用于确保信号完整性的ESD保护器件新结构

2013-11-26 18:39:28来源: 互联网 关键字:信号完整性  ESD  保护器件

用于确保信号完整性ESD保护器件新结构

 随着视频图像分辨率以及色彩深度的提高,数字视频信号的速率呈现越来越高的趋势,ESD(静电放电)保护器件作为高速数字信号接口如HDMI、DVI、USB等中必不可少的模拟元器件,一种发展趋势是采用IC制造工艺做成集成在单一芯片中的ESD保护器件阵列;另一种是采用分立元件制造工艺,做成分立的ESD保护器件。

  ESD保护器件的新材料以及制造工艺的发展驱动力在于,既要具备很高的抗静电放电的能力,又要具有超低的电容。

  传统ESD保护器件的局限性

  最常见的ESD保护器件可以分为三类:聚合体、变阻器/抑制器以及二极管。

  聚合体器件

  聚合体因具有低于0.05~1.0 pF数量级的电容,它在高频应用中似乎具有吸引力,但是,这种低电容特性也带来了一些副作用。

  聚合体击穿的触发电平远远高于钳位电平,典型的聚合体ESD保护器件的击穿电压高达500V,击穿之后迅速回复至高达150V的钳位电平。当电荷被释放后,聚合体才恢复高阻状态,这就需要花费很长的恢复时间。

  变阻器和抑制器

  变阻器和抑制器是非线性可变电阻器。抑制器存在的问题在于触发电压高、钳位电压高以及电阻高,典型的低电容抑制器的钳位电压范围150~500V,动态电阻在20~40Ω之间,从而导致大部分能量能够抵达受保护器件,而不是被旁路到地。此外,变阻器和抑制器存在的最大问题是每次ESD冲击之后,器件的电特性会发生变化,包括电容参数。

  二极管

  ESD保护二极管具有低的钳位电压、低电阻以及快速开启时间和更高的可靠性等特点,因此,能提供最佳的保护特性,最新的ESD保护二极管已经可以做到低于1pF的电容,因此,使之成为ESD保护的理想选择之一。许多公司提供针对ESD保护的二极管阵列。可是,片上ESD保护二极管存在的问题在于要进一步提高抗ESD冲击的能力有限,它更适合于便携式产品。

  随着数字信号速率的提高,传统的ESD保护器件均存在一定的局限性,因此,有必要研究更为有效的ESD保护器件的新结构和新材料。

  确保信号完整性对保护器件的

  3个要求

  ESD保护器件的设计和制造除了要遵循ESD保护准则之外,同等重要的就是ESD保护器件必须符合数据传输过程中确保信号完整性的要求。

 新一代ESD保护器件必须要通过下列手段确保数字信号的完整性:

  (1) 提供更大的带宽;

  (2) 减低电容;

  (3) 确保各个批次的ESD保护器件具有一致的特性。

  ESD保护器件既要对电容和带宽进行最优化,又要求对具有多条接口线的器件来说,接在各条线上的保护器件具有均匀一致的特性,为的是防止出现不一致的数据通道以及串扰。

  按照参考文献[3]给出的测量方法,利用眼图技术可以确定ESD保护器件的电容和带宽对信号完整性的影响,如图1所示。

  图中各数字的意义如下所述:

  ⑴“0”电平:对逻辑“0”的平均值的测量;

  ⑵ “1”电平:对逻辑“1”的平均值的测量;

  ⑶ 上升时间:对数据向上跳变时间的测量;

  ⑷ 下降时间:对数据向下跳变时间的测量;

  ⑸ 眼高:对垂直开口的测量,确定因噪声引起的眼的闭合程度;

  ⑹ 眼宽:对水平开口的测量,确定抖动对眼的开口的影响;

  ⑺ 确定性抖动:由其理想时间的跃迁导出,它由相对于其他跳变的反射引起;

  ⑻ 眼幅:逻辑“0”和逻辑“1”的柱状图平均值的差;

  ⑼ 比特率:比特周期的倒数。

 从图2对1.65Gbit/s数据率信号的眼图测量中,比较左上角采用0.6pF电容的ESD保护器件测得的眼图与右下角未使用ESD保护器件测得的眼图可见,ESD保护器件的电容越低,对信号质量退化的影响越小。图2中左下角和右上角显示了ESD保护器件的电容分别是2.5pF和3.5pF时眼图质量变差的情形。

  降低ESD保护器件电容的新结构和材料

  为了克服传统ESD保护二极管的局限,多年前安森美半导体已经采用突破性的工艺技术,将超低电容PIN二极管和大功率TVS二极管集成在单个裸片上,从而实现高性能片外ESD保护解决方案。这种集成型ESD保护技术既保留了传统硅TVS二极管技术的良好钳位和低泄漏性能,又将电容大幅降低至0.5pF。0.5pF的总电容使ESD保护器件适用于USB2.0高速(480Mbit/s)和高清多媒体接口(HDMI)(1.65Gbit/s)等高速应用。

然而,目前HDMI接口已经发展至1.3版本,其速率已经远远高于最初版本规定的速率。为了进一步满足高速数据接口对ESD保护器件的新要求,日本Tateyama Kagaku工业股份有限公司提出了一种具有0.2pF(±0.1pF)超低电容的ESD保护器件的结构,如图3所示。

  这种结构的独特之处在于采用了铝基厚膜片,从而制成具有很高机械强度的薄膜结构。此外,因为采用了薄膜丝印电容制作工艺,可以实现超低的电容。

  另一方面,Littlefuse公司提出了一种绝缘的压变材料(VVM),当遇到ESD瞬间冲击时,VVM变为导通并把冲击旁路到地。在ESD被消耗之后,该材料恢复绝缘状态。其核心技术在于采用了聚合体混合材料,把金属离子和半导体粒子在电容的两个电极之间混合,从而创造极低的电容值,如图4所示。

  Littlefuse提供的基于VVM材料的PulseGuard ESD抑制器件的特点在于,一方面对ESD敏感的IC提供可靠的钳位保护,另一方面提供低至0.05pF的超低电容。这是现今业内宣称最低的ESD保护器件的电容值。

 另外,California Micro Devices公司开发的PicoGuard XS架构ESD保护器件通过集成电感与ESD保护二极管,消除了对用于线路阻抗匹配的外部补偿的需要,从而降低了设计复杂性和成本。它也可以在改善ESD保护的同时,提供杰出的信号完整性,以及将设计复杂性降到最低,从而使系统设计师无需再就信号完整性和ESD保护做出折中选择。

  目前,提供ESD保护器件的公司众多,包括ST、Maxim、Semtech、CMD、安森美、Littlefuse、Vishay、Sarnoff等等,这里尤其值得关注的是位于欧洲的Sarnoff公司,该公司以授权ESD保护器件的IP著称。

  在ESD保护器件领域云集如此多的厂家,原因之一在于我们正在进入一个高清视听时代。

  高清视听时代保护器件将

  面临大发展

  通过本文的介绍,您看到了ESD保护器件的最新结构。而随着时间的推移,多个领域出现了对更高速率传输标准及其接口器件的需求,如图5所示,包括广播、消费电子、PC、以太网、存储设备以及电信等领域。

  ESD保护器件作为挂在高速数据传输接口上的器件,只有进一步降低电容或者采取其他技术措施,才能在数据率不断提高的情况下,从元器件上确保信号完整性。以HDMI接口保护为例,每一条接口线均需要一块ESD保护器件,一路HDMI接口就需要8块ESD保护器件。可以想象,在高清视听设备时代对ESD保护器件的需求将呈现天文数字的高速增长。

当然,要全面解决信号完整性设计所涉及的问题,不仅仅外接的ESD保护器件很重要,高速芯片的电路板布局布线也是相当复杂的问题,这方面有专门的文献可供参考。当数据率超过电信号处理的极限时,采用光纤或者数模混合技术进行数据传输可能就是终极解决方案。

  总而言之,掌握最新的技术趋势,对于中国电子元器件行业把握前进的方向有一定的指导意义。

关键字:信号完整性  ESD  保护器件

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1126/article_21193.html
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