DE4217408C1 - Integrierter Spannungsteiler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Spannungs­ teiler mit einem ersten Teilwiderstand und einem damit in Serie geschalteten zweiten Teilwiderstand, wobei die zu tei­ lende Spannung an die Enden der Serienschaltung der beiden Teilwiderstände anlegbar ist und die geteilte Spannung am Verbindungspunkt der beiden Teilwiderstände abgreifbar ist, wie aus z. B. das US 41 81 878 bekannt ist.

Es ist üblich, Spannungsteiler aus zwei in Serie geschalteten Teilwiderständen herzustellen, an deren gemeinsamen Verbin­ dungspunkt ein Teil der an die Serienschaltung angelegten Spannung abgegriffen werden kann. In der Regel liegt dabei das eine Ende der Serienschaltung der beiden Widerstände an einem niedrigen Potential, während mit dem anderen Ende der Serienschaltung ein auf einem höheren Potential liegender Schaltungspunkt verbünden wird. Das Verhältnis der an den Teilwiderständen auftretenden Spannungsabfälle entspricht dabei dem Verhältnis der Widerstandswerte.

Wenn ein Spannungsteiler der geschilderten Art zum Teilen einer HF-Spannung oder einer Rechteck-Spannung mit hoher Flankensteilheit verwendet wird, dann machen sich die an den Teilwiderständen auftretenden unvermeidlichen Streukapazitä­ ten nachteilig bemerkbar, da die Kurvenform der geteilten Spannung nicht mehr mit der Kurvenform der Eingangsspannung des Spannungsteilers entspricht. Bei Rechteckspannungen füh­ ren diese Streukapazitäten beispielsweise zu einem mehr oder minder starken Überschwingen an den Impulsflanken. Bei einem Spannungsteiler, der als Eingangsteiler eines Oszillographen verwendet wird, ist dieses Verhalten besonders nachteilig, da sich die negativen Auswirkungen der Streukapazitäten unmit­ telbar an seinem Bildschirm zeigen, so daß der Betrachter nicht weiß, ob er den korrekten, dem Eingangssignal entspre­ chenden Signalverlauf oder einen aufgrund der Streukapazitäten veränderten Signalverlauf sieht. Die Auswirkungen der Streukapazitäten sind um so gravierender, je höher die betei­ ligten Frequenzen sind und je hochohmiger die Teilwiderstände sind.

Zur Frequenzkompensation des Spannungsteilers können den Teilwiderständen jeweils Kondensatoren parallel geschaltet werden, die so dimensioniert sind, daß die Produkte aus dem Widerstandswert des Teilwiderstandes und dem jeweils zugeord­ neten Kondensator gleich sind.

Bei Herstellung eines Spannungsteilers in der Technik der integrierten Schaltungen kann die Frequenzkompensation nicht dadurch erreicht werden, daß den integrierten Teilwiderstän­ den integrierte Kondensatoren parallel geschaltet werden. Im Falle integrierter Teilwiderstände sind die Streukapazitäten über die gesamte geometrische Größe des Widerstandskörpers verteilt, und sie liegt nicht notwendigerweise zwischen den beiden Enden des Teilwiderstandes. Außerdem liegt eine be­ trächtliche Streukapazität gegen Masse vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen integrierten Spannungsteiler der eingangs angegebenen Art zu schaffen, dessen Ausgangsspannungsverlauf den Eingangsspannungsverlauf unabhängig von der Frequenz der Eingangsspannung wiedergibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Teilwiderstände aus Bahnen aus polykristallinem Halbleiterma­ terial über einer dielektrischen Schicht gebildet sind, die ihrerseits auf einem Halbleitersubstrat angebracht ist, daß in dem Halbleitersubstrat unter den jeweils einen Teilwider­ stand bildenden Bahnen eine Wanne mit einem zum Leitungstyp des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Leitungstyp gebil­ det ist, wobei die dem ersten Teilwiderstand zugeordnete Wan­ ne mit dem einen Ende der Serienschaltung und die dem zweiten Teilwiderstand zugeordnete Wanne mit dem anderen Ende der Serienschaltung verbunden sind, und daß die Gesamtflächen der die einzelnen Teilwiderstände bildenden Bahnen so dimensio­ niert ist, daß ihr Verhältnis gleich dem umgekehrten Verhält­ nis der Widerstandswerte der beiden Teilwiderstände ist.

Widerstände, die aus Bahnen aus polykristallinem Halbleitermaterial über einer dielektrischen Schicht gebildet sind, die ihrerseits auf einem Halbleitersubstrat angebracht ist, wobei in dem Halbleitersubstrat unter den Bahnen eine Wanne mit einem zum Leitungstyp des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Leitungstyp gebildet ist, sind an sich aus US 41 33 000 und aus Proc. IEEE, Vol. 71, Nr. 8, 1983, S. 967-986, speziell Fig. 3d und 4e, bekannt.

In einem integrierten Spannungsteiler der erfindungsgemäßen Art wird durch das Anbringen der Teilwiderstände über vonein­ ander getrennten Wannen in dem Substrat erreicht, daß die gemeinsamen Punkte aller Streukapazitäten, die einem Teilwi­ derstand zugeordnet sind, mittels der jeweiligen Wanne an eine zweckmäßige Vorspannung, nämlich an die Spannung an ei­ nem Ende der Serienschaltung oder an die Spannung am anderen Ende der Serienschaltung gelegt werden kann. Durch Festlegen der Flächen der die jeweiligen Teilwiderstände bildenden Bah­ nen wird erreicht, daß die Produkte aus Widerstand und Streu­ kapazität an den beiden Teilwiderständen jeweils gleich sind, wie dies für die gewünschte Frequenzkompensation erforderlich ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet. Durch die im Unteranspruch 2 ge­ kennzeichnete Weiterbildung läßt sich eine größere Genauig­ keit bei der Festlegung der Widerstandswerte erreichen. Die Weiterbildung des Unteranspruchs 4 ermöglicht eine Kompensa­ tion von mechanischen Beanspruchungen, die auf die den inte­ grierten Spannungsteiler enthaltende integrierte Schaltung einwirken können. Die Weiterbildung des Unteranspruchs 4 dient der Kompensation der Induktivitäten der Leiterbahnen. Mit der Weiterbildung, die im Unteranspruch 5 gekennzeichnet ist, können Temperatureinflüsse auf den integrierten Span­ nungsteiler kompensiert werden.

Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines integrierten Spannungstei­ lers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines den erfindungs­ gemäßen integrierten Spannungsteiler enthaltenden Teils einer integrierten Schaltung und

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen integrierten Spannungsteiler nach der Erfindung in einer in der Praxis verwirk­ lichten Ausführungsform zur Veranschaulichung des Verlaufs der die Teilwiderstände bildenden Bahnen.

Der in Fig. 1 dargestellte Spannungsteiler enthält zwei Teil­ widerstände R1 und R2, die als eine Serienschaltung als Ein­ zelwiderständen R1.1 bis R1.6 bzw. R2.1 bis R2.6 zusammenge­ setzt sind. Diese Darstellungsart ist gewählt worden, um die zeichnerische Darstellung der Streukapazitäten zu ermögli­ chen, die in einer integrierten Schaltung nicht als einzelne diskrete Bauelemente, sondern in verteilter Form vorhanden sind. In Fig. 1 sind diese Streukapazitäten in Zuordnung zu den Teilwiderständen R1 und R2 als einzelne Kondensatoren C1.1 bis C1.5 bzw. C2.1 bis C2.5 dargestellt. Die zu teilende Spannung wird zwischen den Eingang 1 des Spannungsteilers und den mit Masse verbundenen Punkt 2 angelegt. Die geteilte Spannung kann am Abgriff 3 abgenommen werden.

Die Einzelwiderstände R1.1 bis R1.6 und R2.1 bis R2.6 werden in Form von Bahnen aus polykristallinem Silizium gebildet, die in Fig. 2 im Schnitt zu erkennen sind. Die Verbindungen der einzelnen Bahnen zur Bildung der Teilwiderstände R1 und R2 werden durch eine geeignet ausgebildete Metallisierungs­ schicht über den Bahnen hergestellt, wie dies in der Technik der integrierten Schaltungen allgemein üblich ist. Diese Me­ tallisierungsschicht ist aus Gründen der Deutlichkeit in der Zeichnung nicht dargestellt. Die Verbindungen sind lediglich schematisch mit gestrichelten Linien angegeben.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, befinden sich die Einzel­ widerstände der Teilwiderstände R1 und R2 bildenden Bahnen auf einer dünnen Schicht 4 aus polykristallinem Silizium, die auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats 5 angebracht ist. Dieses Halbleitersubstrat 5 besteht beispielsweise aus P-leitendem Silizium. Unter den Bahnen, die den Teilwider­ stand R1 bilden, und unter den Bahnen, die den Teilwiderstand R2 bilden, befindet sich jeweils eine Wanne 6 bzw. 7 aus N- leitendem Silizium, wie in Fig. 2 zu erkennen ist. Über einen Anschlußkontakt 8 ist die Wanne 6 mit dem Eingang 1 des Span­ nungsteilers verbunden, während die Wanne 7 über einen An­ schlußkontakt 9 mit dem Massepunkt 2 des Spannungsteilers verbunden ist.

Die Schicht 4 aus polykristallinem Silizium wirkt in dem Spannungsteiler von Fig. 2 als Dielektrikum der sich unter­ halb der die Einzelwiderstände bildenden Bahnen bildenden Streukapazitäten, wobei die Bahn eines Einzelwiderstandes jeweils den einen Belag der ihm zugeordneten Streukapazität bildet, während die darunterliegende Wanne gemeinsam den an­ deren Belag aller Streukapazitäten bildet. Zur Ausschaltung der Frequenzabhängigkeit der Übertragungskennlinie des inte­ grierten Spannungsteilers von Fig. 2 muß dafür gesorgt wer­ den, daß sich die den einzelnen Teilwiderständen R1 und R2 zugeordneten Streukapazitäten umgekehrt wie die Widerstands­ werte der Teilwiderstände verhalten. Da die Streukapazitäten den Flächen der die Einzelwiderstände bildenden Bahnen direkt proportional sind, kann die oben genannte Bedingung für die Erzielung der Frequenzkompensation durch Beeinflussung der Flächen der Bahnen erfüllt werden.

Da es zur Erzielung einer hohen Genauigkeit der Widerstands­ werte und insbesondere zur Erzielung einer guten Reproduzier­ barkeit der genauen Widerstandswerte notwendig ist, für die Einzelwiderstände Bahnen mit gleicher Breite zu verwenden, kann die Fläche der Bahnen nicht einfach dadurch vergrößert werden, daß breitere Bahnen zum Einsatz kommen, wenn größere Kapazitätswerte benötigt werden. Die Forderung, daß sich die den Einzelwiderständen zugeordneten Kapazitätswerte umgekehrt wie die Widerstandswerte verhalten müssen, bringt zwei zuein­ ander entgegengesetzte Bedingungen mit sich. Ein kleiner Wi­ derstandswert könnte mit einer kurzen Bahnlänge erreicht wer­ den, jedoch ergibt dies auch wegen der angenommenen gleichen Bahnbreite auch eine dementsprechend kleine Fläche und eine dementsprechend kleine Streukapazität. Ein Widerstand mit kleinem Wert muß aber eine zugeordnete Streukapazität mit hohem Kapazitätswert haben, damit die Bedingung für die Fre­ quenzkompensation erfüllt wird. Ein kleiner Widerstandswert wird daher dadurch erreicht, daß eine Widerstandsbahn mit großer Länge, die die erforderliche große Fläche und damit hohe Streukapazität ergibt, in mehrere Einzelwiderstände un­ terteilt und durch geeignetes Parallelschalten auf den ge­ wünschten kleinen Widerstandswert gebracht wird. Da der Teil­ widerstand mit dem größeren Widerstandswert in Spannungs­ teiler zwangsläufig eine größere Länge der ihn bildenden Bahn erfordert, ergibt sich zwangsläufig auch eine größere Streu­ kapazität. Da eine Verkleinerung dieser Streukapazität bei dem größeren Teilwiderstand nicht möglich ist, wird in der Praxis beim Aufbau eines integrierten Spannungsteilers vom größeren Teilwiderstand ausgegangen und der kleinere Teilwi­ derstand zur Erzielung der gewünschten Frequenzkompensation dann hinsichtlich seines Aufbaus aus einer Parallelschaltung einzelner Bahnen festgelegt.

In dem integrierten Spannungsteiler von Fig. 2 ist die dem Teilwiderstand R1 zugeordnete Wanne 6 mit dem Eingang 1 ver­ bunden, an dem die zu teilende Spannung angelegt wird. Auf diese Weise liegt die unvermeidliche Kapazität zwischen der Wanne 6 und dem Substrat 5 parallel zum Eingang 1, so daß sie keinen Einfluß auf die Frequenzkompensation hat, sondern le­ diglich die zu teilende Spannung liefernde Quelle kapazitiv belastet. Durch Verbinden der dem Teilwiderstand R2 zugeord­ neten Wanne 7 mit Masse wird die Kapazität zwischen der Wanne 7, und Substrat kurzgeschlossen, so daß sie ebenfalls keinen Einfluß auf die Frequenzkompensation hat.

In Fig. 3 ist das Layout des hier beschriebenen integrierten Spannungsteilers dargestellt. In diesem Layout ist der Ver­ lauf der Bahnen der Teilwiderstände R1 und R2 zu erkennen; die die einzelnen Schaltungspunkte verbindende Metallisie­ rungsschicht ist dabei weggelassen worden.

Wie zu erkennen ist, ist der Teilwiderstand R1 im mittleren Bereich der vom Spannungsteiler besetzten Fläche angeordnet. Die Bahnen, die den Teilwiderstand R2 bilden, umgeben diesen mittleren Bereich. Die Bahnen der Teilwiderstände haben dabei einen solchen Verlauf, daß angenähert ebensoviele Teilstücke in einer Richtung wie in einer dazu senkrechten Richtung ver­ laufen. Diese Anordnung wird aus mehreren Gründen gewählt. Aufgrund der Tatsache, daß die den Teilwiderstand R2 bilden­ den Bahnen beiderseits des Teilwiderstandes R1 angeordnet sind, ergibt sich eine Temperaturkompensation des Spannungs­ teilers. Wenn beispielsweise in Fig. 3 der rechts des Teilwi­ derstandes R1 liegende Bereich des Teilwiderstandes R2 eine höhere Temperatur als der links liegende Bereich hat, dann heben sich die Temperatureinflüsse auf die elektrischen Para­ meter des Spannungsteilers bezüglich des auf einem mittleren Temperaturwert befindlichen Teilwiderstandes R1 auf. Durch den Verlauf ebensovieler Bahnen in der einen Richtung und in einer dazu senkrechten Richtung wird eine Kompensation hin­ sichtlich mechanischer Beanspruchungen erreicht, da bei die­ ser Anordnung die Anzahl der beim Auftreten einer mechani­ schen Beanspruchung gedehnten und gestauchten Bahnen etwa gleich ist.

Es sei bemerkt, daß die geschilderte Möglichkeit zur Erzie­ lung der Frequenzkompensation durch Einflußnahme auf die Flä­ chen der die Teilwiderstände bildenden Bahnen zwar mathema­ tisch genau gelöst werden kann, in der Praxis jedoch nicht für alle gewünschten Teilerverhältnisse exakt erreicht werden kann, wenn, wie angenommen, Bahnen gleicher Breite benutzt werden. Dennoch läßt sich in der Praxis eine Genauigkeit der Frequenzkompensation erreichen, die für sehr viele Anwen­ dungsfälle völlig ausreichend ist.

Damit die Induktivität der verwendeten langen Bahnen keinen Einfluß auf das Frequenzverhalten des Spannungsteilers nimmt, sind Teilstücke der Bahnen jeweils so miteinander verbunden, daß die Ströme in unmittelbar benachbarten Bahnen jeweils in entgegengesetzten Richtungen fließen. Dies entspricht dem Prinzip der bifilaren Wicklung einer Spule.

Der beschriebene integrierte Spannungsteiler ist nicht nur frequenzkompensiert, sondern er ist wegen des in Fig. 3 dar­ gestellten Layouts auch unempfindlich für Temperaturänderun­ gen oder für mechanische Beanspruchungen.

Claims (5)

1. Integrierter Spannungsteiler mit einem ersten Teilwider­ stand und einem damit in Serie geschalteten zweiten Teilwi­ derstand, wobei die zu teilende Spannung an die Enden der Serienschaltung der beiden Teilwiderstände anlegbar ist und die geteilte Spannung am Verbindungspunkt der beiden Teilwi­ derstände abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwiderstände (R1, R2) aus Bahnen aus polykristallinem Halbleitermaterial über einer dielektrischen Schicht (4) ge­ bildet sind, die ihrerseits auf einem Halbleitersubstrat (5) angebracht ist, daß in dem Halbleitersubstrat (5) unter den jeweils einen Teilwiderstand (R1, R2) bildenden Bahnen eine Wanne (6, 7) mit einem zum Leitungstyp des Halbleitersub­ strats (5) entgegengesetzten Leitungstyp gebildet ist, wobei die dem ersten Teilwiderstand (R1) zugeordnete Wanne (6) mit dem einen Ende der Serienschaltung und die dem zweiten Teil­ widerstand (R2) zugeordnete Wanne (7) mit dem anderen Ende der Serienschaltung verbunden sind, und daß die Gesamtflächen der die einzelnen Teilwiderstände (R1, R2) bildenden Bahnen so dimensioniert ist, daß ihr Verhältnis gleich dem umgekehr­ ten Verhältnis der Widerstandswerte der beiden Teilwiderstän­ de (R1, R2) ist.

2. Integrierter Spannungsteiler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Teilwiderstände (R1, R2) bildenden Bahnen die gleiche Breite haben und daß die Widerstandswerte durch ausgewähltes Serien- und Parallelschalten von Teilstük­ ken der Bahnen festgelegt sind.

3. Integrierter Spannungsteiler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bahnen auf der dielektrischen Schicht so angeordnet sind, daß sich ebensoviele Teilstücke der Bahnen in einer ersten Richtung und in einer dazu senk­ rechten zweiten Richtung erstrecken.

4. Integrierter Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Teilstücke der Bahnen so miteinander verbunden sind, daß in unmittelbar nebeneinan­ der verlaufenden Teilstücken fließende Ströme in entgegenge­ setzter Richtung fließen.

5. Integrierter Spannungsteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahnen der Teilwi­ derstände (R1, R2) so auf der dielektrischen Schicht (4) an­ geordnet sind, daß die Bahnen des einen Teilwiderstandes (R1) den von den Bahnen des anderen Teilwiderstandes (R2) besetz­ ten Flächenbereich so umgeben, daß auf allen Seiten des umge­ benen Teilwiderstandes (R2) die gleiche Anzahl von Teilstük­ ken der Bahnen des umgebenden Teilwiderstandes (R1) verlau­ fen.