目錄
1、連接配接到電源的二極管
2、限流JFET場效應管
3、二極管堆疊
4、背靠背二極管
5、無ESD箝位
6、其他影響因素
有許多應用的輸入不受系統控制，而是連接配接到外部世界，例如測試裝置、儀器儀表和某些檢測裝置。對于此類應用，輸入電壓可能會超過前端放大器的額定最大電壓，因而必須采用保護方案來維持設計的使用範圍和魯棒性。前端放大器的内部ESD二極管有時會用來箝位過壓狀況，但為了確定這種箝位能夠提供充分可靠的保護，需要考慮許多因素。正确了解ESD單元在一個器件中是如何實作的，設計人員就能通過适當的電路設計大大擴充放大器的生存範圍。
本文博文将介紹各種類型的ESD實作方案，讨論每種方案的特點，并就如何利用這些單元來提高設計魯棒性提供指南。
需要明白，并非所有ESD二極管都是連接配接到電源和地的簡單二極管箝位。還有許多其他的應用方案，例如：多個二極管串聯、二極管和電阻、背靠背二極管等。下面介紹一些較為常見的方案。
下圖是一個放大器執行個體，二極管連接配接在輸入引腳和電源之間。在正常工作條件下，二極管反偏，但當輸入高于正電源電壓或低于負電源電壓時，二極管變為正偏。當二極管變為正偏時，電流經過放大器的輸入端流至相應的電源。
當過壓超過+Vs時，放大器本身不會限制輸入電流，需要外部增加串聯電阻來限流。當電壓低于–Vs時，400 Ω電阻會起到一定的限流作用，設計時應當納入考慮中。
下圖顯示了一個具有相似二極管配置的放大器，但在本例中，電流受内部2.2 kΩ串聯電阻的限制。它與上圖所示電路的差別不僅在于限流電阻R的值，還在于2.2 kΩ可保護電路不受+Vs以上電壓的影響。
與以上方案不同，IC設計可以使用限流JFET場效應管代替二極管箝位。下圖顯示了一個例子，當輸入電壓超過器件的額定工作範圍時，JFET場效應管被用來保護器件。JFET場效應管輸入使該器件自身就能耐受相反供電軌的最高40 V電壓。由于JFET場效應管會限制流入輸入引腳的電流，是以ESD單元無法用作額外的過壓保護。
當需要最高40 V的電壓保護時，此器件的JFET場效應管保護可提供嚴格受控的、可靠的、完全明确的保護方案。
在允許輸入電壓超過電源電壓或地的應用中，可以使用二極管堆疊來防止輸入受ESD事件的影響。下圖所示的放大器就是采用堆疊二極管保護方案，該配置使用二極管串來防範負瞬變。
在可用輸入範圍内，二極管串用于限制漏電流，但當超過負共模範圍時，它就會提供保護。記住，二極管串的等效串聯電阻是限流措施。對于給定電壓，可使用外部串聯電阻來降低輸入電流。
當允許輸入電壓範圍超過電源電壓時，也可使用背靠背二極管。下圖所示的放大器采用背靠背二極管來為器件提供ESD保護，采用3.3 V電源供電時，其允許電壓最高達到70 V。D4和D5是高壓二極管，用于應對輸入引腳上可能存在的高電壓；當輸入電壓在正常工作範圍以内時，D1和D2用于防止漏電流。
在這種配置中，不建議使用這些ESD單元來提供過壓保護，因為若超過高壓二極管的最大反偏電壓，很容易造成器件損壞。
某些器件的前端沒有ESD器件。很顯然，如果沒有ESD二極管，設計人員當然無法将其用于箝位。之是以提到這種架構，是因為在研究過壓保護 (OVP) 時，需要注意這種情況。下圖所示的器件僅使用大阻值電阻保護放大器。
除了解ESD單元如何實作之外，還必須知道如何利用這些結構提供保護。典型應用使用串聯電阻來限制額定電壓範圍内的電流。
當放大器配置為下圖所示時，或者輸入受連接配接到電源的二極管保護時，輸入電流限值可利用以下公式計算。
上述公式用到一個假設，即VSTRESS > VSUPPLY。若非如此，應測得更精确的二極管電壓并将其用于計算，而不要使用0.7 V的近似值。
下面是一個計算執行個體，其中放大器采用±15 V電源供電，要防範的輸入過壓高達±120 V，輸入電流限制在1 mA。根據公式，我們可以使用這些輸入進行計算：
根據上述要求，RPROTECTION > 105 kΩ可将二極管電流限制在 1 mA以下。
了解限流
IDIODE最大值随器件而不同，它還取決于施加過壓的特定應用情形。持續數毫秒的一次性事件，與在應用的全部20年或更多年的任務壽命中持續施加電流，其最大電流将會不同。具體指導值可在放大器資料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範圍内。
故障模式
具體保護方案的最大電流額定值最終要受兩個因素的限制： 二極管功耗的熱影響和電流路徑的最大電流額定值。功耗應保持在門檻值以下，使工作溫度始終處于有效範圍；所選電流應在額定最大值範圍内，以免電子遷移引起可靠性問題。
熱影響
當電流流入ESD二極管時，二極管的功耗會引起溫度升高。多數放大器資料手冊指定了熱阻（通常指定ӨJA），它顯示了結溫升幅與功耗的關系。考慮最差情況下的應用溫度，以及功耗引起的最壞溫度升幅，可以判斷保護電路是否有效。
電子遷移
即使電流不引起熱問題，二極管電流也可能造成可靠性問題。由于電子遷移，任何電氣信号路徑都有一個最大壽命電流額定值。二極管電流路徑的電子遷移電流限值通常受與二極管串聯的内部走線的厚度限制。放大器制造商不一定會釋出此資訊，但若二極管長時間工作（而不是工作很短時間），就需要予以考慮。
舉個例子，當放大器監控（因而連接配接到）一個獨立于其自身供電軌的電壓軌時，電子遷移便可能是一個問題。當存在多個電源域時，可能會發生因電源時序問題而引起電壓暫時超過絕對最大條件的情況。考慮最差情況下的電流路徑和在整個使用壽命中以此電流工作的持續時間，并了解電子遷移的最大允許電流，便可避免電子遷移引起可靠性問題。
了解放大器内部ESD二極管如何在過電應力期間激活，有助于輕松提高設計的魯棒性。研究保護電路的熱影響和電子遷移影響，可以凸顯潛在的問題并顯示是否需要額外的保護。考慮本文提出的條件可以讓設計人員作出明智選擇，避免在現場發生魯棒性問題。