DE4333359C2 - Monolithisch integrierte Leistungsendstufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Lei­ stungsendstufe.

Derartige Leistungsendstufen mit integrierter Logik zur Er­ fassung einer Laststrom-Schwelle sind verschiedentlich be­ kannt und dienen beispielsweise bei elektronischen Zündsteu­ ervorrichtungen für Kraftfahrzeuge zur Schließwinkelregelung. Andere Arten von Stromregelungen für Verbraucher sind eben­ falls mit derartigen Leistungsendstufen realisierbar, bei denen das Erreichen der eingestellten Laststrom-Schwelle durch Schalten eines Ausgangstransistors angezeigt wird. Da­ bei ist es ebenfalls bekannt, diesen Ausgangstransistor in einer isolierten π-Wanne anzuordnen. Diese Anordnung allein oder in Verbindung mit einem Anschlußwiderstand gewährleistet jedoch noch keine sichere Funktion des Ausgangstransistors, da bei begrenztem Inversstrom -Ic ein maximal möglicher Stör­ strom auftreten kann, der die Beibehaltung des gesperrten Zu­ standes des Ausgangstransistors nicht mehr gewährleistet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das maximale Potential der π-Wanne auf eine Flußspannung über 0 Volt (Masse) zu begrenzen und dadurch eine Fehlfunktion bzw. ein Abschalten im Normalbetrieb zu verhindern.

Die Verschiebe­ ströme werden durch kapazitive Kopplung beim Spannungsanstieg des Hauptkollektors niederohmig nach Masse abgeleitet.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Haupt­ anspruch angegebenen Leistungsendstufe möglich.

Der Emitter des Ausgangstransistors liegt zweckmäßigerweise an Masse und sein Kollektor ist mit einem Logikausgang ver­ bunden, an dem das Erreichen der Laststrom-Schwelle durch einen Signalwechsel angezeigt wird.

Zur Sperrung des πn^--Überganges der π-Wanne des Ausgangs­ transistors im Inversbetrieb des Hauptkollektors des Endstuf­ entransistors ist in vorteilhafter Weise ein das Potential der π-Wanne absenkender zusätzlicher Transistor zwischen diese π-Wanne und den Hauptkollektor geschaltet. Es besteht nämlich die Gefahr, daß der Logikausgang seinen gesperrten Zustand nicht beibehält, wenn beim Betrieb mit induktiver Last (z. B. Zündspule bzw. Zündübertrager) die Kollektorspannung unter 0 Volt absinkt, so daß ein Inversbetrieb des Endstufentransi­ stors vorliegt. Bei diesem Inversbetrieb des Hauptkollektors fließt Strom über die die Schaltstrecke des Endstufentransi­ stors überbrückende Inversdiode und läßt das Potential am Hauptkollektor auf ca. -1,1 Volt absinken (je nach Invers­ strom -Ic). Damit sind die p-n-Übergänge bzw. πn^--Übergänge nicht mehr sicher gesperrt und lösen am Logikausgang eine Fehlfunktion durch Signalinvertierung aus. Durch das Einfügen des insbesondere als n^-πν-Transistor ausgebildeten zusätzli­ chen Transistors kann während dieser Signalinvertierung die sonst potentialmäßig floatende π-Wanne auf ein Potential von ca. -0,9 Volt nachgeführt werden, also ein geringfügig positiveres Potential als der Hauptkollektor. Dadurch wird der p-n-Übergang (πn^--Übergang) der π-Wanne des Ausgangstransistors sicher ge­ sperrt und eine Fehlfunktion im Inversbetrieb des Hauptkol­ lektors sicher verhindert. Dieser zusätzliche Transistor läßt sich beim bipolaren Leistungshalbleiterprozeß mit geringem Flächenbedarf integrieren. Die Funktion ist dabei weitgehend unabhängig von Parameterschwankungen des Prozesses. Die vor­ geschlagene Lösung läßt sich auch ohne weiteres auf mehrere Logikausgänge übertragen.

Der zusätzliche Transistor ist zweckmäßigerweise in einer se­ paraten π-Wanne angeordnet. Dabei ist die Basis dieses zu­ sätzlichen Transistors über einen Widerstand mit Masse, der Kollektor mit der π-Wanne des Ausgangstransistors und der Emitter mit dem Hauptkollektor verbunden. Der Widerstand kann dabei insbesondere durch das π-Gebiet des zusätzlichen Tran­ sistors gebildet werden.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Ausgangstransistors besteht darin, daß sein Emitter als n⁺-Gebiet, die Basis als das n⁺-Gebiet umgebendes p-Gebiet und der Kollektor als das p-Gebiet umgebendes ν-Gebiet ausgebildet ist.

Die Diode ist vorzugsweise entsprechend dem Ausgangstransi­ stor ausgebildet, wobei das mit dem π-Gebiet verbundene p-Gebiet die mit dem π-Gebiet verbundene Anode der Diode bil­ det.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer monolithisch integrierten Leistungsendstufe gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel,

Fig. 2 ein Schaltbild einer monolithisch integrierten Leistungsendstufe mit einem zusätzlichen Tran­ sistor als zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 ein durch parasitäre Transistoren ergänztes Schaltbild des zweiten Ausführungsbeispiels in einer Teildarstellung, und

Fig. 4 die Darstellung der Diffusionszonen des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Die in Fig. 1 als erstes Ausführungsbeispiel dargestellte monolithisch integrierte Leistungsendstufe besteht im wesent­ lichen aus einem dreistufigen Endstufentransistor 10, dessen Kollektor mit einem äußeren Kollektoranschluß C, dessen Emit­ ter mit einem äußeren Emitteranschluß E und dessen Basis mit einem äußeren Basisanschluß B der Leistungsendstufe verbunden ist. Dieser Endstufentransistor kann beispielsweise auch zweistufig ausgebildet sein. Ein Stromsensor 11, der bei­ spielsweise als Sense-Zelle der letzten Transistorstufe des Endstufentransistors ausgebildet ist, erfaßt den Laststrom durch den Endstufentransistor und ist mit einer nicht näher dargestellten Logikschaltung 12 verbunden. Diese enthält im wesentlichen eine Schwellwertstufe, und die Logikschaltung 12 erzeugt ein ausgangsseitiges Steuersignal für einen Aus­ gangstransistor 13, wenn eine eingestellte oder einstellbare Laststrom-Schwelle durch den Laststrom I überschritten wird.

Zur Erläuterung sei zunächst erwähnt, daß ein π-Gebiet einem schwach dotierten p-Gebiet und ein ν-Gebiet einem schwach do­ tierten n-Gebiet entspricht. Der Ausgangstransistor 13 ist in einer separaten π-Wanne integriert, wobei der Emitter durch ein n⁺-Gebiet, die Basis durch ein dieses n⁺-Gebiet umgeben­ des p-Gebiet und der Kollektor durch ein wiederum dieses p-Gebiet umgebendes ν-Gebiet gebildet wird, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Der Kollektor ist mit einem äußeren Logik­ ausgang S der Leistungsendstufe verbunden, und der Emitter liegt am Emitteranschluß E dieser Leistungsendstufe. Weiter­ hin ist in diesem separaten π-Gebiet eine Diode 14 inte­ griert, deren Kathode mit dem Emitter des Ausgangstransistors 13 verbunden ist, und deren Anode mit dem π-Gebiet verbunden ist. Gemäß Fig. 4 ist diese Diode 14 ent­ sprechend dem Ausgangstransistor 13 aufgebaut, wobei das die Basis bildende p-Gebiet mit dem den Kollektor bildenden ν-Gebiet über ein n⁺-Kontaktgebiet verbunden ist. Weiterhin besteht eine Verbindung zu einem (oder mehreren) p-Kontaktgebiet(en) in der π-Wanne, um dort für einen guten ohmschen Anschluß zu sorgen.

Die Leistungsendstufe besitzt weiterhin eine die Schalt­ strecke des Endstufentransistors 10 überbrückende Inversdiode 15. Der Kollektor der ersten Stufe des Endstufentransistors 10 ist mit dem äußeren Kollektoranschluß C oder über einen Kollektorwiderstand 16 mit einem weiteren äußeren Anschluß K verbunden. Dieser Anschluß K und der Kollektorwiderstand 16 entfallen selbstverständlich dann, wenn der Kollektor der er­ sten Stufe des Endstufentransistors 10 mit dem äußeren Kol­ lektoranschluß C verbunden ist. Die beiden alternativen Schaltungsmöglichkeiten sind durch gestrichelte Linien darge­ stellt.

In Fig. 1 ist die Anwendung der Leistungsendstufe zur Steue­ rung bzw. Regelung eines Zündübertragers 17 einer im übrigen nicht näher dargestellten Zündanlage für eine Brennkraftma­ schine eingesetzt. Die Primärwicklung dieses Zündübertragers 17 ist zwischen den äußeren Kollektoranschluß C und den posi­ tiven Anschluß einer Versorgungsspannungsquelle 18 geschal­ tet. Die Sekundärwicklung des Zündübertragers 17 erzeugt in an sich bekannter, jedoch nicht dargestellter Weise Zündim­ pulse für Zündkerzen.

Ist der äußere Anschluß K und der Kollektorwiderstand 16 vor­ gesehen und mit dem Kollektor der ersten Stufe des Endstufen­ transistors 10 verbunden, so ist dieser äußere Anschluß K zu­ sätzlich noch mit dem positiven Anschluß der Versorgungsspan­ nungsquelle 18 verbunden.

Unterhalb der Laststrom-Schwelle sollte der Ausgangstransi­ stor 13 gesperrt sein. Die Diode 14 begrenzt das maximale Po­ tential der π-Wanne auf eine Flußspannung über 0 Volt (Masse) und verhindert dadurch eine Fehlfunktion im Normalbetrieb. Sie leitet die Verschiebeströme durch kapazitive Kopplung beim Spannungsanstieg des Hauptkollektors niederohmig nach Masse ab.

Mit der dargestellten Anordnung kann beispielsweise eine Schließwinkelregelung bei einer Zündanlage realisiert werden.

Das in den Fig. 2 bis 4 dargestellte zweite Ausführungs­ beispiel entspricht weitgehend dem ersten Ausführungsbei­ spiel. Gleiche oder gleich wirkende Bauteile sind mit den selben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben. Zusätzlich ist beim zweiten Ausführungsbeispiel die den Aus­ gangstransistor 13 und die Diode 14 enthaltende π-Wanne über die Kollektor-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors 19 mit dem äußeren Kollektoranschluß C verbunden. Die Basis die­ ses weiteren Transistors 19 ist über einen Widerstand 20 mit dem äußeren Emitteranschluß E verbunden.

Gemäß Fig. 4 ist dieser weitere Transistor 19 in einer wei­ teren separaten π-Wanne integriert, wobei der Kollektor durch ein ν-Gebiet, die Basis durch das π-Gebiet und der Emitter durch das n^--Gebiet für die gesamte Leistungsendstufe reali­ siert ist. Die ohmsche Verbindung des Kollektors zum π-Gebiet des Ausgangstransistors 13 erfolgt über n⁺- bzw. p-Aufdiffusionen und eine elektrische Verbindung zwischen diesen. Der Widerstand 20 wird durch die Widerstandstrecke im π-Gebiet des weiteren Transistors 19 bis zu einer p-Aufdiffusion realisiert, die mit dem äußeren Emitteran­ schluß E verbunden ist.

In Fig. 4 ist zusätzlich noch die letzte Stufe des dreistu­ figen Endstufentransistors 10 dargestellt, der ebenfalls in einer separaten π-Wanne untergebracht ist. Das die Basis bil­ dende π-Gebiet ist über eine p-Aufdiffusion mit einem Basis­ anschluß 21 verbunden, während das den Emitter bildende ν-Gebiet über eine n⁺-Aufdiffusion mit dem äußeren Emitter­ anschluß E verbunden ist.

Bei dem bereits in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbei­ spiel zum Teil beschriebenen Ausgangstransistor 13 ist das die Basis bildende p-Gebiet mit einem Basisanschluß 22 ver­ bunden. Weiterhin ist das den Kollektor bildende ν-Gebiet über zwei n⁺-Aufdiffusionen mit einem Kollektoranschluß 23 verbunden.

Die übrigen Bereiche, beispielsweise die Logikschaltung 12 sind in Fig. 4 zur Vereinfachung nicht dargestellt, jedoch ebenfalls dort monolithisch integriert.

In Fig. 3 ist zur Erläuterung der auftretenden Probleme nochmals ein Teil der Schaltung gemäß Fig. 2 dargestellt, wobei der Ausgangstransistor 13 mit den sich bei der Diffu­ sion gemäß Fig. 4 bildenden zusätzlichen Transistoren darge­ stellt ist. Der für die Schaltung erwünschte Transistor ist der sich zwischen dem n⁺-, p- und ν-Gebiet ausbildende Tran­ sistor 13' zusätzlich wird jedoch ein weiterer Transistor 13'' zwischen dem p-, dem ν- und dem π-Gebiet gebildet. Schließlich entsteht noch ein Transistor 13''' zwischen dem ν-, dem π- und dem n^--Gebiet.

Beim Inversbetrieb des Hauptkollektors des Endstufentransi­ stors 10 fließt Strom über die leitende Inversdiode 15 und läßt das Potential am Hauptkollektor C auf ca. -1,1 Volt ab­ sinken. Dies hängt vom Inversstrom ab. Dadurch sind die πn^- - Übergänge nicht mehr sicher gesperrt und lösen einen Strom Ia durch den Transistor 13''' aus. Am Ausgang S wird dadurch eine Signalinvertierung und damit eine Fehlfunktion ausge­ löst. Durch den Transistor 19 kann während eines solchen Störfalles die sonst potentialmäßig floatende π-Wanne auf ein Potential von ca. -0,9 Volt nachgeführt werden, d. h. negativer gemacht werden. Dadurch wird der πn^--Übergang der π-Wanne des Ausgangstransistors 13 sicher gesperrt und eine Fehlfunk­ tion des Ausgangstransistors 13 im Inversbetrieb des Hauptkollektors ver­ hindert.

Claims (10)

1. Monolithisch integrierte Leistungsendstufe, mit Mitteln zur Erfassung des Laststromes durch einen Endstufentran­ sistor, mit einer einen Ausgangstransistor aufweisenden Schaltlogik zur Umschaltung des Ausgangstransistors bei Erreichen einer vorbestimmten Laststrom-Schwelle, wobei der Ausgangstransistor in einer isolierten π-Wanne inte­ griert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die π-Wanne des Ausgangstransistors (13) als separate π-Wanne ausgebil­ det ist, welche noch eine den Masseanschluß mit dem π-Gebiet dieser π-Wanne verbindende Diode (14) enthält.

2. Leistungsendstufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Emitter des Ausgangstransistors (13) an Masse und sein Kollektor mit einem Logikausgang (S) ver­ bunden ist.

3. Leistungsendstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Sperrung des πn^--Überganges der π-Wanne des Ausgangstransistors (13) im Inversbetrieb des Hauptkollektors des Endstufentransistors (10) ein das Potential dieser π-Wanne absenkender zusätzlicher Transistor (19) zwischen diese π-Wanne und den Hauptkol­ lektor (C) geschaltet ist.

4. Leistungsendstufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der zusätzliche Transistor (19) in einer sepa­ raten π-Wanne angeordnet ist.

5. Leistungsendstufe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Basis des zusätzlichen Transistor (19) über einen Widerstand (20) mit Masse, der Kollektor mit der π-Wanne des Ausgangstransistors (13) und der Emitter mit dem Hauptkollektor (C) verbunden ist.

6. Leistungsendstufe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Widerstand (20) durch das π-Gebiet des zu­ sätzlichen Transistors (19) gebildet wird.

7. Leistungsendstufe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Transistor als n^-πν-Transistor ausgebildet ist.

8. Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Aus­ gangstransistors (13) als n⁺-Gebiet, die Basis als das n⁺-Gebiet umgebendes p-Gebiet und der Kollektor als das p-Gebiet umgebendes ν-Gebiet ausgebildet ist.

9. Leistungsendstufe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Diode (14) entsprechend dem Ausgangstransi­ stor (13) ausgebildet ist, wobei das mit dem ν-Gebiet verbundene p-Gebiet die mit dem π-Gebiet verbundene Anode dieser Diode (14) bildet.

10. Leistungsendstufe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Logikausgänge der Schaltlogik vorgesehen sind.