用于確保信號完整性的ESD保護器件新結構

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

　　ESD保護器件的新材料以及制造工藝的發展驅動力在于，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ESD保護器件的局限性

　　最常見的ESD保護器件可以分為三類：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數量級的電容，它在高頻應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。

　　聚合體擊穿的觸發電平遠遠高于鉗位電平，典型的聚合體ESD保護器件的擊穿電壓高達500V，擊穿之后迅速回復至高達150V的鉗位電平。當電荷被釋放后，聚合體才恢復高阻狀態，這就需要花費很長的恢復時間。

　　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，動態電阻在20~40Ω之間，從而導致大部分能量能夠抵達受保護器件，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，器件的電特性會發生變化，包括電容參數。

　　二極管

　　ESD保護二極管具有低的鉗位電壓、低電阻以及快速開啟時間和更高的可靠性等特點，因此，能提供最佳的保護特性，最新的ESD保護二極管已經可以做到低于1pF的電容，因此，使之成為ESD保護的理想選擇之一。許多公司提供針對ESD保護的二極管陣列。可是，片上ESD保護二極管存在的問題在于要進一步提高抗ESD沖擊的能力有限，它更適合于便攜式產品。

　　隨著數字信號速率的提高，傳統的ESD保護器件均存在一定的局限性，因此，有必要研究更為有效的ESD保護器件的新結構和新材料。

　　確保信號完整性對保護器件的

　　3個要求

　　ESD保護器件的設計和制造除了要遵循ESD保護準則之外，同等重要的就是ESD保護器件必須符合數據傳輸過程中確保信號完整性的要求。

　新一代ESD保護器件必須要通過下列手段確保數字信號的完整性：

　　(1) 提供更大的帶寬;

　　(2) 減低電容;

　　(3) 確保各個批次的ESD保護器件具有一致的特性。

　　ESD保護器件既要對電容和帶寬進行最優化，又要求對具有多條接口線的器件來說，接在各條線上的保護器件具有均勻一致的特性，為的是防止出現不一致的數據通道以及串擾。

　　按照參考文獻[3]給出的測量方法，利用眼圖技術可以確定ESD保護器件的電容和帶寬對信號完整性的影響，如圖1所示。

　　圖中各數字的意義如下所述：

　　⑴“0”電平：對邏輯“0”的平均值的測量;

　　⑵ “1”電平：對邏輯“1”的平均值的測量;

　　⑶ 上升時間：對數據向上跳變時間的測量;

　　⑷ 下降時間：對數據向下跳變時間的測量;

　　⑸ 眼高：對垂直開口的測量，確定因噪聲引起的眼的閉合程度;

　　⑹ 眼寬：對水平開口的測量，確定抖動對眼的開口的影響;

　　⑺ 確定性抖動：由其理想時間的躍遷導出，它由相對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。

　從圖2對1.65Gbit/s數據率信號的眼圖測量中，比較左上角采用0.6pF電容的ESD保護器件測得的眼圖與右下角未使用ESD保護器件測得的眼圖可見，ESD保護器件的電容越低，對信號質量退化的影響越小。圖2中左下角和右上角顯示了ESD保護器件的電容分別是2.5pF和3.5pF時眼圖質量變差的情形。

　　降低ESD保護器件電容的新結構和材料

　　為了克服傳統ESD保護二極管的局限，多年前安森美半導體已經采用突破性的工藝技術，將超低電容PIN二極管和大功率TVS二極管集成在單個裸片上，從而實現高性能片外ESD保護解決方案。這種集成型ESD保護技術既保留了傳統硅TVS二極管技術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)等高速應用。

然而，目前HDMI接口已經發展至1.3版本，其速率已經遠遠高于最初版本規定的速率。為了進一步滿足高速數據接口對ESD保護器件的新要求，日本Tateyama Kagaku工業股份有限公司提出了一種具有0.2pF(±0.1pF)超低電容的ESD保護器件的結構，如圖3所示。

　　這種結構的獨特之處在于采用了鋁基厚膜片，從而制成具有很高機械強度的薄膜結構。此外，因為采用了薄膜絲印電容制作工藝，可以實現超低的電容。

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

　　Littlefuse提供的基于VVM材料的PulseGuard ESD抑制器件的特點在于，一方面對ESD敏感的IC提供可靠的鉗位保護，另一方面提供低至0.05pF的超低電容。這是現今業內宣稱最低的ESD保護器件的電容值。

　另外，California Micro Devices公司開發的PicoGuard XS架構ESD保護器件通過集成電感與ESD保護二極管，消除了對用于線路阻抗匹配的外部補償的需要，從而降低了設計復雜性和成本。它也可以在改善ESD保護的同時，提供杰出的信號完整性，以及將設計復雜性降到最低，從而使系統設計師無需再就信號完整性和ESD保護做出折中選擇。

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

　　在ESD保護器件領域云集如此多的廠家，原因之一在于我們正在進入一個高清視聽時代。

　　高清視聽時代保護器件將

　　面臨大發展

　　通過本文的介紹，您看到了ESD保護器件的最新結構。而隨著時間的推移，多個領域出現了對更高速率傳輸標準及其接口器件的需求，如圖5所示，包括廣播、消費電子、PC、以太網、存儲設備以及電信等領域。

　　ESD保護器件作為掛在高速數據傳輸接口上的器件，只有進一步降低電容或者采取其他技術措施，才能在數據率不斷提高的情況下，從元器件上確保信號完整性。以HDMI接口保護為例，每一條接口線均需要一塊ESD保護器件，一路HDMI接口就需要8塊ESD保護器件。可以想象，在高清視聽設備時代對ESD保護器件的需求將呈現天文數字的高速增長。

當然，要全面解決信號完整性設計所涉及的問題，不僅僅外接的ESD保護器件很重要，高速芯片的電路板布局布線也是相當復雜的問題，這方面有專門的文獻可供參考。當數據率超過電信號處理的極限時，采用光纖或者數模混合技術進行數據傳輸可能就是終極解決方案。

　　總而言之，掌握最新的技術趨勢，對于中國電子元器件行業把握前進的方向有一定的指導意義。