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Die Erfindung bezieht sich auf eine Komparatorschaltung mit einem
Komparator, der eine erste und eine zweite Versorgungsklemme zum Anschließen einer
Versorgungsspannung an diese Klemmen hat, eine erste Eingangsklemme zum Anschließen
einer Bezugsspannung, und eine über ein Dämpfungsmittel mit einer Signalklemme
verbundene zweite Eingangsklemme zum Anschließen einer Eingangsspannung.
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Eine Komparatorschaltung dieser Art ist allgemein bekannt (siehe
beispielsweise US-A 4346 347) und wird für eine große Vielfalt von Anwendungen
verwendet. Die Eingangsspannung wird mit der Bezugsspannung verglichen, und der
Komparator signalisiert, wenn die Eingangsspannung die Bezugsspannung übersteigt. Die
Bezugsspannung hat einen Wert, der im Versorgungsspannungsbereich des Komparators
liegt. Für das Messen von Eingangsspannungen, die im Vergleich zur Bezugsspannung
und der Versorgungsspannung des Komparators groß sind, wird im allgemeinen ein
Dämpfungsglied verwendet, um die Eingangsspannung in den von der
Versorgungsspannung bestimmten Bereich zu bringen. Statt des Dämpfüngsmittels kann ein
Widerstandsteiler verwendet werden, der einen großen Serienwiderstand zwischen der
Signalklemme und der zweiten Eingangsklemme hat und, falls erforderlich, einen weiteren
Widerstand zwischen der zweiten Eingangsklemme und der zweiten
Versorgungsklemme. In diesem Fall gibt es eine lineare Beziehung zwischen der Eingangsspannung und
der abgeschwächten Spannung an der zweiten Eingangsidemme des Komparators. In
vielen Fällen ist die lineare Beziehung nicht einmal erforderlich. In diesem Fall kann
das Dämpfungsmittel in bekannter Art aus einem Serienwiderstand zwischen der
Signalklemme und der zweiten Eingangsklemme und Klemmitteln zwischen der zweiten
Eingangsklemme und der zweiten Versorgungsklemme bestehen, um das Signal zu
begrenzen. Ein Nachteil dieser bekannten Dämpfungsglieder ist der Serienwiderstand. Dies
muß einen großen Wert haben, was besonders bei integrierten Schaltungen ungünstig
ist. Eine andere bekannte nichtlineare Dämpfung kann mit Hilfe einer Diode erhalten
werden, deren Kathode mit der Signalklemme verbunden ist und deren Anode mit der
zweiten Eingangsklemme des Komparators und mit Hilfe eines Serienwiderstandes auch
mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist. Die Diode wird für hohe
Signalspannungen gesperrt und wird im Falle von Signalspannungen, die kleiner oder gleich der
Bezugsspannung sind, leitend. Ein Nachteil dieses bekannten Dämpfungsgliedes ist der
Spannungsabfall über der Diode, der bei relativ kleinen Eingangsspannungen
unerwünscht ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Komparatorschaltung mit
einem Dämpfungsmittel zu verschaffen, die einen großen Eingangsspannungsbereich
zuläßt, gut integrierbar ist und eine nahezu lineare Dämpfüng für kleine Eingangssignale
aufweist. Hierzu ist erfindungsgemäß die eingangs erwahnte Komparatorschaltung
dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel einen Widerstand, eine
Vorspannungsklemme zum Anschließen einer Vorspannung und einen MOS-Transistor mit einem
Gate, Backgate, Source und Drain umfaßt, wobei das Drain mit der Signalklemme
verbunden ist, die Source und das Backgate mit der zweiten Eingangsklemme verbunden
sind, das Gate mit der Vorspannungsklemme verbunden ist und der Widerstand
zwischen dem Gate und der Source eingefügt ist.
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Mit Hilfe dieses Dämpfungsmittels wird dort erreicht, daß im Falle hoher
Eingangsspannungen der MOS-Transistor in seinem Sättigungsbereich arbeitet und eine
hohe Impedanz zwischen der Signalklemme und der zweiten Eingangsklemme bildet. Im
Falle niedriger Eingangsspannungen arbeitet der MOS-Transistor im linearen Bereich
und bildet eine niedrige Impedanz (RDS-on) zwischen diesen Klemmen.
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Integrierte Schaltungen werden normalerweise in einem monolithischen
Halbleitersubstrat gebildet. Die der Schaltung zugeführten Spannungen dürfen nicht
unter die Substratspannung abfallen, in jedem Fall für ein p-Substrat. Für ein n-Substrat
ist das Umgekehrte der Fall, und die Spannungen dürfen die Substratspannung nicht
übersteigen. Um doch Eingangsspannungen zuzulassen, die niedriger (für das
p-Substrat) als die Substratspannung sind, ist eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Komparatorschaltung dadurch gekennzeichnet, daß der MOS-Transistor ein
DMOS-Transistor ist, der in ein inselförmiges Gebiet eines ersten Leitungstyps auf
einem Substrat eines dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyps
eingebracht worden ist, wobei das inselförmige Gebiet von einer ersten Wanne des
zweiten Leitungstyp umgeben ist, die vom Substrat durch eine die erste Wanne
umgebende
zweite Wanne des ersten Leitungstyps und durch eine sich zwischen der ersten
Wanne und dem Substrat erstreckende vergrabene Schicht des ersten Leitungstyps
isoliert ist, wobei die erste und die zweite Wanne je eine Klemme haben, die mit der
Source bzw. dem Gate verbunden ist. Wenn die Drainspannung unter die
Substratspannung abfällt, wird der von der ersten und der zweiten Wanne gebildete Übergang
nichtleitend. Im Falle einer hohen Drainspannung ist die Sourcespannung nie höher als die
Vorspannung der Vorspannungsquelle, und der genannte Übergang wird ebenso
nichtleitend. Die Verwendung von DMOS-Transistoren ermöglicht eine sehr hohe
Eingangsspannung und macht die Komparatorschaltung besonders geeignet für eine Verwendung
in Schaltkreisen, die unmittelbar von einer einige hundert Volt führenden
gleichgerichteten Netzspannung gespeist werden. Die Eingangsspannung kann, beispielsweise beim
Einschalten der Schaltung, dann kurzzeitig viel höher sein, als für den Komparator
zugelassen ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine erfindungsgemäße Komparatorschaltung,
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Fig. 2 einen lateralen DMOS-Transistor zur Verwendung in einer
erfindungsgemäßen Komparatorschaltung und
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Fig. 3 einen alternativen lateralen DMOS-Transistor zur Verwendung in
einer erfindungsgemäßen Komparatorschaltung.
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In der Zeichnung haben Elemente mit gleichen Funktionen oder
Bedeutungen gleiche Bezugszeichen.
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Fig. 1 zeigt eine integrierte Version einer Komparatorschaltung gemäß der
Erfindung. Die Schaltung umfaßt einen Komparator 1, der eine erste
Versorgungsklemme 2 enthält, mit der eine positive Versorgungsspannung VP verbunden ist und eine
zweite Versorgungsklemme 3, mit der eine negative Versorgungsspannung VN
verbunden ist. Die zweite Versorgungsklemme 3 ist auch mit dem p-Substrat der integrierten
Komparatorschaltung verbunden. Der Komparator 1 umfaßt eine erste Eingangsklemme
4, mit der eine Bezugsspannungsquelle 5 verbunden ist, die bezüglich der zweiten
Versorgungsklemme 3 eine Bezugsspannung Vref liefert. Der Komparator 1 enthält
weiterhin
eine zweite Eingangsklemme 6, die über ein Dämpfungsmittel 7 mit einer
Signalklemme 8 verbunden ist, an der eine Eingangsspannung Vin angeschlossen ist. Das
Dämpfungsmittel umfaßt einen MOS-Transistor 9 mit einem Drain d, das mit der
Signalklemme 8 verbunden ist, einer Source s und einem Backgate bg, die miteinander
und auch mit der zweiten Eingangsklemme 6 verbunden sind, einem Gate g, das mit der
Vorspannungsklemme 10 verbunden ist, an die eine Vorspannungsquelle 11
angeschlossen ist, welche Quelle bezüglich der zweiten Versorgungsklemme 3 eine Vorspannung
Vbias liefert, und auch einem Widerstand 12, der zwischen dem Gate g und der Source
des MOS-Transistors 9 eingefügt ist.
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Die positive Versorgungsspannung VP und die Vorspannung Vbias sind
beispielsweise 7 Volt. Die Schwellenspannung des MOS-Transistors 9 beträgt
beispielsweise 2,5 Volt. Der Widerstand 12 hat einen Wert von beispielsweise 1 Megaohm. Die
Source S ist fähig, der Spannung auf dem Drain d über den Backgate-Drain-Übergang
zu folgen, sobald die Drainspannung kleiner als Vbias minus 0,7 Volt (6,3 V) geworden
ist. Wenn die Drainspannung unter Vbias minus der Schwellenspannung abfällt (7 V
- 2,5 V = 4,5 V), wird der Kanal vom MOS-Transistor 9 leitend und der Backgate-
Drain-Übergang wird von der relativ niedrigen Impedanz Rds-on des Kanals
nebengeschlossen. In diesem Fall folgt die Source s ziemlich genau der Spannung auf dem
Drain d. Für Drainspannungen, die die Vorspannung Vbias übersteigen, ist der MOS-
Transistor 9 in Sättigung, während die Sourcespannung nahezu von der Drainspannung
unabhängig ist und einen konstanten Wert von ungefähr Vbias aufrechterhält. Die
Drainspannung und somit auch die Eingangsspannung Vin können zunehmen, so weit
der MOS-Transistor 9 diesem standhalten kann, ohne daß die Sourcepannung und somit
auch die Spannung auf der zweiten Eingangsklemme 6 des Komparators 1 ansteigen.
Auf diese Weise wird erreicht, daß auf der zweiten Eingangsklemme 6 des Komparators
1 keine Spannungen anliegen, die die Vorspannung Vbias übersteigen. Durch Wählen
eines Wertes für Vbias, der für den Komparator 1 sicher ist, zum Beispiel VP, aber
niedriger oder höher sind auch zulässig, wird vermieden, daß der Komparator 1
ausfällt, wenn die Eingangsspannung Vin auf der Signalklemme 8 eventuell kurzzeitig oder
absichffich einen hohen Wert hat. Die Durchbruchspannung des MOS-Transistors 9
bestimmt schließlich den maximal zulässigen Wert für die Eingangsspannung Vin. Für
einen lateralen DMOS-Transistor (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor) kann
die Durchbruchspannung mehrere hundert Volt betragen.
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Fig. 2 zeigt die Struktur eines lateralen DMOS-Transistors auf einem p-
Substrat 20, der eine epitaktische n-Schicht 21 und Isolationszonen 23 aus p-Material
hat. In der Schicht 21 befindet sich der Körper (Backgate) 24 aus p-Material mit darin
dr Source 25 aus n-Material. Der Körper 24 sowie die Source 25 sind über den
Sourcekontakt 5 miteinander verbunden. Auf einigem Abstand vom Körper 24 befindet sich
das Drain 26, das ebenso wie die Source 25 aus n-Material hergestellt ist und einen
Drainkontakt d umfaßt. Uber dem Körper 24 und der Source 25 und isoliert davon
befindet sich das Gate g.
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Der Übergang zwischen Drain 26 und Substrat 20 verhindert, das an die
Signalklemme 8 Eingangsspannungen angelegt werden, die kleiner als die
Substratspannung (0 Volt) werden. Durch Umgeben des lateralen DMOS-Transistors mit einer p-
Wanne 30, die vom p-Substrat 20 durch eine n-Wanne 31 und eine vergrabene n-Schicht
32 isoliert ist, wie in Fig. 3 gezeigt, können auch bezüglich des Substrats negative
Eingangsspannungen zugelassen werden. Hierzu wird ein Kontakt 33 der n-Wanne 31 mit
dem Gate g verbunden, und ein Kontakt 34 der p-Wanne wird mit der Source s des
lateralen DMOS-Transistors verbunden. Wenn dem Drain d eine Spannung von
beispielsweise -10 Volt relativ zum p-Substrat 20 zugeführt wird, beträgt auch die
Spannung der p-Wanne 30 etwa -10 Volt, und der Übergang zwischen der p-Wanne 30 und
der vergrabenen n-Schicht 32 wird bei einer Spannung von 17 Volt nichtleitend. Wenn
die Drainspannung hoch ist, beispielsweise 200 Volt, dann ist die Sourcespannung nicht
höher als Vbias (7 Volt), und der Übergang zwischen der p-Wanne 30 und der
vergrabenen n-Schicht 32 wird auch nichtleitend.
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Die Leitungstypen der gezeigten Stoffe können auch vom entgegengesetz
ten Typ gewählt werden. In diesem Fall muß die Polarität aller Spannungen umgekehrt
werden. Die Komparatorschaltung von Fig. 1 kann natürlich auch diskrete Bauelemente
umfassen. Beispielsweise kann dann der MOS-Transistor 9 durch einen normalen
diskreten vertikalen DMOS-Transistor ersetzt werden.