高速CMOS模拟集成电路中静电保护电路设计实施方案.doc

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1、高速CMOS模拟集成电路中地静电保护电路设计随着超大规模集成电路工艺技术地不断提高，目前CMOS集成电路已经进入了超深亚微米阶段，MOS器件地尺寸不断缩小，栅氧化层厚度越来越薄，其栅耐压能力显著下降，集成电路失效地产品中有35%是由于ESD问题所引起地.因此CMOS集成电路地静电放电(ElectrostaticDischarge，ESD)保护电路地设计越来越受到了电路设计者地重视.ESD保护电路是为芯片电路提供静电电流地放电路径，以避免静电将内部电路击穿.由于静电一般来自外界，例如人体、机器，因此ESD保护电路通常在芯片地压焊盘(PAD)地周围.输出压焊盘一般与驱动电路相

2、连，即与大尺寸地PMOS和NMOS管地漏极相连，因此这类器件本身可以用于ESD保护放电，一般情况下为了保险，输出端也加ESD保护电路;而输入压焊盘一般连接到MOS管地栅极上，因此在芯片地输入端，必须加ESD保护电路.另外，在芯片地电源(Udd)和地(Uss)端口上也要加ESD保护电路，以保证ESD电流可以从Udd安全地释放到Uss.b5E2RGbCAP作者在传统地模块电路ESD保护电路地基础上提出了应用于高速模拟电路地ESD保护电路.ESD保护电路原理分析数字电路一般采用两级保护电路，并且在主保护电路和次保护电路中串联一个限流电阻，而大地限流电阻和ESD钳位器件地节电容会

3、产生一个大地RC延迟，因此，不适合应用于高速模拟CMOS集成电路中.p1EanqFDPw 图1是CMOS模拟集成电路单级ESD保护电路.ESD钳位器件是栅极接地地NMOS管(ggNMOS).为了承受较大地ESD电流，ggNMOS管设计成很大地尺寸，导致大尺寸地ggNMOS管以及大地漏极PN扩散结在输入端上形成了大地漏极寄生电容.由于PN寄生电容是非线性地可变电容，而高精度地高速模拟集成电路要求输入端寄生电容为常数，因此ESD钳位器件地寄生电容是高速模拟集成电路地一个主要误差来源.另外，当静电压通过模拟信号管脚直接加在运算放大器地两个输入端或者加在以共源形式连接地差分对管地

4、栅极时，极高地静电压很容易将MOS管地栅氧化层击穿.此时单个地ggNMOS管无法起到保护作用.因此，Ket等人提出了用ggPMOS和ggNMOS管一起组成ESD保护电路，如图2所示，其中Dp3、Dn3各为Mp3和Mn3管漏区地寄生二极管.DXDiTa9E3d图2左半边为嵌位(Clamp)电路，当PAD上被加上正地ESD电压时，RC检测电路经过一个反相器来触发Mn1管，将大地ESD电流通过大尺寸地Mn1管释放到Uss.但是该电路地局限性在于不能有效地释放负电压下地ESD电流.并且由于RC地值对电路能否正常工作至关重要，所以对其精度要求较高，而R、C地实际工艺误差较大.RTC

5、rpUDGiT高速模拟电路中地ESD保护电路设计图3是文中提出地应用于高速模拟电路地输入ESD保护电路.该电路地左半部为对称地两个嵌位电路，分别检测正、负ESD电压，其中M6，M4等效为电阻，而源漏衬底短接地M3，M7等效为电容.当正地ESD电压产生时，即某一瞬间，到Udd有一个正地大电流，最左边地嵌位电路工作，大尺寸(500/0.25)地NMOS管M0导通，泻放ESD电流，其中R0，R1为MOS管地寄生电阻.一般来说，芯片地上电时间为毫秒级，而ESD造成地芯片上电时间为纳秒级，因此很容易将它们区分开来.设计时RC应该大于ESD脉冲地时间常数(100pF×1.5kΩ)(人

6、体模型地典型值)，同时短于一般上电地时间常数.这样方可保证在正常地电源上电过程中，M0管是关闭地.5PCzVD7HxA由于ESD器件依赖电压地非线性输入电容连接到模拟电路输入管脚，往往会导致电路不能正常工作，因此，对于模拟电路地ESD保护电路设计，除了要能满足芯片所要求地人体模型下地耐压要求，所遇到地最大地挑战是使管脚地输入电容(包括ESD保护器件以及压焊盘上地电容之和)尽可能小并且保持恒定.而文中提出地ESD保护电路在0.25μm地CMOS工艺中，可以承受HBM下地2.5kV地ESD电压，并且输入电容只有0.6pF.为了减小管脚上地输入电容，M8和M9地尺寸不能太大，虽

7、然ESD电流泻放地主要器件M0和M1地尺寸很大，结电容也很大，但是该电容并没有连到压焊盘上，所以该电路可以承受较高地ESD电压，同时输入电容又比较小.jLBHrnAILg 该ESD保护电路地输入电容Cin=CPAD+Cn+Cp，其中，CPAD为PAD上电容，NMOS和PMOS上漏极电容为Cn和Cp.PAD上电容相对固定，可以通过一些优化来减小.漏极电容主要有两部分组成:漏极和栅极之间地电容、漏极地结电容.在版图不变地情况下，漏栅电容大小基本不变，但漏极结电容会随着漏极电压地变化而出现较大变化.当输入信号地电压幅值增大时，NMO