DE19916685A1 - Schutzschaltung für aktive Bauelemente gegen Über- bzw. Unterspannung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für aktive Bauelemente gegen Über- bzw. Unterspannung, bestehend aus einem vor dem zu schützenden Bauelementeeingang (E1) seriell angeordneten Begrenzungswiderstand (Ri) sowie jeweils einer zwischen dem Verbindungspunkt (P3) von Begrenzungswiderstand (Ri) und Bauelementeeingang (E1) einerseits und den Versorgungspotentialen (Vdd; Vss) andererseits in Sperrichtung angeordneten Schutzdiode (Di1; Di2). Zwischen den Versorgungspotentialen (Vdd; Vss) ist eine Reihenschaltung aus einem Reihenwiderstand (R1) und jeweils einer Referenzdiode (D1; D2) angeordnet. Die Referenzdiode (D1; D2) ist in Durchlaßrichtung zwischen Versorgungspotential (Vdd; Vss) und Reihenwiderstand (R1) angeordnet. Der Widerstandswert des Reihenwiderstandes (R1) ist wesentlich kleiner als derjenige des Begrenzungswiderstandes (Ri). Mit dem Verbindungspunkt (P1; P2) von Reihenwiderstand (R1) und Referenzdiode (D1; D2) ist die Schutzdiode (Di1; Di2) mit ihrer vom Begrenzungswiderstand (Ri) entfernten Elektrode verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für aktive Bauelemente gegen Über- bzw. Unterspannung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Im allgemeinen sind am Eingang aktiver Bauelemente - wie Operationsver­ stärker, Komparatoren oder Gatter - Spannungen größer als die positive Ver­ sorgungsspannung bzw. kleiner als die negative Versorgungsspannung (ge­ gebenenfalls Ground) nicht erlaubt. In der Praxis kommt es aber nicht selten vor, daß Spannungen außerhalb des zulässigen Bereichs, z. B. bei Pegelum­ wandlung von CMOS in TTL, eingangsseitig zu einem solchen Baustein ge­ langen können. In diesen Fällen müssen Schutzmaßnahmen getroffen werden. Verschiedene aktive Bauelemente verhalten sich hierbei unterschiedlich. CMOS-Bausteine z. B. besitzen meistens ESD-Schutzdioden am Eingang, so daß im Zusammenwirken mit einem vorgelagerten Begrenzungswiderstand eine einfache Begrenzung des Eingangsstromes unter einem Wert, der im Datenblatt angegeben wird, ausreicht. Schwieriger und nicht selten ist es, wenn der Bauelementehersteller nur eine maximale Über- bzw. Unterschrei­ tung der positiven bzw. negativen Versorgungsspannung von 0,3 V zuläßt. Die einfachste und relativ häufig vom Bauelementehersteller empfohlene Lösung ist, wie vorstehend beschrieben extern zwei Schutzdioden zu beschalten. Da­ bei wird allerdings übersehen, daß es kaum Dioden gibt, die eine Durchlaß­ spannung kleiner als 0,3 V über dem gesamten Temperaturbereich und erfor­ derlichenfalls auch für größere Ströme vorweisen. Selbst Schottky-Dioden ge­ nügen nicht den gestellten Anforderungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kosten­ günstige Schutzschaltung für derartige Fälle anzugeben.

Ausgehend von einer Schutzschaltung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unab­ hängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteil­ hafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Durch die zwischen höherliegendem und tieferliegendem Versorgungspotential befindliche serielle Anordnung aus leitender Referenzdiode und Reihenwider­ stand und erforderlichenfalls weiterer durchlässiger Referenzdiode steht am Verbindungspunkt von Referenzdiode und Reihenwiderstand ein Referenz­ potential zur Verfügung, das um den Betrag der Durchlaßspannung der Refe­ renzdiode tiefer bzw. höher als das höher- bzw. tieferliegende Versorgungs­ potential liegt. An dieses Referenzpotential bzw. diese Referenzpotentiale wird die Schutzdiode bzw. werden die Schutzdioden angelegt, so daß mit Sicher­ heit sowohl im gesamten Temperaturbereich als auch in einem weiten Bereich des Begrenzungsstromes ein wirksamer Schutz des Einganges des aktiven Bauelementes vor unzulässigen Über- bzw. Unterspannungen besteht. Das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten von Reihenwiderstand und Be­ grenzungswiderstand ist so zu wählen, daß im Begrenzungsfall der durch den Begrenzungswiderstand und die jeweilige Schutzdiode fließende Strom keinen maßgeblichen Einfluß auf die Höhe des zugehörigen Referenzpotentials nimmt.

Sind die jeweilige Schutz- und Referenzdiode von gleicher Art, dann findet die Begrenzung auf dem Niveau des jeweiligen Versorgungspotentials statt. Für bestimmte Fälle ist es von Vorteil, wenn als Referenzdiode eine Si-Diode und als Schutzdiode dagegen eine Schottky-Diode verwendet wird, um das Be­ grenzungspotential unterhalb bzw. oberhalb des höherliegenden bzw. tieferlie­ genden Versorgungspotentials zu legen. Ebenso wird bei Verwendung gleich­ artiger Dioden als Schutzdiode und in Reihenschaltung als Referenzdiode oder bei Verwendung einer Z-Diode als Referenzdiode eine Verlagerung des Begrenzungspotentials erreicht.

Eine kostengünstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ergibt sich dadurch, daß nur eine einzige Reihenschaltung aus Reihenwider­ stand und Referenzdiode bzw. Referenzdioden zur Bereitstellung der Refe­ renzpotentiale für mehrere, jeweils in vorstehend geschilderter Weise mit ihrem Begrenzungswiderstand und wenigstens einer Schutzdiode beschaltete zu schützende Bauelementeeingänge vorgesehen wird.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgen­ den, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Schaltungsanordnung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine zweite Schaltungsanordnung mit einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt ein mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 1 beschaltetes aktives Bauelement B1, beispielsweise Ope­ rationsverstärker, das von einem höherliegenden Versorgungspotential Vdd (i. a. positiv) und von einem tieferliegenden Versorgungspotential Vss (i. a. negativ oder Ground) versorgt wird. Um die Signalspannung Vs am Bauele­ menteeingang E1 innerhalb eines weiten Bereiches der am Schaltungsein­ gang E1 anliegenden Eingangsspannung Vi auf einen zulässigen Spannungs­ bereich zu begrenzen, ist die nachfolgend erläuterte Schutzschaltung 1 vorge­ sehen. Diese enthält zwischen den Versorgungsspannungen Vdd und Vss eine Reihenschaltung aus einer ersten Referenzdiode D1, einem Reihenwi­ derstand R1 und einer zweiten Referenzdiode D2. Die Referenzdioden D1, D2 sind in Durchlaßrichtung gepolt. Der durch die Reihenschaltung D1, R1, D2 fließende Durchlaßstrom Id erzeugt an den Verbindungspunkten P1 und P2 von Reihenwiderstand R1 und erster bzw. zweiter Referenzdiode D1 bzw. D2 ein erstes bzw. zweites Referenzpotential Vref1 bzw. Vref2. Das erste Refe­ renzpotential Vref1 ist gegenüber dem höherliegenden Versorgungspotential Vdd um den Betrag der Durchlaßspannung Vd1 der ersten Referenzdiode D1 vermindert. Das zweite Referenzpotential Vref2 ist gegenüber dem tieferlie­ genden Versorgungspotential Vss um den Betrag der Durchlaßspannung Vd2 der zweiten Referenzdiode D2 erhöht. Zwischen Schaltungseingang E1 und dem Signaleingang E1 des Bauelementes B1 ist ein Begrenzungswiderstand Ri angeordnet, der wesentlich hochohmiger als der Reihenwiderstand R1 aus­ zulegen ist. Zwischen dem dritten Verbindungspunkt P3, in dem der Begren­ zungswiderstand R1 mit dem Signaleingang E1 verbunden ist, und dem ersten bzw. zweiten Verbindungspunkt P1 bzw. P2 ist je eine Schutzdiode Di1 bzw. Di2 angeordnet. Die erste Schutzdiode Di1 liegt mit ihrer Kathode an dem das höherliegende Referenzpotential Vref1 aufweisenden ersten Verbindungs­ punkt P1, und die zweite Schutzdiode Di2 liegt mit ihrer Anode an dem das tieferliegende Referenzpotential Vref2 aufweisenden zweiten Verbindungs­ punkt P1. Damit sind die Schutzdioden Di1 und Di2 im nichtbegrenzenden Falle gesperrt und im begrenzenden Falle durchlässig. Im begrenzenden Falle fällt an der ersten bzw. zweiten Schutzdiode Di1 bzw. Di2 die Durchlaßspan­ nung Vdi1 bzw. Vdi2 ab.

Die Signalspannung Vs wird auf den Bereich von Vsmin bis Vsmax begrenzt. Die Obergrenze für die Signalspannung Vs ergibt sich als

Vsmax = Vref1 + Vdi1 = Vdd - Vd1 + Vdi1.

Die Untergrenze für die Signalspannung Vs ergibt sich als

Vsmin = Vref2 - Vdi2 = Vss + Vd2 - Vdi2.

Bei Verwendung von Si-Dioden gleichen Typs für alle Dioden D1, D2, Di1, Di2 ergibt sich für die Obergrenze

Vsmax = Vdd

und für die Untergrenze

Vsmin = Vss,

also keine Über- bzw. Unterschreitung der Versorgungspotentiale Vdd und Vss. Bei Verwendung von Si-Dioden für die Referenzdioden D1, D2 Durchlaß­ spannungen Vd1, Vd2 ca. 0,65 V) und von Schottky-Dioden für die Schutz­ dioden Di1, Di2 (Durchlaßspannungen Vdi1, Vdi2 ca. 0,3 V) ergibt sich für die Obergrenze

Vsmax < Vdd

und für die Untergrenze

Vsmin < Vss,

also eine sichere Begrenzung unterhalb bzw. oberhalb des höherliegenden bzw. tieferliegenden Versorgungspotentials Vdd bzw. Vss.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zeigt ein mit einer abgewandelten erfin­ dungsgemäßen Schutzschaltung 2 beschaltetes aktives Bauelement B2, z. B. einen Komparator B2 (LM239), der von einem höherliegenden Versorgungs­ potential Vdd (+24 V) und von einem tieferliegenden Versorgungspotential Vss (Ground) versorgt wird. Außerdem ist ein mittleres, zwischen Vdd und Vss lie­ gendes Versorgungspotential Vcc (+5 V) vorgesehen. Im nichtbegrenzenden Fall ergibt sich die Signalspannung Vs an dem ersten Bauelementeeingang E1 aus der am Schaltungseingang Ei anliegenden Eingangsspannung Vi durch Multiplikation mit dem Teilungsverhältnis des Widerstandswertes eines zwi­ schen dem Verbindungspunkt P3 und Ground angeordneten Ableitwiderstan­ des R2 und der Summe der Widerstandswerte von Begrenzungswiderstand Ri und Ableitwiderstand R2. Zwischen dem mittleren Versorgungspotential Vcc und Ground ist weiterhin ein mit dem zweiten Bauelementeeingang E2 des Komparators B2 verbundener Spannungsteiler, bestehend aus den in Reihe geschalteten Teilerwiderständen R3 und R4, angeordnet, mit dem die Ver­ gleichsspannung für die Schaltschwelle der Signalspannung Vs festgelegt wird. Durch die Beschaltung der ersten Schutzdiode Di1 gegen das mittlere Versorgungspotential Vcc wird die Signalspannung auf eine Obergrenze Vsmax begrenzt, die weit unterhalb des höherliegenden Versorgungspotentials Vdd liegt. Zwischen den Versorgungsspannungen Vdd und Vss ist eine Rei­ henschaltung aus einem Reihenwiderstand R1 und einer Referenzdiode D2 angeordnet, die in Durchlaßrichtung gepolt ist. Der durch die Reihenschaltung R1, D2 fließende Durchlaßstrom Id erzeugt an dem Verbindungspunkt P2 von Reihenwiderstand R1 und Referenzdiode D2 ein Referenzpotential Vref2, das gegenüber dem tieferliegenden Versorgungspotential Vss um den Betrag der Durchlaßspannung Vd2 der Referenzdiode D2 höher liegt. Somit begrenzen der Begrenzungswiderstand R1 und die mit ihm verbundene und anodenseitig zum Verbindungspunkt P2 geführte zweite Schutzdiode D2 die Signalspan­ nung Vs auf eine Untergrenze Vsmin, die nicht das tieferliegende Versor­ gungspotential Vss unterschreitet. Bei Verwendung von Si-Dioden für die Schutzdioden Di1, Di2 und die Referenzdiode D2 (Durchlaßspannungen Vdi1, Vdi2, Vd2 = 0,65 V) ergibt sich somit für die Signalspannung Vs mit den in Fig. 2 konkret angegebenen Versorgungspotentialen eine Obergrenze Vsmax = +5,65 V und eine Untergrenze Vsmin = 0 V.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So läßt sich die Erfindung beispielsweise dahingehend abwandeln, daß statt einer einzelnen Referenzdiode D1 bzw. D2 eine Reihenschaltung mehrerer in gleicher Richtung gepolter Dioden verwen­ det wird oder eine Z-Diode Verwendung findet. Eine weitere, kostengünstige Abwandlung besteht darin, daß eine gemeinsame Reihenschaltung aus Rei­ henwiderstand R1 und Referenzdiode(n) D1, D2 für eine Mehrzahl von in übli­ cher Weise mit Begrenzungswiderstand und Schutzdiode(n) individuell be­ schalteten Bauelementeeingängen vorgesehen ist.

Bezugszeichenliste

1

;

2

Schutzschaltung
B1;B2 aktive Bauelement
D1; D2 Referenzdiode
Di1; Di2 Schutzdiode
E1; E2 Bauelementeeingang
E1 Schaltungseingang
Id Durchlaßstrom
P1; P2; P3 Verbindungspunkt
R1 Reihenwiderstand
R2 Ableitwiderstand
R3; R4 Teilerwiderstand
R1 Begrenzungswiderstand
Vd1; Vd2; Vdi1; Vdi2 Durchlaßspannung
Vi Eingangsspannung
Vs Signalspannung
Vcc; Vdd; Vss Versorgungspotential
Vref1; Vref2 Referenzpotential

Claims (5)

1. Schutzschaltung für aktive Bauelemente gegen Über- bzw. Unterspan­ nung, bestehend aus einem vor dem zu schützenden Bauelementeein­ gang (E1) seriell angeordneten Begrenzungswiderstand (R1) sowie einer bzw. erforderlichenfalls jeweils einer zwischen dem Verbindungspunkt (P3) von Begrenzungswiderstand (R1) und Bauelementeeingang (E1) einerseits und dem Versorgungspotential bzw. den Versorgungspotentialen ander­ seits in Sperrichtung angeordneten Schutzdiode (Di1; Di2), dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß zwischen den Versorgungspotentialen (Vdd; Vss) eine Reihen­ schaltung aus einem Reihenwiderstand (R1) und einer Referenzdiode (D2) bzw. erforderlichenfalls jeweils einer Referenzdiode (D1; D2) an­ geordnet ist, wobei die Referenzdiode (D1; D2) in Durchlaßrichtung zwischen Versorgungspotential (Vdd; Vss) und Reihenwiderstand (R1) angeordnet und der Widerstandswert des Reihenwiderstandes (R1) wesentlich kleiner als derjenige des Begrenzungswiderstandes (Ri) ist, und
• - daß mit dem Verbindungspunkt (P1; P2) von Reihenwiderstand (R1) und Referenzdiode (D1; D2) die Schutzdiode (Di1; Di2) mit ihrer vom Begrenzungswiderstand (Ri) entfernten Elektrode verbunden ist.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzdiode (D1; D2) eine Si-Diode und als Schutzdiode (Di1; Di2) eine Schottky-Diode vorgesehen ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzdiode (D1; D2) die Reihenschaltung mindestens zweier Dioden vorgesehen ist.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzdiode (D1; D2) eine Z-Diode vorgesehen ist.

5. Schutzschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit dem Verbindungspunkt (P1; P2) die wenigstens einem weiteren zu schützenden Bauelementeeingang zugeordnete Schutzdiode verbunden ist.