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Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung, insbesondere eine Darlington-Endstufe, zum Schalten hoher Ströme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine Darlington-Schaltung wird zum Schalten hoher Ströme eingesetzt, wenn die Stromverstärkung eines einzelnen Transistors nicht ausreicht. Im Bereich der Automobiltechnik wird eine Darlington-Schaltung beispielsweise in der Zündschaltung verwendet, um den Zündstrom dynamisch ein- und auszuschalten. Darlington-Schaltungen bestehen aus zwei oder mehreren Transistorstufen mit jeweils wenigstens einem Bipolartransistor, die kaskadenartig miteinander verschaltet sind, so dass die gesamte Stromverstarkung in erster Näherung gleich dem Produkt der Stromverstärkungen der einzelnen Stufen ist.
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Aus der
EP 0 230 176 B1 ist eine Schaltungsanordnung zum Schalten höherer Ströme bekannt, mit mehreren Transistoren, die in einer wenigstens zweistufigen Darlington-Schaltung miteinander verschaltet sind. Dabei weist wenigstens eine der Stufen mehrere parallel geschaltete Transistoren auf. Mehrere der parallel geschalteten Transistoren einer Stufe weisen jeweils einen eigenen Ableitwiderstand auf, der zwischen die Basis und den Emitter der Transistoren geschaltet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein einziger Ableitwiderstand für alle Transistoren vorhanden ist. Alternativ kann auch jeder der parallel geschalteten Transistoren einen eigenen Ableitwiderstand aufweisen.
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Aus der
DE 39 12 176 A1 sind Schaltungsanordnungen für Darlington-Transistoren bekannt, bei denen zur Verlangsamung des Stromanstiegs Vorstufentransistoren eingesetzt werden, die den Endstufentransistoren vorgeschaltet sind.
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1 zeigt eine dreistufige Darlington-Schaltung mit jeweils einem Bipolartransistor T1, T2, T3 pro Stufe. Die drei Stufen der Darlington-Schaltung sind mit den Bezugszeichen 1, 2, 3 bezeichnet. Wie zu erkennen ist, sind die Emitter der Transistoren T1, T2 einer ersten Stufe (1 oder 2) jeweils mit der Basis der Transistoren T2, T3 einer nachfolgenden Stufe (2 oder 3) verbunden. Sämtliche Transistoren T1–T3 haben einen gemeinsamen Kollektoranschluss C, an dem jeder der Transistoren T1–T3 angeschlossen ist, und einen gemeinsamen Emitteranschluss E, an dem nur der Emitter des Transistors T3 angeschlossen ist.
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Bei der dargestellten dreistufigen Darlington-Schaltung handelt es sich um eine sogenannte normale Darlington-Schaltung, da sämtliche Darlington-Transistoren T1–T3 vom gleichen Basistyp sind (im vorliegenden Fall npn-Transistoren). Wahlweise kann auch eine sogenannte komplementäre Darlington-Schaltung, in der sowohl npn- als auch pnp-Transistoren verschaltet sind, oder eine Darlington-Schaltung mit pnp-Transistoren verwendet werden.
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Der Transistor T4 ist ein als Diode verschalteter Transistor und dient zum Schutz der Darlington-Schaltung gegen Falschpolung.
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Eine Darlington-Schaltung hat eine durch die Auslegung der einzelnen Transistoren vorgegebene Spannungsfestigkeit. Die Spannungsfestigkeit entspricht derjenigen Kollektor-Emitter-Spannung UCE, ab der wenigstens einer der Transistoren T1–T3 – meist ist dies ein Transistor T3 der letzten Stufe 3 –, vom gesperrten in den leitenden Zustand übergeht, d. h. ein Durchbruch der Transistoren T1–T3 erfolgt.
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Die Spannungsfestigkeit ist durch die Auslegung der Schaltung im wesentlichen vorgegeben, kann jedoch innerhalb vorgegebener Grenzen eingestellt werden. Zu diesem Zweck wird ein sogenannter Ableitwiderstand Ra verwendet, der zwischen Basis und Emitter einer Transistorstufe geschaltet wird. In 1 ist ein Ableitwiderstand Ra zwischen Basis und Emitter des Transistors T3 geschaltet.
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Je nach Große des Ableitwiderstandes Ra kann die Spannungsfestigkeit zwischen einer minimalen Spannungsfestigkeit und einer maximalen Spannungsfestigkeit (z. B. zwischen 270 V und 500 V) eingestellt werden. Dabei ergibt ein maximaler Ableitwiderstand Ra = ∞ (unbeschaltet) eine minimale Spannungsfestigkeit (z. B. 270 V) und ein minimaler Ableitwiderstand Ra = 0 Ω (Kurzschluss) eine maximale Spannungsfestigkeit (z. B. 500 V). Bei der Auswahl der Grosse des Ableitwiderstandes Ra ist ublicherweise eine Kompromiß zwischen dem Sperr- und Leitverhalten der beschalteten Transistoren zu finden.
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2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte, dreistufige Darlington-Schaltung mit mehreren Transistorstufen 1, 2, 3, die im wesentlichen wie in 1 miteinander verschaltet sind. Im Unterschied zu 1 umfassen die Transistorstufen 2 und 3 jedoch mehrere parallel zueinander geschaltete Transistoren T21–T25, T31–T37. Durch die Parallelschaltung der einzelnen Transistoren T2i, T3i kann eine noch höhere Stromverstärkung erreicht werden.
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Hinsichtlich ihrer Funktion kann die erste Transistorstufe 1 auch als Vortreiberstufe, die zweite Transistorstufe 2 als Treiberstufe und die dritte Transistorstufe 3 als Schalt-Endstufe bezeichnet werden.
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Die Ansteuerung der dreistufigen Darlington-Schaltung erfolgt über die Basisanschlüsse B1, B2, an denen ein Steuergerät oder eine weitere integrierte Schaltung (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Dabei dient der Anschluss B1, der mit der Basis des Transistors T1 verbunden ist, zum Ein- und Ausschalten des Transistors T1. Der Basisanschluss B2 ist mit den Basen der Transistoren T21–T25 verbunden und dient zur Spannungsbegrenzung.
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Zur Verbesserung der Spannungsfestigkeit ist fur jede Stufe der Darlington-Schaltung ein „globaler” Ableitwiderstand Ra1, Ra2 bzw. Ra3 vorgesehen. Der globale Ableitwiderstand kann entweder unmittelbar zwischen der gemeinsamen Basis und dem gemeinsamen Emitter einer Transistorstufe 1, 2 oder 3 (Ableitwiderstande Ra1, Ra2 bzw. Ra3) oder zwischen der Basis der Transistoren T2i, T3i einer Transistorstufe 1, 2, 3 und dem gemeinsamen Emitter E der Gesamtschaltung geschaltet sein (Ableitwiderstande Ra1', Ra2'). Beide Alternativen sind in 2 dargestellt. Wie zu erkennen ist, hat eine Schaltstufe mit mehreren parallel geschalteten Transistoren T2i, T3i, wie beispielsweise die Stufe 2 oder 3, nur einen globalen, ihr zugeordneten Ableitwiderstand Ra2, Ra2' bzw. Ra3.
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In der Schaltanordnung von 2 sind ferner mehrere Emitterwiderstände Re2i, Re3i, die jeweils zwischen den Emittern zweier benachbarter, parallel geschalteter Transistoren T2i bzw. T3i, und Basiswiderstände Rb3i, die jeweils zwischen den Basen zweier benachbarter, parallel geschalteter Transistoren T3i angeordnet sind, eingezeichnet. Die Emitterwiderstände Re2i, Re3i und die Basiswiderstände Rb3i sind Leitungswiderstande und ergeben sich aus dem Widerstand der Verbindungsleitungen zwischen den parallel geschalteten Transistoren T2i und T3i bzw. aus dem Leitungswiderstand von Verbindungsleitungen zwischen den Transistoren T35–T37 und dem gemeinsamen Emitter E.
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Die Basiswiderstande Rb3i und die Emitterwiderstände Re2i, Re3i bewirken unterschiedliche Basis-Emitter-Spannungen an den einzelnen Transistoren T2i, T3i einer Stufe 2, 3 und verursachen somit ein unterschiedliches Sperrverhalten der Transistoren T2i, T3i. Daher kann es vorkommen, dass beispielsweise ein Transistor T35 früher in den leitenden Zustand übergeht als beispielsweise ein Transistor T31. Die Spannungsfestigkeit der Schaltung ist dadurch insgesamt beeinträchtigt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Spannungsfestigkeit einer mehrstufigen Darlington-Schaltung zu verbessern.
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Gelost wird diese Aufgabe gemaß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteranspruchen.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, bei einer wenigstens zweistufigen Darlington-Schaltung, die wenigstens eine Stufe mit mehreren parallel geschalteten Transistoren aufweist, die parallel geschalteten Transistoren jeweils mit einem eigenen Ableitwiderstand zu versehen. Diese lokalen Ableitwiderstände sind vorzugsweise direkt zwischen den Basis-Anschluß und den Emitter-Anschluss der parallel geschalteten Transistoren geschaltet. Die einzelnen Ableitwiderstände können von ihrer Große so gewählt werden, dass die parallel geschalteten Transistoren einer Stufe im wesentlichen das gleiche Sperrverhalten zeigen. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Spannungsfestigkeit der parallel geschalteten Transistoren erreicht.
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Die Grosse der Ableitwiderstände wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Fläche (insbesondere der Emitterfläche) der einzelnen parallel geschalteten Transistoren gewählt. Gleich große Transistoren haben dabei vorzugsweise gleich große Ableitwiderstände.
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Fur die Berechnung der lokalen Ableitwiderstände kann beispielsweise folgende Beziehung herangezogen werden:
wobei Ae
T1 die Emitterflache eines Transistors Ti ist und Ri der Widerstandswert eines globalen Ableitwiderstands ist, wie er im Stand der Technik gemaß
2 verwendet worden wäre.
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Wahlweise kann der lokale Ableitwiderstand eines Transistors auch individuell, z. B. in Abhängigkeit von der am Transistor anliegenden Basis-Emitter-Spannung, realisiert werden.
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Gemaß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist die Darlington-Schaltung dreistufig aufgebaut, wobei die zweite und dritte Schaltstufe jeweils mehrere parallel geschaltete Transistoren aufweisen, die jeweils einen eigenen Ableitwiderstand haben.
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Die Ableitwiderstande bestehen vorzugsweise aus einem Diffusionsgebiet mit dem gleichen Leitungstyp wie die Basis des Transistors.
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Das Diffusionsgebiet der Ableitwiderstände, das beispielsweise streifenartig gebildet sein kann, grenzt an einer Seite vorzugsweise unmittelbar an das Basisgebiet eines Transistors an. Das Basisgebiet geht also direkt in das Widerstandsgebiet uber.
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Gemäß einer bevorzugten, besonders platzsparenden Ausfuhrungsform grenzt das Widerstands-Diffusionsgebiet an einer anderen Seite unmittelbar an den Emitter eines Transistors an.
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Das Diffusionsgebiet des Ableitwiderstandes ist vorzugsweise vom Basisgebiet und vom Emittergebiet eines Transistors umschlossen. Auf diese Weise können die Ableitwiderstände besonders kompakt und platzsparend angeordnet werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer dreistufigen Darlington-Schaltung gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine Darstellung einer dreistufigen Darlington-Schaltung gemäß dem Stand der Technik mit mehreren Ableitwiderstanden;
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3 eine dreistufige Darlington-Schaltung gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung; und
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4a–4c verschiedene Layouts eines Bipolartransistors mit einem zugehörigen lokalen Ableitwiderstand in unterschiedlichen Ausfuhrungsformen.
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Bezüglich der Erläuterung der 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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3 zeigt eine Schaltvorrichtung zum Schalten hoher Ströme in Form einer dreistufigen Darlington-Schaltung, die im wesentlichen wie die Schaltung von 2 aufgebaut ist. Die Darlington-Schaltung umfasst eine erste Stufe 1 (Vortreiberstufe), eine zweite Stufe 2 (Treiberstufe) und eine dritte Stufe 3 (Schalt-Endstufe). Jede der Stufen 1, 2, 3 umfasst einen oder mehrere parallel geschaltete Transistoren T1, T2i, T3i. Dabei ist jeweils der Emitter-Anschluss eines Transistors einer ersten Stufe 1, 2 mit dem Basisanschluß der Transistoren T2i, T3i einer nachfolgenden Stufe 2 bzw. 3 verschaltet.
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Zwischen den Emittern bzw. Basen der parallel geschalteten Transistoren T2i, T3i ergeben sich Layout bedingte Leitungswiderstände Re2i, Re3i bzw. Rb3i. Die Darlington-Schaltung umfasst ferner einen gemeinsamen Kollektor-Anschluss C und einen gemeinsamen Emitter-Anschluss E, zwischen denen die zu schaltende Kollektor-Emitter-Spannung UCE anliegt. Die Steuerung der Schaltung erfolgt über die Basisanschlüsse B1, B2.
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Jeder der parallel geschalteten Transistoren T2i, T3i hat einen eigenen Ableitwiderstand Ra2i, Ra3i, der unmittelbar zwischen Basis und Emitter jedes Transistors T2i, T3i geschaltet ist. Hierdurch kann im Vergleich zu einem globalen Ableitwiderstand, wie er aus dem Stand der Technik von 2 bekannt ist, ein gleichmäßigeres Sperrverhalten der einzelnen Transistoren T2i, T3i erreicht werden. Der Transistor T1 der ersten Stufe 1 benötigt nicht unbedingt einen eigenen Ableitwiderstand Ra.
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Die Ableitwiderstände Ra2i, Ra3i werden vorzugsweise in Abhangigkeit von der Größe (Emitterfläche) der Transistoren T2i, T3i gewählt. Bei Verwendung gleicher Transistoren T2i, T3i in einer Stufe sind bei auch die Ableitwiderstande Ra2i bzw. Ra3i der Stufe 2 bzw. 3 gleich groß.
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4a zeigt das Layout eines npn-Bipolartransistors T2i, T3i mit einem zugehörigen Ableitwiderstand Ra gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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Der Bipolartransistor umfasst ein n+-dotiertes Emittergebiet 11 und eine p+-dotierte Basis 12. Das Emittergebiet 11, das eine im wesentliche E-förmige Gestalt mit gleich langen Schenkeln aufweist, und das Basisgebiet 12, das eine im wesentlichen U-formige Gestalt aufweist, greifen kammartig ineinander. Die Emitter und Basis-Diffusionsgebiete 11, 12 sind in einem p–-dotierten Diffusionsgebiet 10 auf einem Substrat angeordnet.
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4a zeigt ferner einen separat zum Transistor T2i, T3i angeordneten Ableitwiderstand Ra. Dieser besteht im wesentlichen aus einem streifenförmigen Diffusionsgebiet 13, das aus dem gleichen Leitungstyp hergestellt ist wie die Basis 12 des Transistors T2i, T3i (im vorliegenden Beispiel also p+). Der Ableitwiderstand Ra hat ferner zwei gegenuberliegende Kontaktenden 16, von denen eines über eine Metallisierung (nicht gezeigt) mit der Basis 12 (B) des Transistors T2i, T3i und das andere mit dem Emitter 11 (E) verbunden ist.
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4b zeigt eine kompaktere Ausführungsform eines npn-Bipolartransistors mit einem zugehörigen Ableitwiderstand Ra. Das Emittergebiet 11 hat wiederum eine E-formige Gestalt und greift mit dem U-formigen Basisgebiet 12 kammförmig ineinander. Der Ableitwiderstand Ra ist in diesem Fall jedoch direkt angrenzend an das Basisgebiet 12 gebildet und wird vom Basisgebiet 12 vollstandig umschlossen.
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Der Ableitwiderstand Ra hat nur ein Kontaktende 16, das über eine Emitter-Metallisierung 15 mit dem Emitter 11 elektrisch verbunden ist. Die andere Seite des linienförmigen Widerstands-Diffunsionsgebiets 13 geht direkt in das Basis-Diffusionsgebiet 12 über. Die Basis 12 ist über eine Basis-Metallisierung 14 kontaktiert.
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4c zeigt eine noch kompaktere und platzsparendere Transistor-Ableitwiderstand-Anordnung. Der Transistor T2i, T3i umfasst wiederum einen E-förmigen Emitter 11 und eine U-formige Basis 12, die kammartig ineinander greifen, wobei der Ableitwiderstand Ra innerhalb der U-förmigen Basis 12, zwischen der Basis 12 und dem mittleren Schenkel des Emitters 11 angeordnet ist. Der Ableitwiderstand Ra besteht aus einem streifenformigen Diffusionsgebiet 13, das an einer Seite aus dem Diffusionsgebiet der Basis 12 hervorgeht und an der anderen Seite unmittelbar am Diffusionsgebiet n– des Emitters 11 angrenzt. Das emitterseitige Kontaktende 16 des Ableitwiderstands Ra ist dabei vorzugsweise wenigstens teilweise in das Diffusionsgebiet des Emitters 11 eingebettet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erste Transistorstufe
- 2
- Zweite Transistorstufe
- 3
- Dritte Transistorstufe
- T1, T2i, T3i
- Transistoren
- Rai
- Ableitwiderstande
- Rei
- Emitter-Leitungswiderstände
- Rbi
- Basis-Leitungswiderstande
- C
- gemeinsamer Kollektor
- E
- gemeinsamer Emitter
- B1, B2
- Steueranschlusse
- 10
- Basisgebiet
- 11
- Emittergebiet
- 12
- Basisgebiet (Aufdotierung)
- 13
- Widerstands-Diffusionsgebiet
- 14
- Basis-Metallisierung
- 15
- Emitter-Metallisierung
- 16
- Kontaktende
