散热器|前端放大器中使用ESD二极管作为电压钳的设计 CPU|数码

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在输入不受系统控制而是连接到外部世界的许多应用中，例如测试设备、仪器仪表和一些传感设备，输入电压可能会超过前端放大器的最大额定电压。在这些应用中，必须实施保护方案以保持设计的生存范围和稳健性。

前端放大器的内部 ESD 二极管有时用于钳位过压条件，但需要考虑许多因素以确保这些钳位能够提供足够而强大的保护。了解前端放大器内部的各种 ESD 二极管架构，以及了解给定保护电路的热和电迁移影响，可以帮助设计人员避免其保护电路出现问题并提高其在现场应用的使用寿命。

ESD二极管配置

重要的是要了解并非所有 ESD 二极管都是连接到电源和接地的简单二极管钳位。可以使用多种可能的实现方式，例如串联多个二极管、二极管和电阻器以及背对背二极管。下面详细介绍了一些更常见的实现。

二极管连接到电源
图 1 显示了在输入引脚和电源之间连接有二极管的放大器示例。二极管在正常工作条件下反向偏置，但当输入上升到高于正电源电压或低于负电源电压时变为正向偏置。当二极管正向偏置时，电流会通过放大器的输入流到相应的电源。
在图 1 中的电路的情况下，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，并且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 电阻会提供一些电流限制，这应该被纳入任何设计考虑因素。

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，但在这种情况下，电流受到内部 2.2kΩ 串联电阻的限制。这与图 1 所示电路的不同之处不仅在于限制 R 的值，而且还在于 2.2kΩ 可防止电压高于 +Vs 。这是使用 ESD 二极管时必须充分理解以优化保护的复杂性示例。

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 可以在 IC 设计中用作二极管钳位的替代方案。图 3 显示了一个示例，其中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。因为 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。这通常与使用 ESD 二极管进行保护形成对比，其中关于二极管电流限制的信息通常指定为典型信息，或者可能根本没有指定。
【散热器|前端放大器中使用ESD二极管作为电压钳的设计】
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，可以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。请记住，唯一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。