干貨|正確認識CMOS靜電和過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題

CMOS靜電和過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題，對于模擬CMOS（互補對稱(chēng)金屬氧化物半導體）而言，兩大主要危害是靜電和過(guò)壓（信號電壓超過(guò)電源電壓）。了解這兩大危害，用戶(hù)便可以有效應對。

CMOS靜電和過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題-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。這項危害在正常工作的電路中是很小的，因為柵極受片內齊納二極管保護，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。如果插人插座的第一個(gè)引腳恰巧沒(méi)有連接齊納二極管保護電路，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裝配階段受損：

將未使用的CMOS器件存放于黑色導電泡沫材料中，這樣在運輸時(shí)可以防止引腳之間積累電荷；

負責器件接插的操作人員應通過(guò)一個(gè)塑料接地帶與系統電源地相連；

從防護性的泡沫材料中取出CMOS器件前，泡沫材料應與電源共地，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)應保持電路板接地或屏蔽。

（一）SCR閂鎖

在使用模擬CMOS電路時(shí)，最安全的做法是確保沒(méi)有超過(guò)電源電壓的模擬或數字電壓施加到器件上，并且電源電壓在額定范圍內。盡管如此，實(shí)施承受過(guò)壓保護也是有必要的。如果理解了問(wèn)題的機制，保護措施在大多數情況下都會(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。

由不同二極管結產(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。

過(guò)壓能引起過(guò)大的電流和金屬化問(wèn)題。通常，運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算放大器直流輸出電流的限值。然而，瞬態(tài)感應電流仍有可能破壞CMOS器件；因此，有必要進(jìn)行保護。

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，基極驅動(dòng)電路不能使晶體管導通。每個(gè)CMOS器件都應該有一對獨立的二極管對其進(jìn)行保護。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，則盡管有保護二極管。

在Q2的一個(gè)發(fā)射極的雪崩二極管足夠提供基極驅動(dòng)使Q2導通。對于這種情況，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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