引言

 

有許多應用的輸入不受係統控製，而是連接到外部世界
，例如測試設備、儀yi器qi儀yi表biao和he某mou些xie檢jian測ce設she備bei。對dui於yu此ci類lei應ying用yong，輸shu入ru電dian壓ya可ke能neng會hui超chao過guo前qian端duan放fang大da器qi的de額e定ding最zui大da電dian壓ya，因yin而er必bi須xu采cai用yong保bao護hu方fang案an來lai維wei持chi設she計ji的de使shi用yong範fan圍wei和he魯lu棒bang性xing。前qian端duan放fang大da器qi的de內nei部buESD二極管有時會用來箝位過壓狀況，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，有助於設計人員解決保護電路相關的問題，並提高其在現場的使用壽命。

 

ESD二極管配置

 

應當明白，並非所有ESD二極管都是連接到電源和地的簡單二極管箝位。有許多可能的方案可以采用，例如：多個二極管串聯
、二極管和電阻、背靠背二極管等。下麵介紹一些較為常見的方案。

 

連接到電源的二極管

 

圖1顯xian示shi了le一yi個ge放fang大da器qi實shi例li
，二er極ji管guan連lian接jie在zai輸shu入ru引yin腳jiao和he電dian源yuan之zhi間jian。在zai正zheng常chang工gong作zuo條tiao件jian下xia，二er極ji管guan反fan偏pian
，但dan當dang輸shu入ru高gao於yu正zheng電dian源yuan電dian壓ya或huo低di於yu負fu電dian源yuan電dian壓ya時shi，二er極ji管guan變bian為wei正zheng偏pian。當dang二er極ji管guan變bian為wei正zheng偏pian時shi
，電dian流liu經jing過guo放fang大da器qi的de輸shu入ru端duan流liu至zhi相xiang應ying的de電dian源yuan。

 

對於圖1所示電路
，當過壓超過+Vs時
，放大器本身不會限製輸入電流，需要外部增加串聯電阻來限流。當電壓低於–Vs時，400 Ω電阻會起到一定的限流作用，設計時應當納入考慮中。

 

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串聯電阻的限製。它與圖1所示電路的區別不僅在於限流電阻R的值
，還在於2.2 kΩ可保護電路不受+Vs以上電壓的影響。這個例子複雜難懂，務必充分了解以便在使用ESD二極管時優化保護。

 

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顯示了一個例子，當輸入電壓超過器件的額定工作範圍時
，JFET被用來保護器件。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。由於JFET會限製流入輸入引腳的電流，因此ESD單元無法用作額外的過壓保護。

 

當需要最高40 V的電壓保護時，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，後者關於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電源電壓或地的應用中，可以使用二極管堆疊來防止輸入受ESD事件的影響。圖4suoshidefangdaqijiushicaiyongduidieerjiguanbaohufangan。gaipeizhishiyongerjiguanchuanlaifangfanfushunbian。zaikeyongshurufanweinei
，erjiguanchuanyongyuxianzhiloudianliu，dandangchaoguofugongmofanweishi，tajiuhuitigongbaohu。jizhu，erjiguanchuandedengxiaochuanliandianzushiweiyidexianliucuoshi。duiyugeidingdianya，keshiyongwaibuchuanliandianzulaijiangdishurudianliu。

 

圖4. AD8417的低端輸入保護方案

 

背靠背二極管

 

當允許輸入電壓範圍超過電源電壓時，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為器件提供ESD保護，采用3.3 V電源供電時
，其允許電壓最高達到70 V。D4和D5是高壓二極管，用於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範圍以內時，D1和D2用於防止漏電流。在這種配置中，不建議使用這些ESD單元來提供過壓保護，因為若超過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ESD箝位

 

某些器件的前端沒有ESD器件。很顯然，如果沒有ESD二極管

，設計人員當然無法將其用於箝位。之所以提到這種架構，是因為在研究過壓保護 (OVP) 時，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單元用於箝位

 

除了解ESD單元如何實現之外，還必須知道如何利用這些結構提供保護。典型應用使用串聯電阻來限製額定電壓範圍內的電流。

 

當放大器配置為圖7所示時
，或者輸入受連接到電源的二極管保護時，輸入電流限值可利用以下公式計算。

 

圖7. ESD單元用於箝位

 

公式1用到一個假設，即VSTRESS > VSUPPLY。若非如此，應測得更精確的二極管電壓並將其用於計算，而不要使用0.7 V的近似值。

 

下麵是一個計算實例，其中放大器采用±15 V電源供電，要防範的輸入過壓高達±120 V，輸入電流限製在1 mA。根據公式1，我們可以使用這些輸入進行計算：

 

 

根據上述要求，RPROTECTION > 105 kΩ可將二極管電流限製在 1 mA以下。

 

了解限流

 

IDIODE最大值隨器件而不同，它還取決於施加過壓的特定應用情形。持續數毫秒的一次性事件，與在應用的全部20年(nian)或(huo)更(geng)多(duo)年(nian)的(de)任(ren)務(wu)壽(shou)命(ming)中(zhong)持(chi)續(xu)施(shi)加(jia)電(dian)流(liu)

，其(qi)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)將(jiang)會(hui)不(bu)同(tong)。具(ju)體(ti)指(zhi)導(dao)值(zhi)可(ke)在(zai)放(fang)大(da)器(qi)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)的(de)絕(jue)對(dui)最(zui)大(da)值(zhi)部(bu)分(fen)或(huo)應(ying)用(yong)筆(bi)記(ji)中(zhong)找(zhao)到(dao)，通(tong)常(chang)在(zai)1 mA至10 mA範圍內。

 

故障模式

 

具體保護方案的最大電流額定值最終要受兩個因素的限製： 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，使工作溫度始終處於有效範圍
；所選電流應在額定最大值範圍內，以免電子遷移引起可靠性問題。

 

熱影響

 

當電流流入ESD二極管時
，二極管的功耗會引起溫度升高。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係。考慮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(ji)使(shi)電(dian)流(liu)不(bu)引(yin)起(qi)熱(re)問(wen)題(ti)，二(er)極(ji)管(guan)電(dian)流(liu)也(ye)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)可(ke)靠(kao)性(xing)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)電(dian)子(zi)遷(qian)移(yi)，任(ren)何(he)電(dian)氣(qi)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)都(dou)有(you)一(yi)個(ge)最(zui)大(da)壽(shou)命(ming)電(dian)流(liu)額(e)定(ding)值(zhi)。二(er)極(ji)管(guan)電(dian)流(liu)路(lu)徑(jing)的(de)電(dian)子(zi)遷(qian)移(yi)電(dian)流(liu)限(xian)值(zhi)通(tong)常(chang)受(shou)與(yu)二(er)極(ji)管(guan)串(chuan)聯(lian)的(de)內(nei)部(bu)走(zou)線(xian)的(de)厚(hou)度(du)限(xian)製(zhi)。放(fang)大(da)器(qi)製(zhi)造(zao)商(shang)不(bu)一(yi)定(ding)會(hui)發(fa)布(bu)此(ci)信(xin)息(xi)，但(dan)若(ruo)二(er)極(ji)管(guan)長(chang)時(shi)間(jian)工(gong)作(zuo)（而不是工作很短時間），就需要予以考慮。

 

舉個例子，當放大器監控（因而連接到）yigeduliyuqizishengongdianguidedianyaguishi
，dianziqianyibiankenengshiyigewenti。dangcunzaiduogedianyuanyushi，kenenghuifashengyindianyuanshixuwentieryinqidianyazanshichaoguojueduizuidatiaojiandeqingkuang。kaolvzuichaqingkuangxiadedianliulujinghezaizhenggeshiyongshoumingzhongyicidianliugongzuodechixushijian
，binglejiedianziqianyidezuidayunxudianliu，biankebimiandianziqianyiyinqikekaoxingwenti。

 

結論

 

了解放大器內部ESD二er極ji管guan如ru何he在zai過guo電dian應ying力li期qi間jian激ji活huo，有you助zhu於yu輕qing鬆song提ti高gao設she計ji的de魯lu棒bang性xing。研yan究jiu保bao護hu電dian路lu的de熱re影ying響xiang和he電dian子zi遷qian移yi影ying響xiang，可ke以yi凸tu顯xian潛qian在zai的de問wen題ti並bing顯xian示shi是shi否fou需xu要yao額e外wai的de保bao護hu。考kao慮lv本ben文wen提ti出chu的de條tiao件jian可ke以yi讓rang設she計ji人ren員yuan作zuo出chu明ming智zhi選xuan擇ze
，避bi免mian在zai現xian場chang發fa生sheng魯lu棒bang性xing問wen題ti。

 

 

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