CMOS 電路具有成本低、功耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)。各種接口電路，如 USB ， IEEE 1394 ， RS422/485等，均可采用CMOS工藝實(shí)現(xiàn) 。接口電路通常采用 CMOS功率開(kāi)關(guān)作輸出緩沖電路。
在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，接口電路經(jīng)常受到反向電壓的沖擊，因此，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的反向電壓保護(hù)電路。
當(dāng)接口電路遭受反向電壓沖擊時(shí)，接口電路端口電壓高于電源電壓，此時(shí)，保護(hù)電路將 CMOS功率開(kāi)關(guān)與端口沖擊電壓隔離，從而保證接口電路的安全。
該電路可自動(dòng)選擇 CMOS 功率開(kāi)關(guān)的襯底和柵極偏置電壓，從而抑制反向電流，保障器件安全。這種保護(hù)電路沒(méi)有與CMOS功率開(kāi)關(guān)串聯(lián)，因此電路的輸出驅(qū)動(dòng)能力和功耗效率不受影響。
該電路應(yīng)用于一款接口電路芯片，采用0.6 μ m 標(biāo)準(zhǔn)CMOS數(shù)字工藝設(shè)計(jì)，制作的電路實(shí)現(xiàn)了+12V 反向電壓保護(hù)，獲得了良好的效果。
典型過(guò)壓保護(hù)電路
普通CMOS接口電路輸出級(jí)如圖1所示。圖1中，D1和D2為 CMOS開(kāi)關(guān)管漏極 － 襯底之間的寄生二極管。
正常工作時(shí)， D1和 D2均處于反向截止?fàn)顟B(tài)。但在實(shí)際電子系統(tǒng)中，經(jīng)常存在部分元器件掉電、其他元器件正常供電的情況。此時(shí)，Vdd為 0，而Vout通過(guò)電子系統(tǒng)其他器件可以獲得一個(gè)正電壓。
在此情況下，器件輸出端遭受反向電壓，即輸出端電壓高于電源端電壓， 將正向?qū)ǎ?huì)流過(guò)較大電流，影響器件安全。
為了解決反向電壓?jiǎn)栴}，通常采用二極管進(jìn)行保護(hù) ，如圖2所示。
但是，二極管的存在導(dǎo)致器件輸出擺幅下降，影響了器件輸出驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，二極管的引入也增大了輸出導(dǎo)通電阻，影響輸出級(jí)的瞬態(tài)特性。
采用 MOS管替代二極管，但為了降低 MOS管導(dǎo)通電阻，采用較大寬長(zhǎng)比的MOS管，因此占用了較大的版圖面積，影響了芯片的性?xún)r(jià)比。
為了解決輸出擺幅問(wèn)題，提出一種 N阱浮置結(jié)構(gòu)，其原理如圖3所示。該結(jié)構(gòu)采用 N 阱浮置電路為輸出級(jí)PMOS管的襯底提供合理偏置，抑制寄生二極管的導(dǎo)通。
當(dāng)Vdd為0，輸出端Vout通過(guò)外界獲得某正電壓偏置時(shí)， M3導(dǎo)通，外界電壓通過(guò) M3到達(dá) M2的柵極。由于柵極、漏極電位相等，M2關(guān)斷。
此時(shí)， M1的柵極為0 ，所以 M1關(guān)斷，隔離了外界電壓對(duì)器件內(nèi)部的影響。但是，當(dāng)電路正常工作、V in 輸入高電平時(shí)， M1 的柵極、源極電位均為電源電壓， M1處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí) M1導(dǎo)通電阻極大，嚴(yán)重影響電路的時(shí)間特性。
反向電壓保護(hù)電路工作原理
反向電壓保護(hù)電路由襯底電壓保護(hù)電路和柵極電壓保護(hù)電路組成，其基本原理如圖4所示。
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