JP7022093B2 - ESD protection circuit - Google Patents
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Description
本発明は、ESD(静電気放電)イベントの発生時の過電流(ESD電流)および過電圧(ESD電圧)によってIC(半導体集積回路)の内部回路が破壊されるのを保護するESD保護回路に関する。 The present invention relates to an ESD protection circuit that protects the internal circuit of an IC (semiconductor integrated circuit) from being destroyed by an overcurrent (ESD current) and an overvoltage (ESD voltage) when an ESD (electrostatic discharge) event occurs.
ESD保護回路は、ICを静電破壊から守る役割を担っている。そのため、ESD保護回路は、ICを製品ボードに実装する工程に必須の重要な技術であり、ほぼ全てのIC製品に搭載されている。 The ESD protection circuit is responsible for protecting the IC from electrostatic discharge. Therefore, the ESD protection circuit is an important technology indispensable for the process of mounting an IC on a product board, and is installed in almost all IC products.
ESD保護回路の試験には、コンポーネントレベルESD試験およびシステムレベルESD試験がある。 Testing of ESD protection circuits includes component-level ESD testing and system-level ESD testing.
コンポーネントレベルESD試験は、HBM(人体モデル)およびCDM(帯電デバイスモデル)等のように、IC等のコンポーネント単体で行われるESD試験である。
コンポーネントレベルESD試験は、電源が印加されていない状態(非通電状態)でコンポーネントのESD試験が行われる。つまり、コンポーネントレベルESD試験は、ESD電流のパルス(ESDパルス)が、通常動作していない状態のコンポーネントに印加されることを想定している。
また、例えばHBM試験では、ESD電流を逃がすための外部接続端子として、コンポーネントの電源端子を基準(以下、電源基準ともいう)としてESDパルスを印加する場合、および、コンポーネントのグランド端子を基準(以下、グランド基準ともいう)としてESDパルスを印加する場合の2つが存在する。
The component level ESD test is an ESD test performed on a single component such as an IC, such as HBM (human body model) and CDM (charged device model).
In the component level ESD test, the component ESD test is performed when no power is applied (non-energized state). In other words, the component level ESD test assumes that a pulse of ESD current (ESD pulse) is applied to a component that is not normally operating.
Further, for example, in the HBM test, when an ESD pulse is applied using the power supply terminal of the component as a reference (hereinafter, also referred to as a power supply reference) as an external connection terminal for releasing the ESD current, and the ground terminal of the component as a reference (hereinafter, also referred to as a power supply reference). , Also referred to as ground reference), there are two cases where an ESD pulse is applied.
システムレベルESD試験は、IC等のコンポーネントがボード上に組み込まれたシステムで行われるESD試験である。
システムレベルESD試験には、電源が印加された状態(通電状態)で行われるPowered ESD試験、および、電源が印加されていない状態(非通電状態)で行われるUnpowered ESD試験がある。つまり、システムレベルESD試験は、ESDパルスが、電源が印加されて通常動作している状態のシステム、および、電源が印加されていない状態のシステムの両方に印加されることを想定している。
また、システムレベルESD試験では、ESDパルスが印加される場合の基準は常に、システムのグランド端子である。つまり、グランド基準でESDパルスが印加される。
The system level ESD test is an ESD test performed in a system in which components such as ICs are built on the board.
System-level ESD tests include the Powered ESD test, which is performed when power is applied (energized state), and the Unpowered ESD test, which is performed when power is not applied (non-energized state). That is, system-level ESD testing assumes that ESD pulses are applied to both powered and operating systems and unpowered systems.
Also, in system-level ESD tests, the reference when an ESD pulse is applied is always the system ground terminal. That is, the ESD pulse is applied with reference to the ground.
図13は、システムレベルESD試験で使用されるシステムの構成を表す一例の概念図である。図13に示すシステム90においては、2つのIC92,94が差動信号線対96,98を介して互いに接続されている。2つのノイズフィルタ100,102の各々が差動信号線対96,98の各々に挿入され、外付けの2つのESD保護素子104,106の各々が差動信号線対96,98の各々とグランドとの間に接続されている。また、2つのIC92,94の各々の内部において、差動信号線対96,98の各々とグランドとの間にESD保護回路108,110の各々が接続されている(IC92については図示せず)。
FIG. 13 is a conceptual diagram of an example showing the configuration of the system used in the system level ESD test. In the
システムレベルESD試験では、ESDガン(ESDGUN)等のESD発生器を用いて差動信号線対96,98の各々の上の印加ポイント112,114の各々にESDパルスが印加される。
Powered ESD試験では、電源が印加された状態で、IC92,94間での信号の通信中に、ESDガンを用いてESDパルスが印加ポイント112,114の各々に印加される。ESDパルスの印加中は通信ができなくてもよいが、印加終了後に復帰して通信ができることが求められる。
Unpowered ESD試験では、電源が印加されていない状態で、同様にESDガンを用いてESDパルスが印加ポイント112,114の各々に印加される。その後、電源を印加した場合に、正常に通信ができることが求められる。
In the system level ESD test, an ESD pulse is applied to each of the
In the Powered ESD test, an ESD pulse is applied to each of the
In the unpowered ESD test, an ESD pulse is similarly applied to each of the
図14は、ESD試験の場合に印加されるESDパルスを表す一例のグラフである。図14のグラフの縦軸は電流値I、横軸は時間tを表す。
システムレベルESD試験において、例えば印加電圧が8kVの場合、図14のグラフおよび表1に示すように、ESDガンを用いて印加されるESDパルスの電流値の最初のピークIpeakは約30Aである。続いて、ESDパルスは、そこから一旦低下した後に再び上昇して、30ns後のESDパルスの電流値の2つ目のピークI(30ns)は約16Aである。続いて、ESDパルスは、そこから次第に低下し、60ns後のESDパルスの電流値I(60ns)は約8Aとなる。
HBM試験において、例えば印加電圧が2kVの場合、同様に図14のグラフおよび表1に示すように、ESDパルスの電流値のピークIpeakは1.20-1.47Aであり、ESDパルスは、そこから次第に低下する。また、印加電圧が8kVの場合、ESDパルスの電流値のピークは4.80-5.87Aであり、ESDパルスは、同様に、そこから次第に低下する。
FIG. 14 is an example graph showing an ESD pulse applied in the case of an ESD test. In the graph of FIG. 14, the vertical axis represents the current value I, and the horizontal axis represents the time t.
In a system level ESD test, for example, when the applied voltage is 8 kV, the first peak Ipeak of the current value of the ESD pulse applied using the ESD gun is about 30 A, as shown in the graph of FIG. 14 and Table 1. Subsequently, the ESD pulse drops once and then rises again, and the second peak I (30 ns) of the current value of the ESD pulse after 30 ns is about 16 A. Subsequently, the ESD pulse gradually decreases from there, and the current value I (60 ns) of the ESD pulse after 60 ns becomes about 8 A.
In the HBM test, for example, when the applied voltage is 2 kV, the peak Ipeak of the current value of the ESD pulse is 1.20-1.47 A, and the ESD pulse is there, as also shown in the graph of FIG. 14 and Table 1. It gradually decreases from. Further, when the applied voltage is 8 kV, the peak of the current value of the ESD pulse is 4.80-5.87 A, and the ESD pulse also gradually decreases from there.
このように、システムレベルESD試験において、ESDガンを用いて印加されるESDパルスの電流値は、コンポーネントレベルESD試験において印加されるESDパルスの電流値よりも極めて大きく、外付けのESD保護素子があっても、かなりの残留電流がICへ突入する。従って、ICが破壊されないようにするためには、ESDガンを用いて印加されるESDパルスに対して十分低い電圧でクランプできるESD保護回路が必要である。 Thus, in the system level ESD test, the current value of the ESD pulse applied using the ESD gun is much larger than the current value of the ESD pulse applied in the component level ESD test, and the external ESD protection element Even if there is, a considerable amount of residual current rushes into the IC. Therefore, in order to prevent the IC from being destroyed, an ESD protection circuit that can be clamped at a voltage sufficiently low for the ESD pulse applied using the ESD gun is required.
ESD保護回路は、例えば車載分野の電子機器においても、各種の試験項目のうちの1つとして明記されており、その重要性は増している。通常の技術分野であれば、コンポーネントレベルESD試験に合格すれば、ICとしてのESD耐性は十分である。しかし、車載分野等の特殊な技術分野では、コンポーネントレベルESD試験に加え、システムレベルESD試験およびノイズイミュニティ試験の両方に対応する必要がある。 The ESD protection circuit is specified as one of various test items even in electronic devices in the in-vehicle field, for example, and its importance is increasing. In the normal technical field, passing the component level ESD test is sufficient for ESD resistance as an IC. However, in special technical fields such as in-vehicle fields, it is necessary to support both system-level ESD tests and noise immunity tests in addition to component-level ESD tests.
ノイズイミュニティ試験は、信号の通信中にノイズを印加して、ESD保護回路のノイズに対する耐性を評価する試験である。
ノイズイミュニティ試験は、例えば図13のシステム90において、電源が印加された状態で、IC92,94間で信号の通信中に、ノイズが差動信号線対96,98に印加される。ノイズイミュニティ試験中は、ESD保護回路108,110が保護動作をせず、正常に通信ができることが求められる。
The noise immunity test is a test in which noise is applied during signal communication to evaluate the resistance of the ESD protection circuit to noise.
In the noise immunity test, for example, in the
ここで、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献1~7等がある。 Here, as the prior art documents related to the present invention, there are Patent Documents 1 to 7 and the like.
図15は、ESD保護回路のIV(電流-電圧)特性を表す一例のグラフである。図15のグラフの縦軸は電流値I、横軸は電圧値Vを表す。
図15のグラフに示すように、ESD保護回路は、ESDイベントの発生時において、ESD電圧が、ターンオン電圧に到達するとターンオンして、ESD電流を逃がす。システムレベルESD試験において、コンポーネントレベルESD試験の場合よりも極めて大きいレベルのESD電流が印加された場合でも、ESDパルスの印加後にシステムが正常復帰することが求められる。
FIG. 15 is an example graph showing the IV (current-voltage) characteristics of the ESD protection circuit. In the graph of FIG. 15, the vertical axis represents the current value I, and the horizontal axis represents the voltage value V.
As shown in the graph of FIG. 15, the ESD protection circuit turns on when the ESD voltage reaches the turn-on voltage at the time of the occurrence of the ESD event, and releases the ESD current. In the system level ESD test, even if an ESD current of a much larger level than in the component level ESD test is applied, the system is required to return to normal after the application of the ESD pulse.
図16は、ノイズが印加された信号波形を表す一例のグラフである。図16のグラフの縦軸は電圧値V、横軸は時間tを表す。
図16のグラフに示すように、ノイズイミュニティ試験では、信号波形にノイズが印加される。この場合でも、システムは、通常通り動作し続けることが求められる。
FIG. 16 is an example graph showing a signal waveform to which noise is applied. In the graph of FIG. 16, the vertical axis represents the voltage value V, and the horizontal axis represents the time t.
As shown in the graph of FIG. 16, in the noise immunity test, noise is applied to the signal waveform. Even in this case, the system is required to continue to operate normally.
このように、ESD保護回路は、ESDイベントの発生時には保護動作をする一方、ノイズイミュニティ試験時には保護動作をせず、ICの通常の動作を妨げないようにしなければならない。 In this way, the ESD protection circuit must perform a protective operation when an ESD event occurs, but do not perform a protective operation during a noise immunity test so as not to interfere with the normal operation of the IC.
図17は、図15に示すESD保護回路のIV特性のグラフの上に、図16に示すノイズが印加された信号波形のグラフを重ねて表示した概念図である。
図17に示すように、ESD保護回路のターンオン電圧は、ノイズに反応しないように、ノイズが印加された信号波形の最大電位よりも高い電圧に設定する必要がある。
しかし、マージンをとってESD保護回路のターンオン電圧を高く設定し過ぎると、ノイズに反応するリスクは低下するが、クランプ電圧が高くなるため、ESD保護回路としての能力は低下する。
このように、ノイズに対する耐性、および、ESDパルスに対する耐性は相反する要求であるから、適切なターンオン電圧を設定する必要がある。
FIG. 17 is a conceptual diagram showing a graph of a signal waveform to which noise is applied as shown in FIG. 16 superimposed on a graph of IV characteristics of the ESD protection circuit shown in FIG.
As shown in FIG. 17, the turn-on voltage of the ESD protection circuit needs to be set to a voltage higher than the maximum potential of the signal waveform to which noise is applied so as not to react to noise.
However, if the turn-on voltage of the ESD protection circuit is set too high with a margin, the risk of reacting to noise decreases, but the clamp voltage increases, so that the ability of the ESD protection circuit decreases.
In this way, resistance to noise and resistance to ESD pulses are contradictory requirements, so it is necessary to set an appropriate turn-on voltage.
図18は、従来のESD保護回路の構成を表す一例の回路図である。図18に示すESD保護回路120は、アクティブクランプ型のものであり、電圧検出回路130と、インバータ132と、クランプ回路134と、保護ダイオード136と、を備えている。
電圧検出回路130は、抵抗素子144および容量素子146を有し、インバータ132は、PMOS(P型MOSトランジスタ)148およびNMOS(N型MOSトランジスタ)150を有し、クランプ回路134は、通常のNMOSと比べて非常に大きいサイズのNMOS152を有し、保護ダイオード136は、ダイオード154,156を有する。
FIG. 18 is an example circuit diagram showing the configuration of a conventional ESD protection circuit. The
The
ESD保護回路120では、通常動作時において、電源電圧VDDが電源ノードに供給されている場合、容量素子146は電源電圧VDDに充電されている。そのため、電圧検出回路130の抵抗素子144と容量素子146との間から出力される検出信号はハイレベル、PMOS148およびNMOS150は、それぞれ、オフ状態およびオン状態であり、インバータ132から出力される検出信号の反転信号はローレベル、クランプ回路134のNMOS152はオフ状態である。
従って、ESD保護回路120は、通常動作時には、電源電圧VDDで動作する内部回路の動作に何ら影響しない。
In the
Therefore, the
一方、ESDイベントの発生時において、ESDパルスが信号入力端子Sigに印加されると、ESD電流はダイオード154を介して電源ノードへ流れ、電源ノードの電圧が急峻に立ち上がるが、検出信号は、電圧検出回路130のローパスフィルタの作用によって電源ノードよりも緩やかに立ち上がる。そのため、検出信号は、抵抗素子144を介して容量素子146がESD電圧に充電されるまでの間、つまり、電圧検出回路130の抵抗素子144の抵抗値Rおよび容量素子146の容量値Cによる時定数RCに相当する時間、ローレベル、検出信号の反転信号はハイレベルになり、NMOS152がターンオンする。
従って、ESDイベントの発生時には、図18に破線で示すように、信号入力端子Sigに印加されたESD電流が、ダイオード154、電源ノードおよびNMOS152を介してグランドノードに流れ、電源ノードの電圧がクランプされることにより、内部回路を保護することができる。
On the other hand, when an ESD pulse is applied to the signal input terminal Sig when an ESD event occurs, the ESD current flows to the power supply node via the
Therefore, when an ESD event occurs, as shown by the broken line in FIG. 18, the ESD current applied to the signal input terminal Sig flows to the ground node via the
しかし、図18に示す従来のESD保護回路120の場合、保護動作時の印加ノイズがそのまま電源ノードを通過し、その電位に影響する。そのため、電源電圧VDDで動作する内部回路全体の動作に影響を与えるという欠点がある。
例えば、フリップフロップ等の保持回路を有する回路が含まれていれば、Powered ESD試験において、ESDパルスが印加された場合に、フリップフロップ等の保持回路のデータが破壊され、印加終了後に復帰することができず、正常な通信を行うことができない。
However, in the case of the conventional
For example, if a circuit having a holding circuit such as a flip-flop is included, the data of the holding circuit such as a flip-flop is destroyed when an ESD pulse is applied in the Powered ESD test, and the data is restored after the application is completed. Cannot perform normal communication.
従来のESD保護回路としては、他にもサイリスタなどが一般的に用いられているが、サイリスタは寄生バイポーラトランジスタで作られるため、そのターンオン電圧の調整には製造プロセスの変更が必要であり、調整が難しいという欠点がある。 Other conventional ESD protection circuits, such as thyristors, are generally used, but since thyristors are made of parasitic bipolar transistors, it is necessary to change the manufacturing process to adjust the turn-on voltage. Has the drawback of being difficult.
従って、車載分野等の電子機器で用いられるESD保護回路に求められる要件は、以下の(1)~(3)の通りである。
(1)コンポーネントレベルESD試験において、電源基準およびグランド基準で放電経路を確保できる。
(2)システムレベルESD試験において、電源ノードを経由しない放電経路を確保できる。
(3)ノイズイミュニティ試験において、ノイズに反応して保護動作をしない。
また、ESD保護回路は、通常の製造プロセスを用いて製造することができ、コストの上昇を避けるために、小規模でコンパクトな回路であることが望ましい。
Therefore, the requirements required for the ESD protection circuit used in electronic devices in the in-vehicle field and the like are as follows (1) to (3).
(1) In the component level ESD test, the discharge path can be secured based on the power supply reference and the ground reference.
(2) In the system level ESD test, it is possible to secure a discharge path that does not pass through the power supply node.
(3) In the noise immunity test, the protection operation is not performed in response to noise.
Further, the ESD protection circuit can be manufactured by using a normal manufacturing process, and it is desirable that the ESD protection circuit is a small and compact circuit in order to avoid an increase in cost.
従って、本発明の目的は、コンポーネントレベルESD試験に加え、システムレベルESD試験およびノイズイミュニティ試験にも対応することができるESD保護回路を提供することにある。 Therefore, it is an object of the present invention to provide an ESD protection circuit capable of supporting system level ESD test and noise immunity test in addition to component level ESD test.
上記目的を達成するために、本発明は、ESDイベントの発生時のESD電流およびESD電圧によってICの内部回路が破壊されるのを保護するESD保護回路であって、
第1の保護回路を備え、前記第1の保護回路は、
電源電圧とグランド電圧との中間電圧であるバイアス電圧を生成して第1の内部ノードに出力するバイアス回路と、
前記第1の内部ノードの電圧が、前記バイアス電圧なのか、前記ESD電圧なのかを検出して第1の検出信号を第2の内部ノードに出力する第1の電圧検出回路と、
前記第1の内部ノードの電圧と前記グランド電圧との間の電圧範囲で動作し、前記第1の検出信号を反転して前記第1の検出信号の反転信号を第3の内部ノードに出力する第1のインバータと、
前記第1の検出信号の反転信号に応じて、前記第1の内部ノードの電圧が前記ESD電圧であることが検出された場合に、前記ESD電流を前記第1の内部ノードからグランドノードに流して前記第1の内部ノードの電圧をクランプする第1のクランプ回路と、
前記ESDイベントの発生時において、差動信号対の外部接続端子の各々に印加されるプラス極性の前記ESD電流を前記差動信号対の外部接続端子の各々から前記第1の内部ノードに流す第1の保護ダイオードと、
前記ESDイベントの発生時において、前記差動信号対の外部接続端子の各々に印加されるマイナス極性のESD電流をグランド端子から前記差動信号対に対応する差動信号ノードの各々に流す逆方向ダイオードと、を備える、ESD保護回路を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention is an ESD protection circuit that protects the internal circuit of the IC from being destroyed by the ESD current and the ESD voltage when an ESD event occurs.
The first protection circuit is provided, and the first protection circuit is
A bias circuit that generates a bias voltage, which is an intermediate voltage between the power supply voltage and the ground voltage, and outputs it to the first internal node.
A first voltage detection circuit that detects whether the voltage of the first internal node is the bias voltage or the ESD voltage and outputs the first detection signal to the second internal node.
It operates in the voltage range between the voltage of the first internal node and the ground voltage, inverts the first detection signal, and outputs the inverted signal of the first detection signal to the third internal node. With the first inverter
When it is detected that the voltage of the first internal node is the ESD voltage in response to the inverting signal of the first detection signal, the ESD current is passed from the first internal node to the ground node. The first clamping circuit that clamps the voltage of the first internal node,
When the ESD event occurs, the positive-polarity ESD current applied to each of the external connection terminals of the differential signal pair is passed from each of the external connection terminals of the differential signal pair to the first internal node. 1 protection diode and
When the ESD event occurs, a negative polarity ESD current applied to each of the external connection terminals of the differential signal pair flows from the ground terminal to each of the differential signal nodes corresponding to the differential signal pair in the reverse direction. Provides an ESD protection circuit, including a diode.
ここで、前記バイアス回路は、前記差動信号対に対応する2本の差動信号ノードの間に直列に接続された2つの抵抗素子を備え、前記2つの抵抗素子の間から前記第1の内部ノードに前記バイアス電圧が出力され、
前記第1の電圧検出回路は、前記第1の内部ノードと前記グランドノードとの間に直列に接続された第1の抵抗素子および第1の容量素子を備え、前記第1の抵抗素子と前記第1の容量素子との間から前記第2の内部ノードに前記第1の検出信号が出力され、
前記第1のインバータは、前記第1の内部ノードと前記グランドノードとの間に直列に接続された第1のP型MOSトランジスタおよび第1のN型MOSトランジスタを備え、前記第1のP型MOSトランジスタおよび前記第1のN型MOSトランジスタのゲートに前記第1の検出信号が入力され、前記第1のP型MOSトランジスタと前記第1のN型MOSトランジスタとの間から前記第3の内部ノードに前記第1の検出信号の反転信号が出力され、
前記第1のクランプ回路は、前記第1の内部ノードと前記グランドノードとの間に接続された第3のN型MOSトランジスタを備え、前記第3のN型MOSトランジスタのゲートに前記第1の検出信号の反転信号が入力され、
前記第1の保護ダイオードは、前記差動信号対の一方に対応する差動信号ノードから前記第1の内部ノードへ向かって順方向に接続された第1のダイオードと、前記差動信号対の他方に対応する差動信号ノードから前記第1の内部ノードへ向かって順方向に接続された第2のダイオードと、を備え、
前記逆方向ダイオードは、前記グランドノードから前記差動信号対の一方に対応する差動信号ノードへ向かって順方向に接続された第3のダイオードと、前記グランドノードから前記差動信号対の他方に対応する差動信号ノードへ向かって順方向に接続された第4のダイオードと、を備えることが好ましい。
Here, the bias circuit includes two resistance elements connected in series between two differential signal nodes corresponding to the differential signal pair, and the first resistance element is provided between the two resistance elements. The bias voltage is output to the internal node,
The first voltage detection circuit includes a first resistance element and a first capacitive element connected in series between the first internal node and the ground node, and includes the first resistance element and the ground node. The first detection signal is output from between the first capacitive element and the second internal node.
The first inverter includes a first P-type MOS transistor and a first N-type MOS transistor connected in series between the first internal node and the ground node, and the first P-type is provided. The first detection signal is input to the gate of the MOS transistor and the first N-type MOS transistor, and the third inside is formed between the first P-type MOS transistor and the first N-type MOS transistor. The inverted signal of the first detection signal is output to the node, and the inverted signal is output.
The first clamp circuit comprises a third N-type MOS transistor connected between the first internal node and the ground node, and the first is at the gate of the third N-type MOS transistor. The inverted signal of the detection signal is input,
The first protection diode is the first diode connected in the forward direction from the differential signal node corresponding to one of the differential signal pairs toward the first internal node, and the differential signal pair. A second diode connected in the forward direction from the corresponding differential signal node to the first internal node.
The reverse diode is a third diode connected in the forward direction from the ground node toward the differential signal node corresponding to one of the differential signal pairs, and the other of the differential signal pairs from the ground node. It is preferred to include a fourth diode connected in the forward direction towards the corresponding differential signal node.
また、前記第1の容量素子は、MOSのゲート容量であることが好ましい。 Further, it is preferable that the first capacitive element has a MOS gate capacitance.
さらに、第2の保護回路を備え、前記第2の保護回路は、
電源ノードの電圧が、前記電源電圧なのか、前記ESD電圧なのかを検出して第2の検出信号を第4の内部ノードに出力する第2の電圧検出回路と、
前記電源電圧と前記グランド電圧との間の電圧範囲で動作し、前記第2の検出信号を反転して前記第2の検出信号の反転信号を第5の内部ノードに出力する第2のインバータと、
前記第2の検出信号の反転信号に応じて、前記電源ノードの電圧が前記ESD電圧であることが検出された場合に、前記ESD電流を前記電源ノードから前記グランドノードに流して前記電源ノードの電圧をクランプする第2のクランプ回路と、
前記ESDイベントの発生時において、電源端子に印加されるマイナス極性のESD電流を前記グランド端子から前記電源ノードに流す第2の保護ダイオードと、を備えることが好ましい。
Further, a second protection circuit is provided, and the second protection circuit is provided.
A second voltage detection circuit that detects whether the voltage of the power supply node is the power supply voltage or the ESD voltage and outputs a second detection signal to the fourth internal node.
With a second inverter that operates in a voltage range between the power supply voltage and the ground voltage, inverts the second detection signal, and outputs the inverted signal of the second detection signal to the fifth internal node. ,
When it is detected that the voltage of the power supply node is the ESD voltage in response to the inverting signal of the second detection signal, the ESD current is passed from the power supply node to the ground node of the power supply node. A second clamp circuit that clamps the voltage,
It is preferable to include a second protection diode that allows an ESD current having a negative polarity applied to the power supply terminal to flow from the ground terminal to the power supply node when the ESD event occurs.
また、前記第2の電圧検出回路は、前記電源ノードと前記グランドノードとの間に直列に接続された第2の抵抗素子および第2の容量素子を備え、前記第2の抵抗素子と前記第2の容量素子との間から前記第4の内部ノードに前記第2の検出信号が出力され、
前記第2のインバータは、前記電源ノードと前記グランドノードとの間に直列に接続された第2のP型MOSトランジスタおよび第2のN型MOSトランジスタを備え、前記第2のP型MOSトランジスタおよび前記第2のN型MOSトランジスタのゲートに前記第2の検出信号が入力され、前記第2のP型MOSトランジスタと前記第2のN型MOSトランジスタとの間から前記第5の内部ノードに前記第2の検出信号の反転信号が出力され、
前記第2のクランプ回路は、前記電源ノードと前記グランドノードとの間に接続された第4のN型MOSトランジスタを備え、前記第4のN型MOSトランジスタのゲートに前記第2の検出信号の反転信号が入力され、
前記第2の保護ダイオードは、前記グランドノードから前記電源ノードへ向かって順方向に接続された第5のダイオードを備えることが好ましい。
Further, the second voltage detection circuit includes a second resistance element and a second capacitance element connected in series between the power supply node and the ground node, and the second resistance element and the second. The second detection signal is output from between the two capacitive elements to the fourth internal node.
The second inverter includes a second P-type MOS transistor and a second N-type MOS transistor connected in series between the power supply node and the ground node, and the second P-type MOS transistor and the second P-type MOS transistor. The second detection signal is input to the gate of the second N-type MOS transistor, and the second detection signal is input from between the second P-type MOS transistor and the second N-type MOS transistor to the fifth internal node. The inverted signal of the second detection signal is output,
The second clamp circuit includes a fourth N-type MOS transistor connected between the power supply node and the ground node, and the second detection signal is transmitted to the gate of the fourth N-type MOS transistor. An inverting signal is input and
The second protection diode preferably includes a fifth diode connected in the forward direction from the ground node to the power supply node.
また、前記第2の容量素子は、MOSのゲート容量であることが好ましい。 Further, it is preferable that the second capacitive element has a MOS gate capacitance.
また、前記バイアス回路は、前記バイアス電圧として、前記差動信号対のコモンモード電圧を前記第1の内部ノードに出力することが好ましい。 Further, it is preferable that the bias circuit outputs the common mode voltage of the differential signal pair to the first internal node as the bias voltage.
また、前記バイアス回路は、前記第1の内部ノードの代わりに、前記第2の内部ノードに前記バイアス電圧を出力することが好ましい。 Further, it is preferable that the bias circuit outputs the bias voltage to the second internal node instead of the first internal node.
また、前記差動信号対の一方の最大電位は前記電源電圧以下、前記差動信号対の他方の最小電位は前記グランド電圧以上であり、前記差動信号対の動作電圧範囲は、前記電源電圧と前記グランド電圧との間の電圧範囲であることが好ましい。 Further, the maximum potential of one of the differential signal pairs is equal to or lower than the power supply voltage, the minimum potential of the other of the differential signal pairs is equal to or higher than the ground voltage, and the operating voltage range of the differential signal pair is the power supply voltage. It is preferably in the voltage range between and the ground voltage.
本発明のESD保護回路は、コンポーネントレベルESD試験に加え、システムレベルESD試験およびノイズイミュニティ試験にも対応することができるため、車載分野等の特殊な分野で使用される電子機器においても適用可能である。また、本発明は、通常の製造プロセスを用いて製造することができ、小規模でコンパクトな回路であるため、コストの上昇を抑えることができる。 Since the ESD protection circuit of the present invention can support system-level ESD tests and noise immunity tests in addition to component-level ESD tests, it can also be applied to electronic devices used in special fields such as in-vehicle fields. be. Further, the present invention can be manufactured by using a normal manufacturing process, and since it is a small-scale and compact circuit, it is possible to suppress an increase in cost.
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明のESD保護回路を詳細に説明する。 Hereinafter, the ESD protection circuit of the present invention will be described in detail based on the preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
図1は、本発明のESD保護回路の構成を表す一実施形態の回路図である。図1に示すESD保護回路10は、ESDイベントの発生時の過電流(ESD電流)および過電圧(ESD電圧)によってICの内部回路が破壊されるのを保護するものであり、第1の保護回路12と、第2の保護回路14と、を備えている。
FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment showing the configuration of the ESD protection circuit of the present invention. The
なお、図1には、ESD保護回路10によって保護される被保護回路である内部回路の一例として、電源電圧VDDとグランド電圧VSSとの間の電圧範囲で動作する差動回路16が表示されている。
差動回路16は、送信バッファ16Aおよび受信バッファ16Bを備え、送信バッファ16Aのプラス側およびマイナス側の出力端子の各々は、差動信号対SigP, SigNの各々に対応する差動信号ノードに接続されている。また、差動信号対SigP, SigNの各々に対応する差動信号ノードは、受信バッファ16Bのプラス側およびマイナス側の入力端子の各々に接続されている。
差動信号対SigP, SigNの各々の最大電位は電源電圧VDD以下、その最小電位はグランド電圧VSS以上であり、差動信号対SigP, SigNの動作電圧範囲は、電源電圧VDDとグランド電圧VSSとの間の任意の電圧範囲である。
Note that FIG. 1 shows a
The
The maximum potential of each of the differential signal pairs SigP and SigN is below the power supply voltage VDD, and the minimum potential is above the ground voltage VSS. Any voltage range between.
第1の保護回路12は、バイアス回路18と、第1の電圧検出回路20と、第1のインバータ22と、第1のクランプ回路24と、第1の保護ダイオード26と、逆方向ダイオード28と、を備えている。
The first protection circuit 12 includes a
バイアス回路18は、電源電圧VDDとグランド電圧VSSとの間の任意の電圧(中間電圧)であるバイアス電圧を生成して第1の内部ノードに出力するものであり、2つの抵抗素子30,32を備えている。抵抗素子30,32は、差動信号対SigP, SigNに対応する2本の差動信号ノードの間に直列に接続され、2つの抵抗素子30,32の間から第1の内部ノードn1にバイアス電圧が出力される。
本実施形態の場合、抵抗素子30,32の抵抗値は同じであり、抵抗素子30,32の間から、バイアス電圧として、一方の差動信号SigPの電圧と他方の差動信号SigNの電圧との1/2の電圧を有する、差動信号対SigP, SigNのコモンモード電圧Vcmが第1の内部ノードn1に出力される。
The
In the case of the present embodiment, the resistance values of the
第1の電圧検出回路20は、第1の内部ノードn1の電圧が、通常動作時のバイアス電圧なのか、ESDイベントの発生時の過電圧(ESD電圧)なのかを検出して第1の検出信号を第2の内部ノードn2に出力するものであり、第1の抵抗素子34と、第1の容量素子36と、を備えている。第1の抵抗素子34および第1の容量素子36は、第1の内部ノードn1とグランドノードとの間に直列に接続されている。第1の抵抗素子34と第1の容量素子36との間から、その出力信号である第1の検出信号が第2の内部ノードn2に出力される。
本実施形態の場合、第1の容量素子36は、MOSのゲート容量、具体的にはソースおよびドレインがグランドノードに接続されたNMOSのゲート容量であるが、これに限らず、他の各種の容量素子を使用してもよい。
The first
In the case of the present embodiment, the
第1のインバータ22は、第1の内部ノードn1の電圧とグランド電圧との間の電圧範囲で動作し、第1の検出信号を反転してその反転信号を第3の内部ノードn3に出力するものであり、第1のPMOS38と、第1のNMOS40と、を備えている。第1のPMOS38および第1のNMOS40は、第1の内部ノードn1とグランドノードとの間に直列に接続され、そのゲートには、第1の検出信号が入力される。第1のPMOS38と第1のNMOS40との間から、その出力信号である第1の検出信号の反転信号が第3の内部ノードn3に出力される。
The
第1のクランプ回路24は、第1の検出信号の反転信号に応じて、第1の内部ノードn1の電圧がESD電圧であることが検出された場合に、ESD電流を第1の内部ノードn1からグランドノードに流して第1の内部ノードn1の電圧をクランプするものであり、通常のNMOSと比べて非常に大きいサイズの第3のNMOS42を備えている。第3のNMOS42は、第1の内部ノードn1とグランドノードとの間に接続され、そのゲートには、第1の検出信号の反転信号が入力される。
The
第1の保護ダイオード26は、ESDイベントの発生時において、差動信号対SigP, SigNの外部接続端子の各々に印加されるプラス極性のESD電流を差動信号対SigP, SigNの外部接続端子の各々から第1の内部ノードn1に流すものであり、第1のダイオード44と、第2のダイオード46と、を備えている。第1のダイオード44は、一方の差動信号SigPに対応する差動信号ノードから第1の内部ノードn1へ向かって順方向に接続され、第2のダイオード46は、他方の差動信号SigNに対応する差動信号ノードから第1の内部ノードn1へ向かって順方向に接続されている。
The
逆方向ダイオード28は、ESDイベントの発生時において、差動信号対SigP, SigN1の外部接続端子の各々に印加されるマイナス極性のESD電流をグランド端子から差動信号対SigP, SigNに対応する差動信号ノードの各々に流すものであり、第3のダイオード48と、第4のダイオード50と、を備えている。第3のダイオード48は、グランドノードから一方の差動信号SigPに対応する差動信号ノードへ向かって順方向に接続され、第4のダイオード50は、グランドノードから他方の差動信号SigNに対応する差動信号ノードへ向かって順方向に接続されている。
The
第2の保護回路14は、アクティブクランプ型のものであり、第2の電圧検出回路60と、第2のインバータ62と、第2のクランプ回路64と、第2の保護ダイオード66と、を備えている。
The
第2の電圧検出回路60は、電源ノードの電圧が、通常動作時の電源電圧VDDなのか、ESDイベントの発生時の過電圧(ESD電圧)なのかを検出して第2の検出信号を第4の内部ノードに出力するものであり、第2の抵抗素子74と、第2の容量素子76と、を備えている。第2の抵抗素子74および第2の容量素子76は、電源ノードとグランドノードとの間に直列に接続されている。第2の抵抗素子74と第2の容量素子76との間から、その出力信号である第2の検出信号が第4の内部ノードn4に出力される。
本実施形態の場合、第2の容量素子76は、MOSのゲート容量、具体的にはソースおよびドレインがグランドノードに接続されたNMOSのゲート容量であるが、他の各種の容量素子を使用してもよい。
The second
In the case of the present embodiment, the
第2のインバータ62は、電源電圧VDDとグランド電圧VSSとの間の電圧範囲で動作し、第2の検出信号を反転してその反転信号を第5の内部ノードn5に出力するものであり、第2のPMOS78と、第2のNMOS80と、を備えている。第2のPMOS78および第2のNMOS80は、電源ノードとグランドノードとの間に直列に接続され、そのゲートには、第2の検出信号が入力される。第2のPMOS78と第2のNMOS80との間から、その出力信号である第2の検出信号の反転信号が第5の内部ノードn5に出力される。
The
第2のクランプ回路64は、第2の検出信号の反転信号に応じて、電源ノードの電圧がESD電圧であることが検出された場合に、ESD電流を電源ノードからグランドノードに流して電源ノードの電圧をクランプするものであり、通常のNMOSと比べて非常に大きいサイズの第4のNMOS82を備えている。第4のNMOS82は、電源ノードとグランドノードとの間に接続され、そのゲートには、第2の検出信号の反転信号が入力される。
The
第2の保護ダイオード66は、ESDイベントの発生時において、電源端子に印加されるマイナス極性のESD電流をグランド端子から電源ノードに流すものであり、第5のダイオード84を備えている。第5のダイオード84は、グランドノードから電源ノードに向かって順方向に接続されている。
第2の保護ダイオード66は、第2のクランプ回路64の第4のNMOS82の寄生ダイオードを利用してもよいし、あるいは第4のNMOS82とは別にダイオードを設けてもよい。
The
The
次に、ESD保護回路10の動作を説明する。
以下、代表的に差動信号SigPについて説明するものとする。
Next, the operation of the
Hereinafter, the differential signal SigP will be described as a representative.
まず、通常動作時のESD保護回路10の動作を説明する。
この場合、ESD保護回路10が保護動作をしない、つまり、内部回路の動作に何も影響を及ぼさないことが求められる。
First, the operation of the
In this case, it is required that the
通常動作時において、電源電圧VDDは3.3V、グランド電圧VSSは0Vであるとする。また、差動信号対SigP, SigNの動作電圧範囲(最低電位~最高電位)は0V~3Vであり、そのコモンモード電圧Vcmは1.5Vであるとする。第1のダイオード44、第2のダイオード46、第3のダイオード48、第4のダイオード50、および第5のダイオード84のターンオン電圧Vth_dioは1Vであるとする。
In normal operation, the power supply voltage VDD is 3.3V and the ground voltage VSS is 0V. Further, it is assumed that the operating voltage range (minimum potential to maximum potential) of the differential signal pair SigP and SigN is 0V to 3V, and the common mode voltage Vcm thereof is 1.5V. It is assumed that the turn-on voltage Vth_dio of the
第1の保護回路12において、第1の内部ノードn1の電圧は、常にコモンモード電圧Vcmの1.5Vである。第1の電圧検出回路20の第1の容量素子36は、コモンモード電圧Vcmの1.5Vに充電されて、第1の検出信号の電圧Vrcも1.5Vである。
この場合、第1のインバータ22の入力信号の論理レベルはハイレベル、その出力信号の論理レベルはローレベルであり、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42はオフ状態である。
また、グランド電圧VSSは0Vであり、差動信号SigPの動作電圧範囲は、0V~3Vであるから、逆方向ダイオード28の第3のダイオード48もオフ状態である。
従って、通常動作時において、第1の保護回路12は保護動作をせず、内部回路の動作に何ら影響を及ぼさない。
In the first protection circuit 12, the voltage of the first internal node n1 is always 1.5V, which is the common mode voltage Vcm. The
In this case, the logic level of the input signal of the
Further, since the ground voltage VSS is 0V and the operating voltage range of the differential signal SigP is 0V to 3V, the
Therefore, in the normal operation, the first protection circuit 12 does not perform the protection operation and does not affect the operation of the internal circuit at all.
第2の保護回路14において、第2の電圧検出回路60の第2の容量素子76は、電源電圧VDDの3.3Vに充電されて、第2の検出信号の電圧は3.3Vである。
この場合、第2のインバータ62の入力信号の論理レベルはハイレベル、その出力信号の論理レベルはローレベルであり、第2のクランプ回路64の第4のNMOS82はオフ状態である。
また、電源電圧VDDは3.3V、グランド電圧VSSは0Vであるから、第2の保護ダイオード66の第5のダイオード84もオフ状態である。
従って、通常動作時において、第2の保護回路14は保護動作をせず、内部回路の動作に何ら影響を及ぼさない。
In the
In this case, the logic level of the input signal of the
Further, since the power supply voltage VDD is 3.3V and the ground voltage VSS is 0V, the
Therefore, in the normal operation, the
続いて、ノイズイミュニティ試験時のESD保護回路10の動作を説明する。
この場合も、ESD保護回路10が保護動作をしないことが求められる。
Subsequently, the operation of the
Also in this case, it is required that the
ノイズイミュニティ試験において、±1Vのノイズを印加した時の差動信号対SigP, SigNの動作電圧範囲は、図2に示すように、-0.5V~3.5Vであるとする。これ以外の条件は、通常動作時の場合と同じであるとする。 In the noise immunity test, the operating voltage range of the differential signal pair SigP and SigN when ± 1V noise is applied is assumed to be -0.5V to 3.5V as shown in FIG. Other conditions are the same as in normal operation.
第1の保護回路12において、ノイズ印加前の第1の内部ノードn1の電圧の初期値は、図3に示すように、通常動作時と同じコモンモード電圧Vcmの1.5Vであるから、第1の検出信号の電圧Vrcの初期値も1.5Vである。 In the first protection circuit 12, the initial value of the voltage of the first internal node n1 before noise is applied is 1.5V, which is the same common mode voltage Vcm as in normal operation, as shown in FIG. The initial value of the voltage Vrc of the detection signal of 1 is also 1.5V.
第1の電圧検出回路20は、ローパスフィルタ構造であるため、第1の検出信号の電圧Vrcは、差動信号対SigP, SigNにノイズが印加されて、コモンモード電圧Vcmが変動したとしても追従することができず、一定の期間1.5Vである。従って、ノイズによって第1の内部ノードn1の電圧が、第1の検出信号の電圧Vrcの2倍となる、1.5V×2=3Vまで上昇しない限り、第1のインバータ22の入力信号の論理レベルはハイレベル(High)、その出力信号の論理レベルはローレベル(Low)のままであり、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42はオフ状態(OFF)である。
Since the first
差動信号SigP側から見ると、第1のインバータ22の入力信号の論理レベルがローレベル、その出力信号の論理レベルがハイレベルになり、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42がターンオンする時の差動信号SigPのプラス側の最小電位Vt1は、式(1)から4Vである。つまり、差動信号SigPのプラス側の最小電位Vt1は、第1のダイオード44のターンオン電圧Vth_dioと、第1の検出信号の電圧Vrcの初期値×2と、を足し合わせることによって決定される。
When viewed from the differential signal SigP side, the logic level of the input signal of the
(式1)
差動信号SigPのプラス側の最小電位Vt1
=第1のダイオード44のターンオン電圧Vth_dio+第1の検出信号の電圧Vrcの初期値×2
=1V+1.5V×2
=1V+3V
=4V
(Equation 1)
Minimum potential Vt1 on the positive side of the differential signal SigP
= Turn-on voltage of the
= 1V + 1.5V x 2
= 1V + 3V
= 4V
これに対し、±1Vのノイズを印加した時の差動信号SigPのプラス側の最大電位は、図2に示すように、3.5Vであるから、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42がノイズに反応してターンオンすることはない。
また、グランド電圧VSSは0Vであり、差動信号SigPの動作電圧範囲は、-0.5V~3.5Vであるから、逆方向ダイオード28の第3のダイオード48はターンオン電圧以下なので、オフ状態である。
従って、ノイズイミュニティ試験時において、第1の保護回路12は、ノイズに反応して保護動作をすることはない。
On the other hand, the maximum potential on the positive side of the differential signal SigP when a noise of ± 1 V is applied is 3.5 V as shown in FIG. 2, so that the
Further, since the ground voltage VSS is 0V and the operating voltage range of the differential signal SigP is −0.5V to 3.5V, the
Therefore, at the time of the noise immunity test, the first protection circuit 12 does not perform the protection operation in response to the noise.
なお、バイアス電圧の初期値の与え方には様々なバリエーションが考えられ、バイアス電圧の初期値を任意の電圧に設定することにより、差動信号SigPのプラス側の最小電位Vt1を自由に設定することができ、任意のノイズ振幅に対応することができる。
例えば、バイアス電圧の初期値を2Vに設定した場合、差動信号SigPのプラス側の最小電位Vt1は、Vt1=1V+2V×2=5Vとなる。
また、第3のダイオード48の段数を増やすことにより、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42がターンオンする時の差動信号SigPのマイナス側の最大電位も簡単に調整することができる。
There are various variations in how to give the initial value of the bias voltage. By setting the initial value of the bias voltage to an arbitrary voltage, the minimum potential Vt1 on the positive side of the differential signal SigP can be freely set. It can correspond to any noise amplitude.
For example, when the initial value of the bias voltage is set to 2V, the minimum potential Vt1 on the positive side of the differential signal SigP is Vt1 = 1V + 2V × 2 = 5V.
Further, by increasing the number of stages of the
続いて、システムレベルESD試験の1つであるPowered ESD試験において、プラス極性のESDパルスが印加される場合のESD保護回路10の動作を説明する。
この場合、ESD保護回路10が保護動作をすることが求められる。
Subsequently, in the Powered ESD test, which is one of the system level ESD tests, the operation of the
In this case, the
Powered ESD試験においては、電源電圧VDDが印加されているため、図4に示すように、コモンモード電圧Vcmの初期値は1.5V、従って、第1の検出信号の電圧Vrcの初期値も1.5Vであるとする。これ以外の条件は、通常動作時の場合と同じであるとする。
この場合、第1の保護回路12において、第1のインバータ22の入力信号の論理レベルはハイレベル、その出力信号の論理レベルはローレベルであり、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42はオフ状態である。
また、逆方向ダイオード28の第3のダイオード48もオフ状態である。
In the Powered ESD test, since the power supply voltage VDD is applied, the initial value of the common mode voltage Vcm is 1.5V as shown in FIG. 4, and therefore the initial value of the voltage Vrc of the first detection signal is also 1. It is assumed to be 5.5V. Other conditions are the same as in normal operation.
In this case, in the first protection circuit 12, the logic level of the input signal of the
Further, the
ESDガンを用いてプラス極性のESDパルスを差動信号SigPの外部接続端子に印加すると、第1のダイオード44がターンオンし、第1のダイオード44を介してESD電流が第1の内部ノードn1に流れ込んで第1の内部ノードn1の電圧は即座に上昇する。
一方で、第1の電圧検出回路20は、ローパスフィルタ構造であるため、第1の検出信号の電圧Vrcは即座に上昇することができず、上昇するまでには、第1の電圧検出回路20の第1の抵抗素子34の抵抗値Rおよび第1の容量素子36の容量値Cによる時定数RC程度の遅延を要する。時定数RCは、ESDパルスのパルス幅よりも大きく設定されているため、時定数RCの期間、第1のインバータ22の入力信号の論理レベルはローレベル、その出力信号の論理レベルはハイレベルとなり、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42はターンオンする。
従って、ESD電流は、図4に破線で示すように、差動信号SigPの外部接続端子から、第1のダイオード44および第1のクランプ回路24の第3のNMOS42を介してグランドノードに流れ、グランド端子から外部へ逃がすことができる。
When a positive polarity ESD pulse is applied to the external connection terminal of the differential signal SigP using an ESD gun, the
On the other hand, since the first
Therefore, as shown by the broken line in FIG. 4, the ESD current flows from the external connection terminal of the differential signal SigP to the ground node via the
第1のクランプ回路24の第3のNMOS42がターンオンする時の差動信号SigPのプラス側の最小電位Vt1は、同様に式(1)から4Vである。Powered ESD試験において印加されるESDパルスによって、差動信号SigPの最大電位は4V以上になるため、前述のように第1のクランプ回路24の第3のNMOS42はターンオンし、ESD電流を逃がすことができる。
The minimum potential Vt1 on the positive side of the differential signal SigP when the
続いて、Powered ESD試験において、マイナス極性のESDパルスが印加される場合のESD保護回路10の動作を説明する。
この場合も、ESD保護回路10が保護動作をすることが求められる。
Subsequently, in the Powered ESD test, the operation of the
In this case as well, the
図5に示すように、Powered ESD試験において、コモンモード電圧Vcmの初期値は1.5V、従って、第1の検出信号の電圧Vrcの初期値も1.5Vであるとする。これ以外の条件は、通常動作時の場合と同じであるとする。
この場合、第1の保護回路12において、第1のインバータ22の入力信号の論理レベルはハイレベル、その出力信号の論理レベルはローレベルであり、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42はオフ状態である。また、逆方向ダイオードの第3のダイオード48はオフ状態である。
As shown in FIG. 5, in the Powered ESD test, the initial value of the common mode voltage Vcm is 1.5V, and therefore the initial value of the voltage Vrc of the first detection signal is also 1.5V. Other conditions are the same as in normal operation.
In this case, in the first protection circuit 12, the logic level of the input signal of the
ESDガンを用いてマイナス極性のESDパルスを差動信号SigPの外部接続端子に印加すると、第3のダイオード48がターンオンし、ESD電流は、図5に破線で示すように、グランド端子から、グランドノードおよび第3のダイオード48を介して差動信号SigPに対応する差動信号ノードに流れ、差動信号SigPの外部接続端子から外部へ逃がすことができる。
When a negative polarity ESD pulse is applied to the external connection terminal of the differential signal SigP using an ESD gun, the
続いて、システムレベルESD試験の1つであるUnpowered ESD試験において、プラス極性のESDパルスが印加される場合のESD保護回路10の動作を説明する。
この場合、ESD保護回路10が保護動作をすることが求められる。
Subsequently, in the Unpowered ESD test, which is one of the system level ESD tests, the operation of the
In this case, the
Unpowered ESD試験においては、電源電圧VDDが印加されないため、差動信号対SigP, SigNは動作せず、図6に示すように、コモンモード電圧Vcmの初期値は0V、従って、第1の検出信号の電圧Vrcの初期値も0Vであるとする。これ以外の条件は、通常動作時の場合と同じであるとする。
この場合、第1の保護回路12において、第1のインバータ22の入力信号の論理レベルはローレベルであるが、コモンモード電圧Vcmもローレベルであるため、その出力信号はローレベルであり、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42はオフ状態である。
また、逆方向ダイオード28の第3のダイオード48もオフ状態である。
In the unpowered ESD test, the differential signal pairs SigP and SigN do not operate because the power supply voltage VDD is not applied, and as shown in FIG. 6, the initial value of the common mode voltage Vcm is 0V, and therefore the first detection signal. It is assumed that the initial value of the voltage Vrc of is also 0V. Other conditions are the same as in normal operation.
In this case, in the first protection circuit 12, the logic level of the input signal of the
Further, the
なお、Unpowered ESD試験において、プラス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合のESD保護回路10の動作は、Powered ESD試験において、プラス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の動作と同じである。
つまり、ESD電流は、図6に破線で示すように、差動信号SigPの外部接続端子から、第1のダイオード44および第1のクランプ回路24の第3のNMOS42を介してグランドノードに流れ、グランド端子から外部へ逃がすことができる。
In the Unpowered ESD test, the operation of the
That is, the ESD current flows from the external connection terminal of the differential signal SigP to the ground node via the
続いて、Unpowered ESD試験において、マイナス極性のESDパルスが印加される場合のESD保護回路10の動作を説明する。
この場合も、ESD保護回路10が保護動作をすることが求められる。
Subsequently, in the Unpowered ESD test, the operation of the
In this case as well, the
図7に示すように、Unpowered ESD試験においても、差動信号対SigP, SigNは動作せず、コモンモード電圧Vcmの初期値は0V、従って、第1の検出信号の電圧Vrcの初期値も0Vであるとする。これ以外の条件は、通常動作時の場合と同じであるとする。
この場合、第1の保護回路12において、第1のインバータ22の入力信号の論理レベルはローレベルであるが、コモンモード電圧Vcmもローレベルであるため、その出力信号はローレベルであり、第1のクランプ回路24の第3のNMOS42はオフ状態である。
また、逆方向ダイオード28の第3のダイオード48もオフ状態である。
As shown in FIG. 7, even in the Unpowered ESD test, the differential signal pair SigP and SigN do not operate, and the initial value of the common mode voltage Vcm is 0V. Therefore, the initial value of the voltage Vrc of the first detection signal is also 0V. Suppose that Other conditions are the same as in normal operation.
In this case, in the first protection circuit 12, the logic level of the input signal of the
Further, the
なお、Unpowered ESD試験において、マイナス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合のESD保護回路10の動作は、Powered ESD試験において、マイナス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の動作と同じである。
つまり、ESD電流は、図7に破線で示すように、グランド端子から、グランドノードおよび第3のダイオード48を介して差動信号SigPに対応する差動信号ノードに流れ、差動信号SigPの外部接続端子から外部へ逃がすことができる。
In the Unpowered ESD test, the operation of the
That is, the ESD current flows from the ground terminal to the differential signal node corresponding to the differential signal SigP via the ground node and the
このように、ESD保護回路10においては、システムレベルESD試験において、電源ノードを経由しない放電経路を確保できる。ESD電流の放電経路に電源ノードが含まれないため、電源電圧VDD-グランド電圧VSSは変動せず、電源供給を受ける内部回路のフリップフロップ等の保持回路のデータが破壊されることはない。
As described above, in the
続いて、コンポーネントレベルESD試験の1つであるHBM試験において、電源基準でESDパルスが印加される場合のESD保護回路10の動作を説明する。
この場合、ESD保護回路10が保護動作をすることが求められる。
HBM試験においては、電源電圧VDDが印加されないため、全ての条件は、Unpowered ESD試験の場合と同じであるとする。
Subsequently, in the HBM test, which is one of the component level ESD tests, the operation of the
In this case, the
In the HBM test, the power supply voltage VDD is not applied, so all the conditions are the same as in the Unpowered ESD test.
HBM試験において、電源基準でプラス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の第1の保護回路12の動作は、Unpowered ESD試験において、プラス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の第1の保護回路12の動作と同じである。
従って、ESD電流は、図8に破線で示すように、差動信号SigPの外部接続端子から、第1のダイオード44および第1のクランプ回路24の第3のNMOS42を介してグランドノードに流れる。続いて、ESD電流は、さらに、グランドノードから第5のダイオード84を介して電源ノードに流れ、電源端子から外部へ逃がすことができる。
In the HBM test, the operation of the first protection circuit 12 when a positive polarity ESD pulse is applied to the external connection terminal of the differential signal SigP in the power supply reference is that the positive polarity ESD pulse is differential in the Unpowered ESD test. This is the same as the operation of the first protection circuit 12 when applied to the external connection terminal of the signal SigP.
Therefore, the ESD current flows from the external connection terminal of the differential signal SigP to the ground node via the
一方、HBM試験において、電源基準でマイナス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の第1の保護回路12の動作は、Unpowered ESD試験において、マイナス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の第1の保護回路12の動作と同様である。 On the other hand, in the HBM test, when the negative polarity ESD pulse is applied to the external connection terminal of the differential signal SigP, the operation of the first protection circuit 12 is that the negative polarity ESD pulse is applied in the Unpowered ESD test. This is the same as the operation of the first protection circuit 12 when applied to the external connection terminal of the differential signal SigP.
つまり、HBM試験において、電源基準でマイナス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加されると、第3のダイオード48がターンオンし、グランドノードの電圧は即座に下降する。
一方で、第2の電圧検出回路60は、ローパスフィルタ構造であるため、第2の検出信号の電圧Vrcは即座に上昇することができず、上昇するまでには第2の電圧検出回路60の時定数RC程度の遅延を要する。時定数RCは、ESDパルスのパルス幅よりも大きく設定されているため、時定数RCの期間、第2のインバータ62の入力信号の論理レベルはローレベル、その出力信号の論理レベルはハイレベルとなり、第2のクランプ回路64の第4のNMOS82はターンオンする。
従って、ESD電流は、図9に破線で示すように、電源端子から、電源ノード、第2のクランプ回路64の第4のNMOS82を介してグランドノードに流れ、続いて第3のダイオード48を介して差動信号SigPに対応する差動信号ノードに流れ、差動信号SigPの外部接続端子から外部へ逃がすことができる。
このように、ESD保護回路10においては、HBM試験において、電源基準でマイナス極性のESDパルスが印加される場合の放電経路も問題なく確保される。
That is, in the HBM test, when an ESD pulse having a negative polarity based on the power supply is applied to the external connection terminal of the differential signal SigP, the
On the other hand, since the second
Therefore, as shown by the broken line in FIG. 9, the ESD current flows from the power supply terminal to the ground node via the power supply node, the
As described above, in the
続いて、コンポーネントレベルESD試験の1つであるHBM試験において、グランド基準でESDパルスが印加される場合のESD保護回路10の動作を説明する。
この場合も、ESD保護回路10が保護動作をすることが求められる。
Subsequently, in the HBM test, which is one of the component level ESD tests, the operation of the
In this case as well, the
HBM試験において、グランド基準でプラス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の第1の保護回路12の動作は、Unpowered ESD試験において、プラス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の第1の保護回路12の動作と同じである。
従って、ESD電流は、図10に破線で示すように、差動信号SigPの外部接続端子から、第1のダイオード44および第1のクランプ回路24の第3のNMOS42を介してグランドノードに流れ、グランド端子から外部へ逃がすことができる。
In the HBM test, the operation of the first protection circuit 12 when a positive polarity ESD pulse is applied to the external connection terminal of the differential signal SigP with respect to the ground is that the positive polarity ESD pulse is differential in the Unpowered ESD test. This is the same as the operation of the first protection circuit 12 when applied to the external connection terminal of the signal SigP.
Therefore, as shown by the broken line in FIG. 10, the ESD current flows from the external connection terminal of the differential signal SigP to the ground node via the
一方、HBM試験において、グランド基準でマイナス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の第1の保護回路12の動作は、Unpowered ESD試験において、マイナス極性のESDパルスが差動信号SigPの外部接続端子に印加される場合の第1の保護回路12の動作と同じである。
従って、ESD電流は、図11に破線で示すように、グランド端子から、グランドノードおよび第3のダイオード48を介して差動信号SigPに対応する差動信号ノードに流れ、差動信号SigPの外部接続端子から外部へ逃がすことができる。
このように、ESD保護回路10においては、HBM試験において、グランド基準でESDパルスが印加される場合の放電経路も問題なく確保される。
On the other hand, in the HBM test, when the negative polarity ESD pulse is applied to the external connection terminal of the differential signal SigP, the operation of the first protection circuit 12 is that the negative polarity ESD pulse is applied in the Unpowered ESD test. This is the same as the operation of the first protection circuit 12 when applied to the external connection terminal of the differential signal SigP.
Therefore, as shown by the broken line in FIG. 11, the ESD current flows from the ground terminal to the differential signal node corresponding to the differential signal SigP via the ground node and the
As described above, in the
以上のように、ESD保護回路10は、コンポーネントレベルESD試験に加え、システムレベルESD試験およびノイズイミュニティ試験にも対応することができるため、車載分野等の特殊な分野で使用される電子機器においても適用可能である。また、ESD保護回路10は、通常の製造プロセスを用いて製造することができ、小規模でコンパクトな回路であるため、コストの上昇を抑えることができる。
As described above, since the
なお、代表的に差動信号SigPについて説明したが、差動信号SigNについても同様に動作する。差動信号SigNの場合、第1のダイオード44および第3のダイオード48の代わりに、第2のダイオード46および第4のダイオード50が動作する。
Although the differential signal SigP has been described as a representative, the differential signal SigN also operates in the same manner. In the case of the differential signal SigN, the
バイアス電圧は、コモンモード電圧Vcmに限らず、電源電圧VDDとグランド電圧VSSとの間の任意の中間電圧を使用することができる。
例えば、抵抗素子30,32の抵抗値を変えることにより、バイアス電圧を変更することができる。あるいは、抵抗素子30,32を電源ノードとグランドノードとの間に直列に接続し、同様に抵抗素子30,32の抵抗値を変えることにより、バイアス電圧を、電源電圧VDDとグランド電圧VSSとの間の任意の中間電圧に設定することができる。
これにより、ノイズが印加された信号波形の最大電圧よりもESD保護回路のターンオン電圧を高く設定して、ノイズに反応するリスクを低下させることができる。また、ESD保護回路としての能力を最大限に発揮することができるように、ESDパルスに対して素早く反応することができる適切な電圧にESD保護回路のターンオン電圧を設定することができる。
The bias voltage is not limited to the common mode voltage Vcm, and any intermediate voltage between the power supply voltage VDD and the ground voltage VSS can be used.
For example, the bias voltage can be changed by changing the resistance values of the
As a result, the turn-on voltage of the ESD protection circuit can be set higher than the maximum voltage of the signal waveform to which noise is applied, and the risk of reacting to noise can be reduced. In addition, the turn-on voltage of the ESD protection circuit can be set to an appropriate voltage that can react quickly to the ESD pulse so that the capability of the ESD protection circuit can be maximized.
差動回路においては、コモンモード電圧が使用されている場合が多々ある。従って、第1の保護回路12において、差動回路で使用されている既存のコモンモード電圧を利用することにより、バイアス回路18を省略し、回路規模を削減することができる。
また、図12に示すように、バイアス回路18から、第1の内部ノードn1の代わりに、第2の内部ノードn2にバイアス電圧を出力しても、第1の保護回路12は同様に動作することができる。
Common mode voltages are often used in differential circuits. Therefore, in the first protection circuit 12, the
Further, as shown in FIG. 12, even if the bias voltage is output from the
第2の保護回路14は、図18に示す従来のESD保護回路と同様の構成のものであり、本発明のESD保護回路が搭載されるICにおいても従来のESD保護回路が設けられる場合がある。従って、ESD保護回路10において、ICで使用されている従来のESD保護回路を第2の保護回路14として利用することにより、第2の保護回路14を省略し、回路規模を削減することができる。
The
なお、第1および第2の保護回路12、14、バイアス回路18、第1および第2の電圧検出回路20、60、第1および第2のインバータ22、62、第1および第2のクランプ回路24、64、第1および第2の保護ダイオード26、66、および逆方向ダイオード28として具体的な回路を挙げて説明したが、これに限定されず、同様の機能を実現することができる各種構成の回路を使用することができる。
The first and
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various improvements and changes may be made without departing from the gist of the present invention.
10 ESD保護回路
12 第1の保護回路
14 第2の保護回路
16 差動回路
16A 送信バッファ
16B 受信バッファ
18 バイアス回路
20 第1の電圧検出回路
22 第1のインバータ
24 第1のクランプ回路
26 第1の保護ダイオード
28 逆方向ダイオード
30,32 抵抗素子
34 第1の抵抗素子
36 第1の容量素子
38 第1のPMOS
40 第1のNMOS
42 第3のNMOS
44 第1のダイオード
46 第2のダイオード
48 第3のダイオード
50 第4のダイオード
60 第2の電圧検出回路
62 第2のインバータ
64 第2のクランプ回路
66 第2の保護ダイオード
74 第2の抵抗素子
76 第2の容量素子
78 第2のPMOS
80 第2のNMOS
82 第4のNMOS
84 第5のダイオード
90 システム
92,94 IC
96,98 差動信号線対
100,102 ノイズフィルタ
104,106 ESD保護素子
108,110,120 ESD保護回路
130 電圧検出回路
132 インバータ
134 クランプ回路
136 保護ダイオード
144 抵抗素子
146 容量素子
148 PMOS
150,152 NMOS
154,156 ダイオード
10 ESD protection circuit 12
40 First MIMO
42 Third NMOS
44
80 Second MFPS
82 Fourth MFPS
84
96,98 Differential signal line pair 100,102 Noise filter 104,106 ESD protection element 108,110,120
150,152 SiO
154,156 diode
Claims (9)
第1の保護回路を備え、前記第1の保護回路は、
電源電圧とグランド電圧との中間電圧であるバイアス電圧を生成して第1の内部ノードに出力するバイアス回路と、
前記第1の内部ノードの電圧が、前記バイアス電圧なのか、前記ESD電圧なのかを検出して第1の検出信号を第2の内部ノードに出力する第1の電圧検出回路と、
前記第1の内部ノードの電圧と前記グランド電圧との間の電圧範囲で動作し、前記第1の検出信号を反転して前記第1の検出信号の反転信号を第3の内部ノードに出力する第1のインバータと、
前記第1の検出信号の反転信号に応じて、前記第1の内部ノードの電圧が前記ESD電圧であることが検出された場合に、前記ESD電流を前記第1の内部ノードからグランドノードに流して前記第1の内部ノードの電圧をクランプする第1のクランプ回路と、
前記ESDイベントの発生時において、差動信号対の外部接続端子の各々に印加されるプラス極性の前記ESD電流を前記差動信号対の外部接続端子の各々から前記第1の内部ノードに流す第1の保護ダイオードと、
前記ESDイベントの発生時において、前記差動信号対の外部接続端子の各々に印加されるマイナス極性のESD電流をグランド端子から前記差動信号対に対応する差動信号ノードの各々に流す逆方向ダイオードと、を備える、ESD保護回路。 It is an ESD protection circuit that protects the internal circuit of the IC from being destroyed by the ESD current and ESD voltage when an ESD event occurs.
The first protection circuit is provided, and the first protection circuit is
A bias circuit that generates a bias voltage, which is an intermediate voltage between the power supply voltage and the ground voltage, and outputs it to the first internal node.
A first voltage detection circuit that detects whether the voltage of the first internal node is the bias voltage or the ESD voltage and outputs the first detection signal to the second internal node.
It operates in the voltage range between the voltage of the first internal node and the ground voltage, inverts the first detection signal, and outputs the inverted signal of the first detection signal to the third internal node. With the first inverter
When it is detected that the voltage of the first internal node is the ESD voltage in response to the inverting signal of the first detection signal, the ESD current is passed from the first internal node to the ground node. The first clamping circuit that clamps the voltage of the first internal node,
When the ESD event occurs, the positive-polarity ESD current applied to each of the external connection terminals of the differential signal pair is passed from each of the external connection terminals of the differential signal pair to the first internal node. 1 protection diode and
When the ESD event occurs, a negative polarity ESD current applied to each of the external connection terminals of the differential signal pair flows from the ground terminal to each of the differential signal nodes corresponding to the differential signal pair in the reverse direction. An ESD protection circuit with a diode.
前記第1の電圧検出回路は、前記第1の内部ノードと前記グランドノードとの間に直列に接続された第1の抵抗素子および第1の容量素子を備え、前記第1の抵抗素子と前記第1の容量素子との間から前記第2の内部ノードに前記第1の検出信号が出力され、
前記第1のインバータは、前記第1の内部ノードと前記グランドノードとの間に直列に接続された第1のP型MOSトランジスタおよび第1のN型MOSトランジスタを備え、前記第1のP型MOSトランジスタおよび前記第1のN型MOSトランジスタのゲートに前記第1の検出信号が入力され、前記第1のP型MOSトランジスタと前記第1のN型MOSトランジスタとの間から前記第3の内部ノードに前記第1の検出信号の反転信号が出力され、
前記第1のクランプ回路は、前記第1の内部ノードと前記グランドノードとの間に接続された第3のN型MOSトランジスタを備え、前記第3のN型MOSトランジスタのゲートに前記第1の検出信号の反転信号が入力され、
前記第1の保護ダイオードは、前記差動信号対の一方に対応する差動信号ノードから前記第1の内部ノードへ向かって順方向に接続された第1のダイオードと、前記差動信号対の他方に対応する差動信号ノードから前記第1の内部ノードへ向かって順方向に接続された第2のダイオードと、を備え、
前記逆方向ダイオードは、前記グランドノードから前記差動信号対の一方に対応する差動信号ノードへ向かって順方向に接続された第3のダイオードと、前記グランドノードから前記差動信号対の他方に対応する差動信号ノードへ向かって順方向に接続された第4のダイオードと、を備える、請求項1に記載のESD保護回路。 The bias circuit comprises two resistance elements connected in series between two differential signal nodes corresponding to the differential signal pair, from between the two resistance elements to the first internal node. The bias voltage is output,
The first voltage detection circuit includes a first resistance element and a first capacitive element connected in series between the first internal node and the ground node, and includes the first resistance element and the ground node. The first detection signal is output from between the first capacitive element and the second internal node.
The first inverter includes a first P-type MOS transistor and a first N-type MOS transistor connected in series between the first internal node and the ground node, and the first P-type is provided. The first detection signal is input to the gate of the MOS transistor and the first N-type MOS transistor, and the third inside is formed between the first P-type MOS transistor and the first N-type MOS transistor. The inverted signal of the first detection signal is output to the node, and the inverted signal is output.
The first clamp circuit comprises a third N-type MOS transistor connected between the first internal node and the ground node, and the first is at the gate of the third N-type MOS transistor. The inverted signal of the detection signal is input,
The first protection diode includes a first diode connected in the forward direction from a differential signal node corresponding to one of the differential signal pairs toward the first internal node, and the differential signal pair. A second diode connected in the forward direction from the corresponding differential signal node to the first internal node.
The reverse diode is a third diode connected in the forward direction from the ground node toward the differential signal node corresponding to one of the differential signal pairs, and the other of the differential signal pairs from the ground node. The ESD protection circuit of claim 1, comprising a fourth diode forwardly connected towards the corresponding differential signal node.
電源ノードの電圧が、前記電源電圧なのか、前記ESD電圧なのかを検出して第2の検出信号を第4の内部ノードに出力する第2の電圧検出回路と、
前記電源電圧と前記グランド電圧との間の電圧範囲で動作し、前記第2の検出信号を反転して前記第2の検出信号の反転信号を第5の内部ノードに出力する第2のインバータと、
前記第2の検出信号の反転信号に応じて、前記電源ノードの電圧が前記ESD電圧であることが検出された場合に、前記ESD電流を前記電源ノードから前記グランドノードに流して前記電源ノードの電圧をクランプする第2のクランプ回路と、
前記ESDイベントの発生時において、電源端子に印加されるマイナス極性のESD電流を前記グランド端子から前記電源ノードに流す第2の保護ダイオードと、を備える、請求項1ないし3のいずれか一項に記載のESD保護回路。 Further, a second protection circuit is provided, and the second protection circuit is provided.
A second voltage detection circuit that detects whether the voltage of the power supply node is the power supply voltage or the ESD voltage and outputs a second detection signal to the fourth internal node.
With a second inverter that operates in a voltage range between the power supply voltage and the ground voltage, inverts the second detection signal, and outputs the inverted signal of the second detection signal to the fifth internal node. ,
When it is detected that the voltage of the power supply node is the ESD voltage in response to the inverting signal of the second detection signal, the ESD current is passed from the power supply node to the ground node of the power supply node. A second clamp circuit that clamps the voltage,
The invention according to any one of claims 1 to 3, further comprising a second protection diode that allows a negative polarity ESD current applied to the power supply terminal to flow from the ground terminal to the power supply node when the ESD event occurs. The ESD protection circuit described.
前記第2のインバータは、前記電源ノードと前記グランドノードとの間に直列に接続された第2のP型MOSトランジスタおよび第2のN型MOSトランジスタを備え、前記第2のP型MOSトランジスタおよび前記第2のN型MOSトランジスタのゲートに前記第2の検出信号が入力され、前記第2のP型MOSトランジスタと前記第2のN型MOSトランジスタとの間から前記第5の内部ノードに前記第2の検出信号の反転信号が出力され、
前記第2のクランプ回路は、前記電源ノードと前記グランドノードとの間に接続された第4のN型MOSトランジスタを備え、前記第4のN型MOSトランジスタのゲートに前記第2の検出信号の反転信号が入力され、
前記第2の保護ダイオードは、前記グランドノードから前記電源ノードへ向かって順方向に接続された第5のダイオードを備える、請求項4に記載のESD保護回路。 The second voltage detection circuit includes a second resistance element and a second capacitance element connected in series between the power supply node and the ground node, and the second resistance element and the second. The second detection signal is output from between the capacitive element and the fourth internal node.
The second inverter includes a second P-type MOS transistor and a second N-type MOS transistor connected in series between the power supply node and the ground node, and the second P-type MOS transistor and the second P-type MOS transistor. The second detection signal is input to the gate of the second N-type MOS transistor, and the second detection signal is input from between the second P-type MOS transistor and the second N-type MOS transistor to the fifth internal node. The inverted signal of the second detection signal is output,
The second clamp circuit includes a fourth N-type MOS transistor connected between the power supply node and the ground node, and the second detection signal is transmitted to the gate of the fourth N-type MOS transistor. An inverting signal is input and
The ESD protection circuit according to claim 4, wherein the second protection diode includes a fifth diode connected in the forward direction from the ground node to the power supply node.
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| Bicleanu et al. | Approach on Electrostatic Discharge protection structures based on Transient Voltage Suppressor diodes |
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