DE3802796A1 - Elektronisches geraet mit schaltmitteln zur daempfung von nach aussen dringenden hochfrequenten stoerspannungen - Google Patents
Elektronisches geraet mit schaltmitteln zur daempfung von nach aussen dringenden hochfrequenten stoerspannungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät nach der Gattung des
Hauptanspruchs.
Derartige Geräte sind bereits bekannt. Die signalverarbeitenden
Schaltungsteile dieser Geräte können dabei zur Verarbeitung der Si
gnale dienende elektronische Transformationsglieder wie schnelle
Operationsverstärker, Komparatoren, als Pulsformer dienende schnelle
Kippschaltungen, digital arbeitende Schaltungsteile mit hoher Takt
frequenz oder dergleichen enthalten. Die dabei notwendigerweise
steilen Flanken der Signalspannungen liefern ein Frequenzspektrum
bis zu sehr hohen Frequenzen. Dringen diese Störspektren über die
Anschlußleitungen, wie etwa Leitungen zum Versorgen der signalverar
beitenden Schaltungsteile mit Betriebsstrom, Signaleingangsleitungen
bzw. Signalausgangsleitungen, über das Netz direkt oder über das
elektromagnetische Nahfeld in andere elektronische Geräte ein, so
kann deren Funktion bis zum völligen Versagen gestört sein.
Die bekannten Geräte der eingangs genannten Art verwenden Siebschal
tungen, die mit diskreten Komponenten in Leiterplattentechnik, aber
auch schon in hybrider Bauweise auf keramischen Substraten aufgebaut
sind; häufig ist der Einbau in eine Abschirmbox zu finden, wobei die
Anschlußleitungen über Durchführungskondensatoren nach außen geführt
sind. Mit derartigen Anordnungen lassen sich mit beliebigem Aufwand
Störspannungen in beliebigem Maße dämpfen, sie sind deshalb grund
sätzlich einsetzbar, wie beispielsweise auch in Kraftfahrzeugen.
Das erfindungsgemäße elektronische Gerät mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich
die im signalverarbeitenden Schaltungsteil entstehenden Stör
spannungen durch die vorgeschlagenen, kostengünstig herstellbaren
monolithisch integrierten Siebschaltungen geringer Ausdehnung hin
reichend dämpfen lassen und daß sich darüber hinaus auch von außen
stammende Störspannungen mit größerer Amplitude, wie sie in der Nähe
eines starken Senders auf den Leitungen influenziert werden, bis in
den GHz-Bereich hinein dämpfen lassen, so daß die Funktion der ange
schlossenen elektronischen Teilschaltungen durch die Unterdrückung
der andernfalls entstehenden Richtspannungen voll erhalten bleibt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes nach Anspruch 1 er
geben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 33 in Verbindung mit der
Beschreibung.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes, signalverarbeitendes und ein zweites, signal
empfangendes elektronisches Gerät, wobei beide Geräte mittels Steck
verbindungen und einer Leitung miteinander verbunden sind;
Fig. 2 dieselbe Anordnung wie in Fig. 1, jedoch ergänzt durch eine
Siebschaltung;
Fig. 3 als Beispiel ein signalverarbeitendes elektronisches Gerät,
das mittels eines Kabelbaums einerseits mit einer Fahrzeugbatterie
über Schmelzsicherung und Schalter, andererseits eingangsseitig mit
zwei Gebern und ausgangsseitig mit einem zweiten elektronischen Ge
rät verbunden ist, sowie ein drittes elektronisches Gerät;
Fig. 4 zum besseren Verständnis den Amplitudengang der Verbindungs
leitung zwischen den beiden elektronischen Geräten über der Frequenz
für dieses komplexe Leitungssystem;
Fig. 5a den Schnitt, Fig. 5b das Layout eines möglichen Bipolar
prozesses zur Darstellung des Gegenstands der Erfindung;
Fig. 6a, b, Fig. 7a, b und Fig. 8a, b eine mögliche Darstellung
von Kapazitäten in diesem Prozeß;
Fig. 9 die Ersatzschaltung eines ersten Ausführungsbeispiels einer
monolithisch integrierten Siebschaltung in der Wirkung der Schaltung
nach Fig. 2;
Fig. 10 die dazugehörige Schaltung in integrierter Form;
Fig. 11 ein mögliches Beispiel mit einem anderen Prozeß und
Fig. 12 das Schnittbild dieser Schaltung.
Zunächst werden anhand der Fig. 1 bis 4 wenigstens in einer
groben Näherung Enstehung von Störspannungen und herkömmliche Ent
störung beschrieben. In Fig. 1 ist mit 1 ein erstes elektronisches
Gerät bezeichnet, das einen signalverarbeitenden Schaltungsteil 4
enthält, mit 2 ein zweites, signalempfangendes elektronisches Gerät.
Beide Geräte sind mittels der Doppelleitung 64, 65 miteinander zu
einem System verbunden. Um einfache Verhältnisse zu bekommen, liegt
am Eingang des Gerätes 2 ein Durchführungskondensator 3 hinreichen
der Größe zwischen den beiden Leitern in der elektrischen Ebene 61;
der ebenfalls an die Doppelleitung 64, 65 in der elektrischen Ebene
62 angeschlossene Ausgang des signalverarbeitenden Schaltungsteils 4
des ersten elektronischen Geräts 1 mit den hier symbolisch darge
stellten steilen Übergängen 4′ der Signalspannung sei hochohmig
gegen den Wellenwiderstand der Doppelleitung 64, 65; ihre elek
trische Länge sei durch den Abstand der Leitungsendpunkte 61 und 62
gegeben.
Unter diesen Bedingungen ist die Leitung 64, 65 an der Stelle 61
kurzgeschlossen, an der Stelle 62 dagegen im wesentlichen offen. Sie
stellt ein resonanzfähiges Gebilde dar, wie etwa ein Lecher- oder
Antennensystem; sind die Übergänge 4′ der Signalspannung hinreichend
steil, so enthalten ihre Spektren auch die Eigenfrequenz der Leitung
und ihre nicht dargestellten Oberschwingungen. Es entsteht eine mit
der Güte der Leitung überhöhte stehende Welle. Das Diagramm gibt den
Amplitudenverlauf über der elektrischen Länge 61, 62 für die Grund
welle wieder. Die Amplitude ist bei 61 wegen des Kurschlusses 0, bei
62 wegen des Leerlaufs ein Maximum, das bei 621 angedeutet ist.
Fehlt der Kondensator 3, so ist die Grundwelle durch eine Lambda
Halbe-Anregung gegeben, auch bei 61 entsteht ein Spannungsbauch, der
Nulldurchgang liegt bei der Hälfte der Strecke 61, 62.
In Fig. 2 ist dieselbe Anordnung ergänzt durch die Siebschaltung 7,
die aus einem ersten ohmschen Widerstand 71, einem Kondensator 72
und einem zweiten ohmschen Widerstand 73 bestehen kann; häufig sind
sehr viel komplexere Siebschaltungen erforderlich, um die Funktion
der Gesamtanlage sicherzustellen.
Der Wellenwiderstand von Verbindungsleitungen in Kraftfahrzeugen
liegt näherungsweise in der Größenordnung zwischen 30 Ohm und 300
Ohm, typisch bei etwa 100 Ohm.
Liegt der Widerstand 73 in diesem Bereich und ist die Kapazität des
Kondensators 72 hinreichend groß und induktionsarm, so ist die Lei
tung etwa aperiodisch gedämpft, die Resonanzüberhöhung verschwindet,
es wird nur noch die erheblich niedrigere Amplitude 622 erreicht. Da
die Siebschaltung 7 sehr breitbandig sein muß, wird die Kapazität
des Kondensators 72 groß. Wegen der räumlichen Ausdehnung der Filter
und der damit verbundenen parasitären Leitungsinduktivitäten sind
solche Filter nur schwer zu beherrschen. Bei einer monolithischen
Integration dagegen ließe sich auch eine komplexe Filterschaltung
auf weniger als einem Quadratmillimeter Fläche unterbringen, so daß
die Leitungsinduktivitäten sehr viel kleiner und damit leichter be
herrschbar werden. Die Probleme entstehen hier dadurch, daß nur Kon
densatoren kleiner Kapazität wirtschaftlich zu integrieren sind, die
Filter also hochohmig werden; außerdem ist darauf zu achten, daß an
den nun unvermeidlichen pn-Übergängen von Komponenten des Filters
keine Richtspannungen entstehen.
Fig. 3 zeigt eine kraftfahrzeugspezifische Anordnung mit den Ge
räten 1, 2, wobei das Gerät 1 wieder den signalverarbeitenden Schal
tungsteil 4 enthält und das Gerät 2 ein signalaufnehmendes Gerät
ist, mit dem dazugehörenden Kabelbaum 60, der Fahrzeugbatterie 11 mit
ihrem Masseanschluß 64/0 und ihrem Pluspol 68/0, mit einem über eine
Antenne 18 signalaufnehmenden elektronischen Gerät 17, wie etwa ein
Funkempfänger, mit einer Schmelzsicherung 13, einem Schalter 14 und
den beiden Signalgebern 15, 16, die die Eingangsinformation für das
Gerät 1 liefern.
Der Kabelbaum 60 bezogen auf die Signalleitungen stellt nun hoch
frequenztechnisch gesehen ein recht komplexes System gekoppelter
Kreise unterschiedlicher Eigenfrequenz und Dämpfung dar. Ist das Ge
rät 1 mit dem signalverarbeitenden Schaltungsteil 4 vom Kabelbaum
abgetrennt, so läßt sich das Frequenzverhalten messen:
In Fig. 4 ist die Amplitude in der Ebene 66 in logarithmischem Maß
stab bei konstanter Einströmung als Funktion der Frequenz in
linearem Maßstab aufgetragen. Nach dem Reaktanzsatz von Foster
wechseln "Maxima" und "Minima" bzw. "Zwischenmaxima" und "Zwischen
minima" einander ab; die erste Parallelresonanz liegt etwa bei 15
MHz, die mit geringster Dämpfung bei ca. 100 MHz und 150 MHz mit
einem Dämpfungsfaktor von 0,03, was einer ca. 30-fachen Resonanz
überhöhung entspricht; oberhalb 200 MHz bleiben Maxima und Minima
innerhalb des angegebenen Amplitudenbereichs auf hohem Niveau.
Die von dem signalverarbeitenden Schaltungsteil 4 des Geräts 1 er
zeugten Störspannungen gelangen direkt über die Leitung 65 in das
Gerät 2 und über das Nahfeld des Kabelbaums 60 in die Antenne 18 des
Funkempfängers 17.
Wegen der gegenseitigen Kopplung der Leitungen des Kabelbaums kann
es vorteilhaft sein, nicht nur die Signalleitung an ihrem Ende 66 zu
bedämpfen, sondern möglichst auch weitere Leitungen wie die Leitung
für die Betriebsspannung 68/1 und die Leitungen zu den beiden Si
gnalgebern 15, 16, also möglichst das Gesamtsystem "Kabelbaum".
In den Fig. 5a und 5b ist beispielhaft ein möglicher Prozeß zur
Darstellung der Erfindung, ohne den Versatz durch Unterätzung und
Unterdiffusion, wiedergegeben anhand von Schnittbild und Layout von
(nicht ganz) zwei Halbzellen eines Leistungstransistors.
Es bedeuten:
000 | |
Substrat | |
001 | "buried layer" |
002 | Untere Isolierungsdiffusion |
100 | Epitaxie |
003 | Obere Isolierungsdiffusion |
004 | Kollektoranschluß-Diffusion |
005 | Basisdiffusion |
006 | Emitterdiffusion |
007 | Deckoxid |
008 | Metallisierung |
009 | Schutzschicht |
070, 090 | Kontaktfenster in den Ebenen 007, 009 |
Die beiden Isolierungs-Diffusionen 002, 003 sind weit, die Kollek
tor-Anschluß-Diffusion 004 eng von links unten nach rechts oben, das
strukturierte Metall 008 dagegen von links oben nach rechts unten
schraffiert wiedergegeben. Die Schutzschicht 009 kann aus einem
Silan- oder Flasma-Oxid oder aus einem Plasma-Nitrid bestehen; sie
ist zum Verständnis der Anordnung nicht erforderlich.
Fig. 5a stellt einen Schnitt entlang der Linie GH von Fig. 5b dar.
Fig. 5b ist das Plot des zugehörenden Layouts in gleicher Dar
stellung. Die kräftigsten Linien zeigen die Umrisse der Kon
takt-Fenster, die beiden schwächsten die von Emitter und buried
layer; die Basis ist nur wenig schwächer als die Kontaktfenster ge
zeichnet. Zusammen mit dem Schnitt nach Fig. 5a lassen sich die
entsprechenden Zonen eindeutig zuordnen.
Es sind: Der buried layer einer Zelle des Leistungstransistors 010,
sein Kollektoranschluß mit der Kollektoranschlußdiffusion 040, das
zugehörige Kontaktfenster 070, die Kollektoranschlußleitung 080, die
Basisdiffusionszone 050 mit der Basisanschlußleitung 051, die den
Emitter bildende Emitterdiffusionszone 060, die Verbindungsleitung
zum Emitterwiderstand 061, ein mit der Emitterdiffusion gebildeter
Emitterwiderstand 062, die Emitter- und Masseleitung 064, die Iso
lierungsdiffusion 002, 003, eine diffundierte Signalleitung 041;
ferner die Komponenten der benachbarten Halbzelle: der buried layer
011, die aufsitzende untere Isolierungsdiffusionszone 020, der An
schlußkontakt 030 für die untere Isolierungsdiffusionszone, ausge
führt mit der oberen Isolierungsdiffusion, und eine weitere Basis
diffusionszone 052 mit Emitter 063 sowie die Schutzschicht 009.
Die auf dem buried layer 011 aufsitzende untere Isolierungs-
Diffusion 020 bildet ein in den Leistungstransistor hineininte
griertes Diodenelement; der Leistungstransistor enthält nun eine
Vielzahl solcher Elemente, so daß ein unipolarer Kondensator beacht
licher Kapazität erzeugt wird, der die damit verbundene Leitung
wirksam belastet.
Die Fig. 6a, 7a, 8a stellen einen Schnitt entlang der Linie AB
der Fig. 6b, 7b, 8b dar. Es sind drei mögliche Ausführungsformen
für Kondensatoren in dem in Fig. 5 beschriebenen Prozeß, und zwar
in den Fig. 6 und 7 je ein unipolarer, in Fig. 8 ein bipolarer
Typ. Selbstverständlich können auch noch andere Diffusionszonen zur
Bildung von Kondensatoren herangezogen werden. Ausschlaggebend für
die Wahl sind einerseits ein möglichst hoher Kapazitätsbelag, an
dererseits eine hinreichend hohe Durchbruchspannung der Sperrschicht.
In Fig. 6 ist 031 eine obere Isolierungsdiffusionszone, 066 eine
darin eingebrachte Emitterdiffusionszone, 64/1 der mit 031 verbun
dene Masseanschluß und 067 der mit der Emitterdiffusionszone 066
verbundene Anschluß der heißen Elektrode des Kondensators, dessen
Kapazität durch die durch die Zonen 031, 066 gegebene Sperrschicht
gebildet ist. Dieser unipolare Kondensator läßt sich auch für nega
tive Sperrspannungen einsetzen, sondern die untere Isolierungs
diffusionszone weggelassen ist.
In Fig. 7 ist 012 eine buried-layer-Diffusionszone, 021 eine
untere, 032 eine obere Isolierungsdiffusionszone, 64/1 der Massean
schluß, 042 eine Kollektoranschlußdiffusionszone und 013 der heiße
Anschluß des Kondensators; dieser ist gebildet durch die zwischen
012 und 021 liegende Sperrschicht. Die buried-layer-Diffusionszone
012 ist mittels der Kollektoranschlußdiffusionszone 042 mit dem
heißen Anschluß 013 verbunden, sowie 021 mittels 032 mit dem Masse
anschluß. Ein kleiner Beitrag zur Kapazität stammt auch von der sich
zwischen dem Substrat 000 und der buried-layer-Diffusionszone 012
bildenden Sperrschicht. Dieser unipolare Kondensator besitzt eine
höhere Sperrspannung als der nach Fig. 6; er läßt sich jedoch nicht
gegen das Substrat isolieren.
In Fig. 8 ist 014 wieder eine buried-layer-Diffusionszone, 022 eine
erste und 023 eine zweite untere Isolierungsdiffusionszone, 033 eine
erste und 034 eine zweite obere Isolierungsdiffusionszone, 016 eine
Aussparung in der buried-layer-Diffusion 014, 64/1 der Masseanschluß
und 015 der Anschluß für die heiße Elektrode. Der Kapazitätsbelag
dieses Kondensators bildet sich zwischen den beiden gegeneinanderge
schalteten Sperrschichten 022, 014 bzw. 014, 023. Er ist somit bi
polar und damit für Filterschaltungen geeignet, die hohe Spannungen
verarbeiten müssen, ohne daß Richtspannungen entstehen; letztere
entstehen nur dann, wenn die Amplitude der hochfrequenten Stör
spannung und eine etwa überlagerte Gleichspannung die Durchbruch
spannung der symmetrischen Sperrschichten übersteigt bzw. wenn die
beiden Teilkapazitäten 022, 014 und 014, 023 ungleich groß sind. Die
Aussparungen 016 in der buried-layer-Diffusion sind zur Erhöhung des
Reihenwiderstands des Kondensators eingebracht; sie sind nicht
obligatorisch.
Bewegt sich ein Kraftfahrzeug in der Nähe eines leistungsstarken
Senders, so treten bei den in Frage kommenden Feldstärken von bis zu
300 V/m an der frei schwingenden Leitung im Fall der Resonanz
Amplituden bis zu einigen 100 V auf. Zu tiefen Frequenzen hin läßt
die Einkopplung jedoch rasch nach. Es werden somit Spannungs
amplituden influenziert, die um Größenordnungen über dem linearen
Aussteuerbereich von Halbleiterschaltungen liegen und immer noch er
heblich über der Sperrspannung nonolithisch integriert darstellbarer
Kondensatoren. Es ist deshalb, wie schon erwähnt, vorteilhaft, nicht
nur die Signalleitung 65 an ihrem Ende 66 zu bedämpfen, sondern mög
lichst auch die restlichen Leitungen des "Kabelbaums".
Bei den monolithisch integrierten Siebschaltungen tritt dabei
folgendes Problem auf: An den pn-Übergängen der Komponenten der
Siebschaltungen entstehen Richtspannungen, die die Arbeitspunkte
verschieben, was zur Beeinträchtigung der Siebschaltung selbst und
zu Fehlfunktionen der elektronischen Geräte, die galvanisch mit den
Siebschaltungen verbunden sind, führt. Durch eine hinreichende
Dämpfung des Kabelbaums lassen sich die Amplituden auch im Resonanz
fall in den mit Halbleitern beherrschbaren Spannungsbereich bringen.
Fig. 9 zeigt die Siebschaltung 7 des elektronischen Geräts 1 von
Fig. 2 in einer monolithisch integrierbaren Bauart. Darin ist mit 4
wieder der signalverarbeitende Schaltungsteil, mit 7 die als Tiefpaß
wirkende Siebschaltung mit dem Widerstand 71, dem Kondensator 72 und
dem Widerstand 73 bezeichnet; der jetzt hochohmige Widerstand 73
vermag die Leitung nicht mehr zu dämpfen, dafür ist das RC-Glied mit
dem Widerstand 74 von etwa 80 Ohm und dem bipolaren Kondensator 75
nach Fig. 8 mit etwa 50 pF eingesetzt. In diesem Beispiel liegt der
Kondensator 72 bei 100 pF und die Widerstände 71, 73 bei 20 Kiloohm.
Die Kapazität des Kondensators 75 ist damit hinreichend groß, um die
Eigenfrequenzen mit ihren hohen Amplitudenmaxima hinreichend zu
dämpfen.
In Fig. 10 ist die Schaltung einer vollständigen Anordnung nach dem
Gegenstand der Erfindung wiedergegeben, die auch das Übersprechen
zwischen einzelnen Komponenten berücksichtigt: Der Widerstand 71 ist
aufgeteilt in die beiden Teilwiderstände 713 und 714, die in ge
trennten Widerstandswannen 763, 762 untergebracht sind; der Wider
stand 73 liegt ebenfalls in einer eigenen Wanne 761.
Die Widerstände des Filters sind erfindungsgemäß beispielsweise aus
geführt mit der p-dotierten Basisdiffusion 005 des Prozesses; sie
liegen in sperrschichtisolierten Wannen der Epitaxie 100, bilden so
mit gegen diese einen pn-Übergang. Die Erfindung sieht nun weiter
vor, diese pn-Übergänge so hoch in Sperrichtung vorzuspannen, daß
sie durch die auftretenden Störspannungen nicht in Flußrichtung ge
polt werden. Es ist vorgesehen, als Vorspannungsquelle die Betriebs
gleichspannung des Geräts oder der integrierten Schaltung selbst zu
verwenden. Sind diese zu niedrig, so ist eine Spannungsverviel
facher-Schaltung - falls erforderlich, mit einigermaßen eigen
stabiler Ausgangsspannung bzw. mit nachgeschaltetem Spannungs
stabilisator - anzuwenden. Ferner ist es vorteilhaft, in die Ver
bindungsleitung von der Vorspannungsquelle zu dem zu sperrenden
pn-Übergang eine Diode 79 in Flußrichtung zu schalten: Übersteigt
die HF-Amplitude die Vorspannung, so fließt nur ein extrem geringer
Richtstrom, um die Kapazität der Wanne auf das höhere Niveau aufzu
laden. Es kann deshalb auch schon ausreichen, die Vorspannung des zu
sperrenden pn-Übergangs bei einer floatenden Wanne durch die hoch
frequente Störspannung selbst zu erzeugen, wobei ein parasitärer
pn-Übergang als Diode zu nutzen ist, also nicht unbedingt eine
eigene Diode erforderlich ist.
Die eingangsseitigen Komponenten des Filters, die an der höchsten
Störspannung liegen, koppeln diese kapazitiv in ihre Wannen ein.
Deshalb ist vorgesehen, ein Übersprechen über die Vorspannungsquelle
auf andere Schaltungsteile durch mindestens einen Widerstand 78 zu
verhindern, der einerseits an der Betriebsspannungsquelle 68/1,
deren Spannung für den vorgesehenen Zweck hinreichend groß ist, an
dererseits an der Diode 79 liegt, von der aus die mit Wider
stands- und Kapazitätsbelag ausgestatteten Leitungen 764 und 765 zu
den Wannen 761 und 762 führen. Die Leitungen 764, 765 und 766 sind
dargestellt mittels buried-layer-Diffusionszonen 001, die unterhalb
Zonen mit der unteren Isolierungsdiffusion 002 liegen, wobei die
Zonen 002 über obere Isolierungsdiffusionszonen 003 an die Masse
leitung 64/1 angeschlossen sind. Die Wanne 762 ist mit einem zusätz
lichen Kondensator 767 an Masse gelegt, ebenso die Wanne 763 mit dem
Kondensator 768; beide Kondensatoren lassen sich ohne zusätzlichen
Aufwand an Chipfläche im Layout unterbringen.
Wirksam unterstützt wird die Siebschaltung 7 durch den an die Si
gnalgeberleitung 69 angeschlossenen verlustbehafteten Kondensator 80,
den Reihenwiderstand 81 und den Kondensator 82 zwischen dem
positiven Pol 68/1 und dem negativen Pol 64/1 der Betriebsspannung,
dessen Verlustwiderstand von den Stromverbrauchern der Schaltung ge
bildet ist. Glieder dieser Art lassen sich meist ohne zusätzlichen
Flächenaufwand unter Anschlußflecken, Freiräumen im Layout oder dgl.
unterbringen bzw. sind diese Flächen bei der Erstellung des Layouts
dafür zu nutzen.
Eine andere vorteilhafte Lösung, Richtspannungen bzw. Richtströme zu
vermeiden, ist mit einer erweiterten Technologie dadurch zu er
reichen, daß mindestens eine der Komponenten des Filters auf dem der
Passivierung des im Siliziumeinkristall untergebrachten signalver
arbeitenden Schaltungsteils 4 dienenden Deckoxid 007 oder bei einer
Mehrlagenmetallisierung auch auf der zwischen beiden Metalli
sierungen angeordneten dielektrischen Zwischenschicht aufgebracht
ist, die üblicherweise aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder auch
anderen anorganischen bzw. organischen Dielektrika wie Tantal
pentoxid oder Polyimidlack besteht. Widerstände des Filters lassen
sich dann mittels mehr oder weniger stark dotiertem Polysilizum bzw.
auch mittels Metallegierungen wie Chrom-Nickel oder dergleichen dar
stellen durch Abscheiden auf dem Dielektrikum. Auch Kondensatoren
lassen sich dann mit sperrschichtfreiem Dielektrikum besonders vor
teilhaft darstellen, wobei die Gegenelektrode durch eine hoch
dotierte Zone im Silizium gebildet sein kann. Bei einem Prozeß mit
einer Metallisierung in zwei Ebenen sind Kondensatoren mit beiden
Metallebenen als Elektroden und der isolierenden Zwischenschicht als
Dielektrikum auszuführen. Um kleine Flächen zu bekommen, sind hohe
spezifische Flächenkapazitäten erwünscht, also extrem dünne dielek
trische Schichten. Diese sind gegen Durchschläge, also vor Über
spannungen, mittels einer Zenerdioden-Anordnung unipolar oder bi
polar zu schützen. Widerstand und Kondensator lassen sich auch zu
einer Leitung zusammenfassen. Der hochohmige Widerstandsbelag bildet
dabei gleich die eine Elektrode des Kondensators.
Die folgenden Fig. 11 und 12 zeigen ein entsprechendes Beispiel:
Verwendet ist in diesem Beispiel wieder eine übliche monolithisch
integrierte Schaltung in Bipolartechnik mit schwach p-dotiertem Sub
strat als Ausgangsmaterial; selbstverständlich läßt sich die Lehre
der Erfindung auch auf integrierte Schaltkreise mit komplexeren
Strukturen, komplementären Strukturen oder Strukturen in Unipolar
technik (P-MOS, N-MOS, C-MOS) übertragen.
Substrat und Diffusionszonen sind wieder mit 000, 006, Metall und
Schutzschicht mit 007, 009, die Epitaxie mit 100 und die Kontakt
fenster mit 070 sowie das neu eingeführte, vorzugsweise dotierte
Polysilizium mit 111 bezeichnet. Auf die Darstellung der üblicher
weise über dem Ganzen liegenden Schutzschicht 009 wurde verzichtet,
ebenso auf die Anwendung von Mehrlagen-Metallisierungen.
Fig. 11 zeigt den in Fig. 12 dargestellten Teil einer Schaltung
nach Fig. 9 mit einer Leitung 716 als Siebschaltung, Fig. 12 den
dazugehörigen Schnitt durch die monolithisch integrierte Schaltung.
Der Widerstand 715 des Tiefpasses entspricht einem mehr oder weniger
großen Teil des Widerstands 73 von Fig. 9. Der Kondensator 72 und
der Widerstand 71 sind durch die Leitung 716 mit Widerstands- und
Kapazitätsbelag ersetzt. Die bipolare Z-Diode 717 schützt die Lei
tung vor Überspannungen, die auf den Eingang des Filters gelangen
können, oder, anders ausgedrückt, sie erlaubt extrem dünnes Oxid für
den Kapazitätsbelag der Leitung 716, deren Ende mit dem Ausgang des
signalverarbeitenden Schaltungsteils 4 verbunden ist.
Im Schnitt von Fig. 12 sind die einzelnen Teile bzw. Zonen wie oben
angegeben benannt. Dazu ergänzend ist mit dem buried layer 017 die
negative Elektrode der Z-Diode 717 und mit den Isolierungs
diffusionszonen 002, 003 ihre Anoden 025 und 026 gebildet, wobei die
Anode 026 gleichzeitig auch als Masselektrode des Filters, insbe
sondere des Kapazitätsbelags der Leitung 716 dient. 0071 ist das
dicke Feldoxid, auf dem der metallene Anschlußfleck 66 des Filters
und der mit Polysilizium 1111 gebildete Teilwiderstand 715 ange
ordnet sind, während sich der Widerstandsbelag 1112 der Leitung 716
auf dem dünnen Oxid 0072 wie etwa dem Emitteroxid eines Bipolar
prozesses oder dem Gateoxid eines MOS-Prozesses befindet. Die
metallische Verbindung der Teile 715 mit 716 ist mit 082, die von
716 mit dem Ausgang des signalverarbeitenden Schaltungsteils 4 mit
083 bezeichnet; die zugehörenden Kontaktfenster sind 073 und 074.
Der Widerstandsbelag 1112 der Leitung 716 ist beispielsweise mäan
derförmig auf einer größeren Fläche des dünnen Oxids 0072 angeord
net, um eine hinreichend große Leitungslänge zu erreichen. Die in
den Fig. 11 und 12 nicht dargestellten Komponenten der Fig. 9
lassen sich auf dieselbe Art erzeugen. Wird auch der Kondensator 75
als MOS-Kapazität ausgbildet, so ist auch er mittels einer bipolaren
Z-Diode zu schützen.
Sind größere Dämpfungen gefordert, so sind die Filter vorteilhaft
mehrstufig auszuführen. Auch ist auf das durch parasitäre Kompo
nenten hervorgerufene Übersprechen zu achten. Gehören Polysilizium
und dünne Oxide zum Herstellungsprozeß der monolithisch integrierten
Schaltung, so ist es stets richtig, diese wie beschrieben für die
Filter zu nutzen, da bei dieser Technik pn-Übergänge überhaupt erst
tangiert werden, wenn die HF-Amplituden bereits hinreichend gedämpft
sind.
Claims (33)
1. Elektronisches Gerät (1) mit einem signalverarbeitenden Schal
tungsteil (4), zu dem Leitungen geführt sind, und zwar mindestens
eine für die Versorgung mit Betriebsstrom, sowie mindestens eine
weitere für Signaleingänge und/oder Signalausgänge, und mit dem sig
nalverarbeitenden Schaltungsteil (4) zugeordneten Schaltmitteln (7)
zur Dämpfung nach außen dringender hochfrequenter Störspannungen,
die durch die Signalverarbeitung im signalverarbeitenden Schaltungs
teil (4) selbst entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalt
mittel mindestens einer Leitung zugeordnet sind und aus mindestens
einer aus mindestens einem RC-Glied bestehenden Siebschaltung (7)
und/oder mindestens einer Leitung zugeordneten R- und/oder
C-Gliedern zur Dämpfung der Leitung bzw. des Leitungssystems
bestehen und daß die Schaltmittel monolithisch integriert sind.
2. Elektronisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die zur Dämpfung hochfrequenter Störspannungen dienenden Schalt
mittel (7) zusammen mit dem signalverarbeitenden Schaltungsteil (4)
oder Teilen desselben monolithisch integriert sind.
3. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die mindestens einer Leitung (6) zuge
ordneten Schaltmittel (7) aus der Reihenschaltung eines Kondensators
und eines Widerstands als Glieder zur Dämpfung der Leitung bzw. des
Leitungssystems bestehen.
4. Elektronisches Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die mindestens einer Leitung (6) zugeordneten Schaltmittel
(7) zur Dämpfung des im signalverarbeitenden Schaltungsteil (4) er
zeugten Störsignals aus einem mindestens aus je einem Widerstand in
Verbindung mit mindestens je einem Kondensator erzeugten Tiefpaß be
stehen.
5. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens eine Komponente (71, 713, 714,
72, 73, 74, 75) der Siebschaltung (7) durch eine in das ein
kristalline Halbleitermaterial der monolithisch integrierten Schal
tung eingebrachte Zone dargestellt ist, die mit dem sie umgebenden
Halbleitermaterial einen pn-Übergang bildet.
6. Elektronisches Gerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine
Vorspannung des pn-Übergangs zwischen der genannten mindestens einen
Komponente (71, 713, 714, 72, 73, 74, 75) und dem sie umgebenden
Halbleitermaterial in Sperrichtung.
7. Elektronisches Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorspannung aus der Betriebsgleichspannung der monolithisch
integrierten Schaltung bzw. des Gerätes gewonnen ist.
8. Elektronisches Gerät nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch
eine in Flußrichtung geschaltete Diode (79) zwischen der Vor
spannungsquelle und dem pn-Übergang zwischen der genannten min
destens einen Komponente (71, 713, 714, 72, 73, 74, 75) und dem sie
umgebenden Halbleitermaterial.
9. Elektronisches Gerät nach mindestens einem der Ansprüche 6 bis 8,
gekennzeichnet durch eine aus mindestens einem Widerstand (78) be
stehende Siebschaltung zwischen der Vorspannungsquelle und dem
pn-Übergang zwischen der genannten mindestens einen Komponente (71,
713, 714, 72, 73, 74, 75) und dem sie umgebenden Halbleitermaterial.
10. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekenn
zeichnet durch eine Spannungsvervielfacherschaltung zwischen der
Vorspannungsquelle und dem pn-Übergang zwischen der genannten min
destens einen Komponente (71, 713, 714, 72, 73, 74, 75) und dem sie
umgebenden Halbleitermaterial.
11. Elektronisches Gerät nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine
ihre Ausgangsspannung begrenzende Spannungsvervielfacherschaltung
oder eine der Spannungsvervielfacherschaltung nachgeschaltete
Stabilisierungsschaltung.
12. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Komponenten der Siebschaltung
(7) und Masse (Substrat) gegeneinandergeschaltete pn-Übergänge als
Amplitudenbegrenzer angeordnet sind.
13. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als kapazitive Komponente der Sieb
schaltung (7) mindestens ein pn-Übergang und/oder zwei gegeneinan
dergeschaltete pn-Übergänge angeordnet ist/sind.
14. Elektronisches Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die npn- bzw. pnp-Strukturen der gegeneinanderge
schalteten pn-Übergänge wenigstens näherungsweise symmetriert sind.
15. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Eingangsklemme der Sieb
schaltung (7) und Masse mindestens ein niederohmiger Widerstand (74)
geschaltet ist, der die zugeordnete mindestens eine Leitung (65, 66)
stark, vorzugsweise im aperiodischen Grenzfall, bedämpft.
16. Elektronisches Gerät nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch
einen Kondensator (75) in Reihe zu dem niederohmigen Widerstand (74).
17. Elektronisches Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (75) durch zwei gegeneinandergeschaltete Dioden
gebildet ist.
18. Elektronisches Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kondensator (75) durch zwei gegeneinandergeschaltete Dioden
mit innerem Bahnwiderstand verlustbehaftet gebildet ist (Fig. 11).
19. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Leitung mit Widerstands- und Kapazitätsbe
lag als Komponente der Siebschaltung (7).
20. Elektronisches Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die in Sperrichtung wirkende Vorspannung aus der die Stör
spannung bildenden Eingangswechselspannung selbst mittels eines als
Diode wirkenden pn-Übergangs erzeugt ist.
21. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Komponente (71) der
Siebschaltung (7) in mehrere Abschnitte (713, 714) unterteilt ist,
um parasitäres Übersprechen zu reduzieren.
22. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Komponenten der Siebschaltung (7) in
mindestens zwei getrennten, gegeneinander isolierten Wannen (761,
762, 763) untergebracht sind, um parasitäres Übersprechen zu redu
zieren.
23. Elektronisches Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die gegeneinander isolierten Wannen (761, 762, 763) über unab
hängige Entkopplungsnetzwerke (764, 765) mit der Vorspannungsquelle
verbunden sind.
24. Elektronisches Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei der gegeneinander isolierten Wannen (762, 763)
über ein Entkopplungsnetzwerk (766) miteinander verbunden sind.
25. Elektronisches Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung von Richtspannungen
bzw. Richtströmen mindestens eine Komponente (71, 713 bis 716, 74,
75) der Siebschaltung (7) auf mindestens einer (0071, 0072) der
dielektrischen Deckschichten der monolithisch integrierten Schaltung
angeordnet ist.
26. Elektronisches Gerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,
daß dem eingangsseitigen Anschluß (66) der Siebschaltung (7) zuge
wandte Komponenten (715) zur Erzielung einer größeren Durchschlags
festigkeit auf einer dickeren dielektrischen Deckschicht (0071),
vorzugsweise auf dem Feldoxid, angeordnet sind.
27. Elektronisches Gerät nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekenn
zeichnet, daß dem eingangsseitigen Anschluß (66) der Siebschaltung
(7) abgewandte Komponenten (716) zur Erzielung eines größeren Kapa
zitätsbelags auf einer dünneren dielektrischen Deckschicht (0072)
angeordnet sind.
28. Elektronisches Gerät nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Spannungsbegrenzer
schaltung zum Schutz von Komponenten (715) der Siebschaltung (7)
gegen Spannungsdurchschläge.
29. Elektronisches Gerät nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch eine
Z-Diode als Spannungsbegrenzerschaltung.
30. Elektronisches Gerät nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch eine
bipolare Z-Diode (717) als Spannungsbegrenzerschaltung.
31. Elektronisches Gerät nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet,
daß die bipolare Z-Diode (717) als symmetrische npn- oder pnp-Struk
tur (025, 017, 026) ausgeführt ist.
32. Elektronisches Gerät nach einem der Ansprüche 28 bis 31, gekenn
zeichnet durch mindestens einen Widerstand (715) zwischen dem ein
gangsseitigen Anschluß (66) der Siebschaltung (7) und der Spannungs
begrenzerschaltung.
33. Elektronisches Gerät nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch an die zu sperrende Spannung über
den Gradienten der Dotierung angepaßte Sperrschichtkondensatoren.
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