《系统与芯片ESD防护的协同设计》 —1.3.3　电容和信号完整性

1.3.3　电容和信号完整性

以往，传统上是采用带有10~100 pF等效电容的防护器件将ESD能量从IC引脚分流。由于信号频率有越来越高的趋势，这一寄生电容水平会带来明显的信号失真。与此同时，现代高速数据端口仅能容忍ESD防护器件增加很有限的寄生电容。

脉冲电流载运能力超过30 A、等效电容小于1 pF的集成片上ESD防护装置的实现与集成电路工艺根本不兼容。确实，为了实现低的等效电容，阻挡结需要包含一个相当宽的耗尽区。例如，为一个电容为0.1 pF、击穿电压为5 V的非对称p-n结实现系统级ESD鲁棒性，要求其二极管具有宽约8μm的隔离n区，掺杂浓度为1×1015 cm-3（图1.27）。

特别当衬底需要隔离时，这一参数组合在集成工艺中很难找到。因此，对高数据传输速率的系统级防护，主要的片外防护方法包括了基于垂直器件架构进行了特性优化的分立抑制器。

图1.27　耗尽层宽度和单位面积耗尽层电容与硅单边突变结净电势的关系，

N为轻掺杂侧掺杂，点状线表示击穿条件[9]

对于低频信号，采用抑制器的防护的整体实现，可以利用信号频率域和任何不希望的如EMI和ESD瞬态脉冲的高频频率域之间的分离。这样，TVS电容通过与PCB微量电感构成的低带通滤波器仍然可以滤波。此时，抑制器为瞬态抑制提供钳位功能，同时对耦合进被防护数据线的、不想要的高频信号EMI噪声进行过滤。例如，手机的头戴式耳机工作在较低的音频处，而手机本身的工作频率（0.8~1.9 GHz）则高得多。在这些应用中，对于从耳机中滤除手机信号辐射以提供系统级的ESD防护，高电容的TVS可能是一个更合适的选择。

然而，当信号数据速率较高时，低带通滤波的优点就消失了。高速数据线包括USB2.0、IEEE 1394、千兆以太网和Infiniband协议等。所有这些协议的数据速率都超过了100 Mbps，以保证视频、音频和数据信号的高吞吐量。传输线的相应宽带宽不能容忍用于滤波的高TVS电容，因为其副作用是数据信号自身被滤除或数据波形失真引起系统故障。

这种失真的原因是由于上升和下降时间慢，从而导致了高/低状态转换的舍入和拖尾。较低的上升/下降时间带来了功能电路的时序问题，在特定时间搅浑了期望的“高”和“低”状态。随着信号成分的恶化，电路识别预期信息的能力下降，保持数据信号完整性更难。因此，近年来，许多业界领先的TVS生产公司开发并发布了一些等效电容约0.1 pF的低寄生电容TVS元器件。

图1.28给出了分立有源元器件为TVS、无源元器件为陶瓷电容器时产生的信号失真例子，其中抑制器为0.05 pF，ML陶瓷电容器为1 pF和10 pF，以及660 pF的多层压敏电阻 [10]。

对于480 Mb/s的数据速率，660 pF的压敏电阻电容引起的失真，完全阻碍了信号工作电压的到达。甚至10 pF的电容值也高到足以造成波形的严重失真、电平时间的减少以及前沿和后沿形状的显著改变。1 pF的电容值显示出较小的边沿失真，同时，0.05 pF的电容值允许数据波形无失真地通过。480 Mbps的比特率下，每个电容值对应的上升时间（10/90%，即从10%到90%）数据显示了相应的效应[10]。对于没有器件的情况或者只有0.05 pF抑制器的测量装置，10/90%的上升时间是225 ps，同时，1 pF和10 pF的陶瓷表面贴装电容对上升时间的影响，分别高至275 ps和526 ps。因此，当防护高速数据线时，ESD抑制器的电容特性对于保持高速数据的信号完整性是相当重要的。

图1.28　在高速USB2.0中峰峰值电压为480 mV和信号频率为480 Mbit/s条件下，不同器件和电容的信号响应波形[10]