Chuyên Mục Công Nghệ

Hiện tượng phóng điện do tĩnh điện (ESD) – Phần 7: Bảo vệ ESD cho các I/O tín hiệu với mạch “double-diode”

By Tạ Minh Chiến / 24/07/2013 / Bán dẫn, Thiết kế / Bình luận về bài viết này

(Phần 6: Bảo vệ ESD cho VDD và VSS với mạch “power clamp”)

…

Một trong những cách bảo vệ các I/O tín hiệu đơn giản nhất là dùng hai diode nối như trong Hình 9. Mạch này thường được gọi là mạch double-diode.

Hình 9: Bảo vệ ESD cho một I/O dùng double-diode.

Trước khi tìm hiểu về hoạt động của mạch double-diode ta sẽ nhắc lại một chút về hoạt động của diode (xem Hình 10) theo cách đơn giản nhất: diode D sẽ chỉ dẫn điện theo chiều từ anode sang cathode nếu điện áp ở anode lớn hơn điện áp ở cathode một lượng bằng V_th (threshold voltage – điện áp ngưỡng).

Hình 10: Diode.

Quay lại với mạch trong Hình 9, ta thấy:

D₁ chỉ dẫn điện khi V_I/O > VDD + V_th. Nếu V_I/O < VDD + V_th thì D₁ không dẫn điện.
D₂ chỉ dẫn điện khi VSS > V_I/O + V_th hay V_I/O < VSS – V_th. Nếu V_I/O > VSS – V_th thì D₂ không dẫn điện.

Như vậy với các giá trị V_I/O nằm trong khoảng từ VSS-V_th đến VDD + V_th thì cả D₁ và D₂ đều không dẫn điện và do đó, ít nhất là về mặt DC, các diode D₁ và D₂ không làm thay đổi hoạt động của mạch điện được bảo vệ. Trong điều kiện hoạt động bình thường của mạch, điện áp của các tín hiệu vào hầu như luôn nằm giữa VSS và VDD do vậy mạch double-diode sẽ không bị kích hoạt. Điều này được minh hoạ trong Hình 11.

Hình 11: Tầm điện áp hoạt động của mạch double-diode.

Trong trường hợp ESD xảy ra ở một I/O thì một trong hai khả năng sau sẽ xảy ra:

Dòng điện chạy vào ở I/O: trong trường hợp này điện áp ở I/O sẽ ở mức cao vì dòng điện chảy từ nơi điện áp cao sang nơi có điện áp thấp. Với V_I/0 = V_ESD vào khoảng vài trăm Volt thì D₁ sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện vì V_th của một diode thường dưới 1V. Dòng điện ESD sẽ chạy từ I/O qua D₁ sang VDD. (Xem Hình 12)
Dòng điện chạy ra ở I/O: trong trường hợp này thì điện áp của I/O sẽ ở mức thấp và D₂ sẽ chuyển sang trạng thái dẫn. Dòng điện ESD sẽ chạy từ VSS qua D₂ và chạy ra I/O. (Xem Hình 12)