一種用于微波控制電路控制端口的靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)

潘結(jié)斌，陳計學(xué)，姜　楠

（華東光電集成器件研究所，安徽蚌埠233042）

一種用于微波控制電路控制端口的靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)

潘結(jié)斌，陳計學(xué)，姜楠

（華東光電集成器件研究所，安徽蚌埠233042）

提出一種用于泄放微波控制電路[0，5 V]或[0，-5 V]電壓控制端口的靜電/浪涌電壓結(jié)構(gòu)，分別給出了[0，5 V]或[0，-5 V]電壓控制端口靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，并對其工作原理進(jìn)行了分析。通過建立泄放結(jié)構(gòu)開啟和關(guān)斷狀態(tài)下的仿真分析模型，利用ADS設(shè)計軟件仿真所設(shè)計結(jié)構(gòu)對控制端TTL動態(tài)控制信號完整性的影響。分析結(jié)果表明，該設(shè)計結(jié)構(gòu)嵌入到微波控制電路的輸入端口，不影響TTL動態(tài)控制信號的完整性。經(jīng)微波五位數(shù)控衰減器的控制端口應(yīng)用驗證，對器件的靜電/浪涌電壓敏感控制端口具有較好的保護(hù)作用。

泄放結(jié)構(gòu)；靜電/浪涌電壓；信號完整性；控制端口

1　引言

微波控制電路在微波領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，在電路的控制端口外加控制信號，進(jìn)行電路的通斷、衰減量的大小及相移量的多少等電路參量的控制。通常，微波半導(dǎo)體控制電路的控制信號為動態(tài)的TTL信號[0，5 V]或[0，-5 V]，具有端口多、動作響應(yīng)迅速等特點(diǎn)。微波控制電路控制端口抗靜電/浪涌電壓能力弱，在器件使用中，控制端口常常出現(xiàn)突然失效的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[2]介紹的是一種集成在電路內(nèi)部的靜電保護(hù)電路，引入的靜電/浪涌電壓的泄放由三極管來完成，從而實現(xiàn)對器件的保護(hù)作用，設(shè)計結(jié)構(gòu)的靜電泄放鉗壓范圍寬，在靜電泄放時，有可能導(dǎo)致控制電路的誤動作，甚至?xí)鹌骷刂贫丝诘膿p傷。

本文提出一種靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)，由SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管、開關(guān)二極管D和電阻R組成，混合集成到微波控制電路的電壓控制端口，能迅速把電路引入的靜電/浪涌電壓泄放掉，且鉗置電壓在動態(tài)TTL控制信號范圍之內(nèi)，文中也對設(shè)計結(jié)構(gòu)影響控制電路的TTL動態(tài)控制信號的完整性進(jìn)行了仿真分析。

2　靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1[0，5 V]TTL控制信號端口靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)

把SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管的負(fù)極與開關(guān)二極管D2的負(fù)極相連，SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管的正極與開關(guān)二極管D1的正極相連后接地，開關(guān)二極管D2的正極分別連接開關(guān)二極管D1的負(fù)極與電阻R的一端作為靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)的輸入端。電阻R的另一端作為該結(jié)構(gòu)的輸出端，可構(gòu)成TTL動態(tài)控制信號 [0，5 V]輸入端口的靜電/浪涌電壓的泄放結(jié)構(gòu)，具體電學(xué)原理圖見圖1（a）。

2.2[0，-5 V]TTL控制信號端口靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)

把SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管的正極、電阻R的一端及開關(guān)二極管D1的正極相連，作為靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)的輸入端。接著使SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管的負(fù)極和開關(guān)二極管D2的負(fù)極相連。最后把開關(guān)二極管D2的正極和開關(guān)二極管D1的負(fù)極相連后接地。電阻R的另一端作為該結(jié)構(gòu)輸出端，可構(gòu)成動態(tài)TTL信號 [0，-5 V]輸入端口的靜電/浪涌電壓的泄放結(jié)構(gòu)，具體電原理連接圖見圖1（b）。

3　靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)工作原理

靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)在電路正常工作期間相當(dāng)于一個保持關(guān)斷狀態(tài)的開關(guān)元件，在控制端口與地間僅表現(xiàn)出寄生電容特性，而不能影響驅(qū)動控制端口的TTL控制信號。當(dāng)控制端口靜電/浪涌電壓突然激增，且超出其電壓鉗置范圍時，設(shè)計結(jié)構(gòu)能迅速開啟，對地形成低阻抗的導(dǎo)通路徑，泄放控制端口瞬間出現(xiàn)的靜電/浪涌電壓，從而對控制端口起到保護(hù)作用。圖1(a)為[0，5 V]TTL動態(tài)控制信號保護(hù)設(shè)計結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)輸入端與地之間瞬間引入正向靜電/浪涌電壓時，開關(guān)二極管D2開始正向?qū)?、SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管立刻被反向擊穿，靜電/浪涌電壓迅速通過開關(guān)二極管D2和SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管路徑泄放到地端，而不會通過電阻R進(jìn)入到微波控制電路的控制端口，此時，電阻R輸入端的電壓為開關(guān)二極管D2的正向?qū)妷簤航礥+和SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管上的反向擊穿電壓VB壓降之和，即U++VB；當(dāng)結(jié)構(gòu)輸入端與地之間瞬間引入負(fù)向靜電/浪涌電壓時，開關(guān)二極管D1正向?qū)ǎo電/浪涌電壓迅速通過開關(guān)二極管D1泄放到地端，此時，電阻R輸入端的電壓為開關(guān)二極管D1的正向?qū)妷簤航礥+的負(fù)值，即-U+。這樣其瞬間產(chǎn)生的靜電/浪涌電壓就被鉗置在-U+～U++VB范圍內(nèi)，從而對微波控制電路的控制端口起到保護(hù)作用。靜電/浪涌電壓結(jié)構(gòu)泄放原理示意圖見圖1(a)，該結(jié)構(gòu)鉗置電壓示意圖見圖2。同樣，為[0，-5V]的TTL動態(tài)控制信號所設(shè)計的靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)工作原理與[0，5 V]控制信號相同，靜電/浪涌電壓被鉗置在-（U++VB）～U+范圍內(nèi)，為[0，-5 V]的TTL動態(tài)控制信號的輸入端口提供保護(hù)作用。

圖2　[0，5 V]控制信號設(shè)計結(jié)構(gòu)鉗置電壓示意圖

4　靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)對動態(tài)TTL信號完整性的影響

設(shè)計結(jié)構(gòu)置于微波控制電路控制端口與地之間，要求設(shè)計結(jié)構(gòu)處于非工作狀態(tài)或工作狀態(tài)下，都不能影響控制端口的正常工作特性，下面分析設(shè)計結(jié)構(gòu)對器件控制端口TTL動態(tài)信號完整性的影響。

4.1靜電/浪涌電壓泄放設(shè)計結(jié)構(gòu)分析

SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管是一款小型片式器件，可用來設(shè)計保護(hù)電壓敏感電路的端口，防止電路端口受靜電/浪涌電壓的沖擊導(dǎo)致的失效。該器件瞬態(tài)過壓啟動響應(yīng)時間短，小于1 ns，漏電流低，小于0.1 μA，PN結(jié)電容小，典型值為65 pF，反向擊穿開啟電壓典型值為5 V，可承受110 W以上的瞬態(tài)峰值耗散功率的沖擊，最大可抵抗±16 kV的靜電/浪涌電壓。

靜電/浪涌電壓泄放設(shè)計結(jié)構(gòu)由一只片式SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管、兩只片式開關(guān)二極管D1、D2和一只片式電阻R組成。結(jié)構(gòu)中D1、D2開關(guān)二極管，正向?qū)妷篣+為0.6～0.8 V，反向擊穿電壓大于50 V，恢復(fù)時間小于5 ns，結(jié)電容典型值為5 pF。微波控制電路電壓控制端靜電/浪涌電壓泄放設(shè)計結(jié)構(gòu)在處于關(guān)斷狀態(tài)時，即結(jié)構(gòu)不工作時表現(xiàn)出電容特性，結(jié)構(gòu)總電容為開關(guān)二極管D2的結(jié)電容CD2和SESD05瞬態(tài)電壓抑制二極管的CSESD05電容串聯(lián)，再和開關(guān)二極管D1的結(jié)電容CD1相并聯(lián)，結(jié)構(gòu)的總電容由（1）式給出，由于CSESD05典型容值為65 pF，CD1和CD2典型容值是5 pF，則設(shè)計結(jié)構(gòu)標(biāo)稱容值由（1）式計算為9.64 pF≈10 pF。電阻R在結(jié)構(gòu)中主要是起限流作用，所選器件控制端口工作電流典型值是5mA，工作電流最大12mA，器件的典型工作電壓為4.5 V，工作電壓不大于5.5 V。由于控制端引入的電壓常為5 V/-5 V，故R值選擇由器件引入電壓減去器件典型值電壓，再除以工作電流典型值得出，本設(shè)計結(jié)構(gòu)R（Ω）的選值等于5 V減去4.5 V后，再除以5 mA，即R值為100 Ω。

4.2信號完整性分析

本設(shè)計中的靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)是一種兩端口網(wǎng)絡(luò)，利用混合集成的方法置于微波控制電路的控制端，器件正常工作狀態(tài)下，該結(jié)構(gòu)類似于開關(guān)的關(guān)斷狀態(tài)，在忽略接觸小電阻的情況下，只考慮對地呈現(xiàn)寄生電容特性。通常，微波控制電路的TTL動態(tài)控制信號選用[0，5 V]或[0，-5 V]方式工作，工作周期常為百kHz量級。利用ADS軟件對電路控制端口前嵌入靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)進(jìn)行TTL動態(tài)控制信號完整性分析，使用占空比1∶1、500 kHz、[0，5 V]的TTL動態(tài)控制信號。圖3為ADS軟件對TTL控制信號經(jīng)過靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果圖，其中Vout1為TTL信號經(jīng)過設(shè)計結(jié)構(gòu)后的輸出波形，輸出幅度為m1；Vout2為設(shè)計結(jié)構(gòu)的寄生電容放大5倍時，TTL信號經(jīng)過設(shè)計結(jié)構(gòu)后的輸出波形，輸出幅度為m2；Vout3為設(shè)計結(jié)構(gòu)的寄生電容放大35倍時，TTL信號經(jīng)過設(shè)計結(jié)構(gòu)后的輸出波形，輸出幅度為m3；m4為TTL輸入信號Vin的電壓幅度。

圖3　TTL控制信號經(jīng)過靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)的信號完整性仿真結(jié)果圖

從圖3中可以看出，[0，5 V]TTL控制信號經(jīng)過靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)后，輸出電壓幅度為4.3 V，同輸入信號Vin相比降低了0.7 V。設(shè)計結(jié)構(gòu)對TTL控制信號的動態(tài)完整性沒有影響。從圖中可以看出，當(dāng)設(shè)計結(jié)構(gòu)的寄生電容增加到5倍時，設(shè)計結(jié)構(gòu)開始對TTL控制信號的動態(tài)完整性出現(xiàn)影響，當(dāng)設(shè)計結(jié)構(gòu)的寄生電容增加到30倍時，設(shè)計結(jié)構(gòu)對TTL控制信號的動態(tài)完整性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。由于設(shè)計結(jié)構(gòu)中加入了100 Ω的電阻，該電阻與控制電路的控制端口進(jìn)行串聯(lián)，對控制端口有限流的作用，實際上對TTL信號有一定的分壓，這就使TTL控制信號經(jīng)過設(shè)計結(jié)構(gòu)時電壓下降了0.7 V，相當(dāng)于控制端口的工作電流為7 mA。由于器件控制端口正常工作時，最小開啟電壓為3 V，在3.5～5 V之間都能保證微波控制電路控制端的正常工作，故控制信號電壓下降0.7 V不影響控制端口的驅(qū)動能力；當(dāng)鉗置電壓最高達(dá)到5.8 V時，由于限流電阻R的分壓作用，器件控制端的實際電壓也就在5 V，滿足器件控制電壓3.5～5 V的推薦使用要求。

圖4 TTL控制信號在5 MHz和10 MHz下的信號完整性仿真圖

圖4為占空比1∶1，5 MHz和10 MHz TTL控制信號經(jīng)過設(shè)計的靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)后的信號完整性仿真示意圖，從圖4中可以看出，TTL控制信號經(jīng)過設(shè)計結(jié)構(gòu)后，信號的幅度大小也都下降0.7 V。從圖4（a）可見5 MHz TTL控制信號經(jīng)過設(shè)計結(jié)構(gòu)后，動態(tài)TTL控制信號形態(tài)保持完好，電路控制端嵌入設(shè)計結(jié)構(gòu)未破壞控制信號的完整性。從圖4（b）可見10 MHz TTL控制信號經(jīng)過設(shè)計結(jié)構(gòu)后，TTL動態(tài)控制信號的上升、下降沿均出現(xiàn)了變化，電路控制端嵌入設(shè)計結(jié)構(gòu)改變了控制端TTL控制信號的完整性。分析結(jié)果表明，該設(shè)計結(jié)構(gòu)的TTL動態(tài)控制信號的工作頻率至少可以達(dá)到5 MHz以上。

ADS軟件分析表明，控制電路控制端口嵌入靜電/浪涌電壓泄放結(jié)構(gòu)后不影響TTL動態(tài)控制信號的完整性，只是輸出信號的幅度稍有下降，但可保證器件控制端口的正常工作特性。

5　結(jié)束語

本文提出了一種保護(hù)微波控制電路控制端口免受靜電/浪涌電壓損壞的泄放結(jié)構(gòu)，并對其工作原理和對TTL信號動態(tài)完整性的影響進(jìn)行了分析。該結(jié)構(gòu)由瞬態(tài)電壓抑制二極管、開關(guān)二極管和電阻等小型片式器件組成，利用混合集成的方式與微波控制電路的控制端口相連，具有瞬態(tài)高電壓泄放快、寄生電容低、漏電流小、可較好地保持TTL控制信號的動態(tài)完整性及利于集成等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計結(jié)構(gòu)在非工作狀態(tài)下，呈現(xiàn)開關(guān)關(guān)斷元件特性，當(dāng)結(jié)構(gòu)引入靜電/浪涌電壓時，迅速形成低阻抗導(dǎo)通泄放回路，從而起到保護(hù)的目的。[0，5 V]控制信號設(shè)計結(jié)構(gòu)，電壓鉗置范圍在-0.8～5.8 V；[0，-5V]控制信號設(shè)計結(jié)構(gòu)，電壓鉗置范圍在-5.8～0.8 V。本設(shè)計結(jié)構(gòu)在X波段接收機(jī)五位數(shù)控衰減器電壓控制端口的實際電路中得到應(yīng)用，較好地保護(hù)了該電路的靜電敏感控制端口。此外該設(shè)計結(jié)構(gòu)在開關(guān)、數(shù)字移相器等微波控制電路中也具有較好的應(yīng)用價值。

[1]SESD05.Transient Voltage Suppressors Diode Datasheet [EB/OL].http://www.SeCoSGmbH.com/

[2]A Z Wang,et al.On-chip ESD protection design for integratedcircuits:anoverviewforICdesigners[J]. Microelectronics Journal 32,2001:733-747.

[3]H Anzai,et al.Equivalent Circuit Model of ESD Protection Devices[J].FUJITSU Sci Tech J,2003,39(1):119-127.

[4]翁壽松.防護(hù)電壓瞬變和浪涌的半導(dǎo)體器件[J].半導(dǎo)體情報，1998，35（4）.

A Design of Electrostatic/Surge Voltage Discharge Structure for Control Port of Microwave Control Circuit

PAN Jiebin,CHEN Jixue,JIANG Nan
（East China Institute of Photo-Electron IC,Bengbu 233042,China）

A structure design of electrostatic/surge voltage for the[0,5 V]or[0,-5 V]control port of microwave control circuit is presented,respectively.The working principle of the structure is analyzed.The simulation model of discharge structures at on/off states is established to obtain the effect of the structure on the signal integrity of TTL signal by using the ADS simulation software.The results show that the design when embedded into the input port of microwave control circuit does not affect the integrity of the control port TTL dynamic control signal.The verification test shows that the design has a good protective effect on the device's static/surge voltage sensitive control port.

discharge structure;electrostatic/surge voltage;signal integrity;control port

TN402

A

1681-1070（2016）11-0031-04

2016-4-11

潘結(jié)斌（1970—），男，安徽懷寧人，工程碩士，高級工程師，研究方向為射頻和微波混合電路。