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    应用于模拟开关芯片的过压保护电路设计*

    时间：2023-01-07 22:35:03 来源：东东创业网 本文已影响人 东东创业网手机站

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    张 林， 李婕妤，汪 洋， 金湘亮,2

    (1.湘潭大学 物理与光电工程学院, 湖南 湘潭 411105；

    2.湖南师范大学 物理与电子科学学院,湖南 长沙 410081)

    模拟开关利用了金属氧化物半导体(MOS)晶体管的导通和断开特性，MOS晶体管能够实现很低的导通电阻，也能在关断时具有大的关断阻抗。经过适当的设计，控制模拟开关的导通和关闭，实现电路的信号切换的作用。模拟开关由于其高性能和低功耗的特点而被广泛用于数据通信、网络、便携式通信和消费电子设备。

    近年来，由于模拟开关可以直接驱动多个扬声器，因此对模拟开关的需求一直在增加[1]。通过使用模拟开关和零电压偏置音频放大器，多个扬声器可以共享一个信号源，或者可以将多个信号源传输到单个扬声器。而且，模拟开关可以显著降低与音频信号布线相关的噪音[2]，并且可以大大降低信号的功耗。模拟开关是电子产品开发的重要方向。

    现在的模拟开关主要由振荡器、分频器、负电压源产生电路、过压保护电路、电荷泵、输入驱动电路组成[3]。振荡器电路产生振荡波形，经过分频器得到稳定的波形;振荡波形经过锁存器得到负电压源，整体电路可以传输负信号;输入控制信号经过输入驱动电路处理，控制电荷泵的升压工作;电荷泵电路提升开关MOS晶体管的栅压，高速传输信号，控制信号的传输;过压保护电路检测端口电压情况，对电路实行过压保护。

    对于模拟开关而言，其传输的信号速度快，电压变化>大。端口电压变化的过大较快的情况下，容易对整体电路造成损伤，造成整体芯片的毁坏。所以，过压保护电路对整体电路的防护有着重要意义，它保护着整体电路不受高压损坏[4]。传统的过压保护电路是使用单独的片外装置实现的，不仅存在线路复杂，而且占较大的面积。因此，芯片的集成化是非常占优势的[5]。

    一般的过压保护电路采用电阻分压的形式，存在许多的缺点。即大的电流流过电阻，造成大的功耗[6]。而且，过压阈值和恢复电压阈值很接近，不适于端口的复杂电压变化，容易毁坏芯片[7]。

    针对上述问题，本文设计的过压保护电路，具有低功耗和迟滞电压的特点。设计的过压保护有阈值电压，对变化的电压辨别后才开启主体电路[8]，同时，开启时间和恢复时间较短，能够快速反应过大的输入电压，也能在输入电压正常后快速恢复整体电路的运行。

    1.1 电路结构

    如图1所示，设计的过压保护电路。采用P沟道 MOS(PMOS)晶体管接收COM端的电压，电压转换为电流，减少信号在传输过程中的损失。输入端电压过大后，P1，P2工作在饱和区，A点电压提升，输出OUT1为低电平。通过A点电压的跳变，控制N4，P6组成的反相器的输出，从而控制OUT1输出保护或恢复信号。

    图1 过压保护电路

    电路设计了双级迟滞电路，R3，R4，R5，N1，N2，N3组成第一级迟滞电路，第二级迟滞电路由RC延迟和迟滞比较器组成。

    1.2 过压保护设计原理

    采用0.18 μm BCD工艺，PSub为工艺衬底。P1和P2共同的阱电位V1，V1通过Q5，Q4，P5，P4连接到VDD，当电路工作时，VDD将V1充电到接近VDD的电压。忽略沟道调制效应，流过P1或P2的电流为

    (1)

    如果COM1或COM2的电压过大，那么P1或P2的VGS将过大，造成流过的电流I过大。N1漏端的电压变大，造成N3关闭，输出OUT1为低电位。假设还未进行过压保护，N3即将离开饱和区，流过N3漏端的电流为

    (2)

    A点的电压经过电阻R3到N1的漏端，A点的电压等于N1漏端的电压，A点的电压VA为

    (3)

    随着COM端口电压变大，电流I将变大，A点电压上升。当电流I足够大时，将能够翻转由P6,N4组成反相器的输出电压，这时反相器输出为低电平，N3关断，流过R4的电流将流向R5,N2。A点的电位将不断提升，N3关断更彻底，输出OUT1为低电位。

    COM端的电压过压后，N3是关断的，流过R4的电流为I。那么，A点电位为

    (4)

    可以知道，输入端COM电压大于VP,H时，输出OUT1为低电位。那么，VP,H为

    (5)

    其中，VCOM1-A的值为

    VCOM-A=IR1+Vds,PMOS+VBEQ+I(R4+R5)

    (6)

    同理，COM端的电压由过压开始变小，流过的电流I变小，造成N3导通，输出OUT1为高电平。输入端COM电压低于VP,L时，输出OUT1为高电位,公式为

    (7)

    迟滞电压范围ΔVP为

    (8)

    可以知道，增加电路迟滞电压范围方法有几种。适当增加R5电阻值、增加N3的宽长比或者减小N2的宽长比，提高过压保护电路的抗干扰能力。

    为了进一步防止外部电压脉冲对电路的伤害，避免电路反复开启，需要对第一级检测电路的输出做一个延迟判断。在实际的应用中，输入端口可能会有电压脉冲，而第一级的检测电路的输出会受到干扰，对电路产生不利影响。采用一个RC延迟和一个施密特触发器对N5漏端电压检测，作为第二级抗干扰信号的电路。

    RC延迟是采用4个PMOS晶体管串联到电容端，这4个PMOS相当于一个电阻R。电源电压通过电阻对电容充电，电容的充电时间可以有效增大。对于RC延迟环节有

    VC(t)|t=0=0

    (9)

    Ri(t)+VC(t)=VDDu(t)

    (10)

    列写出微分方程

    (11)

    各项取拉氏变换，可以得到

    RCsVC(s)+VC(s)=VDD/s

    (12)

    再转换成时域函数，可以得到

    (13)

    可知，电容充电逐渐接近电源电压VDD，适当大的电阻R和电容C能有效减缓充电速度。

    如图2所示，设计了迟滞比较器电路。当N7开始导通后，输出VOUT1开始下降，进一步关断N8，从而降低VX电位。这又进一步增加N7管的导通程度。N7未导通时，根据流过N6，N8的电流相等的情况

    (14)

    设N6管和N8管宽长比为m1，即m1=β6/β8。联立式上面两式可得VH值

    (15)

    当电路实行过压保护后，输入端电压恢复正常。那么，有一个的阈值电压VL使电路恢复正常工作。令m2=β13/β11，同理，在PMOS晶体管的作用下，可以得

    (16)

    当m1,m2趋于无穷大时，ΔV趋近于(VDD-|Vthp|)-Vthn，m1,m2趋于无穷小时，ΔV趋近于VDD。所以，应适当让β6小于β8，β11小于β13，提高电路的迟滞范围，减少错误电压给整体电路带来的危害。

    图2 迟滞比较器电路

    1.3 静电防护设计

    芯片在生产和使用过程中，不可避免地接触静电[9]。MOS晶体管的PN结耐压有限，栅极的栅氧厚度有限。电压过大后，容易造成栅氧击穿和PN结击穿。所以，必须增加器件的可靠性，添加静电防护器件(ESD)[10]。

    ESD的设计主要考虑4种放电模式，即PD模式(端口到电源)、PS模式(端口到地)、NS模式(地到端口)、ND(电源到端口)。根据PN结的正偏特性和反偏特性，确定导通电压大小，正偏电压大致取值0.7 V，反偏电压根据工艺确定。另外，还要考虑的是电源到地、地到电源的放电，也要分析其导通电压大小。根据放电路径上的电压大小，确定设计ESD的触发电压和维持电压范围。

    如图3所示，设计ESD电路防护网络。因为模拟开关需要传输负信号，端口到地应做双向ESD防护。端口的防护，采用单向的NMOS晶体管和SCR并联导电，再通过一个公共的SCR到地[11]。该设计能增加静电释放的速度和大小，也能节省布图面积。电路路径耐击穿电压还与层次之间的距离有关。如果设计的ESD触发电压和维持电压较高，那么可以考虑版图上增大栅与源、栅与漏的距离，从而增大耐击穿电压。

    图3 静电保护的设计

    2.1 仿真结果

    基于0.18 μm BCD工艺，使用Cadence软件搭建电路，对过压保护电路进行仿真。电源电压为3.3 V，仿真得到的静态电源电流200 pA左右，实现了低功耗的设计。除此之外，还对过压保护电路的开启时间、关断时间和阈值电压的性能进行仿真。

    过压保护电路的阈值电压决定着输出电压的翻转点，能有效抵抗干扰信号。如图4所示，电源电压为3.3 V，对过压保护电路的阈值电压仿真。可以看出，过压保护电路的阈值电压是4.25 V和3.85 V。COM1端口电压VCOM1增大到4.25 V，输出电压VOUT1会跳变为0，输出保护信号，实行过压保护。COM1端口电压VCOM1从过压减小到3.85 V，输出电压VOUT1会跳变为VDD，开启模拟开关电路。

    图4 过压保护电路阈值电压仿真

    过压保护电路的输入、输出瞬态图如图5所示，VCOM1是输入信号，VOUT1是输出信号。过压保护反应时间是应对过大电压的反应时间tFP，反映着电路过压保护速度。经过Cadence软件仿真，得到tFP为1.0 μs。过压保护恢复时间tFPR是电路恢复正常的时间，经过仿真，可以看出，tFPR为0.035 μs。

    图5 过压保护电路的输入、输出瞬态仿真

    过压保护电路对模拟开关保护仿真，如图6所示，过压保护电路影响模拟开关的作用。过压保护电路对模拟开关起着保护的作用，VCOM1为输入信号，VOUT为输出信号。当COM1端口电压过高时，过压保护电路输出低电平，关断模拟开关。当COM1端口电压恢复时，过压保护电路输出高电平，模拟开关正常工作，COM1端的信号传输到输出端口。经过仿真，可知tFP为1.20 μs，tFPR为0.55 μs。

    图6 过压保护电路对模拟开关保护仿真

    模拟开关电路中存在着自身的电路结构，会对过压保护电路有一定的延迟，所以，过压反应时间和恢复时间会有些偏大。经过过压保护电路的作用，模拟开关能够实现过压保护的功能。

    2.2 测试结果与分析

    基于0.18 μm BCD工艺，采用3层金属绘制版图，并经过流片验证。版图的布局、布线，一是确保电路的性能和可靠性，二是合理布局并减小面积[12]。如图7所示，过压保护电路的版图面积为102 μm×85 μm。

    图7 全芯片镜像显微图和过压保护电路版图

    如表1所示，列出了测试过压保护电路对模拟开关实际作用的值。测试结果与仿真结果基本一致，没有超出设定的应用要求。测试的结果有些偏大，原因可能是实际电路封装中存在着大的电阻值和大电容值，或者是电源不稳定。设计的过压保护电路符合应用的要求，达到了预计的效果。

    表1 测试结果(25 ℃)

    基于0.18 μm BCD工艺，本文设计了一种能应用在模拟开关中的过压保护电路，采用双级迟滞电路和延迟电路设计，能抗信号干扰。经过测试，该过压保护电路对模拟开关的开启阈值电压为4.54 V，恢复阈值电压4.12 V。开启时间为2.80 μs，恢复时间为1.84 μs。设计的过压保护电路具有抗干扰能力，较快的开启和恢复，能很好地应用在模拟开关的领域。

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