DE3331075C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsschaltung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen (DE-OS 31 25 198).

Hochspannungs-Ausgleichsschwingungen, auch Transienten genannt, welche ein Halbleiterbauelement wie einen Transistor beschädi­ gen können, können auf verschiedene Weise entstehen. In einem Fernsehempfänger können solche Transienten beispielsweise bei Funkenüberschlägen in der Bildröhre entstehen. Größe, Polari­ tät und Dauer der Transienten können ausreichen, um in Signal­ verarbeitungsschaltungen des Empfängers enthaltene Transistoren zu beschädigen oder zu zerstören, etwa durch Überschreitung der Sperrdurchbruchsspannung von Transistoren, so daß über­ mäßig hohe Sperrschichtströme zum Fließen kommen. Diese Wir­ kung beobachtet man typischerweise, wenn Hochspannungs- Transienten an Schaltungspunkten oder Anschlüssen induziert werden, an welche die Transistoren angeschlossen sind, und es wird besonders problematisch bei integrierten Schaltungen, wel­ che empfindliche Transistorschaltungen für die Verarbeitung von Signalen niedrigen Pegels enthalten. Übermäßige, durch Transienten induzierte Ströme können Halbleiterübergänge von Transistoren zerstören und auch dazu führen, daß die Stromver­ stärkungseigenschaften eines Transistors bleibend verschlechtert werden.

Zur Unterdrückung der Auswirkungen von Hochspannungs-Transien­ ten kann man beispielsweise geeignet gepolte Halbleiterdioden an Schaltungspunkten anschließen, durch welche die Transienten von empfindlichen Transistorschaltungen abgeleitet werden. Zu diesem Zweck können Dioden erforderlich sein, die sich nicht mit gängigen Techniken oder Konfigurationen herstellen lassen. Derartige Dioden sind aber, insbesondere im Zusammenhang mit integrierten Schaltungen, unerwünscht, weil diese Erfordernis­ se den Herstellungsprozeß der integrierten Schaltungen kompli­ zieren. Auch muß man in jedem Falle dafür sorgen, daß die Dioden genügend Verlustleistung verarbeiten können, um die elektrischen Beanspruchungen durch die Transienten auszuhalten, ohne daß sie dabei zerstört werden. Ferner dürfen diese Dioden allein oder zusammen mit irgendwelchen zugehörigen, Schwell­ werte bestimmenden Vorspannungsschaltungen nicht die gewünsch­ ten Impedanzverhältnisse oder Hochfrequenzeigenschaften der zu schützenden Schaltungen beeinträchtigen.

Man kann auch Widerstände oder Impedanzschaltungen benutzen, die speziell so ausgelegt sind, daß sie Hochspannungs-Transien­ ten unterdrücken, jedoch können solche Bauelemente für viele Schaltungsanwendungen vom Konstruktionsstandpunkt aus gesehen zu kostspielig oder unpraktikabel sein und können außerdem die Impedanzeigenschaften und das Hochfrequenzverhalten der zu schützenden Schaltungen, für welche sie verwendet werden, be­ einträchtigen.

Aus der DE-OS 31 25 198 ist eine Transistorschutzschaltung be­ kannt, bei welcher an die Basis eines zu schützenden, in Emit­ tergrundschaltung betriebenen Verstärkertransistors der Emit­ ter eines über seine Basis in Sperrichtung vorgespannten Schutz­ transistors angeschlossen ist, der kollektorseitig über einen Widerstand an einer Betriebsspannung liegt. Treten am Basis­ eingang des Verstärkertransistors Transienten einer Polarität auf, deren Größe die Sperrvorspannung des Schutztransistors überschreitet, so werden sie über dessen Emitter-Kollektor- Strecke abgeleitet. Will man auch Transienten der entgegen­ gesetzten Polarität ableiten, so ist ein zweiter Transistor entgegengesetzten Leitungstyps notwendig. Diese beiden Transi­ storen haben eine reine Schutzfunktion, ohne an der Signal­ verarbeitung selbst teilzunehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, eine Schutzschaltung gegen Transienten beider Polari­ täten mit minimalem Aufwand anzugeben, die sich auch problem­ los zur Herstellung in einer die zu schützenden Schaltungs­ teile enthaltenden integrierten Schaltung eignen und die im normalen Betrieb die Übertragungseigenschaften der zu schützen­ den Schaltung nicht beeinflußt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Durch die Erfindung wird ein an der Signalübertragung der zu schützenden Schaltung teilnehmender Transistor zusätzlich zur Ableitung von Transienten einer Polarität herangezogen, so daß für die Ableitung von Transienten der entgegengesetzten Polarität nur noch ein Transistor zusätzlich benötigt wird, der Aufwand für einen Schutz gegen Transienten beider Polari­ täten also minimal ist.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung eignet sich für eine Signal­ verarbeitungsschaltung, an deren Signalausgangsanschluß zufäl­ lige Hochspannungs-Transienten auftreten können, und die ein Halbleiterelement enthält, welches empfindlich gegen Schäden durch elektrische Überbeanspruchung infolge von solchen Transien­ ten ist. Die Schutzschaltung enthält einen als Emitterfolger geschalteten Transistor eines Leitungstyps, der normalerweise Signale vom Halbleiterelement über seinen Emitterausgang an den Ausgangsanschluß liefert, und einen normalerweise gesperrten Transistor vom entgegengesetzten Leitungstyp. Die Basen beider Transistoren sind zusammengeschaltet, die Emitter beider Tran­ sistoren sind zusammen an den Ausgangsanschluß geführt, und die Kollektoren der Transistoren liegen jeweils an Betriebsspan­ nungspunkten. Ausgleichsströme aufgrund von Hochspannungs- Transienten einer Polarität am Ausgangsanschluß werden über die Kollektor-Emitter-Strecke des einen Transistors an den betreffenden Betriebsspannungspunkt abgeleitet. Der andere Transistor wird leitend aufgrund von Transienten der entgegen­ gesetzten Polarität am Ausgangsanschluß und leitet die ent­ sprechenden Ausgleichsströme über seine Kollektor-Emitter- Strecke an den anderen Betriebsspannungspunkt ab.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

In der Zeichnung ist ein Teil eines Fernseh­ empfängers mit einer die erfindungsgemäße Schutzschaltung enthaltenden Schaltung veranschaulicht.

Leuchtdichtesignale von einer Quelle 10 und Farbsignale von einer Quelle 12 werden von getrennten Signaleingangsanschlüs­ sen 13 und 14 einer Leuchtdichte- und Farbsignalverarbeitungs­ schaltung 15 eines Farbfernsehempfängers geliefert. Die Schal­ tung 15 (beispielsweise eine integrierte Schaltung) kombiniert die Leuchtdichte- und Farbsignale in bekannter Weise zu Farb­ bildsignalen r, g und b an Ausgangsanschlüssen 21, 22 bzw. 23. Die Farbsignale werden durch Bildröhren-Treiberverstärker 24, 25 und 26 verstärkt, welche verstärkte Farbbildsignale R, G und B hohen Pegels an getrennte Intensitätssteuerelektroden einer Farbbildröhre 30 liefern. Eine Betriebsspannungsquelle 35 erzeugt mehrere Betriebsspannungen für die Bildröhre 30, nämlich eine Hoch­ spannung in der Größenordnung von 25 kV für die Anode der Bildröhre 30 und Spannungen in der Größenordnung weniger 100 V für andere Elektroden der Bildröhre 30 (beispiels­ weise Kathode, Schirmgitter und Fokuselektroden).

Die Signalverarbeitungsschaltung 15 enthält mit den Aus­ gangsanschlüssen 21, 22 und 23 gekoppelte Ausgangsschal­ tungen, die beschädigt oder zerstört werden können, wenn an diesen Anschlüssen Hochspannungen auftreten. In einem Fernsehempfänger liegt die Hauptquelle solcher Hochspannun­ gen in Ausgleichsschwingungen oder Transienten, die durch Funkenüberschläge der Bildröhre entstehen. Solche Bildröhrenüberschläge kön­ nen zwischen der Hochspannungsanode und dem Empfänger­ chassis auftreten, wenn der Empfänger beispielsweise ge­ wartet wird. Bildröhrenüberschläge können auch unvorherge­ sehen zwischen der Anode und einer oder mehreren anderen Elektroden (niedrigeren Potentials) der Bildröhre im nor­ malen Betrieb des Empfängers auftreten. In jedem Fall füh­ ren Bildröhrenüberschläge zu Hochspannungstransienten mit positiven und negativen Spitzenamplituden häufig von mehr als 100 V an den Schaltungsanschlüssen mit einer Dauer von einer bis mehreren Mikrosekunden.

Die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen oder Zerstörungen von Halbleiterschaltungselementen durch Hochspannungstransienten erhöht sich, wenn sich solche Schal­ tungen in der Nähe von Hochspannungsquellen befinden, und mit der Möglichkeit dort auftretender Hochspannungstransienten. Hier sind die Signalausgangsanschlüsse der Schaltung 15 mit Bildröhrentreiberverstärkern 24 bis 26 verbunden, welche Hochspannungs-Ausgangssignale an die Kathoden der Bildröhre 30 liefern. Die Bildröhrentreiber 24 bis 26 werden typischerweise aus einer Hochspannungs­ quelle (beispielsweise +230 V) gespeist, die durch die Quel­ le 35 gebildet sein kann, die auch hohe und sehr hohe Be­ triebsspannungen für die Bildröhre 30 liefert, wie bereits gesagt wurde.

Die Schaltung 15 enthält mehrere Signalverarbeitungsschal­ tungen, welche jeweils Farbsignale an die Ausgangsanschlüs­ se 21 bis 23 liefert. Ein Teil der Signalverarbeitungs- und Ausgangskoppelschaltung für das rote Farbsignal r ist mit dem Anschluß 21 verbunden und enthält Transistoren 40, 44 und 45 und einen Widerstand 41 in der dargestellten Schal­ tungsweise. Ähnlich geschaltete Signalverabeitungs- und Ausgangskoppelschaltungen für die Signale g und b liegen an den Ausgangsanschlüssen 22 und 23.

Der Transistor 40 ist ein Niederspannungssignalverstärkungs­ transistor geringer Leistung und liefert verstärkte Signa­ le an seinem Kollektorlastwiderstand 41. Er kann beschädigt oder zerstört werden, wenn hohe Ausgleichsspannungen, wie sie etwa am Ausgangsanschluß 21 bei Bildröhrenüberschlägen auftreten können, zu ihm gelangen. Solche Transienten (die häufig eine von Spitze zu Spitze gemessene Amplitude von mehr als 100 V haben) können auch den Last­ widerstand 41 beschädigen oder zerstören, wenn der Transi­ stor 40 und der Widerstand 41 in derselben integrierten Schaltung ausgebildet sind, da die geringe Fläche von inte­ grierten Widerständen typischerweise nicht in der Lage ist, größere Mengen thermischer Energie abzuführen, wie sie bei durch große Transienten induzierte Ströme ent­ stehen.

Der Signaltransistor 40 und der Widerstand 41 werden gegen die Auswirkungen hoher Transienten mit Hilfe einer Schaltung geschützt, welche einen NPN-Transistor 44 und einen PNP-Transistor 45 enthält. Der Transistor 44, der normalerweise für die Signalverarbeitung leitet, ist als Emitterfolger geschaltet und koppelt die Ausgangssignale vom Transistor 40 mit niedriger Emitterausgangsimpedanz an den Anschluß 21. Der Emitter des Transistors 44 ist über einen außerhalb der integrierten Signalverarbeitungsschal­ tung 15 befindlichen Lastwiderstand 51 an Bezugsmassepoten­ tial geführt. Die Anordnung des Widerstandes 51 außerhalb der Signalverarbeitungsschaltung 15 ist erwünscht, um die Erwärmung der integrierten Signalverarbeitungsschaltung 15 durch die im Widerstand 51 umgesetzte Verlustleistung zu verringern. Der Widerstand 51 könnte jedoch auch in der Schaltung 15 enthalten sein. Der Kollektor des Emitterfol­ gertransistors 44 ist unmittelbar an eine positive Be­ triebsgleichspannung +V _cc gelegt.

Die Basis und der niederohmige Emitter des PNP-Transistors 45 sind unmittelbar mit Basis und niederohmigem Emitter des NPN-Transistors 44 verbunden. Der Kollektor des Transi­ stors 45 liegt unmittelbar an Massebezugspotential. Unter normalen Bedingungen wird die Basis-Emitter-Übergangs- Vorspannung für den PNP-Transistor 45 unmittelbar durch die Basis-Emitter-Übergangsspannung des normalerweise lei­ tenden Transistors 44 gebildet. Bei normalen Signalverar­ beitungszuständen ist also die Basis-Emitter-Strecke des PNP-Transistors durch die am leitenden Basis-Emitter-Über­ gang des Transistors 44 entstehende Spannung in Sperr­ richtung vorgespannt. Daher leitet der Transistor 45 nor­ malerweise nicht und hat keinen Einfluß auf die Signale, die normalerweise durch den Verstärkertransistor 40 und den Emitterfolgertransistor 44 zum Ausgangsanschluß 21 übertragen werden.

Ströme, die durch negative Transienten am Anschluß 21 entstehen, fließen durch den NPN-Transistor 44, der einen Stromweg zur Ableitung solcher Ausgleichsströme vom Signalverstärkertransistor 40 weg bildet. Durch Transienten induzierte Ströme in diesem Strompfad flie­ ßen von der Betriebsspannungsquelle +V _cc durch die Kollek­ tor-Emitter-Strecke des Transistors 44 und den Anschluß 21 zur Quelle der Transienten. Der PNP-Transistor 45 bleibt bei negativen Transienten gesperrt.

Tritt eine positive Transiente am Anschluß 21 auf, dann wird der PNP-Transistor 45 in Durchlaßrichtung vorge­ spannt und bildet einen Stromweg zur Ableitung von Strö­ men, die durch positive Transienten induziert sind, weg vom Signaltransistor 40. In diesem Falle werden die durch die Transienten induzierten Ströme über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 45 nach Masse ab­ geleitet. Auch nimmt der Basisstrom des Transistors 45 mit dem wesentlich größeren, durch Transienten in­ duzierten Emitterstrom des Transistors 45 proportional zu und bewirkt, daß die Basisspannung des NPN-Transistors 44 proportional wächst. Wird die Basisspannung des Transistors 44 genügend groß, um den Basis-Kollektor-Übergang des Transistors 44 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, dann ent­ steht ein zusätzlicher Weg zur Ableitung der durch Transienten induzierten Ströme. Dieser Weg enthält die Emitter-Basis-Strecke des PNP-Transistors 45, die in Durchlaßrichtung vorgespannte Basis-Kollektor-Strecke des NPN-Transistors 44 und die Spannungsquelle +V _cc . Jeg­ licher in diesem letztgenannten Stromweg fließender Strom ist bedeutend kleiner als der von Transienten induzierte Strom, der über die Emitter-Kollektor-Strecke des PNP-Transistors 45 nach Masse abgeleitet wird.

Die beschriebene Schutzschaltung benötigt vorteilhafter­ weise wenige Komponenten, und die Transistoren 44 und 45 brauchen keine großen Elemente oder Leistungselemente zu sein. Damit kann die Schutzschaltung vorteilhafterweise in einer integrierten Schaltung mit nur begrenzter verfüg­ barer Fläche verwendet werden. Die Transistoren 44 und 45 zeichnen sich von Haus aus durch Selbstbegrenzung der Aus­ gleichsstromleitung aus, wenn sie bei Transienten leiten. Diese begrenzte Ausgleichsstromleitung be­ ruht auf den verteilten Kollektorwiderständen der Transi­ storen 44 und 45, so daß diese mit üblichen Basis-Emitter- Übergangs-Konfigurationen ausgebildet werden können. Weiter­ hin verändert die Schaltung weder das Frequenzverhalten noch die Impedanz am Ausgang der Schaltung 15 bei normaler Signalverarbeitung. In dieser Hinsicht liefert der Emitter­ folgertransistor 44 normalerweise Ausgangssignale mit nie­ driger Quellenimpedanz, wie es für die Ansteuerung des Bildröhrentreibers 24 erforderlich ist, und bietet gleich­ zeitig Schutz beim Auftreten negativer Transienten.

Die Transistoren 44 und 45 können mit üblicher Struktur ausgebildet sein. Im Falle von Transienten bei Bildröhrenüberschlägen werden beispielsweise Transienten am Ausgangsanschluß 21 über eine effektive hohe Impedanz induziert, die zusammen mit den niedrigen Emitter­ impedanzen der Transistoren 44 und 45 eine erhebliche Dämpfung der Transienten am Anschluß 21 ergibt. Jedoch sind solche Transienten typischerweise mit möglicherweise zerstörenden hohen Strömen verbunden, und von den Transistoren 44 und 45 geleitete Übergangsströme werden, wie erwähnt, in ihrer Größe durch die inhärenten verteilten Kollektorwiderstände dieser Transistoren be­ grenzt. Außerdem halten die Transistoren 44 und 45 die thermische Energie aus, welche die großen Übergangsströme mit sich bringen, weil die relativ große Kollektorzone eines üblichen Transistors dazu beiträgt, solche thermi­ sche Energie unschädlich abzuführen.

Die beschriebene Schutzschaltung eignet sich zum Schutz jeglichen Halbleiterelementes (beispielsweise einschließ­ lich Transistoren, Dioden und Widerständen, insbesondere in einer integrierten Schaltung), die nur relativ klein­ flächig ausgebildet sind und nicht in der Lage sind, große Energiemengen, wie sie bei Hochspannungs-Transienten auftreten, sicher abzuführen oder zu begrenzen.

Claims (5)

1. Signalverarbeitungsschaltung, an deren Ausgangsan­ schluß Hochspannungstransienten auftreten können, mit einem Halbleiterbauelement (40), welches durch elektrische Be­ lastung aufgrund solcher Transienten beschädigt werden kann, und mit einem an das Halbleiterbauelement angeschlossenen, ersten, normalerweise gesperrten Transistor (45) eines Lei­ tungstyps, der mit seinem Kollektor an eine erste Betriebs­ spannungsklemme (Masse) geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (45) mit seiner Basis an das zu schützende Halb­ leiterbauelement (40) und an die Basis eines im Signalweg der Schaltung liegenden zweiten, normalerweise leitenden Transistors (44) vom entgegengesetzten Leitungstyp angeschlos­ sen ist und die zusammengeschalteten Emitter beider Transi­ storen (44, 45) mit dem Ausgangsanschluß (21) der Schaltung verbunden sind und der Kollektor des zweiten Transistors (44) an der zweiten Betriebsspannungsquelle (+V _cc ) liegt, derart, daß beim Auftreten von Transienten einer Polarität am Ausgangs­ anschluß (21) der erste Transistor (45) leitend wird und zu­ gehörige Ausgleichsströme über seine Hauptstromstrecke zur ersten Betriebsspannungsklemme (Masse) ableitet, während Aus­ gleichsströme aufgrund von Transienten entgegengesetzter Polarität über die Hauptstromstrecke des zweiten Transistors (44) an die erste Betriebsspannungsklemme (+V _cc ) abfließen.

2. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im normalen Betrieb auftretende Basis- Emitter-Vorspannung des zweiten Transistors (44) hauptsäch­ lich die Sperrvorspannung an der Basis-Emitter-Strecke des ersten Transistors (45) bildet.

3. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (44) ein NPN- Transistor und der erste Transistor (45) ein PNP-Transistor ist.

4. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1 mit einer Signale von dem Ausgangsanschluß erhaltenden Verbrau­ cherschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgangsanschluß (21) und die Verbraucherschaltung (24, 30) eine Emitterlastimpedanz (51) für den zweiten Transistor (44) geschaltet ist.

5. Signalverarbeitungsschaltung nach Anspruch 1 für einen Fernsehempfänger, in dem bei Bildröhrenüberschlägen die Hochspannungstransienten auftreten können, und mit einer Betriebsspannungsquelle (35) zur Erzeugung von Be­ triebsspannungen für die Bildröhre (30), dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Ausgangsanschluß (21) ein Bildröhren­ treiberverstärker (24) angeschlossen ist.