專利名稱：具有改進(jìn)的靜電放電保護(hù)電路的放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體來(lái)說(shuō)涉及電子設(shè)備，且更具體來(lái)說(shuō)涉及放大器。
背景技術(shù)：
放大器常用于各種電子裝置中以提供信號(hào)放大。不同類型的放大器可用于不同用途。舉例來(lái)說(shuō)，例如蜂窩式電話等無(wú)線通信裝置可包括用于雙向通信的發(fā)射器及接收器。接收器可利用低噪聲放大器(LNA)，發(fā)射器可利用功率放大器(PA)，且接收器及發(fā)射器可利用可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)?？赏ㄟ^(guò)各種集成電路(IC)工藝來(lái)制造放大器。亞微型(Sub-micron)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制造工藝常用于無(wú)線裝置及其它電子裝置中的射頻(RF)電路以便減少成本且改進(jìn)集成。然而，通過(guò)亞微型CMOS工藝制造的晶體管通常具有小的物理尺寸且更易受應(yīng)力影響，且有可能歸因于靜電放電(ESD)而出現(xiàn)故障。ESD為可來(lái)自靜電及/或其它源的突然的大且瞬時(shí)的電荷。需要有效地對(duì)抗ESD同時(shí)最低程度地影響性能。


圖1展示無(wú)線通信裝置的框圖。圖2展示具有ESD保護(hù)電路的放大器。圖3展示用于ESD測(cè)試的各種電壓的曲線。圖4A及圖4B展示具有經(jīng)改進(jìn)的ESD保護(hù)電路的放大器的兩個(gè)示范性設(shè)計(jì)。圖5展示具有經(jīng)改進(jìn)的ESD保護(hù)電路的差動(dòng)放大器。圖6展示用于提供ESD保護(hù)的過(guò)程。
具體實(shí)施例方式詞“示范性”在本文中用以表示“充當(dāng)實(shí)例、例子或說(shuō)明”。本文中描述為“示范性” 的任何設(shè)計(jì)未必解釋為相比于其它設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)優(yōu)選或有利的。本文中描述具有經(jīng)改進(jìn)的ESD保護(hù)電路的放大器的各種示范性設(shè)計(jì)。所述放大器可用于各種電子裝置，例如無(wú)線及有線通信裝置、蜂窩式電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、手持式裝置、無(wú)線調(diào)制解調(diào)器、膝上型計(jì)算機(jī)、無(wú)線電話、藍(lán)牙裝置等。為了清楚起見(jiàn)，下文描述放大器針對(duì)無(wú)線通信裝置的使用。圖1展示可為蜂窩式電話或某一其它裝置的無(wú)線通信裝置100的框圖。在圖1中所展示的示范性設(shè)計(jì)中，無(wú)線裝置100包括支持雙向通信的接收器130及發(fā)射器150。大體來(lái)說(shuō)，無(wú)線裝置100可包括用于任何數(shù)目個(gè)通信系統(tǒng)及任何數(shù)目個(gè)頻帶的任何數(shù)目個(gè)接收器及任何數(shù)目個(gè)發(fā)射器。在接收路徑中，天線110接收由基站及/或其它發(fā)射器站發(fā)射的信號(hào)且提供經(jīng)接收的RF信號(hào)，其是經(jīng)由雙工器/開(kāi)關(guān)112路由且提供到接收器130。在接收器130內(nèi)，經(jīng)接收的RF信號(hào)由低噪聲放大器(LNA) 132放大且由接收解調(diào)器(RX Demod) 134解調(diào)以獲得同相(I)及正交(Q)下變頻轉(zhuǎn)換的信號(hào)。經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)換的信號(hào)由放大器(Amp) 136放大，由低通濾波器138濾波，且由放大器140進(jìn)一步放大以獲得經(jīng)提供到數(shù)據(jù)處理器170的I及 Q輸入基帶信號(hào)。在發(fā)射路徑中，數(shù)據(jù)處理器170處理待發(fā)射的數(shù)據(jù)且將I及Q輸出基帶信號(hào)提供到發(fā)射器150。在發(fā)射器150內(nèi)，輸出基帶信號(hào)由放大器152放大，由低通濾波器IM濾波，由放大器156放大，且由發(fā)射(TX)調(diào)制器158調(diào)制以獲得經(jīng)調(diào)制的信號(hào)。功率放大器 (PA) 160將經(jīng)調(diào)制的信號(hào)放大以獲得所要輸出功率電平且提供發(fā)射RF信號(hào)。所述發(fā)射RF 信號(hào)經(jīng)由雙工器/開(kāi)關(guān)112路由且經(jīng)由天線110發(fā)射。本機(jī)振蕩器(LO)信號(hào)產(chǎn)生器162 產(chǎn)生用于接收器130中的解調(diào)器134的下變頻轉(zhuǎn)換LO信號(hào)及用于發(fā)射器150中的調(diào)制器 158的上變頻轉(zhuǎn)換LO信號(hào)。圖1展示收發(fā)器的示范性設(shè)計(jì)。大體來(lái)說(shuō)，發(fā)射器及接收器中的信號(hào)的調(diào)節(jié)可通過(guò)放大器、濾波器、上變頻轉(zhuǎn)換器、下變頻轉(zhuǎn)換器等的一個(gè)或一個(gè)以上級(jí)來(lái)執(zhí)行?？膳c圖1 中所展示的配置不同地布置電路塊。此外，圖1中未展示的其它電路塊也可用以調(diào)節(jié)發(fā)射器及接收器中的信號(hào)。還可省略圖1中的一些電路塊。在圖1中所展示的示范性設(shè)計(jì)中，接收器130及發(fā)射器150可實(shí)施于RF集成電路 (RFIC) 120上。LNA 132及放大器152可接收來(lái)自處于RFIC 120外部的裝置的輸入信號(hào)， 且可由此使其輸入耦合到IC引腳。這些IC引腳可能易受ESD電荷影響，其可能損害耦合到IC弓丨腳的電路。LNA 132及放大器152可經(jīng)實(shí)施而具有ESD保護(hù)電路，所述ESD保護(hù)電路可處置經(jīng)由IC引腳耦合的ESD電荷。圖2展示具有ESD保護(hù)電路的放大器200的示范性設(shè)計(jì)的示意圖。放大器200可用于LNA 132、放大器152及/或圖1中的其它電路塊。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖2僅展示放大器 200的輸入部分。放大器200可包括為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)而未展示于圖2中的其它電路。在放大器200內(nèi)，N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ晶體管210使其柵極耦合到襯墊250，使其源極耦合到電感器212的一端，且使其漏極耦合到負(fù)載電路214。經(jīng)?？苫Q地使用術(shù)語(yǔ)“晶體管”及“裝置”。電感器212的另一端耦合到下部供應(yīng)電壓Vss，其可為電路接地。負(fù)載電路214的另一端耦合到上部供應(yīng)電壓Vdd。NMOS晶體管210為經(jīng)由襯墊250 接收的輸入信號(hào)Vin提供放大。NMOS晶體管210可用薄的柵極氧化物來(lái)實(shí)施以便獲得高頻下的良好性能。薄的柵極氧化物的使用可導(dǎo)致NMOS晶體管210的較低操作電壓及較低擊穿電壓。電感器212為NMOS晶體管210提供源極退化(source degeneration)，這可改進(jìn)的放大器200的線性。電感器212還可提供觀察NMOS晶體管210的柵極的阻抗匹配。放大器200的ESD保護(hù)電路包括二極管230及232以及瞬時(shí)保護(hù)電路MO。二極管230使其陽(yáng)極耦合到襯墊250且使其陰極耦合到Vdd。二極管232使其陽(yáng)極耦合到Vss 且使其陰極耦合到襯墊250?？捎镁哂休^小電容(這可改進(jìn)的放大器200的性能)但具有較慢接通速度的淺溝槽隔離(STI) 二極管來(lái)實(shí)施二極管230及232。瞬時(shí)保護(hù)電路240包括NMOS晶體管M2，所述NMOS晶體管242使其源極耦合到Vss且使其漏極耦合到Vdd。反相器244使其輸入耦合到節(jié)點(diǎn)A且使其輸出耦合到NMOS晶體管242的柵極。電阻器246 耦合于節(jié)點(diǎn)A與Vdd之間。電容器248耦合于節(jié)點(diǎn)A與Vss之間。NMOS晶體管242可為在接通時(shí)可傳導(dǎo)大量電流的大的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。圖2中所展示的ESD保護(hù)電路經(jīng)設(shè)計(jì)以處置施加到襯墊250的大的正ESD電流脈沖及負(fù)ESD電流脈沖。ESD電流脈沖可在不存在電源電壓的情況下施加到含有放大器200的 IC封裝。在正常操作期間，電容器248充電到Vdd，反相器M4的輸出處于邏輯低，且NMOS 晶體管242斷開(kāi)。可在處置含有放大器200的IC封裝的同時(shí)，相對(duì)于Vss將快速上升的大的正ESD電流脈沖施加到襯墊250。大的ESD電流脈沖正向偏置二極管230，其將電流導(dǎo)引到瞬時(shí)保護(hù)電路MO中且拉高Vdd。當(dāng)將Vdd拉得足夠高時(shí)，反相器244的輸出轉(zhuǎn)變到邏輯高且接通NMOS晶體管M2。NMOS晶體管242在接通時(shí)具有低接通電阻，且為來(lái)自大的正 ESD電流脈沖的電流提供傳導(dǎo)路徑。相反，當(dāng)將大的負(fù)ESD電流脈沖施加到襯墊250時(shí)，二極管232接通且為來(lái)自此ESD電流脈沖的電流提供傳導(dǎo)路徑，同時(shí)使不損害其它電路的相對(duì)小的電壓下降。ESD保護(hù)電路可經(jīng)設(shè)計(jì)以使得歸因于ESD電流脈沖的電壓降不會(huì)大到足以損害內(nèi)部電路以及ESD保護(hù)電路自身。充電裝置模型(CDM)測(cè)試可經(jīng)執(zhí)行以確定裝置耐受靜電電荷的能力。對(duì)于CDM測(cè)試來(lái)說(shuō)，IC芯片可安裝于場(chǎng)板上且相對(duì)于所述場(chǎng)板充電到大電壓(例如，500伏特(V))。所述IC芯片上的引腳可接著經(jīng)由測(cè)試探針短路到場(chǎng)板，且可經(jīng)由此IC引腳提供大的靜電電荷。CDM測(cè)試由此測(cè)試IC芯片耐受存儲(chǔ)于所述IC芯片上且隨后歸因于與金屬對(duì)象接觸而放電的靜電電荷的能力。此類型的放電為普通類型的ESD且引起IC芯片中的多數(shù)ESD損害。對(duì)圖2中的放大器200執(zhí)行CDM測(cè)試。所述CDM測(cè)試揭露由于CDM電壓充分低于所要值因此NMOS晶體管210的柵極與源極之間的柵極氧化物將斷裂。柵極到漏極氧化物未斷裂，且此情形可能歸因于負(fù)載電路214通過(guò)吸收電壓降中的一些而為所述柵極到漏極氧化物提供某一保護(hù)。由二極管230及232以及瞬時(shí)保護(hù)電路240構(gòu)成的ESD保護(hù)電路在保護(hù)NMOS晶體管210的薄的柵極氧化物方面僅部分地有效。關(guān)于圖3中所展示的ESD保護(hù)電路的主要問(wèn)題是歸因于針對(duì)二極管230及232使用STI 二極管。所述STI 二極管緩慢響應(yīng)于非?？焖俚腃DM電流脈沖，所述CDM電流脈沖可上升快到100皮秒(ps)。STI 二極管對(duì)此快速上升時(shí)間的緩慢響應(yīng)時(shí)間使初始電壓尖峰出現(xiàn)于襯墊250上。圖3展示襯墊250處的輸入電壓(Vin)及用于CDM測(cè)試的NMOS晶體管210的柵極到源極電壓(Vgs)的示范性曲線。在此CDM測(cè)試中，通過(guò)具有大約0.5歐姆的源電阻的非常快速脈沖產(chǎn)生器將大的靜電電荷模型化。所述脈沖產(chǎn)生器提供通過(guò)曲線310展示的大電壓脈沖。所述大電壓脈沖對(duì)于IOV的峰值電壓具有IOOps的上升時(shí)間，接著保持于IOV直到250ps為止，且接著在400ps處從IOV下降到7V。初始峰值電壓歸因于大的靜電電荷而近似襯墊250處的尖峰。大電壓脈沖保持于7V直到1. 2納秒(ns)為止，接著在1. 4ns處從7V下降到0V，且接著保持于0V。從400ps到1. 2ns的7V可能歸因于5V的Vdd電壓及跨越具有高電流的二極管230的大約2V的電壓降。CDM測(cè)試假設(shè)從襯墊250到Vss的輸入電壓歸因于ESD保護(hù)電路而限于10V。測(cè)試測(cè)量結(jié)果展示二極管230在約400ps處完全接通。在400ps之后，二極管230在襯墊250 處維持7V的電壓。通過(guò)曲線320展示匪OS晶體管210的Vgs電壓。所述Vgs電壓大體跟隨大電壓脈沖且進(jìn)一步含有歸因于電感器212的振蕩(ringing)。所述振蕩使峰值Vgs電壓在初始尖峰期間達(dá)到10. 7V。對(duì)于圖2中所展示的示范性設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，如果在NMOS晶體管210的柵極與源極之間施加7V的高電壓多于1ns，那么NMOS晶體管250的柵極氧化物將斷裂，其為圖3中所展示的情況。所述柵極氧化物可能對(duì)電壓非常敏感且可能容易由于大于7V的電壓而斷裂，即使脈沖持續(xù)時(shí)間短也是如此。大體來(lái)說(shuō)，薄NMOS柵極氧化物的依賴于時(shí)間的電介質(zhì)擊穿(TDDB)可由下式給定
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，其包含晶體管，其具有耦合到襯墊的柵極； 電感器，其耦合到所述晶體管的源極；及箝位電路，其耦合于所述晶體管的所述柵極與所述源極之間且為所述晶體管提供靜電放電(ESD)保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述箝位電路在大的正電壓脈沖被施加到所述襯墊時(shí)將電流發(fā)起到所述電感器中以產(chǎn)生跨越所述電感器的正電壓降。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述箝位電路在大的負(fù)電壓脈沖被施加到所述襯墊時(shí)從所述電感器汲取電流以產(chǎn)生跨越所述電感器的負(fù)電壓降。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述晶體管包含N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述箝位電路包含耦合于所述晶體管的所述柵極與所述源極之間的至少一個(gè)二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，所述至少一個(gè)二極管是用至少一個(gè)柵控二極管來(lái)實(shí)施。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述箝位電路包含串聯(lián)耦合且包含第一二極管及最末二極管的多個(gè)二極管，所述第一二極管具有耦合到所述晶體管的所述柵極的陽(yáng)極，且所述最末二極管具有耦合到所述晶體管的所述源極的陰極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，所述箝位電路包含二極管，其具有耦合到所述晶體管的所述源極的陽(yáng)極及耦合到所述晶體管的所述柵極的陰極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包含第一二極管，其耦合于所述襯墊與上部電源之間且在大的正電壓脈沖被施加到所述襯墊時(shí)傳導(dǎo)電流；及第二二極管，其耦合于所述襯墊與下部電源之間且在大的負(fù)電壓脈沖被施加到所述襯墊時(shí)傳導(dǎo)電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包含瞬時(shí)保護(hù)電路，其耦合于所述上部電源與所述下部電源之間且在所述上部電源上存在大的瞬態(tài)時(shí)傳導(dǎo)電流。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，所述第一二極管及所述第二二極管是用淺溝槽隔離 (STI) 二極管來(lái)實(shí)施。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包含 第二晶體管，其具有耦合到第二襯墊的柵極； 第二電感器，其耦合到所述第二晶體管的源極；及第二箝位電路，其耦合于所述第二晶體管的所述柵極與所述源極之間，所述晶體管及所述第二晶體管形成用于放大器的差動(dòng)對(duì)，所述電感器及所述第二電感器為差動(dòng)變壓器的部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，所述晶體管包含為低噪聲放大器(LNA)提供信號(hào)放大的N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ晶體管，所述電感器為所述NMOS晶體管提供源極退化， 且所述多個(gè)二極管為所述NMOS晶體管提供ESD保護(hù)。
14.一種集成電路，其包含N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ晶體管，其具有耦合到襯墊的柵極；電感器，其耦合于所述NMOS晶體管的源極與下部供應(yīng)電壓之間；及至少一個(gè)二極管，其耦合于所述NMOS晶體管的所述柵極與所述源極之間且為所述 NMOS晶體管提供靜電放電(ESD)保護(hù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的集成電路，所述至少一個(gè)二極管包含串聯(lián)耦合且包含第一二極管及最末二極管的多個(gè)二極管，所述第一二極管具有耦合到所述NMOS晶體管的所述柵極的陽(yáng)極，且所述最末二極管具有耦合到所述NMOS晶體管的所述源極的陰極。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的集成電路，所述至少一個(gè)二極管包含二極管，其具有耦合到所述NMOS晶體管的所述源極的陽(yáng)極及耦合到所述NMOS晶體管的所述柵極的陰極。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的集成電路，其進(jìn)一步包含第一二極管，其耦合于所述襯墊與上部電源之間且在大的正電壓脈沖被施加到所述襯墊時(shí)傳導(dǎo)電流；及第二二極管，其耦合于所述襯墊與所述下部電源之間且在大的負(fù)電壓脈沖被施加到所述襯墊時(shí)傳導(dǎo)電流。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的集成電路，所述至少一個(gè)二極管具有比所述第一二極管及所述第二二極管快的接通速度。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的集成電路，所述至少一個(gè)二極管具有比所述第一二極管及所述第二二極管小的大小。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的集成電路，所述至少一個(gè)二極管是用至少一個(gè)柵控二極管來(lái)實(shí)施，且所述第一二極管及所述第二二極管是用淺溝槽隔離(STI) 二極管來(lái)實(shí)施。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的集成電路，所述NMOS晶體管為低噪聲放大器(LNA)提供信號(hào)放大，且所述電感器為所述NMOS晶體管提供源極退化。
22.一種方法，其包含當(dāng)在N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ晶體管的柵極處施加大電壓脈沖時(shí)，經(jīng)由耦合于所述NMOS晶體管的源極與所述柵極之間的至少一個(gè)二極管來(lái)傳導(dǎo)電流；隨著所述經(jīng)傳導(dǎo)的電流通過(guò)耦合到所述NMOS晶體管的所述源極的電感器，產(chǎn)生跨越所述電感器的電壓降；及使所述NMOS晶體管的柵極到源極電壓(Vgs)以所述跨越所述電感器的電壓降減小。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，所述大電壓脈沖為大的正電壓脈沖，且所述傳導(dǎo)電流包含經(jīng)由所述至少一個(gè)二極管將電流發(fā)起到所述電感器中以產(chǎn)生跨越所述電感器的正電壓降。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，所述大電壓脈沖為大的負(fù)電壓脈沖，且所述傳導(dǎo)電流包含經(jīng)由所述至少一個(gè)二極管從所述電感器汲取電流以產(chǎn)生跨越所述電感器的負(fù)電壓降。
25. 一種設(shè)備，其包含用于當(dāng)在N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOQ晶體管的柵極處施加大電壓脈沖時(shí)經(jīng)由耦合到所述NMOS晶體管的源極的電感器傳遞電流的裝置；及用于使所述NMOS晶體管的柵極到源極電壓(Vgs)以跨越所述電感器的電壓降減小的直ο
全文摘要
本發(fā)明描述一種具有經(jīng)改進(jìn)的ESD保護(hù)電路的放大器(例如，LNA)。在一個(gè)示范性設(shè)計(jì)中，所述放大器包括晶體管(410)、電感器(412)及箝位電路(422)。所述晶體管(410)具有耦合到襯墊(450)的柵極且為所述放大器提供信號(hào)放大。所述電感器(412)耦合到所述晶體管(410)的源極且為所述晶體管(410)提供源極退化。所述箝位電路(422)耦合于所述晶體管(410)的所述柵極與所述源極之間且為所述晶體管(410)提供ESD保護(hù)。所述箝位電路(422)可包括耦合于所述晶體管(410)的所述柵極與所述源極之間的至少一個(gè)二極管。當(dāng)將大電壓脈沖施加到所述襯墊(450)時(shí)，所述箝位電路(422)經(jīng)由所述電感器(412)傳導(dǎo)電流以產(chǎn)生跨越所述電感器(412)的電壓降。所述晶體管(410)的柵極到源極電壓(Vgs)以所述跨越所述電感器(412)的電壓降減小，這可改進(jìn)所述晶體管(410)的可靠性。
文檔編號(hào)H03F3/195GK102204087SQ200980143457
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
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