MOS芯片的ESD保护电路设计

MOS芯片的ESD保护电路设计

随着CMOS集成电路产业的高速发展，越来越多的CMOS芯片应用在各种电子产品中，但在电子产品系统的设计过程中，随着CMOS工艺尺寸越求越小，单位面积上集成的晶体管越来越多，极大地降低了芯片的成本，提高了芯片的运算速度。

但是，随着工艺的进步和尺寸的减小，静电释放(ESD)，Elecyro Static Discharge)问题变得日益严峻。据统计，在集成电路设计中大约40%的失效电路是ESD问题造成的。

MOS晶体管是绝缘栅器件，栅极通过薄氧化层和其他电极之间绝缘。如果栅氧化层有较大的电压，会造成氧化层击穿，使器件永久破坏。

随着器件尺寸减少，栅氧化层不断减薄，氧化层能承受的电压也不断下降，引起氧化层本征击穿的电场强度约为1 X 107V/cm。如栅氧化层厚度是50 nm 则可承受的最大电压约50 V，当栅氧化层厚度减少到5 nm，则所能承受的最大电压约为5 V。因此外界的噪声电压容易引起栅击穿。

特别是外界各种杂散电荷会在栅极上积累，由于MOS 晶体管的栅电容很小，只要少量的电荷就能形成很大的等效栅压，引起器件和电路失效，这就是ESD问题。例如，人体所带的静电荷可产生高达几kV的电压，在80%的湿度情况下，人走过化纤地毯可能产生1.5 kV静电压。ESD对CMOS集成电路的损伤，不仅会引起MOS器件栅击穿，还可能诱发电路内部发生闩锁效畸应。

另外，静电释放产生的瞬时大电流可能造成芯片局部发热，损害器件和电路。在一般的条件下，ESD不会导致器件即时失效，它往往潜伏在集成电路器件中，这种存在有潜在缺陷的器件在使用时容易失效。

特别是在深亚微米CMOS工艺中，由于溥栅氧化层的击穿电压较低，必须加入有效的在片ESD保护电路以箝位加到内部电路栅氧化层上的过充电压。

1 ESD放电模式与设计方案

电路的输入或输出端与电源和地之间的ESD应力有4种模式

在集成电路中和外界相连的输入、输出端子比内部器什更容易受到ESD损伤。一般电路的输入或输出端与电源和地之间的ESD应力有4种模式：

(1)某一输入(或输出)端对地的正脉冲电压(PS模式)：VSS接地，ESD正电压加到该输入输出端，对VSS放电，VDD与其他管脚悬空。

(2)某一输入(或输出)端对地的负脉冲电压(NS模式)：VSS接地，ESD负电压加到该输入输出端，对VSS放电，VDD与其他管脚脚悬空。

(3)某一个输入或输出端相对VDD端的正脉冲电压(PD模式)：VDD接地，ESD正电压加到该输入输出端，对VDD放电，VSS与其他管脚悬空。

(4)某一个输入或输出端相对VDD端的负脉冲电压(ND模式)：VDD接地，ESD负电压加在该输入输出端，对VDD放电，VSS与其他管脚悬空。

防止集成电路芯片输入、输出端受到ESD应力损伤的方法是在芯片的输入和输出端增加ESD保护电路。保护电路的作用主要有两方面：一是提供ESD电流的释放通路;二是电压钳位，防止过大的电压加到MOS器件上。

对CMOS集成电路连接到压点的输入端常采用双二极管保护电镀，图2所示为常见的ESD 保护电路的结构：双二极管保护电路。

二极管D1是和PMOS源、漏区同时形成的，是p+n-结构，二极管D2是和NMOS源、漏区

同时形成的，是n+p-结构。当压点相对地出现负脉冲应力，则二极管D2导通，导通的二极管和电阻形成ESD电流的泄放通路。

当压点相对地出现正脉冲应力，使二极管D2击穿，只要二极管D2击穿电压低于栅氧化层的击穿电压，就可以起到保护作用。类似的，当压点相对电源出现正脉冲或负脉冲应力，二极管D1起保护作用，提供静电荷的泄放通路。

这两个二极管把加到输入级MOS晶体管栅极的电压范围如式(1)所示：-0．7

假设二极管的正向导通电压是0.7 V。电阻的作用是限制流过二极管的电流。由于ESD 应力电压都是短暂的脉冲信号，只要电流不是非常大，二极管不会被烧坏，可以持续起保护作用。图2中使用二极管作为I/O端的ESD保护电路，主要提供PD和NS模式下的电流泄放通路，但对于ND模式和PS模式，二极管处于反偏状态，反偏箝位电压过高，电流泄放能力较弱，导通电阻较高，使箝位能力不够，且产生的热量较大。

图3中电路主要用于双极工艺，采用一个基极接VDD地PNP三极管和一个基极接地的NPN 三极管共同构成ESD保护电路。采用这种保护电路，相对于二极管，在ND和PS模式下，可以工作在Snapback状态，具有较强的电流泄放能力和较低的维持电压。

2 ESD保护电路

对深亚微米CMOS集成电路，栅氧化层的击穿电压很小，常规二极管的击穿电压较大，不能起到很好的保护作用。因此可以增加离子注入提高二极管的衬底浓度，形成p+n+和n+p+结构来降低二极管的击穿电压。

考虑到准备流片的多功能数字芯片要采用CSMC2P2M 0.6μm标准的COMS工艺，在设计中采用了的ESD保护电路，用一个栅接地的NMOS管和一个栅接VDD的PMOS管共同构成输入ESD保护电路。

另外，由于设计的ESD保护电路的MOS官尺寸大，所以在版图上画成多个插指，同时由于保护电路的MOS管尺寸较大，其漏源区pn结又可以起到二极管保护作用。图4所示为设计采用的ESD保护电路的原理图和版图。

图5所示为一款多功能数字芯片的版图照片和封装示意图，表1为管脚对应图在多功能数字芯片的设计中，在输入端使用了设计的ESD保护电路，另外，由于所设计的多功能数字芯片，在输出端设计了尺寸较大的MOS管构成的反相器来提高芯片的驱动能力，这些MOS管的漏区和衬底形成的pn结就相当于一个大面积的二极管，可以起到ESD保护作用。

因此，一般可不用增加ESD保护器件，但由于需要在芯片流片后首先进行在片测试，所以在芯片的输出端加上了与输入端同样的ESD保护电路。

3 ESD保护电路在流片后的测试情况

图6所示为流片后的多功能数字芯片的在片测试波形，由测试波形可以看出，ESD保护电路对多功能数字芯片起到保护作用。

4 结束语

系统介绍了ESD保护电路;分析了不同的传统ESD保护电路的设计原理和优缺点。在此基础上，基于CSMC 2P2M 0.6μm标准的COMS工艺，进行ESD保护电路的版图设计和验证，并在一款多功能数字芯片上应用，该芯片参与了MPW计划进行流片。测试结果显示该ESD保护电路能直接应用到各种集成电路芯片中。

ESD(静电放电)及ESD保护电路的设计

什么是ESD（静电放电）及ESD保护电路的设计 学习资料2008-12-09 08:27:57 阅读592 评论1 字号：大中小订阅 来源：电子系统设计 静电放电(E SD，electrostatic discharge )是在电子装配中电路板与元件损害的一个熟悉而低估的根源。它影响每一个制造商，无任其大小。虽然许多人认为他们是在E SD安全的环境中生产产品，但事实上，E SD有关的损害继续给世界的电子制造工业带来每年数十亿美元的代价。 E SD究竟是什么？静电放电(E SD)定义为，给或者从原先已经有静电(固定的)的电荷(电子不足或过剩)放电(电子流)。电荷在两种条件下是稳定的： 当它“陷入”导电性的但是电气绝缘的物体上，如，有塑料柄的金属的螺丝起子。 当它居留在绝缘表面(如塑料)，不能在上面流动时。 可是，如果带有足够高电荷的电气绝缘的导体(螺丝起子)靠近有相反电势的集成电路(IC)时，电荷“跨接”，引起静电放电(E SD)。 E SD以极高的强度很迅速地发生，通常将产生足够的热量熔化半导体芯片的内部电路，在电子显微镜下外表象向外吹出的小子弹孔，引起即时的和不可逆转的损坏。 更加严重的是，这种危害只有十分之一的情况坏到引起在最后测试的整个元件失效。其它90%的情况，E SD 损坏只引起部分的降级- 意味着损坏的元件可毫无察觉地通过最后测试，而只在发货到顾客之后出现过早的现场失效。其结果是最损声誉的，对一个制造商纠正任何制造缺陷最付代价的地方。 可是，控制E SD的主要困难是，它是不可见的，但又能达到损坏电子元件的地步。产生可以听见“嘀哒”一声的放电需要累积大约2000伏的相当较大的电荷，而3000伏可以感觉小的电击，5000伏可以看见火花。 例如，诸如互补金属氧化物半导体(CMOS, complementary metal oxide semiconductor)或电气可编程只读内存(E PROM, electricall programmable read-only memory)这些常见元件，可分别被只有250伏和100伏的E SD电势差所破坏，而越来越多的敏感的现代元件，包括奔腾处理器，只要5伏就可毁掉。 该问题被每天的引起损害的活动复合在一起。例如，从乙烯基的工厂地板走过，在地板表面和鞋子之间产生摩擦。其结果是纯电荷的物体，累积达到3~2000伏的电荷，取决于局部空气的相当湿度。 甚至工人在台上的自然移动所形成的摩擦都可产生400~6000伏。如果在拆开或包装泡沫盒或泡泡袋中的PCB期间，工人已经处理绝缘体，那么在工人身体表面累积的净电荷可达到大约26000伏。 因此，作为主要的E SD危害来源，所有进入静电保护区域(E P A, electrostatic protected area)的工作人员必须接地，以防止任何电荷累积，并且所有表面应该接地，以维持所有东西都在相同的电势，防止E SD发生。 用来防止E SD的主要产品是碗带(wri s tband)，有卷毛灯芯绒和耗散性表面或垫料- 两者都必须正确接地。另外的辅助物诸如耗散性鞋类或踵带和合适的衣服，都是设计用来防止人员在静电保护区域(EP A)移动时累积和保持净电荷。 在装配期间和之后，P CB也应该防止来自内部和外表运输中的E SD。有许多电路板包装产品可用于这方面，包括屏蔽袋、装运箱和可移动推车。虽然以上设备的正确使用将防止90%的E SD有关的问题，但是为了达到最后10%，需要另一种保护：离子化。

角度传感器应用电路设计

磁阻式传感器KMZ41的特点： 内部包含有两个有磁阻构成的、位置成正交的、独立的电桥（Wheatstone Bridge）。其内部结构如下图所示： 将KMZ41置于有X轴、Y轴构成的平面上，当旋转磁场强度变化时，KMZ41就会产生两路正弦输出的信号，两信号的相位差就代表芯片轴向与磁场方向的夹角a，输出信号波形如下图所示： 图1 图2 图1为KMZ41产生的两路正弦输出信号；图2为芯片轴向与磁场方向的夹角。UZZ9001的内部结构与工作原理： UZZ9001的芯片内部包括A/D转换器1和A/D转换器2、滤波器、算法逻辑、SPI接口、时钟振荡器、；逻辑控制及复位等。UZZ9001Y与KMZ41连接，能够将磁阻式传感器KMZ41输出的两个有相位差的正弦信号转换成数字信号输出，与微控制器配套构成一个角度测量系统。 *

角度传感器部分设计： 方案一 由UZZ9000和KMZ41构成的角度检测电路： UZZ9000为线性电压输出式角度传感器调理器电路，输出电压与被测角度信号成正比；测量角度的范围是0~180°，且在0~100°范围内；测量误差小于±0.45°分辨力达0.1°；测量范围和输出零点均可调节；电源电压范围为+4.5~+5.5V；电源电流为10mA；工作温度范围是-40~+150℃。 由UZZ9000和KMZ41构成的电压输出式角度检测电路如图所示。改变R2和R3的比值，可以调节传感器1的偏移量；改变R4和R5的阻值，可以调节传感器2的偏移量；改变R6和R7的比值，可以调节零点偏移；改变R8和R9的比值；可以调节测量角度范围。电阻R2~R9可以采用电位器代替。电路输出电压送至数字电压表或者微控制器系统，即可显示出被测角度值。该电路可广泛用于发动机凸轮/曲轴速度及位置检测、节流阀控制、转向操作控制、汽车中的ABS系统等领域。 注：1.设置角度范围。在UZZ9000的引脚端13加上不同的外部电压可以选择0~30到0~180共16个不同的角度范围。

esd保护电路

CMOS电路中ESD保护结构的设计 上海交通大学微电子工程系王大睿 1 引言 静电放电(ESD，Electrostatic Discharge)给电子器件环境会带来破坏性的后果。它是造成集成电路失效的主要原因之一。随着集成电路工艺不断发展，互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor)的特征尺寸不断缩小，金属氧化物半导体(MOS，Metal-Oxide Semiconductor)的栅氧厚度越来越薄，MOS管能承受的电流和电压也越来越小，因此要进一步优化电路的抗ESD性能，需要从全芯片ESD保护结构的设计来进行考虑。 2 ESD的测试方法 ESD模型常见的有三种，人体模型(HBM，Hu-man Body Model)、充电器件模型(CDM，Charge DeviceModel)和机器模型(MM，Machine Mode)，其中以人体模型最为通行。一般的商用芯片，要求能够通过2kV静电电压的HBM检测。对于HBM放电，其电流可在几百纳秒内达到几安培，足以损坏芯片内部的电路。 ，所以对I／O引脚会进行以下六种测试：

1) PS模式：VSS接地，引脚施加正的ESD电压，对VSS放电，其余引脚悬空； 2) NS模式：VSS接地，引脚施加负的ESD电压，对VSS放电，其余引脚悬空； 3) PD模式：VDD接地，引脚施加正的ESD电压，对VDD放电，其余引脚悬空； 4) ND模式：VDD接地，引脚施加负的ESD电压，对VDD放电，其余引脚悬空； 5) 引脚对引脚正向模式：引脚施加正的ESD电压，其余所有I／O引脚一起接地，VDD和VSS引脚悬空； 6) 引脚对引脚反向模式：引脚施加负的：ESD电压，其余所有I／O引脚一起接地，VDD和VSS引脚悬空。 VDD引脚只需进行(1)(2)项测试 3 ESD保护原理 ESD保护电路的设计目的就是要避免上作电路成为ESD的放电通路而遭到损害，保证在任意两芯片引脚之间发生的ESD，都有适合的低阻旁路将ESD电流引入电源线。这个低阻旁路不但要能吸收ESD电流，还要能钳位工作电路的电压，防止工作电路由于电压过载而受损。这条电路通路还需要有很好的工作稳定性，能在ESD发生时陕速响应，而且还不能对芯片正常工作电路有影响。 4 CMOS电路ESD保护结构的设计 根据ESD的测试方法以及ESD保护电路的原理可知，在芯片中我们需要建立六种低阻ESD电流通路，它们分别是： 1) 引脚焊块(PAD)到VSS的低阻放电通路 2) VSS到PAD的低阻放电通路

传感器应用电路设计.

传感器应用电路设计 电子温度计 学校：贵州航天职业技术学院 班级：2011级应用电子技术 指导老师： 姓名： 组员：

摘要 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 本文将介绍一种基于单片机控制的数字温度计。在件方面介绍单片机温度控制系统的设计,对硬件原理图做简洁的描述。系统程序主要包括主程序、读出温度子程序、温度转换命令子程序、计算温度子程序、显示数据刷新子程序。软硬件分别调试完成以后，将程序下载入单片机中，电路板接上电源，电源指示灯亮，按下开关按钮，数码管显示当前温度。由于采用了智能温度传感器DS18B20，所以本文所介绍的数字温度计与传统的温度计相比它的转换速率极快，进行读、写操作非常简便。它具有数字化输出，可测量远距离的点温度。系统具有微型化、微功耗、测量精度高、功能强大等特点，加之DS18B20内部的差错检验，所以它的抗干扰能力强，性能可靠，结构简单。 随着科技的不断发展，现代社会对各种信息参数的准确度和精确度的要求都有了几何级的增长，而如何准确而又迅速的获得这些参数就需要受制于现代信息基础的发展水平。在三大信息信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)中，传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器技术，在我国各领域已经引用的非常广泛，可以说是渗透到社会的每一个领域，人民的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。 测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了三个发展阶段：①传统的分立式温度传感器②模拟集成温度传感器③智能集成温度传感器。 目前的智能温度传感器(亦称数字温度传器)是在20世纪90年代中期问世的，它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU)。社会的发展使人们对

电路中的ESD保护

电路中的ESD保护 ESD的意思是“静电释放”。集成电路器件工作在一定的电压、电流和功耗限定范围内，大量聚集的静电荷在条件适宜是就会产生高压放电，静电放电通过器件引线的高压瞬时传送，可能会使氧化层断开，造成器件的功能失常。 静电的产生主要包括：摩擦起电、感应起电和接触起电。 ESD保护器件的原理，ESD保护二极管是一种新型的集成化的静电保护器件，其内部相当于是一个齐纳稳压二极管，当输入电流超过它的额定电压时，就会被击穿，把过多的电能量导回大地，以起到保护电路的作用。 ESD保护器件一般接在外部接口处，防止外部产生的静电对电路内部造成影响。 ESD器件的主要性能参数 1、最大工作电压，即是允许长时间连续施加在保护器件两端的电压，在此工作状态下，ESD保护器件不导通，保持高祖状态。 2、击穿电压，即是ESD器件开始工作时的导通电压。 3、钳位电压，即是ESD器件流过峰值电流时，其两端呈现的电压，超过此电压，可能造成ESD器件的永久性损伤。 4、漏电流，在指定的直流电压下，通过ESD器件的电流，一般是nA级的，此电流越小，对被保护电路的影响越小。 5、电容，在给定电压、频率条件下测得的值，此值越小，对被保护的信号传输影响就越小。 6、响应时间，指ESD器件对输入电压钳制到预定电压的时间。 ESD保护器件 TVS管即瞬态抑制二极管是一种二极管形式的高效保护器件，利用P-N结的反向击穿工作原理，将静电高压导入大地，从而保护了电器内部对静电敏感的器件。当TVS二极管的瞬时电压超过电路正常工作电压时，TVS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果就是瞬时电流通过二极管被引开，避开可被保护器件，并且在电路恢复正常值之前使被保护回路一直处于截止状态，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。TVS二极管的工作特性曲线如下图所示

粮仓智能传感器设计

用于粮仓领域的智能温度传感器的设计 摘要： 近年来随着计算机在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入， 同时带动传统控制检测日新月益更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应 根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。 系统以AT89C51 单片机为控制核心，利用新型一线制温度传感器DS18B20 测量温度值，实现粮仓环境温度的检测和报警。本文给出了由AT89C51 单片机和 DS18B20 构成的单总线温度测量系统的硬件电路及软件流程图。该系统具有测点多、精度高、速度快、稳定性好、报警及时等特点,也可应用于其它相关的温度控制系统，通用性较强。 关键词：一线总线；DS18B20；AT89C51；数字温度传感器 Abstract：The system for the control of the core is AT89C51,the temperature sensors DS18B20 is used to measure temperature and this system can realize ambient temperature measurement and alarm. This article introduces the hardware circuit which the software flow chart constitutes by AT89C51 monolithic integrated circuit and DS18B20. This system has many measuring point, high-precision, wide range of temperature monitoring, good stability and alarms timely, it may also be applied in other related temperature control system and the versatility is strong. Keywords：1-Wire TM；DS18B20；AT89C51；Digit Temperature Densor

集成电路的ESD保护

集成电路的ESD保护 概述 静电放电(ESD)会对集成电路(IC)造成破坏性的能量冲击，良好的IC设计能够在IC 装配到应用电路的过程中保护IC免遭ESD冲击的破坏。安装后，IC还必须能够承受ESD穿过静电防护电路进入最终电路的冲击。除此之外，机械防护、电源去耦电容都有助于提高ESD保护能力，但是，如果电容选择不当将会造成IC更容易损坏。为了给IC提供合理的ESD保护，需要考虑以下内容。 ?冲击IC的ESD传递模式 ?内部ESD保护 ?应用电路与IC内部ESD保护的相互配合 ?修改应用电路提高IC的ESD保护能力 ESD传递模式 静电放电强度以电压形式表示，该电压由电容的储能电荷产生，最终传递到IC。作用到IC的电压和电流强度与IC和ESD源之间的阻抗有关。对电荷来源进行评估后建立了ESD测试模型。 ESD测试中一般使用两种充电模式(图1)，人体模式(HBM)下将电荷储存在人体内(100pF等效电容)，通过人体皮肤放电(1.5kΩ等效电阻)。机器模式(MM)下将电荷储存在金属物体，机器模式中的放电只受内部连接电感的限制。 图1. ESD测试模型 以下概念对于评估ESD向IC的传递非常有用：

1. 电压高于标称电源电压时，IC阻抗较低。 对于图1中的HBM模式：Z S = Z HBM = 1.5kΩ 2. 在MM模式下，电流受特征阻抗(约50Ω)的限制。 上述特征阻抗的计算可以从低阻L-C电路的能量(E)推导出来： 3. 如果ESD电流主要流入电源去耦电容，IC电压由储存的电荷量决定： Q = C x V和Q Final = Q Initial V1 x (C0 + C1) = V ESD x C0 (见图1) 4. 能够在瞬间导致IC损坏的能量相当于微焦级，有外部电源去耦电容时，考 虑这一点非常重要，图1中从电源电容(C1)传递到IC的能量是： 5. 耗散功率(P)会产生一定热量，假设能量经过一段较长的时间(t)释放掉，热量 将随之降低： ESD能量传递到低阻电路时需要考虑其电流(上述第1、2条)；对于高阻而言，能量以电压形式通过电荷转移传递到电源去耦电容和寄生电容(第3条)。对IC造成损坏的典型能量是在不到一个毫秒的时间内将微焦级能量释放到IC (第4、5条)。 IC内部保护电路 标准保护方案是限制到达IC核心电路的电压和电流。图1所示保护器件包括：?ESD二极管—在信号引脚与电源或地之间提供一个低阻通道，与极性有关。 ?电源箝位—连接在电源之间，正常供电条件下不汲取电流，出现ESD冲击时呈低阻。 ESD二极管 如果对IC引脚进行HBM测试，测试电路的初始电压是2kV，通过ESD二极管的电流约为1.33A (图2)：

半导体传感器应用电路设计

东北石油大学 课程设计 2012年6 月25

任务书 课程传感器课程设计 题目半导体传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名学号 主要内容： 利用温度传感器和热电偶设计制作一个温度测量系统。参考利用半导体温度传感器AD590和单片机技术设计制作一个显示室温的数字温度计的设计提示与分析。进一步了解有关温度传感器的工作原理，制定设计方案，确定温度传感器的型号等参数，掌握温度的检测方法。 基本要求： 1、详细了解所选用的温度传感器的工作原理，工作特性等 2、设计合理的信号调理电路，并列出制作该装置的元器件。 主要参考资料： [1]刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2006.45-48. [2]王雪文，张志勇.传感器原理及应用[M].北京：航空大学出版社，2004.27-34. [3]张福学.现代实用传感器电路[M].北京：中国计量出版社，1997.16-24. [4]缪家鼎，徐文娟，牟同升.光电技术[M].杭州：浙江大学出版社，1987.22-27. 完成期限2012.6.25—2012.6.29 指导教师 专业负责人 2012年6 月25 日

摘要 传感器属于信息技术的前沿尖端产品,尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域,数量高居各种传感器之首。半导体传感器是利用某些半导体的电阻随温度变化而变化的特性制成的。半导体具有很宽的温度反应特性,各种半导体的温度反应区段不同。利用半导体温度传感器AD590 设计制作一个温度测量系统,AD590是一种集成温度传感器，其实质是一种半导体集成电路。集成温度传感器的线性度好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。 关键词：关键词传感器；半导体；温度传感器；AD590

完整ESD及EMI保护方案

完整ESD及EMI保护方案 对于电子产品而言，保护电路是为了防止电路中的关键敏感型器件受到过流、过压、过热等冲击的损害。保护电路的优劣对电子产品的质量和寿命至关重要。随着消费类电子产品需求的持续增长，更要求有强固的静电放电(ESD)保护，同时还要减少不必要的电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)噪声。此外，消费者希望最新款的消费电子产品可以用小尺寸设备满足越来越高的下载和带宽能力。随着设备的越来越小和融入性能的不断增加，ESD以及许多情况下的EMI/RFI抑制已无法涵盖在驱动所需接口的新一代IC当中。另外，先进的系统级芯片(SoC)设计都是采用几何尺寸很小的工艺制造的。为了优化功能和芯片尺寸，IC设计人员一直在不断减少其设计的功能的最小尺寸。IC尺寸的缩小导致器件更容易受到ESD电压的损害。过去，设计人员只要选择符合IEC61000-4-2规范的一个保护产品就足够了。因此，大多数保 护产品的数据表只包括符合评级要求。由于集成电路变得越来越敏感，较新的设计都有保护元件来满足标准评级，但ESD冲击仍会形成过高的电压，有可能损坏IC。因此，设计人员必 须选择一个或几个保护产品，不仅要符合ESD脉冲要求，而且也可以将ESD冲击钳位到足够低的电压，以确保IC得到保护。图1：美国静电放电协会(ESDA)的ESD保护要求先进技术实现强大ESD保护安森美半导体的ESD钳位性能备受业界推崇，钳位性能可从几种方法观察和量化。使用几个标准工具即可测量独立ESD保护器件或集成器件的ESD钳位能力，包括ESD保护功能。第一个工具是ESD IEC61000-4-2 ESD脉冲响应截图，显示的是随 时间推移的钳位电压响应，可以看出ESD事件中下游器件的情形。图2：ESD钳钳位截图 除了ESD钳位屏幕截图，另一种方法是测量传输线路脉冲(TLP)来评估ESD钳位性能。由于ESD事件是一个很短的瞬态脉冲，TLP可以测量电流与电压(I-V)数据，其中每个数据点都是从短方脉冲获得的。TLP I-V曲线和参数可以用来比较不同TVS器件的属性，也可用于预测电路的ESD钳位性能。图3：典型TLP I-V曲线图安森美半导体提供的高速接口ESD 保护保护器件阵容有两种类型。第一类最容易实现，被称为传统设计保护。在这种类型设计中，信号线在器件下运行。这些器件通常是电容最低的产品。另一类是采用 PicoGuard® XS技术的产品。这种类型设计使用阻抗匹配(Impedance Matched)电路，可保证100 Ω的阻抗，相当于电容为零。这类设计无需并联电感，有助于最大限度地减少封装引起的ESD电压尖峰。图4：传统方法与PicoGuard® XS设计方法的 对比安森美半导体的保护和滤波解决方案均基于传统硅芯片工艺技术。相比之下，其它类型的

MOS芯片的ESD保护电路设计

MOS芯片的ESD保护电路设计 随着CMOS集成电路产业的高速发展，越来越多的CMOS芯片应用在各种电子产品中，但在电子产品系统的设计过程中，随着CMOS工艺尺寸越求越小，单位面积上集成的晶体管越来越多，极大地降低了芯片的成本，提高了芯片的运算速度。 但是，随着工艺的进步和尺寸的减小，静电释放(ESD)，Elecyro Static Discharge)问题变得日益严峻。据统计，在集成电路设计中大约40%的失效电路是ESD问题造成的。 MOS晶体管是绝缘栅器件，栅极通过薄氧化层和其他电极之间绝缘。如果栅氧化层有较大的电压，会造成氧化层击穿，使器件永久破坏。 随着器件尺寸减少，栅氧化层不断减薄，氧化层能承受的电压也不断下降，引起氧化层本征击穿的电场强度约为1 X 107V/cm。如栅氧化层厚度是50 nm 则可承受的最大电压约50 V，当栅氧化层厚度减少到5 nm，则所能承受的最大电压约为5 V。因此外界的噪声电压容易引起栅击穿。 特别是外界各种杂散电荷会在栅极上积累，由于MOS 晶体管的栅电容很小，只要少量的电荷就能形成很大的等效栅压，引起器件和电路失效，这就是ESD问题。例如，人体所带的静电荷可产生高达几kV的电压，在80%的湿度情况下，人走过化纤地毯可能产生1.5 kV静电压。ESD对CMOS集成电路的损伤，不仅会引起MOS器件栅击穿，还可能诱发电路内部发生闩锁效畸应。 另外，静电释放产生的瞬时大电流可能造成芯片局部发热，损害器件和电路。在一般的条件下，ESD不会导致器件即时失效，它往往潜伏在集成电路器件中，这种存在有潜在缺陷的器件在使用时容易失效。 特别是在深亚微米CMOS工艺中，由于溥栅氧化层的击穿电压较低，必须加入有效的在片ESD保护电路以箝位加到内部电路栅氧化层上的过充电压。 1 ESD放电模式与设计方案 电路的输入或输出端与电源和地之间的ESD应力有4种模式 在集成电路中和外界相连的输入、输出端子比内部器什更容易受到ESD损伤。一般电路的输入或输出端与电源和地之间的ESD应力有4种模式： (1)某一输入(或输出)端对地的正脉冲电压(PS模式)：VSS接地，ESD正电压加到该输入输出端，对VSS放电，VDD与其他管脚悬空。 (2)某一输入(或输出)端对地的负脉冲电压(NS模式)：VSS接地，ESD负电压加到该输入输出端，对VSS放电，VDD与其他管脚脚悬空。 (3)某一个输入或输出端相对VDD端的正脉冲电压(PD模式)：VDD接地，ESD正电压加到该输入输出端，对VDD放电，VSS与其他管脚悬空。 (4)某一个输入或输出端相对VDD端的负脉冲电压(ND模式)：VDD接地，ESD负电压加在该输入输出端，对VDD放电，VSS与其他管脚悬空。 防止集成电路芯片输入、输出端受到ESD应力损伤的方法是在芯片的输入和输出端增加ESD保护电路。保护电路的作用主要有两方面：一是提供ESD电流的释放通路;二是电压钳位，防止过大的电压加到MOS器件上。 对CMOS集成电路连接到压点的输入端常采用双二极管保护电镀，图2所示为常见的ESD 保护电路的结构：双二极管保护电路。 二极管D1是和PMOS源、漏区同时形成的，是p+n-结构，二极管D2是和NMOS源、漏区

光照强度传感器及其变送电路设计(范文)复习过程

光照强度传感器及其变送电路设计(范文)

重庆工业职业技术学院 毕业设计 课题名称：单片机流水灯设计 专业班级： 09电子301 学生姓名：魏玉玺 指导教师：王雪萍 二零一二年四月

光照强度传感器及其变送电路设计 【摘要】光照强度传感器是现代工业和日常生活中经常出现的一种基于光强变化的 检测器件，它可以检测出其接收到的光强的变化，主要使用各种光电元件来将光信 号转换成电信号，再经信号取样电路、放大电路和模数转换电路处理，获取表示光 照度的数字信号，再交由微处理器或ＤＳＰ处理。光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。本设计利用传感器设计的基本方法，设计 制作一个可以感知外界光照度变化的传感器，以实现对光照度信号的测量。 【关键词】：光照强度；传感器；变送电路 目录

第一章绪论 (4) 1.1引言 (4) 1.2传感器的概述 (4) 第二章系统设计 (5) 2.1光电传感器及敏感元件 (5) 2.1.1光敏电阻器……………………………………………………………………....... 5 2.1.2光敏二极管.............................................................. . (5) 2.1.3光敏晶体管 (6) 2.2光电传感器概述 (6) 2.3光电传感器工作原理 (6) 2.4光照传感器的设计 (8) 2.4.1设计方案一 (8) 2.4.2设计方案二 (9) 2.5方案比较 (10) 第三章变送电路硬件设计 (10) 3.1变送电路简介................................................................................ (10) 3.2热电阻二线制变送器的设计 (12) 3.2.1信号采集电路 (13) 3.2.2一级放大电路和线性化调整电路 (13) 3.2.3调零、电源平衡及二级放大电路……………………………………… 13 3.2.4调满电路和V/I转换电路…………………………………………………… 14 3．3 热电偶二线制变送器电路设计 (14) 3.3.1信号采集和一级放大电路 (14) 3.3.2 线性化调整电路和二级放大电路 (15)

ESD 保护 layout指南

Application Report SLVA680–February 2015 ESD Protection Layout Guide Guy Yater High Volume Linear ABSTRACT Successfully protecting a system against electrostatic discharge (ESD)is largely dependent on the printed circuit board (PCB)design.While selecting the proper transient voltage suppressor (TVS)founds the basis of an ESD protection strategy,its scope is not covered here.ESD selection guides are available in Technical Documents at https://www.sodocs.net/doc/49364005.html,/esd for guidance in choosing the correct type of TVS diode for a particular system.With the proper TVS selected,designing a PCB Layout that leverages the strategies outlined in this ESD Layout Guide will provide the PCB designer with an avenue towards successfully protecting a system against ESD. Contents 1 Introduction ...................................................................................................................11.1Optimizing Impedance for Dissipating ESD .....................................................................31.2Limiting EMI from ESD .............................................................................................41.3Routing with VIAs ...................................................................................................51.4Optimizing Ground Schemes for ESD (6) 2Conclusion (8) 1Introduction An ESD event rapidly forces current (see Figure 1),I ESD ,into a system,usually through a user interface such as a cable connection,or a human input device like a key on a keyboard.Protecting a system against ESD using a TVS relies upon the TVS being able to shunt I ESD to ground.Optimizing a PCB Layout for ESD suppression is largely dependant on designing the path to ground for I ESD with as little impedance as possible.During an ESD event,the voltage presented to the protected integrated circuit (Protected IC),V ESD ,is a function of I ESD and the impedance presented to it.Since the designer has no control over I ESD ,lowering the impedance to ground is the primary means available for minimizing V ESD .Lowering the impedance presents several challenges.Mainly,it cannot be of zero impedance,or the signal line being protected would be shorted to ground.In order for the circuit to have a realistic application,the protected line needs to be able to maintain some voltage,usually under a high impedance to ground.This is where the TVS becomes applicable. Figure 1.IEC 61000-4-2Compliant Level 4(8kV ESD)Waveform 1 SLVA680–February 2015 ESD Protection Layout Guide Submit Documentation Feedback Copyright ?2015,Texas Instruments Incorporated

ESD防护与电路设计经验

ESD 防护与电路设计 陶显芳 2013.04.10

静电的产生与防护GB/T17626.2 IEC61000-4-2

物体B 两种不同性质的物体接触在一起，因原子外层电子的能级不同，在其接触的界面处就会产生接点电位差，并产生势垒电荷；当把接触在一起的两种物体进行分离时，两个物体都会带电，这种带电称为静电。由于绝缘体中被极化带电的分子来不及中和，所以绝缘体带电要比导体严重。 带电物体通过电场的作用，会对其周边的物体产生感应，使周边物体产生极化带电；在电场不断产生变化的时候，如果极化带电变化的速度跟不上电场变化的速度，物体就会产生分离带电，即：一个带正电，另一个带负电。很多高分子绝缘材料，其极化带电变化的速度比较慢，所以很容易感应带电，因此，当两种不同性质的高分子绝缘体互相接触后再分离，其带电比其它物质严重，经过

静电抗扰度试验的目的 在天气比较干燥的冬天， 通过皮鞋与地毯摩擦，或不同 材料的衣服互相摩擦，人体很 容易会带上静电，其电压最高 可达15kV。如果人体带上这 个高压静电之后，再触摸一些 敏感电子设备，这些电子设备 中的敏感元器件就很容易被击 穿损坏。右图是电子产品静电 抗扰度试验室的设备配置图， 静电抗扰度试验主要就是模拟 人体带电（静电）对电子产品 的影响或损伤。 静电抗扰度试验一般都称为 ESD（Electro-Static– discharge，静电释放）。

（a）图1 （b）

静电抗扰度试验要点 静电抗扰度试验的关键设备是静 电放电枪，右图是静电放电枪的工 作原理图，试验时，150P电容被充 上2000V以上的电压（模仿人体带 电），然后通过探头与被测设备的 外壳，输入、输出接口，直接触或 部分接触进行放电；或通过探头与 被测设备内部电路的分布电容，以 及被测设备与地之间的电容产生静 电感应，使设备中的敏感元器件感 应带电；或通过对被测设备周边的 导体进行放电所产生的高频电磁场 对被测设备的干扰，以此方法来检 测设备对静电放电或静电感应的承 受能力。

电阻式传感器应用电路设计(DOC)

课程设计 2012年6 月25

任务书 课程传感器课程设计 题目电阻式传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器11—1 姓名李宠学号110601220127 主要内容： 本设计是基于电阻式传感器的应用电路设计，其主要包括三个环节即：敏感环节（金属应变片全桥电路）、放大环节（放大器）、转换处理环节（A/D转换和单片机处理）。金属应变片感受外界力的作用，将非物理参量转换为电参量，然后经后续电路放大、A/D转换和单片机处理显示。 基本要求： 1、设计一个电阻式传感器的应用电路。 2、对本设计进行测试、评估。 3、说明所用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、写明电路工作原理、注明元器件选取参数、进行方案比较。 主要参考资料： [1] 阎石.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社.2005.12 [2] 刘润华，刘立山.模拟电子技术[J].自动化仪表.2005.6:21-23. [3] 黄贤武，郑筱霞.传感器及其应用[M].北京：高等教育出版社.2004.3:22-28 [4] 张刚毅.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社.2006.8:295-297 完成期限2012.7.1—2012.7.11 指导教师 专业负责人 2012年7 月7 日

摘要 在一些工程实践中，我们不免对力进行测量，在众多测力传感器中，电阻式传感器以其体积小、灵敏度高、频率响应范围大等众多优点得到了广泛的应用。 本设计选用应变式电阻传感器。应变式电阻组成全桥差动电桥，当电阻受到力的作用时，电阻会发生形变导致阻值发生变化，从而使电桥失去平衡产生一个输出值，输出值经放大器放大后，经A/D转换送入单片机，然后由单片机分析处理显示。经过多次测试，证实该系统能长时间稳定工作，完全满足设计要求指标。 本设计能学以致用，充分了解电阻式触感器的应用原理，理论联系实际，能够加深对传感器的理解。 关键词：应变式电阻；放大器；单片机；A/D转换

CMOS 电路中ESD 保护结构的设计

CMOS电路中ESD保护结构的设计 作者 王大睿 上海交通大学 微电子工程系 摘 要：本文研究了在CMOS 工艺中I/O 电路的 ESD保护结构设计以及相关版图的要求，其中重点讨论了PAD到VSS电流通路的建立。 关键词：ESD保护电路，ESD设计窗口，ESD 电流通路 Construction Strategy of ESD Protection Circuit Abstract：The principles used to construct ESD protection on circuits and the basic concept ions of ESD protection design are presented. Key words：ESD protection/On circuit, ESD design window, ESD current path 1引言 静电放电（ESD，Electrostatic Discharge）给电子器件环境会带来破坏性的后果。它是造成集成电路失效的主要原因之一。随着集成电路工艺不断发展，互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor）的特征尺寸不断缩小，金属氧化物半导体(MOS, Metal-Oxide Semiconductor)的栅氧厚度越来越薄，MOS管能承受的电流和电压也越来越小，因此要进一步优化电路的抗ESD性能，需要从全芯片ESD保护结构的设计来进行考虑。 2ESD的测试方法 ESD模型常见的有三种，人体模型（HBM ，Human Body Model)、充电器件模型(CDM，Charge Device Model)和机器模型(MM，Machine Mode)，其中以人体模型最为通行。一般的商用芯片，要求能够通过2kV静电电压的HBM检测。对于HBM放电，其电流可在几百纳秒内达到几安培，足以损坏芯片内部的电路。 图1 人体模式(HBM)的等效电路。人体的等效电阻为 1.5k?。 进入芯片的静电可以通过任意一个引脚放电，测试时，任意两个引脚之间都应该进行放电测试，每次放电检测都有正负两种极性，所以对I/O引脚会进行以下六种测试：

USB3.0应用的ESD保护原理图

USB3.0应用的ESD保护原理图 USB是通用串行总线的简称，这是目前个人计算机与其它外部设备联机使用最为广泛的一种传输接口。该接口最初由英特尔与微软公司倡导发起，其最大的特点是支持热插拔和随插即用，使用者不需要重新开机便可以直接安装或加载硬件驱动程序，使用起来比PCI和ISA 总线要方便很多。 USB 3.0接口分成主机(Host)端与设备(Device)端，必须先有主机端的支持，外围的设备端才能搭配。从芯片大厂英特尔及AMD已开始推出支持USB 3.0的南桥芯片，微软Windows 7也开始提供支持USB3.0的驱动，以及最近市面上的计算机及外围产品中已越来越多地标榜具有USB 3.0功能，可知USB 3.0取代USB 2.0已是既定的趋势。 USB3.0的数据传输速率比USB2.0快十倍，正好满足日益增长的对高画质、大容量存储的需求。无论是数字照片文档、影片文件、电子邮件数据或其它重要数据的复制或备份，甚至是整个计算机系统的备份，均可大幅缩减时间，提升工作效率。除了在计算机上的应用之外，手机与相机也大都使用USB与计算机连接传输数据，并利用USB进行充电。 为实现十倍于USB 2.0的传输速度，必须使用更先进的工艺来设计和制造USB 3.0控制芯片，这也造成USB 3.0的控制芯片对静电放电(ESD)的耐受能力快速下降。此外，当USB 3. 0被广泛用于传输影音数据时，对数据传输容错率会有更严格的要求，使用额外的保护组件来防止ESD事件对数据传输的干扰变得很有必要。除了传输速度的要求之外，USB另一个最重要的特点就是随插即用、随拔即关。但由于在USB传输线内部经常会累积静电，造成在热插拔动作下必然会有一些ESD现象发生，电子系统经常因此而发生工作异常、甚至造成USB连接端口组件毁坏，像ESD等瞬时噪声就是来自这个热插拔动作。 USB3.0连接端口保护组件的要素 ESD保护组件必须同时符合下面五项要求才适合用在USB3.0端口： 首先，ESD保护组件本身的寄生电容必须小于0.3pF，才不会影响USB3.0高达4.8Gbps的传输速率。其次，保护组件的ESD耐受能力必须够高，至少要能承受IEC61000-4-2接触模式8kV ESD的攻击。第三也是最重要的一项要求，在ESD事件发生期间保护组件必须提供够低的箝制电压，不能造成传输数据错误或遗漏，甚至造成系统产品内部电路损坏。第四，保护组件动作后的导通阻值必须够低，这样，除了可以降低箝制电压外，最大的优点是可让组件在遭受高能量ESD攻击时仍能保持低箝制电压，以避免出现保护组件未受损但系统内部电路已无法正常工作甚至损坏的情况。第五，单个芯片即可解决USB 3.0连接端口中所有信号线/电源线的ESD保护需求，尤其是使用在Micro USB接口时，这将大大降低设计布局的复杂度。 以上五项基本要求缺一不可，若有任何一项无法满足，则USB 3.0端口就无法被完善地保护。不过，同时符合以上五项要求的ESD保护组件其本身的设计难度相当高，若非具有丰富经验与扎实技术的设计团队将无法实现。