關(guān)于CMOS靜電和過壓問題的詳細(xì)解析

對(duì)于模擬CMOS（互補(bǔ)對(duì)稱金屬氧化物半導(dǎo)體）而言，兩大主要危害是靜電和過壓（信號(hào)電壓超過電源電壓）。了解這兩大危害，用戶便可以有效應(yīng)對(duì)。

靜電

由靜電荷積累（V=q/C=1kV/nC/pF）而形成的靜電電壓帶來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(xiàng)危害在正常工作的電路中是很小的，因?yàn)闁艠O受片內(nèi)齊納二極管保護(hù)，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)引腳恰巧沒有連接齊納二極管保護(hù)電路，柵極上的電荷會(huì)穿過氧化層釋放而損壞器件。

以下四步有助于防止器件在系統(tǒng)裝配階段受損：

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

二、負(fù)責(zé)器件接插的操作人員應(yīng)通過一個(gè)塑料接地帶與系統(tǒng)電源地相連；

三、從防護(hù)性的泡沫材料中取出CMOS器件前，泡沫材料應(yīng)與電源共地，釋放掉積累的電荷；

四、在電路插人電路板之后，移動(dòng)電路板時(shí)應(yīng)保持電路板接地或屏蔽。

SCR閂鎖

在使用模擬CMOS電路時(shí)，最安全的做法是確保沒有超過電源電壓的模擬或數(shù)字電壓施加到器件上，并且電源電壓在額定范圍內(nèi)。盡管如此，實(shí)施承受過壓保護(hù)也是有必要的。如果理解了問題的機(jī)制，保護(hù)措施在大多數(shù)情況下都會(huì)是行之有效的。

圖1是一個(gè)典型CMOS輸出開關(guān)單元的電路圖及截面圖。從不同單元和區(qū)域之間的連接關(guān)系中，我們可以畫出一個(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電源電壓。

圖1：典型CMOS輸出開關(guān)單元的電路圖及截面圖

圖2：等效二極管電路圖

由不同二極管結(jié)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。

圖3. CMOS開關(guān)中的寄生晶體管益淪應(yīng)

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

圖4舉例說明了通過在電源供電引腳串聯(lián)二極管(比如1N459)防止寄生晶體管導(dǎo)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(qū)動(dòng)電路不能使晶體管導(dǎo)通。每個(gè)CMOS器件都應(yīng)該有一對(duì)獨(dú)立的二極管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。盡管這個(gè)方法很有效，但它不是萬無一失的。如果開關(guān)的一端連接到一個(gè)負(fù)電位(例如一個(gè)充電電容)，并且另一端電壓超過VDD，則盡管有保護(hù)二極管。

圖4：電路保護(hù)方案

在Q2的一個(gè)發(fā)射極的雪崩二極管足夠提供基極驅(qū)動(dòng)使Q2導(dǎo)通。對(duì)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)。