DE102009041937A1

DE102009041937A1 - Amplifier for electrostatic discharge protection circuit, has current limiting device reducing output current at output to current value based on determined condition of input signal relative to determined condition of output

Info

Publication number: DE102009041937A1
Application number: DE102009041937A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Theus; Thomas Kauter; Jürgen Kessel
Original assignee: Trident Microsystems Far East Ltd Cayman Islands
Current assignee: Entropic Communications LLC
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-05-26

Abstract

The amplifier (V) has inputs (inm, inp) for feeding an input signal with input voltages (Uin, Uref), and an output (o) for outputting an output current (Io) with output voltage (Uo). A current limiting device (B) reduces the output current at the output to a current value based on a determined condition of the input signal relative to a determined condition of the output, where the current value is greater than zero. A flag is provided as a control variable for a preceding input control device (C). Independent claims are also included for the following: (1) a circuit arrangement comprising an amplifier (2) a method for operating a circuit arrangement.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstärker für eine Thyristor-Schutzschaltung, auf eine Schaltungsanordnung mit einem solchen Verstärker mit einer Thyristor-Schutzschaltung und auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung.The invention relates to an amplifier for a thyristor protection circuit, to a circuit arrangement with such an amplifier with a thyristor protection circuit and to a method for operating such a circuit arrangement.

Verstärker werden oft in integrierten Schaltungen, nachfolgend als IC bezeichnet, so eingesetzt, dass ihre Ausgänge mit Leitungen verbunden sind, die sich außerhalb der integrierten Schaltungen oder sogar außerhalb des die Schaltungen enthaltenden Gerätes befinden. Solche externen Leitungen können elektrostatischen Entladungen, nachfolgend als ESD bezeichnet, ausgesetzt sein, wobei der IC durch dabei entstehende Entladeströme bzw. ESD-Impulse dauerhaft schwer geschädigt werden kann. Um diese Gefahren zu verringern, werden die Anschlüsse des ICs mit ESD-Schutzschaltungen versehen, welche die Entladeströme aufnehmen, ohne selbst Schaden zu nehmen. Die Entladeströme werden so von den empfindlichen Schaltungsteilen ferngehalten.Amplifiers are often used in integrated circuits, hereafter referred to as IC, with their outputs connected to lines external to the integrated circuits or even outside of the device containing the circuits. Such external lines may be electrostatic discharges, hereinafter referred to as ESD, exposed, the IC can be permanently damaged by resulting discharge currents or ESD pulses permanently. To mitigate these dangers, the terminals of the IC are provided with ESD protection circuits which pick up the discharge currents without harming themselves. The discharge currents are thus kept away from the sensitive circuit parts.

Eine vorteilhafte Ausführung der ESD-Schutzschaltungen beruht auf einem Thyristoreffekt. Der Thyristoreffekt bzw. ein eingesetzter Thyristor wird durch den ESD-Impuls gezündet und muss, nachdem der ESD-Impuls abgeklungen ist, wieder gelöscht werden. Ansonsten belastet der Thyristor mit seinem Haltestrom daran angeschlossene IC-interne oder externe Quellen und stört ähnlich einem Kurzschluss den weiteren Betrieb. Beispiele für interne Quellen sind Verstärker- und Treiberausgänge. Sofern diese internen Quellen so schwach sind, dass sie den Haltestrom nicht liefern können, erlischt der Thyristor von selbst, und die Schaltung kehrt ohne weiteres Zutun in den Normalbetrieb zurück. Starke interne Quellen liefern genug Strom, um den Thyristor im eingeschalteten Zustand zu halten, und ohne weitere Maßnahmen bleibt der Kurzschluss bestehen.An advantageous embodiment of the ESD protection circuits is based on a thyristor effect. The thyristor effect or an inserted thyristor is ignited by the ESD pulse and must be deleted after the ESD pulse has decayed. Otherwise, the thyristor with its holding current loads connected IC-internal or external sources and disturbs similar to a short circuit the further operation. Examples of internal sources are amplifier and driver outputs. If these internal sources are so weak that they can not supply the holding current, the thyristor goes out by itself and the circuit returns to normal operation without any further action. Strong internal sources provide enough current to keep the thyristor in the on state, and without further action, the short circuit will persist.

Allgemein bekannt sind Verstärker ohne Reduktion der Stromtreibefähigkeit. Ein Verstärker, der so ausgelegt ist, dass er den Haltestrom des Thyristors liefern kann, muss nach dem Zünden des Thyristors abgeschaltet werden, damit dieser erlischt. Dies erfolgt in der Regel durch einen Anwender, der erkennt, dass eine Störung, z. B. bei der Tonwidergabe eines Fernsehers, vorliegt. Denkbar ist auch eine IC- oder geräteinterne Strom- oder Spannungsüberwachung, deren Aktivierung aber eine längere Unterbrechung des Normalbetriebs auch nichtbetroffener Schaltungsteile nach sich zieht. Bleibt die Störung gänzlich unerkannt, so kann der dauerhaft fließende Thyristorstrom Schäden am IC oder am Gerät anrichten.Amplifiers are known without reduction of Stromtreibefähigkeit. An amplifier designed to be able to supply the holding current of the thyristor must be switched off after the thyristor has been triggered in order to extinguish it. This is usually done by a user who recognizes that a fault, eg. As in the sound reproduction of a television, is present. Also conceivable is an IC or device-internal current or voltage monitoring, the activation of which, however, entails a longer interruption of the normal operation of non-affected circuit components. If the fault remains completely unidentified, the permanently flowing thyristor current can cause damage to the IC or the device.

„ P. Allen, D. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, z. B. S. 381, 388, 396, 399, 451 ” erläutert anhand einer einfachen Schaltung das Grundprinzip einer Operationsverstärkerschaltung. Die Schaltung verfügt weder über eine Erkennung von Kurzschlüssen oder anderen Überlasten noch über eine definierte Strombegrenzung." Allen, D. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, e.g. BS 381, 388, 396, 399, 451 "Explains the basic principle of an operational amplifier circuit by means of a simple circuit. The circuit has neither a detection of short circuits or other overloads nor a defined current limit.

” Dennis M. Monticelli, A Quad CMOS Single-Supply Op Amp with Rail-to-Rail Output Swing, erschienen in: IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. sc-21, No. 6, Dez. 1986, S. 1026–1034 ” beschreibt das Grundprinzip eines Operationsverstärkers mit einer so genannten Class-AB-Leistungsendstufe. Auch diese Schaltung enthält weder eine Überlasterkennung noch eine definierte Strombegrenzung." Dennis M. Monticelli, A Quad CMOS Single-Supply Op-Amp with Rail-to-Rail Output Swing, published in: IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. Sc-21, no. 6, Dec. 1986, pp. 1026-1034 "Describes the basic principle of an operational amplifier with a so-called class AB power output stage. This circuit also contains neither an overload detection nor a defined current limit.

Als weitere Technik sind Verstärker mit Strombegrenzung bekannt. Verstärker mit Strombegrenzung hemmen die Ansteuerung der Ausgangsstufe, wenn der Ausgangsstrom einen festgelegten Schwellwert erreicht. Ist dieser Schwellwert kleiner als der Haltestrom des Thyristors, wird dieser nach dem Zünden bald wieder gelöscht, ohne dass weiteres Eingreifen erforderlich wäre.As another technique, current limiting amplifiers are known. Current limiting amplifiers inhibit the control of the output stage when the output current reaches a specified threshold. If this threshold value is smaller than the holding current of the thyristor, it will soon be extinguished again after ignition, without any further intervention being necessary.

Verstärker, die große Lasten unter hoher Aussteuerung bedienen sollen, z. B. Leistungsverstärker für Lautsprecher, müssen jedoch Ströme liefern, die den Thyristorhaltestrom bei weitem übersteigen. Die einfache Art der Strombegrenzung, also ein von der Ausgangsspannung unabhängiger Stromgrenzwert, würde aber auch die hohen erwünschten Aussteuerungen verhindern und kann deshalb in solchen Verstärkern nicht angewendet werden.Amplifiers that are intended to operate large loads under high modulation, z. Power amplifiers for loudspeakers, however, must deliver currents that far exceed the thyristor holding current. However, the simple way of limiting the current, ie a current limit which is independent of the output voltage, would also prevent the high desired levels and can therefore not be used in such amplifiers.

„ V. Ivanov, D. Baum, A 3A 20 MHz BiCMOS/DMOS Power Operational Amplifier: A Structural Design Approach, erschienen in: IEEE Solid-State Circuits Conference 2003, Digest of Technical Papers, ISSCC 2003, S. 138–483 Bd. 1 ” beschreibt eine Strombegrenzung, bei der zwar die Ausgangsspannung herangezogen wird, um den so genannten Early-Effekt zu kompensieren. Diese verändert aber nicht den Stromgrenzwert der Strombegrenzung. Die beschriebenen Nachteile eines Verstärkers mit einfacher Strombegrenzung werden durch diese Schaltung also nicht behoben." V. Ivanov, D. Baum, A 3A 20 MHz BiCMOS / DMOS Power Operational Amplifier: A Structural Design Approach, Published in: IEEE Solid-State Circuits Conference 2003, Digest of Technical Papers, ISSCC 2003, pp. 138-483 Bd. 1 "Describes a current limit, in which the output voltage is used to compensate for the so-called early effect. However, this does not change the current limit of the current limit. The disadvantages of an amplifier with simple current limitation described are thus not resolved by this circuit.

Als Maßnahme zur Reduktion der im Verstärker auftretenden Verlustleistung im Kurzschlussfall ist eine als „fold back” benannte Methode bekannt, in der entsprechend der betriebsgemäßen Kennlinie der vorgesehenen Last der Einsatzpunkt der Strombegrenzung von der Ausgangsspannung abhängig gemacht wird. Im einfachsten Fall einer ohmschen Last wird also der zulässige Strom mit steigender Ausgangsspannung stetig bis auf den Nennwert erhöht, während er bei Kurzschluss auf z. B. 20% des Nennwerts begrenzt ist. Die Wirksamkeit dieser Maßnahme ist bei reaktiven Lasten und 4-Quadranten-Betrieb eher gering.As a measure for reducing the power loss occurring in the amplifier in the event of a short circuit, a method known as "fold back" is known in which the starting point of the current limitation is made dependent on the output voltage in accordance with the operating characteristic of the intended load. In the simplest case of an ohmic load so the permissible current is steadily increased with increasing output voltage up to the nominal value, while in short circuit to z. B. 20% of the nominal value is limited. The effectiveness of this Measure is rather low for reactive loads and 4-quadrant operation.

Aus US 2001/0019138 A1 ist als weitere bekannte Technik ein Aufbau zum Schutz gegen elektrostatische Entladung mit einem nicht-selbstlöschenden ESD-Thyristor bekannt. Bei diesem ESD-Schutz-Thyristor wird jedoch nicht berücksichtigt, dass er an Verstärkern mit hoher Stromtreibefähigkeit nicht mehr gelöscht wird. Der ESD-Schutz-Thyristor eignet sich somit nur für solche Verstärker, deren Stromtreiberfähigkeit unter dem Thyristorhaltestrom liegt.Out US 2001/0019138 A1 As a further known technique, a structure for protection against electrostatic discharge with a non-self-extinguishing ESD thyristor is known. However, this ESD protection thyristor does not take into account that it is not extinguished on amplifiers with high current drive capability. The ESD protection thyristor is thus suitable only for those amplifiers whose current drive capability is below the thyristor holding current.

8 zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende, weitverbreitete zweistufige Operationsverstärker-Schaltung, die z. B. in P. Allen, D. Holberg, CMOS Analog Circuit Design ausführlich beschrieben ist. 8th shows a prior art, widespread two-stage operational amplifier circuit, the z. B. Allen, D. Holberg, CMOS Analog Circuit Design is described in detail.

Im Wesentlichen besteht der Verstärker aus einer Eingangsstufe ES und einer Ausgangsstufe AS. Eine Versorgungsspannung VDD ist an die Source-Anschlüsse eines ersten Transistors MLM und eines zweiten Transistors MLP der Eingangsstufe ES und an einen Source-Anschluss eines Ausgangs-Transistors MP der Ausgangsstufe AS angelegt. Eine negative Versorgungsspannung VSS, welche auch als Masse- oder Basisanschluss geschaltet sein kann, ist an einen Source-Anschluss eines dritten Transistors MI angelegt, welcher als Stromquelle in der Eingangsstufe ES geschaltet ist. Außerdem ist die negative Versorgungsspannung VSS an eine Source eines Transistors geschaltet, welcher als Konstantstromquelle MN in der Ausgangsstufe AS geschaltet ist. An die Gate-Anschlüsse des dritten Transistors MI und der Konstantstromquelle MN ist eine erste Vorspannung bsn angelegt. Ein invertierender Eingang inm ist an einen Gate-Anschluss eines ersten Eingangs-Transistors MEM angelegt.In essence, the amplifier consists of an input stage ES and an output stage AS. A supply voltage VDD is applied to the source terminals of a first transistor MLM and a second transistor MLP of the input stage ES and to a source terminal of an output transistor MP of the output stage AS. A negative supply voltage VSS, which may also be connected as a ground or base terminal, is applied to a source terminal of a third transistor MI, which is connected as a current source in the input stage ES. In addition, the negative supply voltage VSS is connected to a source of a transistor which is connected as a constant current source MN in the output stage AS. To the gate terminals of the third transistor MI and the constant current source MN, a first bias voltage bsn is applied. An inverting input inm is applied to a gate terminal of a first input transistor MEM.

Der erste Eingangs-Transistor MEM ist zusammen mit einem zweiten Eingangs-Transistor MEP zu einem so genannten Common-Source-Paar geschaltet. Dazu sind der erste und der zweite Eingangs-Transistor MEM bzw. MEP mit ihren Source-Anschlüssen an einem Knoten zusammengeschaltet, welcher als Source-Knoten cs mit einem Drain-Anschluss des dritten Transistors MI verbunden ist. An einem Gate-Anschluss des zweiten Eingangs-Transistors MEP ist außerdem ein nicht-invertierender Eingang inp angelegt. Der Drain-Anschluss des ersten Eingangs-Transistors MEM ist an einen Stromspiegeleingangs-Knoten cm geschaltet. Dieser Drain-Knoten cm ist mit Gate-Anschlüssen des ersten und des zweiten Transistors MLM, MLP und mit einem Drain-Anschluss des ersten Transistors MLM verbunden. Der erste und der zweite Transistor MLM, MLP sind als Stromspiegel-Lastelement der Eingangsstufe ES geschaltet.The first input transistor MEM is connected together with a second input transistor MEP to a so-called common-source pair. For this purpose, the first and the second input transistor MEM or MEP are connected together with their source terminals at a node which is connected as a source node cs to a drain terminal of the third transistor MI. In addition, a non-inverting input inp is applied to a gate terminal of the second input transistor MEP. The drain terminal of the first input transistor MEM is connected to a current mirror input node CM. This drain node cm is connected to gate terminals of the first and second transistors MLM, MLP and to a drain terminal of the first transistor MLM. The first and second transistors MLM, MLP are connected as a current mirror load element of the input stage ES.

Drain-Anschlüsse des zweiten Transistors MLP und des zweiten Eingangs-Transistors MEP sind über einen gemeinsamen Knoten verbunden und stellen ein Ausgangssignal gop der Eingangsstufe ES bereit. Das Ausgangssignal gop wird von dem Knoten ausgehend an einem Gate-Anschluss des Ausgangs-Transistors MP der Ausgangsstufe AS angelegt. Außerdem ist das Ausgangssignal gop über einen Kondensator Cc zur Frequenzgangkompensation mit einem Ausgang o der Ausgangsstufe AS verbunden. Der Ausgang o ist außerdem an Drain-Anschlüsse des Ausgangs-Transistors MP und der Konstantstromquelle MN geschaltet.Drain terminals of the second transistor MLP and the second input transistor MEP are connected via a common node and provide an output signal gop of the input stage ES ready. The output signal gop is applied from the node to a gate terminal of the output transistor MP of the output stage AS. In addition, the output signal gop is connected via a capacitor Cc for frequency response compensation with an output o of the output stage AS. The output o is also connected to drains of the output transistor MP and the constant current source MN.

Die Eingangsstufe besteht aus den zu einem Common-Source-Paar geschalteten ersten und zweiten Eingangs-Transistoren MEM und MEP, an deren Gates das differentielle Eingangssignal der Eingänge inm und inp anliegt, und den als Stromspiegel-Lastelement fungierenden ersten und zweiten Transistoren MLM und MLP sowie dem als Stromquelle wirkenden dritten Transistor MI. Das Ausgangssignal gop der Eingangsstufe steuert das Gate des Ausgangs-Transistors MP an, welcher mit der Konstantstromquelle MN die Ausgangsstufe bildet. Der Ausgang o wird direkt oder über Spannungsteiler mit dem invertierenden Eingang inm zwecks Rückkopplung verbunden. Der Kondensator Cc dient zur Frequenzgangkompensation.The input stage consists of the first and second input transistors MEM and MEP connected to a common source pair, to whose gates the differential input signal of the inputs inm and inp is applied, and the first and second transistors MLM and MLP acting as current mirror load element and acting as a current source third transistor MI. The output signal gop of the input stage drives the gate of the output transistor MP, which forms the output stage with the constant current source MN. The output o is connected directly or via voltage dividers to the inverting input inm for feedback. The capacitor Cc is used for frequency response compensation.

Wird der Ausgang o durch einen Kurzschluss auf ein niedriges Potential gezogen, so wird aufgrund der Rückkopplung die Eingangsstufe sehr stark aus dem Gleichgewicht gebracht, so dass der zweite Eingangs-Transistor MEP den gesamten Strom aus dem dritten Transistor MI übernimmt und den Knoten gop ebenfalls herunterzieht. Dadurch soll der Ausgangs-Transistor MP möglichst weit aufgesteuert werden, um den Ausgang o gegen den Kurzschluss wieder auf ein Potential nahe dem an den Wert des nicht-invertierenden Eingangs inp heraufzuziehen. Dies gelingt in der Regel jedoch nicht und ist meist auch nicht erforderlich, sondern sogar schädlich. In den meisten Fällen ist der Kurzschluss ein Fehlerfall, den der Anwender entweder ausschließen, oder falls er doch eintritt, zumindest kurzfristig wieder beheben muss. Erwünschte Kurzschlüsse gibt es z. B. während elektrostatischer Entladungen.If the output o is pulled by a short to a low potential, the input stage is brought very much out of balance due to the feedback, so that the second input transistor MEP takes over the entire current from the third transistor MI and the node gop also pulls down , As a result, the output transistor MP should be turned on as far as possible in order to pull the output o against the short circuit back to a potential close to that at the value of the non-inverting input inp. However, this does not usually succeed and is usually not necessary, but even harmful. In most cases, the short circuit is an error case that the user either excludes or, if it does occur, must at least resolve it again at short notice. Desirable short circuits, there are z. B. during electrostatic discharges.

Üblicherweise ist der Verstärkerausgang mit einem parallel hinzugeschalteten ESD-Schutzelement versehen, welches bei Überspannungen sehr niederohmig wird, dadurch die Entladungsströme aufnimmt und somit am Verstärker vorbeileitet. Nachdem die Überspannung und die Entladungsströme abgeklungen sind, wird das ESD-Schutzelement wieder hochohmig, damit es den weiteren Betrieb nicht stört.Usually, the amplifier output is provided with a parallel addition ESD protection element, which is very low at overvoltages, thereby receiving the discharge currents and thus bypasses the amplifier. After the overvoltage and the discharge currents have subsided, the ESD protection element again becomes high-impedance, so that it does not disturb the further operation.

Die Art der verwendeten ESD-Schutzelemente hängt u. a. von der eingesetzten Prozesstechnologie und der angelegten Betriebsspannung ab. Es gibt Konstellationen, die als hinreichenden Schutz gegen elektrostatische Entladungen solche Schutzelemente verlangen, die auf einem Thyristor beruhen, wie dies z. B. in US 2001/0019138 A1 beschrieben ist. Ist dies der Fall, so muss ein Kurzschluss am Verstärkerausgang im Betrieb einkalkuliert werden, der sich nur beenden lässt, indem der Thyristor gelöscht wird. Andernfalls bleibt der Zustand solange bestehen, bis die Spannungsversorgung des Verstärkers abgeschaltet wird oder eine thermische Zerstörung eingetreten ist. Weil das Abschalten der Versorgung in vielen Systemen großen Aufwand nach sich zieht, zumindest aber eine signifikante Unterbrechung des Betriebes bedeutet und weil die thermische Zerstörung in der Regel noch unerwünschter ist, muss der Thyristor anderweitig gelöscht werden. The type of ESD protection used depends, among other things, on the process technology used and the applied operating voltage. There are constellations that require sufficient protection against electrostatic discharges such protective elements that are based on a thyristor, as z. In US 2001/0019138 A1 is described. If this is the case, then a short circuit at the amplifier output must be taken into account during operation, which can only be terminated by extinguishing the thyristor. Otherwise, the state remains until the power supply of the amplifier is switched off or thermal destruction has occurred. Because switching off the supply in many systems involves a great deal of effort, but at least a significant interruption of the operation means and because the thermal destruction is usually undesirable, the thyristor must be deleted elsewhere.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verstärker für eine Thyristor-Schutzschaltung bzw. einen solchen Verstärker mit einer Thyristor-Schutzschaltung so zu verbessern, dass im Fall des Auslösen bzw. Zündens des Thyristors dessen Rücksetzen bzw. Löschen einfacher wird. Insbesondere soll das Löschen des Thyristors selbsttätig erfolgen.The object of the invention is to improve an amplifier for a thyristor protection circuit or such an amplifier with a thyristor protection circuit so that in the case of triggering or firing of the thyristor whose reset or erase is easier. In particular, the deletion of the thyristor should be done automatically.

Diese Aufgabe wird durch einen Verstärker für eine Thyristor-Schutzschaltung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, durch eine Schaltungsanordnung mit einem solchen Verstärker mit einer Thyristor-Schutzschaltung und durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by an amplifier for a thyristor protection circuit with the features according to claim 1, by a circuit arrangement with such an amplifier with a thyristor protection circuit and by a method for operating such a circuit arrangement. Advantageous embodiments are the subject of dependent claims.

Ein Verstärker, insbesondere ein Verstärker als integrierte Schaltung, mit selbsttätiger Thyristor-Löschung wird demgemäß bevorzugt ermöglicht durch einen Verstärker für eine ESD-Schutzschaltung, wobei der Verstärker zumindest einen Eingang zum Anlegen zumindest eines Eingangssignals mit einer Eingangsspannung und einen Ausgang zum Ausgaben eines Ausgangsstroms bei einer Ausgangsspannung aufweist. Im Verstärker ist eine Strombegrenzungseinrichtung vorgesehen, welche eingerichtet ist, abhängig von einem bestimmten Zustand des zumindest einen Eingangssignals relativ zu einem bestimmten Zustand des Ausgangs des Verstärkers den Ausgangsstrom am Ausgang zu reduzieren. Vorzugsweise ist der Betrag des reduzierten Ausgangsstroms größer als Null.An amplifier, in particular an integrated circuit amplifier, with automatic thyristor erasure is accordingly preferably made possible by an amplifier for an ESD protection circuit, the amplifier having at least one input for applying at least one input signal with an input voltage and one output for outputting an output current having an output voltage. A current-limiting device is provided in the amplifier, which device is set up to reduce the output current at the output, depending on a specific state of the at least one input signal relative to a specific state of the output of the amplifier. Preferably, the amount of the reduced output current is greater than zero.

Bevorzugt gibt der Verstärker ein Flag als Steuergröße für eine vorschaltbare oder vorgeschaltete Eingangssteuereinrichtung aus, welche zum Reduzieren eines Eingangsstroms und/oder der Eingangspannung an dem zumindest einen Eingang bei aktivem Flagzustand des Flags ausgebildet ist.The amplifier preferably outputs a flag as a control variable for a switchable or upstream input control device, which is designed to reduce an input current and / or the input voltage at the at least one input when the flag state of the flag is active.

Bevorzugt wird insbesondere ein solcher Verstärker mit der Eingangssteuereinrichtung, welche ausgestaltet ist, an dem zumindest einen Eingang bei aktivem Flagzustand des Flags anstelle eines an der Eingangssteuereinrichtung angelegten Eingangssignals eine besondere Bezugsspannung anzulegen, welche bezüglich der Eingangsspannung reduziert ist, vorzugsweise auf Null.In particular, such an amplifier with the input control device, which is designed to apply to the at least one input with the flag state of the flag instead of an input signal applied to the input control device, a particular reference voltage, which is reduced with respect to the input voltage, preferably to zero.

Die im Folgenden beschriebenen Zustände von Spannungen und Strömen beziehen sich auf die übliche Ausführung mit einer positiven Betriebsspannung und einem negativen Bezugspotential. Aus dem Verstärker herausfließende Ströme werden mit positivem Vorzeichen gezählt. Die Eingangsdifferenzspannung des Verstärkers wird positiv gezählt, wenn das Potential des nicht-invertierenden Eingangs höher ist als das des invertierenden Eingangs.The states of voltages and currents described below refer to the usual design with a positive operating voltage and a negative reference potential. Currents flowing out of the amplifier are counted with a positive sign. The input differential voltage of the amplifier is counted positive when the potential of the non-inverting input is higher than that of the inverting input.

Als bevorzugtes Kriterium für das Einleiten des Reduzierens des Ausgangsstroms des Verstärkers ist erstens die Ausgangsspannung bei positivem Ausgangsstrom kleiner einem Schwellwert für die Ausgangsspannung. Zweitens liegt eine positive Eingangsdifferenzspannung zwischen zwei der Eingänge des Verstärkers an. Der Schwellwert für die Ausgangsspannung ist bevorzugt höher als die Haltespannung des Thyristors.First, as a preferred criterion for initiating the reduction of the output current of the amplifier, the output voltage at positive output current is smaller than a threshold value for the output voltage. Second, there is a positive input differential voltage between two of the inputs of the amplifier. The threshold value for the output voltage is preferably higher than the holding voltage of the thyristor.

Hervorzuheben ist bei den verschiedenen Ausgestaltungen somit eine Erkennung charakteristischer Zustände. Die Schaltung erkennt gemäß diesem Aspekt, ob eine Eingangsstufe in einer definierten Richtung übersteuert ist und die Ausgangsspannung deutlich unter dem Schwellwert liegt. Treffen beide Kriterien zu, wird das Flag gesetzt.It should be emphasized in the various embodiments thus a recognition of characteristic states. The circuit recognizes according to this aspect, whether an input stage is overdriven in a defined direction and the output voltage is well below the threshold. If both criteria apply, the flag is set.

Eigenständig bevorzugt wird eine Schaltungsanordnung aus einem solchen Verstärker und einer dem Verstärker nachgeschalteten Thyristor-Schutzschaltung mit einem Thyristor als ESD-Schutzschaltung.Separately preferred is a circuit arrangement of such an amplifier and the amplifier downstream thyristor protection circuit with a thyristor as ESD protection circuit.

Die Schaltungsanordnung ist bevorzugt mit einer Eingangssteuereinrichtung vor dem zumindest einen Eingang als einem invertierenden Eingang des Verstärkers und einem weiteren Eingang als einem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers ausgestattet, wobei an den invertierenden Eingang das Eingangssignal mit der Eingangsspannung angelegt ist und an den nicht-invertierenden Eingang eine Referenzspannung angelegt ist, wobei an die Eingangssteuereinrichtung vom Verstärker das/ein Flag als Steuergröße anlegbar ist und wobei zusätzlich vom Ausgang des Verstärkers eine Ausgangsspannung an der Eingangssteuereinrichtung anliegt und wobei die Eingangssteuereinrichtung ausgestaltet ist, einen Eingangsstrom und/oder die Eingangspannung an dem zumindest einen Eingang bei aktivem Flagzustand des Flags zu reduzieren.The circuit arrangement is preferably provided with an input control device before the at least one input as an inverting input of the amplifier and a further input as a non-inverting input of the amplifier, wherein the input signal is applied to the inverting input with the input voltage and to the non-inverting one Input is applied to the input control device from the amplifier / a flag as a control variable and additionally applied by the output of the amplifier, an output voltage to the input control device and wherein the input control device is configured, an input current and / or the input voltage to the at least to reduce an input when flag flag state is active.

Die Wirkungsweise kann auf Schaltern oder Rückkoppelnetzwerken oder auch Kombinationen daraus beruhen. Wenn der nicht-invertierende Eingang in bevorzugter Ausgestaltung mit einbezogen wird, werden weitere Anwendungen wie Spannungsfolger oder Elektrometerverstärker mit abgedeckt. The mode of action may be based on switches or feedback networks or combinations thereof. If the non-inverting input is included in a preferred embodiment, further applications such as voltage followers or electrometer amplifiers are covered.

Bevorzugt wird die Schaltungsanordnung mit der/einer Eingangssteuereinrichtung vor dem zumindest einen Eingang des Verstärkers, wobei an die Eingangssteuereinrichtung vom Verstärker das/ein Flag als Steuergröße anlegbar ist und wobei die Eingangssteuereinrichtung zusätzlich vom Ausgang des Verstärkers gesteuert wird, wobei die Eingangssteuereinrichtung ausgestaltet ist, einen Eingangsstrom und/oder die Eingangspannung an dem zumindest einen Eingang bei aktivem Flagzustand des Flags zu reduzieren.Preferably, the circuit arrangement with the / an input control device in front of the at least one input of the amplifier, wherein the input control device from the amplifier, the / a flag is applied as a control variable and wherein the input control device is additionally controlled by the output of the amplifier, wherein the input control device is configured, a Input current and / or reduce the input voltage at the at least one input with the flag state of the flag.

Das Flag kann somit dazu genutzt werden, ein ggf. vorhandenes Eingangssignal abzuschalten. Dessen Aussteuerung könnte sonst einen Sollwert vorgeben, welcher der Flussspannung über dem Thyristor entspricht, so dass die Übersteuerung der Eingangsstufe zurückginge und die Begrenzung der Stromtreibefähigkeit aufgehoben werden würde. Damit würde der Thyristor erneut angefacht, so dass bei ungünstigem Signalverlauf ein Teufelskreis entstehen könnte, in dessen Zyklen sich Strombegrenzung und Wiederanfachung beliebig oft abwechselten.The flag can thus be used to switch off any existing input signal. Its modulation could otherwise specify a desired value, which corresponds to the forward voltage across the thyristor, so that the overdriving of the input stage would decrease and the limitation of the current driving capability would be canceled. Thus, the thyristor would be rekindled, so that in case of unfavorable waveform a vicious circle could arise in whose cycles current limit and Wiederanfachung alternated as often.

Eigenständig bevorzugt wird ein Verfahren insbesondere als integriertes automatisches Steuerverfahren zum Betreiben einer solchen Schaltungsanordnung, bei dem die Eingangssteuereinrichtung vor dem zumindest einen Eingang des Verstärkers, einen Eingangsstrom und/oder die Eingangspannung an dem zumindest einen Eingang bei aktivem Flagzustand des Flags reduziert.A method is preferred, in particular, as an integrated automatic control method for operating such a circuit arrangement, in which the input control device reduces at least one input of the amplifier, an input current and / or the input voltage at the at least one input when the flag is active.

Bei aktivem Flag wird die Stromtreibefähigkeit der Ausgangsstufe bevorzugt so weit begrenzt, dass der Ausgangsstrom unter einen Haltestrom des Thyristors sinkt, bis der Thyristor erlöschen ist. Vorteilhaft ist somit eine begrenzte Verringerung der Stromtreibefähigkeit. Wenn das Flag aktiv ist, also insbesondere gesetzt ist, wird die Stromtreibefähigkeit der Ausgangsstufe begrenzt, z. B. indem die Steuerspannung des Ausgangs-Transistors reduziert und festgehalten wird, so dass der Ausgangsstrom unter den Haltestrom des Thyristors sinkt, bis dieser erloschen ist.When the flag is active, the current driving capability of the output stage is preferably limited so that the output current drops below a holding current of the thyristor until the thyristor is extinguished. Thus, a limited reduction of Stromtreibefähigkeit is advantageous. If the flag is active, ie in particular set, the Stromtreibefähigkeit the output stage is limited, z. B. by the control voltage of the output transistor is reduced and held so that the output current drops below the holding current of the thyristor until it is extinguished.

Der Ausgangsstrom des Verstärkers ist bevorzugt ausreichend groß, um die Ausgangsspannung auch gegen eine angeschlossene Last auf einen/den Sollwert für die Ausgangsspannung zurückzuführen. Der begrenzte Strom einer Ausgangsstufe des Verstärkers soll ausreichend groß sein, um die Ausgangsspannung auch gegen die angeschlossene Last auf den Sollwert zurückzuführen. Aus diesem Grund wird die Ausgangsstufe in der Phase, wenn der Thyristor gezündet ist, nicht gänzlich abgeschaltet, sondern wird immer noch in der Lage gehalten, einen nennenswerten Reststrom zu liefern.The output current of the amplifier is preferably sufficiently large to return the output voltage to a set load for the output voltage, even against a connected load. The limited current of one output stage of the amplifier should be sufficiently large to return the output voltage to the setpoint, even against the connected load. For this reason, the output stage is not completely turned off in phase when the thyristor is fired, but is still able to supply a significant residual current.

Ein solcher Verstärker in einer solchen Schaltungsanordnung wird nach Erlöschen des Thyristors automatisch in seinen Normalbetrieb mit einer Beseitigung der charakteristischen Zustände zurückversetzt, wozu kein manueller Eingriff erforderlich ist. Nachdem der Thyristor erloschen ist, gelangt der Verstärker unter den angegebenen Verfahrensschritten bei den konstruktiven Aufbaumerkmalen des Verstärkers und der Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise von selbst aus dem gestörten Zustand heraus wieder ins Gleichgewicht, selbst wenn anfangs ist die Eingangsstufe weiterhin übersteuert ist und die Ausgangsspannung weit vom Sollwert entfernt ist.Such an amplifier in such a circuit arrangement is automatically reset to its normal operation with the elimination of the thyristor with the elimination of the characteristic states, to which no manual intervention is required. After the thyristor is extinguished, the amplifier gets under the specified process steps in the structural design features of the amplifier and the circuit in an advantageous manner by itself from the disturbed state out of balance, even if initially the input stage is still overridden and the output voltage far from Setpoint is removed.

Abschließend erfolgt bevorzugt automatisch ein Umschalten in den Normalbetrieb. Wenn die Ausgangsspannung nur noch wenig von ihren Sollwert abweicht, wird das Flag zurückgesetzt und damit die Ausgangsstufe wieder in den Modus mit voller Stromtreibefähigkeit überführt. Dies erfolgt, z. B. indem die Begrenzung und Klemmung der Steuerspannung der Ausgangs-Transistoren aufgehoben wird. Die noch bestehende geringe Abweichung der Ausgangsspannung vom Sollwert wird schnell abgebaut, und die Übersteuerung der Eingangsstufe verschwindet, so dass der Verstärker sich wieder im Gleichgewicht befindet.Finally, it is preferably automatically switched to normal operation. If the output voltage deviates only slightly from its nominal value, the flag is reset and thus the output stage is returned to the mode with full current drive capability. This is done, for. B. by the limitation and clamping of the control voltage of the output transistors is canceled. The remaining small deviation of the output voltage from the setpoint is rapidly reduced, and the override of the input stage disappears, so that the amplifier is in equilibrium again.

Starke interne Quellen bzw. der daran geschaltete bevorzugte Schaltungsaufbau können nun erkennen, dass der Thyristor gezündet ist, und können sich selbst kurzzeitig in einen schwachen Betriebsmodus schalten, damit der Haltestrom unterschritten wird. Nach dem Erlöschen des Thyristors können sie selbsttätig in den normalen Betriebmodus zurückgelangen.Strong internal sources or the connected preferred circuit structure can now recognize that the thyristor is ignited, and can temporarily switch itself into a weak operating mode, so that the holding current is exceeded. After the extinction of the thyristor, they can automatically return to the normal operating mode.

Bereitgestellt wird somit ein Verstärker, der für einen gezündeten Thyristor charakteristische Zustände erkennt und dann die Stromtreibefähigkeit seiner Ausgangsstufe reduziert. Nach Abklingen dieser charakteristischen Zustände schaltet der Verstärker von selbst wieder auf seine volle Stromtreibefähigkeit um. Wichtig ist dabei vorzugsweise auch, dass der Verstärker nach dem Erlöschen des Thyristors die charakteristischen Zustände auch von selbst verlässt, indem seine Stromtreibefähigkeit nur reduziert und nicht gänzlich abgeschaltet wird.Thus, an amplifier is provided which detects characteristic conditions for a fired thyristor and then reduces the current driving capability of its output stage. After the decay of these characteristic states, the amplifier automatically switches back to its full current driving capability. It is also important in this case that after the thyristor has extinguished, the amplifier also leaves the characteristic states by itself, in that its current driving capability is only reduced and not completely switched off.

Mögliche Anwendungen finden sich z. B. bei Kopfhörer- und Lautsprecherverstärkern, bei Regelkreisen der Fahrzeugtechnik und der Maschinensteuerung oder bei Bildschirmtreibern.Possible applications are z. B. in headphone and speaker amplifiers, in control circuits of vehicle technology and machine control or video display drivers.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Kennzeichnung von gleichen oder gleich wirkenden Komponenten, Signalen, Zuständen oder Funktionen werden in den verschiedenen Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei bezüglich entsprechender Bezugszeichen entsprechend auch auf Ausführungen bei Beschreibungen jeweils der anderen Figuren verwiesen wird. Es zeigen: An embodiment will be explained in more detail with reference to the drawing. For the identification of the same or equivalent components, signals, states or functions, the same reference numerals are used in the various figures, reference being made accordingly to corresponding explanations given in the description of each of the other figures. Show it:

1 schematisch Komponenten eines Verstärkers mit einer Thyristor-Schutzschaltung, 1 schematically components of an amplifier with a thyristor protection circuit,

2 in näheren Einzelheiten Komponenten des Verstärkers gemäß 1 mit einer Class-A-Endstufe; 2 in more detail components of the amplifier according to 1 with a Class A amplifier;

3 ein Schaltungsdiagramm der Anordnung gemäß 1 zum Veranschaulichen eines erwünschten niedrigen Ausgangspotentials; 3 a circuit diagram of the arrangement according to 1 to illustrate a desired low output potential;

4 ein derartiges Schaltungsdiagramm zur Veranschaulichung eines hohen Ausgangsstroms aufgrund einer entsprechenden Nutzlast und eines entsprechenden Nutzsignals; 4 Such a circuit diagram illustrating a high output current due to a corresponding payload and a corresponding useful signal;

5 ein solches Schaltungsdiagramm zur Veranschaulichung einer Übersteuerung bei maximalem Ausgangsstrom bei großer Nutzlast; 5 Such a circuit diagram illustrating an overload at maximum output current at high payload;

6 ein solches Schaltungsdiagramm zum Veranschaulichen eines Kurzschlusses am Ausgang, z. B. aufgrund eines gezündeten Thyristors; 6 such a circuit diagram illustrating a short circuit at the output, z. B. due to an ignited thyristor;

7 Arbeitsbereiche des Verstärkerausgangs eines solchen Verstärkers in einem Strom-Spannungs-Diagramm; 7 Working ranges of the amplifier output of such amplifier in a current-voltage diagram;

8 Komponenten eines Verstärkers vergleichbar dem Verstärker gemäß 2, jedoch gemäß dem Stand der Technik; 8th Components of an amplifier comparable to the amplifier according to 2 but according to the prior art;

9 Komponenten eines Verstärkers gemäß dem Stand der Technik mit einer Class-AB-Endstufe; 9 Components of a prior art amplifier with a Class AB final stage;

10 eine bevorzugte Class-AB-Endstufe gemäß einer weiteren bevorzugten Variante; und 10 a preferred Class AB final stage according to another preferred variant; and

11 eine noch weitere Schaltungsanordnung einer Class-AB-Endstufe gemäß einer noch weiteren bevorzugten Variante. 11 a still further circuit arrangement of a class AB output stage according to yet another preferred variant.

1 zeigt beispielhaft einen zweistufigen Verstärker V, der aus einer differentiellen Eingangsstufe ES und einer invertierenden Ausgangsstufe AS besteht. Nachgeschaltet ist dem Verstärker eine Thyristor-Schutzschaltung mit einem Thyristor T. 1 shows by way of example a two-stage amplifier V, which consists of a differential input stage ES and an inverting output stage AS. Downstream of the amplifier is a thyristor protection circuit with a thyristor T.

An der Eingangsstufe ES liegen ein invertierender Eingang inm und ein nicht-invertierender Eingang inp zum Anlegen eines differentiellen Eingangssignals inm, inp an. Die Eingangsstufe ES des Verstärkers V weist einen einzigen Ausgang auf, an dem ein Ausgangssignal gop ausgegeben wird. Über die Ausgangsstufe AS ist zwischen dem Ausgang der Eingangsstufe ES und einem Ausgang o der Ausgangsstufe AS mittels eines Kondensators Cc eine Kapazität zur Frequenzgangkompensation geschaltet.At the input stage ES are an inverting input inm and a non-inverting input inp for applying a differential input signal inm, inp. The input stage ES of the amplifier V has a single output at which an output signal gop is output. Via the output stage AS, a capacitor for frequency response compensation is connected between the output of the input stage ES and an output o of the output stage AS by means of a capacitor Cc.

Ergänzt sind die Ausgangsstufe AS und die Eingangsstufe ES um Strukturen S1 bzw. S2, welche quasi als Sensoren wirken. Diese messen charakteristische Zustandsgrößen der Ausgangs- und der Eingangsstufe AS, ES und senden mit Zustandssignalen so bzw. si Informationen darüber an eine Auswerteeinheit A. Die Auswerteeinheit A entscheidet anhand der Zustände der Zustandssignale so und si, ob die oben genannten Kriterien für ein erforderliches Rücksetzen bzw. Löschen des Thyristors T zutreffen, und setzt ggf. an ihrem Ausgang ein Flag fl, das eine Strombegrenzungseinrichtung B der Ausgangsstufe AS bedient.The output stage AS and the input stage ES are supplemented by structures S1 and S2, which act as sensors. These measure characteristic state variables of the output and the input stage AS, ES and send with state signals so or si information about it to an evaluation unit A. The evaluation unit A on the basis of the states of the state signals so and si, if the above criteria for a required reset or delete the thyristor T apply, and optionally sets at its output a flag fl, which serves a current limiting device B of the output stage AS.

Eine Ausgangsspannung Uo des Ausgangs o wird außerdem an einer Eingangssteuereinrichtung C angelegt. Die Ausgangsspannung Uo wird dabei zuerst an einem ersten Widerstand R1 angelegt, welcher an den Ausgang o geschaltet ist. Ein zweiter Anschluss des ersten Widerstands R1 ist mit dem invertierenden Eingang inm des Verstärkers V verbunden. Die Eingangssteuereinrichtung C weist außerdem als beispielhaftes weiteres Schaltelement einen zweiten Widerstand R2 auf, an dessen erstem Anschluss ein eigentliches zu verstärkendes Eingangssignal inmi anliegt. Ein zweiter Anschluss des zweiten Widerstands R2 ist über einen Schalter SW mit dem invertierenden Eingang inm des Verstärkers V anlegbar. Als Schaltsignal zum Schalten des Schalters SW dient das Flag fl, welches von der Auswerteeinheit A bereitgestellt wird. Das Eingangssignal inmi am Eingang der Eingangssteuereinrichtung C legt somit eine Eingangsspannung Uin gegenüber Masse GND an. An dem nicht-invertierenden Eingang inp wird eine Referenzspannung Uref angelegt.An output voltage U o of the output o is also applied to an input controller C. The output voltage Uo is first applied to a first resistor R1, which is connected to the output o. A second terminal of the first resistor R1 is connected to the inverting input inm of the amplifier V. The input control device C also has, as an exemplary further switching element, a second resistor R2, to whose first connection an actual input signal to be amplified is applied. A second terminal of the second resistor R2 can be applied via a switch SW to the inverting input inm of the amplifier V. As a switching signal for switching the switch SW is the flag fl, which is provided by the evaluation unit A. The input signal inmi at the input of the input controller C thus applies an input voltage Uin to ground GND. At the non-inverting input inp, a reference voltage Uref is applied.

Die beispielhafte ESD-Schutzschaltung besteht aus dem Thyristor T, welcher zwischen den Ausgang o und Masse GND geschaltet ist, so dass an diesem die eine Ausgangsspannung Uo gegenüber Masse GND anliegt. Außerdem ist der Ausgang o in Reihe über einen DC-Trenn-Kondensator Cl und einen Lastwiderstand Rl auf Masse GND geschaltet.The exemplary ESD protection circuit consists of the thyristor T, which is connected between the output o and ground GND, so that at this an output voltage Uo is applied to ground GND. In addition, the output o is connected in series via a DC separation capacitor Cl and a load resistor Rl to ground GND.

Ein automatisches Löschen des Thyristors T bzw. der ESD-Schutzschaltung kann erfolgen, indem der Ausgangsstrom Io des Verstärkers V vorübergehend deutlich verringert wird, und zwar solange der Thyristor T gezündet ist. Unter der Voraussetzung, dass für den Verstärker V und die daran angeschlossene Last auch dann ein stabiler Arbeitspunkt besteht, wenn der Ausgangsstrom Io stark reduziert ist, kann der Verstärker V nach dem Erlöschen des Thyristors T selbsttätig wieder in den Betriebszustand mit hoher Stromtreibefähigkeit zurückfinden. Diese Voraussetzung ist z. B. bei den meisten Audio-Anwendungen erfüllt, da die meistens aus einem Lautsprecher bestehende Last durch einen Koppelkondensator vom Verstärker getrennt ist.An automatic erase of the thyristor T or the ESD protection circuit can be done by the output current Io of the amplifier V is temporarily significantly reduced, as long as the Thyristor T is ignited. Assuming that even if the output current Io is greatly reduced for the amplifier V and the load connected therewith, the amplifier V can automatically return to the high current driving condition after the thyristor T has extinguished. This condition is z. B. fulfilled in most audio applications, since the load usually consists of a speaker is separated by a coupling capacitor from the amplifier.

Dabei reagiert der Verstärker V auf einen Kurzschluss, indem er seinen Ausgangsstrom Io stark reduziert, und zwar auf einen Wert deutlich unter den Haltestrom des Thyristors T reduziert. Um dazu in der Lage zu sein, ist der Verstärker V so ausgestaltet, dass der Verstärker V erkennt, dass ein Fehler in Form eines Kurzschlusses nach dem Masseanschluss GND vorliegt.In this case, the amplifier V responds to a short circuit by greatly reducing its output current Io, namely to a value well below the holding current of the thyristor T reduced. In order to be able to do this, the amplifier V is designed such that the amplifier V detects that there is an error in the form of a short circuit to the ground terminal GND.

Zwei Kriterien kennzeichnen diesen Zustand: Erstens ist die Ausgangsspannung Uo sehr niedrig, wobei der Ausgangsstrom Io deutlich erhöht ist und ein positives Vorzeichen hat. Die Zählrichtung für den Ausgangsstrom Io ist für die vorliegenden Betrachtungen beispielhaft so gewählt, dass ein positives Vorzeichen bedeutet, dass der Ausgangsstrom Io aus dem Verstärker V herausfließt. Zweitens liegt eine positive Eingangsspannungsdifferenz zwischen den Eingängen inm, inp an.Two criteria characterize this state: First, the output voltage Uo is very low, the output current Io is significantly increased and has a positive sign. The counting direction for the output current Io is exemplarily chosen for the present considerations such that a positive sign means that the output current Io flows out of the amplifier V. Second, there is a positive input voltage difference between the inputs inm, inp.

Zweckmäßig ist dabei, dass die Prüfung beider Merkmale des ersten Kriteriums durchgeführt wird, wie nachfolgend erläutert wird.It is expedient that the examination of both features of the first criterion is carried out, as will be explained below.

Ein niedriges Potential, d. h. eine niedrige Ausgangsspannung Uo am Ausgang o reicht als alleiniges Kriterium für einen Kurzschluss in der Regel nicht aus, weil das niedrige Potential auch vom Eingangssignal bzw. von der Eingangsspannung Uin als Sollwert vorgegeben sein kann. Ein solcher Fall ist in 3 dargestellt. Skizziert sind der Verstärker V mit der nachgeschalteten ESD-Schutzschaltung und den beiden Widerständen R1, R2 der Eingangssteuereinrichtung. Der Schalter ist geschlossen. Bei der Berechnung der Spannungen wird angenommen, dass R1 = R2 ist.A low potential, ie a low output voltage Uo at the output o is generally insufficient as the sole criterion for a short circuit, because the low potential can also be predetermined as a setpoint value by the input signal or by the input voltage Uin. One such case is in 3 shown. Sketched are the amplifier V with the downstream ESD protection circuit and the two resistors R1, R2 of the input control device. The switch is closed. When calculating the voltages, it is assumed that R1 = R2.

Eine Eingangsdifferenzspannung Ud zwischen dem invertierenen Eingang inm und der am nicht-invertierenden Eingang inp anliegenden Referenzspannung Uref ist abgesehen vom Offset beispielhaft gleich Null. Dabei beträgt die Eingangsspannung Uin den zweifachen Wert der Referenzspannung Uref abzüglich einer Haltespannung Uk des Thyristors T. Diese Haltespannung Uk gibt somit den Sollwert Usoll des Potenzials am Ausgang o gegenüber Masse GND vor. Der Kondensator treibt einen Laststrom durch Rl in den ausgang des Verstärkers, d. h. Io < 0.An input differential voltage Ud between the inverting input inm and the reference voltage Uref applied to the non-inverting input inp is, for example, equal to zero apart from the offset. In this case, the input voltage Uin is twice the value of the reference voltage Uref minus a holding voltage Uk of the thyristor T. This holding voltage Uk thus provides the setpoint Usoll of the potential at the output o in relation to ground GND. The capacitor drives a load current through Rl into the output of the amplifier, i. H. Io <0.

Bei der in 4 gezeigten Situation gibt die Eingangsspannung Uin einen hohen Sollwert für die Ausgangsspannung Uo vor. Die Beschaltung erfolgt nunmehr so, dass am Eingang eine Eingangsspannung Uin gleich der Referenzspannung Uref abzüglich einer Verstärkungsspannung Uampl anliegt. Der Ausgangsstrom Io am Ausgang o des Verstärkers V entspricht dann dem Quotienten der Verstärkungsspannung Uampl dividiert durch einen Widerstandswert Rlast des Lastwiderstands Rl. Die Ausgangsspannung Uo entspricht der Summe aus der Referenzspannung Uref addiert mit der Verstärkungsspannung Uampl und entspricht somit dem Sollwert Usoll. Auch wenn aufgrund eines geringen Lastwiderstandes Rl der Ausgangsstrom Io den Haltestrom des Thyristors T übersteigt, darf die Strombegrenzung nicht aktiviert werden, da das Nutzsignal sonst am Ausgang nicht mehr darstellbar wäre.At the in 4 shown situation, the input voltage Uin is a high setpoint for the output voltage Uo. The wiring is now carried out so that at the input an input voltage Uin equal to the reference voltage Uref minus a boost voltage Uampl is applied. The output current Io at the output o of the amplifier V then corresponds to the quotient of the amplification voltage Uampl divided by a resistance value Rlast of the load resistor Rl. The output voltage Uo corresponds to the sum of the reference voltage Uref added to the boost voltage Uampl and thus corresponds to the setpoint Usoll. Even if, due to a low load resistance Rl, the output current Io exceeds the holding current of the thyristor T, the current limitation must not be activated since the useful signal would otherwise no longer be present at the output.

Ist die Last schlimmstenfalls sogar so groß bzw. der Lastwiderstand Rl so klein, dass die Ausgangsstufe AS bei voller Aussteuerung den erforderlichen Ausgangsstrom Io nicht zu liefern vermag, so stellt sich, wie in 5 skizziert, am Ausgang o eine deutlich messbar unter dem Sollwert liegende Spannung Uo ein und führt zu einer deutlich messbaren positiven Eingangsdifferenzspannung Ud. Gegenüber 4 wird davon ausgegangen, dass der Wert des Ausgangsstroms Io größer als ein maximaler Ausgangsstrom Imax_out ist. In diesem Fall ist am Ausgang o die Ausgangsspannung Uo größer als die Referenzspannung Uref.If the load is even so great in the worst case or the load resistance Rl is so small that the output stage AS can not deliver the required output current Io at full modulation, then, as in FIG 5 outlines, at the output o a clearly measurable below the setpoint voltage Uo and leads to a clearly measurable positive input differential voltage Ud. Across from 4 It is assumed that the value of the output current Io is greater than a maximum output current Imax_out. In this case, the output voltage Uo at the output o is greater than the reference voltage Uref.

Das erste Kriterium bzw. das erste Merkmal, eine sehr niedrige Ausgangsspannung Uo, ist jedoch nicht erfüllt, denn die Ausgangsspannung Uo bleibt in dieser Situation aufgrund des Kondensators Cl stets größer als die Referenzspannung Uref.The first criterion or the first feature, a very low output voltage Uo, however, is not met, because the output voltage Uo remains in this situation due to the capacitor Cl always greater than the reference voltage Uref.

In 6 ist die Situation mit gezündetem Thyristor skizziert unter der Annahme, dass die angelegte Eingangsspannung Uin gleich der Referenzspannung Uref ist. Die Ausgangsspannung Uo bricht daher auf die Haltespannung Uk des Thyristors T zusammen und liegt weit unter der Referenzspannung Uref. Eine Eingangsdifferenzspannung Ud ist größer Null. Der Verstärker V versucht die Ausgangsspannung Uo am Ausgang o auf den Sollwert Usoll zu bringen, indem er seinen maximalen Ausgangsstrom Io liefert. Der Ausgangsstrom Io ist größer als ein Haltestrom Ih des Thyristors T. Entsprechend ist die Ausgangsspannung Uo gleich der Haltespannung Uk des Thyristors T und klein gegen den Sollwert Usoll, welcher der Referenzspannung Uref entspricht. Der gezündete Thyristor T kann aber Ströme eines solches Ausmaßes aufnehmen, das im allgemeinen den maximalen Ausgangsstrom Io eines Operationsverstärkers vielfach übersteigt, ohne dass die an dem Thyristor T anliegende Ausgangsspannung Uo merklich über seine Haltespannung Uk hinauswächst. Die beiden oben genannten Merkmale des ersten Kriteriums, d. h. eine niedrige Ausgangsspannung Uo und eine großer positiver Ausgangsstrom Io, sind somit erfüllt, ebenso das zweite Kriterium: Auch die Eingangsdifferenzspannung Ud ist stark positiv.In 6 the situation is sketched with the thyristor ignited assuming that the applied input voltage Uin is equal to the reference voltage Uref. The output voltage Uo therefore breaks down to the holding voltage Uk of the thyristor T and is well below the reference voltage Uref. An input differential voltage Ud is greater than zero. The amplifier V tries to bring the output voltage Uo at the output o to the setpoint Usoll by supplying its maximum output current Io. The output current Io is greater than a holding current Ih of the thyristor T. Accordingly, the output voltage Uo is equal to the holding voltage Uk of the thyristor T and small to the setpoint Usoll, which corresponds to the reference voltage Uref. However, the ignited thyristor T can receive currents of such an extent, which generally the maximum output current Io of a Operational amplifier often exceeds, without the voltage applied to the thyristor T output voltage Uo grows significantly above its holding voltage Uk. The two above-mentioned features of the first criterion, ie a low output voltage Uo and a large positive output current Io, are thus satisfied, as is the second criterion: The input differential voltage Ud is also strongly positive.

7 zeigt die Arbeitsbereiche des Ausgangsstroms Io und der Ausgangsspannung Uo des Verstärkers V. Dabei ist der Ausgangsstrom Io über der Ausgangsspannung Uo aufgetragen. Die Geraden durch den Ursprung entsprechen der Ansteuerung ohmscher Lasten verschiedener Größe. Die darum herumführenden gestrichelt gezeichneten Ellipsen werden bei sinusförmiger Aussteuerung mit einer komplexen Lastimpendanz durchlaufen, und zwar im Uhrzeigersinn bei kapazitivem Blindanteil und entgegen dem Uhrzeigersinn bei induktivem Blindanteil. 7 shows the work areas of the output current Io and the output voltage Uo of the amplifier V. In this case, the output current Io is plotted against the output voltage Uo. The straight lines through the origin correspond to the control of ohmic loads of different sizes. The dashed ellipses around it are traversed with a sinusoidal modulation with a complex Lastimpendanz, namely clockwise with capacitive reactive component and counterclockwise with inductive reactive component.

Auch die Zustände des Ausgangs während der in den 3 bis 6 beschriebenen Situationen sind markiert. Der Fehlerfall des Kurzschlusses oder des gezündeten Thyristors T wird durch die schraffierte Fläche im linken oberen Quadranten repräsentiert. Die Ausgangsspannung Uo liegt unter der Haltespannung Uk und negativ bezüglich der Referenzspannung Uref. Der Ausgangsstrom Io ist deutlich positiv und übersteigt den Thyristorhaltestrom Ih. Einen beispielhaften Verstärker V, der dazu in der Lage ist, zeigt das Schaltbild in 2, welches auf 8 aufbauend Komponenten einer gemäß der bevorzugten Ausführungsform erweiterten Schaltungsanordnung darstellt. Im Wesentlichen entsprechen die Schaltungskomponenten denen eines Verstärkers mit einer Class-A-Endstufe gemäß 8. Jedoch sind die Schaltungskomponenten um weitere Schaltungskomponenten ergänzt, welche zur automatischen Löschung eines nachgeschalteten Thyristors dienen. Nachfolgend werden in Verbindung mit den Ausführungen zu 8 entsprechend nur gegenüber 8 ergänzende Komponenten beschrieben.Also the states of the exit during the in the 3 to 6 described situations are marked. The fault of the short circuit or of the fired thyristor T is represented by the hatched area in the upper left quadrant. The output voltage Uo is below the holding voltage Uk and negative with respect to the reference voltage Uref. The output current Io is clearly positive and exceeds the thyristor holding current Ih. An exemplary amplifier V capable of this is shown in the circuit diagram in FIG 2 which on 8th constituting components of an extended according to the preferred embodiment circuitry. In essence, the circuit components correspond to those of an amplifier with a Class A power amplifier according to 8th , However, the circuit components are supplemented by further circuit components, which are used for automatic deletion of a downstream thyristor. The following are in connection with the comments to 8th accordingly only opposite 8th supplementary components are described.

Zwischen den Drain-Anschluss des zweiten Transistors MLP und den Drain-Anschluss des zweiten Eingangs-Transistors MEP sind ein Bias-Transistor MBP und ein Schalter-Transistor MPL geschaltet. Dabei liegt der Drain-Anschluss des zweiten Transistors MLP an den Source-Anschlüssen von MBP bzw. MPL an. Die Drain-Anschlüsse des ersten und des zweiten Schalter-Transistors MBP, MPL liegen an einem weiteren Drain-Knoten dep an, an welchem auch der Drain-Anschluss des zweiten Eingangs-Transistors MEP anliegt. Der Gate-Anschluss des Bias-Transistors MBP ist durch eine vierte Vorspannung bspo ansteuerbar. Der Gate-Anschluss des Schalter-Transistors MPL wird durch das Steuersignal bzw. Flag fl angesteuert.Between the drain terminal of the second transistor MLP and the drain terminal of the second input transistor MEP, a bias transistor MBP and a switch transistor MPL are connected. In this case, the drain terminal of the second transistor MLP is applied to the source terminals of MBP or MPL. The drain terminals of the first and second switch transistors MBP, MPL are connected to a further drain node dep, to which also the drain terminal of the second input transistor MEP is applied. The gate terminal of the bias transistor MBP can be driven by a fourth bias voltage bspo. The gate terminal of the switch transistor MPL is driven by the flag fl.

Außerdem ist ein vierter Transistor MET zusammen mit den beiden Schalter-Transistoren MBP, MPL als Strombegrenzungseinrichtung B geschaltet. Der vierte Transistor MET ist dazu mit seinem Drain-Anschluss an den Drain-Knoten cm zwischen dem ersten Transistor MLM und den ersten Eingangs-Transistor MEM geschaltet. Mit seinem Source-Anschluss ist der vierte Transistor MET an den weiteren Drain-Knoten dep geschaltet. An den Gate-Anschluss des vierten Transistors MET ist der nicht-invertierende Eingang inp geschaltet.In addition, a fourth transistor MET is connected together with the two switch transistors MBP, MPL as current-limiting device B. The fourth transistor MET is connected with its drain connection to the drain node cm between the first transistor MLM and the first input transistor MEM. With its source terminal of the fourth transistor MET is connected to the other drain node dep. To the gate terminal of the fourth transistor MET, the non-inverting input is switched inp.

Als zweite Struktur S2, welche als Sensor wirkt, dient ein zweiter Sensor-Transistor MES, dessen Gate-Anschluss ebenfalls an den nicht-invertierenden Eingang inp geschaltet ist. Der Source-Anschluss des zweiten Sensor-Transistors MES ist an den weiteren Drain-Knoten dep geschaltet. Der Drain-Anschluss des zweiten Sensor-Transistors MES ist an einen Auswerteschaltungsknoten flq geschaltet, an welchem das zweite der Zustandssignale si anliegt.As a second structure S2, which acts as a sensor, is a second sensor transistor MES, whose gate terminal is also connected to the non-inverting input inp. The source terminal of the second sensor transistor MES is connected to the further drain node dep. The drain terminal of the second sensor transistor MES is connected to an evaluation circuit node flq, to which the second of the state signals si is applied.

Die erste Struktur S1, welche als Sensor wirkt, wird durch einen ersten Sensor-Transistor MPCS ausgebildet, an dessen Gate-Anschluss eine fünfte Vorspannung bspoc anlegbar ist. Der Drain-Anschluss des ersten Sensor-Transistors MPCS ist an den Auswerteschaltungsknoten flq angelegt und legt das erste der Zustandssignale so an. Der Source-Anschluss des ersten Sensor-Transistors MPCS ist an den Ausgang o geschaltet. Außerdem weist die Ausgangsstufe AS einen weiteren Ausgangs-Transistor MPC auf, dessen Source-Anschluss am Drain-Anschluss des Ausgangs-Transistors MP anliegt. Der Drain-Anschluss des weiteren Ausgangs-Transistors MPC liegt am Ausgang o an. An dem Gate-Anschluss des weiteren Ausgangs-Transistors MPC liegt die fünfte Vorspannung bspoc an.The first structure S1, which acts as a sensor, is formed by a first sensor transistor MPCS, to the gate terminal of which a fifth bias voltage bspoc can be applied. The drain terminal of the first sensor transistor MPCS is applied to the evaluation circuit node flq and generates the first of the state signals in this way. The source terminal of the first sensor transistor MPCS is connected to the output o. In addition, the output stage AS has a further output transistor MPC whose source terminal is applied to the drain terminal of the output transistor MP. The drain terminal of the further output transistor MPC is connected to the output o. At the gate terminal of the further output transistor MPC is applied to the fifth bias voltage bspoc.

Eine Auswerteeinheit A wird durch die Summation der Ströme si und so und einen Inverter IV gebildet, welcher zwischen den Auswerteschaltungsknoten flq und den zweiten Schalter-Transistor MPL der Strombegrenzungseinrichtung B geschaltet ist. Außerdem weist die Auswerteeinheit A einen vierten Transistor MA auf, dessen Source-Anschluss an die Versorgungsspannung VDD angelegt ist. Der Drain-Anschluss des vierten Transistors MA liegt ebenfalls am Auswerteschaltungsknoten flq an. Zum Ansteuern des Gate-Anschlusses des vierten Transistors MA ist an diesen eine dritte Vorspannung bsp anlegbar.An evaluation unit A is formed by the summation of the currents si and so and an inverter IV, which is connected between the evaluation circuit node flq and the second switch transistor MPL of the current-limiting device B. In addition, the evaluation unit A has a fourth transistor MA whose source terminal is applied to the supply voltage VDD. The drain terminal of the fourth transistor MA is also connected to the evaluation circuit node flq. For driving the gate terminal of the fourth transistor MA, a third bias voltage bsp can be applied thereto.

Ein Kurzschluss äußert sich zum einen als niedrige Ausgangsspannung Uo am Ausgang o. Der Sättigungszustand des zum Ausgangs-Transistor MP in Reihe geschalteten weiteren Ausgangs-Transistors MPC hängt vom Potential am Ausgang o ab. Liegt das Potential sehr hoch, dann ist der weitere Ausgangs-Transistor MPC ungesättigt und der als „Sättigungsschutz” für den weiteren Ausgangs-Transistor MPC geschaltete erste Sensor-Transistor MPCS führt Strom. Ist hingegen das Potential am Ausgang o tief, so ist der weitere Ausgangs-Transistor MPC gesättigt und der erste Sensor-Transistor MPCS sperrt. Der Schwellwert, den das Potential am Ausgang o unterschreiten muss, damit der erste Sensor-Transistor MPCS sperrt, kann an dessen Gate mit der fünften Vorspannung bspoc eingestellt werden.A short circuit manifests itself as a low output voltage Uo at the output o. The saturation state of the output transistor MP connected in series to another output transistor MPC depends on the potential at the output o. If the potential is very high, then that is further output transistor MPC unsaturated and connected as "saturation protection" for the other output transistor MPC connected first sensor transistor MPCS current. If, on the other hand, the potential at the output o is low, then the further output transistor MPC is saturated and the first sensor transistor MPCS is off. The threshold value which the potential at the output o must fall below, so that the first sensor transistor MPCS blocks, can be set at its gate with the fifth bias voltage bspoc.

Zum anderen äußert sich der Kurzschluss, wie der in 6 durch den gezündeten Thryristor T hervorgerufene Kurzschluss, darin, dass trotz des erhöhten Ausgangsstromes Io die Ausgangsspannung Uo dem vom Eingangssignal inmi vorgegebenen hohen Sollwert nicht folgen kann. Deshalb ist die Eingangsdifferenzspannung Ud von dem nicht-invertierenden Eingang inp zu dem invertierenden Eingang inm deutlich positiv. Die Spannung am Ausgang der Eingangsstufe (Knoten dep und gop) fällt dadurch so sehr ab, dass der an dem nicht-invertierenden Eingang inp angeschlossene zweite Eingangs-Transistor MEP aus der Sättigung gerät.On the other hand, the shortcoming expressed as the in 6 caused by the ignited thyristor T short circuit, in that despite the increased output current Io, the output voltage Uo can not follow the input signal inmi specified high setpoint. Therefore, the input differential voltage Ud from the non-inverting input inp to the inverting input inm is clearly positive. The voltage at the output of the input stage (node dep and gop) drops so much that the second input transistor MEP connected to the non-inverting input inp gets out of saturation.

Der zu dem zweiten Eingangs-Transistor MEP wie ein „Sättigungsschutz” geschaltete zweite Sensor-Transistor MES wird leitend. Die Drainströme der beiden als „Sättigungsschutz” geschalteten Sensor-Transistoren MPCS, MES wirken auf den Auswerteschaltungsknoten flq. Damit sein Potential auch dann definiert ist, wenn beide Transistoren sperren, was der Fall ist, wenn wie in 3 die Ausgangsspannung Uo aufgrund eines hohen Eingangssignals tief liegt, zieht der als schwache Stromquelle betriebene vierte Transistor MA den Auswerteschaltungsknoten flq nach oben. Als Dimensionierungsregel kann vorgegeben werden, dass der vierte Transistor MA schwächer ausgelegt werden muss als der zweite Sensor-Transistor MES und der erste Sensor-Transistor MPCS stärker ausgelegt wird als der zweite Sensor-Transistor MES.The second sensor transistor MES connected to the second input transistor MEP, such as a "saturation protection", becomes conductive. The drain currents of the two sensor transistors MPCS, MES connected as "saturation protection" act on the evaluation circuit node flq. So that its potential is defined even if both transistors lock, which is the case when, as in 3 the output voltage Uo is low due to a high input signal, the fourth transistor MA, which is operated as a weak current source, pulls up the evaluation circuit node flq. As a dimensioning rule can be specified that the fourth transistor MA must be designed weaker than the second sensor transistor MES and the first sensor transistor MPCS is designed to be stronger than the second sensor transistor MES.

Das Signal am Auswerteschaltungsknoten flq und das dazu invertierte Signal als das sogenannte Flag fl werden zur Steuerung der Strombegrenzung in der Strombegrenzungseinrichtung B herangezogen. Sie wirken quasi als Signal, das einen Fehlerfall anzeigt. Wenn also ein Kurzschluss am Ausgang o besteht und die Eingangsstufe ES verzogen ist, so dass der erste Sensor-Transistor MPCS sperrt und der zweite Sensor-Transistor MES leitet, dann dominiert der zweite Sensor-Transistor MES über den vierten Transistor MA und zieht den Auswerteschaltungsknoten flq auf Masse.The signal at the evaluation circuit node flq and the signal inverted thereto as the so-called flag fl are used to control the current limitation in the current limiting device B. They act as a kind of signal that indicates an error. Thus, if a short circuit exists at the output o and the input stage ES is warped, so that the first sensor transistor MPCS blocks and the second sensor transistor MES conducts, then the second sensor transistor MES dominates via the fourth transistor MA and pulls the evaluation circuit node flq on earth.

Der nachfolgende Inverter IV bringt das Flag fl auf das Niveau der oberen Versorgungsspannung VDD. Während der zweite Eingangs-Transistor MEP das Gatepotential bzw. Ausgangssignal gop des Ausgangs-Transistors MP im ungestörten Betrieb, d. h. wenn das Flag fl = 0 V ist, über den als Schalter maximal geöffneten Schalter-Transistor MPL sehr tief ziehen und damit den Ausgangs-Transistor MP sehr weit aufsteuern kann, wird das im gestörten Fall, d. h. wenn das Flag fl gleich VDD ist, unterbunden, weil der Schalter-Transistor MPL dann sperrt. Ohne MET und MBP würde der gesamte Strom aus dem dritten Transistor MI als der der Quelle über den invertierenden ersten Eingangs-Transistor MEM und den ersten Transistor MLM als dazugehörigen Laststromspiegeleingang fließen und der Stromspiegelausgang in Form des zweiten Transistors MLP würde das Ausgangssignal gop der Eingangsstufe ES und damit das Gate des Ausgangs-Transistors MP auf die positive Versorgungsspannung VDD ziehen, so dass dieser Transistor komplett abschalten würde. Auch damit erhielte der Thyristor T keinen Strom mehr und würde gelöscht.The subsequent inverter IV brings the flag fl to the level of the upper supply voltage VDD. During the second input transistor MEP, the gate potential or output signal gop of the output transistor MP in undisturbed operation, d. H. If the flag is fl = 0 V, pull over the maximum open as a switch switch transistor MPL very deep and thus the output transistor MP aufsteuern very far, which is disturbed case, d. H. when the flag fl is equal to VDD, inhibited because the switch transistor MPL then turns off. Without MET and MBP, all the current from the third transistor MI would flow as that of the source via the inverting first input transistor MEM and the first transistor MLM as the associated load current mirror input and the current mirror output in the form of the second transistor MLP would receive the output signal gop of the input stage ES and thus pull the gate of the output transistor MP to the positive supply voltage VDD, so that this transistor would turn off completely. Even so, the thyristor T would no longer receive power and would be deleted.

Problematisch wäre jetzt aber, dass ohne Ausgangsstrom Io das Potential am Ausgang o nicht mehr auf den Sollwert Usoll zurückgeführt würde, sondern durch MN auf VSS-Potential heruntergezogen würde. Das Kriterium für das Setzen des Flags fl bliebe folglich bestehen, und die Verbindung des nicht-invertierenden zweiten Eingangstransistors MEP zum Ausgangssignal gop der Eingangsstufe ES und damit zum Gate des Ausgangs-Transistors MP bliebe unterbrochen, so dass die Eingangsstufe ES die Ausgangsstufe AS nicht mehr ansteuern könnte.However, the problem would be that without output current Io the potential at the output o would no longer be returned to the setpoint Usoll, but would be pulled down to VSS potential by MN. The criterion for setting the flag fl would thus remain, and the connection of the non-inverting second input transistor MEP to the output signal gop of the input stage ES and thus to the gate of the output transistor MP would be interrupted, so that the input stage ES the output stage AS no longer could drive.

Abhilfe schafft der parallel zum zweiten Schalter-Transistor MPL geschaltete erste -Transistor MBP. Sein Gate-Potential in Form der vierten Vorspannung bspo wird so eingestellt, dass aufgrund des vom Stromspiegelausgang als zweitem Transistor MLP gelieferten Stromes das Ausgangssignal gop der Eingangsstufe ES und damit das Gatepotential des Ausgangs-Transistors MP auf einen Wert sinkt, der zu einem gut definierten Restausgangsstrom führt. Dieser Restausgangsstrom ist aufgrund der Dimensionierung kleiner als der Haltestrom Ih des Thyristors T, aber groß genug, um das Ausgangspotential am Ausgang o in akzeptabler Zeit wieder auf den Sollwert Usoll zurückzuführen. Der vierte Transistor MET, der die Drain-Knoten cm und dep der beiden Eingangs-Transistoren MEM und MEP verbindet, ist als „Sättigungsschutz” zu dem zweiten Eingangs-Transistor MEP geschaltet. Er ermöglicht auch dann eine Verbindung vom ersten Transistor MLM als dem Laststromspiegeleingang zum dritten Transistor MI als der Stromquelle, wenn das Potential des invertierenden Eingangs inm so tief liegt, dass der daran angeschlossene erste Eingangs-Transistor MEM sperrt.The remedy is provided by the first transistor MBP connected in parallel with the second switch transistor MPL. Its gate potential in the form of the fourth bias voltage bspo is adjusted so that due to the supplied current from the current mirror output as a second transistor MLP the output signal gop of the input stage ES and thus the gate potential of the output transistor MP drops to a value that defines a well Residual output current leads. This residual output current is smaller than the holding current Ih of the thyristor T due to the dimensioning, but large enough to return the output potential at the output o in an acceptable time back to the setpoint Usoll. The fourth transistor MET, which connects the drain nodes cm and dep of the two input transistors MEM and MEP, is connected as "saturation protection" to the second input transistor MEP. It also allows connection from the first transistor MLM as the load current mirror input to the third transistor MI as the current source when the potential of the inverting input inm is so low that the first input transistor MEM connected thereto is turned off.

Auf diese Weise teilt sich der Drainstrom von MI in jedem Betriebszustand hälftig auf MLM und MLP auf und definiert den Arbeitspunkt von MBP. Ohne den vierten Transistor MET würde der Stromspiegel stromlos. Damit sänke das Signal gop bzw. das Potential des mit der Source des ersten Schalter-Transistors MBP verbundenen Knotens am Ausgang der Eingangsstufe ES so tief, dass der mit seinem Gate daran angeschlossene Ausgangs-Transistor MP einen weitaus größeren Strom führen würde als beabsichtigt, der möglicherweise den Haltestrom Ih des Thyristors T überschreiten würde.In this way, the drain current of MI splits in half on MLM and MLP in each operating state and defines the operating point of MBP. Without the fourth transistor MET, the current mirror would be de-energized. Thus, the signal gop or the potential of the node connected to the source of the first switch transistor MBP at the output of the input stage ES would drop so low that the output transistor MP connected to its gate would conduct a much larger current than intended, the possibly the holding current Ih of the thyristor T would exceed.

Das Flag fl kann im übrigen dazu genutzt werden, ein ggf. vorhandenes Eingangssignal inmi abzuschalten. Dessen Aussteuerung kann sonst einen Sollwert vorgeben, welcher der Flussspannung über dem Thyristor T entspricht. In diesem Fall ginge die Übersteuerung der Eingangsstufe ES zurück, und die Begrenzung der Stromtreibefähigkeit würde aufgehoben. Damit würde der Thyristor T wiederum angefacht. Bei ungünstigem Signalverlauf könnte ein Teufelskreis entstehen, in dessen Zyklen sich Strombegrenzung und Wiederanfachung beliebig oft abwechselten. Zusätzlich kann dadurch der Sollwert der Ausgangsspannung so vorgegeben werden, dass dieser Arbeitspunkt trotz der begrenzten Treiberfähigkeit und ohmscher Last sicher erreicht werden kann.Incidentally, the flag fl can be used to turn off any input signal inmi that may be present. Its modulation can otherwise specify a desired value, which corresponds to the forward voltage across the thyristor T. In this case, the override of the input stage ES would go back, and the limitation of the Stromtreibefähigkeit would be canceled. Thus, the thyristor T would be fanned again. If the signal is unfavorable, a vicious circle could arise in whose cycles current limitation and re-increase alternated as often as desired. In addition, the desired value of the output voltage can be set in such a way that this operating point can be reliably achieved despite the limited driving capability and resistive load.

Die Grundgedanken des bevorzugten Ausführungsbeispiels können nicht nur in Class-A-Ausgangsstufen eingesetzt werden, sondern auch in solchen vom Typ Class AB, wie sie z. B. in 9 dargestellt ist. Beschrieben werden nachfolgend unter Verweis auf auch weitere nur zeichnerisch dargestellte Schaltungselemente nur Komponenten, welche für das Verständnis abweichend von vorstehenden Ausführungen besonders hervorzuheben sind. Die aus der Konstantstromquelle MN und dem Ausgangstransistor MP gebildeten beiden Ausgangs-Transistoren bestehende Push-Pull-Endstufe wird von einer Folded-Cascode-Eingangsstufe getrieben. Die in common-source geschalteten Eingangs-Transistoren MEM und MEP werden von einer als Transistor gebildeten Stromquelle MS gespeist und wirken über die gefaltete Cascode, bestehend aus weiteren Stromquellen MIM und MIP und aus Cascoden-Transistoren MIMC und MIPC auf das Stromspiegellastelement, bestehend aus dem ersten und dem zweiten Transistor MLM, MLP. Der aus den an die vierte und eine zweite Vorspannung bspo, bsno angeschlossenen erste und dritte Bias-Transistoren MBP und MBN gebildete Stromteiler dient der Ruhestromeinstellung. Wenn der Ausgang o nach Masse kurzgeschlossen wird, verhält sich die Schaltung ähnlich wie die aus 8. Aufgrund der Rückkopplung des Ausgangs o auf den invertierenden Eingang inm wird die Eingangsstufe ES stark verzogen und der P-Kanal-Ausgangs-Transistor MP weit ausgesteuert, so dass sein Strom enorm anwächst. Das Problem, einen gezündeten ESD-Thyristor wieder zu löschen, besteht hier ebenso.The principles of the preferred embodiment can be used not only in Class A output stages, but also in those of the Class AB type, as z. In 9 is shown. Described below with reference to other circuit elements shown only in the drawing only components that are particularly notable for the understanding of the above statements. The two output transistors formed from the constant current source MN and the output transistor MP push-pull output stage is driven by a Folded Cascode input stage. The common-source input transistors MEM and MEP are fed by a current source MS formed as a transistor and act on the folded Cascode, consisting of further current sources MIM and MIP and Cascoden transistors MIMC and MIPC on the current mirror load element consisting of the first and second transistors MLM, MLP. The current divider formed from the first and third bias transistors MBP and MBN connected to the fourth and a second bias voltage bspno, bsno, respectively, serves to set the quiescent current. If the output o is shorted to ground, the circuit behaves similar to the one off 8th , Due to the feedback of the output o to the inverting input inm the input stage ES is strongly distorted and the P-channel output transistor MP is widely controlled, so that its current increases enormously. The problem of clearing a fired ESD thyristor is the same here as well.

In 10 ist die Schaltung aus 9 entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zu den Ausführungen gemäß 2 erweitert dargestellt. In Reihe zum P-Kanal-Ausgangs-Transistor MP liegt der weitere Ausgangs-Transistor MPC mit dem Gate an der fünften Vorspannung bspoc. Der erste Sensor-Transistor MPCS überprüft den Sättigungszustand des weiteren Ausgangs-Transistors MPC und liefert damit ein Kriterium, ob das Ausgangspotential einen kritischen Schwellwert unterschritten hat. Dass die Eingangsstufe ES verzogen ist, äußert sich darin, dass der erste Eingangs-Transistor MEM sämtlichen Strom von der Stromquelle MS übernimmt und so auch sämtlichen Strom für die Folded-Cascode-Stromquelle MIM liefert. Infolgedessen verbleibt für den ersten Transistor MLM des Stromspiegellastelementes kein Strom mehr.In 10 the circuit is off 9 according to a further preferred embodiment of the embodiments according to 2 extended shown. In series with the P-channel output transistor MP, the further output transistor MPC is connected to the gate at the fifth bias voltage bspoc. The first sensor transistor MPCS checks the saturation state of the further output transistor MPC and thus provides a criterion as to whether the output potential has fallen below a critical threshold value. The fact that the input stage ES is warped, manifests itself in that the first input transistor MEM takes over all power from the power source MS and thus also supplies all power for the folded cascode power source MIM. As a result, no current remains for the first transistor MLM of the current mirror load element.

Weil deshalb sowohl der zweite Eingangs-Transistor MEP als auch der zweite Transistor MLP als der Laststromspiegelausgang stromlos sind, zieht die zweite Folded-Cascode-Stromquelle MIP einen Knoten cap und ebenso Knoten gon und gop nach unten und gerät außer Sättigung. Das führt zu einem Strom im „Sättigungsschutz”-Transistor MIPS. Die Wirkung des ersten Sensor-Transistors MPCS, des vierten Transistors MET, des „Sättigungsschutz”-Transistor MIPS und des vierten Transistors MA ist die gleiche wie in 2, wobei der „Sättigungsschutz”-Transistor MIPS dem zweiten Sensor-Transistor MES entspricht, und führt im Störungsfall zum Setzen des Flags fl. Die Gatespannung bzw. das Ausgangsignal gop am Ausgang der Eingangsstufe ES des P-Kanal-Ausgangs-Transistors MP kann nur über den Stromteilerzweig mit dem dritten Schalter-Transistor MBN tief nach unten gezogen werden. Dieser Zweig ist über den Schalter-Transistor MPL unterbrochen, wenn im Störfall das Flag fl gesetzt ist, und die Ausgangsstufe AS kann keinen großen positiven Ausgangstrom Io mehr liefern.Therefore, since both the second input transistor MEP and the second transistor MLP are de-energized as the load current mirror output, the second folded cascode current source MIP pulls down a node cap and also nodes gon and gop and goes out of saturation. This leads to a current in the "saturation protection" transistor MIPS. The effect of the first sensor transistor MPCS, the fourth transistor MET, the "saturation protection" transistor MIPS, and the fourth transistor MA is the same as in FIG 2 , wherein the "saturation protection" transistor MIPS corresponds to the second sensor transistor MES, and leads to the setting of the flag fl in the event of a fault. The gate voltage or the output signal gop at the output of the input stage ES of the P-channel output transistor MP can only be pulled low over the Stromteilerzweig with the third switch transistor MBN. This branch is interrupted via the switch transistor MPL if, in the event of a fault, the flag fl is set, and the output stage AS can no longer deliver a large positive output current Io.

Der vierte Transistor MET sorgt auch in dieser Schaltung dafür, dass der Eingang des Laststromspiegels MLM nicht stromlos wird. Wenn die zweite Folded-Cascode-Stromquelle MIP aus der Sättigung gerät, wird der vierte Transistor MET leitend und verbindet den Eingangs- bzw. Drain-Knoten cm des Stromspiegels MLM, MLP mit der Drain der weiteren Stromquelle MIP, deren Strom sich etwa jeweils zur Hälfte auf den Stromspiegeleingang bzw. ersten Transistor MLM und den Stromspiegelausgang bzw. zweiten Transistor MLP aufteilt. Der Strom aus dem Stromspiegelausgang bzw. zweiten Transistor MLP fließt durch den weiterhin leitenden Stromteilerzweig mit dem ersten -Transistor MBP und stellt damit das Gatepotential bzw. Ausgangssignal gop der Eingangsstufe ES des P-Kanal-Ausgangs-Transistors MP ein und damit den Reststrom der Ausgangsstufe AS.The fourth transistor MET also ensures in this circuit that the input of the load current mirror MLM is not de-energized. When the second folded cascode current source MIP saturates, the fourth transistor MET becomes conductive and connects the input and drain nodes cm of the current mirror MLM, MLP to the drain of the further current source MIP, whose current flows approximately in each case Half on the current mirror input or first transistor MLM and the current mirror output and second transistor MLP divides. The current from the current mirror output or second transistor MLP flows through the further conductive Stromteilerzweig with the first transistor MBP and thus sets the gate potential or output gop of the input stage ES of the P-channel output transistor MP and thus the residual current of the output stage AS.

Weil die zweite Folded-Cascode-Stromquelle MIP sich nicht in Sättigung befindet, ist ihr Strom nicht sehr genau definiert, sondern tendenziell kleiner als beabsichtigt. Dadurch bedingt sinkt das Gate des P-Kanal-Ausgangs-Transistors MP tiefer als erwünscht, und sein Drainstrom wird größer. Die Ungenauigkeiten können so groß sein, dass der Haltestrom des Thyristors nicht unterschritten wird. Damit würde die Schaltung wirkungslos. Because the second Folded Cascode power source MIP is not in saturation, its current is not very well defined, but tends to be smaller than intended. As a result, the gate of the P-channel output transistor MP decreases lower than desired, and its drain current becomes larger. The inaccuracies can be so great that the holding current of the thyristor is not undershot. This would make the circuit ineffective.

Dieses Risiko kann durch eine Modifikation ausgeschlossen werden, die in 11 dargestellt ist. Der Reststrom des P-Kanal-Ausgangs-Transistors MP ist dadurch definiert, dass der andere Stromteilerzweig mit dem ersten -Transistor MBP im Störungsfall einen wohldefinierten Strom erhält, und zwar über die dann eingeschalteten noch weiteren Stromquellen MW und MIW, welche das Flag fl über die Schalter MWS und MIWS steuert. Der vierte Transistor MET ist als Verbindungstransistor für den Laststromspiegel MLM, MLP überflüssig und entfällt daher. Nach dem Löschen des Thyristors bringt der Reststrom des P-Kanal-Ausgangs-Transistors MP das Ausgangspotential am Ausgang o nahe an den Sollwert Usoll. Dann wird das Flag fl selbsttätig rückgesetzt und der Verstärker V verfügt wieder über die volle Stromtreibefähigkeit.This risk can be excluded by a modification that is included in 11 is shown. The residual current of the P-channel output transistor MP is defined by the fact that the other current divider branch with the first transistor MBP receives a well-defined current in the event of a fault, via the still further current sources MW and MIW which then turn on the flag F1 the switches MWS and MIWS controls. The fourth transistor MET is superfluous as a connection transistor for the load current mirror MLM, MLP and therefore omitted. After erasing the thyristor, the residual current of the P-channel output transistor MP brings the output potential at the output o close to the setpoint Usoll. Then the flag fl is automatically reset and the amplifier V again has full current driving capability.

Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS

A

evaluation

AS

output stage

B

Current-limiting device

bsn

first bias

bsno

second bias

bsp

third bias

BSPO

fourth bias

Bspoc

fifth bias

C

Input control device

cc

Capacitor for frequency response compensation

cm

Emitter or drain node

cs

Source node

Cl

load capacitor

dep

another drain node

IT

doorstep

fl

Flag

FLQ

Auswerteschaltungsknoten

GND

ground connection

gop

Output signal of the input stage

ih

Thyristorhaltestrom

io

output current

I max_out

maximum output current

INMI

input

inm

inverting input

inp

non-inverting input

inm, inp

differential input signal

IV

inverter

MA

fourth transistor

MBP

first transistor

MEM

first input transistor

MEP

second input transistor

MEM, MEP

transistors connected to the common-source pair

MES

second sensor transistor as S2

MET

fourth transistor

MI

third transistor as a power source

MIM, MIP

additional power sources

MIPC, MIMC

Cascode transistors

MIPS

"Saturation protection" transistor

MLM

first transistor

MLP

second transistor

MLM, MLP

Transistors as a current mirror load element

MN

Constant current source

MP

Output transistor

MPC

another output transistor

MPCS

first sensor transistor as S1

MPL

second switch transistor

MS

power source

MW, MIW

even more power sources

MWS, MIWS

more switches

O

output

R1

first resistance

R2

second resistance

rl

load resistance

S1, S2

Structures that act as sensors

so, si

Status signals from S1 or S2

SW

switch

T

thyristor

Uampl

gain voltage

Uin

input voltage

Ud

Input differential voltage

Uk

Holding voltage of the thyristor

uo

output voltage

Uref

reference voltage

Uset

Setpoint of Uo

V

amplifier

VDD

supply voltage

VSS

negative supply voltage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2001/0019138 A1 [0011, 0019]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Allen, D. Holberg, CMOS Analog Circuit Design, e.g. BS 381, 388, 396, 399, 451 [0005]
Dennis M. Monticelli, A Quad CMOS Single-Supply Op-Amp with Rail-to-Rail Output Swing, published in: IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. Sc-21, no. 6, Dec. 1986, pp. 1026-1034 [0006]
V. Ivanov, D. Baum, A 3A 20 MHz BiCMOS / DMOS Power Operational Amplifier: A Structural Design Approach, Published in: IEEE Solid-State Circuits Conference 2003, Digest of Technical Papers, ISSCC 2003, pp. 138-483 Bd. 1 [0009]

Claims

Amplifier (V) for an ESD protection circuit comprising amplifier (V) - At least one input (inm, imp) for applying at least one input signal with an input voltage (Uin, Uref); - An output (o) for outputting an output current (Io) at an output voltage (Uo), and A current limiting device (B) which is set up, depending on at least one specific state of the at least one input signal relative to a specific state of the output (o) of the amplifier (V), the output current (Io) at the output (o) to a current value, which is greater than zero in amount.

An amplifier as claimed in claim 1, arranged to output a flag (fl) as a control variable for an upstream or upstream input control device (C) for reducing an input current and / or the input voltage (Uin) at the at least one input (inm) when active Flag state of the flag (fl) is formed.

Amplifier with the input control device (C) according to claim 2, which is configured, at the at least one input (inm) with an active flag state of the flag (fl) instead of an input signal (inmi) applied to the input control device (C), preferably with respect to the input voltage Apply zero-reduced input signal.

Amplifier according to one of Claims 1 to 3, in which the current-limiting device (B) comprises first and second sensor means (S1, S2), the first sensor means (S1) arranged to determine the state of the output (o), and the second sensor means (S2) arranged to determine the state of the at least one input signal.

Amplifier according to one of Claims 1 to 4, in which, as a criterion for reducing the output current of the amplifier (V), firstly the output voltage (Uo) is less than a threshold value for the output voltage and secondly a positive input differential voltage (Ud) between two of the inputs (inm, imp) of the amplifier (V) is applied.

Amplifier according to claim 4 and 5, wherein - The first sensor means (S1) is arranged to detect whether the output voltage (Uo) is smaller than the threshold, and - The second sensor means (S2) is arranged to detect whether the positive input differential voltage (Ud) is present.

Amplifier according to Claim 5 or 6, in which, as a criterion for reducing the output current, the output voltage (Uo) is less than the threshold value and at the same time the output current (Io) is significantly increased.

Amplifier according to one of Claims 5 to 7, in which the threshold value for the output voltage (Uo) results from a reference voltage which is applied to a further input (bspoc) as a non-inverting input (imp) of the amplifier (V).

Circuit arrangement of an amplifier (V) according to one of the preceding claims and a thyristor protection circuit connected downstream of the amplifier (V) with a thyristor (T).

Circuit arrangement according to Claim 9, having an input control device (C) in front of the at least one input as an inverting input (imn) of the amplifier (V) and a further input as a non-inverting input (imp) of the amplifier (V), - Wherein the input signal with the input voltage (Uin) is applied to the inverting input (imn) and a reference voltage (Uref) is applied to the non-inverting input (inp), - Wherein the input control device (C) from the amplifier (V) / a flag (fl) can be applied as a control variable and additionally from the output (o) of the amplifier (V), the output voltage (Uo) applied to the input control device (C) and - wherein the input control device (C) is configured to reduce an input current and / or the input voltage (Uin) at the at least one input (inm) when the flag state of the flag (fl) is active.

Circuit arrangement according to Claim 9 or 10, with the input control device (C) in front of the at least one input (inm) of the amplifier (V), the input control device (C) being able to apply the / a flag (fl) as the control variable from the amplifier (V) and wherein the input control means (C) is additionally controlled by the output (o) of the amplifier (V), the input control means (C) being configured to supply an input current and / or the input voltage (Uin) to the at least one input (inm) active flag state of the flag (fl).

Method for operating a circuit arrangement according to one of Claims 9 to 11, in which the input control device (C) has at least one input (inm) of the amplifier (V), an input current and / or the input voltage (Uin) at the at least one input ( inm) is reduced when the flag state of the flag (fl) is active.

Method according to Claim 12, in which, when the flag (fl) is active, the current driving capability of the Output stage is limited so that the output current (Io) below a holding current (Ih) of the thyristor (T) decreases until the thyristor (T) is extinguished.

Method according to Claim 13, in which the output current (Io) of the amplifier (V) is adjusted in such a way that the output voltage (Uo) is also fed back to a connected load to a setpoint (Usoll) for the output voltage (Uo).

Method according to one of Claims 12 to 14, in which, after the thyristor (T) has extinguished, the amplifier is automatically reset to its normal mode with the characteristic states being eliminated.