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Integrierbare Schutzschaltung
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Die Erfindung betrifft eine integrierbare Schutzschaltung für den
Signaleingang einer insbesondere integrierten Halbleiterschaltung.
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Solche Schutzschaltungen oder Schutzstrukturen sind sowohl bei bipolaren
Halbleiterschaltungen als auch bei MOS-Halbleiterschaltungen üblich und bestehen
bei den üblichen Ausführungen aus einer Diode oder mehreren Dioden, die durch das
Eingangssignal in Sperrichtung belastet sind. Die Schutzschaltung kann dabei zusammen
mit der Halbleiterschaltung integriert sein. Sie dient der Aufgabe, die insbesondere
integrierte Halbleiterschaltung vor einer Zerstörung zu schützen.
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Die zu der vorliegenden Erfindung führenden Untersuchungen haben nun
ergeben, daß die bekannten Schutzstrukturen eine verhältnismäßig hohe Eigenkapazität
aufweisen, die z.B. bei hohen Frequenzen unerwünscht sein kann.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Schutzstruktur für eine
integrierbare Halbleiterschaltung, insbesondere für einen IC anzugeben, die eine
niedrige Eigenkapazität aufweist.
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Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Schutzschaltung aus
zwei zueinander komplementären Transistoren besteht, deren Basiselektroden miteinander
verbunden sind, daß dabei der Emitter des einen Transistors mit dem Signaleingang
der zu schützenden Schaltung und mit seinem Kollektor mit der Klemme für das Versorgungspotential
der zu schützenden Schaltung verbunden ist, während der andere Transistor der Schutzschaltung
mit seinem Emitter und seinem Kollektor auf demselben Potential, insbesondere dem
Bezugspotential der Halbleiterschaltung,
gehalten ist.
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Die Erfindung wird nun anhand der Figuren 1, 2 und 3 näher vorgestellt,
wobei in beiden Fällen der mit seinem Emitter am Signaleingang der zu schützenden
Halbleiterschaltung durch einen npn-Transistor gegeben und der zu ihm komplementäre
Transistor, also der pnp-Transistor, mit seinem Emitter und seinem Kollektor am
Bezugspotential liegt. Diese Art der Schutzschaltung wird immer dann angewendet,
wenn das Versorgungspotential gegenüber dem Bezugspotential positiv ist. Für den
Fall, daß das Versorgungspotential gegenüber dem Bezugspotential negativ ist, wird
man die erfindungsgemäße Schutzschaltung derart ausgestalten, daß der pnp-Transistor
mit seinem Emitter am Signaleingang der zu schützenden Halbleiterschaltung liegt,
während der npn-Transistor mit seinem Emitter und seinem Kollektor an der Klemme
für das Bezugspotential liegt.
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Die somit in Figur 1 dargestellte Schutzschaltung gemäß der Erfindung
ist für den Fall vorgesehen, daß die zu schützende Schaltung S bzw. deren zu schützender
Schaltungsteil aus npn-Transistoren besteht. Für diesen Fall ist der Signaleingang
E der zu schützenden und insbesondere als IC ausgebildeten Schaltung S mit dem Emitter
des npn-Transistors T1 der Schutzschaltung verbunden, während sein Kollektor an
der Klemme K7 für das Versorgungspotential liegt, die auch für die Versorgung der
zu schützenden Schaltung S zuständig ist. Der Basisanschluß dieses npn-Transistors
T1 ist unmittelbar mit demBasissanschluß des pnp-Transistors T2 der erfindungsgemäßen
Schutzschaltung verbunden. Der Kollektor sowie der Emitter des pnp-Transistors T2
der Schutzschaltung liegen gemeinsam an der Klemme K2 für das Bezugspotential 0
V, d.h. also an Masse bzw. dem Substratpotential der zu schützenden integrierten
Schaltung S.
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Hierdurch ist folgende Wirkungsweise gegeben: Bei Uberspannungen (d.h.
Signalspannungen, die größer als 2UBE sind), die gegen Masse, also dem Substrat
negativ sind, wird die Emitter-Basisdiode Jedes der beiden Transistoren T1 und T2
der Schutzschaltung leitend, so daß eine Spannungsbegrenzung auf etwa 2U3E auftritt.
Bei gegen Masse, also dem Substrat, positiven Uberspannungen setzt die Spannungsbegrenzung
bei etwa U3 + UCEO ein (Ug = Batteriespannung und U > O = Kollektor-Emitterspannung
bei offener Basis).
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Der auftretende Strom wird durch die sich aufgrund der Struktur der
integrierten Schaltung S ergebenden Widerstände bzw. durch zusätzliche Bremswiderstände,
die je nach Anwendungsfall jedem Bahnwiderstand der zu schützenden integrierten
Schaltung S in 'Serie geschaltet werden können, begrenzt. Wie man aus Figur 1 unmittelbar
erkennen kann, setzt sich die Eigenkapazität der Schutzschaltung aus der Serienschaltung
der Emitter-Kollektorkapazität mit der Kollektor-Substratkapazität des Transistors
T1 zusammen.
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Man kann nun, wie aus Figur 2 ersichtlich, die in Figur 1 dargestellte
Schutzstruktur abwandeln, indem man bei dem am Signaleingang E der zu schützenden
Schaltung S liegenden Transistor T1 den Kollektor mit der Basis verbindet, während
die Verbindung zur Klemme K2 für das Bezugspotential in diesem Fall wegfällt. Diese
Schaltung gemäß Figur 2 bedeutet, daß dann bei positiver Uberspannung eine Begrenzung
bei U2 + UEBinv eintritt. Dabei bedeutet Uz die Zenerspannung der Kollektor Basisdiode
und UEB. die Basis-Emitter-Durchbruchspannung des Transistors T1.
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Die Erprobung der Erfindung erfolgte u.a. auch mit einer Schaltung
gemäß Figur 3, bei der als zu schützende Schaltung S der IC-Baustein S 1469 verwendet
wurde. Dieser
IC-Baustein stellt eine Schmalband-FM-Empfängerschaltung
dar, wie sie z.B. in "Siemens Integrierte Schaltungen für industrielle Anwendungen
(1982/83), S. 181 -i84' beschrieben ist. Dieser Baustein ist an seinem Signaleingang
(der durch einen aus zwei emittergekoppelten npn-Transistoren gebildeten Differenzverstärker
gebildet ist) einerseits durch eine auf das Bezugspotential bezogene Gleichspannung
UH unter Vermittlung eines Widerstands R von 1 kO beaufschlagt und andererseits
in der oben angegebenen Weise mit der Schutzschaltung aus den beiden Transistoren
T1 (=npn) und T2 (= pnp) verbunden. Dabei erfolgte die Beaufschlagung durch die.
Gleichspannung UH in der Weise, daß ein Kondensator C durch die Gleichspannungsquelle
UH mittels eines Umschalters Sc aufgeladen und dann im anderen Betriebszustand des
Umschalters Sc über die integrierte Schaltung S und die Schutzschaltung T1, T2 entladen
wurde. Die Gleichspannung UH war dabei auf einen Spannungswert von + 2,5 kV eingestellt,
so daß die integrierte Schaltung S mit entsprechend hohen Spannungsspitzen belastet
wurde. Dabei ergab sich, daß ohne die Schutzschaltung T7, T2 alle Testproben S zerstört
wurden, während bei den mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung versehenen Testproben
vom Typ S 1469 keinerlei Störungen oder -gar Ausfälle aufgrund der beschriebenen
Erprobung vorkamen.
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Die anhand der Figuren 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungen betrafen
den Fall, daß das Versorgungspotential gegenüber dem Bezugspotential positiv ist.
Im umgekehrten Fall, d.h. also daß das Versorgungspotential gegenüber dem Bezugspotential
negativ ist, wird man die erfindungsgemäße Schutzschaltung so ausgestalten, daß
der am Eingang E der zu schützenden Schaltung S liegende Transistor ein pnp-Transistor
ist. Der mit seinem
seinem Emitter und Kollektor am Bezugspotential
liegende Transistor T2 ist dann durch einen npn-Transistor gegeben.
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Zu erwähnen ist noch, daß die erfindungsgemäße Schutzschaltung nicht
nur für bipolare Halbleiterschaltungen sondern auch für MOS-Halbleiterschaltungen
geeignet ist.
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Aber auch in diesem Falle sind die beiden Transistoren T1 und T2 der
Schutzschaltung als Bipolartransistoren auszubilden. Auch hier wird der am Eingang
E der zu schützenden Schaltung liegende Transistor T1 ein npn-Transistor sein, wenn
das Versorgungspotential gegenüber dem Bezugspotential positiv ist, während er im
umgekehrten Fall als pnp-Transistor ausgebildet ist.
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3 Figuren 3 Patentansprüche