一種使用濾波器實(shí)現(xiàn)射頻功放輸出口ESD防護(hù)的方法

馬永華

摘 要：文章分析人體模型電壓波形的基波頻譜范圍，使用射頻濾波器對(duì)人體模型電壓波形的基波濾除，以實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻功放器件輸出口的ESD防護(hù)。

關(guān)鍵詞：ESD防護(hù)；射頻功放；濾波器；ADS仿真

1 靜電現(xiàn)象概述

在生活中大家都有過(guò)靜電放電 （Electro-Static Discharge，ESD）的體驗(yàn)，如冬天開(kāi)門(mén)的時(shí)候，手去抓門(mén)把手的瞬間感受到刺痛，同時(shí)能看到一個(gè)小電弧的出現(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)室里如果工作不注意，用帶有靜電的手去接觸設(shè)備，會(huì)導(dǎo)致工作設(shè)備失常。

射頻功放因其工作頻率高，其柵極通常都較薄，同時(shí)器件內(nèi)部無(wú)法添加防靜電電路，導(dǎo)致射頻功放器件抗ESD的性能較弱。如NXP公司出品的射頻功放器件A2I20H080N，其抗HBM（人體模型）ESD的指標(biāo)性能如表1所示。

從文中可以看出NXP A2i20H080N功放最大能承受的HBM的ESD電壓為1 000～2 000 V，制作的射頻電路如果不添加ESD防護(hù)器件或電路，NXP A2i20H080N這個(gè)器件被靜電擊毀的概率會(huì)很高。在實(shí)際工作中，NXP A2i20H080N防靜電等級(jí)為中等，所以防靜電等級(jí)較低的抗靜電性能更差。如果在其射頻頻口上添加ESD防護(hù)電路或器件，可以極大提高NXP A2i20H080N等芯片的工作可靠性。

2 ESD性能及改進(jìn)介紹

普通電路中為了提升電路的抗ESD性能，一般在器件ESD敏感管腳添加瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）來(lái)實(shí)現(xiàn)電路抗ESD等級(jí)。然而射頻功放輸出口不適合再添加TVS器件來(lái)提升射頻功放的ESD性能。原因如下：（1）TVS的結(jié)電容較大，將TVS器件添加在射頻功放的輸出口上會(huì)對(duì)射頻的輸出匹配造成影響，導(dǎo)致射頻功放的輸出匹配處于失配狀態(tài)，從而降低了功放的輸出功率；（2）TVS是非線性現(xiàn)器件，TVS器件添加在功放口上會(huì)造成射頻信號(hào)的非線性失真，導(dǎo)致功放輸出信號(hào)質(zhì)量下降；（3）TVS等效內(nèi)電阻較大，其添加在功放輸出口上，因輸出功率很大，TVS器件消耗很多的射頻功率，導(dǎo)致TVS器件溫度升高最終出現(xiàn)TVS器件燒毀。

3 射頻濾波器研究

既然TVS在功放口實(shí)現(xiàn)ESD防護(hù)不合適，那還有什么電路可以實(shí)現(xiàn)功放抗ESD性能的方法呢？分析人體模型的ESD電壓波形如圖2所示。其上升沿的時(shí)間為0.5～2 ns，可以根據(jù)fb=1/（pi*T）算出上升沿基波頻率為160～636 MHz，其下降沿的時(shí)間為30～120 ns，可以根據(jù)fb=1/（pi*T）算出上升沿基波頻率為2.6～10.6 MHz。如果我們把電壓波形的上升沿和下降沿的基波頻率通過(guò)射頻濾波器濾除，那靜電的主要能量就不能到達(dá)功放端口，從而實(shí)現(xiàn)功放電路抗ESD的性能提升。

為了印證射頻濾波器的可行性，采用先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Advaced Design System，ADS）進(jìn)行ESD防護(hù)可行性仿真。首先建立ESD源的模型，其電路如圖3所示，激勵(lì)電壓為8 000 V，在負(fù)載上的峰值電壓達(dá)到1 750 V，電壓波形如圖4所示。

添加射頻濾波器的ESD仿真電路如圖5所示，電路中添加了一個(gè)2階的帶通濾波器，ESD的激勵(lì)電壓依然為8 000 V，在負(fù)載上的峰值電壓為60 μV，電壓如圖6所示。

同時(shí)對(duì)濾波器進(jìn)行了S參數(shù)的仿真，仿真電路如圖7所示。仿真結(jié)果表明射頻濾波器對(duì)射頻信號(hào)的插損為0.04 dB，對(duì)射頻信號(hào)的影響可以忽略不計(jì)。濾波器的插入損耗如圖8所示。

根據(jù)ADS的仿真表明，使用射頻濾波器可以將ESD電壓波形中不在射頻功放工作頻率范圍內(nèi)的頻譜分量濾除。而通常ESD電壓波形的主要頻譜分量集中在10 MHz級(jí)和100 MHz級(jí)上，所以射頻濾波器可以將ESD波形中絕大多數(shù)靜電能量濾除，從而達(dá)到對(duì)射頻功放的器件保護(hù)目的。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述的分析和仿真結(jié)果，在射頻功放的輸出口添加射頻濾波器是一種提升抗靜電性能的有效方法，從而有效地保護(hù)了功放器件，提升設(shè)備電路的可靠性。