DE4004526C1

DE4004526C1 -

Info

Publication number: DE4004526C1
Application number: DE4004526A
Authority: DE
Inventors: Laszlo 8050 Freising De Goetz
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1990-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1991-09-05
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JP3228950B2; KR100204375B1; KR910016075A; US5157571A; EP0442391A2; EP0442391B1; DE69109146D1; EP0442391A3; DE69109146T2; JPH0521722A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung ge mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 32 10 743 C2 ist eine Schaltungsanordnung dieser Art bekannt. Bei dieser Schaltungsanordnung liegt zwischen dem zu schützenden Eingang und Masse eine Vierschichtdiode, die in den leitenden Zustand übergeht, sobald eine ihrem Steueranschluß zugeführte Spannung einen vorgegebenen Schwel lenwert überschreitet. Dieser Schwellenwert ist so einge stellt, daß der Übergang der Vierschichtdiode in den nieder ohmigen Zustand eintritt, sobald am zu schützenden Eingang eine Spannung erscheint, die die angeschlossene Schaltung schädigen könnte. Die Vierschichtdiode bleibt in der bekann ten Schaltungsanordnung solange im leitenden Zustand, bis der durch sie fließende Strom einen niedrigen Haltestromwert unterschreitet. Dies bedeutet, daß die angeschlossene Schal tung erst dann wieder betriebsbereit ist, wenn der durch die Vierschichtdiode fließende Strom kleiner als der Haltestrom geworden ist. Diese Art der Schaltung ist für das Schützen eines Eingangs ungeeignet, an dem die Versorgungsspannung der zu schützenden Schaltung anliegt, da in diesem Fall eine an der Versorgungsspannungsleitung auftretende Spannungs spitze die Vierschichtdiode zwar in den niederohmigen Zu stand umschaltet, das Zurückschalten in den hochohmigen Zu stand jedoch nicht erfolgen kann, da an der Versorgungsspan nungsleitung auch nach Verschwinden der Spannungsspitze immer noch die Versorgungsspannung anliegt, die ein Unterschreiten des Haltestroms durch die Vierschichtdiode verhindert.

Auch aus der EP 03 52 896 A2 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, mit deren Hilfe unter Verwendung einer Vierschicht diode Eingänge integrierter Schaltungen gegen Überspannungen geschützt werden können. Auch in dieser Schaltungsanordnung wird die einwandfreie Funktion der zu schützenden Schaltung nach dem Auftreten einer Überspannung und dem resultierenden Umschalten der Vierschichtdiode in den leitenden Zustand erst dann wiederhergestellt, wenn die Störung vollständig beseitigt ist und der Haltestrom in der Vierschichtdiode unterschritten worden ist. Überspannungen auf Versorgungs spannungsleitungen können daher mit dieser Schaltung nicht unschädlich gemacht werden. Das gleiche gilt auch für eine Schaltungsanordnung, die aus der DE 32 01 933 C2 bekannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsan ordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, mit deren Hilfe Eingänge integrierter Schaltungen auch bei schwanken den Versorgungsspannungen und bei sich ändernden Temperatu ren zuverlässig geschützt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den im Kennzei chen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Mittels dieser Schaltungsanordnung wird auch er reicht, daß sich die Spannung, bei der der Schutzmechanismus wirksam wird, automatisch an die jeweilige Versorgungsspannung anpaßt, indem eine aus der Versorgungsspannung abgeleitete Re ferenzspannung benutzt wird. Durch Herstellen der Schaltungs anordnung in Form einer integrierten Schaltung lassen sich die Bauelemente so dimensionieren, daß sie das gleiche Temperatur verhalten haben, wobei durch die gewählte Schaltung erreicht wird, daß sich die Temperatureinflüsse kompensieren, die Schaltungsanordnung also unabhängig von Temperaturschwankungen die ihr zugedachte Wirkung hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild, das beispielhaft die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung veranschau licht, und

Fig. 2 ein genaues Schaltbild der Schal tungsanordnung.

Die in Fig. 1 als Block dargestellte Schaltungsanordnung bil det eine Schutzschaltung 10, mit deren Hilfe der zuschützende Eingang 12 einer integrierten Schaltung 14 gegen Überspannungen geschützt werden kann. Die integrierte Schaltung 14 ist über eine Lei tung 16 mit einer Anschlußklemme 18 verbunden, die ihrerseits mit einer die Versorgungsspannung V_CC liefernden Versorgungs spannungsquelle verbunden ist. Über eine Leitung 20 wird die Versorgungsspannung auch einem Anschluß 21 der Schutzschaltung 10 zugeführt. Der Anschluß 22 der integrierten Schaltung 12 und der Anschluß 24 der Schutzschaltung 10 liegen an Masse. Ein Anschluß 26 der Schutzschaltung 10 ist mit dem Eingang 12 der integrierten Schaltung 14 verbunden. Das Eingangssignal, das der integrierten Schaltung 14 zugeführt werden soll, wird einem Eingang 28 zugeführt, wobei zwischen diesem Eingang 28 und dem Eingang 12 ein Widerstand R liegt.

Die Schutzschaltung 10 ist so ausgebildet, daß immer dann, wenn am zu schützenden Eingang 12 der integrierten Schaltung 14 eine Spannung auftritt, die größer als die am Anschluß 18 anliegende Versor gungsspannung V_CC ist, die Schutzschaltung 10 zwischen dem An schluß 26 und Masse eine niedrige Impedanz annimmt, die dafür sorgt, daß die Spannung am Eingang 12 auf dem Wert der Versor gungsspannung V_CC gehalten wird.

Der genaue Aufbau der Schutzschaltung 10 geht aus dem Schalt bild von Fig. 2 hervor.

Die Schutzschaltung 10 enthält als zentrales Bauelement eine Vierschichtdiode, die aus einem PNP-Transistor T1 und aus ei nem NPN-Transistor T2 zusammengesetzt ist. Wie Vierschicht dioden dieser Art arbeiten, Ist beispielsweise in der Zeit schrift "Elektro-Technik", Nr. 4, 2. Februar 1966, Seite 60 erläutert. Wenn an diese Vierschichtdiode aus den beiden Tran sistoren T1 und T2, im Schaltbild von Fig. 2 zwischen dem An schluß 26 und Masse eine Spannung angelegt wird, die größer als die Spannung an der Basis des Transistors T1 ist, steigt der Strom durch die Vierschichtdiode sprunghaft an, was bedeu tet, daß die Diode in den Durchlaßzustand übergeht. Nach Ab sinken der Spannung geht die Diode wieder in den Sperrzustand über, wenn der durch sie fließende Strom einen vorgegebenen Haltestromwert unterschreitet. Der Gegenkopplungswiderstand R1 in der Emitterleitung des Transistors T2 begrenzt den durch die Vierschichtdiode fließenden Strom.

In der Schaltung von Fig. 2 wird an der Basis des Transistors T1 mit Hilfe einer Serienschaltung aus einem NPN-Transistor T3 und einer Konstantstromquelle S eine Referenzspannung erzeugt, die den Spannungswert festlegt, bei dem die Vierschichtdiode aus den Transistoren T1 und T2 in den leitenden Zustand über geht. Der Transistor T3 ist dabei durch Verbinden seiner Basis mit seinem Kollektor als Diode geschaltet. Die Basis des Tran sistors T1 ist mit dem Emitter dieses als Diode geschalteten Transistors T3 verbunden. Die Konstantstromquelle S ist so ausgelegt, daß sie genau den Strom liefert, der die Vier schichtdiode aus den Transistoren T1 und T2 im leitenden Zu stand hält. Zwischen dem Anschluß 26 und dem Anschluß 24 liegt eine Serienschaltung aus einem NPN-Transistor T4 und einem Widerstand R2, wobei diese Serienschaltung parallel zu den Transistoren T1 und T2 sowie zum Gegenkopplungswiderstand R1 liegt.

Die in Fig. 2 dargestellte Schutzschaltung 10 verhält sich wie folgt:

Unter der Annahme, daß am Anschluß 21 die Versorgungsspannung V_CC liegt, tritt als Referenzspannung an der Basis des Tran sistors Ti der Spannungswert,
V_Ref= U_BE(T3),
auf. V_BE(T3) ist dabei die Basisemitterspannung des Transi stors T3. Sobald die Spannung am Anschluß 26 größer als die Referenzspannung an der Basis des Transistors T1 wird, beginnt die Vierschichtdiode aus den Transistoren T1 und T2 zu leiten und der durch sie fließende Strom steigt sprunghaft an. Der Stromanstieg wird durch den Gegenkopplungswiderstand R1 be grenzt, und mit zunehmendem Strom würde an diesem Widerstand ein größer werdender Spannungsabfall auftreten, der verhin dert, daß der von einer Überspannung am Anschluß 26 resultie rende Strom abfließt. Ohne zusätzliche Maßnahmen würde somit die angestrebte Schutzwirkung nicht eintreten. Aufgrund des Stroms durch den Gegenkopplungswiderstand R1 wird aber auch der Transistor T4 leitend, so daß er einen Teil des Stroms übernimmt, der sonst durch die Transistoren T1 und T2 fließen müßte. Der Wert des Gegenkopplungswiderstandes R1 ist wesent lich größer als der Wert des Widerstandes R2, so daß der größ te Teil des Stroms nach dem Leitend werden der Vierschichtdiode über den Transistor T4 vom Anschluß 26 nach Masse abfließt. Durch die Vierschichtdiode fließt nur noch der Strom, der sie im leitenden Zustand hält, so daß der Schutzmechanismus wei terhin wirksam bleibt, solange am Anschluß 26 noch eine Über spannung vorhanden ist. Wegen des leitenden Zustandes der Vierschichtdiode kann die Schutzschaltung 10 sehr schnell auf Spannungsspitzen ansprechen, so daß tatsächlich ein wirksamer Schutz des mit dem Anschluß 26 verbundenen Eingangs der inte grierten Schaltung 12 erreicht wird.

In der Praxis wird die Konstantstromquelle S, die im idealen Fall einen Strom liefert, der gleich dem Haltestrom der Vier schichtdiode ist, durch einen sehr hochohmigen Widerstand ge bildet.

Bei Herstellung der Schutzschaltung 10 als Bestandteil einer integrierten Schaltung werden der Transistor T1 und der Tran sistor T3 mit Hilfe derselben Herstellungsschritte und unter den gleichen Bedingungen hergestellt, so daß diese beiden Transistoren auch ein völlig übereinstimmendes Temperaturver halten haben. Dies hat zur Folge, daß die Ansprechschwelle der Schutzschaltung von Temperaturschwankungen unbeeinflußt bleibt, da die spannungsabhängige Basis-Emitter-Spannung der beiden Transistoren sowohl zwischen der Basis des Transistors T1 und dem Anschluß 26 einerseits und dem mit der Versorgungs spannung V_CC gespeisten Anschluß 21 andererseits vorhanden ist, so daß die für das Ansprechen der Schutzschaltung wesent liche Differenz zwischen der Versorgungsspannung V_CC und der Spannung am Anschluß 26 unabhängig von der jeweiligen Tempera tur konstant bleibt.

Die beschriebene Schaltungsanordnung schützt den Eingang 12 der integrierten Schaltung gegen positive Überspannungen, also gegen Spannungen, die größer als die Versorgungsspannung V_CC sind. Es ist ohne weiteres auch möglich, die Schaltung so zu erweitern, daß sie auch einen Schutz gegen negative Überspan nung bietet. Dazu muß die Schaltung von Fig. 2 lediglich durch eine spiegelbildliche Nachbildung ergänzt werden, in der die Transistoren jeweils durch Transistoren des entgegengesetzten Leitungstyps ersetzt sind. Die Schaltung ist dann potentialmä ßig symmetrisch bezüglich des Anschlusses 26, so daß sich ein Schutz sowohl gegen positive als auch gegen negative Überspan nungen ergibt. Die genaue Ausführung dieser Ergänzung ist für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, so daß sie nicht näher erläutert werden muß.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Schützen eines Eingangs einer aus einer Versorgungsspannungsquelle gespeisten integrierten Schaltung gegen Überspannungen, mit einem Eingang, der mit dem zu schützenden Eingang der integrierten Schaltung ver bunden ist, wobei mit dem zu schützenden Eingang eine Vier schichtdiode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierschichtdiode (T1, T2) und ein mit ihr in Serie geschal teter Gegenkopplungswiderstand (R1) zwischen dem zu schüt zenden Eingang (12) und Masse liegen, daß mit einem Steuer anschluß der Vierschichtdiode (T1, T2) der Steueranschluß eines steuerbaren Stromableitelements (T4) verbunden ist, das parallel zu der Vierschichtdiode (T1, T2) geschaltet ist, und daß am anderen Steueranschluß der Vierschichtdiode (T1, T2) zum Anlegen einer Referenzspannung der Verbindungspunkt einer Serienschaltung aus einer Diode (T3) und einer Kon stantstromquelle (S) angeschlossen ist, die zwischen der Versorgungsspannungsquelle und Masse liegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Stromableitelement ein Transistor (T4) ist, des sen Basis mit dem einen Steueranschluß der Vierschichtdiode (T1, T2) verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke in die Verbindung zwischen dem zu schützenden Eingang (12) und Masse liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß in der für den Drucker der Emitterleitung des Stromableitelement bil denden Transistors (T4) ein Widerstand für den Drucker (R2) liegt, dessen Wert sehr viel kleiner als der Wert des Gegenkopplungswiderstands (R1) ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode von einem Transi stor (T3) gebildet ist, dessen Kollektor und Basis gemeinsam an die Versorgungsspannungsquelle angeschlossen sind und des sen Emitter mit dem anderen Steueranschluß der Vierschicht diode (T1, T2) verbunden ist.