本應用筆記考慮了集成電路（IC）的數據手冊外工作。它討論了等待沒有經歷過墨菲定律的工程師的陷阱，墨菲定律是任何可能出錯的東西，都會在最糟糕的時候出錯。本文回顧了經驗豐富和經驗不足的工程師的思維過程，以及他們如何使電路免受環境污染、射頻干擾和靜電放電的泄漏。

介紹

我相信墨菲定律是生活中的一般規則。墨菲定律說，任何可能出錯的事情都會在最糟糕的時候出錯。維基百科用圖 1 所示的圖像說明了墨菲定律的歷史。墨菲有時會制造火車殘骸。

維基百科解釋說，1895年的出軌發生在格蘭維爾-巴黎快車越過緩沖站時。事故是由剎車故障和試圖彌補失去的時間的發動機司機造成的。發動機在車站大廳附近滑過近30米（98英尺），撞穿60厘米（24英寸）厚的墻壁，穿過露臺，駛出車站，墜落到雷恩廣場10米（33英尺）以下，在那里它站在它的鼻子上。

標準器件測試和數據手冊規格

現在考慮墨菲定律如何影響已經過測試并符合已發布規格的IC。重要的是要了解IC的測試方式與客戶應用中IC的使用方式之間存在差異。自動測試設備（ATE）上的測試時間非常昂貴;它是分一秒支付的。由于IC通常有許多可能的應用，并且只有一個測試，因此制造商設定規格以滿足大多數應用。然后定義一個測試程序，以最短的測試時間測試這些規范。IC行業的一句著名格言是：數據手冊描述了測試條件和規格。所有制造商都通過測試和/或模擬的組合來保證零件滿足最小值和最大值（這就是“設計保證”的意思）。

通常“通過設計保證”的參數的一個例子是工作溫度范圍。該器件在一個溫度下進行測試，“房間”，表示+25°C;它不會針對設備公布的工作范圍內的每個溫度進行測試。相反，設計仿真使我們能夠預測設備在整個溫度和過程變化范圍內的運行情況。此外，大多數制造商在參數周圍設置保護帶以允許這些變化。據統計，許多制造商將安全墻設置為“六西格瑪”，這是一種普遍接受的方式，用于說明標準偏差滿足該參數規范的概率為 99.9997%。通過設計保證用于工作溫度范圍，而不是將測試時間增加三倍或更多。

如何在“數據手冊外”使用器件？

所有部分都有局限性。我們只是無法為所有可能的用途設計一個零件。即使有人嘗試過，也沒有人能負擔得起這樣的部分。這就是為什么有數以千計的邏輯器件和器件系列以及運算放大器（op amp）和模數（ADC）和數模（DAC）數據轉換器的原因。

圖2.以線性模擬方式使用的CMOS邏輯。

舉例來說，幾年前發明了CMOS（互補金屬氧化物半導體）邏輯。它被設計成廉價的數字邏輯。工程師們很快開始以線性模擬方式將數字邏輯用于無窮無盡的應用，這些應用將從更便宜的IC器件中受益。在圖2a中，使用具有兩個電阻的邏輯反相器作為粗放大器。由此產生的設備的規格幾乎不足以工作。數據手冊沒有說明此應用，IC制造商不保證此用途的任何參數。因此，這種粗糙的放大器實際上是“數據外”使用的定義。聰明的工程師可以使用IC封裝中的所有六個逆變器。圖2b為運算放大器增加了更大的電流驅動能力。圖2c為振蕩器，圖2d與圖2a相同，增益更大。圖2e是一個4位DAC。如果我們用計數器驅動圖2e，我們會得到一個樓梯發電機。添加一個窗口比較器，我們可以通過在DAC輸出與輸入電壓匹配時停止計數器來制作逐次逼近型ADC。

有時，新的行業標準或客戶特定產品是從數據表外使用演變而來的。客戶可能希望保證某個參數并聯系制造商：“如果您測試 x 和 y，我們將多付一點錢。我們今年將購買一百萬件”。至于新產品，標準邏輯系列曾經使用發射極耦合邏輯（ECL）。它比當時的大多數晶體管都快，因為晶體管以線性模式（模擬工程師的耳朵里有音樂）而不是較慢的飽和開關晶體管運行。第一批客戶和應用使用接地和負電源。工程師不僅在模擬電路中嘗試使用它，還將其與接地和正電源一起使用。一個新的產品系列以PECL的明顯名稱產生，用于正發射極耦合邏輯。

有時，器件在數據表外應用中會被濫用。零件可能超頻;它們的運行速度超過了數據手冊所保證的速度。這些部件可能會故意運行得很熱，因為客戶愿意降低可靠性以獲得性能優勢。電源可以有裕量，這是一種逐板改變電源電壓板的方法，以去除稍微差的板或選擇性能價格更好的超級明星。如果工程師了解后果并理解IC制造商不保證或保證此類操作，則所有這些用途都是可以接受的。

根據數據手冊進行設計的風險

數據外使用也可能使缺乏經驗的數字設計人員陷入電路設計中，而這些設計根本無法按預期工作。一些教育機構過于關注數字技術，以至于模擬教育正在遭受損失。因此，一些年輕聰明的工程師缺乏一定的知識和經驗。現代消費類設備傾向于利用數字技術。不幸的是，人機界面涉及觸覺、聽覺和視覺的模擬感官。此外，還需要以模擬方式清潔和濾波電源，以隔離電路免受干擾和其他電路的影響。

圖3.為沒有經驗的數字設計師提供模擬陷阱。

圖3顯示了新數字工程師可能陷入的模擬陷阱。經驗豐富的模擬工程師會看到至少三個陷阱由于注意力不集中和高輸入阻抗而等待。首先是直流漏電問題;其次，存在靜電放電（ESD）問題，第三，噪聲加射頻干擾（RFI）的交流問題。我們將依次檢查每個。

直流漏電問題

圖3a顯示了一個高增益（超過40dB;比率為100）放大器。IC數據手冊警告說，輸入電容需要盡可能靠近輸入引腳。數據手冊還警告輸入引腳上不要出現“長”走線。

我們的新數字工程師可能會認為“OK”，這意味著如果引線長度保持在大約一英寸以下，那么它們就不會長，電路將正常工作。這位工程師從未設想過圖 3b。同時，經驗豐富的模擬工程師了解交流耦合（電容）放大器必須以某種方式設置其直流偏置電壓。我們的模擬工程師繼續閱讀數據手冊，了解圖3b中的電路。不受經驗的束縛，數字工程師繼續進行設計。實際上有兩個傳感器需要連接到放大器輸入端，一個位于PCB（PCB板）上，另一個通過帶有3英尺至6英尺電線的連接器連接外部傳感器。雖然這種需求會提醒經驗豐富的模擬工程師，但我們的數字工程師卻被看似簡單的電路所哄騙。數字工程師決定使用遙控數字電位器，而不是在信號源之間切換。這允許兩個傳感器之間的衰落，并簡化了系統，因為它減少了開關時的建立問題。那么，數字工程師現在是否對電路進行試驗板？不，只有老式的工程師才會對物理面包板進行布線和焊接。新的數字工程師布置電路板并進行組裝。

現在墨菲定律真的介入了。考慮整個設計周期中的事件順序。確定生產交接日期。整個設計過程中的每一個延遲都會在交接前的最后堆積任務。我們的數字工程師在哪里最有可能匆忙、睡眠不足和承受壓力？這始終是在電路板測試和初始系統測試期間。現在出現了有問題的問題;之前被墨菲定律擊中的“火車”開始脫軌。值得慶幸的是，大多數問題都可以在軟件和固件中修復，或者至少降低到普通消費者不會注意到的閾值以下。這些問題不需要可怕的電路板重新布局。現在一切正常，因此系統測試仍在繼續。時間很短，但項目運行順利，并投入生產。生產建立符合規格的試運行 開始批量生產。

經驗豐富的模擬工程師害怕墨菲定律。這是一個很好的尊重恐懼。因此，我們的模擬工程師以不同的期望開始項目。首先必須有面包板，也許不是所有的電路，這是從以前的項目中知道的。當然，任何新的最先進的尖端電路，這是該產品所依賴的功能，都會得到一個面包板。然后，該模擬工程師將計劃將電路板中繼三次以對其進行優化。一些項目計劃有更多的電路板布局。（注意：我們可以查看示波器的前端板，并注意到兩件事。首先，主板布局修訂號將為 9 或更高，其次，布局受版權保護。這是因為電路板布局是設計中不可或缺且不可分割的一部分。我們的模擬工程師將留出時間在電路板和系統級別進行延遲累積和全面測試。可以在消費者的操作環境中進行測試。

為什么經驗豐富的模擬工程師會驚慌失措？

圖 3c 是一場災難。它要求墨菲定律罷工。哦，我們有沒有提到這是一種將放在客戶口袋里的消費品？首先，我們給數字電位器一個數字，以便我們知道它的封裝尺寸。它是一款MAX5418，是一款256抽頭、100kΩ，采用3mm x 3mm TDFN封裝;電位器銷在零件的一側成一排。對于新的數字工程師來說，這部分聽起來不錯，因為3mm x 3mm意味著電路板走線很短。“等等，不要那么快，”模擬工程師說。使用500kΩ輸入阻抗，我們如何防止助焊劑殘留物和臟污PCB泄漏？即使PCB在組裝后得到了適當的清潔，我們如何保護它免受其操作環境中的人為污染？是否需要保形涂層？

當人類在環境中呼吸時，該區域的物體（例如，在襯衫口袋中）會沉積許多化合物。人的呼吸有水分（水蒸氣）;代謝廢物，如醛和酮，分解碳水化合物、酒精、丙酮、煙霧;和大氣中的煙霧（大多數被吸入的東西都被呼出）。然后如果人類可以觸摸板子，就會有含有代謝化合物、硫酸和油的指紋來收集灰塵。人類也在不斷地清除皮膚細胞和頭發顆粒。這些顆粒吸引并保持水分。潮濕的污垢導電。

在制造過程中控制ESD的必要性會產生意想不到的后果。抗靜電器件用于IC封裝組裝，ATE測試期間，IC運輸以及PCB組裝，產品測試和運輸。服裝工作服和實驗室外套涂有親水材料，隨著人的移動而剝落和摩擦。許多人穿著帶有犧牲碳負載拖曳帶的導電短靴，這些帶子會脫落導電顆粒。設備可能有導電金屬和塑料刷毛刷，這些刷子會磨損，留下導電顆粒。運輸袋、氣泡膜和 IC 卷軸和管子都會在零件在運輸過程中搖晃和嘎嘎作響時脫落導電親水顆粒。親水材料通過從空氣中吸出水分使表面導電來減少靜電積聚。同樣，潮濕的污染會導電。

我們回到PCB走線長度和直流泄漏。

運算放大器實際上是ASIC的輸入部分。ASIC 封裝為球柵陣列 （BGA）;它在 50.0 英寸（031.0 毫米）的中心有 8 多個球。在PCB上，ASIC被混淆區域包圍。這是信號試圖擴散以建立互連的地方。如果不考慮電路板成本， 人們希望增加 PCB 中靠近 BGA 封裝的層數.由于信號非常密集，因此很難將它們扇出并連接到周圍的電路。如今，大多數消費類產品PCB將自己限制在兩層或四層電路導體上.玩具和其他對成本極其敏感的產品可以是帶跳線的單面 PCB.在BGA的情況下，四層板需要非常熟練的布局。首先，電路的兩個中心層分別保留用于電源層和接地層。當接近ASIC時，接地層和電源層需要包含其他電路;犧牲接地層和電源層來增加信號路徑。即使使用所有四層，連接電路的工作也很困難。某些信號可能需要多次從一層縫合到另一層才能布線。由于通過過孔的每條線跡都會增加電感，因此必須首先拼接最低頻率。

另一個問題是輸入球與動力球相鄰。焊接前，球相距0.013英寸;焊接后的距離取決于PCB走線尺寸。在任何情況下，都有可能導致助焊劑、污垢、親水性或其他污染導致泄漏電流。

新的數字工程師將查看圖3c，并建議將ASIC輸入和電位器游標之間的走線降至約0.078英寸（2mm）。經驗豐富的模擬工程師將尋找直流泄漏，并得出結論，電位器的高低引腳以及兩個電容器已連接。為什么？因為在使用中，電位器的游標通常連接到一端，而通過100kΩ連接的另一端仍在電路中——正如我們將看到的。回到直流情況，我們估計電位端和兩個電容器之間的走線距離增加了0.2英寸（5毫米）。這意味著，超過0.275in電路板走線和兩個IC封裝表面的助焊劑、污垢或污染產生的任何漏電流都可能導致漏電流。因此，如果ASIC偏置電壓變化5mV，電路將失效。歐姆定律表示，5kΩ輸入阻抗上的500mV為10nA。泄漏 10nA 需要多少助焊劑、污垢或親水污染？從很少到幾乎沒有會導致泄漏。

可持續發展教育問題

我們有一個外部引腳連接到我們的500kΩ電路阻抗。墨菲定律正在召喚——我們如何防止ESD？如果消費者在低濕度情況下走過地毯，在乙烯基椅子上摩擦衣服，或者撫摸貓，它們會產生靜電。然后，只需將電纜插入產品的外部連接器，就會產生現場故障。我們談論的是具有足夠電離空氣的電弧。當我們看到一個弧線時，我們看到空氣被過度加熱到白熾燈。

當一個人在低濕度的冬日走過地毯時，靜電荷會積聚。當我們觸摸金屬物體時，電荷會突然放電，這會傷害我們。一厘米（0.4英寸）長的弧形并不少見。一般規則是，在1%相對濕度的空氣中，5000cm的火花為50V。

圖4.典型的冬日靜電放電。

ESD也會傷害電容器和IC！圖4a顯示了由我們的新數字工程師設計的電路，他感到安全，因為從外部連接器到IC不存在直流路徑。然而，在火花跳躍 0.4 英寸后，它很容易跳躍 0.028 英寸。圖4b顯示了以相同比例繪制的外部電弧和電容。這是IC內部的一個巨大的閃電，其間距小于人類頭發的寬度。在第一個電弧之后，電容器可能會短路，因為它僅指定具有50V的工作電壓。IC充其量只是輕微損壞。在最壞的情況下，它被破壞，閃電可能已經通過第一個IC傳播，破壞了電路板上的其他IC。

為了保護IC免受ESD的影響，幾乎所有IC的引腳上都有ESD保護結構。圖5是這種ESD結構的簡化。

圖5.兩種典型的簡單ESD結構。

如果閃電擊中或靠近電源線，就會有如此多的能量，以至于沒有任何東西存活下來。如果雷暴來臨，最安全的做法是拔掉電子設備的插頭。IC內部的ESD結構不是為應對雷擊而設計的。相反，它們旨在消散金屬機器和人體接觸可能發生的輕微環境靜電。保護IC的最重要時間是在將其焊接到PCB之前。這是在IC封裝組裝，ATE測試和IC運輸以及PCB組裝期間;在整個過程中使用抗靜電裝置。特殊的衣服、腕帶、卸鞋帶以及旨在減少靜電的設備很常見。ESD保護對于最終產品的可靠性至關重要，因此至少每天都要測試ESD設備的有效性。

如圖5所示的IC焊接到PCB上之前。沒有任何東西連接到外部引腳。目的是使IC上的靜電電荷均勻化，以便沒有電流流動。這就像在太空中飛行衛星一樣;我們不知道也不關心靜電荷是什么，直到我們接觸到其他物體。IC管或卷筒處于相同的狀態。只要靜電荷均勻，就不會有電流流動，這就是管子和卷盤是導電的。當從貨物中收到管子或卷盤時，靜電被排放到導電接地臺上。一旦容器處于相同的本地接地電位，就可以從容器中取出IC。您是否曾經看到一位工程師在實驗室中將裸IC交付給另一位工程師？他們知道，如果他們握住IC的一端并允許另一端接觸另一個工程師或接地的桌面，他們可能會通過IC釋放靜電。放電電流可能會損壞IC。實際上，兩位工程師在轉移IC之前都會觸摸相同的導電桌面。或者，工程師可以在轉移IC之前觸摸手以平衡任何靜電荷。

如果出現電流在IC內部流動的情況，圖5a和b中的齊納二極管將沿正向和反向導通，以盡量減少損壞。圖5c中的電路將導致底部二極管在負電壓下導通。對于正電壓，上部二極管將正向偏置，齊納二極管位于V上抄送線路將沿反向偏置方向傳導，以嘗試保護IC。

現在想象圖5中的IC焊接到PCB上。與未安裝狀態相比，IC在電路板上的保護通常更好。大多數經驗豐富的模擬工程師的電路板設計都為電路板的外部連接集成了自己的ESD保護。該板的ESD保護可以包括承載比IC內部可能構建的更大的電壓和電流的器件和技術。PCB通過分立二極管、雪崩二極管、瞬態電壓抑制（TVS）二極管、氣管放電器件、電阻器、電感器和金屬氧化物壓敏電阻（MOV）的組合來保護PCB免受ESD，僅舉幾例。外部分立元件更大，并在外部連接器和IC之間提供更可靠的電路板ESD保護。圖5所示IC只需處理適度的殘余ESD;然后，A、B 和 C 的保護電路將在未安裝的條件下按上述方式運行，電路板電路為 V 提供低阻抗路徑抄送和其他引腳。

在災難性的大ESD條件下，整個ESD結構和IC將被破壞。通過開蓋去除集成電路的頂部將顯示看起來像閃電擊中芯片的東西。我們將看到從微小的針孔燒傷痕跡到熔化的混亂的一切。如果只有一個微小的ESD事件，ESD二極管可能會開始泄漏。這些泄漏可能始于皮安和納安電流。隨著ESD事件的進一步發生，泄漏可能會增加;其他損壞也會降低IC內部其他器件的性能。這種劣化會降低IC和使用它的任何產品的可靠性。這就是我們需要在每一步都采取ESD保護的原因。

RFI 和 PCB 走線長度

家用微波爐、WiFi、無繩電話和藍牙?無線電的工作頻率約為 2.4GHz;波長略低于 5 英寸。天線，無論是有意的還是無意的，當它們在~1/8波長或更長時具有良好的增益。2.4GHz 的八分之一波長為 0.6 英寸（10.5 毫米）;對于 5.7GHz 無繩電話，它是 0.26 英寸（6.6 毫米）。手機以各種頻率工作;在 1.8GHz 時，1/8 波為 0.82 英寸（21 毫米），在 800MHz 時，1/8 波為 1.85 英寸（47 毫米）。記住這些波長，我們回到PCB走線長度并查看圖3c。交流信號被感應到走線中，并可能通過電容器或其他雜散電路電容。我們估計，未連接任何外部電纜（但包括連接器引腳）的走線最小值為 0.24 英寸（6 毫米）。“這很好，”新的數字工程師說。經驗豐富的模擬工程師喃喃自語：“我們應該計算手機或無繩電話在一英尺遠時的場強。這0.6W或更高可不是那么簡單。我們的數字工程師很高興，而模擬工程師則繼續測試客戶在現場將面臨的“真實世界”問題。我們的模擬工程師知道RFI將在ASIC的早期階段得到糾正并引起問題。然后，模擬工程師連接外部電纜。好的電纜指定屏蔽覆蓋率隨頻率的百分比。一根好的電纜可以工作，但如果外部連接的傳感器地線因磨損而磨損怎么辦？當有人替換較便宜或非屏蔽電纜時會發生什么？如果地線屏蔽在目標頻率下泄漏怎么辦？當連接器變臟或松動時會發生什么？我們可能會遇到現場故障。這在這種設計中可以接受嗎？我們經驗豐富的模擬工程師決定使用低通濾波器保護前端。新的數字工程師永遠不知道存在危險的可能性。

為什么ATE沒有捕獲小的nA和pA泄漏？

新的數字工程師可能想知道為什么ATE不測試現場應用中可能遇到的每件事。返回到上述“標準設備測試”下的注釋。首先，如果“事物”不是數據手冊參數，則ATE不會查找。其次，IC的大部分成本由測試時間決定，因此客戶不想僅僅因為有人想使用數據手冊中的器件而支付測試費用。

電路解決方案：保護產品所需的微小變化

MAX5418的數據資料電氣特性表顯示電位器的高引腳連接到V抄送并且電位器的低引腳接地。在這種情況下無法測量泄漏。鍋的刮水器連接到末端。如果連接到任一端，則雨刮器接地或 V抄送通過雨刮器電阻的幾百歐姆。（注意：無泄漏讀數是實用的。如果電位器為中端，游標將看到兩個50kΩ電阻并聯。因此：

10nA × 25kΩ = 0.25mV 失調

（這是ATE不尋找的東西，并且在大多數設計良好的電路中都是可以容忍的。即使在測量漏電流的引腳中，大多數制造商也將1μA設置為可接受的限值。圖6顯示了正確的電路設計。即使電路MAX1部分的5418μA漏電流也會被忽略，不會產生影響。

圖6.適當、安全的電路板設計。

在圖6中，外部傳感器輸入受到RFI和ESD保護。新的數字工程師可能會問：“為什么 V抄送線路需要保護？是外線嗎？對于可持續發展教育和 RFI，V抄送線實際上是雙向的。所有其他電路如何在 V 上傳播 ESD 和 RFI 的情況下工作抄送線？他們可能會運作不佳。內部傳感器呢？是否需要 ESD 和 RFI 保護？這將取決于傳感器是什么以及它是如何構造的。外部電弧會通過外部絕緣外殼上的孔撞擊傳感器嗎？傳感器的外表面是否接地，從而保護其信號輸出端口？設計師需要考慮這些以及更多的事情。長期以來，經驗幫助我們做得更好。

在電位器和ASIC之間有一個電容器。在電容器的左側，兩個電阻設置電位器的偏置。電阻將設置在低kΩ范圍內，以消除任何直流泄漏。確切的電阻值將由傳感器阻抗和功耗決定。事實上，由于電容器阻斷了ASIC輸入端的直流電，因此即使是很大的漏電流也會被忽略。請注意，電容器和IC放大器（ASIC）之間電容器右側的電路走線盡可能短，正如ASIC制造商所建議的那樣。該ASIC輸入仍設置自己的偏置，并具有500kΩ阻抗。這使得它對污垢和污染敏感，但現在它是一個非常小的區域，從而將風險降至最低。為了對可靠性有最大的信心，應該考慮在這個小面積上涂上保形或環氧涂層。

結論

墨菲定律總是潛伏在電路設計過程中，它總是給沒有經驗的工程師帶來通常意想不到的不良結果。墨菲定律在數據表外設計中特別活躍。最后，知識和經驗是阻止墨菲和他的定律的最好方法。

樹森環保局：郭婷