对高阻抗缓冲放大器的输入实现ESD保护

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ESD器件防护原理

一、ESD器件的主要性能参数 (2)二、TVS管(硅半导体) (2)三、压敏电阻(MLV/MOV) (3)四、TVS管和压敏电阻应用场合 (4)这里介绍手机中比较常用的TVS管和压敏电阻。

一、ESD器件的主要性能参数1、最大工作电压(Max Working Voltage)允许长期连续施加在ESD保护器件两端的电压(有效值)，在此工作状态下ESD器件不导通，保持高阻状态，反向漏电流很小。

2、击穿电压(Breakdown Voltage)ESD器件开始动作(导通)的电压。

一般地，TVS管动作电压比压敏电阻低。

3、钳位电压(Clamping Voltage)ESD器件流过峰值电流时，其两端呈现的电压，超过此电压，可能造成ESD永久性损伤。

4、漏电流(Leakage Current)在指定的直流电压(一般指不超过最大工作电压)的作用下，流过ESD器件的电流。

一般地，TVS管的反向漏电流是nA级，压敏电阻漏电流是μA级，此电流越小，对保护电路影响越小。

5、电容(Capacitance)在给定电压、频率条件下测得的值，此值越小，对保护电路的信号传输影响越小。

比如硅半导体TVS管的结电容(pF级)，压敏电阻的寄生电容(nF级)6、响应时间(Response Time)指ESD器件对输入的大电压钳制到预定电压的时间。

一般地，TVS管的响应时间是ns级，压敏电阻是μs级，此时间越小，更能有效的保护电路中元器件。

7、寿命(ESD Pulse Withstanding)TVS技术利用的是半导体的钳位原理，在经受瞬时高压时，会立即将能量释放出去，基本上没有寿命限制；而压敏电阻采用的是物理吸收原理，因此每经过一次ESD事件，材料就会受到一定的物理损伤，形成无法恢复的漏电通道，会随着使用次数的增多性能下降，存在寿命限制。

二、TVS管(硅半导体)瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor）简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件，利用P-N 结的反向击穿工作原理，将静电的高压脉冲导入地，从而保护了电器内部对静电敏感的元件。

ADC输入级(缓冲器)问题与ESD

实例：/Analogpassive/20070506040237.htm /Analogpassive/200705201038441.htm /Analogpassive/200710271212531.htm当开关设在位置1时，采样电容器被充电至采样节点的电压(在该例中为VS)，然后开关切换至位置2，此时采样电容器上累积的电荷被转移至采样电路的其它部分。

这一过程不断反复。

上述不带缓冲器的开关电容器输入可引起严重的系统级问题。

例如，将采样电容器充电到适当电压所需的电流必须由连接到模数转换器输入端的外部电路提供。

当电容器切换到采样节点(图1中的开关位置1)时，对电容器进行充电需要大电流。

这一瞬态电流的大小是采样电容器容值、电容开关频率和采样节点电压的函数。

这个开关电流由下式表示：Iin=CVf其中，C为采样电容器的电容值，V为采样节点上的电压(本例中用VS表示)，f为采样开关进行开关操作的频率。

这个开关电流会在采样节点产生较高的电流尖峰(图1)。

当设计模数转换器前端的模拟电路时，必须考虑这个开关电流的影响。

由于该电流可以通过任何电阻，所以将产生压降，在模数转换器的采样节点处产生电压误差。

如果转换器的输入端有高阻抗传感器或高阻抗滤波器相连，那么这个误差将非常大。

例如，假设电阻器被放置在模数转换器的前端，以隔离传感器并增强静电放电(ESD)保护功能(图2)。

在本例中，采样电容器的容值为10pF，开关频率为1MHz。

利用上式计算可得，瞬态电流约为25?A。

当这个瞬态电流通过10k?的电阻器时，采样节点上将会产生250mV 的电压误差。

由于采样节点可能被安排在下一个采样周期之前，因此这是最差情况下的近似值。

该建立时间取决于由10kΩ电阻器和采样电容器构成的RC时间常数，以及模数转换器输入端的寄生电容。

寄生电容可能是由模数转换器的导线、电路板上的走线长度以及内部MOS开关电容造成的。

此外，可能需要一个外部缓冲器电路来提供必需电流，并确保采样节点能被正确设置，从而保持转换器的线性特性。

完整ESD及EMI保护方案

完整ESD及EMI保护方案对于电子产品而言，保护电路是为了防止电路中的关键敏感型器件受到过流、过压、过热等冲击的损害.保护电路的优劣对电子产品的质量和寿命至关重要。

随着消费类电子产品需求的持续增长，更要求有强固的静电放电(ESD）保护，同时还要减少不必要的电磁干扰（EMI）/射频干扰（RFI）噪声.此外,消费者希望最新款的消费电子产品可以用小尺寸设备满足越来越高的下载和带宽能力.随着设备的越来越小和融入性能的不断增加，ESD以及许多情况下的EMI/RFI抑制已无法涵盖在驱动所需接口的新一代IC当中。

另外，先进的系统级芯片（SoC)设计都是采用几何尺寸很小的工艺制造的。

为了优化功能和芯片尺寸，IC设计人员一直在不断减少其设计的功能的最小尺寸.IC尺寸的缩小导致器件更容易受到ESD电压的损害。

过去，设计人员只要选择符合IEC61000—4—2规范的一个保护产品就足够了。

因此，大多数保护产品的数据表只包括符合评级要求.由于集成电路变得越来越敏感,较新的设计都有保护元件来满足标准评级，但ESD冲击仍会形成过高的电压，有可能损坏IC。

因此，设计人员必须选择一个或几个保护产品,不仅要符合ESD脉冲要求，而且也可以将ESD冲击钳位到足够低的电压，以确保IC得到保护。

图1：美国静电放电协会（ESDA）的ESD保护要求先进技术实现强大ESD保护安森美半导体的ESD钳位性能备受业界推崇，钳位性能可从几种方法观察和量化.使用几个标准工具即可测量独立ESD保护器件或集成器件的ESD钳位能力，包括ESD保护功能。

第一个工具是ESD IEC61000—4—2 ESD脉冲响应截图,显示的是随时间推移的钳位电压响应，可以看出ESD事件中下游器件的情形。

图2:ESD钳钳位截图除了ESD钳位屏幕截图，另一种方法是测量传输线路脉冲（TLP)来评估ESD钳位性能.由于ESD事件是一个很短的瞬态脉冲，TLP可以测量电流与电压(I—V）数据，其中每个数据点都是从短方脉冲获得的.TLP I—V曲线和参数可以用来比较不同TVS器件的属性,也可用于预测电路的ESD钳位性能.图3:典型TLP I-V曲线图安森美半导体提供的高速接口ESD保护保护器件阵容有两种类型。

用于高速接口的片外ESD保护

U SB电缆连接在过去十年中无处不在，而数据速率不断提高。

SuperSpeed USB主控制器IC对静电放电非常敏感。

由于最终用户在非静电保护环境中连接电缆，系统供应商需要高水平的ESD稳健性，通常根据IEC 61000-4-2 [1]，接触放电高达15kV。

多年来，连接的速度要求稳步提高，高达10 Gbps（USB3.1）及以上（HDMI2.0）。

这意味着系统级保护不仅应确保良好的ESD保护，还应确保高信号完整性，这限制了可用的电容预算。

通常，假设最大电容约为0.25 pF [2]。

进一步的要求是在15kV下具有7V的非常低的钳位电压，以便保护高速SoC，其不允许保护和SoC之间的高隔离阻抗。

这需要低回弹电压并将保护的动态电阻限制在约0.3Ω。

本文介绍了满足所有要求的独立（片外）保护器件的设计。

该器件的概念基于半导体控制整流器（SCR），由于其每个区域具有出色的ESD性能和低钳位电压，因此长期以来一直被用作ESD保护。

由于SCR通常具有高触发电压，因此必须添加某种低压触发以允许在足够低的电压下触发。

所使用的整体概念非常类似于低压触发SCR（LVTSCR）[3,4]，不同之处在于低压触发不是通过ggMOST实现的，而是通过雪崩二极管实现的。

该装置的横截面如图1 所示（最佳）。

替换图如图1所示（底部）。

为了减小由nwell和低掺杂p-sub结确定的高触发电压Vt1，增加了额外的p型触发扩散pt。

图1：SCR横截面（顶部）。

替换图和IV曲线（底部）。

Vt1'是低压Vt1。

在过去几年中已经报告了片上SCR IO保护，或者针对典型HBM电流水平下的低电容进行了优化[5]，由二极管串[6]触发，或者采用超快触发[7]。

为了满足本文所述的独立系统级保护的设计参数，特别是高电流能力（通常为30 A TLP）和超低电容（0.25 pF）的组合，一种新颖的双极性开发了工艺技术。

流程开发得到了广泛的模拟工作的支持。

esd保护器件和电路保护原理

esd保护器件和电路保护原理电子设备在日常使用和维护过程中，往往会遇到静电放电（ESD）的问题。

由于ESD的高能量特性，如果不加以有效的保护措施，会对设备的电路产生严重破坏。

因此，ESD保护器件和电路保护原理成为了电子设备设计中重要的考虑因素之一。

一、ESD保护器件为了有效地保护电子设备免受ESD的危害，研发出了各种ESD保护器件。

这些器件通常是使用低电阻材料和特殊的设计来吸收或分散ESD所带来的能量，从而保护设备电路的完整性。

以下介绍几种常见的ESD保护器件。

1. 二极管二极管是一种常用的ESD保护器件。

它可以承受较高的电压，并具有快速响应的特性。

当输入电压超过二极管的正向电压阈值时，二极管开始导通电流，从而分散和吸收ESD能量。

由于其简单性和有效性，二极管被广泛应用于各种电子设备中。

2. 金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）MOSFET是另一种常见的ESD保护器件。

它具有低电阻和高响应速度的特点，能够有效地吸收和分散ESD的能量。

MOSFET通常用于高速信号线的保护，如USB接口和以太网端口。

3. 电磁继电器电磁继电器是一种特殊的ESD保护器件，主要用于对电路进行隔离和保护。

它通过电磁感应原理来控制电路的开关状态，从而保护设备免受ESD损害。

电磁继电器常用于高压和高功率电路的保护。

二、电路保护原理除了使用ESD保护器件外，设计合理的电路保护方案也是预防ESD引起的损害的重要手段。

下面介绍几种常见的电路保护原理。

1. 地线设计良好的地线设计可以有效地减少ESD放电路径上的电阻和电压。

将设备的地线与ESD保护器件连接，可以将ESD的能量引流到地线上，从而保护电路不受损害。

地线还可以起到隔离和屏蔽的作用，避免外部ESD对设备的影响。

2. 前端过滤器在电子设备的输入端加入前端过滤器可以有效地降低外部ESD噪声对电路的影响。

前端过滤器通常采用滤波器和瞬态电压抑制器，用于滤除高频噪声和抑制ESD波形。

芯片IO缓冲器和ESD设计

芯片I/O缓冲及ESD电路设计摘要：文章详细介绍了基于C MOS的芯片I/O缓冲电路分类，功能，电路及版图设计的一些考虑以及芯片引脚的静电保护问题。

关键词：I/O；缓冲电路；静电保护；CMOS针对引脚的输入输出缓冲（I/O buffer）电路设计，也可以称为输入输出接口（I/O interface）电路设计，是一颗完整芯片设计中不可或缺的组成部分，但是详细论述其设计规则的文章或者著作在国内却比较鲜见，这对初学者或者没有这方面经验的工程师无疑会造成困惑。

本文以CMOS工艺为例，较全面的论述I/O缓冲电路设计中各种考虑，可以作为芯片引脚输入输出电路设计的一个参考。

根据I/O缓冲电路应用目标的不同，可将其分为输入、输出等几类，详见表1。

表1 I/O缓冲电路的分类输出缓冲（是个大驱动器，他将信号输出芯片）输出缓冲电路的功能要求能够驱动大的片外负载，通常为2～50pF，并且提供适当的上升/下降时间。

一组连续的大尺寸的缓冲器（buffer）对驱动能力的提高是有益的。

大尺寸的管子容易受闩锁效应(latch-up)的影响，在版图设计时建议采用保护环(Guardrings)保护以避免闩锁效应，如图1-1所示。

在图中，用P+作为内保护环，而N+作为外保护环(In n-well)。

图1-1缓冲器一种常见的输出电路如图1-2所示，En是输出电路的使能信号，Dout是输出数据，MOS管组合的功能如图中所示。

当En为低而Dout有效时，A、B均为高电平，输出Y为低，且由外向里看为高阻抗状态，如果Dout未定，则Y为高阻。

需要注意的是，最后输出级的管子尺寸要大到能够提供足够的电流源或电流沉并且减少延迟时间。

其负面影响是电流变化率（di/dt）变大而使穿过输出点到封装的压焊线上的L（di/dt）噪声增大，从而导致较大的片上噪声。

图1-2常用的输出缓冲电路在高性能的芯片中，如32位的微处理器，如果多个I/O输出驱动电路工作状态相似时，L(di/dt)噪声可能逐步增强，会影响芯片速度。

深亚微米集成电路中的ESD保护问题

深亚微米集成电路中的ESD保护问题深亚微米集成电路中的ESD保护问题王勇，李兴鸿（北京微电子技术研究所，北京100076）摘要：本文对深亚微米工艺所引起的集成电路抗静电能力下降的原因和传统保护电路设计的缺陷进行了深入的阐述，从制造工艺、保护电路元件和保护电路结构三方面对深亚微米集成电路中的ESD保护改进技术进行了详细论述。

1 概述随着集成电路制造工艺水平进入集成电路线宽的深亚微米时代，集成电路中的MOS元件都采用LDD结构(Lightly Doped Drain)，并且硅化物工艺已广泛应用于MOS元件的扩散层上，同时为了降低栅极多晶的扩散串联电阻，采用了多晶化合物的制造工艺。

此外随着集成电路元件的缩小，MOS元件的栅极氧化层厚度越来越薄，这些制造工艺的改进可大幅度提高集成电路内部的运算速度，并可提高电路的集成度。

[1，2]但是这些工艺的改进带来了一个很大的弊端，即深亚微米集成电路更容易遭受到静电冲击而失效，从而造成产品的可靠性下降。

本文将对深亚微米集成电路制造工艺引起集成电路抗静电能力下降的原因和传统抗静电保护结构缺陷及改进措施进行深入阐述。

2 深亚微米集成电路中的ESD问题2.1 工艺引入问题LDD结构是用来降低MOS管源端和漏端在沟道的电场分布，以克服热载流子效应(Hot carriereffect)所造成的I-V特性因长时间作用而漂移的问题。

[2]但是LDD结构在导电沟道两段的深度只有20nm，这等于在源极和漏极的两端形成了两个"尖端"，"尖端放电"现象便容易发生在LDD结构上，从而造成这种结构的抗静电能力较低。

当这种LDD元件应用于输出级电路时，NMOS元件很容易被ESD所破坏。

即使元件具有很大的宽长比，其抗静电能力常低于1 000V。

此外，金属硅化物工艺在深亚微米集成电路工艺中已被广泛采用，其目的是为了降低MOS元件在其源极和漏极的串联电阻。

在不采用金属硅化物工艺的条件下，N+扩散区的阻值约为30～40Ω／□，但在金属硅化物工艺条件下其阻值降低到1～3Ω／□，由于扩散层的方块电阻大幅降低，使得MOS元件的速度可以大幅度提高。

GGNMOS(grounded-gate NMOS)ESD保护结构原理说明

IC设计小镇:收集整理GGNMOS（grounded-gate NMOS）ESD保护结构原理说明在早期的ESD 保护方案中，这种反接在电源间的diode 结构被广泛应用。

正向连接的diode 可以更好的处理大电流传输，但由于其较低的正向启动点压（6.5V），这样就限制了其在较高电源电平的电路中的应用。

多极串联diode（正向或者反向）可以解决这个问题，但是，同时由于其阻抗的增加减弱了其电流处理能力。

用大尺寸的diode 提高ESD 保护性能的同时会产生更多的寄生效应。

目前I/O 中还添加了应用广泛的ggNMOS（grounded-gate NMOS）ESD 保护结构，Drain 端接至PAD，Gate 端接至电源地。

ESD 保护利用其寄生的NPN三极管，形成一个低阻抗的放电通路，以此来保护IC 的内部电路。

如下图所示GGNMOS静电保护的工作原理GGNMOS 的剖面结构如下当PAD 端聚集大量的负电荷时，通过Drain 端与P-substrate 之间的PN 结，IC设计小镇:收集整理电荷由 B 端泻放到GND。

当PAD 端聚集大量的正电荷时，利用的是寄生的三极管。

寄生三极管的启动原理如下说明。

1、大量的正电荷聚集在Drain 端，一定的正电荷通过Drain 和P-substrate之间反偏的PN 结转移至Psubstrate，这部分正电荷聚集到同为P 型材料的 B 端，转移到GND。

如下图所示2、3、聚集到 B 端的正电荷，使得与Source 端的PN 结导通，由此导通寄生的三极管。

如下图所示寄生的三极管被打开，大量的正电荷通过Gate 下面的区域迅速由Drain 端转移到Source 端。

聚集的正电荷得以快速的泻放到地。

如下图所示在GGNMOS 结构的ESD 保护中，器件的的不均匀性将影响到其性能，在layoutIC设计小镇:收集整理的时候需要充分考虑到这个问题，同时可对器件进行改进，增加Drain 端的宽度，在电路中相当于添加小电阻，减小电流，提高其均匀性。

LDMOS器件在ESD保护中的应用

LDMOS器件在ESD保护中的应用电子科技大学功率集成技术研究室肖艳贺江平张波摘要：本文针对LDMO S器件在ESD保护应用中的原理进行了分析，重点讨论了设计以及应用过程中如何降低高触发电压和有效提高二次击穿电流，结合实际工艺对器件进行参数优化，得到了承受4KV ESD电压的LDMOS 器件。

1 引言ESD（Electrostatic Discharge）现象对集成电路的可靠性造成了巨大威胁，利用片内半导体器件形成保护电路是提高ESD保护的重要手段[1]。

一般的消费电子产品要求在人体放电模式（HBM，Human-Body Mode）模式下承受的ESD电压大于2KV。

智能功率集成电路通常需要高低压器件兼容集成来实现，横向双扩散绝缘栅场效应晶体管（LDMOS，Lateral Double Diffused MOS Transistor）具有较高耐压，且与双极、CMOS低压工艺兼容，易于集成而被广泛应用于智能功率IC中。

同时，LDMOS被广泛选用对高压通道进行ESD保护。

本文利用双金属层、0.6µm 双极-互补MOS-双扩散MOS（BCD）工艺下的LDMOS来实现一块智能功率IC输出端口的静电保护，并成功通过测试，有效提高了芯片的可靠性。

2 LDMOS静电保护结构2.1 LDMOS结构及工作机理BCD工艺中提供的对称LDMOS纵向剖面结构图如图1（b）所示，其中栅氧厚度为20nm，栅长为L，宽为W，版图上有效沟道长度为L eff，A为漏端接触孔到多晶硅栅的间距，B为源端掺杂到衬底高掺杂区P＋的间距。

LDMOS器件与NMOS在ESD 冲击下的工作都是利用了寄生横向NPN管的开启进行电流泄放，但两者结构上有一定的差别（如图1所示），这些差别影响了寄生NPN的开启条件。

这两种器件在ESD脉冲下的I-V曲线如图2所示。

在NMOS器件的漏端加ESD正向脉冲后，漏端与P阱形成的反向PN结D1发生雪崩击穿。

5种ESD防护方法

5种ESD防护方法静电放电（ESD）理论研究的已经相当成熟，为了模拟分析静电事件，前人设计了很多静电放电模型。

常见的静电模型有：人体模型（HBM），带电器件模型，场感应模型，场增强模型，机器模型和电容耦合模型等。

芯片级一般用HBM做测试，而电子产品则用IEC 6 100042的放电模型做测试。

为对 ESD 的测试进行统一规范，在工业标准方面，欧共体的 IEC 6100042 已建立起严格的瞬变冲击抑制标准；电子产品必须符合这一标准之后方能销往欧共体的各个成员国。

因此，大多数生产厂家都把 IEC 6100042看作是 ESD 测试的事实标准。

我国的国家标准（GB/T 17626.21998）等同于I EC 6 100042。

大多是实验室用的静电发生器就是按 IEC 6 100042的标准，分为接触放电和空气放电。

静电发生器的模型如图 1。

放电头按接触放电和空气放电分尖头和圆头两种。

IEC 6100042的静电放电的波形如图2，可以看到静电放电主要电流是一个上升沿在1nS左右的一个上升沿，要消除这个上升沿要求ESD保护器件响应时间要小于这个时间。

静电放电的能量主要集中在几十MHz到500MHz，很多时候我们能从频谱上考虑，如滤波器滤除相应频带的能量来实现静电防护。

IEC 6100042规定了几个试验等级，目前手机CTA测试执行得是3级，即接触放电6KV，空气放电8KV。

很多手机厂家内部执行更高的静电防护等级。

当集成电路（ IC ）经受静电放电（ ESD）时，放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流。

例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻几乎为零，造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的 IC 管脚。

瞬间大电流会严重损伤 IC ，局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。

ESD保护策略解析

04
ESD保护电路设计实例
输入端ESD保护电路设计
信号输入端ESD保护电路设计
在电路设计中，信号输入端需要考虑到ESD电流的泄放，通过设计合理的泄放路径和元件参数，保证在ESD事件发生时，电流能够通过低阻抗的泄放路径迅速泄放掉，从而保护电路不受ESD冲击的影响。
差分信号输入端ESD保护电路设计
对于差分信号输入端，需要同时考虑共模和差模ESD电流的泄放。通过设计共模和差模保护元件，实现对差分信号的全面保护。
输出端ESD保护电路设计
信号输出端ESD保护电路设计
在电路设计中，信号输出端同样需要考虑到ESD电流的泄放。通过设计合理的泄放路径和元件参数，保证在 ESD事件发生时，电流能够通过低阻抗的泄放路径迅速泄放掉，从而保护电路不受ESD冲击的影响。
要点一
总结词
要点二
解决方案
ESD保护效果不达标常常导致静电放电过程中能量的泄放不完全，进而导致静电敏感器件的损坏或设备性能的降低。
根据相关标准和规范，对静电放电过程中能量的泄放效果进行严格要求和测试。对于不满足要求的ESD保护器件或电路，应进行改进或更换，以使其达到标准要求。此外，可在电路板中添加防静电结构，提高设备的抗静电放电能力。
电源地端ESD保护电路设计
电源地端是电路中的低阻抗点，因此在ESD事件发生时，电流容易集中在地线上。所以需要对地线进行适当的保护，防止过大的ESD电流对电路造成损害。
05
ESD保护策略实施流程
产品功能与ESD防护需求分析
总结词
了解和分析产品功能以及其在静电放电(ESD)环境中的需求是实施ESD保护策略的首要步骤。
THANK YOU.
产件的选型和布局是实施ESD保护策略的重要环节。

Esd保护

Esd保护对高密度、小型化和具有复杂功能的电子设备而言具有重要意义。

本ESD时，最小击穿电压和击穿电流、最大反向漏电流和额定反向关断电压等参数对电路的影响及选择准则，并针对便携消费电子设备、机顶盒、以及个人电脑中的视频线路保护、USB保护和RJ-45接口等介绍了一些典型应用随着移动产品、打印机、PC，DVD、机顶盒(STB)等产品的迅速发展，消费者正要求越来越先进的性能。

半导体组件日益趋向小型化、高密度和功能复杂化，特别是像时尚消费电子和便携式产品等对主板面积要求严格的应用很容易受到静电放电的影响。

一些采用了深亚微米工艺和甚精细线宽布线的复杂半导体功能电路，对电路瞬变过程的影响更加敏感，将导致上述的问题更加激化。

ESD保护原理电路保护元件存在几种技术，当选择电路保护元件时，若设计师选择不当的保护器件将只能提供错误的安全概念。

电路保护元件的选择应根据所要保护的布线情况、可用的电路板空间以及被保护电路的电特性来决定。

此外，了解保护元件的特性知识也非常必要，需要考虑的重要因素之一是器件的箝位电压。

所谓箝位电压是在ESD器件里跨在瞬变电压消除器(TVS)上的电压，它是被保护IC的应变电压。

因为利用先进工艺技术制造的IC电路里氧化层比较薄，栅极氧化层更易受到损害。

这意味着较高的箝位电压将在被保护IC器件上产生较高的应变电压，并且增加了失效的概率。

很多保护元件都被设计成可吸收大量的能量，由于元件结构或设计上的原因也导致其具有很高的箝位电压。

由于变阻器的箝位电压太高，他们不能够提供有效的ESD保护。

此外，由于变阻器的高电容他们也不能给高速数据线路提供保护。

TVS二极管正是为解决此问题而产生的，它已成为保护便携电子设备的关键性技术。

TVS二极管是专门设计用于吸收ESD能量并且保护系统免遭ESD损害的固态元件。

如果应用得当，TVS二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定工作电压，但是却远低于破坏阈值电压。

TVS相关参数处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。

放大器输入保护

放大器输入保护当今的许多高速运算放大器都具有片上输入保护。

在大多数情况下，这种保护对用户是透明的；但在某些应用中，这种保护可能是电路的致命弱点。

本文讨论输入保护需求、实现及其潜在的缺点。

本文还给出利用具有输入保护功能放大器的替代方案与电路方案。

高速运算放大器的输入保护有多种形式，其中共模过压保护、静电放电(ESD)保护、输入差分对保护是一些常见的保护。

共模过压保护主要限制输入电压，使之符合放大器的安全工作电压范围；静电放电保护二极管是放大器避免静电、静电感应以及其他静电放电事件的影响。

这些片上二极管都与放大器输入、输出以及电源轨相连，这就起到保护放大器的作用，因为静电放电电流流经电源与旁路电容器，而不是通过敏感的有源电路。

运算放大器输入电压的突然变化可以使输出差分对的偏置反向, 带来潜在的缺陷导致延迟，增加输入偏置电流，并增加偏移电压。

通过限制基射结电压，可以保护差分输入级免受损害。

在某些较高速的硅过程中，基极-发射极击穿电压(BVEBO)可以低至2～3 V。

击穿电压与过程速度（process speed）成反比，因此，过程越快，击穿电压越低。

为了可靠运行，必须避免差分对基射结偏置的反向。

作为电压跟随器配置时，放大器最容易受到输入级损害。

实际（非理想的）放大器输出不能对输入端的变化瞬间做出相应。

输出不能跟踪输入意味着差分对基射结可能受到具有潜在危害的反向偏置过压条件的影响。

图1给出这个原理。

放大器的输入与具有±3V输出电压范围的脉冲发生器相连。

为了便于讨论，假设脉冲发生器的上升时间与下降时间都比放大器的传播延迟小得多。

当脉冲发生器从–3 V转换为+3 V时，放大器输入非常迅速改变，而输出变化则不这么迅速，在晶体管Q2产生5.3 V 反向偏置。

由于晶体管额定击穿电压为2～3 V，因此需要输入保护。

图1. 放大器输入电压的迅速转换将给晶体管Q2带来具有潜在危害的反向偏置这个保护非常简单，只要在放大器输入端增加一对背对背二极管（D1与D2）即可，如图2所示。

ESD保护策略解析

芯片内置ESD保护设计
总结词
芯片内置ESD保护设计可以降低成本和电路复杂度，但受限于芯片制造工艺和设计规则。
VS
详细描述
现代集成电路设计中，芯片制造商会考虑将ESD保护电路内置在芯片内部。这种设计方法可以减少外部器件的数量，降低成本，并提高系统的可靠性。然而，由于芯片制造工艺和设计规则的限制，内置ESD 保护电路的设计和实现可能会面临一些挑战。
等。
根据不同的应用场景和设备需求，可以选择适当的ESD保护元件和电路，
以实现最优的ESD保护效果。
02
ESD保护策略
人体放电模型(HBM)
01
人体放电模型是最常用的ESD 模型之一，它模拟人体对ESD 的响应和行为。
02
HBM模型通过模拟人体接触带电物体时，电流在人体内的流动情况，评估ESD对人体的危害。
04
ESD保护电路设计
独立器件设计
总结词
使用独立的ESD保护器件可以有效地提高系统的ESD保护能力，但会增加成本和电路复杂度。
详细描述
独立器件设计通常采用气体放电管、半导体二极管、瞬态二极管等元件，为电路提供额外的保护路径，降低系统损坏的风险。这些器件需要与被保护的电路元件进行良好的匹配和布局，以实现最佳的保护效果。
ESD保护与系统可靠性关系研究
总结词
ESD保护与系统可靠性的关系是一个重要的研究领域。 ESD保护失效可能导致系统可靠性下降，甚至引发灾难性事故。
详细描述
ESD保护失效会导致系统可靠性下降，因为ESD事件可能损坏系统中的关键元件或电路，从而影响系统的正常运行。此外，如果ESD保护失效，可能会引发更严重的灾难性事故，如电击、火灾等。因此，对ESD保护与系统可靠性的关系进行深入研究，对于提高系统可靠性具有重要意义。

常用的esd保护方案

常用的ESD保护方案引言ESD（Electrostatic Discharge，静电放电）是在两个物体之间发生电荷平衡的过程中，产生突发电流的现象。

ESD不仅会对电子设备产生瞬时的电压冲击，还可能引起电子设备的破坏、故障或降低其可靠性。

为了保护电子设备免受ESD的影响，需要采取适当的ESD保护方案。

本文将介绍几种常用的ESD保护方案，以帮助开发者选择适合自己产品的保护措施。

1. ESD保护器件ESD保护器件是最常见和最简单的ESD保护方案之一。

其工作原理是通过引入具有高电阻的元件来快速放电，从而使ESD电流得以释放，保护电子设备不受损坏。

常见的ESD保护器件包括二极管、MOSFET和TVS二极管。

•二极管：二极管是一种常见的ESD保护器件，其工作原理是在一定的电压范围内使电流流过。

具有良好的电流导通特性，并能承受ESD事件产生的高电压。

•MOSFET：MOSFET是一种半导体器件，具有良好的电压和电流控制能力。

在ESD事件发生时，MOSFET可以快速响应，引导电流流向接地，从而保护后端电路。

•TVS二极管：TVS（Transient Voltage Suppressor）二极管是一种专门用于抑制瞬变电压的保护器件。

TVS二极管具有快速响应和高耐压能力，可以有效地限制ESD电流和过电压。

选择合适的ESD保护器件需要根据设备的特点和应用环境来确定。

2. PCB布局设计PCB（Printed Circuit Board）布局设计是另一个重要的ESD保护方案。

通过合理的布局设计，可以减少ESD电流对电子设备的影响。

以下是一些常见的PCB布局设计技巧：•地线和电源线布局分离：将地线和电源线布局分开，避免ESD电流通过电源线传导到其他电路。

•引入电流传输阻隔：在PCB布局中引入电流传输阻隔，限制ESD电流的传播范围，减少对其他电路的影响。

•增加电压隔离区域：在PCB布局中增加电压隔离区域，将高压区域与低压区域分开，有效降低ESD事件对其他电路的干扰。

如何实现高速电路中真实的ESD保护

如何实现高速电路中真实的ESD保护科技的不断进步，使得新技术、新材料等层出不穷，消费者也开始不单单满足于‘有某样产品’，而是转向‘有某样精密的产品’。

如何在大同小异的先进工艺材料中脱颖而出，给数据传输速率日趋攀高的系统提供有效可靠的ESD安全保护？除了采用各项新兴技术外，最有效的方法可能莫过于在原有技术基础上精益求精。

ESD简言之就是电荷快速中和，电子工业每年花在这上面的费用都会超过几十亿美元。

静电的产生是由于相互摩擦，使得物质表面获得或失去电子，破坏掉原有的电荷平衡，让物体带上或正或负的静电。

此外，静电电荷会不断积累，直到造成电荷产生的作用停止、电荷被释放或者达到足够的强度可以击穿周围物质为止。

由于在很小或者非常敏感的元器件上快速释放电压，释放电流通常会非常之大，可能超过20安培，对设计为仅导通微安或毫安级电流的电路造成严重损害。

其实静电的破坏不光光是存在于电路设计过程中，人与人之间通过接触产生的电压也是非常巨大的。

当你接触到某样物体有被电的感觉时，通过人体的瞬间电压已经超过2KV~4KV，人们通常能够感觉到的电压为5KV。

此外，当你在铺有地毯的地板上行走时，瞬间产生的电压很有可能会超过35KV。

试想想当如此高压的电荷突然附加在某样精密原件或者电路上，产生的后果不言而喻。

目前，针对ESD主要有3种模型，人体模型（HBM）,机械模型（MM），以及带电模型（CDM），其中，HBM与MM又是各项安全测试中最常见的参考标准。

尤其是在每对差分数据传输速度已达每秒几个Gb或以上的HDMI和DisplayPort接口而言，各项为了实现信号完整性和ESD保护的安全测试尤为重要。

很多时候，为了达到IEC 61000-4-2标准（针对HBM的标准），设计师往往需要使用额外的保护器件。

鉴于此，SEMTECH公司工程师介绍道，一个被保护元器件如果满足IEC 61000-4-2标准，这只能说明该元器件受到相应的保护，不会在ESD冲击中受到破坏。