开关电路、集成电路和电子设备的制作方法

1.本技术属于集成电路技术领域，尤其涉及一种开关电路和电子设备。


背景技术：

2.刺激功能芯片在电生理技术的研究和应用中有较大需求。为了增强对生物组织的刺激效果，需要提高刺激功能电路的输出电流和正、负工作电压。在刺激过程结束后，要将由芯片刺激端口电路引起的残余电荷经芯片内部的开关泄放到地上。这个泄放残余电荷的开关，主要的工作状态即有两种。其一，高压端口工作时，端口电压表现为正、负高压，泄放电荷的开关要保持断开状态。其二，当高压端口不输出刺激电流时，泄放电荷的开关闭合，将端口处的残余电荷泄放到地电位上。
3.普通的互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)工艺中实现开关电路较为简单，单独一个nmos器件即可实现一个开关功能。但高压应用中，较高的漏源电压会击穿nmos器件的漏结。
4.而可以选用bcd(bipolar—双极管、cmos、dmos)工艺实现高压工作的芯片电路，因为其横向扩散金属氧化物半导体(laterally diffused metal oxide semiconductor，ldmos)器件支持较高的漏源压差。主要问题是，使用bcd工艺中nldmos(n型横向扩散金属氧化物半导体晶体管)作为开关器件时，虽然较高的漏源耐压特性不会使器件的漏结被击穿，但nldmos的源体pn结反偏电压限制了开关的耐压，也限制了刺激功能芯片的最大工作正负电压。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种开关电路、集成电路和电子设备，旨在解决传统的泄放残余电荷的开关存在的耐压不高，限制了最大工作正负电压的问题。
6.本技术实施例的第一方面提供了一种开关电路，包括第一ldmos器件和第二ldmos器件，所述第一ldmos器件的源极、体端和所述第二ldmos器件的源极、体端共接，所述第一ldmos器件的栅极和所述第二ldmos器件的栅极共接，用于接入驱动电压；所述第一ldmos器件的漏极作为开关电路的输入端，所述第二ldmos的漏极作为开关电路的输出端。
7.在一个可选的实施例中，所述第一ldmos器件的和所述第二ldmos器件相同。
8.在一个可选的实施例中，所述驱动电压加载在所述第一ldmos器件和所述第二ldmos器件上形成的栅源电压大于的阈值电压时，所述第一ldmos器件和所述第二ldmos器件导通；所述驱动电压加载在所述第一ldmos器件和所述第二ldmos器件上形成的栅源电压为零时，所述第一ldmos器件和所述第二ldmos器件关断。
9.在一个可选的实施例中，还包括用于产生所述驱动电压的驱动电路。
10.在一个可选的实施例中，所述驱动电路包括一个偏置电流源、一个开关器件以及一个偏置电阻；
11.所述偏置电流源一端连接电源，另一端连接所述开关器件的第一导通端，所述开
关器件的第二导通端连接到所述第一ldmos器件的栅极和所述第二ldmos器件的栅极，用以提供偏置电流；所述偏置电阻的第一端连接在所述第一ldmos器件的栅极和所述第二ldmos器件的栅极，所述偏置电阻的第二端连接到所述第一ldmos器件的源极和所述第二ldmos器件的源极，用于基于所述偏置电流产生所述驱动电压。
12.在一个可选的实施例中，所述开关器件为pldmos器件。
13.在一个可选的实施例中，所述驱动电路还包括一个反相器，所述反相器的输入端用于接入驱动所述开关器件导通或关闭的使能信号，另一端连接到所述开关器件的控制端。
14.在一个可选的实施例中，所述第一ldmos器件和所述第二ldmos器件为nldmos器件。
15.本技术实施例的第二方面提供了一种集成电路，包括如上所述的开关电路。
16.本技术实施例的第三方面提供了一种电子设备，包括用于放电的放电端口，还包括如上所述的开关电路，所述开关电路的输入端与所述放电端口连接，所述开关电路的输出端连接到低电位节点，用于释放所述放电端口的残余电荷。
17.本技术实施例与现有技术相比至少存在以下有益效果：将两个高压ldmos器件的源极和体短接，两个ldmos的漏端可以承受正负高压的结构，增加了开关电路的工作电压范围，如用于电荷泄放时，能够承受更高的正负高压，如用于刺激电路芯片时，可以亦可以增加其工作电压范围。
附图说明
18.图1为典型的nldmos器件横截面结构示意图；
19.图2为本技术实施例一提供的开关电路的电路示意图；
20.图3为本技术实施例二提供的开关电路的电路示意图；
21.图4为本技术实施例二提供的开关电路的电荷泄放开关仿真结果。
具体实施方式
22.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
23.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
24.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
25.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，“若干个”的含义是一个或多个，除非另有明确具体的限定。
26.bcd工艺中高压器件nldmos的横截面如附图1所示。pgr(p-substrate guard ring)是p衬底的保护环，ngr(n guard ring)是n型隔离的保护环，b(body)端与pepi(epitaxial layer，p型外延层)相连接构成该nldmos的体端，s(source)是源极，g(gate)是栅极，d(drain)是漏极。
27.在此设计中，假设芯片正、负高压电源分别是vstmp和vstmn，即刺激端口的电压范围是vstmn～vstmp，那么器件的漏极d连接到刺激器(即刺激功能芯片)输出端口，其电压范围与正、负高压电源相同。为了防止漏极d和pepi的pn结正偏，必须让器件的体，即体端b连接的pepi为vstmn电位。另一方面，p衬底接地，为了避免p衬底与ngr的pn结正偏，ngr要接正的最高电位vstmp。
28.nldmos的另一端，即源极s需要连接到0电平处。这样由源极s和体端b这两个端口构成的pn结反偏电压，就是vstmn。nldmos的源极pn结，不能承受过高的反偏电压，通常极限在10v左右。若超过此极限，pn结会产生较大的漏电流。因此，即使使用高压器件nldmos，而像常规cmos结构的设计方法，一个nldmos器件可以实现电荷泄放的开关功能，其负的工作电压只能最大-10v左右。
29.因此，为了避免器件源极pn结反向击穿漏电，提高正负高压的承受能力，设计两个体端b和源极s短接的ldmos器件，并对称相接，这种方案避免了器件源极pn结反偏电压过而大漏电的问题。
30.如附图2所示，本技术的一个实施例提供了一种能够应用于电荷释放的开关电路，开关电路包括第一ldmos器件m0和第二ldmos器件m1，第一ldmos器件m0的源极s、体端b和第二ldmos器件m1的源极s、体端b共接，第一ldmos器件m0的栅极和第二ldmos器件m1的栅极共接，形成共栅极g，用于接入驱动电压；第一ldmos器件m0的漏极作为开关电路的输入端out，第二ldmos的漏极作为开关电路的输出端gnd。如此，应用于电荷泄放的刺激功能芯片的时候，第一ldmos器件m0的漏极作为输入端out连接到释放电极，第二ldmos的漏极作为输出端gnd连接到公共端，比如机壳、大地。将两个高压ldmos器件的源极和体短接，两个ldmos的漏端可以承受正负高压的结构，增加了开关电路的工作电压范围。
31.在一个可选的实施例中，第一ldmos器件m0和第二ldmos器件m1为nldmos器件。第一ldmos器件m0的和第二ldmos器件m1相同，更具体的是两者尺寸和掺杂浓度相同，使得两者的导通阈值相同。因此，当驱动电压加载在第一ldmos器件m0和第二ldmos器件m1上形成的栅源电压vgs大于的阈值电压时，第一ldmos器件m0和第二ldmos器件m1导通，可以使得开关电路的输入端out的电位等于输出端gnd的电位，实现电荷释放。当驱动电压加载在第一ldmos器件m0和第二ldmos器件m1上形成的栅源电压vgs为零时，第一ldmos器件m0和第二ldmos器件m1关断。
32.当开关电路断开，即从开关电路的输入端out到输出端gnd的路径断开时，电路状态如下：
33.当输入端out的电压大于等于0时，两个ldmos器件m0、m1的源极s为0(大于0的话会被第二ldmos器件m1的漏极pn结泄放)，第一ldmos器件m0的漏极pn结反偏，不会有漏电，且可以承受高压。两个ldmos器件m0、m1的栅源电压vgs，即共栅极g(即驱动电压)与共源极s的压差，要始终保持相等或相近，才能始终保持两个ldmos器件m0、m1关断。因此，当输入端out
大于0时，驱动电压需要为0。
34.当输入端out小于0时，第一ldmos器件m0的漏极pn结使得源极s节点跟随输入端out电压，而第二ldmos器件m1的漏极pn结反偏，所以也不会有电流从输入端out漏电至输出端gnd。驱动电压需要跟随源极s节点电压，以使得两个ldmos器件m0、m1的栅源电压vgs等于0，小于阈值电压，关断两个ldmos器件m0、m1。
35.综上所述，第一：该开关电路的结构解决了器件源极s的pn结反偏漏电问题。第二，驱动电压信号状态决定了开关电路的闭合和断开。简单表述如下：
36.开关电路闭合时，驱动电压为高，且与源极s的压差大于ldmos器件的阈值电压，输入端out到输出端gnd短路。
37.开关电路断开时，若输入端out的电压≥0，则驱动电压＝0，此时源极s的电压也为0，即驱动电压＝源极s的电压；若输入端out的电压《0，驱动电压＝源极s的电压。所以开关断开时驱动电压＝源极s的电压。
38.请参阅图3，在一个可选的实施例中，为了共栅极g节点提供的驱动电压，开关电路还包括用于产生驱动电压的驱动电路。
39.在一个可选的实施例中，驱动电路包括一个偏置电流源100、一个开关器件m2以及一个偏置电阻r。
40.偏置电流源100的一端连接电源vcc，偏置电流源100的另一端连接开关器件m2的第一导通端，开关器件m2的第二导通端连接到第一ldmos器件m0和第二ldmos器件m1的共栅极g，用以提供偏置电流ib；偏置电阻r的第一端连接在第一ldmos器件m0的栅极和第二ldmos器件m1的栅极，偏置电阻r的第二端连接到第一ldmos器件m0的源极s和第二ldmos器件m1的源极s(共源极)，用于基于偏置电流ib产生驱动电压。
41.其中，偏置电流源100可以使用常压的pmos电流镜实现。电源vcc是3.3v或者5v的常压。
42.在一个可选的实施例中，开关器件m2为pldmos器件。驱动电路还包括一个反相器200，反相器200的输入端用于接入驱动开关器件m2导通或关闭的使能信号sw_en，另一端连接到开关器件m2的控制端。反相器200的工作电压是0至vcc。
43.可以理解的是，驱动电路使用反相器200是为了匹配传统的产生高电平有效的使能信号的使能电路或使能芯片。而如果能够匹配到低电平为有效值的使能信号时，反相器200则可以省略。
44.请参阅图3和图4，具有驱动电路的开关电路工作原理如下：
45.使能信号sw_en＝0时，开关器件m2关断，偏置电流ib不能流入偏置电阻r，共栅极g节点与源极s电位相等，开关电路关断。
46.使能信号sw_en＝1时，开关器件m2导通，偏置电流ib流过偏置电阻r，对第一ldmos器件m0和第二ldmos器件m1有栅源电压vgs＝ib*r，设置此值大于nldmos(m0、m1)的阈值电压，开关电路即可闭合，输入端out到输出端gnd路径导通。
47.且可以看出，基于两个nldmos的开关电路可以承受正负20v的高压的冲击。
48.此外，由于使能信号sw_en＝1且输入端out的电压小于0时，共栅极g节点电压跟随源极s的电压，造成开关器件m2的漏源电压vds过大，所以开关器件m2也要使用高压的pldmos器件。
49.此结构开关电路，断开时，输入端out节点电压的负压范围可以达到nldmos器件允许的极值，且不会存在漏电。
50.可以理解得是，上述开关电路由半导体器件构成，其可以被集成在一个集成电路中，而应用于能应付正负高压的电路，作为开关被使用。集成电路比如是刺激功能芯片，在刺激操作中，增加刺激电流是提升刺激效果的一种方式。对于固定的生物组织阻性负载，提升电流意味着端口电压变高。因此，提升刺激效果，需要电路端口有更高的正、负工作电压。那么本技术中的集成在芯片中的开关电路，可以承受更高的高压正、负工作电压，并在端口不输出电流的情况下，可以将端口电荷释放到地电位上。
51.本技术实施例还提供了一种电子设备，包括用于放电的放电端口和上述开关电路，开关电路的输入端out与放电端口连接，开关电路的输出端gnd连接到低电位节点，用于释放放电端口的残余电荷。该电子设备可以是前文所述的刺激功能芯片，也可以具有放电电极的其他电子设备，比如，臭氧发生器，按摩仪、电疗设备等。
52.本技术实施例与现有技术相比至少存在以下有益效果：将两个高压ldmos器件的源极s和体短接，两个ldmos的漏端可以承受正负高压的结构，增加了开关电路的工作电压范围，如用于电荷泄放时，能够承受更高的正负高压，如用于刺激电路芯片时，可以亦可以增加其工作电压范围。
53.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。