DE10114935A1 - Monolithically integrated high-voltage amplifier for capacitive actuators, has CMOS input amplifier, and layer for dielectrically insulating DMOS transistors in output stage from each other - Google Patents
Monolithically integrated high-voltage amplifier for capacitive actuators, has CMOS input amplifier, and layer for dielectrically insulating DMOS transistors in output stage from each otherInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft monolithisch integrierte Hochspannungsverstärker.The invention relates to monolithically integrated high-voltage amplifiers.
Für die Ansteuerung kapazitiver Aktoren mit Kapazitäten in einem Bereich von wenigen Pikofarad bis einige hundert Pikofarad werden hohe analoge Signalspannungen in der Größe von 100 V bis 1000 V benötigt. Beispiele für kapazitive Aktoren sind unter anderem piezoelektrische Schallwandler, mikromechanische elektrostatisch betätigte Schwenkspiegel, mikromechanische elektrostatisch betätigte Ventile und Pumpen und piezoelektrische Bewegungseinrichtungen.For the control of capacitive actuators with capacities in a range of a few picofarads to a few hundred picofarads are high analog signal voltages in the size from 100 V to 1000 V. Examples of capacitive actuators are below other piezoelectric sound transducers, micromechanical electrostatically operated Swinging mirror, micromechanical electrostatically operated valves and pumps and piezoelectric moving devices.
Für eine Miniaturisierung mikrosystemtechnischer Komponenten in Verbindung mit der Realisierung kompletter Mikrosysteme, insbesondere bei Arrayanwendungen, spielt die Größe der Ansteuerschaltung und deren Leistungsverbrauch eine wesentliche Rolle. Bekannt sind einerseits verschiedene Konzepte mit diskreten Realisierungen solcher Schaltungen und andererseits integrierte Hybrid-Schaltungen oder monolithisch integrierte Bipolar-Schaltungen für einen Spannungsbereich bis ca. 300 V.For miniaturization of microsystem components in connection with the Realization of complete microsystems, especially in array applications, plays the role Size of the control circuit and its power consumption play an important role. On the one hand, various concepts with discrete implementations of such are known Circuits and on the other hand integrated hybrid circuits or monolithic Integrated bipolar circuits for a voltage range up to approx. 300 V.
So wird unter anderem in Horowitz, P.; Hill, W.: Die hohe Schule der Elektronik, Elektroverlag, 1996, Bd.1, S. 198 ff., ein Konzept für eine diskrete Gegentakt- Hochspannungsverstärkerschaltung bis 1000 V vorgestellt. Die Besonderheit besteht im Einsatz von ausschließlich n-Kanal-Transistoren in der Hochspannungsendstufe. Der Verstärker besteht im Wesentlichen aus einem Operationsverstärker, der Hochspan nungsendstufe und einem Rückkoppelnetzwerk. Die Hochspannungsendstufe setzt sich aus einem Inverter und einem Sourcefolger zusammen. Damit die Endstufe im Gegentaktverfahren arbeiten kann, wird der hochspannungsbezogene Transistor (Sourcefolger) über die Inverterschaltung und einem Widerstand als Lastelement parallel zum Sourcefolger (Stromquellenfunktion) indirekt angesteuert. Der Ausgang kann über den gesamten Spannungsbereich abzüglich einer kleinen Vorspannung an der unteren und oberen Versorgungsspannung arbeiten. Die Spannungsfestigkeit des Verstärkers wird durch die verwendeten Transistoren begrenzt. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors der Schaltung erfolgt über den Rückkopplungswiderstandsteiler.For example, in Horowitz, P .; Hill, W .: The high school of electronics, Elektroverlag, 1996, Vol. 1, pp. 198 ff., A concept for a discrete push-pull High voltage amplifier circuit up to 1000 V presented. The peculiarity consists in Use of only n-channel transistors in the high-voltage output stage. The Amplifier essentially consists of an operational amplifier, the high chip power amplifier and a feedback network. The high-voltage output stage settles composed of an inverter and a source follower. So that the amplifier in Push-pull method can work, the high-voltage transistor (Source follower) via the inverter circuit and a resistor as a load element indirectly controlled parallel to the source follower (current source function). The exit can be applied over the entire voltage range minus a small preload on the lower and upper supply voltage work. The dielectric strength of the Amplifier is limited by the transistors used. The setting of the Gain factor of the circuit is done via the feedback resistor divider.
Ein weiterer diskreter Hochspannungsverstärker (2500 V Ausgangsspannung) ist in Hochspannungsverstärker mit Leistungs-MOSFETs, radio-fernsehen-elektronik, Berlin 37, 1988 aufgeführt. Im Unterschied sind die Transistoren des Inverters und des Sourcefolgers kaskadiert (Totem-pole-Konfiguration). Dadurch wird eine höhere Spannungsfestigkeit der Gesamtschaltung gegenüber der Spannungsfestigkeit eines Einzeltransistors erreicht. Die Erzeugung der Gatespannungen der kaskadierten Transistoren übernimmt ein Widerstandsnetzwerk für die Inverter- und Sourcefolger schaltung. Aufgrund der hohen Kapazitäten der diskreten Transistoren ergibt sich eine relativ geringe Bandbreite von ca. 300-400 Hz.Another discrete high-voltage amplifier (2500 V output voltage) is listed in High-voltage amplifiers with power MOSFETs, radio-fernsehen-elektronik, Berlin 37 , 1988 . In contrast, the transistors of the inverter and the source follower are cascaded (totem-pole configuration). This results in a higher dielectric strength of the overall circuit compared to the dielectric strength of an individual transistor. The generation of the gate voltages of the cascaded transistors takes over a resistor network for the inverter and source follower circuit. Due to the high capacities of the discrete transistors, there is a relatively small bandwidth of approx. 300-400 Hz.
Für höherfrequente Anwendungen ist in US 3900800 sowie in US 4843344 die Kaskadierung von diskreten Endstufentransistoren mit einem Widerstand-Kondensator- Netzwerk dargestellt. Das Widerstand-Kondensator-Netzwerk bildet einen Spannungs teiler zur Erzeugung der Gate- oder Basisspannungen der einzelnen Transistoren. Aufgrund von Wert- und Bauformabweichungen der Widerstände können schnelle Transienten zu einer ungleichen Spannungsaufteilung führen. Der kapazitive Spannungsteiler übernimmt die Teilerfunktion für diese schnellen Spannungsänderun gen und verhindert das kurzzeitige Überschreiten der zulässigen maximalen Spannung an einzelnen Transistoren.For higher frequency applications is in US 3900800 and US 4843344 Cascading discrete output stage transistors with a resistor-capacitor Network shown. The resistor-capacitor network forms a voltage divider to generate the gate or base voltages of the individual transistors. Due to deviations in value and shape of the resistors, fast Transients lead to an uneven voltage distribution. The capacitive Voltage divider takes over the divider function for these fast voltage changes and prevents the permissible maximum voltage from being exceeded for a short time on individual transistors.
In Kimura, M. et al. A Flat Panel Display Control IC with 150 V Drivers, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-21, No. 6, December 1986, pp. 971 wird eine integrierte Hochspannungs-Gegentakt-Ausgangsstufe vorgestellt, die Bipolartransistoren verwen det. Das Schaltungskonzept entspricht der vorher beschriebenen Quasigegentakt- Schaltung. Bei dieser Bipolarendstufe mit einer Ausgangsspannung bis maximal 150 V kommt neben den npn-Transistoren ein lateraler pnp-Transistor als Laststromquelle zum Einsatz. Dieser pnp-Transistor besitzt eine spezielle, um das Kollektorgebiet eingebrachte p-Implantation, damit eine Durchbruchsspannung äquivalent der npn- Transistoren erzielt wird.In Kimura, M. et al. A Flat Panel Display Control IC with 150 V Drivers, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-21, No. 6, December 1986 , pp. 971, an integrated high-voltage push-pull output stage is presented, which uses bipolar transistors. The circuit concept corresponds to the quasi push-pull circuit described above. In this bipolar output stage with an output voltage of up to 150 V, in addition to the npn transistors, a lateral pnp transistor is used as the load current source. This pnp transistor has a special p implantation, which is introduced around the collector region, so that a breakdown voltage equivalent to the npn transistors is achieved.
Der in Battjes, C. R.: A Wide-Band High Voltage Monolithic Amplifier, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-8, No. 6, December 1973, pp. 408 beschriebene Ablenkverstärker für Kathodenstrahlröhren wurde in einer pn-isolierten Bipolartechno logie realisiert. Damit die AB-Endstufe eine Ausgangsspannung von 80 V erreicht, wurden die Ausgangstransistoren ebenfalls kaskadiert. Der Spannungsteiler zum Erzeugen der Basisspannungen besteht aus Diffusions-Widerständen. Die parasitären Sperrschicht-Kapazitäten der Widerstände bilden den kapazitiven Spannungsteiler in dieser Endstufenkonfiguration.The one in Battjes, CR: A Wide-Band High Voltage Monolithic Amplifier, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-8, No. 6, December 1973 , pp. Deflection amplifiers for cathode ray tubes described in 408 were implemented in a pn-insulated bipolar technology. The output transistors have also been cascaded so that the AB output stage reaches an output voltage of 80 V. The voltage divider for generating the base voltages consists of diffusion resistors. The parasitic junction capacitances of the resistors form the capacitive voltage divider in this output stage configuration.
Eine weitere Möglichkeit für die Herstellung von Hochspannungsverstärkern wird in APEX Microtechnology: The new Volume 9 Apex Power Integrated Circuits Data Book gezeigt. Bei diesen Hochspannungsoperationsverstärkern kommen sowohl n-Kanal- als auch p-Kanal-Transistoren zum Einsatz. Die Endstufe wird in einer Hybrid- Konfiguration hergestellt.Another possibility for the production of high voltage amplifiers is shown in APEX Microtechnology: The new Volume 9 Apex Power Integrated Circuits Data Book. These high-voltage operational amplifiers use both n-channel and p-channel transistors. The power amplifier is manufactured in a hybrid configuration.
Damit existieren einerseits verschiedene Konzepte für diskrete Realisierungen solcher Schaltungen, andererseits integrierte Hybrid-Schaltungen oder monolithisch integrierte Bipolar-Schaltungen für einen Spannungsbereich bis ca. 300 V. Keines dieser Konzepte vereint den erhöhten Spannungsbereich, den geringen Leistungsverbrauch bei gleichzeitiger Optimierung der Grenzfrequenz und die geringe Chipfläche in einer Schaltung.On the one hand, there are various concepts for the discrete realization of such Circuits, on the other hand integrated hybrid circuits or monolithically integrated Bipolar circuits for a voltage range up to approx. 300 V. None of these concepts combines the increased voltage range, the low power consumption simultaneous optimization of the cut-off frequency and the small chip area in one Circuit.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Hochspannungsverstärker mit einem hohen Spannungsbereich bei einem geringen Leistungsverbrauch, bei gleichzeitiger Optimierung der Grenzfrequenz und geringem Flächenbedarf zu schaffen. The invention specified in claim 1 is based on the problem of a High voltage amplifier with a high voltage range and a low one Power consumption, while optimizing the cut-off frequency and low To create space.
Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This problem is solved with the features listed in claim 1.
Der monolithisch integrierte Hochspannungsverstärker zeichnet sich insbesondere durch seinen hohen Spannungsbereich bei gleichzeitigem geringen Leistungsverbrauch und durch die Realisierung in einer kleinen Fläche, wobei eine hohe Grenzfrequenz erzielt wird, aus. Damit eignet sich der Hochspannungsverstärker vorteilhaft zur Ansteuerung vornehmlich kapazitiver Lasten, die mit analogen Signalspannungen in einem Spannungsbereich bis z. B. 1000 V angesteuert werden. Damit kann der erfindungs gemäße Hochspannungsverstärker vorteilhaft zum Einsatz z. B. im Bereich der Mikro systemtechnik vorgesehen werden.The monolithically integrated high-voltage amplifier is particularly characterized by its high voltage range with low power consumption and through the realization in a small area, whereby a high cut-off frequency is achieved will, from. The high-voltage amplifier is therefore advantageously suitable for control primarily capacitive loads, which with analog signal voltages in one Voltage range up to B. 1000 V can be controlled. So that the fiction appropriate high voltage amplifier advantageous for use z. B. in the field of micro system technology are provided.
Der monolithisch integrierte Hochspannungsverstärker besteht aus einer Kombination aus einem Eingangsverstärker in CMOS (complementary metal oxide semiconductor)- Technik und einer damit verbundenen Hochspannungsendstufe in DMOS (als Synonym für double implanted metal oxide semiconductor)-Technik. Die CMOS-Technik zeichnet sich dabei durch eine hohe erreichbare Packungsdichte bei gleichzeitig hoher Grenzfrequenz und geringer Verlustleistung aus. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist der hohe statische Eingangswiderstand. Sie stellt zur Zeit die wichtigste und damit bekannte Basistechnologie zur Fertigung hochintegrierter Schaltkreise dar. Dabei sind sowohl n- als auch p-Kanal-Transistoren gemeinsam auf einem Chip integrierbar. Bei der DMOS-Technik werden auf einem p-leitenden Substrat (mit n-leitender epitakti scher Schicht) durch ein und dieselbe Öffnung im Oxid nacheinander zwei Dotierstoffe, dass heißt zuerst ein p-leitender, danach ein n-leitender, eindiffundiert (Doppeldiffusi on). Auf diese Weise lassen sich besonders kurze Kanallängen und kleinere Laufzeiten der Ladungsträger im Kanal erzielen. Weiterhin treten sehr geringe Gateüberlappungen und damit auch geringe parasitäre Kapazitäten auf. Die obere Frequenzgrenze wird ausschließlich von der Kanallaufzeit bestimmt. Die geometrische Kanallänge des Gate ist größer als die elektrisch gesteuerte Kanallänge, die durch das p-Gebiet bestimmt ist. Im Gegensatz zum normalen MOS-Transistor fällt die Sättigungsspannung im Wesentlichen über dem n-Gebiet ab. In Abhängigkeit der Dotierung kann diese hohe Werte annehmen.The monolithically integrated high-voltage amplifier consists of a combination from an input amplifier in CMOS (complementary metal oxide semiconductor) - Technology and an associated high-voltage output stage in DMOS (as a synonym for double implanted metal oxide semiconductor) technology. The CMOS technology is characterized by a high achievable packing density combined with a high one Cutoff frequency and low power loss. Another major advantage is the high static input resistance. It is currently the most important and therefore known basic technology for the production of highly integrated circuits Both n- and p-channel transistors can be integrated together on one chip. at the DMOS technology are on a p-type substrate (with n-type epitakti sher layer) through one and the same opening in the oxide two dopants in succession, that means first a p-conducting, then an n-conducting, diffused in (double diffuser on). In this way, particularly short channel lengths and shorter runtimes can be achieved achieve the charge carrier in the channel. There is also very little gate overlap and thus also low parasitic capacities. The upper frequency limit is determined solely by the channel runtime. The geometric channel length of the gate is greater than the electrically controlled channel length, which is determined by the p-area. In contrast to the normal MOS transistor, the saturation voltage drops in Substantially above the n area. Depending on the doping, this can be high Accept values.
Das erfindungsgemäße Konzept besteht darin, die Gesamtschaltung des Hochspan nungsverstärkers mit einer dielektrisch isolierenden Technologie unter Anwendung von CMOS-/DMOS-Techniken monolithisch integriert auf engsten Raum so herzustellen, dass sich Eingangsverstärker, Treiberelemente und Hochspannungs-Endstufe auf einem Substrat befinden. Ein analoges Eingangssignal z. B. in Sinusform mit einer Spannung Vpp = 8 V wird durch die Schaltung spannungsverstärkt z. B. mit einer Verstärkung A = 100 am Ausgang in Sinusform mit Vpp = 800 V zur Verfügung gestellt.The concept according to the invention consists in the overall circuit of the high chip voltage amplifier with a dielectric insulating technology using CMOS / DMOS techniques integrated monolithically in a confined space so that that input amplifier, driver elements and high-voltage power amplifier are all in one Substrate. An analog input signal e.g. B. in sinusoidal form with a voltage Vpp = 8 V is voltage-amplified by the circuit z. B. with a reinforcement A = 100 is provided at the output in sinusoidal form with Vpp = 800 V.
Die Endstufenschaltung besteht aus einer Inverterstufe mit einer Stromquelle als Laststromquelle und einer Sourcefolgerschaltung. Aufgrund des kapazitätsarmen Designs und der Minimierung sämtlicher Verbindungsleitungen im Zusammenhang mit der integrierten Herstellung lassen sich gegenüber den diskreten Hochspannungsverstär kern oder den integrierten Versionen nach dem Stand der Technik eine deutlich geringere Leistungsaufnahme in Verbindung mit einer Grenzfrequenz im Bereich bis 100 kHz realisieren. Die Endstufe ist zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit mit kaskadierten DMOS-Transistoren ausgeführt, wobei die einzelnen Transistoren durch dielektrische Schichtfolgen voneinander elektrisch getrennt angeordnet sind. Die Gatespannungserzeugung der DMOS-Transistoren erfolgt mittels RC-Netzwerk oder über "gematchte" Widerstandsteiler.The output stage circuit consists of an inverter stage with a current source as Load current source and a source follower circuit. Because of the low capacity Designs and minimizing all interconnections related integrated manufacturing can be compared to the discrete high-voltage amplifier core or the integrated versions according to the state of the art lower power consumption in connection with a cutoff frequency in the range up to Realize 100 kHz. The power amplifier is used to increase the dielectric strength cascaded DMOS transistors executed, the individual transistors through dielectric layer sequences are arranged electrically separated from one another. The Gate voltage generation of the DMOS transistors takes place via an RC network or via "matched" resistance dividers.
Der erfindungsgemäße monolithisch integrierte Hochspannungsverstärker in CMOS-
/DMOS-Technik erreicht folgende Vorteile:
The monolithically integrated high-voltage amplifier in CMOS / DMOS technology according to the invention achieves the following advantages:
- - die Ruhestromaufnahme ist aufgrund der monolithischen Integration und des kapazitätsarmen Designs sehr klein (< 1 mA, abhängig von der Ausführungsform),- The quiescent current is due to the monolithic integration and low-capacity designs very small (<1 mA, depending on the embodiment),
- - die Zuverlässigkeit gegenüber diskreten Schaltungen oder Hybrid-Schaltungen ist höher und - The reliability compared to discrete circuits or hybrid circuits higher and
- - durch die kapazitätsarme Layoutgestaltung im Zusammenhang mit der monolithischen Integration der Hochspannungsverstärkerschaltung ergibt sich ein höhere Grenzfrequenz (Großsignalbandbreite).- due to the low-capacity layout design in connection with the monolithic Integration of the high-voltage amplifier circuit results in a higher cut-off frequency (Large-signal bandwidth).
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are in claims 2 to 11 specified.
Der monolithisch integrierte Hochspannungsverstärker besteht nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 aus dem Differenzverstärker als Niederspannungsteil in CMOS- Technik und der nachgeschalteten Hochspannungsendstufe als Hochspannungsteil in DMOS-Technik, wobei die Hochspannungsendstufe eine Schaltung aus einer Stromquelle, der Inverterstufe und der Sourcefolgerstufe ist. Damit ist ein einfacher Aufbau gegeben.The monolithically integrated high-voltage amplifier exists after further training of claim 2 from the differential amplifier as a low voltage part in CMOS Technology and the downstream high-voltage output stage as a high-voltage part in DMOS technology, the high-voltage output stage being a circuit made up of a Current source, the inverter stage and the source follower stage. This is an easy one Given structure.
Die Stromquelle als Hochspannungslastelement der Inverterstufe liefert den Strom zum Umladen der Transistorkapazitäten und ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 als integrierter Widerstand ausgebildet. Eine derartige Realisierung ist eine einfache Form. Der Nachteil besteht dabei darin, dass der maximale Strom bei maximaler Spannung, dass heißt bei kleinen Ausgangsspannungen, über den Widerstand fließt.The current source as a high-voltage load element of the inverter stage supplies the current to Reloading the transistor capacities and is after the further development of the claim 3 designed as an integrated resistor. Such an implementation is simple Shape. The disadvantage is that the maximum current at maximum Voltage, that is, at low output voltages, flows across the resistor.
Eine Ausbildung der Stromquelle als Hochspannungslastelement der Inverterstufe nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 aus aktiven kaskadierten monolithisch integrierten DMOS-Elementen erhöht die Grenzfrequenz. Die Stromquelle liefert dabei einen konstanten Strom über den gesamten Ausgangsspannungsbereich.A training of the current source as a high-voltage load element after the inverter stage the further development of claim 4 from active cascaded monolithic integrated DMOS elements increases the cutoff frequency. The power source delivers a constant current over the entire output voltage range.
Die Weiterbildung des Patentanspruchs 5 stellt vorteilhaft eine gesteuerte Stromquelle mit einem von Ansteuerzustand abhängigen Strom dar. In dieser Ausführungsform ist der gelieferte Strom abhängig vom Ansteuerzustand. Bei kleinen Spannungsdifferenzen am Eingang des Differenzverstärkers fließt ein geringer Ruhestrom. Im Fall einer hohen Spannungsdifferenz liefert die Stromquelle einen höheren Strom zum Umladen der Kapazitäten. Durch diese Anpassung des Laststromes der Inverterschaltung wird gleichzeitig Grenzfrequenz und Leistungsaufnahme der Schaltung optimiert.The development of claim 5 advantageously provides a controlled current source with a current dependent on drive state. In this embodiment the current supplied depends on the control status. With small voltage differences A small quiescent current flows at the input of the differential amplifier. In the case of a high one Voltage difference provides the current source with a higher current for reloading the Capacities. By adapting the load current of the inverter circuit cut-off frequency and power consumption of the circuit optimized at the same time.
Die Gatespannungserzeugung der Transistoren in DMOS-Technik erfolgt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 in Verbindung mit einer integrierten Widerstands- Kondensator-Kaskade oder entsprechend der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 durch eine integrierte Widerstandskaskade, wobei die flächenintensiven Kapazitäten entfallen.The gate voltage generation of the transistors in DMOS technology takes place according to the Further development of patent claim 6 in connection with an integrated resistance Capacitor cascade or according to the development of claim 7 through an integrated cascade of resistances, whereby the area-intensive capacities omitted.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 besteht die die Gatespannungen erzeugende Widerstandskaskade aus Widerständen mit ausschließlich gleichsinnigen Wertabweichungen. Damit ist ein sogenannter "gematchten" Widerstandsspannungs teiler vorhanden. Das "Matching" wird durch eine spezielle Anordnung der Endstufen komponenten im Schaltkreislayout erreicht. Dabei werden Auswirkungen von prozessbedingten Schwankungen berücksichtigt und es ergeben sich ausschließlich gleichsinnige Wertabweichungen z. B. der Widerstände auf einem Chip. Die Absolut werte der Widerstände unterliegen zwar den Prozesstoleranzen, jedoch die resultieren den Spannungsteiler sind einschließlich der parasitären Kapazitäten völlig identisch. Somit wird für den angestrebten Arbeitsbereich bis ca. 100 kHz speziell für schnelle Anwendungen eine gleichförmige Spannungsverteilung erzielt. Ein weiterer wesent licher Vorteil besteht darin, dass die flächenintensiven (Chipfläche) hochspannungs festen Kapazitäten entfallen. Bezüglich der notwendigen Chipfläche ergibt sich durch die monolithische Integration im Zusammenhang mit den verwendeten CMOS-/DMOS- Techniken und der eingesetzten Schaltungsanordnung ein wesentlicher Vorteil.After the further development of claim 8, the gate voltages exist Generating resistor cascade from resistors with only the same sense Abnormalities. This is a so-called "matched" resistance voltage divider available. The "matching" is due to a special arrangement of the output stages Components in the circuit layout achieved. The effects of process-related fluctuations are taken into account and only result deviations in the same direction z. B. the resistors on a chip. The Absolute values of the resistors are subject to process tolerances, but the result the voltage divider including the parasitic capacitances are completely identical. Thus, for the desired working range up to approx. 100 kHz, especially for fast ones Applications achieved a uniform voltage distribution. Another essential Licher advantage is that the area-intensive (chip area) high voltage fixed capacities are eliminated. Regarding the necessary chip area, it results from the monolithic integration in connection with the CMOS / DMOS Techniques and the circuitry used a major advantage.
Die Endstufe ist zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit mit kaskadierten DMOS- Transistoren ausgeführt, wobei die einzelnen Transistoren nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 durch mindestens drei dielektrische Schichtfolgen voneinander elektrisch getrennt angeordnet sind, so dass eine hohe Spannungsfestigkeit gewährleistet ist. The output stage is to increase the dielectric strength with cascaded DMOS Transistors executed, the individual transistors after the training of Claim 9 by at least three dielectric layer sequences from one another are arranged electrically separated, so that a high dielectric strength is guaranteed is.
Die Realisierung der Transistoren nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 als ein Leitfähigkeitstyp, insbesondere als n-Kanal-DMOS-Transistoren, in der Hoch spannungsendstufe stellt eine einfache Möglichkeit der Herstellung dar. Eine Herstellung von p-Kanaltransistoren ist technologisch sehr anspruchsvoll und damit kostenintensiv. Für eine Technologie mit integrierten Endstufentransistoren ist das aufgrund der zusätzlich benötigten Wannenimplantation und des Flächenbedarfes beinahe unmöglich.The realization of the transistors according to the development of claim 10 as a conductivity type, especially as an n-channel DMOS transistors, in the high voltage output stage is an easy way of manufacturing. A Manufacturing p-channel transistors is technologically very demanding and therefore expensive. This is for a technology with integrated power stage transistors due to the additional tub implantation required and the space requirement almost impossible.
Aufgrund der platzsparenden Schaltungsstruktur, des "Matchings" und der verwendeten CMOS-/DMOS-Techniken im Zusammenhang mit der eingesetzten dielektrisch isolierenden Technologie ergibt sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 die vorteilhafte Möglichkeit einer mehrkanaligen Anordnung der Hochspannungs verstärkerschaltung pro Chip.Because of the space-saving circuit structure, the "matching" and the used CMOS / DMOS techniques related to the dielectric used isolating technology results from the further development of claim 11 advantageous possibility of a multi-channel arrangement of the high voltage amplifier circuit per chip.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawings and is in following described in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines monolithisch integrierten Hochspannungsverstärkers und Fig. 1 is a block diagram of a monolithically integrated high voltage amplifier and
Fig. 2 eine Schaltbild eines monolithisch integrierten Hochspannungsverstärkers. Ein monolithisch integrierter Hochspannungsverstärker besteht im wesentlichen aus einem Nieder- 1 und einem nachgeschalteten Hochspannungsteil 2. Fig. 2 is a circuit diagram of a monolithically integrated high voltage amplifier. A monolithically integrated high-voltage amplifier essentially consists of a low-voltage part 1 and a downstream high-voltage part 2 .
Das Niederspannungsteil 1 ist ein Eingangsverstärker als Differenzverstärker 3 in CMOS-Technik, das an das Niederspannungspotential zwischen VDDA und VSSA geschalten ist. Das Hochspannungsteil 2 in DMOS-Technik besteht aus einer Stromquelle 4, einer Inverterstufe 5, einer Sourcefolgerstufe 6 und einer Diode D1. Zwischen den Potentialen der Hochspannung VDDHV und VSSHV ist die Stromquelle 4 und die Inverterstufe 5 in Reihe geschalten. Der Ausgang der Inverterstufe 5 ist mit dem Eingang der Sourcefolgerstufe 6 und diese ist weiterhin mit dem Potential VDDHV der Hochspannung verbunden. Zwischen dem Ausgang der Sourcefolgerstufe 6 und der Verbindung der Stromquelle 4 und der Inverterstufe 5 ist eine bei einer Verkleinerung der Ausgangsspannung die Lastkapazität entladende Diode D1 geschalten.The low voltage part 1 is an input amplifier as a differential amplifier 3 in CMOS technology, which is connected to the low voltage potential between VDDA and VSSA. The high voltage part 2 in DMOS technology consists of a current source 4 , an inverter stage 5 , a source follower stage 6 and a diode D1. The current source 4 and the inverter stage 5 are connected in series between the potentials of the high voltage VDDHV and VSSHV. The output of the inverter stage 5 is connected to the input of the source follower stage 6 and this is still connected to the potential VDDHV of the high voltage. Between the output of the source follower stage 6 and the connection of the current source 4 and the inverter stage 5 , a diode D1 discharging the load capacitance is connected when the output voltage is reduced.
Fig. 1 zeigt einen derartig ausgebildeten monolithisch integrierten Hochspannungs verstärker als Blockschaltbild. Fig. 1 shows a monolithically integrated high-voltage amplifier designed in this way as a block diagram.
Fig. 2 zeigt ein Schaltbild eines monolithisch integrierten Hochspannungsverstärkers. Fig. 2 shows a circuit diagram of a monolithically integrated high voltage amplifier.
Der Eingangsverstärker ist als zweistufiger Differenzverstärker bestehend aus den Transistoren M 1 bis M 5 und M 21, M 22 ausgeführt. Die Transistoren M 11 bis M 13 bilden ein Bias-Netzwerk. Der nichtinvertierende Eingang erhält dabei das zu verstärkende Eingangssignal. Am invertierenden Eingang wird das Rückkoppelsignal verarbeitet. Entsprechend der Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen ändert M 22 den Spannungspegel am Gate des DMOS-Transistors XMH 1 der Inverterstufe. Damit wird die Inverterstufe auf bzw. zu gesteuert.The input amplifier is designed as a two-stage differential amplifier consisting of transistors M 1 to M 5 and M 21, M 22. The transistors M 11 to M 13 form a bias network. The non-inverting input receives the input signal to be amplified. The feedback signal is processed at the inverting input. According to the voltage difference between the two inputs, M 22 changes the voltage level at the gate of the DMOS transistor XMH 1 of the inverter stage. This controls the inverter stage.
Die Inverterstufe aus den DMOS-Transisistoren XMH 1 und XMH 2, den Widerständen RT 1, RT 2, den Kapazitäten CT 1, CT 2 und der Zener-Diode D 2, bildet den ersten Teil der Hochvoltendstufe. Sie übernimmt in Verbindung mit der Stromquelle, bestehend aus den Depletion-DMOS-Transistoren XMH 5, XMH 6, den Widerständen RT 5 bis RT 8 und den Kapazitäten CT 5, CT 6, die Ansteuerung der Sourcefolgerstufe, bestehend aus den DMOS-Transistoren XMH 3 und XMH 4, den Widerständen RT 3, RT 4 den Kapazitäten CT 3, CT 4 und der Zenerdiode D 3. Die Laststromquelle ist als aktives Element mit kaskadierten Depletion-DMOS-Transistoren ausgeführt. Die. Diode D1 als Zener-Diode übernimmt den Entladestrom der Lastkapazität bei sinkender Ausgangs spannung. The inverter stage consisting of the DMOS transistors XMH 1 and XMH 2 , the resistors RT 1 , RT 2 , the capacitors CT 1 , CT 2 and the Zener diode D 2 forms the first part of the high-voltage output stage. In connection with the current source, consisting of the depletion DMOS transistors XMH 5 , XMH 6 , the resistors RT 5 to RT 8 and the capacitors CT 5 , CT 6 , it controls the source follower stage, consisting of the DMOS transistors XMH 3 and XMH 4 , the resistors RT 3 , RT 4, the capacitances CT 3 , CT 4 and the Zener diode D 3. The load current source is designed as an active element with cascaded depletion DMOS transistors. The. Diode D1 as a Zener diode takes over the discharge current of the load capacitance when the output voltage drops.
Die Kaskadierung der DMOS-Transisitoren XMH 1 bis XMH 6 erfolgt mittels Widerstands-Kondensator-Netzwerk bestehend aus den Widerständen RT 1 bis RT 4 und den Kondensatoren CT 1 bis CT 6.The DMOS transistors XMH 1 to XMH 6 are cascaded using a resistor-capacitor network consisting of the resistors RT 1 to RT 4 and the capacitors CT 1 to CT 6 .
In einer Ausführungsform mit einer "gematcht" angeordneten Hochspannungsendstufe können die Kapazitäten CT 1 bis CT 6 entfallen.In an embodiment with a “matched” high-voltage output stage, the capacitances CT 1 to CT 6 can be omitted.
Die Niederspannungsversorgung des monolithisch integrierten Hochspannungsverstär kers erfolgt zwischen VDDA und VSSA, die Hochspannung wird zwischen VDDHV und VSSHV angelegt.The low voltage supply of the monolithically integrated high voltage amplifier kers occurs between VDDA and VSSA, the high voltage is between VDDHV and VSSHV.
Zur Funktion des monolithisch integrierten Hochspannungsverstärkers:
Ausgehend von einer Spannung von Null Volt am Eingang (JNIP) und Ausgang (OUT)
der Schaltung, das bedeutet die Endstufentransistoren XMH 1, XMH 2 sind aufgesteuert
und XMH 3 XMH 4 sind gesperrt, arbeitet die Schaltung wie nachfolgend beschrieben.
Bei einer Änderung der Eingangsspannung auf beispielsweise 2 V steuert Transistor M
22 durch die Differenzstufe beeinflusst auf. Dadurch werden die DMOS-Transistoren
XMH 1 und, über den Widerstandsteiler RT 1 und RT 2, XMH 2 zugesteuert.About the function of the monolithically integrated high-voltage amplifier:
Starting from a voltage of zero volts at the input (JNIP) and output (OUT) of the circuit, that means the output stage transistors XMH 1 , XMH 2 are open and XMH 3 XMH 4 are blocked, the circuit works as described below. When the input voltage changes to 2 V, for example, transistor M 22 controls influenced by the differential stage. As a result, the DMOS transistors XMH 1 and, via the resistor divider RT 1 and RT 2 , XMH 2 are controlled.
Die Stromquelle, bestehend aus den Depletion-DMOS-Transistoren XMH 5, XMH 6, den Widerständen RT 5 bis RT 8 und den Kapazitäten CT 5, CT 6, liefert den Strom zum Umladen der Transistorkapazitäten. Aufgrund des sich erhöhenden Spannungs potentials an Punkt (7) steuern die Transistoren XMH 3, XMH 4 des Sourcefolgers auf.The current source, consisting of the depletion DMOS transistors XMH 5 , XMH 6 , the resistors RT 5 to RT 8 and the capacitors CT 5 , CT 6 , supplies the current for reloading the transistor capacitors. Due to the increasing voltage potential at point ( 7 ), the transistors XMH 3 , XMH 4 of the source follower open.
Die zu treibende Lastkapazität am Ausgang (OUT) wird über die Transistoren XMH 3, XMH 4 geladen. Damit folgt der Ausgang (OUT) der Spannungserhöhung. Über den externen Rückkopplungsteiler wird die Verstärkung der Schaltung eingestellt. Die Erhöhung der Ausgangsspannung erfolgt bis Eingangssignal und Rückkoppelsignal übereinstimmen. The load capacitance to be driven at the output (OUT) is charged via the transistors XMH 3 , XMH 4 . The output (OUT) follows the voltage increase. The gain of the circuit is set via the external feedback divider. The output voltage is increased until the input signal and feedback signal match.
Bei einer Verkleinerung der Ausgangsspannung arbeitet die Schaltung äquivalent, wobei die Lastkapazität über die Diode D1 entladen wird. Die Inverterstufe wird durch die Differenzstufe aufgesteuert und dadurch indirekt die Sourcefolgerstufe zugesteuert. Der Hochspannungsverstärker bildet einen Operationsverstärker mit Gegentaktendstufe.If the output voltage is reduced, the circuit works equivalent, the load capacitance being discharged via the diode D1. The inverter stage is through the differential stage is opened and thereby the source follower stage is indirectly activated. The high-voltage amplifier forms an operational amplifier with a push-pull output stage.
Claims (11)
einem Eingangsverstärker in CMOS-Technik und einer damit verbundenen Hochspannungsendstufe bestehend aus einer Inverterstufe (5) und einer Source folgerstufe (6) mit jeweils kaskadierter Transistoranordnung in DMOS-Technik und jeweils wenigstens einer die in DMOS-Technik realisierten Transistoren voneinander dielektrisch isolierenden Schicht.1. Monolithically integrated high-voltage amplifier with the following features:
an input amplifier in CMOS technology and an associated high-voltage output stage consisting of an inverter stage ( 5 ) and a source follower stage ( 6 ), each with a cascaded transistor arrangement in DMOS technology, and in each case at least one dielectric isolating layer from the transistors implemented in DMOS technology.
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