專利名稱：用于避免器件載荷的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體，具體上涉及在掉電、加電期間和/或當(dāng)沒有多電源系統(tǒng)的較低電源時(shí)在微電子電路系統(tǒng)中的弱器件的保護(hù)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
混合信號(hào)系統(tǒng)通常由數(shù)字核心和各種存儲(chǔ)塊構(gòu)成，所述數(shù)字核心包括CPU或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。所述核心可以由例如以下圍繞模擬接口電子電路，諸如輸入/輸出、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及RF前端。微電子電路系統(tǒng)也可以是集中化的模擬核心，包括接收器和/或發(fā)送器聯(lián)合體，它們被各種數(shù)字電路圍繞。CMOS微電子電路芯片包括CMOS數(shù)字和模擬電路。所述模擬電路被強(qiáng)制與數(shù)字設(shè)計(jì)合作起作用，這是由CMOS發(fā)展支配的。具體上，當(dāng)數(shù)字電路的電源電壓降低時(shí)，晶體管的諧波失真分量(或噪音)大幅度地提高。
當(dāng)電源電壓隨著發(fā)展的技術(shù)而繼續(xù)降低時(shí)，變得越來越難于提高模擬電路的性能。這是因?yàn)楦鞣N模擬器件的門限電壓不能隨著降低的電源電壓一道縮放。為了提高特定高速關(guān)鍵電路的性能，經(jīng)常需要高電源電壓，同時(shí)每當(dāng)可能時(shí)就使用低門限弱器件來獲得最大的電路過激勵(lì)(overdrive)。而且，在新技術(shù)下開發(fā)的系統(tǒng)被優(yōu)化以由低壓電源供電，但是仍然需要與舊的傳統(tǒng)系統(tǒng)兼容，所述舊的傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行在高壓電源環(huán)境下。因此，模擬電路設(shè)計(jì)者面臨防止低門限弱器件過載(overstress)或擊穿并且防止在多電源系統(tǒng)中的熱電子性能變差的挑戰(zhàn)。
在半導(dǎo)體晶體管器件中的柵極泄露電流主要依賴于柵極到基底電壓、源極或漏極偏置電壓、以及柵極介質(zhì)厚度和大小。隨著MOS技術(shù)的發(fā)展，柵極介質(zhì)變得越來越薄，并且柵極泄露問題越來越嚴(yán)重，特別是當(dāng)以高壓載荷(stress)所述柵極介質(zhì)(例如SiO2)時(shí)。柵極泄露的凈效應(yīng)是不希望有的，有不可控制的輸入偏流、柵極泄露失配和散射噪聲。由柵極泄露引起的輸入偏流很類似于雙極器件的基極電流，只是可以優(yōu)化MOS器件的寬度和長(zhǎng)度。MOS器件的輸入阻抗由傳統(tǒng)的輸入電容和由于柵極泄露引起的平行溝道電阻構(gòu)成。對(duì)于90nm規(guī)模的器件，對(duì)于大于1MHz的信號(hào)頻率，輸入阻抗是電容性的，并且MOSFET像傳統(tǒng)的MOS那樣作為。在較低的信號(hào)頻率，輸入阻抗是電阻性的，并且柵極泄露是主要的。因此，薄介質(zhì)的MOS電容不適合于某些像PLL濾波器和保持電路那樣的低頻應(yīng)用。
柵極泄露失配通常超過傳統(tǒng)的門限失配容限。匹配柵極泄露通常會(huì)限制模擬電路的可實(shí)現(xiàn)性能水平。用于降低所述門限相關(guān)的失配效應(yīng)的一種方式是提高芯片面積。但是，柵極泄露失配因此作為額外的擴(kuò)展源(spread source)，并且會(huì)對(duì)可以用于降低門限失配的面積施加上限。當(dāng)提高芯片面積時(shí)，傳統(tǒng)的門限擴(kuò)展分布降低，但是柵極泄露擴(kuò)展分布增加。作為結(jié)果，最大可用晶體管面積被柵極泄露擴(kuò)展限制。所述問題在65nm和45nm規(guī)模的幾代中變得更嚴(yán)重。通常，最大面積是大約103μm2或更小。為了降低柵極泄露，一種設(shè)計(jì)策略涉及向電路的關(guān)鍵部分提供高壓，以便可以使用具有較厚的柵極介質(zhì)的晶體管來構(gòu)造這些電路。MOS使用期限被垂直和橫向電場(chǎng)和通過結(jié)的電場(chǎng)控制。與這些電場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的三種使用期限的確定機(jī)制被表示為介質(zhì)擊穿、熱載體變差和結(jié)擊穿。但是，這種設(shè)計(jì)策略對(duì)于模擬電路不起作用。為了實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)碾娐沸阅埽恍┠M電路器件必須是低門限弱器件。
已經(jīng)提出了用于降低數(shù)字I/O帶上電壓載荷的各種方法。一種這樣的方法涉及使用級(jí)聯(lián)電路來保護(hù)器件防止高壓載荷。但是，這種方法對(duì)于模擬電路無用，因?yàn)樵谀M電路中的所有信號(hào)不從干線(rail)到干線漂移。
用于防止熱載體關(guān)聯(lián)問題的另一種方法涉及延遲導(dǎo)通晶體管，直到漏極和源極已經(jīng)降低到低于特性熱載體操作電壓。但是，這種方法忽略了柵極介質(zhì)載荷的問題。
用于避免熱載體問題的另一種方法涉及級(jí)聯(lián)器件并且將中間節(jié)點(diǎn)電壓偏置到電源電壓電平的一半。僅僅當(dāng)電源電平比級(jí)聯(lián)器件的門限值電平的和充分大時(shí)，這種方法才起作用。否則，某些模擬器件不能正確地運(yùn)行，因?yàn)槿鄙匐娫措妷簝艨?。而且，?dāng)電源電壓電平降低并且所述技術(shù)進(jìn)一步縮減尺寸時(shí)，這種方法變得不實(shí)用。這種方法也不能處理如何避免柵極介質(zhì)載荷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體上涉及在掉電、加電期間和/或當(dāng)沒有多電源系統(tǒng)的低電源時(shí)在微電子電路系統(tǒng)中的弱器件的保護(hù)系統(tǒng)。
在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于保護(hù)在包括高壓電源的微電子電路中運(yùn)行的弱器件的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括低壓電源檢測(cè)電路，它被配置來檢測(cè)電路加電、電路掉電、以及何時(shí)沒有低壓電源，并且在檢測(cè)到時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)。所述系統(tǒng)還包括受控電流鏡器件，它被配置來在電路掉電、電路加電期間、和/或當(dāng)沒有低壓電源時(shí)，響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)而提供細(xì)電流以保持在弱器件中的導(dǎo)電溝道。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述低壓電源檢測(cè)電路被配置來與低壓電源的輸出和高壓電源的輸出進(jìn)行電交流。所述受控電流鏡器件被配置來與低壓電源的輸出、高壓電源的輸出和弱器件進(jìn)行電交流，并且與低壓電源檢測(cè)電路進(jìn)行電交流。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器，它被配置來與弱器件進(jìn)行電交流，并且與受控電流鏡器件進(jìn)行電交流。所述基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器被進(jìn)一步配置來在正常電路操作期間向弱器件提供基準(zhǔn)電流。受控電流鏡器件被進(jìn)一步配置來接收基準(zhǔn)電流，并且響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)選擇性地向所述弱器件提供所述基準(zhǔn)電流或所述細(xì)電流。在另一個(gè)實(shí)施例中，被提供來保持在弱器件中的導(dǎo)電溝道的所述細(xì)電流在0.1μA到10μA的范圍內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述弱器件包括薄柵極介質(zhì)器件、短溝道器件和/或小寬度器件。在其他實(shí)施例中，所述導(dǎo)電溝道防止通過弱器件的柵極的電壓超過容限。在其他實(shí)施例中，所述高壓電源產(chǎn)生大于或等于1.3伏特的電壓，并且低壓電源產(chǎn)生小于1.3伏特的電壓。在另一個(gè)實(shí)施例中，受控電流鏡器件包括電流鏡器件和細(xì)電流器件。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于保護(hù)在包括高壓電源的微電子電路中運(yùn)行的弱器件的方法。所述方法包括提供低壓電源檢測(cè)電路，它被配置來檢測(cè)電路加電、電路掉電、以及何時(shí)沒有低壓電源，并且在檢測(cè)到時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)。所述方法還包括提供受控電流鏡器件，它被配置來在電路掉電、電路加電期間和/或當(dāng)沒有低壓電源時(shí)，響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)而提供細(xì)電流以保持在弱器件中的導(dǎo)電溝道。
在一個(gè)實(shí)施例中，所述低壓電源檢測(cè)電路被配置與低壓電源的輸出和高壓電源的輸出進(jìn)行電交流。所述受控電流鏡器件被配置來與低壓電源的輸出、高壓電源的輸出和弱器件進(jìn)行電交流，并且與低壓電源檢測(cè)電路進(jìn)行電交流。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還包括提供基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器，它被配置來與弱器件進(jìn)行電交流，并且與受控電流鏡器件進(jìn)行電交流。所述基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器被進(jìn)一步配置來在正常電路操作期間向弱器件提供基準(zhǔn)電流。受控電流鏡器件被進(jìn)一步配置來接收基準(zhǔn)電流，并且響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)選擇性地向所述弱器件提供所述基準(zhǔn)電流或所述細(xì)電流。在另一個(gè)實(shí)施例中，被提供來保持在弱器件中的導(dǎo)電溝道的所述細(xì)電流在0.1μA到10μA的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施例中，所述弱器件包括薄柵極介質(zhì)器件、短溝道器件和/或小寬度器件。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及包括用于保護(hù)弱器件的系統(tǒng)的高速微電子電路系統(tǒng)。所述用于保護(hù)弱器件的系統(tǒng)包括低壓電源檢測(cè)電路，它與低壓電源的輸出和高壓電源的輸出進(jìn)行電交流。所述低壓電源檢測(cè)電路被配置來檢測(cè)電路加電、電路掉電和/或何時(shí)沒有低壓電源，并且在檢測(cè)到時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)。所述用于保護(hù)弱器件的系統(tǒng)還包括受控電流鏡器件，它與低壓電源的輸出、高壓電源的輸出、弱器件和低壓電源檢測(cè)電路進(jìn)行電交流。所述受控電流鏡器件在電路掉電、電路加電期間和/或當(dāng)沒有低壓電源時(shí)，響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)而提供細(xì)電流以保持在每個(gè)弱器件中的導(dǎo)電溝道。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一種用于設(shè)置弱器件的細(xì)電流的方法，所述方法包括(a)識(shí)別弱器件，(b)將所述弱器件掉電，或者將所述弱器件置于待機(jī)模式中，(c)將細(xì)電流設(shè)置到大致0安培。所述方法還包括(d)測(cè)量弱器件的柵極到源極電壓(Vgs)、漏極到源極電壓(Vds)和柵極到漏極電壓(Vgd)，以確定是否Vgs、Vds和Vgd的任何一個(gè)大于容限。所述方法還包括(e)如果Vgs、Vds和Vgd的任何一個(gè)大于容限，則遞增所述細(xì)電流。所述方法還包括重復(fù)步驟(d)和(e)，直到Vgs、Vds和Vgd小于容限。
通過下面的說明和權(quán)利要求，本發(fā)明的上述和其他目的、方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更清楚。


在附圖中，在不同的視圖中，相同的附圖標(biāo)號(hào)一般表示相同的元件。而且，所述附圖不必然是按照比例的，重點(diǎn)一般放在說明本發(fā)明的原理上。
圖1是包括掉電控制引線的現(xiàn)有技術(shù)電流基準(zhǔn)電路的說明示意圖。
圖2是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器的說明示意圖。
圖3A是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的掉電感測(cè)電路的說明示意圖。
圖3B是在圖3A中所示的掉電感測(cè)電路的操作的真值表。
圖4是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的與圖3的掉電感測(cè)電路進(jìn)行電交流的受控電流鏡器件的說明示意圖。
圖5是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的電流模式邏輯緩沖器的說明示意圖。
圖6是按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的包括電流基準(zhǔn)產(chǎn)生器的6.4G赫茲高速SerDes的說明方框圖。
圖7是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于設(shè)置目標(biāo)弱器件的細(xì)電流的方法的說明流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，具體上涉及在掉電、加電期間和/或當(dāng)沒有多電源系統(tǒng)的低壓電源(小于1.3V)時(shí)在微電子電路系統(tǒng)中的弱器件的保護(hù)系統(tǒng)。弱器件包括薄柵極介質(zhì)器件(所述介質(zhì)比大約3nm薄)、短溝道器件(所述溝道小于或等于大于90nm)和小寬度器件(所述寬度小于或等于大約480nm)。
當(dāng)微電子電路系統(tǒng)以高壓電源(大于或等于1.3V)運(yùn)行時(shí)，弱器件(例如晶體管)必須被保護(hù)防止這樣的高壓，因?yàn)闁艠O介質(zhì)會(huì)變得過載。過載的柵極介質(zhì)的結(jié)果包括不希望有的柵極泄露電流增加、由于柵極泄露失配而導(dǎo)致器件失配增加、微電子電路性能變差、熱電子效應(yīng)、柵極擊穿和/或由于柵極介質(zhì)擊穿而導(dǎo)致的總體弱器件故障。
本發(fā)明提供了一種用于當(dāng)電路/系統(tǒng)掉電、加電和/或當(dāng)沒有多電源系統(tǒng)的低壓電源(0.8V到1.2V)時(shí)弱器件的保護(hù)系統(tǒng)。所述載荷保護(hù)系統(tǒng)包括基準(zhǔn)電流分布系統(tǒng)(它提供在10μA到200μA之間的基準(zhǔn)電流)、低壓電源電平檢測(cè)電路和受控電流鏡器件。在正常的電路/系統(tǒng)操作期間，基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器向微電子電路系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電流。當(dāng)?shù)蛪弘娫礄z測(cè)電路檢測(cè)到掉電、加電和/或當(dāng)沒有低壓電源時(shí)，受控電流鏡器件(CMD)提供細(xì)電流，并且將所述細(xì)電流映射到弱器件。所述細(xì)電流的目的是保持在MOSFET器件中的溝道，以便通過柵極介質(zhì)的電壓載荷被劃分到擴(kuò)散結(jié)(或溝道)區(qū)域中，以避免對(duì)于柵極的損害。而且，通過所述器件的源極/漏極的電壓載荷被在所述電路中堆疊的多個(gè)器件劃分。
參見圖1，示出了傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電流電路100。傳統(tǒng)的基準(zhǔn)電流電路包括掉電控制引線(PDWN)140、反相器145、PMOS器件152、150、154、156、158和160、NMOS器件162、下拉器件180、182、184、186、帶隙基準(zhǔn)(BGR)110、差動(dòng)放大器120、NMOS器件135和下拉電阻器130。所述傳統(tǒng)基準(zhǔn)電流電路100被低壓電源Vdd 178供電。
在操作中，經(jīng)由差動(dòng)放大器120和反饋控制電路來通過BGR 110產(chǎn)生基準(zhǔn)電流I1、I2、I3和I4，所述反饋控制電路包括NMOS器件135和PMOS器件150。在掉電期間(PDWN＝1)，反饋被切斷，NMOS器件162被截止，并且PMOS器件152導(dǎo)通，由此截止鏡器件154、156、158和160?；鶞?zhǔn)電流I1、I2、I3和176因此被下拉到地。當(dāng)完成掉電時(shí)(PDWN＝0)，建立反饋，并且等于由電阻器130劃分的Vbgr的、在節(jié)點(diǎn)166的所產(chǎn)生電流將成比例地被鏡射到其他器件。
參見圖2，在一個(gè)實(shí)施例中，示出了基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器200?；鶞?zhǔn)電流產(chǎn)生器200包括在圖1中所示的基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器100的某些電路元件。具體地，基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器200包括掉電控制引線(PDWN)140、反相器145、PMOS器件152、150、154和156、NMOS器件162、下拉器件180、182、帶隙基準(zhǔn)(BGR)110、差動(dòng)放大器120、NMOS器件135和下拉電阻器130?；鶞?zhǔn)電流產(chǎn)生器200在一個(gè)實(shí)施例中包括附加電路201，如在虛線框中所示。附加電路201包括下拉感測(cè)或檢測(cè)電路(PDSC)210和受控電流鏡器件(CMD)220和215?；鶞?zhǔn)電流產(chǎn)生器200是由低壓電源(0.8V到1.2V)Vdd 178和高壓電源(1.3V到1.8V)Vtr 205(端接電壓)供電的多電源系統(tǒng)。
如上所述，基準(zhǔn)電流I1和I2是到?jīng)]有柵極介質(zhì)載荷問題的電路的基準(zhǔn)偏流，并且可以正常地被掉電。基準(zhǔn)電流I5和I6是用于由電源Vtr 205加電的弱器件的基準(zhǔn)偏流，并且不能被完全地掉電。在正常的電路操作期間，節(jié)點(diǎn)230和節(jié)點(diǎn)235將分別具有基準(zhǔn)電流I5和I6。在掉電、加電期間和/或當(dāng)缺失低壓電源Vdd 178時(shí)，節(jié)點(diǎn)230和節(jié)點(diǎn)235將具有細(xì)電流，如下進(jìn)一步詳細(xì)所述。
PDSC 210是低壓電源感測(cè)或檢測(cè)電路，它檢測(cè)電路掉電、電路加電沒有低壓電源Vdd 178。例如，如果在加電期間高壓電源Vtr 205早于低壓電源Vdd 178接通、或者去除或中斷了低壓電源Vdd 178，則會(huì)損壞所述弱器件。因此，使用PDSC 210來檢測(cè)何時(shí)缺失低壓電源Vdd 178。
CMD 220和CMD 215被PDSC 210控制，來在正常操作期間產(chǎn)生基準(zhǔn)電流，或在電路掉電、電路加電期間或當(dāng)缺失低壓電源Vdd 178時(shí)產(chǎn)生細(xì)電流。所述細(xì)電流是大約0.1μA到10μA，并且被鏡射到每個(gè)弱器件的源極以保持每個(gè)弱器件的溝道，以便保持通過每個(gè)弱器件的適當(dāng)電壓(＜1.2V)，以避免在每個(gè)弱器件的柵極介質(zhì)上的過量載荷，并且防止每個(gè)弱器件擊穿。例如，對(duì)于具有比3nm薄的柵極介質(zhì)的MOSFET器件，施加到Vgs和Vgd的大于1.2V的電壓一般會(huì)導(dǎo)致熱載體效應(yīng)。而且，長(zhǎng)時(shí)間施加這樣的電壓一般會(huì)導(dǎo)致對(duì)于器件的門限電壓的改變。
參見圖3A，在一個(gè)實(shí)施例中，PDSC 210包括兩個(gè)輸入反相器305和307、下拉NMOS器件310、電平移動(dòng)器375、兩個(gè)上拉PMOS器件335和340和一個(gè)輸出反相器345。所述電平移動(dòng)器375包括PMOS器件325和330、以及NMOS器件315和320。所述PDSC 210經(jīng)由PDWN信號(hào)140或經(jīng)由沒有低壓電源Vdd 178而檢測(cè)掉電。
在運(yùn)行中，當(dāng)沒有低壓電源Vdd 178時(shí)，節(jié)點(diǎn)355由于來自在所述芯片上的其他電路的泄露電流的下拉而浮動(dòng)于低。因此，節(jié)點(diǎn)369和365都浮動(dòng)于低。PMOS器件335和340導(dǎo)通，并且節(jié)點(diǎn)370被拉高到高壓電源Vtr 205的電壓，并且節(jié)點(diǎn)350被反相器345下拉到地。因此，當(dāng)PDWN 140＝1或節(jié)點(diǎn)355浮動(dòng)于低時(shí)，PDSC 210的輸出將保持低在地。NMOS器件310向電平移動(dòng)器375加上正反饋以克服對(duì)于節(jié)點(diǎn)360的任何可能的耦接噪聲。
當(dāng)PDWN 140＝0并且存在低壓電源Vdd 178時(shí)，節(jié)點(diǎn)360在高、在低壓電源Vdd 178的電壓上，并且節(jié)點(diǎn)365在低。而且，節(jié)點(diǎn)370在低，這截止了NMOS器件310，并且節(jié)點(diǎn)350在高。PMOS器件340和335一起形成弱上拉電阻器，因此，NMOS器件315和320被設(shè)計(jì)來足夠強(qiáng)壯以克服由PMOS器件335和340貢獻(xiàn)的弱上拉。當(dāng)PDWN＝0時(shí)，NMOS器件335和340被輕微地導(dǎo)通，并且試圖向Vtr上拉節(jié)點(diǎn)370。NMOS器件315強(qiáng)導(dǎo)通并且試圖下拉節(jié)點(diǎn)370到地。因此，NMOS器件315與NMOS器件335、340競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)NMOS器件335和340被設(shè)計(jì)為很弱、或可替換地NMOS器件315被設(shè)計(jì)為比NMOS器件335和340強(qiáng)時(shí)，當(dāng)PDWN＝0時(shí)NMOS器件315將勝出，并且將節(jié)點(diǎn)370拉至地電壓。但是，在PDWN＝1的情況下，NMOS器件335和340幫助向Vtr上拉節(jié)點(diǎn)370。
圖3B是匯總?cè)缟纤龊驮趫D3A中所示的PDSC 210的操作的真值表。
參見圖4，在一個(gè)實(shí)施例中，受控電流鏡器件(CMD)220(或215)包括PMOS器件405和410。PMOS器件405是實(shí)際的鏡器件，它具有特定的大小(諸如溝道寬度和長(zhǎng)度)，用于映射來自在圖2中所示的基準(zhǔn)電路的PMOS器件150的基準(zhǔn)電流。PMOS器件410是細(xì)電流器件。PMOS器件410在尺寸上相對(duì)較小，并且用于向每個(gè)電路通過小量的電流(即細(xì)電流，也稱為Isleep)。當(dāng)沒有低壓電源Vdd 178時(shí)或在掉電期間(PWDN 140是1并且節(jié)點(diǎn)350是0)，PMOS器件410接通。例如1μA的細(xì)電流將被從高壓電源Vtr 205提供到每個(gè)弱器件(例如在節(jié)點(diǎn)230上)，以保持在每個(gè)弱器件中的溝道，以便每個(gè)弱器件的柵極介質(zhì)不過載。但是，如果高壓電源Vtr 205不存在，則不提供電流，并且將不載荷弱器件的柵極介質(zhì)。
參見圖5，示出了使用從如上所述的弱器件保護(hù)系統(tǒng)提供的細(xì)電流的電流模式邏輯電路(CML)500緩沖器的一個(gè)示例。所提供的細(xì)電流在節(jié)點(diǎn)555大約是1μA。輸入器件515和520的柵極電壓被未示出的電路控制，所述未示出的電路在掉電、加電和/或當(dāng)沒有Vdd 178時(shí)將柵極電壓拉近Vtr。所述細(xì)電流經(jīng)由NMOS器件510而被鏡射到NMOS尾部器件505的源極。當(dāng)CML500在待機(jī)模式中時(shí)(掉電、加電和/或當(dāng)沒有Vdd時(shí))，細(xì)電流將通過輸入器件515和520與作為電阻分壓器的NMOS尾部器件505劃分總電壓Vtr。通過輸入NMOS器件515、輸入NMOS器件520和NMOS尾部器件505的電壓因此在安全范圍內(nèi)(例如小于1.2V)。Vgd、Vgs和Vds載荷將全部小于載荷容限(例如小于1.2V)。Vgx載荷(柵極到襯底電壓)不是問題，因?yàn)榧?xì)電流引發(fā)在NMOS器件515、520和505中的溝道，這在掉電期間將主要部分與柵極屏蔽。換句話說，被實(shí)際上施加到柵極介質(zhì)的電壓不是Vgx的全部數(shù)量，而是Vgx的大約一半。因此，CML電路500將在掉電、加電或當(dāng)沒有低壓電源Vdd 178時(shí)保持可靠。
通過強(qiáng)制小量電流(例如0.1μA)通過每個(gè)弱器件的溝道區(qū)域，在掉電、加電或當(dāng)沒有Vdd時(shí)保持每個(gè)弱器件中的溝道區(qū)域。所述溝道區(qū)域形成擴(kuò)散電容器，它與柵極電容器串聯(lián)，以便在這兩個(gè)串聯(lián)的電容器之間劃分通過柵極到襯底的電壓。與在沒有流過每個(gè)弱器件的溝道的細(xì)電流的情況下通過每個(gè)弱器件的柵極的靜電壓相比較，在有細(xì)電流流過每個(gè)弱器件的溝道的情況下通過每個(gè)弱器件的柵極的靜電壓較小。最終結(jié)果是每個(gè)弱器件不被損壞。
參見圖6，在一個(gè)實(shí)施例中，在高速微電子電路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了用于保護(hù)在弱器件中的柵極介質(zhì)不被過載的系統(tǒng)。具體上，在6.4G赫茲的高速SerDes(HSS)600中實(shí)現(xiàn)所述系統(tǒng)。HSS 600包括四個(gè)模擬接收器核心Core_1605、Core_2 610、Core_3 615和Core_4 620，它們共享基于鎖相環(huán)(PLL)的時(shí)鐘產(chǎn)生器625。PLL 625包括BGR 110、差動(dòng)放大器120、NMOS器件135和電阻器130(在圖2中示出)。BGR 110和差動(dòng)放大器120被表示為塊630。
所產(chǎn)生的基準(zhǔn)電流被分布到所述四個(gè)模擬接收器核心Core_1 605、Core_2 610、Core_3 615和Core_4 620的每個(gè)。在所述每個(gè)接收器核心Core_1605、Core_2 610、Core_3 615和Core_4 620內(nèi)，分別有掉電受控電流鏡器件635a、635b、635c、635d。每個(gè)掉電受控電流鏡器件635a、635b、635c、635d被配置來向相應(yīng)的模擬接收器核心Core_1 605、Core_2 610、Core_3 615和Core_4 620的每個(gè)端口發(fā)送基準(zhǔn)電流。每個(gè)掉電受控電流鏡器件635a、635b、635c、635d包括PDSC 210(在圖2中示出，并且在上面詳細(xì)說明)，用于檢測(cè)掉電、加電和/或何時(shí)沒有低壓電源Vdd 178。在正常操作中，PDSC 210將輸出高信號(hào)以關(guān)閉細(xì)電流。在掉電、加電和/或當(dāng)沒有低壓電源Vdd 178時(shí)，PDSC210將輸出低信號(hào)以接通被提供到在模擬接收器核心Core_1 605、Core_2 610、Core_3 615和Core_4 620內(nèi)的靈敏弱器件的細(xì)電流，以保持在每個(gè)弱器件中的溝道。
參見圖7，在一個(gè)實(shí)施例中，示出了用于設(shè)置介質(zhì)器件的適當(dāng)細(xì)電流的方法的流程圖700。按照在電路的設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)的所述方法，識(shí)別所有的弱器件(步驟705)。所述電路被掉電或置于待機(jī)模式中(步驟710)。所述細(xì)電流被設(shè)置到0安培(步驟715)。接著，檢查所有的介質(zhì)器件的電壓Vgs、Vds和Vgd(步驟720)。如果電壓低于載荷容限，則適當(dāng)?shù)卦O(shè)置細(xì)電流(步驟725)。如果電壓不低于載荷容限(例如小于1.2V)，則以0.1μA的遞增量來遞增細(xì)電流(最大達(dá)到10μA)(步驟730)。再次檢查所有的介質(zhì)器件的電壓Vgs、Vds和Vgd(步驟720)。重復(fù)這個(gè)過程，直到所述電壓低于載荷容限，并且細(xì)電流被適當(dāng)?shù)卦O(shè)置(步驟725)。
所公開的系統(tǒng)和方法有許多優(yōu)點(diǎn)。通常，輸入CML差動(dòng)對(duì)(器件515和520)的主體經(jīng)由大電阻器而被綁定到公共源極節(jié)點(diǎn)。這樣作以通過將主體電壓提高到與CML差動(dòng)對(duì)的源極相同的電壓電平而降低Vgx。但是，這種手段需要大的布局面積，因?yàn)樗鲋黧w未被綁到地。所述主體因此需要絕緣的p襯底井。對(duì)于本發(fā)明，可以使用弱器件來增大整體電路的性能，并且可以將所述弱器件定位在同一井內(nèi)，并且綁到同一地電平上，這節(jié)省了電路布局的空間。而且，所公開的系統(tǒng)在掉電、加電期間和/或當(dāng)在多電源系統(tǒng)中沒有低壓電源Vdd 178時(shí)防止電路和器件故障。
本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下進(jìn)行改變、修改和其他實(shí)現(xiàn)方式，因此，本發(fā)明不僅僅被先前的說明性描述所限定。
權(quán)利要求
1.一種用于保護(hù)在包括高壓電源的微電子電路中運(yùn)行的弱器件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括低壓電源檢測(cè)電路，它被配置來檢測(cè)電路加電、電路掉電、以及何時(shí)沒有低壓電源，并且在檢測(cè)到時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)；以及受控電流鏡器件，它被配置來在電路掉電、電路加電、以及當(dāng)沒有低壓電源時(shí)的之一情況期間，響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)而提供細(xì)電流以保持在弱器件中的導(dǎo)電溝道。
2.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述低壓電源檢測(cè)電路被配置來與低壓電源的輸出和高壓電源的輸出進(jìn)行電交流。
3.按照權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中，所述受控電流鏡器件被配置來與低壓電源的輸出、高壓電源的輸出和弱器件進(jìn)行電交流，并且與低壓電源檢測(cè)電路進(jìn)行電交流。
4.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，還包括基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器，它被配置來與弱器件進(jìn)行電交流，并且與受控電流鏡器件進(jìn)行電交流，所述基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器被進(jìn)一步配置來在正常電路操作期間向弱器件提供基準(zhǔn)電流。
5.按照權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中，所述受控電流鏡器件被進(jìn)一步配置來接收基準(zhǔn)電流，并且響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)選擇性地向所述弱器件提供所述基準(zhǔn)電流與所述細(xì)電流中的一個(gè)。
6.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，被提供來保持在弱器件中的導(dǎo)電溝道的所述細(xì)電流在0.1μA到10μA的范圍內(nèi)。
7.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述弱器件包括薄柵極介質(zhì)器件、短溝道器件、或小寬度器件。
8.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述導(dǎo)電溝道防止通過弱器件的柵極的電壓超過容限。
9.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述高壓電源產(chǎn)生大于或等于1.3伏特的電壓，并且低壓電源產(chǎn)生小于1.3伏特的電壓。
10.按照權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，所述受控電流鏡器件包括電流鏡器件和細(xì)電流器件。
11.一種用于保護(hù)在包括高壓電源的微電子電路中運(yùn)行的弱器件的方法，所述方法包括提供低壓電源檢測(cè)電路，它被配置來檢測(cè)電路加電、電路掉電、以及何時(shí)沒有低壓電源，并且在檢測(cè)到時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)；以及提供受控電流鏡器件，它被配置來在電路掉電、電路加電、以及當(dāng)沒有低壓電源時(shí)的之一情況期間，響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)而提供細(xì)電流以保持在弱器件中的導(dǎo)電溝道。
12.按照權(quán)利要求11的方法，其中，所述低壓電源檢測(cè)電路被配置與低壓電源的輸出和高壓電源的輸出進(jìn)行電交流。
13.按照權(quán)利要求12的方法，其中，所述受控電流鏡器件被配置來與低壓電源的輸出、高壓電源的輸出和弱器件進(jìn)行電交流，并且與低壓電源檢測(cè)電路進(jìn)行電交流。
14.按照權(quán)利要求11的方法，還包括提供基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器，它被配置來與弱器件進(jìn)行電交流，并且與受控電流鏡器件進(jìn)行電交流，所述基準(zhǔn)電流產(chǎn)生器被進(jìn)一步配置來在正常電路操作期間向弱器件提供基準(zhǔn)電流。
15.按照權(quán)利要求14的方法，其中，所述受控電流鏡器件被進(jìn)一步配置來接收基準(zhǔn)電流，并且響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)選擇性地向所述弱器件提供所述基準(zhǔn)電流和所述細(xì)電流中的一個(gè)。
16.按照權(quán)利要求1的方法，其中，被提供來保持在弱器件中的所述溝道的所述細(xì)電流在0.1μA到10μA的范圍內(nèi)。
17.按照權(quán)利要求1的方法，其中，所述弱器件包括薄柵極介質(zhì)器件、短溝道器件或小寬度器件。
18.一種包括用于保護(hù)弱器件的系統(tǒng)的高速微電子電路系統(tǒng)，包括低壓電源檢測(cè)電路，它與低壓電源的輸出和高壓電源的輸出進(jìn)行電交流，所述低壓電源檢測(cè)電路被配置來檢測(cè)電路加電、電路掉電、以及當(dāng)沒有低壓電源時(shí)的之一情況，并且在檢測(cè)到時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)；以及受控電流鏡器件，它與低壓電源的輸出、高壓電源的輸出、弱器件和低壓電源檢測(cè)電路進(jìn)行電交流，所述受控電流鏡器件在電路掉電、電路加電、以及當(dāng)沒有低壓電源時(shí)的之一情況期間，響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)而提供細(xì)電流以保持在每個(gè)弱器件中的導(dǎo)電溝道。
19.一種用于設(shè)置弱器件的細(xì)電流的方法，所述方法包括(a)識(shí)別弱器件；(b)將所述弱器件掉電，或者將所述弱器件置于待機(jī)模式中；(c)將細(xì)電流設(shè)置到大致0安培；(d)測(cè)量弱器件的柵極到源極電壓(Vgs)、漏極到源極電壓(Vds)和柵極到漏極電壓(Vgd)，以確定是否Vgs、Vds和Vgd的任何一個(gè)大于容限；(e)如果Vgs、Vds和Vgd的任何一個(gè)大于容限，則遞增所述細(xì)電流；以及(f)重復(fù)步驟(d)和(e)，直到Vgs、Vds和Vgd小于容限。
全文摘要
一種用于保護(hù)在包括高壓電源的微電子電路中運(yùn)行的弱器件來防止高壓過載的系統(tǒng)，防止在掉電、加電期間和當(dāng)在多電源系統(tǒng)中沒有低壓電源時(shí)弱器件出故障。所述系統(tǒng)包括低壓電源檢測(cè)電路，它被配置來檢測(cè)電路加電、電路掉電、以及何時(shí)沒有低壓電源，并且在檢測(cè)到時(shí)產(chǎn)生控制信號(hào)。所述系統(tǒng)還包括受控電流鏡器件，它被配置來在電路掉電、電路加電期間、以及當(dāng)沒有低壓電源時(shí)，響應(yīng)于從低壓電源檢測(cè)電路接收的控制信號(hào)而提供細(xì)電流以保持在弱器件中的導(dǎo)電溝道。
文檔編號(hào)H02H7/20GK1983756SQ20061013663
公開日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者許惠好, 希伯雷希馬·卡馬拉, 卡爾·D·西蘭德, 史蒂文·J·齊爾, 許履塵, 詹姆斯·D·羅克羅爾 申請(qǐng)人:國際商業(yè)機(jī)器公司