本應(yīng)用筆記考慮了集成電路（IC）的數(shù)據(jù)手冊(cè)外工作。它討論了等待沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)墨菲定律的工程師的陷阱，墨菲定律是任何可能出錯(cuò)的東西，都會(huì)在最糟糕的時(shí)候出錯(cuò)。本文回顧了經(jīng)驗(yàn)豐富和經(jīng)驗(yàn)不足的工程師的思維過(guò)程，以及他們?nèi)绾问闺娐访馐墉h(huán)境污染、射頻干擾和靜電放電的泄漏。

介紹

我相信墨菲定律是生活中的一般規(guī)則。墨菲定律說(shuō)，任何可能出錯(cuò)的事情都會(huì)在最糟糕的時(shí)候出錯(cuò)。維基百科用圖 1 所示的圖像說(shuō)明了墨菲定律的歷史。墨菲有時(shí)會(huì)制造火車(chē)殘骸。

維基百科解釋說(shuō)，1895年的出軌發(fā)生在格蘭維爾-巴黎快車(chē)越過(guò)緩沖站時(shí)。事故是由剎車(chē)故障和試圖彌補(bǔ)失去的時(shí)間的發(fā)動(dòng)機(jī)司機(jī)造成的。發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)站大廳附近滑過(guò)近30米（98英尺），撞穿60厘米（24英寸）厚的墻壁，穿過(guò)露臺(tái)，駛出車(chē)站，墜落到雷恩廣場(chǎng)10米（33英尺）以下，在那里它站在它的鼻子上。

標(biāo)準(zhǔn)器件測(cè)試和數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格

現(xiàn)在考慮墨菲定律如何影響已經(jīng)過(guò)測(cè)試并符合已發(fā)布規(guī)格的IC。重要的是要了解IC的測(cè)試方式與客戶應(yīng)用中IC的使用方式之間存在差異。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）上的測(cè)試時(shí)間非常昂貴;它是分一秒支付的。由于IC通常有許多可能的應(yīng)用，并且只有一個(gè)測(cè)試，因此制造商設(shè)定規(guī)格以滿足大多數(shù)應(yīng)用。然后定義一個(gè)測(cè)試程序，以最短的測(cè)試時(shí)間測(cè)試這些規(guī)范。IC行業(yè)的一句著名格言是：數(shù)據(jù)手冊(cè)描述了測(cè)試條件和規(guī)格。所有制造商都通過(guò)測(cè)試和/或模擬的組合來(lái)保證零件滿足最小值和最大值（這就是“設(shè)計(jì)保證”的意思）。

通?！巴ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)保證”的參數(shù)的一個(gè)例子是工作溫度范圍。該器件在一個(gè)溫度下進(jìn)行測(cè)試，“房間”，表示+25°C;它不會(huì)針對(duì)設(shè)備公布的工作范圍內(nèi)的每個(gè)溫度進(jìn)行測(cè)試。相反，設(shè)計(jì)仿真使我們能夠預(yù)測(cè)設(shè)備在整個(gè)溫度和過(guò)程變化范圍內(nèi)的運(yùn)行情況。此外，大多數(shù)制造商在參數(shù)周?chē)O(shè)置保護(hù)帶以允許這些變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，許多制造商將安全墻設(shè)置為“六西格瑪”，這是一種普遍接受的方式，用于說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)偏差滿足該參數(shù)規(guī)范的概率為 99.9997%。通過(guò)設(shè)計(jì)保證用于工作溫度范圍，而不是將測(cè)試時(shí)間增加三倍或更多。

如何在“數(shù)據(jù)手冊(cè)外”使用器件？

所有部分都有局限性。我們只是無(wú)法為所有可能的用途設(shè)計(jì)一個(gè)零件。即使有人嘗試過(guò)，也沒(méi)有人能負(fù)擔(dān)得起這樣的部分。這就是為什么有數(shù)以千計(jì)的邏輯器件和器件系列以及運(yùn)算放大器（op amp）和模數(shù)（ADC）和數(shù)模（DAC）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的原因。

圖2.以線性模擬方式使用的CMOS邏輯。

舉例來(lái)說(shuō)，幾年前發(fā)明了CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）邏輯。它被設(shè)計(jì)成廉價(jià)的數(shù)字邏輯。工程師們很快開(kāi)始以線性模擬方式將數(shù)字邏輯用于無(wú)窮無(wú)盡的應(yīng)用，這些應(yīng)用將從更便宜的IC器件中受益。在圖2a中，使用具有兩個(gè)電阻的邏輯反相器作為粗放大器。由此產(chǎn)生的設(shè)備的規(guī)格幾乎不足以工作。數(shù)據(jù)手冊(cè)沒(méi)有說(shuō)明此應(yīng)用，IC制造商不保證此用途的任何參數(shù)。因此，這種粗糙的放大器實(shí)際上是“數(shù)據(jù)外”使用的定義。聰明的工程師可以使用IC封裝中的所有六個(gè)逆變器。圖2b為運(yùn)算放大器增加了更大的電流驅(qū)動(dòng)能力。圖2c為振蕩器，圖2d與圖2a相同，增益更大。圖2e是一個(gè)4位DAC。如果我們用計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)圖2e，我們會(huì)得到一個(gè)樓梯發(fā)電機(jī)。添加一個(gè)窗口比較器，我們可以通過(guò)在DAC輸出與輸入電壓匹配時(shí)停止計(jì)數(shù)器來(lái)制作逐次逼近型ADC。

有時(shí)，新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或客戶特定產(chǎn)品是從數(shù)據(jù)表外使用演變而來(lái)的。客戶可能希望保證某個(gè)參數(shù)并聯(lián)系制造商：“如果您測(cè)試 x 和 y，我們將多付一點(diǎn)錢(qián)。我們今年將購(gòu)買(mǎi)一百萬(wàn)件”。至于新產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)邏輯系列曾經(jīng)使用發(fā)射極耦合邏輯（ECL）。它比當(dāng)時(shí)的大多數(shù)晶體管都快，因?yàn)榫w管以線性模式（模擬工程師的耳朵里有音樂(lè)）而不是較慢的飽和開(kāi)關(guān)晶體管運(yùn)行。第一批客戶和應(yīng)用使用接地和負(fù)電源。工程師不僅在模擬電路中嘗試使用它，還將其與接地和正電源一起使用。一個(gè)新的產(chǎn)品系列以PECL的明顯名稱(chēng)產(chǎn)生，用于正發(fā)射極耦合邏輯。

有時(shí)，器件在數(shù)據(jù)表外應(yīng)用中會(huì)被濫用。零件可能超頻;它們的運(yùn)行速度超過(guò)了數(shù)據(jù)手冊(cè)所保證的速度。這些部件可能會(huì)故意運(yùn)行得很熱，因?yàn)榭蛻粼敢饨档涂煽啃砸垣@得性能優(yōu)勢(shì)。電源可以有裕量，這是一種逐板改變電源電壓板的方法，以去除稍微差的板或選擇性能價(jià)格更好的超級(jí)明星。如果工程師了解后果并理解IC制造商不保證或保證此類(lèi)操作，則所有這些用途都是可以接受的。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)

數(shù)據(jù)外使用也可能使缺乏經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字設(shè)計(jì)人員陷入電路設(shè)計(jì)中，而這些設(shè)計(jì)根本無(wú)法按預(yù)期工作。一些教育機(jī)構(gòu)過(guò)于關(guān)注數(shù)字技術(shù)，以至于模擬教育正在遭受損失。因此，一些年輕聰明的工程師缺乏一定的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)代消費(fèi)類(lèi)設(shè)備傾向于利用數(shù)字技術(shù)。不幸的是，人機(jī)界面涉及觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)的模擬感官。此外，還需要以模擬方式清潔和濾波電源，以隔離電路免受干擾和其他電路的影響。

圖3.為沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字設(shè)計(jì)師提供模擬陷阱。

圖3顯示了新數(shù)字工程師可能陷入的模擬陷阱。經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師會(huì)看到至少三個(gè)陷阱由于注意力不集中和高輸入阻抗而等待。首先是直流漏電問(wèn)題;其次，存在靜電放電（ESD）問(wèn)題，第三，噪聲加射頻干擾（RFI）的交流問(wèn)題。我們將依次檢查每個(gè)。

直流漏電問(wèn)題

圖3a顯示了一個(gè)高增益（超過(guò)40dB;比率為100）放大器。IC數(shù)據(jù)手冊(cè)警告說(shuō)，輸入電容需要盡可能靠近輸入引腳。數(shù)據(jù)手冊(cè)還警告輸入引腳上不要出現(xiàn)“長(zhǎng)”走線。

我們的新數(shù)字工程師可能會(huì)認(rèn)為“OK”，這意味著如果引線長(zhǎng)度保持在大約一英寸以下，那么它們就不會(huì)長(zhǎng)，電路將正常工作。這位工程師從未設(shè)想過(guò)圖 3b。同時(shí)，經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師了解交流耦合（電容）放大器必須以某種方式設(shè)置其直流偏置電壓。我們的模擬工程師繼續(xù)閱讀數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解圖3b中的電路。不受經(jīng)驗(yàn)的束縛，數(shù)字工程師繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)際上有兩個(gè)傳感器需要連接到放大器輸入端，一個(gè)位于PCB（PCB板）上，另一個(gè)通過(guò)帶有3英尺至6英尺電線的連接器連接外部傳感器。雖然這種需求會(huì)提醒經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師，但我們的數(shù)字工程師卻被看似簡(jiǎn)單的電路所哄騙。數(shù)字工程師決定使用遙控數(shù)字電位器，而不是在信號(hào)源之間切換。這允許兩個(gè)傳感器之間的衰落，并簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，因?yàn)樗鼫p少了開(kāi)關(guān)時(shí)的建立問(wèn)題。那么，數(shù)字工程師現(xiàn)在是否對(duì)電路進(jìn)行試驗(yàn)板？不，只有老式的工程師才會(huì)對(duì)物理面包板進(jìn)行布線和焊接。新的數(shù)字工程師布置電路板并進(jìn)行組裝。

現(xiàn)在墨菲定律真的介入了。考慮整個(gè)設(shè)計(jì)周期中的事件順序。確定生產(chǎn)交接日期。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一個(gè)延遲都會(huì)在交接前的最后堆積任務(wù)。我們的數(shù)字工程師在哪里最有可能匆忙、睡眠不足和承受壓力？這始終是在電路板測(cè)試和初始系統(tǒng)測(cè)試期間。現(xiàn)在出現(xiàn)了有問(wèn)題的問(wèn)題;之前被墨菲定律擊中的“火車(chē)”開(kāi)始脫軌。值得慶幸的是，大多數(shù)問(wèn)題都可以在軟件和固件中修復(fù)，或者至少降低到普通消費(fèi)者不會(huì)注意到的閾值以下。這些問(wèn)題不需要可怕的電路板重新布局。現(xiàn)在一切正常，因此系統(tǒng)測(cè)試仍在繼續(xù)。時(shí)間很短，但項(xiàng)目運(yùn)行順利，并投入生產(chǎn)。生產(chǎn)建立符合規(guī)格的試運(yùn)行 開(kāi)始批量生產(chǎn)。

經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師害怕墨菲定律。這是一個(gè)很好的尊重恐懼。因此，我們的模擬工程師以不同的期望開(kāi)始項(xiàng)目。首先必須有面包板，也許不是所有的電路，這是從以前的項(xiàng)目中知道的。當(dāng)然，任何新的最先進(jìn)的尖端電路，這是該產(chǎn)品所依賴的功能，都會(huì)得到一個(gè)面包板。然后，該模擬工程師將計(jì)劃將電路板中繼三次以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。一些項(xiàng)目計(jì)劃有更多的電路板布局。（注意：我們可以查看示波器的前端板，并注意到兩件事。首先，主板布局修訂號(hào)將為 9 或更高，其次，布局受版權(quán)保護(hù)。這是因?yàn)殡娐钒宀季质窃O(shè)計(jì)中不可或缺且不可分割的一部分。我們的模擬工程師將留出時(shí)間在電路板和系統(tǒng)級(jí)別進(jìn)行延遲累積和全面測(cè)試。可以在消費(fèi)者的操作環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。

為什么經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師會(huì)驚慌失措？

圖 3c 是一場(chǎng)災(zāi)難。它要求墨菲定律罷工。哦，我們有沒(méi)有提到這是一種將放在客戶口袋里的消費(fèi)品？首先，我們給數(shù)字電位器一個(gè)數(shù)字，以便我們知道它的封裝尺寸。它是一款MAX5418，是一款256抽頭、100kΩ，采用3mm x 3mm TDFN封裝;電位器銷(xiāo)在零件的一側(cè)成一排。對(duì)于新的數(shù)字工程師來(lái)說(shuō)，這部分聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)，因?yàn)?mm x 3mm意味著電路板走線很短?！暗鹊?，不要那么快，”模擬工程師說(shuō)。使用500kΩ輸入阻抗，我們?nèi)绾畏乐怪竸埩粑锖团K污PCB泄漏？即使PCB在組裝后得到了適當(dāng)?shù)那鍧崳覀內(nèi)绾伪Ｗo(hù)它免受其操作環(huán)境中的人為污染？是否需要保形涂層？

當(dāng)人類(lèi)在環(huán)境中呼吸時(shí)，該區(qū)域的物體（例如，在襯衫口袋中）會(huì)沉積許多化合物。人的呼吸有水分（水蒸氣）;代謝廢物，如醛和酮，分解碳水化合物、酒精、丙酮、煙霧;和大氣中的煙霧（大多數(shù)被吸入的東西都被呼出）。然后如果人類(lèi)可以觸摸板子，就會(huì)有含有代謝化合物、硫酸和油的指紋來(lái)收集灰塵。人類(lèi)也在不斷地清除皮膚細(xì)胞和頭發(fā)顆粒。這些顆粒吸引并保持水分。潮濕的污垢導(dǎo)電。

在制造過(guò)程中控制ESD的必要性會(huì)產(chǎn)生意想不到的后果。抗靜電器件用于IC封裝組裝，ATE測(cè)試期間，IC運(yùn)輸以及PCB組裝，產(chǎn)品測(cè)試和運(yùn)輸。服裝工作服和實(shí)驗(yàn)室外套涂有親水材料，隨著人的移動(dòng)而剝落和摩擦。許多人穿著帶有犧牲碳負(fù)載拖曳帶的導(dǎo)電短靴，這些帶子會(huì)脫落導(dǎo)電顆粒。設(shè)備可能有導(dǎo)電金屬和塑料刷毛刷，這些刷子會(huì)磨損，留下導(dǎo)電顆粒。運(yùn)輸袋、氣泡膜和 IC 卷軸和管子都會(huì)在零件在運(yùn)輸過(guò)程中搖晃和嘎嘎作響時(shí)脫落導(dǎo)電親水顆粒。親水材料通過(guò)從空氣中吸出水分使表面導(dǎo)電來(lái)減少靜電積聚。同樣，潮濕的污染會(huì)導(dǎo)電。

我們回到PCB走線長(zhǎng)度和直流泄漏。

運(yùn)算放大器實(shí)際上是ASIC的輸入部分。ASIC 封裝為球柵陣列 （BGA）;它在 50.0 英寸（031.0 毫米）的中心有 8 多個(gè)球。在PCB上，ASIC被混淆區(qū)域包圍。這是信號(hào)試圖擴(kuò)散以建立互連的地方。如果不考慮電路板成本， 人們希望增加 PCB 中靠近 BGA 封裝的層數(shù).由于信號(hào)非常密集，因此很難將它們扇出并連接到周?chē)碾娐贰Ｈ缃?，大多?shù)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品PCB將自己限制在兩層或四層電路導(dǎo)體上.玩具和其他對(duì)成本極其敏感的產(chǎn)品可以是帶跳線的單面 PCB.在BGA的情況下，四層板需要非常熟練的布局。首先，電路的兩個(gè)中心層分別保留用于電源層和接地層。當(dāng)接近ASIC時(shí)，接地層和電源層需要包含其他電路;犧牲接地層和電源層來(lái)增加信號(hào)路徑。即使使用所有四層，連接電路的工作也很困難。某些信號(hào)可能需要多次從一層縫合到另一層才能布線。由于通過(guò)過(guò)孔的每條線跡都會(huì)增加電感，因此必須首先拼接最低頻率。

另一個(gè)問(wèn)題是輸入球與動(dòng)力球相鄰。焊接前，球相距0.013英寸;焊接后的距離取決于PCB走線尺寸。在任何情況下，都有可能導(dǎo)致助焊劑、污垢、親水性或其他污染導(dǎo)致泄漏電流。

新的數(shù)字工程師將查看圖3c，并建議將ASIC輸入和電位器游標(biāo)之間的走線降至約0.078英寸（2mm）。經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師將尋找直流泄漏，并得出結(jié)論，電位器的高低引腳以及兩個(gè)電容器已連接。為什么？因?yàn)樵谑褂弥?，電位器的游?biāo)通常連接到一端，而通過(guò)100kΩ連接的另一端仍在電路中——正如我們將看到的?；氐街绷髑闆r，我們估計(jì)電位端和兩個(gè)電容器之間的走線距離增加了0.2英寸（5毫米）。這意味著，超過(guò)0.275in電路板走線和兩個(gè)IC封裝表面的助焊劑、污垢或污染產(chǎn)生的任何漏電流都可能導(dǎo)致漏電流。因此，如果ASIC偏置電壓變化5mV，電路將失效。歐姆定律表示，5kΩ輸入阻抗上的500mV為10nA。泄漏 10nA 需要多少助焊劑、污垢或親水污染？從很少到幾乎沒(méi)有會(huì)導(dǎo)致泄漏。

可持續(xù)發(fā)展教育問(wèn)題

我們有一個(gè)外部引腳連接到我們的500kΩ電路阻抗。墨菲定律正在召喚——我們?nèi)绾畏乐笶SD？如果消費(fèi)者在低濕度情況下走過(guò)地毯，在乙烯基椅子上摩擦衣服，或者撫摸貓，它們會(huì)產(chǎn)生靜電。然后，只需將電纜插入產(chǎn)品的外部連接器，就會(huì)產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)故障。我們談?wù)摰氖蔷哂凶銐螂婋x空氣的電弧。當(dāng)我們看到一個(gè)弧線時(shí)，我們看到空氣被過(guò)度加熱到白熾燈。

當(dāng)一個(gè)人在低濕度的冬日走過(guò)地毯時(shí)，靜電荷會(huì)積聚。當(dāng)我們觸摸金屬物體時(shí)，電荷會(huì)突然放電，這會(huì)傷害我們。一厘米（0.4英寸）長(zhǎng)的弧形并不少見(jiàn)。一般規(guī)則是，在1%相對(duì)濕度的空氣中，5000cm的火花為50V。

圖4.典型的冬日靜電放電。

ESD也會(huì)傷害電容器和IC！圖4a顯示了由我們的新數(shù)字工程師設(shè)計(jì)的電路，他感到安全，因?yàn)閺耐獠窟B接器到IC不存在直流路徑。然而，在火花跳躍 0.4 英寸后，它很容易跳躍 0.028 英寸。圖4b顯示了以相同比例繪制的外部電弧和電容。這是IC內(nèi)部的一個(gè)巨大的閃電，其間距小于人類(lèi)頭發(fā)的寬度。在第一個(gè)電弧之后，電容器可能會(huì)短路，因?yàn)樗鼉H指定具有50V的工作電壓。IC充其量只是輕微損壞。在最壞的情況下，它被破壞，閃電可能已經(jīng)通過(guò)第一個(gè)IC傳播，破壞了電路板上的其他IC。

為了保護(hù)IC免受ESD的影響，幾乎所有IC的引腳上都有ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。圖5是這種ESD結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化。

圖5.兩種典型的簡(jiǎn)單ESD結(jié)構(gòu)。

如果閃電擊中或靠近電源線，就會(huì)有如此多的能量，以至于沒(méi)有任何東西存活下來(lái)。如果雷暴來(lái)臨，最安全的做法是拔掉電子設(shè)備的插頭。IC內(nèi)部的ESD結(jié)構(gòu)不是為應(yīng)對(duì)雷擊而設(shè)計(jì)的。相反，它們旨在消散金屬機(jī)器和人體接觸可能發(fā)生的輕微環(huán)境靜電。保護(hù)IC的最重要時(shí)間是在將其焊接到PCB之前。這是在IC封裝組裝，ATE測(cè)試和IC運(yùn)輸以及PCB組裝期間;在整個(gè)過(guò)程中使用抗靜電裝置。特殊的衣服、腕帶、卸鞋帶以及旨在減少靜電的設(shè)備很常見(jiàn)。ESD保護(hù)對(duì)于最終產(chǎn)品的可靠性至關(guān)重要，因此至少每天都要測(cè)試ESD設(shè)備的有效性。

如圖5所示的IC焊接到PCB上之前。沒(méi)有任何東西連接到外部引腳。目的是使IC上的靜電電荷均勻化，以便沒(méi)有電流流動(dòng)。這就像在太空中飛行衛(wèi)星一樣;我們不知道也不關(guān)心靜電荷是什么，直到我們接觸到其他物體。IC管或卷筒處于相同的狀態(tài)。只要靜電荷均勻，就不會(huì)有電流流動(dòng)，這就是管子和卷盤(pán)是導(dǎo)電的。當(dāng)從貨物中收到管子或卷盤(pán)時(shí)，靜電被排放到導(dǎo)電接地臺(tái)上。一旦容器處于相同的本地接地電位，就可以從容器中取出IC。您是否曾經(jīng)看到一位工程師在實(shí)驗(yàn)室中將裸IC交付給另一位工程師？他們知道，如果他們握住IC的一端并允許另一端接觸另一個(gè)工程師或接地的桌面，他們可能會(huì)通過(guò)IC釋放靜電。放電電流可能會(huì)損壞IC。實(shí)際上，兩位工程師在轉(zhuǎn)移IC之前都會(huì)觸摸相同的導(dǎo)電桌面?；蛘撸こ處熆梢栽谵D(zhuǎn)移IC之前觸摸手以平衡任何靜電荷。

如果出現(xiàn)電流在IC內(nèi)部流動(dòng)的情況，圖5a和b中的齊納二極管將沿正向和反向?qū)ǎ员M量減少損壞。圖5c中的電路將導(dǎo)致底部二極管在負(fù)電壓下導(dǎo)通。對(duì)于正電壓，上部二極管將正向偏置，齊納二極管位于V上抄送線路將沿反向偏置方向傳導(dǎo)，以嘗試保護(hù)IC。

現(xiàn)在想象圖5中的IC焊接到PCB上。與未安裝狀態(tài)相比，IC在電路板上的保護(hù)通常更好。大多數(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師的電路板設(shè)計(jì)都為電路板的外部連接集成了自己的ESD保護(hù)。該板的ESD保護(hù)可以包括承載比IC內(nèi)部可能構(gòu)建的更大的電壓和電流的器件和技術(shù)。PCB通過(guò)分立二極管、雪崩二極管、瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管、氣管放電器件、電阻器、電感器和金屬氧化物壓敏電阻（MOV）的組合來(lái)保護(hù)PCB免受ESD，僅舉幾例。外部分立元件更大，并在外部連接器和IC之間提供更可靠的電路板ESD保護(hù)。圖5所示IC只需處理適度的殘余ESD;然后，A、B 和 C 的保護(hù)電路將在未安裝的條件下按上述方式運(yùn)行，電路板電路為 V 提供低阻抗路徑抄送和其他引腳。

在災(zāi)難性的大ESD條件下，整個(gè)ESD結(jié)構(gòu)和IC將被破壞。通過(guò)開(kāi)蓋去除集成電路的頂部將顯示看起來(lái)像閃電擊中芯片的東西。我們將看到從微小的針孔燒傷痕跡到熔化的混亂的一切。如果只有一個(gè)微小的ESD事件，ESD二極管可能會(huì)開(kāi)始泄漏。這些泄漏可能始于皮安和納安電流。隨著ESD事件的進(jìn)一步發(fā)生，泄漏可能會(huì)增加;其他損壞也會(huì)降低IC內(nèi)部其他器件的性能。這種劣化會(huì)降低IC和使用它的任何產(chǎn)品的可靠性。這就是我們需要在每一步都采取ESD保護(hù)的原因。

RFI 和 PCB 走線長(zhǎng)度

家用微波爐、WiFi、無(wú)繩電話和藍(lán)牙?無(wú)線電的工作頻率約為 2.4GHz;波長(zhǎng)略低于 5 英寸。天線，無(wú)論是有意的還是無(wú)意的，當(dāng)它們?cè)趡1/8波長(zhǎng)或更長(zhǎng)時(shí)具有良好的增益。2.4GHz 的八分之一波長(zhǎng)為 0.6 英寸（10.5 毫米）;對(duì)于 5.7GHz 無(wú)繩電話，它是 0.26 英寸（6.6 毫米）。手機(jī)以各種頻率工作;在 1.8GHz 時(shí)，1/8 波為 0.82 英寸（21 毫米），在 800MHz 時(shí)，1/8 波為 1.85 英寸（47 毫米）。記住這些波長(zhǎng)，我們回到PCB走線長(zhǎng)度并查看圖3c。交流信號(hào)被感應(yīng)到走線中，并可能通過(guò)電容器或其他雜散電路電容。我們估計(jì)，未連接任何外部電纜（但包括連接器引腳）的走線最小值為 0.24 英寸（6 毫米）?！斑@很好，”新的數(shù)字工程師說(shuō)。經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師喃喃自語(yǔ)：“我們應(yīng)該計(jì)算手機(jī)或無(wú)繩電話在一英尺遠(yuǎn)時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。這0.6W或更高可不是那么簡(jiǎn)單。我們的數(shù)字工程師很高興，而模擬工程師則繼續(xù)測(cè)試客戶在現(xiàn)場(chǎng)將面臨的“真實(shí)世界”問(wèn)題。我們的模擬工程師知道RFI將在ASIC的早期階段得到糾正并引起問(wèn)題。然后，模擬工程師連接外部電纜。好的電纜指定屏蔽覆蓋率隨頻率的百分比。一根好的電纜可以工作，但如果外部連接的傳感器地線因磨損而磨損怎么辦？當(dāng)有人替換較便宜或非屏蔽電纜時(shí)會(huì)發(fā)生什么？如果地線屏蔽在目標(biāo)頻率下泄漏怎么辦？當(dāng)連接器變臟或松動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么？我們可能會(huì)遇到現(xiàn)場(chǎng)故障。這在這種設(shè)計(jì)中可以接受嗎？我們經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬工程師決定使用低通濾波器保護(hù)前端。新的數(shù)字工程師永遠(yuǎn)不知道存在危險(xiǎn)的可能性。

為什么ATE沒(méi)有捕獲小的nA和pA泄漏？

新的數(shù)字工程師可能想知道為什么ATE不測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可能遇到的每件事。返回到上述“標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)試”下的注釋。首先，如果“事物”不是數(shù)據(jù)手冊(cè)參數(shù)，則ATE不會(huì)查找。其次，IC的大部分成本由測(cè)試時(shí)間決定，因此客戶不想僅僅因?yàn)橛腥讼胧褂脭?shù)據(jù)手冊(cè)中的器件而支付測(cè)試費(fèi)用。

電路解決方案：保護(hù)產(chǎn)品所需的微小變化

MAX5418的數(shù)據(jù)資料電氣特性表顯示電位器的高引腳連接到V抄送并且電位器的低引腳接地。在這種情況下無(wú)法測(cè)量泄漏。鍋的刮水器連接到末端。如果連接到任一端，則雨刮器接地或 V抄送通過(guò)雨刮器電阻的幾百歐姆。（注意：無(wú)泄漏讀數(shù)是實(shí)用的。如果電位器為中端，游標(biāo)將看到兩個(gè)50kΩ電阻并聯(lián)。因此：

10nA × 25kΩ = 0.25mV 失調(diào)

（這是ATE不尋找的東西，并且在大多數(shù)設(shè)計(jì)良好的電路中都是可以容忍的。即使在測(cè)量漏電流的引腳中，大多數(shù)制造商也將1μA設(shè)置為可接受的限值。圖6顯示了正確的電路設(shè)計(jì)。即使電路MAX1部分的5418μA漏電流也會(huì)被忽略，不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖6.適當(dāng)、安全的電路板設(shè)計(jì)。

在圖6中，外部傳感器輸入受到RFI和ESD保護(hù)。新的數(shù)字工程師可能會(huì)問(wèn)：“為什么 V抄送線路需要保護(hù)？是外線嗎？對(duì)于可持續(xù)發(fā)展教育和 RFI，V抄送線實(shí)際上是雙向的。所有其他電路如何在 V 上傳播 ESD 和 RFI 的情況下工作抄送線？他們可能會(huì)運(yùn)作不佳。內(nèi)部傳感器呢？是否需要 ESD 和 RFI 保護(hù)？這將取決于傳感器是什么以及它是如何構(gòu)造的。外部電弧會(huì)通過(guò)外部絕緣外殼上的孔撞擊傳感器嗎？傳感器的外表面是否接地，從而保護(hù)其信號(hào)輸出端口？設(shè)計(jì)師需要考慮這些以及更多的事情。長(zhǎng)期以來(lái)，經(jīng)驗(yàn)幫助我們做得更好。

在電位器和ASIC之間有一個(gè)電容器。在電容器的左側(cè)，兩個(gè)電阻設(shè)置電位器的偏置。電阻將設(shè)置在低kΩ范圍內(nèi)，以消除任何直流泄漏。確切的電阻值將由傳感器阻抗和功耗決定。事實(shí)上，由于電容器阻斷了ASIC輸入端的直流電，因此即使是很大的漏電流也會(huì)被忽略。請(qǐng)注意，電容器和IC放大器（ASIC）之間電容器右側(cè)的電路走線盡可能短，正如ASIC制造商所建議的那樣。該ASIC輸入仍設(shè)置自己的偏置，并具有500kΩ阻抗。這使得它對(duì)污垢和污染敏感，但現(xiàn)在它是一個(gè)非常小的區(qū)域，從而將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。為了對(duì)可靠性有最大的信心，應(yīng)該考慮在這個(gè)小面積上涂上保形或環(huán)氧涂層。

結(jié)論

墨菲定律總是潛伏在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，它總是給沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師帶來(lái)通常意想不到的不良結(jié)果。墨菲定律在數(shù)據(jù)表外設(shè)計(jì)中特別活躍。最后，知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)是阻止墨菲和他的定律的最好方法。

樹(shù)森環(huán)保局：郭婷