作者：Paul Blanchard和Brian Pelletier

當對放大器施加外部過壓條件時，ESD二極管是放大器和電氣過應力之間的最后一道防線。通過正確了解ESD單元在器件中的實現方式，設計人員可以通過適當的電路設計大大擴展放大器的生存范圍。本文旨在向讀者介紹各種類型的ESD實現，討論每種實現的特性，并就如何利用這些單元來提高設計的魯棒性提供指導。

介紹

在許多輸入不受系統控制而是連接到外部世界的應用中，例如測試設備、儀器儀表和一些檢測設備，輸入電壓可能會超過前端放大器的最大額定電壓。在這些應用中，必須實施保護方案，以保持設計的生存范圍和魯棒性。前端放大器的內部ESD二極管有時用于箝位過壓條件，但需要考慮許多因素，以確保這些箝位提供充分和可靠的保護。了解前端放大器內部的各種ESD二極管架構，以及給定保護電路的熱和電遷移影響，可以幫助設計人員避免保護電路出現問題，并延長現場應用的使用壽命。

靜電放電二極管配置

重要的是要了解，并非所有ESD二極管都是簡單的二極管箝位到電源和地。可以使用許多可能的實現方案，例如串聯多個二極管、二極管和電阻以及背靠背二極管。下面詳細介紹了一些更常見的實現。

連接到電源的二極管

圖1所示為在輸入引腳和電源之間連接二極管的放大器示例。二極管在正常工作條件下反向偏置，但當輸入上升到正電源電壓以上或低于負電源電壓時，二極管會變?yōu)檎蚱谩．敹O管正向偏置時，電流通過放大器的輸入流向相應的電源。

在圖1電路中，當過壓高于+V時，輸入電流本身不受放大器本身的限制。S，并且需要串聯電阻形式的外部電流限制。當電壓低于 –V 時S400 Ω電阻提供一些電流限制，任何設計考慮因素都應考慮到這一點。

圖1.AD8221的輸入ESD拓撲。

圖2所示為具有類似二極管配置的放大器，但在本例中，電流受內部2.2 kΩ串聯電阻的限制。這與圖1所示電路的不同之處不僅在于限值R值，還在于2.2 kΩ可防止高于+V的電壓S.這是在使用ESD二極管時必須充分了解以優(yōu)化保護的復雜性的一個例子。

圖2.AD8250的輸入ESD拓撲。

限流型JFET

與圖1和圖2中的實現方式相反，限流JFET可用于IC設計，作為二極管箝位的替代方法。圖3顯示了一個示例，當輸入電壓超過器件的指定工作范圍時，使用JFET來保護器件。該器件固有地通過JFET輸入從相反的電源軌保護高達40 V。由于JFET將限制進入輸入引腳的電流，因此ESD電池不能用作額外的過壓保護。

當需要高達 40 V 的電壓保護時，該器件的 JFET 保護提供了控制良好、可靠且完全指定的保護選項。這通常與使用ESD二極管進行保護形成對比，后者通常將二極管電流限值的信息指定為典型值，或者可能根本沒有指定。

圖3.AD8226的輸入保護方案

二極管組

在允許輸入電壓超過電源電壓或地的應用中，可以使用二極管堆棧來保護輸入免受ESD事件的影響。圖4所示為采用堆疊二極管保護方案的放大器。在這種配置中，二極管串用于防止負瞬變。二極管串用于限制可用輸入范圍內的漏電流，但在超過負共模范圍時提供保護。請記住，唯一的電流限制是二極管串的等效串聯電阻。一個外部串聯電阻可用于降低給定電壓電平下的輸入電流。

圖4.AD8417的低側輸入保護方案

背靠背二極管

當允許輸入電壓范圍超過電源時，也使用背靠背二極管。圖4所示為一個放大器，該放大器采用背靠背二極管，在器件上提供ESD保護，采用3.3 V電源時允許電壓高達70 V。D4 和 D5 是高壓二極管，用于隔離輸入引腳上可能存在的高電壓，D1 和 D2 用于在輸入電壓在正常工作范圍內時防止漏電流。在這種配置中，不建議使用這些ESD單元進行過壓保護，因為超過高壓二極管的最大反向偏置很容易導致造成永久性損壞的情況。

圖5.AD8418的高邊輸入保護方案

無靜電放電鉗位

某些設備在前端不包括 ESD 設備。雖然很明顯，如果沒有ESD二極管，設計人員就不能使用ESD二極管進行箝位，但在研究過壓保護（OVP）選項時，這種架構是需要注意的情況。圖6所示器件僅使用大阻值電阻來保護放大器。

圖6.AD8479的輸入保護方案

ESD 單元作為鉗位

除了了解如何實現ESD單元外，了解如何利用結構進行保護也很重要。在典型應用中，串聯電阻用于限制指定電壓范圍內的電流。

當放大器配置如圖7所示或輸入由電源二極管保護時，使用下式限制輸入電流。

圖7.使用ESD單元作為夾具。

用于公式1的假設是V強調> V供應.如果不是這種情況，則應測量并使用更精確的二極管電壓進行計算，而不是0.7 V近似值。

下面是一個計算示例，用于保護使用± 15 V電源的放大器免受高達± 120 V的輸入應力的影響，同時將輸入電流限制為1 mA。使用公式1，我們可以使用這些輸入來計算以下內容。

鑒于這些要求，R保護>105 kΩ時，二極管電流將限制在<1 mA。

了解當前的限制

I 的最大值二極管將因零件而異，并且還取決于施加應力的特定應用場景。對于持續(xù)幾毫秒的一次性事件，最大電流將與在應用的整個 20 年或更長時間的任務配置文件生命周期中持續(xù)施加電流的情況不同。有關特定值的指導可在放大器數據手冊的絕對最大值部分或應用筆記中找到，通常在1 mA至10 mA范圍內。

故障模式

給定保護方案的最大額定電流最終將受到兩個因素的限制：二極管中功耗的熱影響和電流路徑的最大額定電流。功耗應保持在將工作溫度保持在有效范圍內的閾值以下，并且應選擇電流在規(guī)定的最大值內，以避免由于電遷移而導致的可靠性問題。

熱影響

當電流流入ESD二極管時，由于二極管中的功率耗散，溫度會升高。大多數放大器數據手冊都指定了熱阻（通常指定為 T?賈），這將指示結溫如何隨功率耗散而升高。考慮最壞情況下的應用溫度，以及由于功耗引起的最壞情況溫度升高，將指示保護電路的可行性。

電遷移

即使電流不會導致熱問題，二極管電流仍然可能產生可靠性問題。由于電遷移，任何電信號路徑都有最大壽命電流額定值。二極管電流路徑的電遷移電流限值通常受與二極管串聯的內部走線厚度的限制。對于放大器，此信息并不總是公開，但如果二極管長時間處于活動狀態(tài)，而不是瞬態(tài)事件，則需要考慮此信息。

電遷移可能成為問題的一個例子是，當放大器監(jiān)控并因此連接到獨立于其自身電源軌的電壓軌時。當存在多個電源域時，電源排序可能導致電壓暫時超過絕對最大條件。通過考慮最壞情況下的電流路徑，該電流在使用壽命期間可能處于活動狀態(tài)的持續(xù)時間，并了解電遷移的最大允許電流，可以避免由于電遷移引起的可靠性問題。

結論

了解放大器的內部ESD二極管在電氣過應力事件期間如何激活，可以簡單地提高設計的魯棒性。檢查保護電路的熱和電遷移影響可以突出潛在問題，并指出可能需要額外保護的地方。考慮此處概述的條件使設計人員能夠做出明智的選擇，并避免現場潛在的魯棒性問題。

審核編輯：郭婷