在眾多輸入不受系統(tǒng)控制且連接到外部世界的應(yīng)用場(chǎng)景中，如測(cè)試設(shè)備、儀器儀表以及部分傳感設(shè)備等，輸入電壓極有可能超過前端放大器的額定電壓。為確保設(shè)計(jì)的生存范圍和穩(wěn)健性，必須實(shí)施有效的保護(hù)方案。前端放大器內(nèi)部的 ESD 二極管有時(shí)可用于鉗位過壓條件，但要使其提供足夠且強(qiáng)大的保護(hù)，需要考慮諸多因素。了解前端放大器內(nèi)部的各種 ESD 二極管架構(gòu)，以及給定保護(hù)電路的熱和電遷移影響，有助于設(shè)計(jì)人員避免保護(hù)電路出現(xiàn)問題，提高其在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的使用壽命。

ESD 二極管配置

需要明確的是，并非所有 ESD 二極管都是連接到電源和接地的簡(jiǎn)單二極管鉗位，存在多種可能的實(shí)現(xiàn)方式，如串聯(lián)多個(gè)二極管、二極管和電阻器組合以及背對(duì)背二極管等。下面詳細(xì)介紹一些常見的實(shí)現(xiàn)方式。

二極管連接到電源

圖 1 展示了在輸入引腳和電源之間連接有二極管的放大器示例。在正常工作條件下，二極管處于反向偏置狀態(tài)，但當(dāng)輸入電壓上升到高于正電源電壓或低于負(fù)電源電壓時(shí)，二極管會(huì)變?yōu)檎蚱?。此時(shí)，電流會(huì)通過放大器的輸入流到相應(yīng)的電源。在圖 1 所示的電路中，當(dāng)過壓超過 +Vs 時(shí)，輸入電流本身不會(huì)受到放大器本身的限制，需要以串聯(lián)電阻器的形式進(jìn)行外部電流限制。當(dāng)電壓低于 –Vs 時(shí)，400Ω 電阻會(huì)提供一定的電流限制，這在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

圖 1:AD8221 的輸入 ESD 拓?fù)?/p>

圖 2 顯示了一個(gè)具有類似二極管配置的放大器，但此電路中電流受到內(nèi)部 2.2kΩ 串聯(lián)電阻的限制。與圖 1 所示電路的不同之處不僅在于限制電阻的值，而且 2.2kΩ 電阻可防止電壓高于 +Vs。這體現(xiàn)了使用 ESD 二極管時(shí)必須充分理解的復(fù)雜性，以優(yōu)化保護(hù)效果。

圖 2:AD8250 的輸入 ESD 拓?fù)?/p>

限流 JFET

與圖 1 和圖 2 中的實(shí)施方式相比，限流 JFET 可在 IC 設(shè)計(jì)中用作二極管鉗位的替代方案。圖 3 展示了一個(gè)示例，當(dāng)輸入電壓超過器件的指定工作范圍時(shí)，JFET 用于保護(hù)器件。該器件通過 JFET 輸入從相反的電源軌獲得高達(dá) 40V 的固有保護(hù)。由于 JFET 會(huì)限制進(jìn)入輸入引腳的電流，所以 ESD 單元不能用作額外的過壓保護(hù)。在需要高達(dá) 40V 的電壓保護(hù)時(shí)，該器件的 JFET 保護(hù)提供了一個(gè)控制良好、可靠、完全指定的保護(hù)選項(xiàng)，這與使用 ESD 二極管進(jìn)行保護(hù)形成對(duì)比，因?yàn)殛P(guān)于二極管電流限制的信息通常僅為典型信息，或者可能根本未指定。

圖 3:AD8226 的輸入保護(hù)方案

二極管堆棧

在允許輸入電壓超過電源電壓或接地的應(yīng)用中，可使用一組二極管來保護(hù)輸入免受 ESD 事件的影響。圖 4 顯示了一個(gè)實(shí)施堆疊二極管保護(hù)方案的放大器。在此配置中，二極管串用于防止出現(xiàn)負(fù)瞬態(tài)。二極管串用于限制可用輸入范圍內(nèi)的漏電流，但在超過負(fù)共模范圍時(shí)提供保護(hù)。需要注意的是，的電流限制是二極管串的等效串聯(lián)電阻。外部串聯(lián)電阻可用于降低給定電壓電平的輸入電流。

圖 4:AD8417 的低邊輸入保護(hù)方案

背對(duì)背二極管

當(dāng)輸入電壓范圍允許超過電源時(shí)，也會(huì)使用背對(duì)背二極管。圖 5 顯示了一個(gè)放大器，它采用背對(duì)背二極管為器件提供 ESD 保護(hù)，該器件允許使用 3.3V 電源提供高達(dá) 70V 的電壓。D4 和 D5 是高壓二極管，用于隔離輸入引腳上可能存在的高壓，D1 和 D2 用于在輸入電壓在正常工作范圍內(nèi)時(shí)防止漏電流。在這種配置中，不建議使用這些 ESD 單元進(jìn)行過壓保護(hù)，因?yàn)槌^高壓二極管的反向偏壓很容易導(dǎo)致性損壞。

圖 5:AD8418 的高端輸入保護(hù)方案

無 ESD 鉗位

某些設(shè)備在前端不包括 ESD 設(shè)備。雖然很明顯，如果 ESD 二極管不存在，設(shè)計(jì)人員就不能使用 ESD 二極管進(jìn)行鉗位，但在研究過壓保護(hù) (OVP) 選項(xiàng)時(shí)，提到這種架構(gòu)是需要注意的情況。圖 6 顯示了一個(gè)僅使用大值電阻器來保護(hù)放大器的設(shè)備。

圖 6:AD8479 的輸入保護(hù)方案

ESD 單元作為夾具

除了了解如何實(shí)施 ESD 單元之外，了解如何利用其結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)也很重要。在典型應(yīng)用中，串聯(lián)電阻用于限制指定電壓范圍內(nèi)的電流。當(dāng)放大器按圖 7 所示配置或輸入受電源二極管保護(hù)時(shí)，輸入電流將使用以下公式進(jìn)行限制。

圖 7: 使用 ESD 單元作為夾具

用于公式 1 的假設(shè)是 Vstress>Vsupply。如果不是這種情況，則應(yīng)測(cè)量更的二極管電壓并將其用于計(jì)算，而不是 0.7V 近似值。下面是一個(gè)計(jì)算示例，用于保護(hù)使用 +/-15V 電源的放大器，免受高達(dá) +/-120V 的輸入應(yīng)力，同時(shí)將輸入電流限制為 1mA。使用等式 1，我們可以使用這些輸入來計(jì)算所需的保護(hù)電阻。鑒于這些要求，Rprotection >105 kΩ 會(huì)將二極管電流限制為 <1 mA。

了解當(dāng)前的限制

Idiode 的值會(huì)因部件而異，并且還取決于施加應(yīng)力的特定應(yīng)用場(chǎng)景。對(duì)于持續(xù)幾毫秒的性事件，與在應(yīng)用程序的整個(gè) 20 年以上任務(wù)配置文件生命周期中不斷施加電流的情況相比，電流將有所不同。可以在值部分或應(yīng)用筆記的放大器數(shù)據(jù)表中找到有關(guān)特定值的指導(dǎo)，通常在 1mA - 10mA 的范圍內(nèi)。

故障模式

給定保護(hù)方案的額定電流終將受到兩個(gè)因素的限制，即二極管中耗散功率的熱影響和電流路徑的額定電流。功耗應(yīng)保持在一個(gè)閾值以下，以將工作溫度保持在有效范圍內(nèi)，并且應(yīng)選擇電流在指定的值內(nèi)，以避免由于電遷移引起的可靠性問題。

熱影響

當(dāng)電流流入 ESD 二極管時(shí)，由于二極管中的功耗會(huì)導(dǎo)致溫度升高。大多數(shù)放大器數(shù)據(jù)表都指定了一個(gè)熱阻（通常指定為 ? JA），該熱阻將指示結(jié)溫如何隨功率耗散而增加?？紤]壞情況下的應(yīng)用溫度，以及由于功耗導(dǎo)致的壞情況溫度升高，將表明保護(hù)電路的可行性。

電遷移

即使電流不會(huì)引起熱問題，二極管電流仍然會(huì)產(chǎn)生可靠性問題。由于電遷移，任何電信號(hào)路徑都有一個(gè)壽命電流額定值。二極管電流路徑的電遷移電流限制通常受與二極管串聯(lián)的內(nèi)部走線厚度的限制。此信息并不總是針對(duì)放大器發(fā)布，但如果二極管長(zhǎng)時(shí)間處于活動(dòng)狀態(tài)，而不是瞬態(tài)事件，則需要考慮。電遷移可能成為問題的一個(gè)例子是當(dāng)放大器正在監(jiān)控并因此連接到獨(dú)立于其自身電源軌的電壓軌時(shí)。當(dāng)有多個(gè)電源域時(shí)，電源排序可能會(huì)導(dǎo)致電壓暫時(shí)超過條件。通過考慮壞情況下的電流路徑、該電流在整個(gè)生命周期內(nèi)可能處于活動(dòng)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，并了解電遷移的允許電流，可以避免由于電遷移引起的可靠性問題。