四步走克服模擬CMOS兩大危害靜電及過(guò)壓
出處:維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于:2018-04-02 11:10:08
對(duì)于模擬CMOS(互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體)而言,兩大主要危害是靜電和過(guò)壓(信號(hào)電壓超過(guò)電源電壓)。了解這兩大危害,用戶便可以有效應(yīng)對(duì)。
靜電
由靜電荷積累(V=q/C=1kV/nC/pF)而形成的靜電電壓帶來(lái)的危害可能擊穿柵極與襯底之間起絕緣作用的氧化物(或氮化物)薄層。這項(xiàng)危害在正常工作的電路中是很小的,因?yàn)闁艠O受片內(nèi)齊納二極管保護(hù),它可使電荷損耗至安全水平。
然而,在插人插座時(shí),CMOS器件與插座之間可能存在大量靜電荷。如果插人插座的個(gè)引腳恰巧沒有連接齊納二極管保護(hù)電路,柵極上的電荷會(huì)穿過(guò)氧化層釋放而損壞器件。
以下四步有助于防止器件在系統(tǒng)裝配階段受損:
將未使用的CMOS器件存放于黑色導(dǎo)電泡沫材料中,這樣在運(yùn)輸時(shí)可以防止引腳之間積累電荷;
負(fù)責(zé)器件接插的操作人員應(yīng)通過(guò)一個(gè)塑料接地帶與系統(tǒng)電源地相連;
從防護(hù)性的泡沫材料中取出CMOS器件前,泡沫材料應(yīng)與電源共地,釋放掉積累的電荷;
在電路插人電路板之后,移動(dòng)電路板時(shí)應(yīng)保持電路板接地或屏蔽。
SCR閂鎖
在使用模擬CMOS電路時(shí),安全的做法是確保沒有超過(guò)電源電壓的模擬或數(shù)字電壓施加到器件上,并且電源電壓在額定范圍內(nèi)。盡管如此,實(shí)施承受過(guò)壓保護(hù)也是有必要的。如果理解了問(wèn)題的機(jī)制,保護(hù)措施在大多數(shù)情況下都會(huì)是行之有效的。
圖1是一個(gè)典型CMOS輸出開關(guān)單元的電路圖及截面圖。從不同單元和區(qū)域之間的連接關(guān)系中,我們可以畫出一個(gè)等效二極管電路圖(圖2)。如果在S端或D端的模擬輸人電壓超過(guò)電源電壓。
圖1:典型CMOS輸出開關(guān)單元的電路圖及截面圖
圖2:等效二極管電路圖
由不同二極管結(jié)產(chǎn)生的寄生晶體管就會(huì)處于正向偏置模式。這些寄生的NPN和PNP晶體管形成如圖3所示的SCR(可控硅整流器)電路。
圖3. CMOS開關(guān)中的寄生晶體管益淪應(yīng)
過(guò)壓能引起過(guò)大的電流和金屬化問(wèn)題。通常,運(yùn)算放大器的輸出作為S端或D端的電壓源,因此電流不能大于運(yùn)算放大器直流輸出電流的限值。然而,瞬態(tài)感應(yīng)電流仍有可能破壞CMOS器件;因此,有必要進(jìn)行保護(hù)。
圖4舉例說(shuō)明了通過(guò)在電源供電引腳串聯(lián)二極管(比如1N459)防止寄生晶體管導(dǎo)通的方法。如果S端或D端電壓高于電源電壓時(shí),CR1和/或CR2反向偏置,基極驅(qū)動(dòng)電路不能使晶體管導(dǎo)通。每個(gè)CMOS器件都應(yīng)該有一對(duì)獨(dú)立的二極管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。盡管這個(gè)方法很有效,但它不是萬(wàn)無(wú)一失的。如果開關(guān)的一端連接到一個(gè)負(fù)電位(例如一個(gè)充電電容),并且另一端電壓超過(guò)VDD,則盡管有保護(hù)二極管。
圖4:電路保護(hù)方案
在Q2的一個(gè)發(fā)射極的雪崩二極管足夠提供基極驅(qū)動(dòng)使Q2導(dǎo)通。對(duì)于這種情況,必須要有一個(gè)與電容串聯(lián)的限流電源或者電阻。
如果在S端或D端有瞬時(shí)過(guò)壓,那么由電壓源供電的端口處的串聯(lián)電阻的建議值為300至400Ω(圖4b)。
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