DE2644402B1 - Elektronischer Schalter - Google Patents

Description

Source-Substrat und Drain-Substrat gesperrt zu halten. Zu diesem Zweck ist der Substratanschluß über einen Schalter K in der Position 1 mit dem Potential Vb= — Vi verbunden. Bei Ausfall dieser Vorspannung - V1 kann aber ein eventuell eingekoppeltes, negatives Potential VIN am Eingang den Source-Substrat-Übergang öffnen und so einen Substratstrom verursachen, der bei integrierter Ausführung (mehrere Schalter auf einem Chip) die Funktion der anderen Schalter beeinträchtigt. Außerdem wird der Drain-Source-Kanal ebenfalls leitend, wenn das negative Potential am Source-Anschluß über der Schwellspannung VT des MOS-Transistors liegt. Der Zusammenhang zwischen Schwellspannung VT des MOS-Transistors und der Source-Substrat-Spannung VSÄist gegeben durch:

VT= VTO+k₀ (fVSB+Φ -

mit ko = Konstante, Φ = Fermi-Potential und KTO=Source-Substrat-Spannung bei VSB=Q. Diese Abhängigkeit führt zu der Bedingung VD < VT, d. h., die Durchlaßspannung der Schutzdioden DA und DB muß unter der Schwellspannung VTüegen.

Zur Vermeidung der öffnung des Source-Substrat-Übergangs durch ein negatives Eingangspotential VIN ist eine Überwachungsschaltung UB vorgesehen, die die Vorspannung Vb-Va=-Vi überwacht. Fällt diese Vorspannung aus, veranlaßt die Überwachungsschaltung UB die Umschaltung des Schalters K in die Position 2, wodurch das Substrat über eine Diode D1 an Nullpotential gelegt wird. Die Diode D1 wirkt dann mit dem ebenfalls als Diode wirkenden Substrat-Source-Übergang zusammen (=antiparallelgeschaltete Dioden). Dadurch fällt praktisch die gesamte Eingangsspannung an der Diode D1 ab, am Source-Substrat-Übergang entsteht nur ein sehr geringer Spannungsabfall. Dies hat zur Folge, daß ein negatives Eingangspotential den Source-Substrat-Übergang nicht mehr öffnen kann. Damit wird bei integrierter Bauweise verhindert, daß die Eingänge und Ausgänge einer aus mehreren Schaltern bestehenden Matrix miteinander verkoppelt werden, die Ein- und Ausgänge bleiben vielmehr voneinander isoliert.

In Fig. Ib ist Va= + Vi und V&=0, hier ergibt sich als Vorspannung ebenfalls Vb- Va= — Vi. Ansonsten gilt auch hier das zu F i g. la Gesagte, lediglich mit dem Unterschied, daß die Vorspannungsquellen unterschiedlich belastet werden.

In Fig.2 ist ein Ausführungsbeispiel zur Überwachung der Vorspannung und Umschaltung dargestellt, das sich auf F i g. 1 a bezieht.

Die Vorspannung — Vi wird in Fig.2 mittels eines Spannungsteilers R1, R 2 aus einer Spannung — V2 erzeugt. Bei normalen Betriebsbedingungen wird der Substrat-Elektrode die Vorspannung - Vi zugeführt. Fällt diese Vorspannung aus, wird ein P-MOS-Transistör Ti gesperrt, da dann auch dessen Gate-Spannung ausfällt. In diesem Fall wird die Substrat-Elektrode des MOS-Transistors T über den Source-Substrat-Übergang geerdet, wobei der Source-Substrat-Übergang des Transistors Ti die Funktion der Diode Di in Fig. la übernimmt. Bei negativem Eingangspotential VBV und V2=0 fließt dann kein Substratstrom, und die Source-Substrat-Spannung VSB^O. Berücksichtigt man dies bei der Abhängigkeit der Schwellspannung VTvon der Source-Substrat-Spannung VSB (vgl. Gleichung Seite 3), ergibt sich VT=VTO und damit für die Durchlaßspannung der Schutzdioden DA, DB die Bedingung VD< VTO.

In F i g. 3 ist eine andere Möglichkeit dargestellt, die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe zu lösen. Ein N-MOS-Transistor T2 ist mit dem Substrat des Transistors T verbunden und versorgt dieses bei normalen Betriebsbedingungen mit der Vorspannung

— Vi. Bei Ausfall der Vorspannung sperrt der Drain-Source-Kanal von T2. Dessen Source-Substrat-Übergang bildet ebenfalls eine Diode, deren Polarität aber entgegengesetzt zur Polarität der Diode Di in Fig. la und im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 ist. Diese Diode (Substrat-Source-Übergang von T2) bildet dann zusammen mit der anderen Diode (Source-Substrat-Übergang von T) eine Serienschaltung zweier gleichgerichteter Dioden. Der Spannungsabfall am Source-Substrat-Übergang von Γ hängt dann von der Charakteristik beider Dioden ab, z. B. beträgt er « VD/2 bei gleicher Diodencharakteristik. Berücksichtigt man dies bei der Abhängigkeit der Schwellspannung VTvon der Source-Substrat-Spannung VSB, ergibt sich VT< VTO und damit VD< VT für die Durchlaßspannung VD der Schutzdioden VA und VB. Infolge der exponentiellen Abhängigkeit des Diodenstroms von der Diodenspannung verursacht bei vorhandener Source-Substrat-Spannung von VD/2 nur noch einen Substratstrom, der keine störenden Auswirkungen mehr hat.

Die in F i g. 2 und 3 dargestellten Lösungen sichern bei ihrer Anwendung in einer Koppelmatrix den »Aus«-Zustand eines Koppelelements gegen negativen Eingangsspannungen, die bei ungeschützten Koppelelementen bei integrierter Bauweise zu einer Störung der gesamten Koppelmatrix führen können:

— Die Durchschaltung der Drain-Source-Strecke negative Eingangsspannungen, die über der Schwellspannung liegen, wird durch die Schutzdioden verhindert,

— die Entstehung eines Substratstroms und damit parasitäre Verkoppelungen der Koppelelemente wird durch zusätzliche elektronische Bestandteile (z. B. Transistoren Π bzw. T2) verhindert. Diese zusätzlichen Bestandteile können bei integrierter Bauweise auf demselben Chip untergebracht werden wie die Koppelelemente, was nur einen geringen Aufwand erfordert

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen damit zu einer Erhöhung der Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit der Koppelelemente.

Zusätzlich kann noch vorgesehen werden, daß im Falle des Ausfalls der Vorspannung Vi die zusätzlichen Bauteile gleichzeitig mit den oben beschriebenen Reaktionen eine weitere Benutzung der Koppelelemente einer Koppelmatrix verhindern. Dies kann entweder durch Abschaltung aller Versorgungsspannungen der Koppelmatrix oder durch Meldung an eine zentrale Stelle erreicht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektronischer Schalter, gekennzeichnet durch einen N(P)-Kanal - MOS-Transistor, dessen Drain-Source-Anschlüsse mittels je einer Schutzdiode (DA, DB), deren Durchlaßspannung (VD) unter der Schwellspannung (VT) des MOS-Transistors liegt, mit einem ersten Potential (Va) und dessen Substratanschluß über einen ersten Ausgang eines Schalters (K) mit einem zweiten Potential (Vb) verbunden sind, wobei Va> Vb (Va< Vb) gewählt ist, und durch eine Überwachungsschaltung (UB), die im Falle des Potentialausfalls (Va=Vb) einen Schalter (K) betätigt, derart, daß das Substrat über einen zweiten Ausgang des Schalters (K) und über eine Diode (D 1) beliebiger Polarität an Nullpotential gelegt wird.

2. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung (UB), der Schalter (K) und die Diode (D 1) durch einen weiteren MOS-Transistor (Ti) realisiert sind, dessen Source-Anschluß mit dem Substrat-Anschluß des ersten Transistors (T) verbunden ist, dessen Drain-Anschluß am zweiten Potential (Vb=- Vi) liegt, dessen Substratanschluß geerdet ist, und der bei Ausfall der Vorspannung (— Vi) in den Sperrzustand schaltet.

3. Elektronischer Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate-Potential des MOS-Transistors und das zweite Potential (— Vi) aus einem gemeinsamen Potential (— V2) abgeleitet werden.

4. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1 und 2 oder 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Koppelelement in einer integrierten Koppelmatrix einer Femsprechvermittiungsanlage, wobei je eine Überwachungsschaltung (UB), ein Schalter (K) und eine Diode (Di) gemeinsam einer Koppelmatrix zugeordnet sind.

5. Elektronischer Schalter, gekennzeichnet durch einen N(P)-Kanal-MOS-Transistor, dessen Drain-Source-Anschlüsse mittels je einer Schutzdiode (DA, DB), deren Durchlaßspannung (VD) unter der Schwellspannung (VT) des MOS-Transistors liegt, mit Nullpotential und dessen Substratanschluß über die Drain-Source-Strecke eines zweiten MOS-Transistors (T2) mit negativem Potential (—VI) verbunden ist, wobei der Substratanschluß des zweiten Transistors (T2) ebenfalls mit dem negativen Potential (— Vi) verbunden ist, der Gate-An-Schluß geerdet ist und die Schwellspannung des zweiten Transistors (T2) über dem negativen Potential (-Vi) liegt.

6. Elektronischer Schalter nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Koppelelement in einer integrierten Koppelmatrix einer Fernsprechvermittlungsanlage, wobei jeder Koppelmatrix ein zweiter MOS-Transistor (T2) zugeordnet ist.

7. Elektronischer Schalter nach Anspruch 3 und 5, _fao dadurch gekennzeichnet, daß nach Ausfall der Vorspannung (-Vi) die betroffene Koppelmatrix für Vermittlungsaufgaben gesperrt ist.

8. Elektronischer Schalter nach Anspruch 1 und 4 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle ^ Bauelemente in integrierter Ausführung auf einem Chip untergebracht sind.

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter.

Die Verwendung elektronischer Schalter bringt die Schwierigkeit, daß infolge der physikalischen Eigenschaften der benutzten Halbleiterbauelemente, z. B. MOS-Transistoren, induktiv oder kapazitiv hervorgerufene Potentialänderungen auf einem Eingang zu einem anormalen Schaltverhalten des Schalters führen können, dies ist insbesondere bei integrierter Ausführung mehrerer Schalter unerwünscht, da auch andere Bauteile gestört werden und bei Verwendung als Koppelelemente Nebensprechen und Störgeräusche auftreten.

Bei einem N-MOS-Transistor wird für den normalen Betrieb vorausgesetzt, daß die Übergänge Source-Substrat und Drain-Substrat gesperrt sind, Drain und Source müssen positiver sein als das Substrat. Die Steuerung des MOS-Transistors geschieht durch öffnen und Schließen des Drain-Source-Kanals mittels der Gate-Source-Spannung. Dabei ist der Drain-Source-Kanal geöffnet, d. h. der Schalter geschlossen, wenn die Gate-Source-Spannung über der Schwellspannung des MOS-Transistors liegt.

Wenn aber das Potential des Eingangs negativ wird, öffnet sich der n-p-Übergang Source-Substrat, und Substratstrom fließt; bei gesperrtem Drain-Source-Übergang kann sich ein n-p-n-Transistor bilden, mit Emitter=Source, Basis=Substrat, Kollektor=Drain. Die Source-Drain-Strecke wird dadurch indirekt leitend, d. h", der Schalter wird geschlossen, ohne daß dies beabsichtigt gewesen wäre. Außerdem wird der Source-Drain-Kanal leitend, wenn das negative Potential des Source-Anschlusses über der Schwellspannung liegt

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Störungen des Schalters infolge eines negativen Potentials am Eingang zu vermeiden.

Dies erreicht die Erfindung durch einen N(P)-Kanal-MOS-Transistor, dessen Drain-Source-Anschlüsse mittels je einer Schutzdiode, deren Durchlaßspannung unter der Schwellspannung des MOS-Transistors liegt, mit einem ersten Potential und dessen Substratanschluß über einen ersten Ausgang eines Schalters mit einem zweiten Potential verbunden sind, wobei

Va>Vb(Va< Vb)

gewählt ist, und durch eine Überwachungsschaltung, die im Falle des Potentialausfalls (Va = Vb) einen Schalter betätigt, derart, daß das Substrat über einen zweiten Ausgang des Schalters und über eine Diode beliebiger Polarität an Nullpotential gelegt wird.

Damit ist es z. B. möglich, integrierte Koppelmatrizen mit MOS-Transistoren herzustellen, die gegen negatives Potential auf den Sprechadern ohne besonderen Aufwand geschützt sind.

Die Erfindung wird nun anhand von Figuren erläutert. Es zeigen

F i g. la und Ib ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters,

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel der Überwachungsschaltung gemäß F i g. 1 a,

Fig.3 ein Schaltbild gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung.

Fig. la zeigt ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen elektronischen Schalters. Drain- und Sourceanschluß des N-MOS-Transistors T sind mit Schutzdioden DA und DB beschaltet, die mit dem Potential Va=O (=geerdet) verbunden sind. Es ist daher erforderlich, das Substrat negativ vorzuspannen, um die Übergänge