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(bu)ESD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20nianhuogengduonianderenwushoumingzhongchixushijiadianliu，qizuidadianliujianghuibutong。jutizhidaozhikezaifangdaqishujushoucedejueduizuidazhibufenhuoyingyongbijizhongzhaodao，tongchangzai1 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

 

jishidianliubuyinqirewenti，erjiguandianliuyekenengzaochengkekaoxingwenti。youyudianziqianyi，renhedianqixinhaolujingdouyouyigezuidashoumingdianliuedingzhi。erjiguandianliulujingdedianziqianyidianliuxianzhitongchangshouyuerjiguanchuanliandeneibuzouxiandehouduxianzhi。fangdaqizhizaoshangbuyidinghuifabucixinxi，danruoerjiguanchangshijiangongzuo（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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