CN1756454A - 具有滤波装置的静电放电防护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静电放电防护电路，用于对具有较高工作频率的射频电路进行静电放电防护，其包括：滤波装置，具有第一端和第二端，该滤波装置用于对第一端接收到的信号进行处理，过滤该信号中的静电放电信号，其第二端连接至静电放电敏感射频电路。根据本发明的静电放电防护电路适用于高频电路，工作频率越高，ESD防护的效果越好。

Description

具有滤波装置的静电放电防护电路

技术领域

本发明涉及电路装置，尤其涉及具有滤波装置的静电放电防护电路。

背景技术

近年来，随着科学技术的飞速发展，微电子技术已经得到广泛应用，同时，电磁环境也越来越复杂，静电放电(ElectrostaticDischarge，ESD)已经成为一个迫切需要解决的问题。静电放电最简单的原理就是当两个物体接触摩擦后带有负电的电离子由其中一个物体的表面转移到另一个物体的表面，使得两个物体产生静电。

静电放电是造成大多数的电子组件或电子系统受到过电应力(Electrical Overstress，EOS)破坏的主要因素。这种破坏会导致电子元器件失效以及电子系统故障，进而影响集成电路的电路功能，使得电子产品工作不正常，计算机系统等造成永久性损坏，可见静电放电对器件的危害是不可忽视的。

要避免静电放电的危害，除了加强工作场所对静电累积的控制之外，必须在电子产品中加入能够防止静电放电破坏功能的装置。

在无线通讯领域，很多射频器件的静电放电防护等级都在500伏以下，有些甚至只有100-200伏。如此低的静电放电防护等级给射频器件的生产、调测以及使用都带来了很大的困难，元器件很容易失效，使系统的故障率升高。所以，在单板的电路设计上就应该考虑敏感器件的静电放电防护问题。

目前，已经有多种静电放电防护电路，下面参考图1和图2介绍两种比较常用的静电放电防护电路。图1示出了现有技术中利用阻性元件衰减特性的静电放电防护电路10，静电放电防护电路10包括一个第一端102和一个第二端104，第一端102用于接入信号，第二端104用于输出信号给其它电路。在第一端102和第二端104之间连接有第一阻性元件106，在第一阻性元件106的两端分别接有第二阻性元件108和第三阻性元件110，这两个阻性元件的另一端接地。通过分别设定第一阻性元件106、第二阻性元件108、及第三阻性元件110的阻值，可以对施加到第二端102的静电信号进行衰减，从而实现静电放电防护的目的。这种电路虽然能够起到一定的静电放电防护作用，但是，由于在对静电放电信号进行衰减的同时，也使得有用信号被衰减很多，所以，这种电路的实用性不强。

另外，现有技术中还有利用过压保护技术实现静电放电防护的实例。图2示出了现有技术中采用快速开关二极管的静电放电防护电路20，其包括第一端202和第二端204，第一快速开关二极管206和第二快速开关二极管208，第一快速开关二极管206的负极连接至第二快速开关二极管208的正极，构成一个并联电路，该并联电路的一端连接至传输线，另一端接地，传输线具有输入端和输出端。将第二快速开关二极管208的导通电压设置为低于静电放电电压，当有静电放电信号进入第一端202时，第二快速开关二极管208导通，将静电引导至地，从而实现静电放电保护。虽然，采用这种静电防护电路时，可以将ESD等级为200伏的器件的抗ESD能力提高到2000-4000伏，但是，由于其快速开关二极管的寄生电容的影响，一般只能应用在1GHz频率以下，否则，寄生电容会对1GHz以上的信号质量产生影响。另外，由于受到二极管正向导通电压的影响，当有用信号的峰值电压超过二极管的正向导通电压时，有用信号就会饱和压缩，产生失真。

上述ESD防护电路要在1GHz以上实现较好的ESD防护效果、同时又对有用信号影响较小是非常困难的。

因此，需要一种能够为工作在较高频段的射频敏感器件提供ESD防护的静电放电防护电路。

发明内容

本发明的目的在于提供能够克服现有技术中存在的至少一种缺陷的静电放电防护电路。

为实现上述目的，本发明提供了一种静电放电防护电路，包括：一滤波装置，具有第一端和第二端，所述第一端对其接收到的信号进行滤波处理，过滤该信号中的静电放电信号，所述第二端连接至所述静电放电敏感射频电路，所述滤波装置用于为所述静电放电敏感射频电路提供静电放电防护。

该滤波装置的第二端既可以连接至静电放电敏感射频电路的输入端也可以连接至静电放电敏感射频电路的输出端。

当该滤波装置的第二端连接至静电放电敏感射频电路的输入端时，该滤波装置对通过其第一端接收到的信号进行滤波处理，过滤其中的静电放电信号，将其中的有用信号通过其第二端输出给静电放电敏感射频电路。

当该滤波装置的第二端连接至静电放电敏感射频电路的输出端时，该滤波装置仅对通过其第一端接收到的信号进行滤波处理，过滤其中的静电放电信号，而不会将经过过滤的信号输出给静电放电敏感射频电路。

在上述静电防护电路中，该滤波装置是高通滤波器，该高通滤波器可以由集成元件构成也可以由分立元件构成，用于过滤信号中的静电放电信号，将高于设定频率的有用信号输出给被保护的静电放电敏感射频电路，该高通滤波器的参数为：3dB截止频率大于等于100MHz、100MHz以下频段的衰减量大于等于10dB、10MHz以下频段的衰减量大于等于20dB，优选为：3dB截止频率大于500MHz、100MHz以下频段的衰减量大于等于30dB、10MHz以下频段的衰减量大于等于60dB。

例如：在采用四阶LC高通滤波器的情况下，该高通滤波器包括：第一电容器，具有第一端和第二端；第二电容器，具有第一端和第二端，第二电容器的第一端与第一电容器的第二端连接；第一电感器，其一端连接至第一电容器的第一端，其另一端接地；第二电感器，其一端连接在第一电容器和第二电容器之间的连线之间，其另一端接地。当所述输入信号进入所述第一电感器的第一端时，所述第一电感器、所述第一电容器、所述第二电感器、以及所述第二电容器协同工作，将高于截止频率的有用信号通过所述第二电容器的第二端输出。

上述滤波装置也可以采用带通滤波器，其可以由集成元件构成也可以由分立元件构成，用于将处于设定频率范围的信号通过其第二端输出给所述被保护的静电放电敏感射频电路，该带通滤波器的参数为：低端3dB截止频率可以设置为大于等于100MHz、100MHz以下频段的衰减量大于等于10dB、10MHz以下频段的衰减量大于等于20dB，该带通滤波器的参数优选设置为：低端3dB截止频率为大于等于500MHz，100MHz以下频段的衰减量大于等于30dB、10MHz以下频段的衰减量大于等于60dB。对于高端截止频率没有限制，可以根据实际需要确定。

使用时，该滤波装置可以连接在静电放电敏感射频电路的输入端或输出端。

和现有技术中的静电防护电路相比，根据本发明的静电放电防护电路的优点在于：

1.由于采用高通或带通滤波器，适用于高频电路，工作频率越高，ESD防护的效果越好；

2.由于采用高通或带通滤波器，没有寄生电容的影响，对工作频段带内信号的影响较小；

3.不受信号功率大小的限制；以及

4.利用高通或带通滤波器，还可实现某些射频器件的阻抗匹配功能。

附图说明

通过参考附图，本发明的特征和优点将变的更加明显，其中：

图1示出了现有技术中利用阻性元件衰减特性进行静电防护的静电放电防护电路的电路图；

图2示出了现有技术中采用快速开关二极管的静电放电防护电路的电路图；

图3示出了静电放电信号频谱(经过40dB衰减)的示意图；

图4示出了根据本发明的静电放电防护电路连接至射频ESD敏感器件时的电路框图；

图5a示出了采用高通滤波器时的特征曲线图；

图5b示出了采用带通滤波器时的特征曲线图；

图6示出了图4中的静电放电防护电路采用四阶LC高通滤波器时的具体电路图；

图7示出了图4中的静电放电防护电路及射频ESD敏感器件的具体电路图；

图8示出了图6中的四阶LC高通滤波器的特性曲线图；

图9示出了图4中的静电放电防护电路采用带通滤波器时的具体电路图；

图10示出了根据本发明的静电放电防护电路采用带通滤波器时的特征曲线图；以及

图11示出了图4中的静电防护电路采用介质滤波器时的特征曲线图。

具体实施方式

现在参照附图对本发明的具体实施例进行说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

图3示出了静电放电信号频谱(经过40dB衰减)的示意图。从图中可以看出，静电放电信号是一种宽频带信号，其频谱从几KHz到几GHz，但主要能量(95％以上的能量)集中在几百MHz以下的频带范围，如图中所示出的。当有用信号的工作频率在ESD主能量频段之外时，便可以用滤波器将有用信号与静电放电信号的频谱分开。

在无线通讯系统中，常用的频段有450M、800M、900M、1800M、1900M以及一些更高的频段，只要在射频输入端口增加一个高通滤波器，即可将绝大部分静电放电能量阻挡在输入端口外，防止静电放电能量对单板上的器件造成损伤。工作频段越高、滤波器的截止频率就可以设计得越高、对低频的衰减就越大，对静电放电防护的效果就越好。本发明利用上述原理进行静电放电防护电路的设计。

图4示出了根据本发明的静电放电防护电路50连接至射频ESD敏感器件56时的电路框图。从图中可以看出，根据本发明的静电防护电路连接至射频ESD敏感器件的输入端或输出端，也可以分别在该射频ESD敏感器件的输入端和输出端连接根据本发明的静电防护电路。根据本发明的静电防护电路可以采用高通滤波器，也可以采用带通滤波器。高通滤波器能够使频率高于其截止频率的信号通过，而使频率低于该截止频率的信号衰减。带通滤波器能够使频率在设定频率段内的信号通过，而使频率在该设定频率段之外的信号衰减。因此，根据射频系统的工作特点，可以利用高通或者带通滤波器将静电放电信号过滤掉，从而实现静电放电防护。本领域技术人员应当理解，根据本发明的静电防护电路50和射频ESD敏感器件56之间的连接可以是直接连接也可以是间接连接，此处所采用的连接方式并不用于限定本发明。

图5a和图5b分别示出了采用高通滤波器和带通滤波器时的特征曲线图。从图5a中可以看出，高通滤波器的参数为：3dB截止频率大于等于100MHz、100MHz以下频段的衰减量大于等于10dB、10MHz以下频段的衰减量大于等于20dB。从图5b中可以看出，该带通滤波器的参数为：低端3dB截止频率可以设置为大于等于100MHz、频率100MHz以下频段的衰减量大于等于10dB、频率10MHz以下频段的衰减量大于等于20dB；对高端截止频率没有限制，可以根据需要确定。

图6示出了图4中的静电放电防护电路采用四阶LC高通滤波器时的具体电路图。在该实施例中，给出的静电放电防护电路采用了四阶LC高通滤波器60，包括：第一电容器602，具有第一端和第二端；第二电容器604，具有第一端和第二端，所述第二电容器604的第一端与所述第一电容器602的第二端连接；第一电感器606，其一端连接至所述第一电容器602的第一端，其另一端接地；第二电感器608，其一端连接在所述第一电容器602和所述第二电容器604之间的连线之间，其另一端接地；以及电源，其与所述第一电感器并联连接。第一电容器602的电容C为1.5pF，第二电容器604的电容C为3pF，第一电感器606的电感为8nH，第二电感器608的电感为4nH，该四阶LC高通滤波器60能够使频率高于1.5GHz的高频信号通过，而过滤掉频率低于1.5GHz的低频信号。

图7示出了图4示出的静电放电防护电路及常规射频ESD敏感器件的具体电路图。四阶LC高通滤波器60的输出端，也就是第二电容器604的第二端，连接至射频放大器56的输入端。使用中，对输入到四阶LC高通滤波器60的第一端的信号中的静电放电信号进行过滤，将其它有用信号通过第二电容器604的第二端输出到射频放大器56的输入端，从而实现对射频放大器56的静电放电保护。图中示出的射频放大器56的静电等级为250伏，在试验中，使用最高放电电压为9000伏的静电枪向四阶LC滤波器60的第一端释放9000伏的静电信号(其主要能量主要在小于几百MHz的范围内)，如由于采用了四阶LC高通滤波器60进行防护，过滤掉了静电信号，所以没有对该射频放大器56造成损坏。在本例中，射频放大器56采用美国Agilent公司出品的ATF-54143型放大器，但是，本领域技术人员应当理解，利用根据本发明的静电放电防护电路，可以对其它的射频元器件进行静电防护。

图8示出了图6中的四阶LC高通滤波器的特性曲线图。从图中可以看出，采用四阶LC高通滤波器60作为防护电路时，在1.8GHz以上的插损很小、驻波也很好，在1.5GHz以下有很大的衰减，对静电放电能量有较好的抑制作用。截止频率越高、矩形系数越大的滤波器，在500MHz以下的衰减就越大，对静电放电的防护效果就越好。

另外，采用LC高通滤波器60对射频器件56进行防护时，还可以根据射频器件的输入端特征阻抗要求进行阻抗匹配。

在采用LC高通滤波器对射频器件进行防护的一个实例中，在没有对该射频器件进行静电放电防护时，其输入端的抗静电放电能力为300V，在其输入端接入一个四阶LC高通滤波器(参数为：3dB截止频率为600MHz、频率为100MHz时衰减65dB、频率为10MHz衰减150dB)，其输入端的抗静电放电能力提高到7000伏。

图9示出了图4中的静电放电防护电路采用带通滤波器时的具体电路图。该带通滤波器90具有第一端902和第二端904，第一电容器906、第一电感器908、第二电感器910、以及第二电容器912依次串联连接在第一端902和第二端904之间；第一电容器906和第一电感器908之间接有接地的第一LC回路，该第一LC回路由并联接地的第三电感器914和第三电容器916构成；第一电感器908和第二电感器910之间接有接地的第二LC回路，该第二LC回路由并联接地的第四电感器918和第四电容器920构成；同样，第二电感器910和第二电容器912之间也接有接地的第三LC回路，该第三LC回路由并联接地的第五电感器922和第五电感器924构成。

在一个实施例中，该带通滤波器中的各个元器件的参数如图所示，第一电容器906和第二电容器912的电容值均为1.3pF，第三电容器916和第五电容器924的电容值均为1pF，第四电容器920的电容值为2.4pF，第一电感器908和第二电感器910的电感值均为566nH，第三电感器914、第四电感器918、以及第五电感器924的电感值均为50nH。

图10示出了带通滤波器采用图9所示的参数时的性能曲线图。从图中可以看出，该带通滤波器的性能参数如下：低端3dB截止频率为460MHz、频率为100MHz时衰减95dB、频率为10MHz时衰减158dB；高端截止频率为530MHz。

图11示出了图4中的静电防护电路采用介质滤波器时的特征曲线图。根据本发明的静电防护电路还可以采用介质滤波器，例如，美国SGC公司出品的SBP-4R3-2140BP60M型带通介质滤波器，其特征曲线如图11所示，从图中可以看出，该带通介质滤波器的低端截止频率为2.11GHz，高端截止频率为2.17GHz，可以起到过滤频率较低的静电放电信号的作用。

本领域技术人员将理解，在本说明书中所涉及的具体数值均用于示范性说明，并不用于限定本发明，采用其它的数值也能够实现本发明。

因此，和现有技术中的静电防护电路相比，根据本发明的静电放电防护电路实现了如下技术效果：

1.适用于高频电路，工作频率越高，ESD防护的效果越好；

2.没有寄生电容的影响，对工作频段带内信号的影响较小；

3.不受信号功率大小的限制；以及

4.可实现某些射频器件的阻抗匹配功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种静电放电防护电路，其特征在于包括：一滤波装置，具有第一端和第二端，所述第一端用于对其接收的信号进行滤波处理，过滤所述信号中的静电放电信号，所述第二端连接至所述静电放电敏感射频电路，所述滤波装置用于为所述静电放电敏感射频电路提供静电放电防护。

2.根据权利要求1所述的静电放电防护电路，其特征在于，所述滤波装置是高通滤波器或带通滤波器。

3.根据权利要求2所述的静电放电防护电路，其特征在于，所述高通滤波器是具有高通特性的LC滤波器或介质滤波器。

4.根据权利要求2所述的静电放电防护电路，其特征在于，所述带通滤波器是具有带通特性的LC滤波器或介质滤波器。

5.根据权利要求2所述的静电放电防护电路，其特征在于，所述高通滤波器的3dB截止频率大于等于100MHz。

6.根据权利要求2所述的静电放电防护电路，其特征在于，所述带通滤波器的低端3dB截止频率大于等于100MHz。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的静电放电防护电路，其特征在于，所述滤波装置的第二端连接至所述静电放电敏感射频电路的输入端。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的静电放电防护电路，其特征在于，所述滤波装置的第二端连接至所述静电放电敏感射频电路的输出端。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的静电防护电路，其特征在于，所述滤波装置由集成元件构成。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的静电放电防护电路，其特征在于，所述滤波装置由分立元件构成。

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