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详解前端放大器内部的不同ESD二极管架构 当放大器发生外部过压状况时，ESD二极管是放大器与过电应力之间的防线正确理解ESD单元在一个器件中是如何实现的，设计人员就能通过适当的电路设计大大扩展放大器的生存范围本文旨在向读者介绍各种类型的ESD实现方案，争论每种方案的特点，并就如何利用这些单元来提高设计鲁棒性供应指南 引言 有很多应用的输入不受系统掌握，而是连接到外部世界，例如测试设备、仪器仪表和某些检测设备对于此类应用，输入电压可能会超过前端放大器的额定电压，因而必需采纳爱护方案来维持设计的使用范围和鲁棒性前端放大器的内部ESD二极管有时会用来箝位过压状况，但为了确保这种箝位能够供应充分牢靠的爱护，需要考虑很多因素了解前端放大器内部的不同ESD二极管架构，以及详细爱护电路的热影响和电子迁移影响，有助于设计人员解决爱护电路相关的问题，并提高其在现场的使用寿命 ESD二极管配置 应当明白，并非全部ESD二极管都是连接到电源和地的简洁二极管箝位有很多可能的方案可以采纳，例如：多个二极管串联、二极管和电阻、背靠背二极管等下面介绍一些较为常见的方案 连接到电源的二极管 图1显示了一个放大器实例，二极管连接在输入引脚和电源之间。

在正常工作条件下，二极管反偏，但当输入高于正电源电压或低于负电源电压时，二极管变为正偏当二极管变为正偏时，电流经过放大器的输入端流至相应的电源 对于图1所示电路，当过压超过+Vs时，放大器本身不会限制输入电流，需要外部增加串联电阻来限流当电压低于–Vs时，400 Ω电阻会起到肯定的限流作用，设计时应当纳入考虑中 图1. AD8221的输入ESD拓扑结构 图2显示了一个具有相像二极管配置的放大器，但在本例中，电流受内部2.2 kΩ串联电阻的限制它与图1所示电路的区分不仅在于限流电阻R的值，还在于2.2 kΩ可爱护电路不受+Vs以上电压的影响这个例子简单难懂，务必充分了解以便在使用ESD二极管时优化爱护 图2. AD8250的输入ESD拓扑结构 限流JFET 与图1和图2中的方案不同，IC设计可以使用限流JFET代替二极管箝位图3显示了一个例子，当输入电压超过器件的额定工作范围时，JFET被用来爱护器件JFET输入使该器件自身就能耐受相反供电轨的40 V电压由于JFET会限制流入输入引脚的电流，因此ESD单元无法用作额外的过压爱护 当需要40 V的电压爱护时，此器件的JFET爱护可供应严格受控的、牢靠的、完全明确的爱护方案。

这经常与使用ESD二极管的爱护方案相反，后者关于二极管限流的信息经常指定典型值，甚至完全不明确 图3. AD8226的输入爱护方案 二极管堆叠 在允许输入电压超过电源电压或地的应用中，可以使用二极管堆叠来防止输入受ESD大事的影响图4所示的放大器就是采纳堆叠二极管爱护方案该配置使用二极管串来防范负瞬变在可用输入范围内，二极管串用于限制漏电流，但当超过负共模范围时，它就会供应爱护记住，二极管串的等效串联电阻是的限流措施对于给定电压，可使用外部串联电阻来降低输入电流 图4. AD8417的低端输入爱护方案 背靠背二极管 当允许输入电压范围超过电源电压时，也可使用背靠背二极管图5所示的放大器采纳背靠背二极管来为器件供应ESD爱护，采纳3.3 V电源供电时，其允许电压达到70 VD4和D5是高压二极管，用于应对输入引脚上可能存在的高电压；当输入电压在正常工作范围以内时，D1和D2用于防止漏电流在这种配置中，不建议使用这些ESD单元来供应过压爱护，由于若超过高压二极管的反偏电压，很简单造成器件损坏 图5. AD8418的高端输入爱护方案 无ESD箝位 某些器件的前端没有ESD器件。

很明显，假如没有ESD二极管，设计人员当然无法将其用于箝位之所以提到这种架构，是由于在讨论过压爱护 (OVP) 时，需要留意这种状况图6所示的器件仅使用大阻值电阻爱护放大器 图6. AD8479的输入爱护方案 ESD单元用于箝位 除了解ESD单元如何实现之外，还必需知道如何利用这些结构供应爱护典型应用使用串联电阻来限制额定电压范围内的电流 当放大器配置为图7所示时，或者输入受连接到电源的二极管爱护时，输入电流限值可利用以下公式计算 图7. ESD单元用于箝位 公式1用到一个假设，即VSTRESS VSUPPLY若非如此，应测得更的二极管电压并将其用于计算，而不要使用0.7 V的近似值 下面是一个计算实例，其中放大器采纳±15 V电源供电，要防范的输入过压高达±120 V，输入电流限制在1 mA依据公式1，我们可以使用这些输入进行计算： 依据上述要求，RPROTECTION 105 kΩ可将二极管电流限制在 1 mA以下 了解限流 IDIODE值随器件而不同，它还取决于施加过压的特定应用情形持续数毫秒的性大事，与在应用的全部20年或更多年的任务寿命中持续施加电流，其电流将会不同。

详细指导值可在放大器数据手册的值部分或应用笔记中找到，通常在1 mA至10 mA范围内 故障模式 详细爱护方案的电流额定值终要受两个因素的限制： 二极管功耗的热影响和电流路径的电流额定值功耗应保持在阈值以下，使工作温度始终处于有效范围；所选电流应在额定值范围内，以免电子迁移引起牢靠性问题 热影响 当电流流入ESD二极管时，二极管的功耗会引起温度上升多数放大器数据手册指定了热阻（通常指定?JA），它显示了结温升幅与功耗的关系考虑差状况下的应用温度，以及功耗引起的坏温度升幅，可以推断爱护电路是否有效 电子迁移 即使电流不引起热问题，二极管电流也可能造成牢靠性问题由于电子迁移，任何电气信号路径都有一个寿命电流额定值二极管电流路径的电子迁移电流限值通常受与二极管串联的内部走线的厚度限制放大器制造商不肯定会发布此信息，但若二极管长时间工作（而不是工作很短时间），就需要予以考虑 举个例子，当放大器监控（因而连接到）一个独立于其自身供电轨的电压轨时，电子迁移便可能是一个问题当存在多个电源域时，可能会发生因电源时序问题而引起电压临时超过条件的状况考虑差状况下的电流路径和在整个使用寿命中以此电流工作的持续时间，并了解电子迁移的允许电流，便可避开电子迁移引起牢靠性问题。

结论 了解放大器内部ESD二极管如何在过电应力期间激活，有助于轻松提高设计的鲁棒性讨论爱护电路的热影响和电子迁移影响，可以凸显潜在的问题并显示是否需要额外的爱护考虑本文提出的条件可以让设计人员作出明智选择，避开在现场发生鲁棒性问题 忰 14Word版本。