DE3026233A1

DE3026233A1 - MONOLITHICALLY INTEGRATED CIRCUIT AND THEIR USE IN A HEART PACEMAKER

Info

Publication number: DE3026233A1
Application number: DE19803026233
Authority: DE
Inventors: Anders Dr. Stockholm Lekholm; Hans Dipl.-Ing. Sundbyberg Strandberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-07-10
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1982-02-11
Also published as: ATE4615T1; EP0043957B1; AU7270581A; EP0043957A1

Abstract

1. A monolithic integrated circuit, in which components are formed in a doped substrate by differently doped regions, and in which the substrate is firmyl connected to that pole of a supply voltage source which causes the junction between the component and the substrate to be in the blocking state, characterized in that on the occurence of a voltage external to the supply voltage such that the junction would become conductive, the substrate (9) is connected approximately to this voltage.

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT - <\~ Unser Zeichen Berlin und München VPA 80 P 5956 DESIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT - <\ ~ Our reference Berlin and Munich VPA 80 P 5956 DE

Monolithisch integrierte Schaltung und deren Verwendung in einem Herzschrittmacher Monolithic integrated circuit and its use in a pacemaker

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Schaltung, bei der in einem dotierten Substrat durch unterschiedlich dotierte Bereiche Bauelemente gebildet sind und bei der das Substrat fest mit demjenigen Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, der bewirkt, daß der Übergang zwischen den Bauelementen und Substrat sperrt.The invention relates to a monolithic integrated circuit in which in a doped substrate by differently doped areas components are formed and in which the substrate is fixed to that pole a supply voltage source is connected, which causes the transition between the components and Substrate locks.

Bei der Erzeugung monolithisch integrierter Schaltungen geht man beispielsweise von einer p-dotierten Siliziumunterlage als Substrat aus. In dieses Substrat werden in den Bereichen, in denen Bauelemente wie Transistoren oder Widerstände entstehen sollen, η-dotierte Schichten eindiffundiert, die vollständig von p-dotiertem Silizium umgeben sind. Durch weitere Diffusionsphasen können in diesen η-dotierten Bereichen beispielsweise die Kollektor-Basis-Sperrschicht, Widerstände und schließlich auch der Emitter entstehen. Die Isolierung zwischen den Bauelementen erfolgt durch die zwischen Substrat und der ersten η-dotierten Diffusionsschicht bestehende pn-Verbindung, die so vorgespannt ist, daß sie eine Sperrschicht bildet (Transistor-Handbuch von Jan Hendrik Jansen, Franzis-Verlag, München (1980), Seite 125). Üblicherweise ist dazu das p-dotierte Substrat mit dem negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Bei einer Umkehr der verschiedenen Dotierungen ändert sich entsprechend auch das Vorzeichen des Versorgungs-Spannungsanschlusses. When producing monolithically integrated circuits, a p-doped silicon substrate is used, for example as a substrate. In this substrate are in the areas in which components such as transistors or resistors should arise, η-doped layers diffused in, which are completely made of p-doped silicon are surrounded. Through further diffusion phases, for example, the collector-base barrier layer, Resistances and finally also the emitter arise. The insulation between the components takes place through the pn connection existing between the substrate and the first η-doped diffusion layer, which is biased so that it forms a barrier layer (transistor manual by Jan Hendrik Jansen, Franzis-Verlag, Munich (1980), page 125). Usually, the p-doped substrate is connected to the negative pole of the supply voltage source connected. When reversing the various dopings changes The sign of the supply voltage connection also changes accordingly.

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- VPA 80 P 5956 DE Solange bei einer derartigen Schaltung die Spannung an den einzelnen Bauelementen nicht größer wird als die Versorgungsspannung, bilden die pn-Ubergänge zwischen Substrat und Bauelementen stets Sperrschichten. Sinkt (steigt) jedoch die äußere Spannung unter (über) die negative (positive) Versorgungsspannung, so kann es vorkommen, daß die zur Isolation zwischen den Bauteilen vorgesehene pn-Verbindung in Durchlaßrichtung betrieben wird. Das würde zu einem großen Leckstrom und damit zu einer Spannungsverfälschung führen. Derartige problematische äußere Spannungen können bei einer monolithisch integrierten Schaltung beispielsweise durch eine Spannungsverdopplung auftreten. - VPA 80 P 5956 DE As long as the voltage on the individual components does not exceed the supply voltage in such a circuit, the pn junctions between the substrate and the components always form barrier layers. However, if the external voltage falls (rises) below (above) the negative (positive) supply voltage, it can happen that the pn connection provided for insulation between the components is operated in the forward direction. This would lead to a large leakage current and thus to a voltage corruption. Such problematic external voltages can occur in a monolithically integrated circuit, for example, as a result of voltage doubling.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktion einer Schaltung der eingangs genannten Art auch dann sicherzustellen, wenn äußere Spannungen auftreten, die außerhalb der Versorgungsspannung liegen. Die Isolation zwischen den einzelnen Bauelementen der Schaltung sowie zwischen diesen und dem Substrat soll auch in einem solchen Fall gewährleistet sein.The present invention is based on the object of improving the function of a circuit of the type mentioned at the beginning to be ensured even if external voltages occur which are outside the supply voltage. The isolation between the individual components of the circuit as well as between these and the substrate should also be guaranteed in such a case.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Auftreten einer Spannung außerhalb der Versorgungsspannung in der Art, daß der übergang leitend würde, das Substrat annähernd an diese Spannung angeschlossen ist. Handelt es sich beispielsweise wiederum um eine monolithische Schaltung in einem p-dotierten Substrat, das zunächst mit dem Minuspol der Versorgungsspannung verbunden ist, so wird beim Auftreten einer Impulsspannung, die negativer ist als die negative Versorgungsspannung, das Substrat direkt an diese niedrigere Spannung angeschlossen. Die Substratspannung folgt also immer der negativsten Spannung. Damit ist sichergestellt, daß die pn-Verbindung zwischen Substrat und Bauelementen als Sperrschicht wirkt.According to the invention, this object is achieved in that when a voltage occurs outside the supply voltage in such a way that the junction would become conductive, the substrate is approximately connected to this voltage is. For example, if it is again a monolithic circuit in a p-doped substrate, which is initially connected to the negative pole of the supply voltage, when a pulse voltage occurs, which is more negative than the negative supply voltage, the substrate directly to this lower voltage connected. The substrate voltage therefore always follows the most negative voltage. This ensures that the pn connection between substrate and components acts as a barrier layer.

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/ VPA 80 P 5956 DE Eine einfache Möglichkeit zur Realisierung dieser Spannungsnachführung besteht darin, daß das Substrat über einen Widerstand an den Pol der Versorgungsspannungsquelle und über einen Schalter an die äußere Spannung angeschlossen ist. Als Schalter kann dabei vorteilhaft ein Transistor vorgesehen sein. Solange der Schalter geöffnet ist, liegt das Substrat auf dem gleichen Potential wie der negative Pol der Versorgungsspannungsquelle. Wird der Schalter geschlossen bzw. steuert der Transistor durch, so entspricht das Potential des Substrats bis auf einen geringen Spannungsabfall am Transistor dem der äußeren Spannung. Die pn-Verbindungen zwischen Substrat und den Bauelementen sperren weiterhin. Lediglich über den Widerstand, über den das Substrat an den Pol der VersorgungsSpannungsquelle angeschlossen ist, fließt ein kleiner Leckstrom. Macht man diesen Widerstand entsprechend hochohmig, so kann dieser Leckstrom praktisch vernachlässigt werden./ VPA 80 P 5956 EN A simple way of implementing this voltage tracking consists in that the substrate is connected to the pole of the supply voltage source via a resistor and is connected to the external voltage via a switch. As a switch can be advantageous a transistor may be provided. As long as the switch is open, the substrate is at the same potential like the negative pole of the supply voltage source. If the switch is closed or controls the Transistor through, the potential of the substrate corresponds to a small voltage drop across the transistor that of external tension. The pn connections between the substrate and the components continue to block. Only via the resistor via which the substrate is connected to the pole of the supply voltage source a small leakage current flows. If this resistance is made correspondingly high, it can Leakage current can be practically neglected.

Besonders vorteilhaft läßt sich diese erfindungsgemäße Schaltung für einen Herzschrittmacher verwenden. Überwiegend wird in Herzschrittmachern als Versorgungsspannungsquelle eine Batterie verwendet. Durch die erfindungsgemäße Schaltung ist es bei niedriger Batteriespannung durch eine einfache Spannungsverdopplung möglich, Stimulierungsimpulse mit ausreichender Amplitude zu erzielen. This can be particularly advantageous according to the invention Use circuit for a pacemaker. Mainly used in pacemakers as a supply voltage source uses a battery. The circuit according to the invention means that the battery voltage is low by simply doubling the voltage, it is possible to achieve stimulation pulses with sufficient amplitude.

Im folgenden wird anhand von drei Figuren die erfindungsgemäße Schaltung und ihre Verwendung in einem Herzschrittmacher näher beschrieben und erläutert.In the following, the circuit according to the invention and its use in a cardiac pacemaker will be described with reference to three figures described and explained in more detail.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer monolithisch integrierten Schaltung für einen Herzimpulsgenerator mit Spannungsverdopplung;1 shows a section of a monolithically integrated circuit for a heart pulse generator with voltage doubling;

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- " VPA 80 P 5956 DE Fig. 2 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf am Emitter des Transistors T32 gemäß Fig. 1; - " VPA 80 P 5956 DE FIG. 2 shows the voltage profile over time at the emitter of the transistor T32 according to FIG. 1;

Fig. 3 schließlich zeigt in einer schematischen Teildarstellung den Aufbau des Monolithkreises.Finally, FIG. 3 shows the structure of the monolith circle in a schematic partial representation.

Fig. 1 zeigt innerhalb einer strichlierten Fläche 1 den monolithisch integrierten Sdaltungsteil eines Herzimpulsgenerators und außerhalb dieser Fläche die externen Anschlüsse und Elemente. Die Versorgungsspannung von beispielsweise 2,5 V wird von einer nicht dargestellten Batterie geliefert, deren Minuspol 2 auf Masse liegt, d. h. mit dem Körper verbunden ist. Der Pluspol ist mit 3 bezeichnet. Der äußere Widerstand R4 symbolisiert das Herz.Fig. 1 shows within a dashed area 1 the monolithically integrated circuit part of a heart pulse generator and outside this area the external connections and elements. The supply voltage 2.5 V, for example, is supplied by a battery (not shown), the negative pole 2 of which is connected to ground lies, d. H. connected to the body. The positive pole is labeled 3. The external resistance R4 symbolizes the heart.

Der Monolithkreis enthält vier npn-Transistoren T31 bis T34 sowie eine Reihe von Widerständen R1 bis R3, R5 bis R9. Das Substrat 9 ist p-dotiert. An den Ausgang 4 ist ein Kondensator C11 angeschlossen, von dem eine Elektrode 5 zum Herzen, d. h. in der Schaltung zum Widerstand R4, führt. Weiterhin sind der Kollektor des Transistors T31 und der Emitter des Transistors T32 zu Anschlüssen 6 bzw. 7 herausgeführt, zwischen die ein weiterer Kondensator C12 geschaltet ist. Die Basis des Transistors T34 ist zu einem Anschluß 8 herausgeführt, an den eine nicht dargestellte Steuereinrichtung für die Impulsdauer und Impulsfrequenz angeschlossen ist. Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende: Solange der Transistor T34 sperrt, sperren auch die übrigen Transistoren. Dann sind die Anschlüsse 4 bzw. 6 über die Widerstände R2 bzw. R1 mit dem Pluspol 3 der Batterie verbunden. Die andere Seite dieser Kondensatoren liegt über die Widerstände R4 bzw. R3 auf Masse. Beide Kondensatoren laden sich auf die Batteriespannung auf. Der über das Herz (Widerstand R4) fließende Lade-The monolith circuit contains four npn transistors T31 to T34 and a number of resistors R1 to R3, R5 to R9. The substrate 9 is p-doped. A capacitor C11 is connected to output 4, one of which is electrode 5 to the heart, d. H. in the circuit to resistor R4. Furthermore are the collector of the transistor T31 and the emitter of the transistor T32 led out to connections 6 and 7, respectively, between which another Capacitor C12 is connected. The basis of the Transistor T34 is led out to a terminal 8 to which a control device, not shown, for the Pulse duration and pulse frequency is connected. The way the circuit works is as follows: As long as the transistor T34 blocks, the other transistors also block. Then the connections are 4 and 6 respectively connected to the positive terminal 3 of the battery via the resistors R2 and R1. The other side of these capacitors is connected to ground via resistors R4 and R3. Both capacitors charge to the battery voltage on. The charge flowing through the heart (resistor R4)

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VPA 80 P 5956 DE strom wird durch Wahl des Widerstandes R2 so klein gewählt, daß eine Anregung des Herzens unterbleibt.VPA 80 P 5956 DE current is selected by choosing the resistor R2 so small that that there is no stimulation of the heart.

Wird an den Anschluß 8 ein positiver Spannungsimpuls gelegt, so steuern der Transistor T34 und damit auch die anderen Transistoren T31 bis T33 durch. Dadurch liegt der Anschluß 6 des Kondensators C12 über den Transistor T31 direkt an Masse. Der Anschluß 7 dieses Kondensators weist ein um die Batteriespannung niedrigeres Potential auf und wird über den Transistor T32 direkt mit dem Ausgang 4 und dem Kondensator C11 verbunden, dessen andere Seite dadurch ein Potential aufweist, das um die doppelte Batteriespannung negativer ist als das Massepotential. Es kommt zu einem stimulierenden Spannungsimpuls durch das Herz (Widerstand R4). Die Anfangsamplitude dieses Impulses entspricht zweimal der Batteriespannung. If a positive voltage pulse is applied to the connection 8, the transistor T34 and thus also control the other transistors T31 to T33 through. As a result, terminal 6 of capacitor C12 is connected to the transistor T31 directly to ground. Terminal 7 of this capacitor has a potential lower by the battery voltage and is activated directly via transistor T32 connected to the output 4 and the capacitor C11, the other side of which thereby has a potential which is more negative than the ground potential by twice the battery voltage. A stimulating voltage pulse occurs through the heart (resistance R4). The initial amplitude of this pulse is twice the battery voltage.

Während dieses Spannungsimpulses ist die Emitterspannung U-™ am Transistor T32 negativer als der Minuspol der Batterie (Fig. 2). Die Kollektorspannung ist bis auf einen geringen Spannungsabfall am durchgesteuerten Transistor gleich der Emitterspannung.The emitter voltage is during this voltage pulse U- ™ on transistor T32 more negative than the negative pole the battery (Fig. 2). With the exception of a small voltage drop, the collector voltage is on Transistor equal to the emitter voltage.

Durch das gleichzeitige Durchsteuern der Transistoren T32 und T33 wird das Substrat 9 direkt mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden. Es liegt damit auf fast gleichem Potential wie der Kollektor des Transistors. Wenn seine Sättigungsspannung niedriger ist als die Durchlaßspannung der Sperrdioden zum Substrat 9, fließen keine Leckströme. Die Sperrwirkung der pn-Verbindung zwischen Kollektor und Substrat bleibt erhalten.By simultaneously turning on the transistors T32 and T33, the substrate 9 is directly connected to the emitter of transistor T32 connected. It is therefore at almost the same potential as the collector of the transistor. When its saturation voltage is lower than the forward voltage of the blocking diodes to the substrate 9, flow no leakage currents. The blocking effect of the pn connection between collector and substrate is retained.

In der Fig. 3 sind diese Verhältnisse anhand eines schematischen Ausschnittes aus dem Monolithkreis nochIn FIG. 3, these relationships are still shown on the basis of a schematic section from the monolith circle

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- " VPA 80 P 5956 DE einmal verdeutlicht. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. - " VPA 80 P 5956 DE clarified once. Identical parts are provided with the same reference numerals.

In dem gemeinsamen p-dotierten Substrat 9 sind durch weitere Diffusionsschritte die Transistoren T32 und T33 sowie der Widerstand R6 erzeugt worden. Das Substrat 9 ist über den Widerstand R6 mit dem Minuspol 2 der Batterie verbunden. Weiterhin ist das Substrat über den Transistor T33 mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden. Wird die äußere Spannung am Anschluß 7 negativer als der Minuspol der Batterie und steuern gleichzeitig beide Transistoren durch, so liegt die äußere Spannung am Kollektor des Transistors T32, aber auch am Substrat 9» wenn man den geringen Spannungsabfall am Transistor vernachlässigt. Die pn-Verbindung sperrt weiter. Ohne diese automatische Nachregelung der Substratspannung würde diese pn-Verbindung leitend und es käme zu einem großen Leckstrom und möglicherweise zu einer Fehlfunktion des Monolithkreises.The transistors T32 and T33 are in the common p-doped substrate 9 through further diffusion steps as well as the resistor R6 has been generated. The substrate 9 is connected to the negative pole 2 of the battery via the resistor R6 tied together. Furthermore, the substrate is connected to the emitter of the transistor T32 via the transistor T33. If the external voltage at terminal 7 is more negative than the negative pole of the battery and control at the same time both transistors through, the external voltage is applied to the collector of transistor T32, but also to the substrate 9 »if you neglect the low voltage drop across the transistor. The pn connection continues to block. Without this automatic readjustment of the substrate voltage, this pn connection would be conductive and it would be closed large leakage current and possible monolith circuit malfunction.

Anhand der drei Figuren wurde ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Weitere Spannungsnachführungen sind denkbar. So kann das Substrat beispielsweise auch über einen durch den Transistor T34 gesteuerten Wechselschalter entweder mit dem Minuspol der Batterie oder mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden werden.A possible exemplary embodiment of the invention has been described with the aid of the three figures. Further voltage adjustments are conceivable. For example, the substrate can also be through a transistor T34 controlled changeover switch either with the negative pole of the battery or with the emitter of transistor T32 get connected.

3 Figuren3 figures

4 Patentansprüche4 claims

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Claims

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1,. Monolithic integrated circuit "in which components are formed in a doped substrate by differently doped regions and in which the substrate is permanently connected to that pole of a supply voltage source which blocks the transition between the components and the substrate,
characterized in that
when a voltage outside the supply voltage occurs in such a way that the junction becomes conductive, the substrate (9) is approximately connected to this voltage.

2. A circuit according to claim 1, characterized in that the substrate (9) via a resistor (R6) to the pole (2) of the supply voltage source and via a switch (T33) to the
external voltage is connected.

3. A circuit according to claim 2, characterized in that a transistor is used as the switch (T33) is provided.

4. Use of a circuit according to one of claims to 3 for a cardiac pacemaker.

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