前端放大器：ESD 二极管电压钳设计全攻略

在众多输入不受系统控制且连接到外部世界的应用场景中，如测试设备、仪器仪表以及部分传感设备等，输入电压极有可能超过前端放大器的额定电压。为确保设计的生存范围和稳健性，必须实施有效的保护方案。前端放大器内部的 ESD 二极管有时可用于钳位过压条件，但要使其提供足够且强大的保护，需要考虑诸多因素。了解前端放大器内部的各种 ESD 二极管架构，以及给定保护电路的热和电迁移影响，有助于设计人员避免保护电路出现问题，提高其在现场应用的使用寿命。

ESD 二极管配置

需要明确的是，并非所有 ESD 二极管都是连接到电源和接地的简单二极管钳位，存在多种可能的实现方式，如串联多个二极管、二极管和电阻器组合以及背对背二极管等。下面详细介绍一些常见的实现方式。

二极管连接到电源

图 1 展示了在输入引脚和电源之间连接有二极管的放大器示例。在正常工作条件下，二极管处于反向偏置状态，但当输入电压上升到高于正电源电压或低于负电源电压时，二极管会变为正向偏置。此时，电流会通过放大器的输入流到相应的电源。在图 1 所示的电路中，当过压超过 +Vs 时，输入电流本身不会受到放大器本身的限制，需要以串联电阻器的形式进行外部电流限制。当电压低于 –Vs 时，400Ω 电阻会提供一定的电流限制，这在设计时应予以考虑。

图 1:AD8221 的输入 ESD 拓扑

图 2 显示了一个具有类似二极管配置的放大器，但此电路中电流受到内部 2.2kΩ 串联电阻的限制。与图 1 所示电路的不同之处不仅在于限制电阻的值，而且 2.2kΩ 电阻可防止电压高于 +Vs。这体现了使用 ESD 二极管时必须充分理解的复杂性，以优化保护效果。

图 2:AD8250 的输入 ESD 拓扑

限流 JFET

与图 1 和图 2 中的实施方式相比，限流 JFET 可在 IC 设计中用作二极管钳位的替代方案。图 3 展示了一个示例，当输入电压超过器件的指定工作范围时，JFET 用于保护器件。该器件通过 JFET 输入从相反的电源轨获得高达 40V 的固有保护。由于 JFET 会限制进入输入引脚的电流，所以 ESD 单元不能用作额外的过压保护。在需要高达 40V 的电压保护时，该器件的 JFET 保护提供了一个控制良好、可靠、完全指定的保护选项，这与使用 ESD 二极管进行保护形成对比，因为关于二极管电流限制的信息通常仅为典型信息，或者可能根本未指定。

图 3:AD8226 的输入保护方案

二极管堆栈

在允许输入电压超过电源电压或接地的应用中，可使用一组二极管来保护输入免受 ESD 事件的影响。图 4 显示了一个实施堆叠二极管保护方案的放大器。在此配置中，二极管串用于防止出现负瞬态。二极管串用于限制可用输入范围内的漏电流，但在超过负共模范围时提供保护。需要注意的是，的电流限制是二极管串的等效串联电阻。外部串联电阻可用于降低给定电压电平的输入电流。

图 4:AD8417 的低边输入保护方案

背对背二极管

当输入电压范围允许超过电源时，也会使用背对背二极管。图 5 显示了一个放大器，它采用背对背二极管为器件提供 ESD 保护，该器件允许使用 3.3V 电源提供高达 70V 的电压。D4 和 D5 是高压二极管，用于隔离输入引脚上可能存在的高压，D1 和 D2 用于在输入电压在正常工作范围内时防止漏电流。在这种配置中，不建议使用这些 ESD 单元进行过压保护，因为超过高压二极管的反向偏压很容易导致性损坏。

图 5:AD8418 的高端输入保护方案

无 ESD 钳位

某些设备在前端不包括 ESD 设备。虽然很明显，如果 ESD 二极管不存在，设计人员就不能使用 ESD 二极管进行钳位，但在研究过压保护 (OVP) 选项时，提到这种架构是需要注意的情况。图 6 显示了一个仅使用大值电阻器来保护放大器的设备。

图 6:AD8479 的输入保护方案

ESD 单元作为夹具

除了了解如何实施 ESD 单元之外，了解如何利用其结构进行保护也很重要。在典型应用中，串联电阻用于限制指定电压范围内的电流。当放大器按图 7 所示配置或输入受电源二极管保护时，输入电流将使用以下公式进行限制。

图 7: 使用 ESD 单元作为夹具

用于公式 1 的假设是 Vstress>Vsupply。如果不是这种情况，则应测量更的二极管电压并将其用于计算，而不是 0.7V 近似值。下面是一个计算示例，用于保护使用 +/-15V 电源的放大器，免受高达 +/-120V 的输入应力，同时将输入电流限制为 1mA。使用等式 1，我们可以使用这些输入来计算所需的保护电阻。鉴于这些要求，Rprotection >105 kΩ 会将二极管电流限制为 <1 mA。

了解当前的限制

Idiode 的值会因部件而异，并且还取决于施加应力的特定应用场景。对于持续几毫秒的性事件，与在应用程序的整个 20 年以上任务配置文件生命周期中不断施加电流的情况相比，电流将有所不同。可以在值部分或应用笔记的放大器数据表中找到有关特定值的指导，通常在 1mA - 10mA 的范围内。

故障模式

给定保护方案的额定电流终将受到两个因素的限制，即二极管中耗散功率的热影响和电流路径的额定电流。功耗应保持在一个阈值以下，以将工作温度保持在有效范围内，并且应选择电流在指定的值内，以避免由于电迁移引起的可靠性问题。

热影响

当电流流入 ESD 二极管时，由于二极管中的功耗会导致温度升高。大多数放大器数据表都指定了一个热阻（通常指定为 ? JA），该热阻将指示结温如何随功率耗散而增加。考虑坏情况下的应用温度，以及由于功耗导致的坏情况温度升高，将表明保护电路的可行性。

电迁移

即使电流不会引起热问题，二极管电流仍然会产生可靠性问题。由于电迁移，任何电信号路径都有一个寿命电流额定值。二极管电流路径的电迁移电流限制通常受与二极管串联的内部走线厚度的限制。此信息并不总是针对放大器发布，但如果二极管长时间处于活动状态，而不是瞬态事件，则需要考虑。电迁移可能成为问题的一个例子是当放大器正在监控并因此连接到独立于其自身电源轨的电压轨时。当有多个电源域时，电源排序可能会导致电压暂时超过条件。通过考虑坏情况下的电流路径、该电流在整个生命周期内可能处于活动状态的持续时间，并了解电迁移的允许电流，可以避免由于电迁移引起的可靠性问题。