限流型JFET

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

當(dāng)需要高達(dá) 40 V 的電壓保護(hù)時，該器件的 JFET 保護(hù)提供了控制良好、可靠且完全指定的保護(hù)選項(xiàng)。這通常與使用ESD二極管進(jìn)行保護(hù)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(hù)方案

二極管組

在允許輸入電壓超過電源電壓或地的應(yīng)用中，可以使用二極管堆棧來保護(hù)輸入免受ESD事件的影響。圖4所示為采用堆疊二極管保護(hù)方案的放大器。在這種配置中，二極管串用于防止負(fù)瞬變。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)共模范圍時提供保護(hù)。請記住，唯一的電流限制是二極管串的等效串聯(lián)電阻。一個外部串聯(lián)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(cè)輸入保護(hù)方案

背靠背二極管

當(dāng)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(hù)，采用3.3 V電源時允許電壓高達(dá)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(nèi)時防止漏電流。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^高壓二極管的最大反向偏置很容易導(dǎo)致造成永久性損壞的情況。

圖5.AD8418的高邊輸入保護(hù)方案

無靜電放電鉗位

某些設(shè)備在前端不包括 ESD 設(shè)備。雖然很明顯，如果沒有ESD二極管，設(shè)計(jì)人員就不能使用ESD二極管進(jìn)行箝位，但在研究過壓保護(hù)（OVP）選項(xiàng)時，這種架構(gòu)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(hù)放大器。

圖6.AD8479的輸入保護(hù)方案

ESD 單元作為鉗位

除了了解如何實(shí)現(xiàn)ESD單元外，了解如何利用結(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)放大器配置如圖7所示或輸入由電源二極管保護(hù)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(shè)是V強(qiáng)調(diào)> V供應(yīng).如果不是這種情況，則應(yīng)測量并使用更精確的二極管電壓進(jìn)行計(jì)算，而不是0.7 V近似值。

下面是一個計(jì)算示例，用于保護(hù)使用± 15 V電源的放大器免受高達(dá)± 120 V的輸入應(yīng)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(jì)算以下內(nèi)容。

鑒于這些要求，R保護(hù)>105 kΩ時，二極管電流將限制在<1 mA。

了解當(dāng)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(yīng)力的特定應(yīng)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(yīng)用的整個 20 年或更長時間的任務(wù)配置文件生命周期中持續(xù)施加電流的情況不同。有關(guān)特定值的指導(dǎo)可在放大器數(shù)據(jù)手冊的絕對最大值部分或應(yīng)用筆記中找到，通常在1 mA至10 mA范圍內(nèi)。

故障模式

給定保護(hù)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(yīng)保持在將工作溫度保持在有效范圍內(nèi)的閾值以下，并且應(yīng)選擇電流在規(guī)定的最大值內(nèi)，以避免由于電遷移而導(dǎo)致的可靠性問題。

熱影響

當(dāng)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(shù)放大器數(shù)據(jù)手冊都指定了熱阻（通常指定為 T?賈），這將指示結(jié)溫如何隨功率耗散而升高。考慮最壞情況下的應(yīng)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(hù)電路的可行性。

電遷移

即使電流不會導(dǎo)致熱問題，二極管電流仍然可能產(chǎn)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(lián)的內(nèi)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(dāng)放大器監(jiān)控并因此連接到獨(dú)立于其自身電源軌的電壓軌時。當(dāng)存在多個電源域時，電源排序可能導(dǎo)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(jié)論

了解放大器的內(nèi)部ESD二極管在電氣過應(yīng)力事件期間如何激活，可以簡單地提高設(shè)計(jì)的魯棒性。檢查保護(hù)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(hù)的地方。考慮此處概述的條件使設(shè)計(jì)人員能夠做出明智的選擇，并避免現(xiàn)場潛在的魯棒性問題。

審核編輯：郭婷