變化的V_T的改進(jìn)跟蹤。

因此，可提供一種電壓驅(qū)動(dòng)電流，其可用于組合使用串聯(lián)阻抗以鉗位在受保護(hù)的節(jié)點(diǎn)的電壓，使得它基本上不在預(yù)定操作范圍之外。

本文所示的電路已經(jīng)被用于提供過(guò)壓保護(hù)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解適當(dāng)?shù)男薷模ǔ＝粨QN型設(shè)備用于P型設(shè)備，反之亦然，該結(jié)構(gòu)也可用于低壓保護(hù)。

本文所公開(kāi)的電路也可被數(shù)字啟用和禁用。這可以通過(guò)改變提供給所述第一晶體管的電壓V_TR來(lái)完成，或如圖9所示，另一個(gè)晶體管180可相關(guān)聯(lián)地設(shè)置電流鏡中的一個(gè)，諸如由晶體管62和64所形成的電流鏡，以牽引晶體管64的柵極電壓到地面，從而關(guān)閉它。通過(guò)切換所有晶體管130.1 到130.N到關(guān)閉狀態(tài)，類(lèi)似的方法可以使用圖7中所示的配置實(shí)現(xiàn)。

節(jié)點(diǎn)14可以表示芯片或管芯邊界。在圖10中，虛線200左側(cè)的組件可設(shè)置在例如電路板，而虛線200右側(cè)的組件可以提供在集成電路封裝內(nèi)。因此，該節(jié)點(diǎn)14可以是需要免受靜電放電事件的節(jié)點(diǎn)。二極管20和22可以與ADC 10密切相關(guān)聯(lián)，并且可嵌入ADC到這樣的程度：盡管用于保護(hù)ADC 10免受ESD事件，它們不用于保護(hù)所述保護(hù)電路50中的晶體管。為了解決這個(gè)問(wèn)題，保護(hù)電路50可以與它自己的ESD保護(hù)組件相關(guān)聯(lián)。這種配置示于圖10，其中，ESD保護(hù)組件210被插入到保護(hù)節(jié)點(diǎn)14和保護(hù)電路50之間的電流流動(dòng)路徑。在圖10中，保護(hù)組件是電阻。

此前，相對(duì)于圖6，有人指出，保護(hù)電路50可以具有從節(jié)點(diǎn)14分離的第二節(jié)點(diǎn)14'。節(jié)點(diǎn)14'可連接到過(guò)濾器30。然而，在圖11所示的變型中，節(jié)點(diǎn)14'不是直接在信號(hào)路徑中。這允許其它部件被連接到節(jié)點(diǎn)14'的可能性，來(lái)修改保護(hù)電路50的響應(yīng)。例如，電容器212可以連接到節(jié)點(diǎn)14'，以便修改保護(hù)電路的響應(yīng)。如果輸入級(jí)由相對(duì)于圖7描述的多個(gè)晶體管形成，這可是有益的，但其中某些輸入晶體管的源極連接到節(jié)點(diǎn)14和一些到節(jié)點(diǎn)14'。這允許由連接到節(jié)點(diǎn)14的那些晶體管的快速接通，但從連接于節(jié)點(diǎn)14'的那些晶體管的較慢響應(yīng)速度。這可有助于抑制振蕩行為，而不犧牲打開(kāi)時(shí)間。

本文提出的權(quán)利要求以適合在USPTO申請(qǐng)的單獨(dú)依賴(lài)格式記載。然而，應(yīng)當(dāng)理解，每個(gè)權(quán)利要求可依賴(lài)于同一類(lèi)別中的任一項(xiàng)前述權(quán)利要求，除非這顯然是不可行的。