用于確保信號(hào)完整性的ESD保護(hù)器件新結(jié)構(gòu)

　隨著視頻圖像分辨率以及色彩深度的提高，數(shù)字視頻信號(hào)的速率呈現(xiàn)越來越高的趨勢(shì)，ESD(靜電放電)保護(hù)器件作為高速數(shù)字信號(hào)接口如HDMI、DVI、USB等中必不可少的模擬元器件，一種發(fā)展趨勢(shì)是采用IC制造工藝做成集成在單一芯片中的ESD保護(hù)器件陣列;另一種是采用分立元件制造工藝，做成分立的ESD保護(hù)器件。

　　ESD保護(hù)器件的新材料以及制造工藝的發(fā)展驅(qū)動(dòng)力在于，既要具備很高的抗靜電放電的能力，又要具有超低的電容。

　　傳統(tǒng)ESD保護(hù)器件的局限性

　　最常見的ESD保護(hù)器件可以分為三類：聚合體、變阻器/抑制器以及二極管。

　　聚合體器件

　　聚合體因具有低于0.05～1.0 pF數(shù)量級(jí)的電容，它在高頻應(yīng)用中似乎具有吸引力，但是，這種低電容特性也帶來了一些副作用。

　　聚合體擊穿的觸發(fā)電平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉗位電平，典型的聚合體ESD保護(hù)器件的擊穿電壓高達(dá)500V，擊穿之后迅速回復(fù)至高達(dá)150V的鉗位電平。當(dāng)電荷被釋放后，聚合體才恢復(fù)高阻狀態(tài)，這就需要花費(fèi)很長(zhǎng)的恢復(fù)時(shí)間。

　　變阻器和抑制器

　　變阻器和抑制器是非線性可變電阻器。抑制器存在的問題在于觸發(fā)電壓高、鉗位電壓高以及電阻高，典型的低電容抑制器的鉗位電壓范圍150～500V，動(dòng)態(tài)電阻在20~40Ω之間，從而導(dǎo)致大部分能量能夠抵達(dá)受保護(hù)器件，而不是被旁路到地。此外，變阻器和抑制器存在的最大問題是每次ESD沖擊之后，器件的電特性會(huì)發(fā)生變化，包括電容參數(shù)。

　　二極管

　　ESD保護(hù)二極管具有低的鉗位電壓、低電阻以及快速開啟時(shí)間和更高的可靠性等特點(diǎn)，因此，能提供最佳的保護(hù)特性，最新的ESD保護(hù)二極管已經(jīng)可以做到低于1pF的電容，因此，使之成為ESD保護(hù)的理想選擇之一。許多公司提供針對(duì)ESD保護(hù)的二極管陣列。可是，片上ESD保護(hù)二極管存在的問題在于要進(jìn)一步提高抗ESD沖擊的能力有限，它更適合于便攜式產(chǎn)品。

　　隨著數(shù)字信號(hào)速率的提高，傳統(tǒng)的ESD保護(hù)器件均存在一定的局限性，因此，有必要研究更為有效的ESD保護(hù)器件的新結(jié)構(gòu)和新材料。

　　確保信號(hào)完整性對(duì)保護(hù)器件的

　　3個(gè)要求

　　ESD保護(hù)器件的設(shè)計(jì)和制造除了要遵循ESD保護(hù)準(zhǔn)則之外，同等重要的就是ESD保護(hù)器件必須符合數(shù)據(jù)傳輸過程中確保信號(hào)完整性的要求。

　新一代ESD保護(hù)器件必須要通過下列手段確保數(shù)字信號(hào)的完整性：

　　(1) 提供更大的帶寬;

　　(2) 減低電容;

　　(3) 確保各個(gè)批次的ESD保護(hù)器件具有一致的特性。

　　ESD保護(hù)器件既要對(duì)電容和帶寬進(jìn)行最優(yōu)化，又要求對(duì)具有多條接口線的器件來說，接在各條線上的保護(hù)器件具有均勻一致的特性，為的是防止出現(xiàn)不一致的數(shù)據(jù)通道以及串?dāng)_。

　　按照參考文獻(xiàn)[3]給出的測(cè)量方法，利用眼圖技術(shù)可以確定ESD保護(hù)器件的電容和帶寬對(duì)信號(hào)完整性的影響，如圖1所示。

　　圖中各數(shù)字的意義如下所述：

　　⑴“0”電平：對(duì)邏輯“0”的平均值的測(cè)量;

　　⑵ “1”電平：對(duì)邏輯“1”的平均值的測(cè)量;

　　⑶ 上升時(shí)間：對(duì)數(shù)據(jù)向上跳變時(shí)間的測(cè)量;

　　⑷ 下降時(shí)間：對(duì)數(shù)據(jù)向下跳變時(shí)間的測(cè)量;

　　⑸ 眼高：對(duì)垂直開口的測(cè)量，確定因噪聲引起的眼的閉合程度;

　　⑹ 眼寬：對(duì)水平開口的測(cè)量，確定抖動(dòng)對(duì)眼的開口的影響;

　　⑺ 確定性抖動(dòng)：由其理想時(shí)間的躍遷導(dǎo)出，它由相對(duì)于其他跳變的反射引起;

　　⑻ 眼幅：邏輯“0”和邏輯“1”的柱狀圖平均值的差;

　　⑼ 比特率：比特周期的倒數(shù)。

　從圖2對(duì)1.65Gbit/s數(shù)據(jù)率信號(hào)的眼圖測(cè)量中，比較左上角采用0.6pF電容的ESD保護(hù)器件測(cè)得的眼圖與右下角未使用ESD保護(hù)器件測(cè)得的眼圖可見，ESD保護(hù)器件的電容越低，對(duì)信號(hào)質(zhì)量退化的影響越小。圖2中左下角和右上角顯示了ESD保護(hù)器件的電容分別是2.5pF和3.5pF時(shí)眼圖質(zhì)量變差的情形。

　　降低ESD保護(hù)器件電容的新結(jié)構(gòu)和材料

　　為了克服傳統(tǒng)ESD保護(hù)二極管的局限，多年前安森美半導(dǎo)體已經(jīng)采用突破性的工藝技術(shù)，將超低電容PIN二極管和大功率TVS二極管集成在單個(gè)裸片上，從而實(shí)現(xiàn)高性能片外ESD保護(hù)解決方案。這種集成型ESD保護(hù)技術(shù)既保留了傳統(tǒng)硅TVS二極管技術(shù)的良好鉗位和低泄漏性能，又將電容大幅降低至0.5pF。0.5pF的總電容使ESD保護(hù)器件適用于USB2.0高速(480Mbit/s)和高清多媒體接口(HDMI)(1.65Gbit/s)等高速應(yīng)用。

然而，目前HDMI接口已經(jīng)發(fā)展至1.3版本，其速率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于最初版本規(guī)定的速率。為了進(jìn)一步滿足高速數(shù)據(jù)接口對(duì)ESD保護(hù)器件的新要求，日本Tateyama Kagaku工業(yè)股份有限公司提出了一種具有0.2pF(±0.1pF)超低電容的ESD保護(hù)器件的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

　　這種結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于采用了鋁基厚膜片，從而制成具有很高機(jī)械強(qiáng)度的薄膜結(jié)構(gòu)。此外，因?yàn)椴捎昧吮∧そz印電容制作工藝，可以實(shí)現(xiàn)超低的電容。

　　另一方面，Littlefuse公司提出了一種絕緣的壓變材料(VVM)，當(dāng)遇到ESD瞬間沖擊時(shí)，VVM變?yōu)閷?dǎo)通并把沖擊旁路到地。在ESD被消耗之后，該材料恢復(fù)絕緣狀態(tài)。其核心技術(shù)在于采用了聚合體混合材料，把金屬離子和半導(dǎo)體粒子在電容的兩個(gè)電極之間混合，從而創(chuàng)造極低的電容值，如圖4所示。

　　Littlefuse提供的基于VVM材料的PulseGuard ESD抑制器件的特點(diǎn)在于，一方面對(duì)ESD敏感的IC提供可靠的鉗位保護(hù)，另一方面提供低至0.05pF的超低電容。這是現(xiàn)今業(yè)內(nèi)宣稱最低的ESD保護(hù)器件的電容值。

　另外，California Micro Devices公司開發(fā)的PicoGuard XS架構(gòu)ESD保護(hù)器件通過集成電感與ESD保護(hù)二極管，消除了對(duì)用于線路阻抗匹配的外部補(bǔ)償?shù)男枰瑥亩档土嗽O(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。它也可以在改善ESD保護(hù)的同時(shí)，提供杰出的信號(hào)完整性，以及將設(shè)計(jì)復(fù)雜性降到最低，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師無需再就信號(hào)完整性和ESD保護(hù)做出折中選擇。

　　目前，提供ESD保護(hù)器件的公司眾多，包括ST、Maxim、Semtech、CMD、安森美、Littlefuse、Vishay、Sarnoff等等，這里尤其值得關(guān)注的是位于歐洲的Sarnoff公司，該公司以授權(quán)ESD保護(hù)器件的IP著稱。

　　在ESD保護(hù)器件領(lǐng)域云集如此多的廠家，原因之一在于我們正在進(jìn)入一個(gè)高清視聽時(shí)代。

　　高清視聽時(shí)代保護(hù)器件將

　　面臨大發(fā)展

　　通過本文的介紹，您看到了ESD保護(hù)器件的最新結(jié)構(gòu)。而隨著時(shí)間的推移，多個(gè)領(lǐng)域出現(xiàn)了對(duì)更高速率傳輸標(biāo)準(zhǔn)及其接口器件的需求，如圖5所示，包括廣播、消費(fèi)電子、PC、以太網(wǎng)、存儲(chǔ)設(shè)備以及電信等領(lǐng)域。

　　ESD保護(hù)器件作為掛在高速數(shù)據(jù)傳輸接口上的器件，只有進(jìn)一步降低電容或者采取其他技術(shù)措施，才能在數(shù)據(jù)率不斷提高的情況下，從元器件上確保信號(hào)完整性。以HDMI接口保護(hù)為例，每一條接口線均需要一塊ESD保護(hù)器件，一路HDMI接口就需要8塊ESD保護(hù)器件。可以想象，在高清視聽設(shè)備時(shí)代對(duì)ESD保護(hù)器件的需求將呈現(xiàn)天文數(shù)字的高速增長(zhǎng)。

當(dāng)然，要全面解決信號(hào)完整性設(shè)計(jì)所涉及的問題，不僅僅外接的ESD保護(hù)器件很重要，高速芯片的電路板布局布線也是相當(dāng)復(fù)雜的問題，這方面有專門的文獻(xiàn)可供參考。當(dāng)數(shù)據(jù)率超過電信號(hào)處理的極限時(shí)，采用光纖或者數(shù)模混合技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可能就是終極解決方案。

　　總而言之，掌握最新的技術(shù)趨勢(shì)，對(duì)于中國(guó)電子元器件行業(yè)把握前進(jìn)的方向有一定的指導(dǎo)意義。