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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen
Entladungen sowie ein Verfahren zur Ableitung von elektrostatischen
Entladungen.
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Bei
elektrostatischen Entladungen, englisch: electrostatic discharge,
ESD, treten hohe Spannungen beispielsweise zwischen Anschlüssen einer elektrischen
Schaltung auf. Dies kann zu hohen Strömen durch die Schaltung führen. Insbesondere
bei integrierten Schaltungen ist es möglich, dass dadurch eine Zerstörung der
Schaltung erreicht wird.
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Zum
Schutz einer Schaltung vor elektrostatischen Entladungen können Schutzschaltungen
vorgesehen werden, die im Fall einer elektrostatischen Entladung,
also beim Auftreten einer hohen Spannung, einen Strom ableiten und
so die elektrische Schaltung vor Zerstörung bewahren können.
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11 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer herkömmlichen
Schaltung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen für positive
Signalspannungen. Als ein Ableitelement ist ein PNP-Bipolar-Transistor
T1 zwischen Anschlüsse
K1, K2 geschaltet. Zusätzlich
sind die Anschlüsse
K1, K2 über
eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R1 und einer Zenerdiode
D1 gekoppelt. Der Verbindungsknoten der Bauteile in der Reihenschaltung
ist an den Steueranschluss beziehungsweise Basisanschluss B des Transistors
T1 angeschlossen.
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Insbesondere
bei Schaltungen im Halbleiterbereich, die mit höheren Signalspannungen oder
Betriebsspannungen arbeiten, werden in Schutzschaltungen oft PNP-Transistoren
als Ableitelemente verwendet, da diese im Gegensatz zu NPN-Transistoren keinen
Spannungsrückschlag,
englisch: snapback aufweisen. Ein Ableitelement mit Spannungsrückschlag
geht nach einem Zünden
in einen niederohmigen Zustand und bewirkt einen Abfall der über dem Ableitelement
anliegenden Spannung. Dies ist beispielhaft in einem Spannungs-Stromdiagramm
eines Ableitelements in 12 gezeigt.
In dem Diagramm ist ein Strom I durch ein Ableitelement in Abhängigkeit
einer Spannung V über
dem Ableitelement dargestellt. Ausgehend von einer niedrigen Spannung gelangt
das Ableitelement bei einer Erhöhung
der Spannung auf oder über
eine Durchbruchspannung VBP in einen leitenden Zustand, wodurch
ein Strom zu fließen
beginnt. Gleichzeitig fällt
aber die Spannung über
dem Ableitelement zunächst
auf eine Haltespannung VH ab. Strom und Spannung können von diesem
Punkt an weiter ansteigen.
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Bei
Anwendungen mit niedrigeren Betriebsspannungen, beispielsweise einer
Betriebsspannung VNV, liegt die Haltespannung VH über der
Betriebsspannung VNV der Schaltungsanordnung und führt zu keinem
Ansteigen des Stroms durch das Ableitelement. Bei höheren Betriebsspannungen
kann die Haltespannung VH beispielsweise unter einer anderen Betriebsspannung
VHV liegen. Bei. einem Auslösen
eines Ableitelements mit einem Spannungsrückschlag kann die Versorgungsspannung
VHV über dem
niederohmigen Ableitelement anliegen und einen hohen Stromfluss
bewirken, der bis zur Zerstörung
des Ableitelements führen
kann.
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Wenn
in 11 die Spannung zwischen Emitter E und Kollektor
C des Transistors T1 die Zenerspannung der Zenerdiode D1 übersteigt,
kann ein Strom aus der Basis des Transistors T1 fließen, wodurch
der Transistor T1 aufgesteuert wird und zu leiten beginnt. Eine
Zenerdiode liefert aber in der Regel relativ wenig Triggerstrom
zum Aufsteuern des Transistors. Die Zenerdiode D1 sollte deshalb
ausreichend groß dimensioniert
werden, um einen notwendigen Triggerstrom für ein sicheres Aufsteuern des Transistors
T1 zu liefern.
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13 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer herkömmlichen
Schaltung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen für positive
und negative Signalspannungen. Zwischen die Anschlüsse K1,
K2 ist der PNP-Transistor T1 geschaltet. Der Basisanschluss B des
Transistors T1 ist nicht angeschlossen. Damit eine derartige Schaltungsanordnung
für positive
und negative Signalspannungen verwendet werden kann, ist es sinnvoll,
dass die Basis B des Transistors T1 bezüglich ihres Potenzials schweben
kann, englisch: float, also nicht an eine festes Potenzial angeschlossen
ist. Dadurch soll erreicht werden, dass weder in positiver noch
in negativer Richtung eine interne Diode des Bipolartransistors
T1 in Durchlassrichtung geschaltet ist.
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Im
Normalbetrieb, das heißt,
wenn keine elektrostatische Entladung auftritt, sollte der Transistor
T1 ausgeschaltet, also nicht leitend sein. Im Fall einer elektrostatischen
Entladung übersteigt
die Spannung zwischen Emitter E und Kollektor C des Transistors
T1 eine normale Betriebsspannung des Transistors, wodurch er leitend
wird. Beispielsweise kann bei einem positiven Impuls einer elektrostatischen
Entladung zwischen Emitter E und Kollektor C der PN-Übergang
zwischen Basis B und Kollektor C durchbrechen und damit den Transistor
T1 aufsteuern. Alternativ kann beispielsweise bei einem negativen
Impuls einer elektrostatischen Entladung der PN-Übergang zwi schen Basis B und
Emitter E durchbrechen, wodurch der Transistor T1 aufgesteuert wird.
Jedoch ist üblicherweise
der durch den Impuls der elektrostatischen Entladung erzeugte Basisstrom im
Transistor T1 gering, so dass die Effektivität einer derartigen Anordnung
in der Regel unzureichend ist.
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Mit
den beschriebenen Anordnungen kann somit nicht gewährleistet
werden, dass ein Ableitelement sicher aufgesteuert wird. Demzufolge
kann ein Strom, der durch eine Überspannung
aufgrund einer elektrostatischen Entladung hervorgerufen ist, nicht sicher
von einer zu schützenden
Schaltung abgeleitet werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen,
mit der ein Ableiten von elektrostatischen Entladungen mit verbesserter Zuverlässigkeit
erfolgt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren
anzugeben, bei dem eine Zuverlässigkeit
beim Ableiten von elektrostatischen Entladungen verbessert ist.
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Diese
Aufgaben werden mit den Gegenständen
der unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Die
Aufgabe wird beispielsweise gelöst durch
eine Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen,
die ein Ableitelement umfasst, das zwischen einen ersten und einen
zweiten Anschluss geschaltet ist und einen Steuereingang aufweist, über den
das Ableitelement leitend gesteuert werden kann. Zudem umfasst die
Schaltungsanordnung ein erstes Triggerelement, das einen ersten
Triggerausgang zur Abgabe eines ersten Triggersignals in Abhängigkeit
einer Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufweist,
sowie eine erste Verstärkereinheit,
die eingangsseitig mit dem ersten Triggerausgang und ausgangsseitig
mit dem Steuereingang gekoppelt ist.
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Wenn
beispielsweise eine elektrostatische Entladung zwischen dem ersten
und dem zweiten Anschluss auftritt, kann dies von dem ersten Triggerelement
erkannt werden. In diesem Fall kann das erste Triggerelement ein
Triggersignal abgeben, welches von der ersten Verstärkereinheit
verstärkt
wird. Das verstärkte
Triggersignal kann dem Ableitelement über den Steuereingang zugeführt werden,
um das Ableitelement in einen leitenden, niederohmigen Zustand zu
versetzen. Ein durch die elektrostatische Entladung hervorgerufener
Strom kann über
das Ableitelement abfließen.
So können
beispielsweise Bauteile einer Schaltung, die an den ersten und zweiten
Anschluss angeschlossen ist, vor einer Zerstörung bewahrt werden. Durch
das Verstärken
des Triggersignals kann gewährleistet
werden, dass auch bei einem kleinen Triggersignal des ersten Triggerelements,
beispielsweise einem geringen Triggerstrom, das Ableitelement sicher
in einen leitenden Zustand versetzt wird und elektrostatische Entladungen
mit verbesserter Zuverlässigkeit
abgeleitet werden können.
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Das
Ableitelement kann einen Transistor umfassen, dessen gesteuerte
Strecke zwischen den ersten und den zweiten Anschluss geschaltet
ist. Beispielsweise umfasst das Ableitelement dafür einen PNP-Bipolar-Transistor
oder einen p-Kanal-Feldeffekttransistor.
Durch das Aufsteuern der gesteuerten Strecke des Transistors im
Ableitelement in einen niederohmigen Zustand kann ein Strom aufgrund
einer elektrostatischen Entladung über den Transistor abgeleitet
werden.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst die erste Verstärkereinheit wenigstens einen Transistor,
der einen mit dem ersten Triggerausgang gekoppelten Steueranschluss
aufweist. Das Triggersignal kann somit über einen transistorbasierten
Verstärker
verstärkt
werden. Zum Verstärken
des Triggersignals können
auch mehrere Transistoren hintereinander zur Verstärkung geschaltet
werden. Beispielsweise wird aus mehreren Transistoren eine Verstärker-Kaskade
gebildet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Schaltungsanordnung ein zweites Triggerelement, das
einen zweiten Triggerausgang zur Abgabe eines zweiten Triggersignals
in Abhängigkeit
der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufweist,
und eine zweite Verstärkereinheit,
die eingangsseitig mit dem zweiten Triggerausgang und ausgangsseitig
mit dem Steuereingang gekoppelt ist.
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Durch
das Vorsehen eines zweiten Triggerelements mit nachgeschalteter
Verstärkereinheit,
können
in der Schaltungsanordnung Triggersignale für unterschiedliche Spannungen
zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss abgegeben werden.
Beispielsweise ist das erste Triggerelement dazu eingerichtet, das
erste Triggersignal abzugeben, wenn die Spannung zwischen dem ersten
und dem zweiten Anschluss einen positiven Schwellwert überschreitet. Das
zweite Triggerelement kann dazu eingerichtet sein, das zweite Triggersignal
abzugeben, wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss
einen negativen Schwellwert unterschreitet.
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Bei
einer positiven Spannungsspitze aufgrund einer elektrostatischen
Entladung mit einer positiven Spannung, die betragsmäßig größer oder
positiver als der positive Schwellwert ist, gibt das erste Triggerelement
das erste Triggersignal ab. Das zweite Triggerelement gibt das zweite
Triggersignal ab, wenn eine negative Spannungsspitze zwischen dem ersten
und dem zweiten Anschluss aufgrund einer elektrostatischen Entladung
mit einer negativen Spannung auftritt, die betragsmäßig größer oder
negativer ist als der negative Schwellwert. Es wird also jeweils
ein Triggersignal abgegeben, wenn der Betrag der Spannung zwischen
dem ersten und dem zweiten Anschluss größer ist als der jeweilige Betrag des
Schwellwerts.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die zweite Verstärkereinheit
wenigstens einen Transistor, der einen mit dem zweiten Triggerausgang
gekoppelten Steueranschluss aufweist. Somit kann auch in der zweiten
Verstärkereinheit
die Verstärkung
des Triggersignals über
einen oder mehrere Transistoren erfolgen.
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Das
erste Triggerelement kann zwischen den ersten und den zweiten Anschluss
geschaltet sein. Zudem kann das erste Triggerelement eine Zenerdiode
umfassen.
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Auch
das zweite Triggerelement kann zwischen den ersten und den zweiten
Anschluss geschaltet sein. Ebenso kann das zweite Triggerelement
eine Zenerdiode umfassen. Die Abgabe der jeweiligen Triggersignale
kann somit von der Zenerspannung der jeweiligen Zenerdiode abhängen.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch ein Verfahren zur Ableitung von elektrostatischen Entladungen.
Dabei wird ein Triggersignal in Abhängigkeit einer Spannung zwischen
einem ersten und einem zweiten Anschluss erzeugt. Das Triggersignal
wird verstärkt.
In Abhängigkeit
des verstärkten
Triggersignals werden der erste und der zweite Anschluss leitend
verbunden.
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Wenn
die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss bestimmte
Schwellwerte überschreitet
oder unterschreitet, kann ein Triggersignal erzeugt werden. Um eine
ausreichende Größe des Triggersignals
zu gewährleisten,
wird das Triggersignal verstärkt.
In Abhängigkeit
des verstärkten Triggersignals
werden der erste und zweite Anschluss leitend miteinander verbunden,
sodass ein Stromfluss, der aufgrund der hohen Spannung bei einer
elektrostatischen Entladung auftritt, über diese leitende Verbindung
erfolgt. Dadurch können
Bauelemente einer Schaltung, die am ersten und zweiten Anschluss
angeschlossen ist, vor einer Zerstörung durch zu hohe Ströme aufgrund
elektrostatischer Entladung bewahrt werden. Durch das Verstärken des
Triggersignals wird eine Zuverlässigkeit
beim Ableiten von elektrostatischen Entladungen verbessert.
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Beispielsweise
kann das leitende Verbinden des ersten und zweiten Anschlusses mittels
eines PNP-Bipolar-Transistors oder eines p-Kanal-Feldeffekttransistors
erfolgen.
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Das
Triggersignal kann erzeugt werden, wenn die Spannung zwischen dem
ersten und dem zweiten Anschluss einen positiven Schwellwert überschreitet
oder wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss
einen negativen Schwellwert unterschreitet. Somit können sowohl elektrostatische
Entladungen mit einem positiven Impuls als auch elektrostatische
Entladungen mit einem negativen Impuls sicher abgeleitet werden.
Ein Verstärken
des Triggersignals kann über
wenigstens einen Transistor erfolgen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen im Detail erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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3 in
drittes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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5 ein
erstes beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm unter Verwendung einer Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung,
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6 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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7 ein
zweites beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm unter Verwendung
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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8 ein
sechstes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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9 ein
siebtes Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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10 ein
drittes beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm unter Verwendung
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
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11 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer herkömmlichen
Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischer Entladung,
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12 ein
Spannungs-Stromdiagramm eines Ableitelements und
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13 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer herkömmlichen
Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischer Entladung.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen.
Dazu ist als Ableitelement T1 ein PNP-Bipolar-Transistor vorgesehen,
der zwischen einen ersten Anschluss K1 und einen zweiten Anschluss
K2 geschaltet ist. Emitteranschluss E und Steuereingang beziehungsweise
Basisanschluss B sind über
einen Widerstand R1 gekoppelt. Der Widerstand R1 kann dabei auch
parasitär
im Transistor T1 integriert sein. Zudem ist ein erstes Triggerelement TR1
vorgesehen, welches zwischen den Steuereingang B und den zweiten
Anschluss K2 geschaltet ist. Das erste Triggerelement umfasst eine
Zenerdiode D1 und einen Widerstand R2. Ein Verbindungsknoten der
Zenerdiode D1 und des Widerstands R2 bildet einen ersten Triggerausgang
TA1. Daran angeschlossen ist eine erste Verstärkereinheit V1, die ausgangsseitig
an den Steuereingang B angeschlossen ist.
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Die
Anschlüsse
K1, K2 können
beliebige Anschlüsse
einer zu schützenden
elektronischen Schaltung, insbesondere einer in tegrierten Schaltung
sein. Die Anschlüsse
K1 und K2 können
von der zu schützenden
Schaltung als Anschlüsse
zur Zufuhr oder Abgabe von Signalen oder auch als Versorgungsanschlüsse für eine Betriebsspannung
verwendet werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen,
dass die zu schützende
Schaltung an den Anschlüssen
K1, K2 mit positiven Signalspannungen arbeitet, das heißt, ein
Potenzial am ersten Anschluss K1 ist in der Regel höher als
ein Potenzial am zweiten Anschluss K2. Die zu schützende Schaltung
ist in 1 nicht eingezeichnet.
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Im
Normalfall, wenn also keine elektrostatische Entladung auftritt,
fließt
kein Strom über
den Widerstand R1 und durch die erste Triggerschaltung TR1. Durch
den Widerstand R1 kann gewährleistet werden,
dass Basis B und Emitter E des Transistors T1 keinen Potenzialunterschied
aufweisen. Da im Transistor T1 zudem kein Basisstrom über den
Steuereingang B fließt,
befindet sich der Transistor T1 somit im Normalfall nicht in einem
leitenden Zustand.
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Im
Fall einer elektrostatischen Entladung steigt die Spannung zwischen
dem ersten und zweiten Anschluss K1, K2 deutlich an. Dies führt zu einem Zenerdurchbruch
der Zenerdiode D1 im ersten Triggerelement TR1, was einen Stromfluss
vom ersten Anschluss K1 über
den Widerstand R1, die Zenerdiode D1 und den Widerstand R2 zum zweiten
Anschluss K2 bewirkt. Dadurch wird am Triggerausgang TA1 ein Triggersignal
abgegeben, welches von der Verstärkereinheit
V1 verstärkt
wird. Über
den Steuereingang B versetzt die Verstärkereinheit V1 das Ableitelement
T1 mit dem verstärkten
Triggersignal in einen leitenden Zustand. Ein Stromfluss zwischen dem
ersten und dem zweiten Anschluss K1, K2 erfolgt so im Wesentlichen über die
leitende Verbindung der Anschlüsse
K1, K2 durch das Ableitelement T1.
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Dies
geschieht so lange, bis die elektrostatische Entladung abgeleitet
ist.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Schaltungsanordnung. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche
Bauelemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen. Die erste Verstärkereinheit V1
umfasst hierbei einen Widerstand R3, einen selbstsperrenden N-Kanal-Feldeffekttransistor,
dessen Steuereingang oder Gate mit dem Triggerausgang TA1 gekoppelt
ist, und einen selbstsperrenden p-Kanal-Feldeffekttransistor T2,
dessen Gate-Anschluss zwischen dem Widerstand R3 und dem Transistor
T3 angeschlossen ist. Als Ausgang der Verstärkereinheit V1 ist der Transistor
T2 mit dem Steuereingang B gekoppelt.
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Im
normalen Betrieb wird die Zenerspannung der Zenerdiode D1 nicht überschritten.
Daher bleibt der Transistor T3 wegen der geringen Spannung über den
Widerstand R2 in einem ausgeschalteten, nicht leitenden Zustand,
wodurch auch der Transistor T2 in einem nicht leitenden Zustand
gehalten wird.
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Im
Fall einer elektrostatischen Entladung, wenn also die Spannung zwischen
Emitter E und Kollektor C des Ableitelements T1 stark zu steigen
beginnt, wird die Zenerspannung der Zenerdiode D1 überschritten
und es beginnt ein Strom durch sie zu fließen. Dieser verursacht einen
Spannungsabfall am Widerstand R2, welcher als Triggersignal das
Gate des Transistors T3 auf steuert. Je höher die durch die elektrostatische
Entladung erzeugte Spannung wird, desto höher wird der Strom durch die
Zenerdiode D1. Proportional dazu steigt auch der Spannungsabfall am
Widerstand R3, wodurch die Leitfähigkeit
des Transistors T3 weiter erhöht
wird.
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Durch
den Stromfluss über
den Transistor T3 und den Widerstand R3 wird das Gate des p-Kanal-Feldeffekttransistors
T2. entladen und der Transistor T2 dadurch niederohmig gesteuert.
Durch das niederohmige Verbinden des Steuereingangs B mit dem zweiten
Anschluss K2 wird somit als verstärktes Triggersignal der Basisstrom
des Ableitelements T1 über
den Transistor T2 erzeugt. Dadurch wird das Ableitelement T1 leitend
gesteuert und die elektrostatische Entladung kann über das
Ableitelement T1 mit verbesserter Zuverlässigkeit abgeleitet werden.
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Üblicherweise
erhöht
sich bei steigender Spannung durch die elektrostatische Entladung
die Leitfähigkeit
der Transistoren T1, T2, T3, wodurch die elektrostatische Entladung
besser abgeleitet wird.
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Die
Zenerdiode D1 könnte
in den gezeigten Ausführungsbeispielen
anstelle an den Steuereingang B auch direkt an den ersten Anschluss
K1 angeschlossen werden.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen,
mit der auch elektronische Schaltungen geschützt werden können, bei
denen an den zu schützenden
Anschlüssen
positive und negative Signalspannungen beziehungsweise Betriebsspannungen
auftreten können.
Dazu sind neben dem ersten Triggerelement TR1 mit nachgeschalteter
Verstärkereinheit
V1 ein zweites Triggerelement TR2 und eine zweite Verstärkereinheit
V2 vorgesehen. Das zweite Triggerelement TR2 umfasst einen Widerstand
R4 und eine Zenerdiode D2, die im Vergleich zur Diode D1 mit umgekehrter
Polarität
vorgesehen ist. Das erste und das zweite Triggerelement TR1, TR2
sind in Reihe zwischen den ersten und den zweiten Anschluss K1,
K2 geschaltet.
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Der
PNP-Transistor T1 ist in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise
symmetrisch aufgebaut, er weist also im Wesentlichen gleich große und gleich dotierte
P-Gebiete auf.
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Unabhängig von
einer Polarität
einer Spannung zwischen den Anschlüssen K1, K2 ist eine der Zenerdiode
D1, D2 in Durchlassrichtung geschaltet. Da aber im Normalbetrieb,
also ohne elektrostatische Entladung, die jeweils andere Zenerdiode
in einem gesperrten Zustand ist, kommt es in diesem Fall dennoch
zu keinem Stromfluss über
die Triggerelemente TR1, TR2. Erst beim Auftreten einer elektrostatischen
Entladung kommt es bei einer der Zenerdioden D1, D2 zu einem Zenerdurchbruch
und damit zu einem Stromfluss über
die Zenerdioden D1, D2.
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Wenn
sich eine hohe positive Spannung, die größer als ein positiver Schwellwert
ist, aufgrund einer elektrostatischen Entladung mit positivem Impuls zwischen
dem ersten und zweiten Anschluss K1, K2 ergibt, kommt es bei der
Zenerdiode D1 zum Zenerdurchbruch, wodurch das erste Triggersignal über den
Triggerausgang TA1 an die erste Verstärkereinheit V1 abgegeben und
von dieser verstärkt
wird. Das verstärkte
erste Triggersignal steuert das Ableitelement T1 in einen leitenden
Zustand, so dass die elektrostatische Entladung über das Ableitelement T1 abgeleitet
wird.
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Wenn
eine hohe negative Spannung, die kleiner als ein negativer Schwellwert
ist, aufgrund eines negativen Impulses einer elektrostatischen Entladung
zwischen dem ersten und zweiten Anschluss auftritt, erfolgt ein
Zenerdurchbruch bei der Zenerdiode D2. Dadurch wird das zweite Triggersignal
erzeugt und über
den zweiten Triggerausgang TA2 an die zweite Verstärkereinheit
V2 abgegeben. Das verstärkte
zweite Trigger signal dient wiederum zum Auf steuern des Ableitelements
T1 in einen leitenden Zustand.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Das
erste Triggerelement TR1 und die erste Verstärkereinheit V1 entsprechen
dabei der in 2 gezeigten Anordnung. Die zweite
Verstärkereinheit
V2 umfasst einen selbstsperrenden p-Kanal-Feldeffekttransistor T4,
dessen Gate-Anschluss mit dem zweiten Triggerausgang TA2 gekoppelt
ist. Ausgangsseitig ist die zweite Verstärkereinheit V2 mit dem Steuereingang
B gekoppelt.
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Bei
einem positiven Impuls einer elektrostatischen Entladung und einer
sich daraus ergebenden positiven Spannung zwischen den Anschlüssen K1, K2
kann es zu einem Zenerdurchbruch der Zenerdiode D1 kommen. Die Wirkungsweise
der Schaltungsanordnung für
diesen Fall entspricht der Wirkungsweise der in 2 gezeigten
Schaltungsanordnung.
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Für eine negative
Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss K1, K2 aufgrund
elektrostatischer Entladung wird die Zenerspannung der Zenerdiode
D2 überschritten
und es beginnt ein Strom durch sie zu fließen. Dieser Strom verursacht einen
Spannungsabfall am Widerstand R4, durch den das Gate des p-Kanal-Feldeffekttransistors
T4 aufgesteuert wird. Da der p-Kanal-Feldeffekttransistor T4 mit
dem Steuereingang B des Ableitelements T1 verbunden ist, wird auch
dieses aufgesteuert, so dass die Anschlüsse K1, K2 niederohmig über das Ableitelement
T1 verbunden werden. Die elektrostatische Entladung kann somit wiederum über das
Ableitelement sicher abgeleitet werden.
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5 zeigt
ein beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm gemäß einer Schaltungsanordnung
nach 3 oder 4. Dargestellt ist der Strom über das
Ableitelement T1 in Abhängigkeit
der Spannung zwischen den Anschlüssen
K1, K2. Für positive
Spannungen ist ein nennenswerter Stromfluss erst ab einem positiven
Schwellwert VBP erkennbar. Ebenso fließt ein nennenswerter Strom
für negative
Spannungen erst ab einem negativen Schwellwert VBN. Dadurch ist
es möglich,
dass eine zu schützende
Schaltung an den Anschlüssen
K1, K2 mit Signalspannungen oder Betriebsspannungen betrieben wird,
die positive oder negative Polarität aufweisen und dabei zwischen
dem negativen Schwellwert VBN und dem positiven Schwellwert VBP
liegen. Ein Auslösen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
das heißt,
ein niederohmiges Verbinden des ersten und zweiten Anschlusses K1,
K2 erfolgt somit nur, wenn höhere
beziehungsweise niedrigere Spannungen als die jeweiligen Schwellwerte
an den Anschlüssen
K1, K2 anliegen, beispielsweise aufgrund einer elektrostatischen
Entladung.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Zusätzlich
zu der in 4 gezeigten Anordnung sind ein
Widerstand R5 und ein NPN-Bipolar-Transistor T5
vorgesehen. Der Widerstand R5 ist zwischen den ersten Anschluss
K1 und den Transistor T4 geschaltet. Der Transistor T5 ist mit dem
ersten Anschluss K1 und mit dem Steuereingang B gekoppelt. Der Steueranschluss
des Transistors T5 ist an den Verbindungsknoten des Widerstands
R5 und des Transistors T4 angeschlossen.
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Wenn
die Zenerdiode D2 für
eine hohe negative Spannung zwischen den Anschlüssen K1, K2 in den leitenden
Zustand übergeht
und das zweite Triggersignal den Transistor T4 leitend auf steuert,
so wird über
den Stromfluss über
den Transistor T4 auch ein Spannungsabfall über den Widerstand R5 erzeugt.
Der Transistor T5 wird durch den immer größer werdenden Spannungsabfall über den
Widerstand R5 aufgesteuert und hilft mit, das Ableitelement T1 auf
zusteuern. Der verwendete NPN-Transistor T5
kann so dimensioniert werden, dass er bei einem bestimmten Spannungswert
beziehungsweise einem daraus resultierenden Stromwert einen Spannungsrückschlag,
englisch: snapback hat und dadurch selbst große Strommengen ableiten kann.
Der Transistor T5 unterstützt
somit den Transistor T4 bei der Ansteuerung des Ableitelements T1.
Bei einem Spannungsrückschlag
wird der Transistor T5 sehr niederohmig und steuert das Ableitelement
T1 derart auf, dass dieses einen ESD-Impuls noch besser ableiten
kann. Da der Spannungsrückschlag
nicht unmittelbar bei Erreichen der Triggerspannung erfolgt, kann
man auch von einem verzögert
auftretenden Spannungsrückschlag
sprechen.
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7 zeigt
ein weiteres beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm bei Anwendung der in 6 gezeigten
Schaltungsanordnung. Für
positive Spannungen entspricht das Diagramm dem in 5 gezeigten
Diagramm. Für
negative Spannungen ist ein Stromfluss für Spannungen unterhalb eines
ersten negativen Schwellwerts VBN1 erkennbar. Bei betragsmäßig größeren negativen
Spannungen kommt es ab einem zweiten negativen Schwellwert VBN2
zu einem Spannungsrückschlag,
ab dem ein Teil des Stromflusses zwischen dem ersten und zweiten
Anschluss K1, K2 über
den Transistor T5 erfolgt. Die gestrichelte Linie deutet an, dass
der zweite negative Schwellwert VBN2 durch eine entsprechende Dimensionierung
des Transistors T5 beziehungsweise des Widerstandes R5 verändert werden
kann. Ebenso können
der Transistor T5 und/oder der Widerstand R5 so dimensioniert werden,
dass es zu keinem Spannungsrückschlag über den
Transistor T5 kommt und dieser nur unterstützend für den Transistor T4 bei der
Ansteuerung des Ableitelements T1 wirkt.
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Beim
Einsatz einer Schaltungsanordnung in einer Ausführungsform mit einem verzögert auftretenden
Spannungsrückschlag
sollte darauf geachtet werden, dass in der Regel keine Signalspannungen an
den Anschlüssen
K1, K2 auftreten, die betragsmäßig größer sind
als die negative Haltespannung VH, auf die der Spannungsrückschlag
erfolgt. Ansonsten kann es wegen dauerhaft auftretenden hohen Strömen zu einer
Zerstörung
des Ableitelements T1 oder des Transistors T5 kommen.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Das zweite Triggerelement TR2 und die zweite Verstärkereinheit
V2 entsprechen in Aufbau und Funktion der in 4 gezeigten
Ausführungsform.
Die erste Verstärkereinheit
zum Verstärken
des ersten Triggersignals umfasst nur den p-Kanal-Feldeffekttransistor
T2. Das Potenzial am Gate-Anschluss des Transistors T2 wird bei
einem Zenerdurchbruch der Zenerdiode D1 in Richtung des Potenzials
am zweiten Anschluss K2 gezogen. Es verbleibt jedoch eine Spannung,
die der Zenerspannung der Zenerdiode D1 entspricht. Somit kann der
Transistor T2 etwas weniger weit aufgesteuert werden als beispielsweise
in 4 gezeigt. Je nach Anforderung an die Schaltungsanordnung
zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen kann dies dennoch ausreichend
sein. Besondere Vorteile ergeben sich aufgrund eines etwas geringeren
Schaltungsaufwands.
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9 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
bei der für
das Triggern für
negative Spannungen aufgrund einer elektrostatischen Entladung mit
negativem Impuls ein N-Kanal-Feldeffekttransistor T6 vor gesehen ist,
dessen gesteuerte Strecke zwischen dem ersten Anschluss K1 und dem
Steuereingang B angeschlossen ist und dessen Gate-Anschluss über einen
Widerstand R6 mit dem ersten Anschluss K1 gekoppelt ist.
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10 zeigt
ein beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm für eine Schaltungsanordnung
mit diesem Aufbau. Für
positive Spannungen entspricht der Stromverlauf wiederum dem in 5 gezeigten
Stromverlauf. Für
negative Spannungen sieht man, dass es beim Unterschreiten eines
negativen Schwellwerts für
die Spannung zu einem Durchbruch mit gleichzeitigem Spannungsrückschlag
auf eine Haltespannung VH kommt, der Transistor T6 also bis zur
Haltespannung VH leitend bleibt. Wiederum sollte beim Einsatz einer
derartigen Schaltung darauf geachtet werden, dass in der Regel keine
Signalspannungen an den Anschlüssen
K1, K2 anliegen, die negativer als die Haltespannung VH sind, um
eine Zerstörung
des Transistors T6 und/oder des Ableitelements T1 zu verhindern.
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Für die N-Kanal-Feldeffekttransistoren
können
beispielsweise N-Metal Oxide Semiconductor, NMOS-Transistoren eingesetzt
werden. Ebenso können
für die
p-Kanal-Feldeffekttransistoren PMOS-Transistoren verwendet werden.
Ferner können
anstelle von PMOS-Transistoren auch PNP-Bipolar-Transistoren und
umgekehrt eingesetzt werden. Gleichermaßen können auch NMOS-Transistoren und
NPN-Bipolar-Transistoren gegeneinander ausgetauscht werden.
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Anstelle
von Zenerdioden können
in den Triggerelementen beispielsweise Feldeffekttransistoren eingesetzt
werden, die eine entsprechende Feldschwellspannung aufweisen, über die
ein positiver oder negativer Schwellwert einstellbar ist.
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Eine
in den Ausführungsbeispielen
gezeigt Verschaltung eines Triggerelements mit nachgeschalteter
Verstärkereinheit
kann auch als kaskadierter Trigger betrachtet werden.
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- TR1,
TR2:
- Triggerelement
- TA1,
TA2:
- Triggerausgang
- K1,
K2:
- Anschluss
- V1,
V2:
- Verstärkereinheit
- B:
- Steuereingang
- E:
- Emitter
- C:
- Kollektor
- T1:
- Ableitelement
- T2,
T3, T4, T5, T6:
- Transistor
- R1,
R2, R3, R5, R6:
- Widerstand
- D1,
D2:
- Zenerdiode
- VBP,
VBN, VBN1, VBN2:
- Schwellwert
- VH:
- Haltespannung
- VNV,
VHV:
- Versorgungsspannung