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1xianshileyigefangdaqishili，erjiguanlianjiezaishuruyinjiaohedianyuanzhijian。zaizhengchanggongzuotiaojianxia

，erjiguanfanpian，dandangshurugaoyuzhengdianyuandianyahuodiyufudianyuandianyashi，erjiguanbianweizhengpian。dangerjiguanbianweizhengpianshi
，dianliujingguofangdaqideshuruduanliuzhixiangyingdedianyuan。

 

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4所suo示shi的de放fang大da器qi就jiu是shi采cai用yong堆dui疊die二er極ji管guan保bao護hu方fang案an。該gai配pei置zhi使shi用yong二er極ji管guan串chuan來lai防fang範fan負fu瞬shun變bian。在zai可ke用yong輸shu入ru範fan圍wei內nei


，二er極ji管guan串chuan用yong於yu限xian製zhi漏lou電dian流liu
，但dan當dang超chao過guo負fu共gong模mo範fan圍wei時shi
，它ta就jiu會hui提ti供gong保bao護hu。記ji住zhu，二er極ji管guan串chuan的de等deng效xiao串chuan聯lian電dian阻zu是shi唯wei一yi的de限xian流liu措cuo施shi。對dui於yu給gei定ding電dian壓ya，可ke使shi用yong外wai部bu串chuan聯lian電dian阻zu來lai降jiang低di輸shu入ru電dian流liu。

 

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）一yi個ge獨du立li於yu其qi自zi身shen供gong電dian軌gui的de電dian壓ya軌gui時shi，電dian子zi遷qian移yi便bian可ke能neng是shi一yi個ge問wen題ti。當dang存cun在zai多duo個ge電dian源yuan域yu時shi，可ke能neng會hui發fa生sheng因yin電dian源yuan時shi序xu問wen題ti而er引yin起qi電dian壓ya暫zan時shi超chao過guo絕jue對dui最zui大da條tiao件jian的de情qing況kuang。考kao慮lv最zui差cha情qing況kuang下xia的de電dian流liu路lu徑jing和he在zai整zheng個ge使shi用yong壽shou命ming中zhong以yi此ci電dian流liu工gong作zuo的de持chi續xu時shi間jian，並bing了le解jie電dian子zi遷qian移yi的de最zui大da允yun許xu電dian流liu，便bian可ke避bi免mian電dian子zi遷qian移yi引yin起qi可ke靠kao性xing問wen題ti。

 

結論

 

了解放大器內部ESDerjiguanruhezaiguodianyingliqijianjihuo，youzhuyuqingsongtigaoshejidelubangxing。yanjiubaohudianludereyingxianghedianziqianyiyingxiang，keyituxianqianzaidewentibingxianshishifouxuyaoewaidebaohu。kaolvbenwentichudetiaojiankeyirangshejirenyuanzuochumingzhixuanze，bimianzaixianchangfashenglubangxingwenti。

 

 

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