CMOS的靜電及過(guò)壓-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯CMOS的靜電及過(guò)壓-設(shè)計(jì)應(yīng)用對(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(méi)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(méi)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(kāi)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(huà)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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)