כיצד להחליף רכיבי הגנה דיסקרטיים במתגים אנלוגיים מוגנים בפני כשלים של מתח-יתר

הגנת המבוא האנלוגי עבור שרשראות אותות איכותיות היא לעתים קרובות נקודת כאב עבור מתכנני המערכת. ישנה לרוב פשרה משמעותית בין הביצועים האנלוגיים (זליגה, התנגדות בהפעלה, וכד’) ורמת ההגנה שניתן להשיג בעזרת רכיבים דיסקרטיים.

החלפת רכיבי ההגנה הדיסקרטיים במתגים ומרבבים מוגנים בפני מתח-יתר יכולה להציע יתרונות משמעותיים במונחים של ביצועים אנלוגיים, חוסן וגודל הפיתרון. הרכיבים המוגנים בפני מתח-יתר מוצבים בין מעגלים רגישים במורד הזרם והמבוא הנחשף למאמצים חיצוניים. דוגמה לכך היא מסוף מבוא החיישן בשרשרת אותות לבקרת התהליך. מאמר זה מפרט את הסוגיות הנגרמות מאירועי מתח-יתר, דן בפיתרונות ההגנה הדיסקרטיים המסורתיים והמגרעות הכרוכות בכך, מציג את הפיתרון המוצע על-ידי מתגים אנלוגיים מוגנים בפני מתח-יתר כולל תכונות ויתרונות המערכת.

סוגיות מתח-היתר – חזרה ליסודות
כאשר אות המבוא המזין מתג עובר את ספקי הכוח ( או VSS) ביותר מאשר מפל המתח על דיודה, דיודות ההגנה ESD בתוך ה-IC הופכות לבעלות מימתח קדימה והזרם זורם מאות המבוא אל הספקים, כמוצג באיור 1. זרם זה עלול לפגוע בחלק ולתחל אירוע נעילה לא רצויה אם הזרם איננו מוגבל.
אם המתג איננו מוזן, קיימים שני תרחישים שעשויים להופיע.

1. אם ספקי הכוח הם צפים, אות המבוא עשוי לגרום להזנת פס ה-VDD דרך דיודות ה-ESD. במקרה זה פין ה-VDD נמצא בתוך מפל המתח בדיודה של אות המבוא. דבר זה אומר שהמתג עשוי להיות מוזן למעשה, כמו כל הרכיבים האחרים המשתמשים באותו פס VDD. דבר זה עשוי לגרום לפעולה בלתי-ידועה ובלתי-מבוקרת של ההתקנים בשרשרת האותות.
2. אם הספקים מוארקים, התקן ה-PMOS יופעל ב-VGS שלילי, כך שהמתג יעביר אות קטום אל המוצא, תוך פגיעה אפשרית בהתקנים במורד הזרם אשר יהיו גם ללא הזנה (ראה איור 2). הערה: אם יש דיודות אל הספקים, הן יקדמו את המשוב ויקבעו את האות ל- +0.7 וולט.
פיתרון ההגנה הדיסקרטית
המתכננים פותרים לרוב את סוגיות הגנת המבוא בעזרת רכיבים בעלי הגנה דיסקרטית.
נגדים טוריים גדולים משמשים להגבלת הזרם במהלך כשל, ודיודות Shottky או זנר אל פסי הספק מרתקות כל אות של מתח-יתר. דוגמה של סכימת הגנה כזו בשרשרת אותות מרובבים מוצגת באיור 3.  אולם, ישנם חסרונות רבים בשימוש ברכיבי הגנה דיסקרטיים אלה.
1. הנגד הטורי יעלה את זמן הדגימה (settling time) של המרבב ויאט את זמן הדגימה הכולל.
2. דיודות ההגנה יכניסו זרם זליגה נוסף וקיבול משתנה אשר ישפיע על הדיוק והליניאריות של המדידה.
3. לא תהיה הגנה בתנאי ההספקה הצף מאחר ודיודות ה-ESD אל הספקים לא יספקו כל הגנה בפני ריתוק.

ארכיטקטורה של מתג מסורתי
הדיאגראמה באיור 4 נותנת סקירה על הארכיטקטורה של מתג מסורתי. לרכיב המתג (בצד הימני של איור 4) יש דיודות ESD בכל אחד מפסי ההספקה, הן בצד המבוא והן בצד המוצא של מרכיב המתג.רכיבי ההגנה הדיסקרטיים החיצוניים מוצגים כאן גם – הנגד הטורי עבור הגבלת הזרם ודיודות ה-Shottky אל הספקים עבור הריתוק של מתח היתר. יש לעתים קרובות דרישה עבור TVS דו-כיווני לשם הגנה נוספת בסביבות קשות יותר.

ארכיטקטורה של מתג מוגן בפני כשלים
הארכיטקטורה של מתג מוגן בפני כשלים מוצגת באיור 5. דיודות ה-ESD בצד המבוא מוחלפות בתא ESD דו-כיווני, כך שתחום מתח המבוא לא מוגבל יותר על-ידי דיודות ה-ESD אל פסי ההספקה. לכן המבוא יכול לראות מתחים עד גבול התהליך (שהוא ±55 וולט עבור המתגים המוגנים בפני כשלים החדשים של ADI).  דיודות ה-ESD נשארות בצד המוצא ברוב המקרים מאחר שאין דרישה בד”כ עבור הגנה בפני מתח-יתר מצד המוצא. תא ה-ESD בצד המבוא יכול לספק עדיין הגנת ESD מצוינת. המתג SPST הדו-זוגי המוגן בפני פגמי מתח-יתר ADG5412F המשתמש בסוג זה של תא ESD משיג דירוג ESD HBM של 5.5 קילו-וולט. עשויה עדיין להיות דרישה עבור TVS חיצוני או נגד מגביל זרם קטן יותר עבור מקרים מחמירים יותר דוגמת ה-IEC ESD (IEC 61000-4-2), EFT או הגנת נחשול

(surge). במקרה של מצב של מתח-יתר באחד המבואות של המתג, הערוץ הנוגע נכבה והמבוא הופך לעכבה גבוהה. הזליגה תישאר נמוכה בערוצים האחרים כך שיתר הערוצים יכולים להוסיף לפעול כרגיל תוך השפעה מזערית על הביצועים. דבר זה מאפשר פשרה קטנה מאוד בין המהירות/הביצועים של המערכת וההגנה בפני מתח-יתר. המתג המוגן בפני כשלים יכול לכן לפשט בהרבה את פיתרון שרשרת האותות. ההגנה בפני מתח-יתר של המתג מבטלת את הדרישה לנגדים מגבילי זרם ודיודות Shottky במקרים רבים. הביצועים הכוללים של המערכת אינם מוגבלים יותר על-ידי רכיבים דיסקרטיים חיצוניים הגורמות בהרבה מקרים לזליגה ועיוות בשרשרת האותות.
תכונות המתג המוגן בפני כשלים של ADI
התיק החדש של מתגים מוגנים בפני כשלים של ADI בנוי על תהליך מתח גבוה קנייני המספק הגנה בפני מתח-יתר עד ±55 וולט במצב מוזן ולא מוזן. חלקים אלה מספקים ביצועים מובילים בשוק של מתגים מוגנים בפני כשלים עבור שרשראות אותות מדויקות.

חסינות בפני נעילה
התהליך הקנייני של מתח גבוה הוא גם מבודד בפני תעלות (trench). שכבת תחמוצת מבודדת מונחת בין טרנסיסטורי ה-NDMOS וה-PDMOS של כל מתג (ראה איור 6). צמדים פרזיטיים, המופיעים בין הטרנזיסטורים במתגים מבודדי-צמד, מבוטלים והתוצאה היא מתג חסין בפני נעילה בכל הנסיבות. ה-ADG5412F לדוגמה עובר את מבחן הנעילה של JESD78D של ±500 מילי-אמפר עבור פולס ברוחב של 1 שנייה, שהיא הבדיקה המחמירה ביותר במפרט.
ביצועים אנלוגיים
בנוסף להשגת החוסן המוביל בשוק (הגנה בפני מתח-יתר, דירוג ESD גבוה, מצב ידוע בהפעלה ללא נוכחות של מבואות דיגיטליים), למתגים החדשים של ADI המוגנים בפני כשלים יש גם ביצועים אנלוגיים מובילים בשוק. ביצועי מתג כמו תמיד הם פשרה בין הזרקת התנגדות נמוכה וקיבול/מטען נמוך. הבחירה של המתג תלויה לרוב באם העומס הוא בעל עכבה גבוהה או נמוכה.

מערכות בעלות עכבה נמוכה
פריטים בעלי התנגדות נמוכה משמשים במערכות בעלות עכבה נמוכה, בהן דרוש שההתנגדות במצב פעולה של המתג תישמר למינימום. במערכות בעלות עכבה נמוכה כגון ספק כוח או דרגת שבח, התנגדות הפעולה ועכבת המקור במקביל לעומס עשויות לגרום לשגיאות בשבח. אף אם שגיאות השבח ניתנות לכיול במקרים רבים, השינוי של ההתנגדות הפעילה (on-resistance – RON) בתחום האות או בין הערוצים יוצר עיוות שלא ניתן לכיול.

לכן, מעגלים בעלי התנגדות נמוכה חשופים יותר לשגיאות בעיוות בשל שטיחות ה-RON ושינוי ה-RON לאורך הערוצים. העקומה באיור 7 מראה את התנגדות הפעולה של המתג על גבי אחד המתגים המוגנים בפני כשלים לאורך תחום האותות. השטיחות של RON וההתאמה בין הערוצים היא גם מצוינת, כמו גם השגת התנגדות פעולה נמוכה מאוד. לחלקים תכנון של מתג בעל פטנט המבטיח מתח VGS קבוע ומספק ביצועי RON שטוחים בכל תחום מתח המבוא. הפשרה היא תחום אותות מוקטן במעט, בו ניתן להשיג ביצועים מיטביים, דבר הניתן לבחון בו מצורת עקומות ה-RON. עשויים להיות יתרונות משמעותיים בשל ביצועי RON אלה ביישומים רגישים לשינויי RON או THD. ה-ADG5404F הוא המרבב החדש החסין לנעילה בלתי-רצויה, מוגן בפני כשלים של מתח-יתר. לחלקים חסינים בפני נעילה ומוגנים בפני מתח-יתר יש לרוב התנגדות פעולה גבוהה יותר וגרועה יותר בשטיחות הנגד מאשר חלקים רגילים.

אולם, בשל הסכימה של VGS קבוע המשמשת בתכנון ה-ADG5404F, שטיחות ה-RON היא למעשה טובה יותר אף מאשר ל-ADG1404 (התנגדות הפעולה המובילה בשוק) ו-ADG5404 (חסין בפני נעילה אך ללא הגנה בפני מתח-יתר). ביישומים רבים כגון מדידות טמפרטורת RTD, שטחיות ה-RON היא למעשה יותר חשובה מאשר הערך המוחלט של ההתנגדות הפעילה, כך שהמתג המוגן בפני כשלים מספק יכולת של ביצועים משופרים במערכות אלו.  האופן האופייני של פגמים עבור מערכת בעלת עכבה נמוכה הוא שמוצא הקולט (drain) ייעשה למעגל פתוח במקרה של כשל.

מערכות בעלות עכבה גבוהה
מתגים בעלי זליגה נמוכה, קיבול נמוך, הזרקת מטענים נמוכה משמשים לרוב במערכות בעלות עכבה גבוהה. מערכות איסוף נתונים הם בד”כ בעלות עכבה גבוהה בשל עומסי המגבר על מוצא המרבב.

זליגה היא המקור השולט של שגיאות במעגלי עכבה גבוהה. כל זרם זליגה עשוי להוביל לשגיאות מדידה משמעותיות.  קיבול נמוך והזרקת מטען נמוכה הם גם קריטיים עבור משך זמן הדגימה. דבר זה מאפשר תפוקת נתונים מרבית במערכת איסוף נתונים. ביצועי הזליגה במתגים המוגנים בפני כשלים חדשים של החברה הם מצוינים. בהפעלה רגילה זרם הזליגה הוא בתחום הננו-אמפרים הנמוכים, דבר שהוא קריטי לגבי מדידות מדויקות ביישומים רבים.  באופן קריטי, ביצועי הזליגה הם טובים מאוד גם כאשר אחד מערוצי המבוא הוא פגום. דבר זה אומר שניתן להמשיך במדידות בערוצים אחרים עד שהכשל יתוקן, ובכך להפחית את זמן ההשבתה של המערכת. זרם הזליגה של מתח-יתר עבור המרבב ADG5248F 8:1 מוצג באיור 8.  צורת הכשל האופיינית של מערכת בעלת עכבה גבוהה היא שמוצא הקולט יעבור לפס ההספקה במקרה של כשל.

אבחון הכשלים
למרבית המתגים החדשים של החברה המוגנים בפני כשלים יש גם פינים לכשלים דיגיטליים. הפין FF הוא סמן כשלים כללי המראה שאחד הערוצים במבוא פגום. פין הכשל המסוים (או specific fault pin – SF pin) הוא פין שניתן להשתמש בו בניפוי כאשר מבוא מסוים פגום.  פינים אלה עשויים להיות שימושיים לאבחון כשלים במערכת. פין ה-FF מתרה ראשית את המשתמש על הכשל. המשתמש יכול אז לעבור דרך המבואות הדיגיטליים ופין ה-SF יזהה איזה מתג או מתגים מסוימים פגומים.

יתרונות המערכת
יתרונות המערכת של התיק החדש של מתגים מוגנים בפני כשלים מוצגים באיור 9. היתרונות עבור מתכנן המערכת הם גדולים, הן במונחים של אבטחת ביצועים אנלוגיים מיטביים בשרשרת אותות מדויקת, והן במונחים של חוסן המערכת.  היתרונות בהשוואה לרכיבי הגנה דיסקרטיים הם בולטים ותוארו בפרוטרוט לעיל.

התהליך הקנייני של מתח גבוה וארכיטקטורת מתג החדישה גם מעניקים לתחום החדש של מתגים מוגנים בפני כשלים של החברה מספר יתרונות לעומת פתרונות המתחרים. שטיחות RON מובילה בשוק עבור מדידות מדויקות זרם זליגת כשל מוביל בשוק כדי לאפשר פעולה רצופה בערוצים אחרים לא מושפעים מהכשל 10x טוב יותר מאשר פתרונות מתחרים) חלקים בעלי אספקת כשלים משנית עבור ספי כשלים מדויקים תוך כדי שמירה על ביצועי מתג אנלוגי מיוטבים סמני כשלים חכמים עבור אבחון הכשלים במערכת

דוגמאות של יישומים
דוגמת היישום הראשונה המוצגת באיור 10 היא שרשרת אותות בקרת תהליך, בה מיקרו-בקר מנטר מספר חיישנים דוגמת RTD או חיישני טמפרטורה של צמד-תרמי, חיישני לחץ, חיישני לחות וכו’. ביישום של בקרת תהליך, ניתן לחבר את החיישן בסוף כבל ארוך מאוד במפעל, עם האפשרות של כשלים לאורך הכבל.  המרבב במקרה זה הוא ה-ADG5249F שהוא מיוטב עבור קיבול נמוך וזליגה נמוכה. זליגה נמוכה חשובה עבור סוג זה של מדידות חיישנים של אותות קטנים.

המתג פועל מתוך ספקים של ±15 וולט, בעוד הספקים המשניים של כשל מיוצבים עבור +5 וולט ו-GND כדי להגן על ה-PGA וה-ADC במורד הזרם. אות החיישן הראשי עובר דרך המרבב אל ה-PGA וה-ADC בשעה שאיבחון הכשל נשלח ישירות אל המיקרו-בקר כדי לספק פסק במקרה של כשל. המשתמש יכול לכן להיות מוזעק ממצב של כשל ויכול לקבוע איזה מהחיישנים פגום. ניתן לשלוח לאחר מכן טכנאי כדי לתקן את הכשל ואם דרוש, להחליף את החיישן או הכבל הפגום.  בשל מפרט הזליגה של כשל הנמוך המוביל בשוק, ניתן לנטר את החיישנים האחרים אף כאשר אחד החיישנים משותק וממתין להחלפה. ללא זליגת כשל נמוכה כזו, כשל באחד הערוצים עשוי לשתק את כל הערוצים האחרים עד לתיקון הכשל.

דוגמת היישום השנייה באיור 11 היא חלק משרשרת אותות איסוף נתונים בו מגן הערוצים ADG5462F היה מוסיף ערך. במקרה זה קיים PGA עם פסי אספקה של ±15 וולט, בעוד למורד הזרם של ה-ADC יש תחום אותות מבוא של 0 עד 5 וולט. מגן הערוצים נמצא בין ה-PGA וה-ADC. הוא משתמש בפסי האספקה של ±15 וולט כספק ראשי כדי להשיג התנגדות-הפעלה מיטבית, ומשתמש ב-0 וולט וב-5 וולט עבור פסי האספקה המשניים. ה-ADG5462F יאפשר לאות לעבור בפעולה רגילה, אך ירתק כל מוצאי מתח היתר מה-PGA בין 0 וולט ל-5 וולט כדי להגן על ה-ADC. לכן, כמו בדוגמת היישום הקודמת, האות בעל העניין נמצא בממתח באזור ה-RON השטוח של הפעולה. החלפת רכיבי ההגנה הדיסקרטית המסורתיים במתגים ומרבבים מוגנים בפני מתח-יתר יכולה לספק יתרונות רבים במערכת בשרשרת של אותות מדויקים. בדומה לחיסכון במקום על הכרטיס, יתרונות הביצועים שבהחלפת הרכיבים הדיסקרטיים עשויה להיות משמעותית. לחברה מגוון רחב של מתגים ומרבבים מוגנים בפני מתחי-תר. המשפחות האחרונות של התקנים מוגנים בפני כשלים רשומות בטבלה 1 וטבלה 2. הן בנויות על תהליך חסינות בפני מתח-יתר ונעילה לא רצויה ומספקות ביצועים מובילים בשוק ותכונות עבור שרשראות אותות מדויקים.
Paul O’Sullivan הוא מהנדס יישומים ב-Linear and Precision Technology business unit ב-Limerick, אורלנד.