一种使用滤波器实现射频功放输出口ESD防护的方法

    马永华

    

    

    

    摘 要：文章分析人体模型电压波形的基波频谱范围，使用射频滤波器对人体模型电压波形的基波滤除，以实现对射频功放器件输出口的ESD防护。

    关键词：ESD防护；射频功放；滤波器；ADS仿真

    1 静电现象概述

    在生活中大家都有過静电放电 （Electro-Static Discharge，ESD）的体验，如冬天开门的时候，手去抓门把手的瞬间感受到刺痛，同时能看到一个小电弧的出现。在实验室里如果工作不注意，用带有静电的手去接触设备，会导致工作设备失常。

    射频功放因其工作频率高，其栅极通常都较薄，同时器件内部无法添加防静电电路，导致射频功放器件抗ESD的性能较弱。如NXP公司出品的射频功放器件A2I20H080N，其抗HBM（人体模型）ESD的指标性能如表1所示。

    从文中可以看出NXP A2i20H080N功放最大能承受的HBM的ESD电压为1 000～2 000 V，制作的射频电路如果不添加ESD防护器件或电路，NXP A2i20H080N这个器件被静电击毁的概率会很高。在实际工作中，NXP A2i20H080N防静电等级为中等，所以防静电等级较低的抗静电性能更差。如果在其射频频口上添加ESD防护电路或器件，可以极大提高NXP A2i20H080N等芯片的工作可靠性。

    2 ESD性能及改进介绍

    普通电路中为了提升电路的抗ESD性能，一般在器件ESD敏感管脚添加瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）来实现电路抗ESD等级。然而射频功放输出口不适合再添加TVS器件来提升射频功放的ESD性能。原因如下：（1）TVS的结电容较大，将TVS器件添加在射频功放的输出口上会对射频的输出匹配造成影响，导致射频功放的输出匹配处于失配状态，从而降低了功放的输出功率；（2）TVS是非线性现器件，TVS器件添加在功放口上会造成射频信号的非线性失真，导致功放输出信号质量下降；（3）TVS等效内电阻较大，其添加在功放输出口上，因输出功率很大，TVS器件消耗很多的射频功率，导致TVS器件温度升高最终出现TVS器件烧毁。

    3 射频滤波器研究

    既然TVS在功放口实现ESD防护不合适，那还有什么电路可以实现功放抗ESD性能的方法呢？分析人体模型的ESD电压波形如图2所示。其上升沿的时间为0.5～2 ns，可以根据fb=1/（pi*T）算出上升沿基波频率为160～636 MHz，其下降沿的时间为30～120 ns，可以根据fb=1/（pi*T）算出上升沿基波频率为2.6～10.6 MHz。如果我们把电压波形的上升沿和下降沿的基波频率通过射频滤波器滤除，那静电的主要能量就不能到达功放端口，从而实现功放电路抗ESD的性能提升。

    为了印证射频滤波器的可行性，采用先进设计系统（Advaced Design System，ADS）进行ESD防护可行性仿真。首先建立ESD源的模型，其电路如图3所示，激励电压为8 000 V，在负载上的峰值电压达到1 750 V，电压波形如图4所示。

    添加射频滤波器的ESD仿真电路如图5所示，电路中添加了一个2阶的带通滤波器，ESD的激励电压依然为8 000 V，在负载上的峰值电压为60 μV，电压如图6所示。

    同时对滤波器进行了S参数的仿真，仿真电路如图7所示。仿真结果表明射频滤波器对射频信号的插损为0.04 dB，对射频信号的影响可以忽略不计。滤波器的插入损耗如图8所示。

    根据ADS的仿真表明，使用射频滤波器可以将ESD电压波形中不在射频功放工作频率范围内的频谱分量滤除。而通常ESD电压波形的主要频谱分量集中在10 MHz级和100 MHz级上，所以射频滤波器可以将ESD波形中绝大多数静电能量滤除，从而达到对射频功放的器件保护目的。

    4 结语

    通过上述的分析和仿真结果，在射频功放的输出口添加射频滤波器是一种提升抗静电性能的有效方法，从而有效地保护了功放器件，提升设备电路的可靠性。