DE102004029966A1 - Verpolungsschutzschaltung mit niedrigem Spannungsabfall - Google Patents

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Abstract

Stromversorgungsschaltung zur Versorgung einer Schaltung mit einer internen Versorgungsspannung (VDDint) aufgrund einer externen Versorgungsspannung (VDDext) mit einem Bipolartransistor (52) zur Realisierung eines Verpolungsschutzes für die zu versorgende Schaltung, dessen Kollektor-Emitter-Strecke von einem Versorgungsstrom durchflossen wird, wobei eine an den Bipolartransistor (52) angeschlossene Regelschaltung (56) den Betrieb des Bipolartransistors (52) an der Grenze zur Sättigung sicherstellt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Verpolungsschutzschaltung mit niedrigem Spannungsabfall, im Speziellen auf eine Schaltungsanordnung zum Schutz einer zu versorgenden Schaltung vor Verpolung unter Verwendung eines Bipolartransistors.
  • Bei einer Vielzahl von technischen Anwendungen ist es heute wünschenswert, eine elektronische Schaltung mit einer Betriebsspannung zu betreiben, die in einem weiten Bereich variieren kann. Bei automobilen Anwendungen kann die Betriebsspannung zum Beispiel zwischen 3 Volt und 34 Volt schwanken. Weiterhin ist es erforderlich, einen Schutz gegen Verpolung der Betriebsspannung bereitzustellen. Aus Gründen der Kosten und der Zuverlässigkeit sollen die Schaltung zur Spannungsstabilisierung und der Verpolungsschutz auf der zu versorgenden integrierten Schaltung integriert werden. Um die Kosten gering und die Ausbeute hoch zu halten, muss der technologische Mehraufwand, der durch die monolithische Integration der Schaltungen zur Spannungsstabilisierung und zum Verpolungsschutz entsteht, möglichst gering sein. Beispielsweise ist es zulässig, gegenüber einem herkömmlichen Prozess ein bis zwei zusätzliche unkritische Masken zu verwenden. Daneben soll die Schaltung zur Spannungsstabilisierung und zum Verpolungsschutz robust gegenüber Technologieschwankungen sein.
  • Da die Schaltungsanordnungen zur Spannungsstabilisierung und zum Schutz vor Verpolung typischerweise als eine Einheit betrachtet und auch teilweise durch ein elektronisches Bauteil realisiert werden, ist es erforderlich, die Anforderungen an das Gesamtsystem bestehend aus Spannungsstabilisierung und Verpolungsschutz zu betrachten.
  • Es ist zumeist erforderlich, dass der Regler eine gute Unterdrückung von externen Betriebsspannungsschwankungen, auch bei hohen Frequenzen, aufweist und sehr robust auf andere elektrische Störungen reagiert. Dies soll erreicht werden, ohne externe Abblockkapazitäten zu verwenden, weil diese die Pin-Anzahl der integrierten Schaltung erhöhen und zusätzliche Kosten verursachen. Ferner ist es sehr wichtig, dass der Spannungsabfall über der Gesamtschaltung zur Spannungsstabilisierung und zum Verpolungsschutz möglichst gering ist. Wünschenswert ist hierbei ein Spannungsabfall von nur maximal 0.2 Volt bis 0.4 Volt zwischen der externen und der internen Versorgungsspannung.
  • Es sind gegenwärtig mehrere Schaltungsanordnungen bekannt, die sowohl einen Verpolungsschutz als auch eine Spannungsregelung realisieren können. Als spannungsregelndes Element dient üblicherweise ein geeignet angesteuerter Transistor, wobei sowohl Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren verwendet werden können. Zu unterscheiden sind Schaltungsanordnungen, bei denen der Verpolungsschutz ohne weiteren Schaltungsaufwand durch den Regeltransistor gewährleistet wird, und Schaltungsanordnungen, bei denen zusätzlich zum Regeltransistor noch weitere Schaltungsmaßnahmen getroffen werden müssen, um einen Verpolungsschutz zu gewährleisten.
  • Bei der Verwendung von Hochvolt-pnp-Bipolartransistoren wird ein Verpolungsschutz schon durch die Schichtenfolge des Transistors sichergestellt und es ist keine zusätzliche Verpolungsschutzdiode notwendig. Allerdings ist bei der Verwendung von Hochvolt-pnp-Bipolartransistoren aufgrund des hier erforderlichen Schaltungskonzepts und der sich ergebenden großen parasitären Kapazitäten die Unterdrückung von hochfrequenten Störungen auf der externen Versorgungsspannung schlecht. Eine Verbesserung der Schaltungseigenschaften durch Verwendung eines vertikalen pnp-Bipolartransistors erfordert zusätzliche Technologieschritte und ist daher nicht wünschenswert. In ähnlicher Weise erfordert die Herstellung von Hochvolt-pMOS-Feldeffekttransistoren bei manchen Technologien zusätzliche Technologieschritte. Bei Verwendung von Hochvolt-pMOS-Feldeffekttransistoren ist ein Verpolungsschutz nicht von vorneherein gegeben, da die n-Wanne (=Bulk) des Transistors meist mit dem externen Betriebsspannungsanschluss verbunden ist und eine parasitäre Diode zu dem p-Substrat (=Masse) bildet. Der Schutz bei Verpolung ist mit diesem Transistortyp nur eingeschränkt möglich, wenn der Bulk-Anschluss nicht direkt mit dem Betriebsspannungs-Pin verbunden wird. Dabei besteht aber das Risiko des "Latch-up".
  • Wenn der Bulk-Anschluss über einen Widerstand mit dem Betriebsspannungs-Pin und dem Source-Anschluss des Transistors verbunden wird, kann im Reverse-Betrieb durch den parasitären pnp-Transistor ein relativ großer Strom fließen.
  • Werden als Regeltransistoren Hochvolt-npn-Bipolartransistoren oder Hochvolt-nMOS-Feldeffekttransistoren, die als Emitterfolger oder Sourcefolger geschaltet sind, verwendet, so ist der Schutz gegen Verpolung nicht durch den Regeltransistor selbst gewährleistet, da am Kollektor oder Drain eine parasitäre Diode gegen das Substrat existiert. Es müssen zusätzliche Hochvolt-pnp-Bipolartransistoren oder Hochvolt-Dioden für den Verpolungsschutz verwendet werden. Dadurch erhöht sich der gesamte Spannungsabfall über Regeltransistor und Verpolungsschutzschaltung bei herkömmlichen Schaltungsanordnungen auf etwa 0.8 Volt bis 1 Volt. Zudem können npn-Bipolartransistoren nur mit zusätzlichen Technologieschritten hergestellt werden.
  • Weiterhin variiert die Ansteuerschaltung für die Transistoren je nach verwendetem Transistortyp. Bei Hochvolt-pnp-Bipolartransistoren kann die Ansteuerung über eine mit dem Bezugspotential verbundenen Stromquelle erfolgen. Wird ein Hochvolt-pMOS-Feldeffekttransistor als Regeltransistor verwendet, so benötigt dieser eine Spannungsansteuerung, die auf die externe Betriebsspannung bezogen ist. Ein Hochvolt- npn-Bipolartransistor wird durch einen Basisstrom angesteuert, wobei das Basispotential generell positiv gegenüber der internen Betriebsspannung ist. Bei Verwendung eines Hochvolt-nMOS-Feldeffekttransistors vom Anreicherungstyp ist das Gate-Potential im normalen Betrieb positiv gegenüber der geregelten Versorgungsspannung. Es ist möglich, ein solches positives Potential gegenüber der internen Versorgungsspannung mit einer Ladungspumpe zu erreichen, wobei sich allerdings ein sehr langsames Regelverhalten ergibt, da der Gate-Umladestrom durch die Ladungspumpe nur sehr klein sein kann.
  • Einige Ausführungsbeispiele für monolithisch integrierbare Stromversorgungsschaltungen mit Verpolungsschutz und Spannungsregelung gemäß dem Stand der Technik werden nachfolgend anhand der 4 und 5 näher erläutert.
  • 4 zeigt eine Stromversorgungsschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet ist und eine interne Versorgungsspannung VDDint von 2.5 Volt aufgrund einer externen Versorgungsspannung VDDext, die zwischen 3 Volt und 34 Volt schwanken darf, erzeugt. Zwischen die externe Versorgungsspannung VDDext und die interne Versorgungsspannung VDDint ist als Regeltransistor ein lateraler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor 12 geschaltet. Dieser Bipolartransistor 12 wird als Regeltransistor verwendet und stellt den Verpolungsschutz sicher. Das Ansteuersignal für den Bipolartransistor 12 wird durch eine Spannungsregelschaltung 14 erzeugt, die aus einer "bandgap"-Referenzspannungsquelle 16 und einem damit gekoppelten Transkonduktanz-Verstärker 18 besteht. Zwischen den Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers 18 und den Basisanschluss des Bipolartransistors 12 ist ein Hochvolt-n-Kanal-MOSFET 20 als Hochspannungskaskode geschaltet, um den Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers von der hohen Spannung an der Basis des pnp-Transistors zu entkoppeln. Der Gate-Anschluss dieses Feldeffekttransistors 20 ist mit der internen Versorgungsspannung VDDint verbunden. Weiterhin besteht in der vorliegenden Schaltung eine unvermeidbare parasitäre Kapazität Cpar zwischen dem Basisanschluss des Bipolartransistors 12 und dem Bezugspotential GND. Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung eine Sensorschaltung 22, die von der internen Versorgungsspannung VDDint versorgt wird. Alle Schaltungskomponenten verwenden das gleiche Bezugspotential GND.
  • Bei der Schaltungsanordnung gemäß 4 wirkt der laterale Hochvolt-pnp-Bipolartransistor 12 gleichzeitig als Regeltransistor und als Verpolungsschutz. Allerdings ist eine solche Schaltungsanordnung empfindlich gegen hochfrequente Störimpulse auf der externen Versorgungsspannung VDDext. Dies liegt insbesondere an der parasitären Kapazität Cpar, die das Basispotential wechselspannungsmäßig fixiert. Damit wirken sich hochfrequente Störungen auf der externen Versorgungsspannung VDDext stark auf die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke des Bipolartransistors 12 aus, was in einer schlechten Unterdrückung von hochfrequenten Störungen auf der externen Versorgungsspannung VDDext resultiert. Langsame Schwankungen der externen Versorgungsspannung VDDext können hingegen über die Spannungsregelschaltung 14, den zur Entkopplung des Bipolartransistors von der Regelschaltung verwendeten Feldeffekttransistor 20 und den Regeltransistor 12 ausgeregelt werden, so dass die interne Versorgungsspannung konstant gehalten wird. Es ist möglich, den lateralen Hochvolt-pnp-Bipolartransistor 12 durch einen vertikalen pnp-Bipolartransistor zu ersetzen. Dies verringert zwar die parasitäre Kapazität und verbessert somit das Verhalten der Schaltung gegenüber hochfrequenten Störungen auf der externen Versorgungsspannung, erfordert aber zusätzliche Technologieschritte, was die Herstellungskosten deutlich erhöht und die Ausbeute verringert.
  • 5 zeigt das Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Stromversorgungsschaltung mit Verpolungsschutz gemäß dem Stand der Technik, die in ihrer Gesamtheit mit 30 bezeichnet ist. Eine interne Versorgungsspannung VDDint von 2.5 Volt wird aus einer externen Versorgungsspannung VDDext im Bereich von 3.5 Volt bis 34 Volt erzeugt. Der Verpolungsschutz wird hierbei durch einen lateralen Hochvolt-pnp-Bipolartransistor 32 erzielt, der als Diode geklemmt ist, das heißt, dessen Basis und Kollektor-Anschluss kurzgeschlossen sind. Der Emitteranschluss ist mit der externen Versorgungsspannung VDDext verbunden. In Serie zu diesem pnp-Bipolartransistor ist ein Hochvolt-npn-Bipolartransistor 34 geschaltet, dessen Kollektoranschluss mit dem Kollektoranschluss des pnp-Bipolartransistors 32 verbunden ist, und an dessen Emitteranschluss die interne Versorgungsspannung VDDint anliegt. Die Regelung der internen Versorgungsspannung VDDint erfolgt wiederum durch eine Spannungsregelschaltung 14, bestehend aus einer "bandgap"-Referenzspannungsquelle 16 und einem Transkonduktanz-Verstärker 18. Der am Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers 18 zur Verfügung stehende Regelstrom wird der Basis des Regeltransistors 34 über einen weiteren Hochvolt-npn-Bipolartransistor 36, der in Basischaltung betrieben wird und als Hochspannungskaskode wirkt, zugeführt. Weiterhin ist eine Konstantstromquelle 38 zwischen die externe Versorgungsspannung VDDext und die Basis des Regeltransistors 34 geschaltet, um ein Hochregeln der internen Versorgungsspannung über den Hochvolt-npn-Bipolartransistor 34 zu ermöglichen. Mit der internen Versorgungsspannung VDDint wird wiederum eine Sensorschaltung 22 versorgt.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird also ein als Diode geschalteter lateraler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor als Verpolungsschutz verwendet. Dabei ist es ein Spannungsabfall von etwa 0.6 bis 0.7 Volt über der Emitter-Kollektor-Strecke des Bipolartransistors 32 zu erwarten. Weiterhin fällt auch über der Kollektor-Emitter-Strecke des npn-Regeltransistors 34 eine geringe Spannung ab. Somit beträgt der gesamte Spannungsabfall über der Verpolungsschutzschaltung und dem Regeltransistor etwa 0.8 Volt bis 1 Volt. Damit muss die externe Versorgungsspannung VDDext mindestens 3.5 Volt betragen, um eine interne Versorgungsspannung von 2.5 Volt sicher gewährleisten zu können. Folglich kann festgehalten werden, dass die gezeigte Schaltungsanordnung nicht die Anforderungen bezüglich eines geringen Spannungsabfalls erfüllt. Somit ist sie nicht geeignet für den Einsatz in einer Umgebung mit den vorher genannten Spezifikationen. Weiterhin muss festgehalten werden, dass die Herstellung der beiden npn-Bipolartransistoren 34, 36 zusätzliche Technologieschritte im Vergleich zur Standard-CMOS-Technologie erfordert. Auch dies ist ungünstig im Bezug auf das Ziel niedriger Herstellungskosten.
  • Weitere Schaltungsanordnungen zur Spannungsversorgung gemäß dem Stand der Technik finden sich in den folgenden Patentschriften: US 5,530,394 ; US 5,212,456 ; US 5,596,265 ; US 6,005,378 ; US 6,137,276 ; US 6,504,424 .
  • Es ist insgesamt festzuhalten, dass weder unter Verwendung von Regeltransistoren mit integriertem Verpolungsschutz noch bei Verwendung von Regeltransistoren in Verbindung mit einem herkömmlichen separaten Verpolungsschutzelement die oben genannten Anforderungen zufriedenstellend erfüllt werden können.
    •
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verpolungsschutzschaltung mit niedrigem Spannungsabfall zu schaffen, die mit geringem technologischem Aufwand realisiert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Stromversorgungsschaltung zur Versorgung einer Schaltung mit einer internen Versorgungsspannung aufgrund einer externen Versorgungsspannung mit einem Bipolartransistor zur Realisierung eines Verpolungsschutzes für die zu versorgende Schaltung, dessen Kollektor-Emitter-Strecke von einem Versorgungsstrom durchflossen wird, und mit einer an den Bipolartransistor angeschlossenen Regelschaltung zum Betrieb des Bipolartransistors an der Grenze zur Sättigung.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass über der Kollektor-Emitter-Strecke eines bipolaren Transistor nur eine geringe Spannung abfällt, wenn er nicht wie in herkömmlichen Verpolungsschutzschaltungen üblich als Diode verschaltet ist, sondern an der Basis mit einem Strom angesteuert wird, der ihm gerade noch in der Sättigung hält. Ferner wird hier die Erkenntnis herangezogen, dass ein lateraler Hochvolt-Bipolartransistor zumeist prozesskompatibel ohne zusätzliche Masken in einem herkömmlichen CMOS-Prozess hergestellt werden kann. Ebenso kann die Regelschaltung, die den Basissteuerstrom für diesen Bipolartransistor liefert, problemlos in der zur Verfügung stehenden Technologie realisiert werden. Somit ist es im Gegensatz zum Stand der Technik möglich, eine monolithisch integrierbare Verpolungsschutzschaltung mit geringem Spannungsabfall zu erzielen, die unabhängig von dem verwendeten Regeltransistor ist.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Bipolartransistor durch eine an die Basis angeschlossene Regelschaltung für den Basisstrom an der Grenze zur Sättigung gehalten.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Regelschaltung für den Basisstrom einen gleichartig aufgebauten Bipolartransistor auf. Dies hat den Vorteil, dass der Basisstrom damit so gesteuert werden kann, dass er unabhängig von Technologie und Temperatur den Bipolartransistor an der Grenze zur Sättigung hält.
  • Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bipolartransistor ein Hochvolt-pnp-Bipolartransistor oder ein Hochvolt-npn-Bipolartransistor. Dies hat den Vorteil, dass die Verpolungsschutzschaltung auch bei einer hohen externen Versorgungsspannung ohne Beschädigung betrieben werden kann.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bipolartransistor ein lateraler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor oder ein lateraler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor. Dies hat den Vorteil, dass der Bipolartransistor prozesskompatibel ohne zusätzliche Masken in einem CMOS-Prozess hergestellt werden kann.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Bipolartransistor ein vertikaler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor oder ein vertikaler Hochvolt-npn-Bipolartransistor.
  • Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist dem Bipolartransistor ein Feldeffekttransistor zur Realisierung einer Spannungsregelung für die zu versorgende Schaltung in Serie geschaltet, dessen Source-Drain-Strecke von dem Versorgungsstrom durchflossen wird, und der von einer Spannungsregelschaltung angesteuert wird. Diese Schaltungsanordnung hat den Vorteil, dass neben dem Verpolungsschutz auch eine Stabilisierung der internen Versorgungsspannung erfolgen kann. Sowohl der Bipolartransistor als auch der Feldeffekttransistor können mit sehr geringem technologischen Mehraufwand, bezogen auf einen herkömmlichen CMOS-Prozess, hergestellt werden.
  • Bei einer bevorzugten Schaltungsanordnung ist der Feldeffekttransistor ein Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp. Ein solcher Transistor kann ausgehend von einem üblichen MOSFET vom Anreicherungstyp durch einen zusätzlichen Implantationsschritt hergestellt werden. Somit wird bei einer solchen Schaltungsausführung nur eine zusätzliche unkritische Implantationsmaske gegenüber einem Standard-CMOS-Prozess nötig. Dies führt zu niedrigen Herstellungskosten. Weiterhin hat eine solche Schaltungsanordnung den Vorteil, dass der Regeltransistor direkt aus einer Schaltung angesteuert werden kann, die selbst schon an der geregelten internen Versorgungsspannung betrieben wird. Dies verbessert die Unterdrückung von hochfrequenten Störungen auf der externen Versorgungsspannung. Ferner weist diese Schaltungsanordnung ein sicheres Startverhalten auf. Startpfade gegen die externe Versorgungsspannung, die anfällig für Störimpulse auf der externen Versorgungsspannung sind, sind nicht nötig.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Feldeffekttransistor ein Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp. Diese Schaltungsanordnung bietet den Vorteil, dass die Herstellung ohne zusätzlichen Implantationsschritt direkt in einem Standard-CMOS-Prozess erfolgen kann. Allerdings muss bei dieser Schaltungsanordnung ein Gatepotential erreicht werden, das oberhalb des Potentials der internen Versorgungsspannung liegt.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Gatepotential des Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp mit Hilfe einer Ladungspumpe erzeugt, die in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einer Spannungsregelschaltung angesteuert wird. Eine solche Schaltungsanordnung bietet den Vorteil, dass trotz Verwendung eines technologischen einfach herstellbaren Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp die Ansteuerspannung für diesen Regeltransistor alleine aus der internen Versorgungsspannung erzeugt wird. Somit ist das Gatepotential des Regeltransistors weitgehend unabhängig von der externen Versorgungsspannung, was die Einkopplung von Störungen auf der externen Versorgungsspannung reduziert und einen Betrieb mit geringem Spannungsabfall ermöglicht.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Feldeffekttransistor ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor. Dies bringt den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Verpolungsschutzschaltung auch in Verbindung mit Technologien eingesetzt werden kann, bei denen die Herstellung von MOS-Feldeffekttransistoren nicht vorgesehen ist. Weiterhin ist festzuhalten, dass Sperrschicht-Feldeffekttransistoren von ihrem elektrischen Verhalten her im wesentlichen MOS-Feldeffekttransistoren vom Verarmungstyp gleichen. Das heißt insbesondere, sie sind selbstleitend. Entsprechend können Sperrschicht-Feldeffekttransistoren genauso wie MOS-Feldeffekttransistoren vom Verarmungstyp vorteilhaft eingesetzt werden, es entfällt jedoch der zur Herstellung eines Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp nötige zusätzliche technologische Aufwand.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Spannungsregelschaltung zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors eine "bandgap"-Referenzspannungsquelle, einen Transkonduktanz-Verstärker und einen Abblockkondensator, der an das Gate des Feldeffekttransistors angeschlossen ist, auf. Transkonduktanz-Verstärker und „bandgap"-Referenzspannungsquelle können in einer Schaltung vereint sein, so dass der Schaltungsaufwand für die Regelschaltung gering ist.
  • Der Vorteil einer solchen Schaltungsanordnung liegt darin, dass die interne Versorgungsspannung auch bei großen Schwankungen der externen Versorgungsspannung sehr stabil gehalten werden kann. Insbesondere ist es möglich, die "bandgap"-Referenzspannungsquelle und den Transkonduktanz-Verstärker an der stabilisierten internen Versorgungsspannung zu betreiben. Dies bringt den Vorteil, dass Störungen auf der externen Versorgungsspannung keinen direkten Einfluss auf die Spannungsregelschaltung haben. Wird ein Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp oder ein Hochvolt-Sperrschicht-Feldeffekttransistor als Regeltransistor verwendet, so kann der Gate-Anschluss dieses Feldeffekttransistors direkt mit dem Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers verbunden werden. Die Vorteile einer solchen Schaltungsanordnung liegen darin, das ein zusätzlicher Transistor zwischen dem Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers und dem Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors eingespart werden kann. Weiterhin ist es nicht nötig, dass vom Gate-Anschluss des Feldeffekttransistors irgendein leitender Pfad zu der externen Versorgungsspannung besteht. Somit haben Störimpulse auf der externen Versorgungsspannung keinen direkten Einfluss auf das Gate-Potential des Regeltransistors. Vielmehr ist es möglich, am Gate des Regeltransistors einen Abblockkondensator gegen Masse vorzusehen, was in einer robusten Spannungsregelschleife mit einer sehr guten Unterdrückung von hochfrequenten Störungen auf der externen Versorgungsspannung resultiert.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind dem Bipolartransistor ein Hochvolt-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp, dessen Source-Drain-Strecke von dem Versorgungsstrom geschlossen wird, dessen Gate-Anschluss mit einem Bezugspotential verbunden ist und dessen Schwellenspannung größer als die interne Versorgungsspannung ist, und ein Niederspannungs-Regeltransistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke oder Source-Drain-Strecke von dem Versorgungsstrom durchflossen wird, in Serie geschaltet, wobei der Steueranschluss des Niederspannungs-Regeltransistors mit dem Ausgang einer Spannungsregelschaltung verbunden ist. Eine solche Schaltungsanordnung bietet den Vorteil, dass die eigentliche Spannungsregelung durch einen Niedervolt-Regeltransistor erfolgt. Ein derartiger Niedervolt-Transistor weist ein besseres Regelverhalten auf als ein Hochvolt-Transistor. Der Hochvolt-Feldeffekt-Transistor vom Verarmungstyp ist als Source-Folger geschaltet. Somit wird das Source-Potential weitgehend konstant gehalten, da der Gate-Anschluss mit dem Bezugspotential verbunden ist. Das Source-Potential wird bei dieser Beschaltung wesentlich von der Schwellenspannung des Hochvolt-Feldeffekttransistors bestimmt. Damit begrenzt der Hochvolt-Feldeffekttransistor die an dem eigentlichen Niedervolt-Regeltransistor anliegende Spannung und führt eine Vorstabilisierung aus. Der Mehraufwand für den zusätzlichen Regeltransistor, der sowohl als Feldeffekttransistor als auch als Bipolartransistor ausgeführt sein kann, ist gering.
    •
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Daneben zeigen die Figuren auch einige bisher bekannte Beispiele von Schaltungen zum Verpolungsschutz und zur Spannungsregelung. Es zeigen:
  • 1a ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung;
  • 1b ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung;
  • 2 einen Querschnitt durch einen Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp;
  • 3 einen Querschnitt durch einen Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp;
  • 4 ein Schaltbild eines ersten Beispiels einer Stromversorgungsschaltung gemäß dem Stand der Technik;
  • 5 ein Schaltbild eines zweiten Beispiels einer Stromversorgungsschaltung gemäß dem Stand der Technik.
  • 1a zeigt ein Schaltbild eines ersten
  • Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit 50 bezeichnet ist und eine gegen Verpolung geschützte und geregelte interne Versorgungsspannung VDDint aufgrund einer große Schwankungen und Störimpulse aufweisenden externen Versorgungsspannung VDDext erzeugt. Die interne Versorgungsspannung VDDint beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 2.5 Volt, die externe Versorgungsspannung VDDext darf zwischen 2.7 Volt und 34 Volt liegen. Zwischen die externe Versorgungsspannung VDDext und die interne Versorgungsspannung VDDint sind in Serie ein lateraler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor 52 und ein Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp 54 geschaltet. Dabei liegt der Emitteranschluss E des Bipolartransistors an der externen Versorgungsspannung VDDext. Der Kollektoranschluss C des Bipolartransistors ist mit dem Drainanschluss D des Feldeffekttransistors verbunden. Die interne Versorgungsspannung VDDint wird an dem Sourceanschluss S des Feldeffekttransistors abgegriffen. Mit der internen Versorgungsspannung werden eine Regelschaltung für den Basisstrom des Bipolartransistors 56, eine Spannungsregelschaltung 58 und eine Sensorschaltung 60 versorgt. Weiterhin ist ein Abblockkondensator 62 an die interne Versorgungsspannung angeschlossen. Alle Teilschaltungen verwenden das gleiche Bezugspotential GND. Die Regelschaltung 56 für den Basisstrom des Bipolartransistors ist direkt mit dem Basisanschluss B des Bipolartransistors verbunden. Die Spannungsregelschaltung 58 besteht aus einer "bandgap"-Referenzspannungsquelle 64, die mit einem Transkonduktanz-Verstärker 66 verschaltet ist. Der Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers 66 ist mit einem Abblockkondensator CG und dem Gateanschluss G des Feldeffekttransistors verbunden.
  • Im Folgenden wird die Funktionsweise der eben beschriebenen Schaltungsanordnung näher erläutert. Kern der Erfindung ist der laterale Hochvolt-pnp-Bipolartransistor 52, der einen Verpolungsschutz mit niedrigem Spannungsabfall realisiert. Im Falle der Verpolung der externen Betriebsspannung VDDext sperrt die Basis-Emitter-Diode des Bipolartransistors 52 und schützt so die zu versorgende Schaltung vor Zerstörung. Im normalen Betrieb, das heißt, bei richtiger Polarität von VDDext, wird der Bipolartransistor 52 durch die Regelschaltung 56 für den Basisstrom an der Grenze zur Sättigung gehalten. Damit fällt über der Kollektor-Emitter-Strecke des Bipolartransistors 52 insbesondere bei kleiner externer Versorgungsspannung VDDext nur eine kleine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung ab. Dieses Verhalten unterscheidet sich grundlegend von dem Verhalten herkömmlicher Verpolungsschutzschaltungen, bei denen der Transistor als Diode, das heißt mit kurzgeschlossener Basis-Kollektor-Strecke, betrieben wird. Bei derartigen Schaltungen beträgt der Spannungsabfall über dem Verpolungsschutz üblicherweise etwa 0.7 V. Weiterhin werden durch den Betrieb an der Grenze zur Sättigung zu hohe parasitäre Substratströme vermieden. Der Basissteuerstrom kommt dabei aus einer geeigneten Regelschaltung 56, die einen gleichartigen Transistor enthält. Da die Stromaufnahme der Sensorschaltung 60 bekannt ist, kann durch Ermitteln des Basisstroms dieses Transistors die Regelung des Basisstroms des eigentlichen Verpolungsschutztransistors 52 erfolgen.
  • Die eigentliche Regelung der internen Versorgungsspannung erfolgt mit Hilfe des Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp 54, der im Source-Folger-Betrieb arbeitet. Source-Folger mit Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren weisen im Allgemeinen ein sehr gutes Regelverhalten auf, da sie einerseits am Gate gegen Masse abgeblockt werden können (dynamische Kompensation; der Gate-Abblockkondensator CG ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Teil der Spannungsregelschaltung gezeigt) und andererseits ein sehr schnelles Lastregelverhalten gegen große Lastsprünge aufweisen. Somit können sowohl Störungen auf der externen Versorgungsspannung als auch Lastsprünge sehr gut ausgeregelt werden. Die Verwendung eines externen Abblockkondensators erübrigt sich.
  • Neben dem Verpolungsschutztransistor ist auch der Feldeffekt-Regeltransistor 54 kompatibel mit einem Betrieb mit geringem Spannungsabfall. Bei kleiner externer Versorgungsspannung VDDext fällt an dem Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp nur eine Spannung ab, die kleiner als seine Sättigungsspannung ist. Insgesamt ergibt sich somit bei einer Schaltungsanordnung gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei einer internen gegen Verpolung geschützten und geregelten Versorgungsspannung von 2.5 V ein sehr großer Betriebsspannungsbereich von 2.7 V bis 34 V.
  • Die Verwendung eines Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp bringt im Vergleich zu einem herkömmlichen Regeltransistor vom Anreicherungstyp eine wesentliche Vereinfachung der Spannungsregelschaltung 58 und insbesondere der Ansteuerung des Regeltransistors mit sich. Die Gate-Steuerspannung für den Regeltransistor vom Verarmungstyp liegt unterhalb der geregelten internen Betriebsspannung VDDint. Damit kann der Regeltransistor direkt von einer Regelschaltung, die mit der internen Versorgungsspannung betrieben wird, angesteuert werden. Dabei sind insbesondere keine weiteren Schaltungsmaßnahmen erforderlich, die eine direkte Verbindung mit der ungeregelten externen Versorgungsspannung VDDext herstellen. Entsprechend verbessert sich die Unterdrückung von Störungen auf der externen Versorgungsspannung. Ein Regeltransistor vom Verarmungstyp bietet gegenüber einem Transistor vom Anreicherungstyp auch bezüglich des Startverhaltens große Vorteile. Der Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ist leitend, wenn das Potential an seinem Gate-Anschluss gleich dem Potential an seinem Source-Anschluss ist. Damit kann bei der gezeigten Schaltungsanordnung eine interne Versorgungsspannung VDDint aufgebaut werden, selbst wenn die Spannungsregelschaltung noch nicht mit einer zum geregelten Betrieb ausreichenden Spannung versorgt wird. Bei einem Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp hingegen muss das Gate-Potential größer als das Source-Potential sein, damit der Transistor leitend wird. Dies kann beim Start der Regelschaltung nur durch eine leitende Verbindung zu der externen Versorgungsspannung VDDext erreicht werden, was die Einkopplung von Störimpulsen von der externen Versorgungsspannung VDDext auf die Spannungsregelschaltung ermöglicht. Es kann somit festgehalten werden, daß bei Verwendung eines Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp als Regeltransistor ein sehr sicheres Startverhalten ohne die Verwendung von Startpfaden gegen die externe Versorgungsspannung gewährleistet ist.
  • Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst die Spannungsregelschaltung eine "bandgap"-Referenzspannungsquelle 64, einen Transkonduktanz-Verstärker 66 und einen Abblockkondensator CG. Die eigentliche Spannungsregelung erfolgt mittels des Transkonduktanz-Verstärkers 66, der geeignet verschaltet ist, um dem Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp 54 mit einer Steuerspannung zwischen 0 Volt und 2.5 Volt anzusteuern. Es ist weiterhin zu beachten, dass die gesamte Spannungsregelschaltung mit der geregelten internen Versorgungsspannung VDDint betrieben wird, so dass sie von Störungen auf der externen Versorgungsspannung VDDext nicht direkt beeinflusst wird.
  • Die Regelschaltung 56 für den Basisstrom des Bipolartransistors 52 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen weiteren Bipolartransistor für eine Replikaschaltung, der gleichartig dem eigentlichen Verpolungsschutz-Transistor 52 ist. Damit kann der Basisstrom so geregelt werden, daß der Verpolungsschutztransistor 52 technologie- und temperaturunabhängig an der Grenze zur Sättigung betrieben wird.
  • 1b zeigt ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsschaltung. Dieses Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem in 1a gezeigten nur geringfügig verändert, so daß hier nur auf die Veränderungen eingegangen wird. Die Spannungsregelung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel nicht wie in 1a gezeigt durch einen Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp 54, sondern durch eine zweistufige Spannungsregelanordnung. Insbesondere ist dem Verpolungsschutz-Bipolartransistor 52 ein Hochvolt-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp 68, dessen Source-Drain-Strecke von dem Versorgungsstrom durchflossen wird, sowie ein Niederspannungs-Regeltransistor 70, dessen Source-Drain-Strecke ebenfalls von dem Versorgungsstrom durchflossen wird, in Serie geschaltet werden. Der Gate-Anschluss des Hochvolt-Feldeffekttranistors 68 ist hierbei mit dem Bezugspotential GND verbunden. Der Steueranschluss des Niederspannungs-Regeltransistors 70 ist mit dem Ausgang einer Spannungsregelschaltung 58 verbunden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Hochvolt-Feldeffekttransistor 68 ein Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp und der Niedervolt-Regeltransistor 70 ein Niedervolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp. Bei einer solchen Schaltungsanordnung übernimmt der Hochvolt-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp 68 die Vorstabilisierung der Versorgungsspannung, so dass an dem Niedervolt-Regeltransistor 70 nur noch eine kleine Spannung abfällt. Die vorstabilisierte Spannung liegt an einem Knoten 72 an, der mit dem Source-Anschluss der Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistors 68 und dem Drain-Anschluss des Niedervolt-Regeltransistors 70 verbunden ist. Ein Vorteil dieser Schaltungsanordnung besteht darin, dass der Niedervolt-Regeltransistor 70 typischerweise bessere Regeleigenschaften aufweist als ein Hochvolt-Regeltransistor 54. Somit kann mit einer solchen Schaltungsanordnung ohne großen technologischen Aufwand eine verbesserte Spannungsstabilisierung erreicht werden.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß 1b als Niedervolt-Regeltransistor 70 ein Niedervolt-Bipolartransistor verwendet werden, wobei die Kollektor-Emitter-Strecke von dem Versorgungsstrom durchflossen wird. Die mit dem Basis-Anschluss des Bipolartransistors verbundene Ansteuerschaltung muß in diesem Fall entsprechend angepaßt sein.
  • Weiterhin ist es möglich, den Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp durch einen anderen Transistortyp zu ersetzen. Insbesondere kann ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor eingesetzt werden, der bei sehr ähnlichem elektrischen Verhalten mit einem anderen technologischen Prozeß herstellbar ist. Auch ist es möglich, einen Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp zu verwenden, wenn durch eine schaltungstechnische Maßnahme sichergestellt ist, daß das Gate-Potential auf einen geeigneten Wert oberhalb der erforderlichen internen Versorgungsspannung angehoben wird. Der genaue Wert des Gate-Potentials hängt dabei von der gewünschten internen Versorgungsspannung, der Schwellspannung des Feldeffekttransistors und dem für die Regelung durch den Niederspannungs-Regeltransistor benötigten Spannungshub ab. Das Gate-Potential kann dabei entweder durch eine Ladungspumpe aus der internen Versorgungsspannung oder durch eine Stabilisierungsschaltung aus der externen Versorgungsspannung erzeugt werden.
  • 2 und 3 zeigen Querschnitte durch Hochvolt-n-Kanal-Feldeffekttransistoren vom Anreicherungstyp 90 und vom Verarmungstyp 91. Beide Varianten unterscheiden sich nur gering, so dass sie hier gemeinsam beschrieben werden, wobei auf die Unterschiede explizit hingewiesen wird. Um einen Hochvolt-n-Kanal-MOSFET zu erhalten, ist in ein p-leitendes Substrat 92 eine für Hochvolt-Anwendungen geeignete n-Wanne 94 implantiert. Diese n-Wanne kann auch durch ein auf einem Substrat aufgebrachtes n-Epitaxie-Gebiet gebildet werden. Um den Kanalbereich 96 des Transistors herum ist eine p-Wanne 98 implantiert. Der Source-Bereich des Transistors 100 wird durch ein n-dotiertes Gebiet 102 gebildet, das wiederum in der p-Wanne 98 erzeugt wurde. Das Drain-Gebiet 104 des Transistors umfasst eine n-Wanne 106, wie sie in der herkömmlichen CMOS-Technologie verwendet wird, die in die für Hochvolt-Anwendungen erforderliche separate n-Wanne 94 implantiert ist. In die CMOS-n-Wanne 106 sind zur Bildung eines guten Kontakts weitere n-leitende Gebiete 108 implantiert. Die Gate-Elektrode 110 ist durch ein Feldoxid 112 vom Kanalbereich 96 isoliert. Die Isolation gegen das Draingebiet 104 erfolgt durch ein Feldoxid 114. Ohne weitere Prozessschritte kann mit diesem Aufbau ein Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp erzielt werden. Um einen Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp 91 zu schaffen, ist zusätzlich ein weiterer Implantationsschritt nötig, bei dem im Bereich des Kanals ein mit geeigneten Atomen implantierter Bereich 116 erzeugt wird. Bei bestimmten Technologien steht dieser Implantationsschritt zur Realisierung von anderen Strukturen schon zur Verfügung, so dass man auf zusätzliche Prozessschritte verzichten kann.
  • Aus dem Querschnitt der Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistoren 90,91 kann man ersehen, dass diese mit nur geringem technologischen Veränderungen im Rahmen eines Standard-CMOS-Prozesses gefertigt werden können. Insbesondere ist eine niedrig dotierte n-Wanne für Hochvolt-Betrieb erforderlich. Weiterhin ist es, wie oben beschrieben, wünschenswert, als Regeltransistor einen Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp zu verwenden. Feldeffekttransistoren, die mit der herkömmlichen Technologie gemäß 2 gefertigt werden, sind im Allgemeinen vom Anreicherungstyp. Folglich muss die Schwellspannung des Transistors durch eine geeignete Maßnahme verändert werden, um einen Transistor vom Verarmungstyp zu erhalten. Dies kann beispielsweise wie in 3 gezeigt durch die Implantation eines geeigneten Stoffes in einem Bereich 116 unterhalb der Gate-Elektrode 110 erzielt werden.
  • Der technologische Aufwand für diesen Schritt ist lediglich eine zusätzliche unkritische Implantationsmaske. Entsprechend ist es aus technologischer Sicht wenig problematisch, eine Schaltungsanordnung gemäß dem anhand von 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel zu erzielen.
  • Es ist offensichtlich, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht die einzigen Realisierungen der vorliegenden Erfindung sind. Die Verpolungsschutzschaltung sowie auch die hier gezeigte Spannungsregelschaltung kann in einem weiten Rahmen verändert werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel kann zum Schutz und zur Regelung einer negativen Versorgungsspannung eine komplementäre Schaltungsanordnung verwendet werden. Das heißt, anstelle des Hochvolt-pnp-Bipolartransistors, der zwischen die positive externe Versorgungsspannung und die positive interne Versorgungsspannung geschaltet ist, kann ein Hochvolt-npn-Bipolartransistor verwendet werden, der zwischen eine negative externe Versorgungsspannung und eine negative interne Versorgungsspannung geschaltet ist. Dies bringt den Vorteil, dass auch Schaltungen, die eine negative Versorgungsspannung benötigen, geschützt werden können.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann ein herkömmlicher, das heißt nicht Hochvolt-tauglicher Bipolartransistor bzw. Feldeffekttransistor verwendet werden, solange sichergestellt ist, dass er durch die zu erwartende Versorgungsspannung unter Berücksichtigung eventuell vorhandener Störimpulse nicht zerstört wird. Dies ermöglicht den kostengünstigen Einsatz der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in Anwendungen, bei denen ausschließlich niedrige externe Versorgungsspannungen auftreten.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der laterale Hochvolt-pnp-Bipolartransistor durch einen vertikalen Bipolartransistor ersetzt werden. Dies bietet den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung problemlos an die jeweilige verfügbare Technologie angepasst werden kann. Somit ist die Schaltungsanordnung nicht nur in Kombination mit CMOS-Schaltungen anwendbar, sondern auch beispielsweise in Verbindung mit Analogtechnologien.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Hochvolt-n-Kanal-MOSFET von Verarmungstyp durch einen Feldeffekttransistor vom Anreicherungstyp ersetzt werden. Dies verringert den technologischen Aufwand, da kein Implantationsschritt zur Veränderung der Schwellspannung nötig ist. Jedoch muss hierbei durch eine geeignete Schaltungsmaßnahme dafür gesorgt werden, dass das Gate-Potential oberhalb der geregelten internen Versorgungsspannung VDDint liegt. Ein solches Gatepotential kann beispielsweise unter Verwendung einer Ladungspumpe oder durch einen Pfad zu der ungeregelten externen Versorgungsspannung VDDext erzielt werden.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Hochvolt-n-Kanal-MOSFET durch einen Sperrschicht-Feldeffekttransistor ersetzt werden. Ein solcher Sperrschicht-Feldeffekttransistor weist die gleichen günstigen Eigenschaften auf wie ein MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp, erfordert bei seiner Herstellung jedoch keinen zusätzlichen Implantationsschritt zur Veränderung der Schwellspannung. Auch auf die Herstellung eines für Hochvolt-Anwendungen geeigneten Gateoxids kann verzichtet werden. Somit stellt die Verwendung eines Sperrschicht-Feldeffekttransistors als Regeltransistor eine weitere technologische Alternative dar.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann anstelle eines Feldeffekttransistors als Regeltransistor auch ein npn-Bipolartransistor verwendet werden. Diese Tatsache bringt eine größere Freiheit beim Schaltungsentwurf mit sich.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Regelschaltung für den Basisstrom des Bipolartransistors verändert sein, solange gewährleistet ist, dass der Bipolartransistor an der Grenze zur Sättigung betrieben wird.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Spannungsregelschaltung verändert sein. Insbesondere kann anstelle der "bandgap"-Referenzspannungsquelle eine andere Referenzspannungsquelle verwendet werden. Auch die Einführung weiterer Steuerschaltungen, z. B. zur Abschaltung der internen Versorgungsspannung, ist möglich. Weiterhin kann zwischen den Ausgang des Transimpedanz-Verstärkers und den Gate-Anschluss des Regeltransistors eine weitere Schaltung zur Verbesserung der Regeleigenschaften geschaltet werden.
  • Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Schaltungsanordnung, die bei sehr geringem Spannungsabfall eine zu versorgende Schaltung wirkungsvoll vor der Verpolung der externen Betriebsspannung schützen kann. Sie ist sowohl alleine für sich als auch in Verbindung mit einer Spannungsregelschaltung verwendbar. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist gut in einen herkömmlichen CMOS-Prozess integrierbar, aber auch die Kombination mit anderen Technologien ist denkbar. Insgesamt stellt also der Betrieb eines Bipolartransistors an der Grenze zur Sättigung zur Realisierung eines Verpolungsschutzes ein sehr universelles Schaltungskonzept dar.
    • 10
    Erste Stromversorgungsschaltung gemäß Stand der
    Technik
    12
    Lateraler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor
    14
    Spannungsregelschaltung
    16
    Bandgap-Referenzspannungsquelle
    18
    Transkonduktanz-Verstärker
    20
    Hochvolt-n-Kanal-MOSFET
    22
    Sensorschaltung
    30
    Zweite Stromversorgungsschaltung gemäß Stand der
    Technik
    32
    pnp-Bipolartransistor
    34
    Hochvolt-npn-Bipolartransistor
    36
    Hochvolt-npn-Bipolartransistor
    38
    Konstantstromquelle
    50
    Stromversorgungsschaltung
    52
    Lateraler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor
    54
    Hochvolt-n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor vom
    Verarmungstyp
    56
    Basisstrom-Regelschaltung
    58
    Spannungsregelschaltung
    60
    Sensorschaltung
    62
    Abblockkondensator
    64
    Bandgap-Referenzspannungsquelle
    66
    Transkonduktanz-Verstärker
    68
    Hochvolt-n-Kanal-Feldeffekttransistor vom
    Verarmungstyp
    70
    Niederspannungs-Regeltransistor
    72
    Knoten mit vorgeregelter Versorgungsspannung
    90
    Hochvolt-n-Kanal-Feldeffekttransistor vom
    Anreicherungstyp
    91
    Hochvolt-n-Kanal-Feldeffekttransistor vom
    Verarmungstyp
    92
    p-leitendes Substrat
    94
    Hochvolt-n-Wanne
    96
    Kanalbereich
    98
    p-Wanne
    100
    Source-Bereich
    102
    n-dotiertes Gebiet
    104
    Drain-Gebiet
    106
    n-Wanne
    108
    n-leitendes Gebiet
    110
    Gate-Elektrode
    112
    Gateoxid
    114
    Feldoxid
    116
    Implantierter Bereich
    B
    Basis-Anschluss
    C
    Kollektor-Anschluss
    CG
    Abblockkondensator
    Cpar
    Parasitäre Kapazität
    D
    Drain-Anschluss
    E
    Emitter-Anschluss
    G
    Gate-Anschluss
    GND
    Bezugspotential
    S
    Source-Anschluss
    VDDext
    Externe Versorgungsspannung
    VDDint
    Interne Versorgungsspannung

Claims (15)

  1. Stromversorgungsschaltung zur Versorgung einer Schaltung mit einer internen Versorgungsspannung (VDDint) aufgrund einer externen Versorgungsspannung (VDDext) mit einem Bipolartransistor (52) zur Realisierung eines Verpolungsschutzes für die zu versorgende Schaltung, dessen Kollektor-Emitter-Strecke von einem Versorgungsstrom durchflossen wird, gekennzeichnet durch eine an den Bipolartransistor (52) angeschlossene Regelschaltung (56) zum Betrieb des Bipolartransistors (52) an der Grenze zur Sättigung.
  2. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1, bei der die an den Bipolartransistor (52) angeschlossene Regelschaltung (56) eine Regelschaltung für den Basisstrom umfasst.
  3. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 2, bei der die Regelschaltung (56) für den Basisstrom einen gleichartig aufgebauten Bipolartransistor umfasst.
  4. Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Bipolartransistor (52) ein Hochvolt-pnp-Bipolartransistor oder ein Hochvolt-npn-Bipolartransistor ist.
  5. Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Bipolartransistor (52) ein lateraler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor oder ein lateraler Hochvolt-npn-Bipolartransistor ist.
  6. Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Bipolartransistor (52) ein vertikaler Hochvolt-pnp-Bipolartransistor oder ein vertikaler Hochvolt-npn-Bipolartransistor ist.
  7. Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der dem Bipolartransistor (52) ein Feldeffekttransistor (54) zur Realisierung einer Spannungsregelung für die zu versorgende Schaltung in Serie geschaltet ist, dessen Source-Drain-Strecke von dem Versorgungsstrom durchflossen wird und der von einer Spannungsregelschaltung (58) angesteuert wird.
  8. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7, bei der der Feldeffekttransistor (54) ein Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp ist.
  9. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7, bei der der Feldeffekttransistor (54) ein Hochvolt-n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp ist
  10. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9, bei der das Gate-Potential des Hochvolt-n-Kanal-MOSFET mit Hilfe einer Ladungspumpe in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal einer Spannungsregelschaltung erzeugt wird.
  11. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7, bei der der Feldeffekttransistor (54) ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor ist.
  12. Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der die Spannungsregelschaltung (58) zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors (54) eine "Bandgap"-Referenzspannungsquelle (64), einen Transkonduktanz-Verstärker (66) und einen Abblockkondensator (CG) aufweist.
  13. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7, 8 oder 11, bei der die Spannungsregelschaltung (58) zur Ansteuerung des Feldeffekttransistors (54) eine "Bandgap"-Referenzspannungsquelle (64), einen Transkonduktanz-Verstärker (66) und einen Abblockkondensator (CG) aufweist und bei der die Spannungsregelschaltung (58) vollständig von der internen Versorgungsspannung (VDDint) versorgt wird.
  14. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 13, bei der der Gate-Anschluss (G) des Hochvolt-n-Kanal-Feldeffekttransistors (54) direkt und insbesondere ohne Zwischenschaltung eines weiteren Transistors mit dem Ausgang des Transkonduktanz-Verstärkers (66) verbunden ist.
  15. Schaltungsanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der dem Bipolartransistor (52) ein Hochvolt-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (68), dessen Source-Drain-Strecke von dem Versorgungsstrom durchflossen wird, dessen Gate-Anschluss mit einem Bezugspotential (GND) verbunden ist und dessen Schwellenspannung größer als die interne Versorgungsspannung (VDDint) ist, und ein Niederspannungs-Regeltransistor (70), dessen Kollektor-Emitter-Strecke oder Source-Drain-Strecke von dem Versorgungsstrom durchflossen wird, in Serie geschaltet sind, wobei ein Steueranschluss des Niederspannungs-Regeltransistors (70) mit einem Ausgang einer Spannungsregelschaltung (58) verbunden ist.
DE102004029966A 2004-06-21 2004-06-21 Verpolungsschutzschaltung mit niedrigem Spannungsabfall Ceased DE102004029966A1 (de)

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