了解的有關(guān)集成電路內(nèi)部 ESD 保護(hù)的知識

我使用的大多數(shù)集成電路都對靜電放電 (ESD) 敏感。盡管我們的工程師非常小心，但要完全消除靜電幾乎是不可能的。半導(dǎo)體制造商增加了芯片保護(hù)，以使他們的設(shè)備更能抵抗雜散電場和電流，但他們的數(shù)據(jù)表沒有明確說明保護(hù)措施的確切性質(zhì)。因此，在這篇文章中，我將介紹一些用于 ESD 保護(hù)的更常用方法，以及這些方法對電路施加的限制。我將以全差分放大器(FDA) 為例。運(yùn)算放大器將使用相同的 ESD 結(jié)構(gòu)，但它們只有一個(gè)輸出引腳。

對于大多數(shù)半導(dǎo)體器件，電源電壓代表芯片上存在的最大和最小電壓電位。即使不是這種情況，使用電源作為從設(shè)備中轉(zhuǎn)移有害電流或電位的主要手段仍然是正常的。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)絕對的最大電源電壓，它可以在損壞之前承受該電壓。在 ESD 事件中，電源電壓不要變得太大，這一點(diǎn)很重要。除了片上 ESD 保護(hù)電路之外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還具有提供電源旁路的電容器。這些電容器可以通過吸收瞬態(tài)電壓尖峰在 ESD 事件期間提供很多好處。但它們只有在芯片焊接到電路板上后才有用，因此電源引腳之間仍然必須有一些片上 ESD 保護(hù)。

在電源引腳之間使用的最常見的 ESD 保護(hù)形式是電壓鉗位。有兩種主要方法用于激活這些夾子。第一個(gè)是基于電壓的閾值，其中任何超過預(yù)定電壓閾值的電壓都會(huì)觸發(fā)鉗位。需要注意的是，這些鉗位通常設(shè)置為遠(yuǎn)高于規(guī)定的絕對最大電源電壓的電壓。因此，器件電源上的過壓情況可能會(huì)在 ESD 保護(hù)啟動(dòng)之前損壞器件。

另一種 ESD 電源鉗位設(shè)置為根據(jù)電源電壓的時(shí)間變化率 (dV/dt) 觸發(fā)。典型的 ESD 事件的 dV/dt 為每納秒數(shù)伏特——遠(yuǎn)高于器件上電時(shí)的值。同樣，這種鉗位不能防止靜態(tài)過壓情況，例如由電源尖峰或施加錯(cuò)誤的電源電壓引起的情況。

圖 1：FDA 的典型 ESD 保護(hù)結(jié)構(gòu)

對于圖 1 中所示的器件，為輸入和輸出引腳提供適當(dāng)工作電壓的方程式如下所示。  

(1)

這些方程式將有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)或調(diào)試。

輸出引腳的 ESD 保護(hù)通常由連接到電源的二極管組成，如圖 1 所示。這些二極管將 ESD 能量傳導(dǎo)到電源中，并被鉗位或片外旁路電容器和電源吸收規(guī)定。對于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，器件輸出引腳上的 ESD 保護(hù)不是問題，因?yàn)槠骷ǔo法將輸入或輸出引腳驅(qū)動(dòng)到存在 ESD 保護(hù)問題的狀態(tài)。然而，當(dāng)器件被禁用或沒有施加電源電壓時(shí)，另一個(gè)系統(tǒng)組件可能會(huì)強(qiáng)制輸出引腳進(jìn)入 ESD 二極管將為電流流入電源提供路徑的狀態(tài)。

與輸出引腳一樣，輸入引腳通常由連接到電源的二極管保護(hù)。此外，許多差分輸入設(shè)備的引腳之間會(huì)有額外的保護(hù)二極管。輸入引腳的主要問題之一發(fā)生在設(shè)備沒有向電源引腳（V+ 和 V-）供電，但有電壓施加到輸入引腳時(shí)。如果施加到輸入引腳的正電壓足夠大，它可以流過 ESD 二極管，成為器件的幻象電源。在這種情況下，設(shè)備行為可能會(huì)變得非常不穩(wěn)定，因?yàn)樗芸赡苤粫?huì)在很短的時(shí)間內(nèi)弱啟動(dòng)。弱啟用放大器的常見癥狀是器件輸出引腳上出現(xiàn)整流脈沖。解決這種情況的一種方法是選擇具有斷電選項(xiàng)的設(shè)備。

當(dāng)設(shè)備沒有電源或處于禁用狀態(tài)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)輸入引腳的另一個(gè)常見問題。請注意，在圖 1 中，輸入引腳之間連接了一系列堆疊二極管。當(dāng)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，這些引腳應(yīng)具有相同的電壓，因此它們之間不會(huì)有電流流動(dòng)。當(dāng)器件被禁用時(shí)，輸入現(xiàn)在處于浮動(dòng)狀態(tài)，直到電壓電位超過二極管壓降（通常每個(gè)二極管為 0.5V）。在示例電路中，該電壓約為 1.0V。如果系統(tǒng)電路試圖向這些引腳施加超過 1.2V 的差分電壓，則可能會(huì)出現(xiàn)問題。這可能是多路復(fù)用器電路中的情況，其中多個(gè)設(shè)備連接到單個(gè)信號源，但一次只有一個(gè)設(shè)備處于活動(dòng)狀態(tài)。在這種情況下，

ESD 二極管設(shè)計(jì)用于處理電流，但只能處理一微秒或更短的時(shí)間。如果數(shù)據(jù)表不包括規(guī)格，典型的 ESD 二極管可以處理多少電流？一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是將通過 ESD 二極管的連續(xù)電流限制在 10mA 以下。

了解 ESD 保護(hù)如何影響電路運(yùn)行有助于設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)。設(shè)計(jì)復(fù)雜電路時(shí)，請牢記公式 1 中的限制。