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作者： Paul Blanchard 和 Brian Pelletier 摘要 當放大器發(fā)生外部過(guò)壓狀況時(shí)，ESD二極管是放大器與過(guò)電應力之間的最后防線(xiàn)。正確理解ESD單元在一個(gè)器件中是如何實(shí)現的，設計人員就能通過(guò)適當的電路設計大大擴展放大器的生存范圍。本文旨在向讀者介紹各種類(lèi)型的ESD實(shí)現方案，討論每種方案的特點(diǎn)，并就如何利用這些單元來(lái)提高設計魯棒性提供指南。 引言 有許多應用的輸入不受系統控制，而是連接到外部世界，例如測試設備、儀器儀表和某些檢測設備。對于此類(lèi)應用，輸入電壓可能會(huì )超過(guò)前端放大器的額定最大電壓，因而必須采用保護方案來(lái)維持設計的使用范圍和魯棒性。前端放大器的內部ESD二極管有時(shí)會(huì )用來(lái)箝位過(guò)壓狀況，但為了確保這種箝位能夠提供充分可靠的保護，需要考慮許多因素。了解前端放大器內部的不同ESD二極管架構，以及具體保護電路的熱影響和電子遷移影響，有助于設計人員解決保護電路相關(guān)的問(wèn)題，并提高其在現場(chǎng)的使用壽命。 ESD二極管配置 應當明白，并非所有ESD二極管都是連接到電源和地的簡(jiǎn)單二極管箝位。有許多可能的方案可以采用，例如：多個(gè)二極管串聯(lián)、二極管和電阻、背靠背二極管等。下面介紹一些較為常見(jiàn)的方案。 連接到電源的二極管 圖1顯示了一個(gè)放大器實(shí)例，二極管連接在輸入引腳和電源之間。在正常工作條件下，二極管反偏，但當輸入高于正電源電壓或低于負電源電壓時(shí)，二極管變?yōu)檎�。當二極管變?yōu)檎珪r(shí)，電流經(jīng)過(guò)放大器的輸入端流至相應的電源。 對于圖1所示電路，當過(guò)壓超過(guò)+Vs時(shí)，放大器本身不會(huì )限制輸入電流，需要外部增加串聯(lián)電阻來(lái)限流。當電壓低于–Vs時(shí)，400 Ω電阻會(huì )起到一定的限流作用，設計時(shí)應當納入考慮中。 
圖1. AD8221的輸入ESD拓撲結構 圖2顯示了一個(gè)具有相似二極管配置的放大器，但在本例中，電流受內部2.2 kΩ串聯(lián)電阻的限制。它與圖1所示電路的區別不僅在于限流電阻R的值，還在于2.2 kΩ可保護電路不受+Vs以上電壓的影響。這個(gè)例子復雜難懂，務(wù)必充分了解以便在使用ESD二極管時(shí)優(yōu)化保護。
圖2. AD8250的輸入ESD拓撲結構 限流JFET 與圖1和圖2中的方案不同，IC設計可以使用限流JFET代替二極管箝位。圖3顯示了一個(gè)例子，當輸入電壓超過(guò)器件的額定工作范圍時(shí)，JFET被用來(lái)保護器件。JFET輸入使該器件自身就能耐受相反供電軌的最高40 V電壓。由于JFET會(huì )限制流入輸入引腳的電流，因此ESD單元無(wú)法用作額外的過(guò)壓保護。 當需要最高40 V的電壓保護時(shí)，此器件的JFET保護可提供嚴格受控的、可靠的、完全明確的保護方案。這常常與使用ESD二極管的保護方案相反，后者關(guān)于二極管限流的信息常常指定典型值，甚至完全不明確。
圖3. AD8226的輸入保護方案 二極管堆疊 在允許輸入電壓超過(guò)電源電壓或地的應用中，可以使用二極管堆疊來(lái)防止輸入受ESD事件的影響。圖4所示的放大器就是采用堆疊二極管保護方案。該配置使用二極管串來(lái)防范負瞬變。在可用輸入范圍內，二極管串用于限制漏電流，但當超過(guò)負共模范圍時(shí)，它就會(huì )提供保護。記住，二極管串的等效串聯(lián)電阻是唯一的限流措施。對于給定電壓，可使用外部串聯(lián)電阻來(lái)降低輸入電流。
圖4. AD8417的低端輸入保護方案 背靠背二極管 當允許輸入電壓范圍超過(guò)電源電壓時(shí)，也可使用背靠背二極管。圖5所示的放大器采用背靠背二極管來(lái)為器件提供ESD保護，采用3.3 V電源供電時(shí)，其允許電壓最高達到70 V。D4和D5是高壓二極管，用于應對輸入引腳上可能存在的高電壓；當輸入電壓在正常工作范圍以?xún)葧r(shí)，D1和D2用于防止漏電流。在這種配置中，不建議使用這些ESD單元來(lái)提供過(guò)壓保護，因為若超過(guò)高壓二極管的最大反偏電壓，很容易造成器件永久損壞。
圖5. AD8418的高端輸入保護方案 無(wú)ESD箝位 某些器件的前端沒(méi)有ESD器件。很顯然，如果沒(méi)有ESD二極管，設計人員當然無(wú)法將其用于箝位。之所以提到這種架構，是因為在研究過(guò)壓保護 (OVP) 時(shí)，需要注意這種情況。圖6所示的器件僅使用大阻值電阻保護放大器。
圖6. AD8479的輸入保護方案 ESD單元用于箝位 除了解ESD單元如何實(shí)現之外，還必須知道如何利用這些結構提供保護。典型應用使用串聯(lián)電阻來(lái)限制額定電壓范圍內的電流。 當放大器配置為圖7所示時(shí)，或者輸入受連接到電源的二極管保護時(shí)，輸入電流限值可利用以下公式計算。
圖7. ESD單元用于箝位 公式1用到一個(gè)假設，即VSTRESS > VSUPPLY。若非如此，應測得更精確的二極管電壓并將其用于計算，而不要使用0.7 V的近似值。 下面是一個(gè)計算實(shí)例，其中放大器采用±15 V電源供電，要防范的輸入過(guò)壓高達±120 V，輸入電流限制在1 mA。根據公式1，我們可以使用這些輸入進(jìn)行計算：
根據上述要求，RPROTECTION > 105 kΩ可將二極管電流限制在 1 mA以下。 了解限流 IDIODE最大值隨器件而不同，它還取決于施加過(guò)壓的特定應用情形。持續數毫秒的一次性事件，與在應用的全部20年或更多年的任務(wù)壽命中持續施加電流，其最大電流將會(huì )不同。具體指導值可在放大器數據手冊的絕對最大值部分或應用筆記中找到，通常在1 mA至10 mA范圍內。 故障模式 具體保護方案的最大電流額定值最終要受兩個(gè)因素的限制： 二極管功耗的熱影響和電流路徑的最大電流額定值。功耗應保持在閾值以下，使工作溫度始終處于有效范圍；所選電流應在額定最大值范圍內，以免電子遷移引起可靠性問(wèn)題。 熱影響 當電流流入ESD二極管時(shí)，二極管的功耗會(huì )引起溫度升高。多數放大器數據手冊指定了熱阻（通常指定ӨJA），它顯示了結溫升幅與功耗的關(guān)系�？紤]最差情況下的應用溫度，以及功耗引起的最壞溫度升幅，可以判斷保護電路是否有效。 電子遷移 即使電流不引起熱問(wèn)題，二極管電流也可能造成可靠性問(wèn)題。由于電子遷移，任何電氣信號路徑都有一個(gè)最大壽命電流額定值。二極管電流路徑的電子遷移電流限值通常受與二極管串聯(lián)的內部走線(xiàn)的厚度限制。放大器制造商不一定會(huì )發(fā)布此信息，但若二極管長(cháng)時(shí)間工作（而不是工作很短時(shí)間），就需要予以考慮。 舉個(gè)例子，當放大器監控（因而連接到）一個(gè)獨立于其自身供電軌的電壓軌時(shí)，電子遷移便可能是一個(gè)問(wèn)題。當存在多個(gè)電源域時(shí)，可能會(huì )發(fā)生因電源時(shí)序問(wèn)題而引起電壓暫時(shí)超過(guò)絕對最大條件的情況�？紤]最差情況下的電流路徑和在整個(gè)使用壽命中以此電流工作的持續時(shí)間，并了解電子遷移的最大允許電流，便可避免電子遷移引起可靠性問(wèn)題。 結論 了解放大器內部ESD二極管如何在過(guò)電應力期間激活，有助于輕松提高設計的魯棒性。研究保護電路的熱影響和電子遷移影響，可以凸顯潛在的問(wèn)題并顯示是否需要額外的保護�？紤]本文提出的條件可以讓設計人員作出明智選擇，避免在現場(chǎng)發(fā)生魯棒性問(wèn)題。 作者 Paul Blanchard [paul.blanchard@analog.com]是ADI公司位于麻薩諸塞州威明頓市的儀器儀表、航空航天與國防業(yè)務(wù)部門(mén)的應用工程師。Paul于2002年加入ADI公司的先進(jìn)線(xiàn)性產(chǎn)品 (ALP) 部門(mén)，從事儀表放大器和可變增益放大器方面的工作。2009年，作為線(xiàn)性產(chǎn)品部門(mén) (LPG) 的一員，他主要負責汽車(chē)雷達、電流檢測和AMR相關(guān)應用。目前，作為線(xiàn)性與精密技術(shù) (LPT) 部門(mén)的一員，他從事精密輸入信號調理 (PISC) 信號鏈技術(shù)方面的工作。Paul擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。 Brian Pelletier [brian.pelletier@analog.com]是ADI公司線(xiàn)性產(chǎn)品技術(shù)部門(mén)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工程師。他從馬薩諸塞大學(xué)獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位后，于2003年加入ADI公司。Brian專(zhuān)門(mén)研究精密放大器，包括儀表放大器和電流檢測放大器。 |
