射频电路ESD保护设计

Semenov 补充 | 来源: Semenov et al., ESD Protection Device and Circuit Design for Advanced CMOS Technologies, Ch.8

概述

射频接收器中,低噪声放大器 (LNA) 是第一级模块,对 ESD 保护电路的寄生参数最为敏感。ESD 保护添加的额外寄生电容和电阻会退化 LNA 的输入匹配、增益和噪声性能。本章聚焦于窄带 LNA 的 ESD 保护策略,利用 RF 信号与 ESD 信号在频率和能量上的差异实现协同设计。

两种信号的主要差异:

  • 能量/电压:ESD 信号电压极高 → 易于检测(snapback 基保护)
  • 频率:RF 信号在 GHz 范围,ESD 信号在数十 MHz 范围 → 可用无源滤波器分离

1. RF 基本概念

1.1 品质因子 Q

电抗元件的非理想性(欧姆电阻)引入功率耗散和热噪声。Q 定义为平均无功功率与平均耗散功率之比:

电感和电容的 Q 因子:

串联 RLC 网络的谐振频率与 Q:

1.2 信噪比与噪声系数

信噪比:

噪声因子 (F):输入 SNR 与输出 SNR 之比

噪声系数 (NF):F 的 dB 表示,

1.3 阻抗匹配

基于最大功率传输定理:负载阻抗 应为源阻抗 的复共轭(,)。RF 系统标准端接阻抗为 50 Ω。

常用匹配网络:

  • L 型(图 8-2):最简单的升降阻抗变换器
  • Π 型(图 8-3a):两个 L 型级联,寄生电容可作为网络的一部分
  • T 型(图 8-3b):适合端接寄生呈感性的场景

1.4 S 参数

高频下使用散射参数 (S 参数) 替代开路/短路参数(图 8-4):

参数物理含义测量条件
输入反射系数(输入匹配度量)端口 2 端接匹配
输出反射系数(输出匹配度量)端口 1 端接匹配
正向增益端口 2 端接匹配
反向传输增益端口 1 端接匹配

2. LNA 架构

2.1 共源极 LNA (CS LNA)

电感退化共源极 LNA(图 8-5/8-6)是最流行的 LNA 拓扑:

输入阻抗:

在谐振频率处阻抗为纯电阻:

设计使 实现输入匹配。

典型性能指标 (表 8-1):

参数0.35 μm (0.92 GHz)0.35 μm (0.92 GHz)0.18 μm (5.75 GHz)
-10.1 dB-19 dB-21 dB
-27 dB-27 dB-11 dB
(增益)14 dB15 dB14.1 dB
NF0.9 dB1.15 dB1.8 dB

设计准则:,,增益尽可能高。

2.2 共栅极 LNA (CG LNA)

CG LNA(图 8-7)是 CS LNA 的主要竞争者。输入阻抗在谐振时近似为 ,可直接设计为 50 Ω。

主要局限:输入阻抗依赖于 M1 的 (漏-源电阻)。


3. ESD 保护方法

3.1 抵消技术 (Cancellation)

图 8-8:在 ESD 保护电路()两端并联电感 与焊盘电容 :

正常工作下 与总寄生电容谐振,调谐消除其影响。

案例:5.25 GHz LNA (0.35 μm BiCMOS) + GGNMOS 保护

  • HBM: 3.6 kV
  • 增益不受影响,NF 仅从 2.2 dB 增至 2.4 dB

3.2 Π 型匹配网络 ESD-RF 协同设计

图 8-9/8-10:ESD 保护电容 作为 Π 型匹配网络的一部分参与设计( 含焊盘电容):

案例:1.9 GHz LNA (0.25 μm CMOS) 仿真对比(表 8-2):

参数无 ESD简单 GGMOSRF-ESD 协同
增益 25.73 dB19.67 dB19.62 dB
-13.93 dB-10.34 dB-12.84 dB
-29.63 dB-11.5 dB-16.1 dB
NF2.56 dB4.95 dB3.85 dB
IIP3-24.31 dBm-19.45 dBm-20.15 dBm

协同设计相比简单附加方案:NF 改善 1.1 dB,输入/输出匹配显著提升。

实测 (相同 LNA, 1.9 GHz):

  • 通过 3 kV HBM(所有四 Zapping 模式)
  • ,,,

3.3 电感 ESD 保护

图 8-11:利用 RF 和 ESD 信号的频率差异设计滤波器:

  • LESD 为 ESD 电流提供到地的双向低阻抗路径
  • RF 信号通过 耦合到 LNA(高通路径)
  • ESD 信号被 LESD 短路到地(低通路径)

案例:5 GHz LNA (0.18 μm CMOS)

  • 电感面积 0.1 mm²
  • HBM: >3 kV(所有 Zapping 模式)
  • RF 性能:,增益 20 dB,NF 3.5 dB

3.4 分布式 ESD 保护

图 8-12/8-13:适用于宽带 RF 应用(窄带谐振法不可用)。将 ESD 总电容 分割为 n 段,构成传输线结构,提高截止频率。

均匀尺寸 (ES-DESD) vs 递减尺寸 (DS-DESD):

  • ES-DESD:四段各 50 fF
  • DS-DESD:100 fF + 50 fF + 25 fF + 25 fF(靠近焊盘的器件更大)
  • 总电容:200 fF,CPW

对比结果 (0.25 μm CMOS, 表 8-14):

方案S11 (低频)S11 (>10 GHz)HBM
ES-DESD相同略优5.5 kV
DS-DESD相同略差>8 kV

最佳分段数为 4 段,10 GHz 下 RF 衰减仅 0.273 dB (200 fF 总电容)。


总结

RF ESD 保护方法分为两类:

类别一:Snapback 基保护 + 感应网络抑制寄生影响

  1. 抵消技术 — 电感与寄生电容谐振消除影响(适窄带)
  2. Π 型匹配网络协同设计 — ESD 电容成为匹配网络一部分,NF/匹配显著改善
  3. 分布式 ESD 网络 — 分段传输线结构(适宽带),递减尺寸可达 >8 kV HBM

类别二:频率滤波(利用 RF 与 ESD 信号频率差异)

  • 电感 ESD 保护 — 高通/低通滤波器分离信号,实现 >3 kV HBM 同时保持 RF 性能

4 段递减尺寸 (DS-DESD) 分布式保护在宽带 RF 中综合效果最优。


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