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放大器的静电保护

放大器的静电保护

电感性 ESD 保护

LNA 通常是接收机中的第一个有源构建模块。由于它通过连接线直接连接到输入键合垫,因此它从外部接收静电放电电压,这些电压可以相当高 (kV 量级),并且可以轻松地击穿输入晶体管的栅极, 现在保护器件是必需的,通常这包括栅极的串联电阻和接地的并联二极管,现在对过电压 ( Overvoltages ) 实现了低电阻路径,接下来更详细地讨论这一点。

ESD 保护网络可以通过各种方式进行测试。ESD 源的最简单的模型可能是人体模型 ( Human Body Model, HBM ),它模拟了一个放电到芯片引脚的人, 它包括了充电至高压 (kV量级) 的电容CHBM,通过其放电小的电阻RHBM (约1500Ω)和连接到输入键合垫的键合线电感LHBM,还有一个小的寄生电容C2

保护二极管连接到电源和接地上,它必须能够接收大电流以避免栅极处的大电压。在本例中,二极管必须能够传导0.67A/kV过电压,它需要相当大的面积,并在 LNA 的输入端提供相当大的电容。

然而ESD 保护二极管会在栅极电感LHBM 之后增加接地电容, CGS 电容的调谐受到一定程度的干扰,导致 较小的R 值和较大的晶体管尺寸。 这些电容也可以调整, 然而让输入匹配网络尽可能简单总是更可取的。

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图 1     静电保护,人体模型

 

HBM 模拟人类释放静电。强调输入保护的另一种方法是将传输线(Zo=50Ω)充电至高压,并通过大电阻RTLP将其放电至输入引脚。 增加电阻RT1和RT2 以避免在两端的反射,增加下图左侧的二极管,以避免充电时漏电到地。通常采用以下试验程序:压力测试在两个引脚(此处为引脚 1 和引脚 2)之间执行,首先测量这两个引脚之间的泄漏电流,然后是高压放电,接着再次测量泄漏电流;放电电压逐步升高,直到泄漏电流过大。在本章的末尾处给出了这种TLP 测试的一个示例。

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图 2     静电保护,传输线脉冲

 

为便于说明,图中显示了 ESD 电容对 1.6 GHz LNA(在0.25 um CMOS )噪声系数的影响, 电流为 6 mA。 输入 CGS 约为 0.15 pF。 对于CESD增加到0.35pF, NF从0.9dB 增加到1.5dB,功率增益随后从19.3dB降低到15.7dB。该ESD 保护提供了更好的保护,如下图右侧所示。

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图 3     静电保护二极管仿真退化

 

如果使用了电容式保护器件,现在最好把它们连接成π型网络,如下图所示。在中间增加了一个电感Lg,这多少增加了保护作用,该电感器实际上太小,无法在 ESD 频率下发挥作用, 但它确实对 RF 频率下的输入阻抗匹配起作用。此外,MOST 接地栅极处的任何寄生电容都可以被ESD 器件电容C2吸收;对于高频LNA,必须在设计过程中始终包括后一种电容C2

这样一个π型网络的设计并不明显,因为有更多的自由度,然而主要关注的是使C1 尽可能小。由于电感 Lg 具有一些串联电阻(通常为 2Ω /nH),因此噪声系数会有所降低。

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图 4     带有电容式静电保护的 π 型网络

 

下图显示了这种π 型网络的一个例子,ESD保护的电容Cm也是匹配网络的一部分,它形成了一个输入电容为M1的π 型网络。 LNA是一个单端共栅放大器,具有第二放大级以提供50Ω 的输出电阻。

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图 5     1.5V, 1.5 GHz LNA

 

作为静电保护,电感也可以代替电容,如下图所示。电感 lESD 用于将低频ESD电流短路接地,同时和寄生电容Cp 形成并联共振电路,使射频电压不可见。显然,ESD 电感器也有一些串联电阻以及 RS,ESD, 很明显这种电阻必须最小化。

电容Cc 对射频电压而言是耦合电容。低频 ESD信号看到一个接地的低通滤波器,高频射频信号看到一个到输入门的高通滤波器。 这种保护的优点是,对于电容保护,必须添加一个电感,以调整保护器件的寄生电容;对于电感保护,不需添加任何器件,该保护电感可用于调整现有的寄生电容。

对于噪声,电感保护更好,因为没有添加与输入栅极串联的电阻。电感LESD为2nH;它是由一串五个二极管实现,只提供3Ω 串联电阻。其面积约为130mm2。该电感与Cp一起形成了1kΩ 的并联电阻,它足够高,不会影响噪声性能。

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图 6     电感静电保护的 5 GHz LNA

 

如下图所示,添加的ESD保护大大改变了它们的特性:增益(s21)增加,但噪声系数在5GHz 的中心频率附近减小。除了在一个特定频率下,输入阻抗 (s11) 与 50 Ω 的偏差较小,这显然取决于调谐组件的值。

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图 7     静电保护对性能的影响

 

下图显示了作为 TLP 测试结果的保护网络测量结果。也显示了较大的ESD电流前后的泄漏电流,这样就完成了四种引脚组合。从输入端到正电源 (VDD) 和接地(VSS)的可用电流都相当大。对于 10 V 输入电压,接地电流约为 1 A,这相当于高达3kV 的静态放电电压。

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图 8     TLP 特征

 

在本章中讨论了在高频 ( RF ) 下工作的低噪声放大器 (LNA)。在输入(和输出)阻抗匹配的约束下,对低噪声和失真进行了优化。推导出了阻抗匹配和噪声匹配的初等表达式。比较了两种主要的配置,结果表明,放大器输入几乎总是优于级联输入。在这些高频情况下,有时必须考虑到 MOST的非准静态行为,如果工作频率高于MOST 的 fT/3,这显然是真的。对许多给出的案例进行了评论,它们都表现出相似的电路配置,但在速度、噪声和失真方面采取了不同的折衷。最后,对静电保护给予了相当大的关注,事实上由于LNA 是接收机的第一个有源模块,它受到闪电和其他静电放电的影响,必须添加二极管和 MOST 等保护元件,这将折衷方案转向更多功耗和/或噪声。

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