CC BY
44Майкл МЭННИНГ (Michael MANNING) Перевод: Дмитрий ИОФФЕ
dsioffe@yandex.ru
Разработка ключей и мультиплексоров
для работы в тяжелых условиях
Представляем перевод статьи "Switch and Multiplexer Design Considerations for Hostile Environments" из журнала Analog Dialogue 45—05, May 2011. В статье рассмотрено применение аналоговых ключей и мультиплексоров в тяжелых условиях, при наличии перенапряжений, электростатических разрядов и возможности возникновения защелкиваний. Описаны существующие методы защиты, а также ключи и мультиплексоры со встроенной защитой, предлагаемые компанией Analog Devices.
Введение
Тяжелые условия, которые характерны для автомобильных, военных и авиационных применений, требуют от интегральных схем работы на пределе. Они должны противостоять высоким напряжениям и большим токам, экстремальной температуре и влажности, вибрации, радиации и множеству других воздействий.
Разработчики систем быстро научились использовать высокопроизводительную электронику в таких областях, как развлечения, системы безопасности, обработка и передача информации, управление и интерфейс между человеком и машиной. Активное применение прецизионной электроники привело к высокой сложности систем и их большой чувствительности к электрическим воздействиям, включая перенапряжения, защелкивания и электростатические разряды. Электронные схемы, используемые в агрессивном окружении, должны быть высоконадежными и устойчивыми к системным отказам. Поэтому разработчики должны внимательно изучать как воздействия окружающей среды, так и ограничения, присущие тем компонентам, которые они выбирают.
Производители указывают максимально допустимые значения эксплуатационных параметров для каждой интегральной схемы. Эти значения необходимо тщательно изучить для обеспечения на-
Инвертер
Рис. 1. Схема стандартного аналогового ключа
дежной работы будущего изделия и его соответствия заданным требованиям. Если максимально допустимые значения превышены, рабочие параметры не могут быть гарантированы. Встроенная защита от электростатических разрядов, перенапряжений и защелкивания может не сработать, и в результате устройство (а возможно, и другие устройства, связанные с ним) будет повреждено или откажет.
В этой статье описаны проблемы, возникающие перед инженерами, которые разрабатывают аналоговые ключи и мультиплексоры для применения в тяжелых условиях эксплуатации. Кроме того, здесь предлагаются решения для наиболее часто встречающихся ситуаций, которые разработчики могут использовать для защиты уязвимых компонентов. Также в статье дан краткий обзор некоторых новых интегральных ключей и мультиплексоров, которые обеспечивают улучшенную защиту от перенапряжений, устойчивость к защелкиваниям и защиту от повреждений при различных внешних воздействиях.
Архитектура стандартного аналогового ключа
Чтобы полностью разобраться в эффектах, которые происходят в аналоговом ключе под действием повреждающих факторов, мы должны сначала изучить его внутреннюю структуру и функциональные ограничения.
Стандартный КМОП-ключ (рис. 1) содержит п- и р-канальный МОП-транзисторы в качестве коммутирующих элементов, цифровую управляющую логику и схему драйвера. Параллельное соединение п- и р-канального транзисторов обеспечивает двунаправленную передачу сигнала, позволяет аналоговому входному сигналу выходить за пределы напряжений питания и поддерживает примерно постоянное сопротивление открытого ключа во всем диапазоне изменения сигнала.
На аналоговых входе и выходе и на цифровом входе мы видим ограничивающие диоды, соединенные с шинами питания. Они предназначены для защиты от статического электричества. При нормальной работе они смещены в обратном направлении и не проводят ток, пока сигналы находятся в пределах питающих напряжений. Размеры этих диодов могут быть разными, они зависят от технологического процесса, но обычно их стараются сделать как можно меньше, чтобы минимизировать токи утечки во время нормальной работы.
Аналоговый ключ работает следующим образом: п-канальный транзистор включен (проводит ток) при положительном напряжении между затвором и истоком, а р-канальный транзистор переключается сигналом противоположной полярности, то есть он включен тогда, когда п-канальный транзистор выключен. Чтобы включить или вы-
* Сопротивление Сопротивление /
1 р-канального п-канального '
1 транзистора транзистора 1
О \
z
о? \ Результирующее сопротивление /
\ обоих транзисторов '
У Л'' / Ч^^ у .....у
Входной канал, В
Рис. 2. Зависимость сопротивления RoN включенного аналогового ключа от напряжения входного сигнала
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
Тд = 25°С, unless otherwise noted.
Table 6.
Parameter Rating
VDDtoVss 18V
VDDtoGND -0.3 V to +18V
Vss to GND +0.3 V to -18 V
Analog Inputs1 Vss - 0.3 V to VDD + 0.3 V or 30 mA, whichever occurs first
Digital Inputs1 GND - 0.3 V to VDD + 0.3 V or 30 mA, whichever occurs first
1 Overvoltages at IN, S, or D are clamped by internal diodes. Current should be limited to the maximum ratings given.
Рис. 3. Раздел максимальных допустимых значений в спецификации
ключить ключ, нужно подать на затворы соответствующее напряжение питания.
Если напряжение на затворе постоянно, эффективное управляющее напряжение для каждого транзистора изменяется пропорционально полярности и размаху аналогового сигнала, проходящего через ключ. Штриховая линия на рис. 2 показывает, что когда входной сигнал приближается к напряжению питания, проводящий канал одного из транзисторов начинает закрываться, и сопротивление этого транзистора быстро увеличивается. В это же время сопротивление канала другого транзистора уменьшается, и результирующее сопротивление ключа остается примерно постоянным во всем диапазоне входного сигнала.
Максимальные допустимые значения
Требования к питанию ключа, указанные в справочных данных, необходимо соблюдать, чтобы гарантировать правильную работу устройства и его надежность. К сожалению, сбои источника питания, помехи, возникающие в агрессивном окружении, ошибки системы или оператора, которые происходят в реальной действительности, могут сделать невозможным выполнение рекомендаций из справочников.
Всякий раз, когда входное напряжение аналогового ключа выходит за диапазон напряжения питания, встроенные защитные диоды смещаются в прямом направлении, и через них начинает протекать значительный ток. Это происходит и тогда, когда питание выключено. Диоды, смещенные в прямом направлении, не могут выдержать ток больше нескольких десятков миллиампер, они будут разрушены, если этот ток не ограничивать. Более того, может быть поврежден не только ключ, но и расположенная за ним схема.
Раздел «Максимально допустимые значения» в спецификации (рис. 3) описывает максимальные значения кратковременных
воздействий, которые устройство может выдержать. Помните, что это значения именно кратковременных воздействий. Работа устройства при таких воздействиях в течение длительного времени может повлиять на его надежность. Разработчик в своих проектах всегда должен следовать хорошему инженерному правилу: оставлять запас. Здесь мы приводим пример из спецификации на стандартный ключ/мультиплексор.
В этом примере параметр напряжения между VDD и указан равным 18 В. Это значение определяется технологическими процессами изготовления ключа и его архитектурой. Любое напряжение выше 18 В должно быть полностью изолировано от ключа, иначе будет превышено напряжение пробоя, определяемое технологическим процессом, и устройство будет повреждено или будет ненадежно работать.
Ограничения по напряжению, которое прикладывается к входам аналогового ключа — и при наличии, и при отсутствии питающих напряжений, — часто вызваны наличием схемы защиты от статического электричества, которая может быть разрушена при нарушении этих ограничений.
Спецификации запрещают выход напряжения на аналоговых и цифровых входах за пределы VDD и более чем на 0,3 В, при этом напряжения на цифровых входах также не должны опускаться более чем на 0,3 В ниже напряжения «земли». Когда напряже-
Исгоковый вход/выход
Стоковый вход/выход
Рис. 4. Диоды для защиты от статического электричества в аналоговом ключе
ние на аналоговом входе превышает напряжение питания, встроенные диоды для защиты от статического электричества смещаются в прямом направлении и начинают проводить ток. Как установлено в разделе максимально допустимых значений, перенапряжения на выводах ВД, S и D ограничиваются внутренними диодами. Ток, превышающий 30 мА, может проходить через встроенные диоды без заметных эффектов, но надежность устройства и его срок службы снизятся, и влияние электромиграции, постепенного перемещения атомов металла в проводниках, может быть замечено спустя некоторое время. Большой ток, протекающий через металлический проводник, представляет собой поток электронов, который взаимодействует с ионами металлов в проводнике и вынуждает их перемещаться вместе с собой. Через некоторое время это может привести к обрыву проводника или короткому замыканию.
При разработке системы с применением ключа важно рассмотреть возможные неисправности, которые могут произойти в системе из-за отказов компонентов, ошибок оператора или влияния окружающей среды. В следующем разделе мы рассмотрим, как превышение максимальных допустимых значений для стандартного аналогового ключа может вызвать его повреждение или привести к неправильной работе.
Распространенные условия отказов, кратковременные перенапряжения в системе и способы защиты
Условия для отказов могут возникать по различным причинам. Некоторые из наиболее распространенных причин перегрузок и их источники в реальном мире перечислены в таблице 1.
Некоторые перегрузки невозможно предотвратить. Независимо от источника перегрузки, наиболее важно — понять, что делать
Таблица 1. Условия отказов
Тип неисправности Причины неисправности
Перенапряжение • Пропадание питания • Неправильная работа системы • Горячее подключение и отключение • Неправильная последовательность подачи питания • Неправильное подключение кабелей • Ошибка оператора
Защелкивание • Перенапряжение (как описано выше) • Превышение максимально допустимых значений • Однократные сбои
Электростатические разряды • Неправильное хранение/сборка • Неправильная технология монтажа на плату • Неправильное обращение пользователя
с ее последствиями. Вопросы и ответы, приводимые ниже, посвящены следующим причинам отказов: перенапряжениям, защелкиванию и электростатическим разрядам, а также наиболее распространенным методам защиты от них.
Перенапряжения
Что такое перенапряжения?
Перенапряжением (overvoltage) называется ситуация, когда напряжение на аналоговом или цифровом входе выходит за максимальные допустимые значения. Далее приведены примеры наиболее часто встречающихся проблем, которые разработчикам следует учитывать при использовании аналоговых ключей.
1. Пропадание питания, когда на аналоговый вход подан сигнал (рис. 5). В некоторых областях применения напряжение питания с модуля может быть снято, а сигналы от удаленных источников могут все еще присутствовать. Когда питание пропадает, напряжения на шинах питания могут опуститься до «земли» или же одно или более из них может «плавать». Если напряжение питания равно нулю, то входные сигналы могут смещать внутренние диоды в прямом направлении, и ток с входа ключа по-
течет на «землю». Если этот ток не ограничен, он может разрушить диод. Если при пропадании питания его шины остаются «плавающими», то входной сигнал может питать устройство через встроенные диоды. В результате ключ и, возможно, все следующие за ним другие компоненты, которые питаются от того же источника, могут получить питающее напряжение.
2. Перенапряжение на аналоговых входах. Когда аналоговый сигнал выходит за пределы питающих напряжений и VCC), он может оказаться подключенным к источнику питания через защитный диод. Встроенные диоды смещаются в прямом направлении, и ток входного сигнала течет в источник питания. Слишком большой сигнал может также пройти через ключ и повредить следующие устройства. Объяснение этого явления можно найти, если рассмотреть р-канальный полевой транзистор (БЕТ, рис. 6). Чтобы открыть р-канальный полевой транзистор, на него нужно подать отрицательное напряжение затвор-исток. Когда на затворе ключа VDD, напряжение затвор-исток положительное, и ключ закрыт. При отключении питания схемы, когда на затворе ключа 0 В или когда входной сигнал превышает VDD, сигнал пойдет через ключ, так как в этих случаях напряжение затвор-исток будет отрицательным.
3. Двуполярный сигнал поступает на ключ с одним питанием. Эта ситуация похожа на описанное ранее состояние перенапряжения. Повреждение происходит, когда входной сигнал опускается ниже «земли». Из-за этого диод между аналоговым входом и «землей» смещается в прямом направлении, и через него начинает протекать ток. Когда переменный сигнал, изменяющийся около 0 В, поступает на вход ключа, защитные диоды могут смещаться
в прямом направлении во время отрицательной полуволны входного напряжения. Это происходит, если входное напряжение опускается ниже примерно -0,6 В, открывая диод и ограничивая входной сигнал, как показано на рис. 7.
Как лучше всего бороться с перенапряжениями?
В трех приведенных примерах аналоговый сигнал выходит за пределы напряжений питания: VDD, VSS или GND. В этой ситуации существуют простые методы защиты: добавление внешнего резистора, диоды Шоттки и блокирующие диоды на питании.
Резистор для ограничения тока ставится последовательно с любым каналом ключа, на который поступает сигнал от внешнего источника (рис. 8). Его сопротивление должно быть достаточным, чтобы ограничить ток на уровне примерно 30 мА (или до специфицированного максимально допустимого значения). Очевидный недостаток такого решения — увеличение сопротивления канала и, в результате, снижение точности системы. Кроме того, там, где используются мультиплексоры, слишком большой сигнал на входе закрытого канала может пройти на выход, создавая ошибку в других каналах.
Диоды Шоттки, включенные между аналоговыми входами и источниками питания, обеспечивают защиту, но за счет увеличения утечек и емкости. Эти диоды не позволяют входному сигналу выйти за пределы напря-
Течет прямой ток
Прямой ток
т
Ток
через
нагрузку
V
_____Ограничение __
5 В вход
7Т\
II I 1
Диапазон
переключаемого
сигнала
Вход: синусоида размахом 5 В
СН1 2.00У СН2 100т\/
Выход: ограниченный сигнал
М200^ А СН1 _Г З.ООУ
□"►▼-36.0^8
Рис. 5. Разрушающий ток
Рис. 7. Ограничение
vDD
GND
О
vss
Rl
Рис. 8. Диодно-резисторная защитная цепь
Рис. 9. Блокирующие диоды последовательно с источниками питания
жений питания более чем на 0,3 или 0,4 В. Благодаря этому внутренние диоды не открываются и ток через них не течет. Отвод тока через диоды Шоттки защищает устройство, но при этом нужно позаботиться, чтобы не допустить перегрузки внешних компонентов.
Третий метод защиты состоит в том, чтобы последовательно с питанием включить блокирующие диоды (рис. 9), которые не пропускают ток через встроенные диоды. Слишком большой сигнал на входе замещает собой напряжение питания микросхемы. Пока такое напряжение питания не превышает максимально допустимого значения, устройство будет устойчиво к перенапряжениям. Недостаток этого метода состоит в уменьшении диапазона аналогового сигнала из-за диодов в цепях питания. Кроме того, сигналы, приложенные к входам, могут проходить через устройство и воздействовать на следующие элементы.
Притом что эти методы имеют свои преимущества и недостатки, все они требуют дополнительных компонентов, дополнительной площади печатной платы и дополнительных затрат. Это может иметь особое значение в применениях с большим количеством каналов. Чтобы устранить необходимость во внешних защитных устройствах, разработчику нужно присмотреться к интегрированным защитным решениям, которые будут выдерживать требуемые условия. Компания
Analog Devices предлагает несколько семейств ключей/мультиплексоров со встроенной защитой от выключения питания, перенапряжения и отрицательных сигналов.
Какие готовые решения уже доступны?
Устройства ADG4612 и ADG4613 от Analog Devices имеют малое сопротивление во включенном состоянии и малые искажения, что делает их оптимальным выбором для систем сбора данных, требующих высокой точности. Сопротивление открытого ключа имеет очень плоскую характеристику во всем диапазоне аналогового входного сигнала, обеспечивая великолепную линейность и малые искажения.
Семейство ADG4612 предназначено для защиты от выключения питания, перенапряжения и подачи отрицательного сигнала. Всего этого стандартные КМОП-ключи обеспечить не могут.
При отсутствии питания ключ всегда закрыт. Входы ключа имеют высокий импеданс, предотвращая протекание тока, который может повредить ключ или последующие схемы. Это очень полезно там, где аналоговый сигнал может появиться на входе ключа до включения питания, или когда пользователь не может контролировать последовательность подачи питающих напряжений. В выключенном состоянии сигналы с уровнем до 16 В блокируются. Кроме того, ключ размыкается, если уровень сигнала
на аналоговом входе превышает VDD на величину VT.
На рис. 10 показана блок-схема архитектуры семейства с защитой от выключения питания. Напряжения на входах и выходах непрерывно отслеживаются и сравниваются с напряжениями питания, VDD и Vss. При нормальной работе ключ ведет себя как стандартный КМОП-ключ, работающий в полном диапазоне от питания до питания. Однако когда сигнал на входе или выходе превышает питание на определенную пороговую величину, внутренняя схема обнаруживает перенапряжение и переводит ключ в изолирующий режим.
Компания Analog Devices предлагает также мультиплексоры и устройства защиты каналов, которые могут выдерживать перенапряжения до +40/-25 В относительно напряжений питания (±15 В), приложенные к устройству, и +55/-40 В при снятии питания. Эти устройства специально разработаны для предотвращения отказов, связанных с выключением питания.
Эти устройства содержат последовательно включенные n-канальный, ¿»-канальный и n-канальный полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), как показано на рис. 11. Когда напряжение на одном из аналоговых входов или выходов превысит напряжение питания, один из транзисторов закроется, вход (или выход) мультиплексора окажется разомкнут, и выходное напряже-
Sx-
Монитор Цифровой Монитор
ОВ вход питания
Sx Dx INX vDD
Рис. 10. Архитектура ключа ADG4612/ADG4613
Рис. 11. Архитектура ключа с высоковольтной защитой
р+
Rw
I Q1
I/O I/O Т Т I/O vss/ Т 1 GND
р+ п+ п+ Р+
I/O Vn
Карман п-типа
Q2
0
р-подложка
-CZh
Q1
Q2
VSS/GND I/O
И
Рис. 12. Паразитная тиристорная структура: а) устройство; б) эквивалентная схема
ние будет ограничено внутри диапазона питающих напряжений. Благодаря этому схемы, расположенные за мультиплексором, будут защищены от перенапряжения и повреждения. Таким образом обеспечивается защита мультиплексора, схем, на которые он подает сигнал, и датчиков или других источников сигналов. Когда питание пропадает (например, из-за отсоединения батареи или отказа источника питания) или моментально отключается (например, в стойке), все транзисторы выключаются и их токи не превышают суб-наноамперного уровня. Семейство ADG508F, ADG509F и ADG528F включает мультиплексор 8:1 и дифференциальный мультиплексор 4:1 с такой функциональностью.
Схемы защиты каналов ADG465 (одно-канальная) и ADG467 (восьмиканальная) имеют такую же защитную архитектуру, как эти мультиплексоры, но без отключающей функции. Если питание подано, эти ключи всегда замкнуты, но в случае неисправности напряжение на выходе ограничено диапазоном питающих напряжений.
Защелкивание
Что такое защелкивание?
Защелкивание (latch-up) может быть определено как возникновение низкоимпеданс-ного пути для протекания тока между шинами питания в результате включения паразитного устройства. Защелкивания происходят в КМОП-устройствах: присущие им паразитные устройства представляют собой pnpn-тиристорные структуры, в которых один из двух паразитных база-эмиттерных переходов моментально открывается (рис. 12). Тиристор включается, вызывая продолжительное замыкание между шинами питания. Включение такого тиристора — это серьезно: в лучшем случае оно приведет к отказу устройства до выключения питания с последующим восстановлением после его включения, а в худшем — устройство (и, возможно, источник питания) может быть разрушено, если величина тока не ограничивалась.
Описанные выше условия перенапряжения могут среди прочего вызывать и защелкивания. Если сигналы на аналоговых или цифровых входах превышают напряжение
питания, включается паразитный транзистор. Коллекторный ток этого транзистора создает падение напряжения между базой и эмиттером второго паразитного транзистора, вследствие чего он открывается, и возникает самоподдерживающийся путь для протекания тока между шинами питания. На рис. 12б показана схема тиристорной структуры, образуемой Q1 и Q2.
Событие, которое может вызвать защелкивание, не должно быть долгим. Это могут быть переходные процессы, выбросы или электростатические разряды.
Защелкивание может произойти также при значительном превышении максимально допустимого напряжения, когда возникает пробой внутренних переходов и включение тиристора.
Как лучше всего защитить схему от защелкивания?
Для защиты от защелкивания можно использовать те же методы, которые рекомендуются для защиты от перенапряжений. Добавление резисторов для ограничения тока в путь прохождения сигнала, диоды Шоттки на питание и диоды, включенные последовательно с питанием — как показано на рис. 8 и 9, — все это помогает предотвратить протекание тока через паразитные транзисторы, тем самым предотвращая включение тиристоров.
Ключи с несколькими напряжениями питания могут иметь дополнительные требования к последовательности подачи питаний, из-за нарушения которых могут быть пре-
вышены максимально допустимые значения. Неправильная последовательность подачи питания может привести к открыванию внутренних диодов и возникновению защелкивания. Внешние диоды Шоттки, подключенные между шинами питания, смогут защитить от тиристорной проводимости за счет того, что, когда несколько напряжений приложено к ключу, VDD всегда отличается от этих напряжений не более чем на величину падения напряжения на диоде (0,3 В для Шоттки), и, таким образом, предотвращается превышение максимально допустимых значений.
Какие готовые решения уже доступны?
В качестве альтернативы использованию внешней защиты некоторые микросхемы изготавливаются с использованием процесса в эпитаксиальном слое, при котором увеличивается сопротивляемость подложки и карманов n-типа к возникновению тиристорных структур. Повышенная сопротивляемость означает, что для включения тиристора необходимо гораздо более сильное воздействие, и, следовательно, такое устройство будет менее восприимчиво к защелкиваниям. Примером может служить технология i CMOS компании Analog Devices, которая сделала возможным появление семейств ключей/мультиплексоров ADG121x, ADG141x и ADG161x.
Новые ключи и мультиплексоры с изолированными канавками гарантируют отсутствие защелкиваний в высоковольтных промышленных приложениях при работе с напряжениями до ±20 В. Семейства ADG541x и ADG521x разработаны для измерительной техники, автомобилестроения, авионики и других применений в тяжелых условиях, способствующих возникновению защелкиваний. Технология iCMOS использует изолирующий оксидный слой (канавку), размещенный между n-канальным и p-канальным транзисторами каждого КМОП-ключа. Слои окисла, горизонтальный и вертикальный, обеспечивают полную изоляцию между устройствами. Паразитные переходы между транзисторами в ключах с изолированными переходами устранены, и в результате получается ключ, не поддающийся защелкиваниям (рис. 13).
В промышленной практике восприимчивость входов и выходов ключа к защелкива-
VG
VG
I/O о I/O I/O о I/O
nii Аг-ЧА
A
i, ,i
p+
i, ,i_i, ,i
p+
i, ,i
p+
Скрытый слой окисла
Подложка
Рис. 13. Изолирующие канавки для предотвращения защелкиваний
ниям описывается величиной избыточного тока через ввод/вывод, который может втекать или вытекать при перенапряжении до тех пор, пока на паразитных внутренних сопротивлениях не появится падение напряжения, достаточное для возникновения защелкивания.
Обычно приемлемой считается величина 100 мА. Устройства из устойчивого к защелкиваниям семейства ADG5412 выдерживают импульсы тока до ±500 мА длительностью до 1 мс без повреждений. Тестирование на защелкивание выполняется в соответствии с требованиями стандарта EIA/JEDEC-78 (IC Latch-Up Test).
Электростатические разряды
Что такое электростатический разряд?
Обычно наиболее распространенным видом кратковременных воздействий напряжения, которым подвергаются устройства, является электростатический разряд (Electrostatic Discharge, ESD). Он определяется как одиночный, быстрый, сильноточный переход электростатического заряда между двумя объектами с разными электростатическими потенциалами. Мы часто встречаемся с ним после того, как ходим по диэлектрической поверхности, сохраняющей заряд, например ковер, и потом прикасаемся к заземленному оборудованию. Результатом будет разряд через оборудование, с большим током, протекающим за короткое время.
Микросхемы могут быть повреждены высоким напряжением и большим пиковым током, которые порождаются электростатическим разрядом. Влияние такого разряда на аналоговый ключ может заключаться в уменьшении надежности с течением времени, ухудшении характеристик ключа, увеличении утечки канала или полном отказе устройства.
Электростатические разряды могут возникать на любой стадии жизни микросхемы, от производства через тестирование, транспортировку, монтаж в устройство и до работы конечного пользователя. Для оценки устойчивости микросхем к различным электростатическим разрядам существуют электрические схемы, которые моделируют воздействия окружающей среды: модель человеческого тела (human body model, HBM), модель поля, индуцируемого заряженным устройством (field-induced charged device model, FICDM), и машинная модель (machine model, MM).
Как лучше всего защититься от электростатического разряда?
Методы предотвращения электростатических разрядов, такие как поддержание статически безопасного рабочего места, всегда используются при производстве, сборке и хранении. Такие места и тех, кто на них работает, обычно можно внимательно контролировать, но обстановка, в которой устройство потом будет находиться, может не подлежать никакому контролю.
Защита Защита
аналогового входа цифрового входа
Защита питания
VDD "DD
GND
Рис. 14. Электростатическая защита аналогового ключа
Защита аналогового ключа от электростатических разрядов обычно делается в виде диодов между аналоговыми и цифровыми входами и шинами питания, так же, как защита питания состоит из диодов между шинами питания (рис. 14).
Защитные диоды ограничивают броски напряжения и отводят ток в источники питания. Недостатки такой защиты устройства — увеличение емкости и утечек на пути прохождения сигнала при нормальной работе, что нежелательно во многих применениях.
Там, где требуется более тщательная защита от статического электричества, обычно используются дискретные компоненты, например диоды Зенера, металло-оксидные варисторы (metal-oxide varistors, MOVs), подавители переходных напряжений (transient voltage suppressors, TVS) и диоды. Однако они могут нарушать целостность сигнала из-за большой емкости и утечек на сигнальной линии. Это значит, что инженеры-разработчики должны внимательно рассматривать компромиссы между рабочими характеристиками и надежностью.
Какие готовые решения уже доступны?
В то время как огромное большинство ключей/мультиплексоров ADI соответству-
ет уровням НВМ не менее ±2 кВ, некоторые из них ушли далеко за эти границы, достигая значений НВМ до ±8 кВ. Члены семейства ADG541x достигают значений ±8 кВ НВМ, ±5 кВ Б^М и ±400 В ММ, удерживая тем самым лидерство в отрасли и сочетая возможность работы при высоких напряжениях с надежностью.
Заключение
Когда на входы ключей или мультиплексоров поступают сигналы от удаленных источников, это увеличивает вероятность отказов. Из-за неправильного порядка подачи напряжений питания или горячего подключения могут возникать перенапряжения. В агрессивном электрическом окружении броски напряжения из-за плохого соединения или индуктивной связи могут разрушить компоненты, если они не защищены. Отказы также могут происходить, если напряжение питания пропадает, а на входы ключей продолжают поступать аналоговые сигналы. В результате возможны серьезные повреждения, которые могут потребовать дорогостоящего ремонта. Существуют разнообразные методы разработки для защиты от отказов, но они увеличивают стоимость устройства и площадь печатных плат и часто требуют
Таблица 2. Высоковольтные ключи, устойчивые к защелкиваниям
Название Конфигурация Число ключей Ron, Ом Максимальный аналоговый сигнал,В Инжекция заряда, пКл Утечка включения при 85 °C, нА Напряжения питания, В Корпуса Цена за 1000 шт., USD
ADG5212 SPST/NO 4 160 0,07 0,25 2,18
ADG5213 SPST/NO-NC 4 160 0,07 0,25 2,18
ADG5236 2 160 0,6 0,4 Два (±15 В), два (±20 В), CSP, SOP 2,26
ADG5412 SPST/NO 4 9 От Vss ДО VDD 240 2 2,18
ADG5413 4 9 240 2 одно (+12 В), одно (+36 В) 2,18
ADG5433 SPST/NO-NC 3 12,5 130 4 2,15
ADG5434 4 12,5 130 4 SOP 3,04
ADG5436 2 9 0,6 2 CSP, SOP 2,26
Таблица 3. Высоковольтные мультиплексоры, устойчивые к защелкиваниям
Название функция Ron, Ом Максимальный аналоговый сигнал, В Инжекция заряда, пКл Емкость включения, пф Утечка включения при 85 °C, нА Напряжения питания, В Корпуса Цена от 1000 до 4999 шт., USD
ADG5204 (4:1)х2 160 0,6 30 0,5 Два (±15 В), два (±20 В), 2,26
ADG5408 (8:1)х1 14,5 От VSS Д° VDD 115 133 4 CSP, SOP 2,41
ADG5409 (4:1)х2 12,5 115 81 4 одно (+12 В), одно (+36 В) 2,41
ADG5404 (4:1)х1 9 220 132 2 2,26
Таблица 4. Низковольтные мультиплексоры с защитой
Название Конфигурация Число ключей Максимальный аналоговый сигнал, В Время срабатывания защиты, нс Время восстановления, мкс Полоса по уровню -3 дБ, МГц Корпуса Цена за 1000 шт., USD
ADG4612 SPST/NO 4 От -5,5 В до VDD 295 1,2 293 SOP 1 84
ADG4613 SPT/NO-NC 294 CSP, SOP
Таблица 5. Высоковольтные мультиплексоры с защитой
Название функция Ком, Ом Максимальный аналоговый сигнал, В Переходное время, нс Напряжения питания, В Рассеиваемая мощность, мВт Корпуса Цена от 1000 до 4999 шт., USD
ADG438F (8 1)х1 400 От VSS+1,2 В 170 Два (±15 В) 2,6 DIP, SOIC 3,68
ADG439F (4 1)х2 до Vdd-0,8 В
ADG508F (8 1)х1 От VDD+3 В до Vdd-1,5 В Два (±12 В), два (±15 В) DIP, SOIC 3,31
ADG509F (4 1)х2 300 200 3
ADG528F (8 1)х1 ИР, LCC 3,91
Таблица 6. Высоковольтные схемы защиты канала
Название Конфигурация Число ключей Ком, Ом Максимальное положительное питание, В Максимальное отрицательное питание, В Корпуса Цена за 1000 шт., USD
ADG465 Channel Protector 1 80 20 20 Э01С, SOT 0,84
ADG467 Channel Protector 8 62 Э01С, SOP 2,4
компромиссов в части качества работы ключей. И даже при наличии внешних защитных элементов последующие схемы не всегда бывают защищены. Так как аналоговые ключи и мультиплексоры наиболее часто среди других электронных компонентов подвергаются опасным воздействиям, важно понимать, как они ведут себя, если превышены максимально допустимые параметры.
Ключи и мультиплексоры со встроенной защитой (табл. 2-6), подобные тем, что здесь описаны, позволяют разработчику избавиться от внешних защитных компонентов, уменьшая количество и стоимость деталей на плате. Экономия получается даже более значительной в применениях с большим числом каналов.
В конечном счете использование ключей с защитой, устойчивых к перенапряжениям и электростатическим разрядам, позволяет создавать надежную продукцию, которая соответствует требованиям промышленных стандартов и удовлетворяет потребителей и конечных пользователей. ■
