EP0043957B1 - Monolithisch integrierte Schaltung und deren Verwendung in einem Herzschrittmacher - Google Patents

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EP0043957B1
EP0043957B1 EP81104931A EP81104931A EP0043957B1 EP 0043957 B1 EP0043957 B1 EP 0043957B1 EP 81104931 A EP81104931 A EP 81104931A EP 81104931 A EP81104931 A EP 81104931A EP 0043957 B1 EP0043957 B1 EP 0043957B1
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substrate
voltage
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EP81104931A
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EP0043957A1 (de
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Anders Dr. Lekholm
Hans Strandberg
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Siemens AG
Siemens Elema AB
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Siemens AG
Siemens Elema AB
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/205—Substrate bias-voltage generators

Definitions

  • the invention relates to a monolithically integrated circuit in which components are formed in a doped substrate by differently doped regions and in which the substrate is firmly connected to that pole of a supply voltage source which causes the transition between the components and the substrate to block.
  • a p-doped silicon substrate is used as the substrate.
  • n-doped layers are completely diffused into this substrate, which are completely surrounded by p-doped silicon. Further diffusion phases can, for example, result in the collector-base barrier layer, resistors and finally also the emitter in these n-doped regions.
  • the isolation between the components is carried out by the pn-connection existing between the substrate and the first n-doped diffusion layer, which is pre-stressed in such a way that it forms a barrier layer (transistor manual by Jan Hendrik Jansen, Franzis-Verlag, Kunststoff [1980], Page 125).
  • the p-doped substrate is usually connected to the negative pole of the supply voltage source.
  • the sign of the supply voltage connection also changes accordingly.
  • the pn junctions between substrate and components always form barrier layers.
  • the external voltage drops (rises) below (above) the negative (positive) supply voltage, it can happen that the pn connection provided for insulation between the components is operated in the forward direction. This would lead to a large leakage current and thus to voltage distortion.
  • Such problematic external voltages can occur in a monolithically integrated circuit, for example by doubling the voltage.
  • the present invention has for its object to ensure the function of a circuit of the type mentioned even when external voltages occur that are outside the supply voltage.
  • the insulation between the individual components of the circuit and between these and the substrate should also be ensured in such a case.
  • This object is achieved in that when a voltage occurs outside the supply voltage in such a way that the transition would become conductive, the substrate is approximately connected to this voltage. If, for example, it is again a monolithic circuit in a p-doped substrate that is initially connected to the negative pole of the supply voltage, the substrate is connected directly to this lower voltage when a pulse voltage occurs that is more negative than the negative supply voltage. The substrate tension always follows the most negative tension. This ensures that the pn connection between the substrate and the components acts as a barrier layer.
  • a simple possibility for realizing this voltage tracking is that the substrate is connected to the pole of the supply voltage source via a resistor and to the external voltage via a switch.
  • a transistor can advantageously be provided as a switch. As long as the switch is open, the substrate is at the same potential as the negative pole of the supply voltage source. If the switch is closed or the transistor is turned on, the potential of the substrate corresponds to that of the external voltage except for a small voltage drop across the transistor. The pn connections between the substrate and the components continue to block. A small leakage current flows only through the resistor, via which the substrate is connected to the pole of the supply voltage source. If this resistance is made correspondingly high-resistance, this leakage current can practically be neglected.
  • This circuit according to the invention can be used particularly advantageously for a pacemaker.
  • a battery is predominantly used as a supply voltage source in pacemakers.
  • the circuit according to the invention it is possible to achieve stimulation pulses of sufficient amplitude at a low battery voltage by simply doubling the voltage.
  • the 'uspol is denoted by 3.
  • the external resistance R4 symbolizes the heart.
  • the emitter voltage U E at transistor T32 is more negative than the negative pole of the battery (FIG. 2).
  • the collector voltage is the same as the emitter voltage except for a small voltage drop across the controlled transistor.
  • substrate 9 is connected directly to the emitter of transistor T32. It is therefore at almost the same potential as the collector of the transistor. If its saturation voltage is lower than the forward voltage of the blocking diodes to Substat 9, no leakage currents flow. The blocking effect of the pn connection between the collector and the substrate is retained.
  • the transistors T32 and T33 and the resistor R6 have been produced in the common p-doped substrate 9 by further diffusion steps.
  • the substrate 9 is connected to the negative pole 2 of the battery via the resistor R6. Furthermore, the substrate is connected to the emitter of transistor T32 via transistor T33. If the external voltage at terminal 7 is negatver as the negative pole of the battery and simultaneously control both transistors, the external voltage is at the collector of transistor T32, but also at substrate 9, if the small voltage drop across the transistor is neglected.
  • the pn connection continues to block. Without this automatic readjustment of the substrate voltage, this pn connection would become conductive and there would be a large leakage current and possibly a malfunction of the monolith circuit.
  • the substrate can also be connected to the negative pole of the battery or to the emitter of transistor T32 via a changeover switch controlled by transistor T34.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Schaltung, bei der in einem dotierten Substrat durch unterschiedlich dotierte Bereiche Bauelemente gebildet sind und bei der das Substrat fest mit demjenigen Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, der bewirkt, daß der Übergang zwischen den Bauelementen und Substrat sperrt.
  • Bei der Erzeugung monolithisch integrierter Schaltungen geht man beispielsweise von einer p-dotierten Siliziumunterlage als Substrat aus. ln dieses Substrat werden in den Bereichen, in denen Bauelemente wie Transistoren oder Widerstände entstehen sollen, n-dotierte Schichten eindiffundiert, die vollständig von p-dotiertem Silizium umgeben sind. Durch weitere Diffusionsphasen können in diesen n-dotierten Bereichen beispielsweise die Kollektor-Basis-Sperrschicht, Widerstände und schließlich auch der Emitter entstehen. Die Isolierung zwischen den Bauelementen erfolgt durch die zwischen Substrat und der ersten n-dotierten Diffusionsschicht bestehende pn-Verbindung, die so vorgespannt ist, daß sie eine Sperrschicht bildet (Transistor-Handbuch von Jan Hendrik Jansen, Franzis-Verlag, München [1980], Seite 125). Üblicherweise ist dazu das p-dotierte Substrat mit dem negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Bei einer Umkehr der verschiedenen Dotierungen ändert sich entsprechend auch das Vorzeichen des Versorgungsspannungsanschlusses. Solange bei einer derartigen Schaltung die Spannung an den einzelnen Bauelementen nicht größer wird als die Versorgungsspannung, bilden die pn-Übergänge zwischen Substrat und Bauelementen stets Sperrschichten. Sinkt (steigt) jedoch die äußere Spannung unter (über) die negative (positive) Versorgungsspannung, so kann es vorkommen, daß die zur Isolation zwischen den Bauteilen vorgesehene pn-Verbindung in Durchlaßrichtung betrieben wird. Das würde zu einem großen Leckstrom und damit zu einer Spannungsverfälschung führen. Derartige problematische äußere Spannungen können bei einer monolithisch integrierten Schaltung beispielsweise durch eine Spannungsverdopplung auftreten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktion einer Schaltung der eingangs genannten Art auch dann sicherzustellen, wenn äußere Spannungen auftreten, die außerhalb der Versorgungsspannung liegen. Die Isolation zwischen den einzelnen Bauelementen der Schaltung sowie zwischen diesen und dem Substrat soll auch in einem solchen Fall gewährleistet sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beim Auftreten einer Spannung außerhalb der Versorgungsspannung in der Art, daß'der Übergang leitend würde, das Substrat annähernd an diese Spannung angeschlossen ist. Handelt es sich beispielsweise wiederum um eine monolithische Schaltung in einem p-dotierten Substrat, das zunächst mit dem Minuspol der Versorgungsspannung verbunden ist, so wird beim Auftreten einer Impulsspannung, die negativer ist als die negative Versorgungsspannung, das Substrat direkt an diese niedrigere Spannung angeschlossen. Die Substratspannung folgt also immer der negativsten Spannung. Damit ist sichergestellt, daß die pn-Verbindung zwischen Substrat und Bauelementen als Sperrschicht wirkt.
  • Eine einfache Möglichkeit zur Realisierung dieser Spannungsnachführung besteht darin, daß das Substrat über einen Widerstand an den Pol der Versorgungsspannungsquelle und über einen Schalter an die äußere Spannung angeschlossen ist. Als Schalter kann dabei vorteilhaft ein Transistor vorgesehen sein. Solange der Schalter geöffnet ist, liegt das Substrat auf dem gleichen Potential wie der negative Pol der Versorgungsspannungsquelle. Wird der Schalter geschlossen bzw. steuert der Transistor durch, so entspricht das Potential des Substrats bis auf einen geringen Spannungsabfall am Transistor dem der äußeren Spannung. Die pn-Verbindungen zwischen Substrat und den Bauelementen sperren weiterhin. Lediglich über den Widerstand, über den das Substrat an den Pol der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen ist, fließt ein kleiner Leckstrom. Macht man diesen Widerstand entsprechend hochohmig, so kann dieser Leckstrom praktisch vernachlässigt werden.
  • Besonders vorteilhaft läßt sich diese erfindungsgemäße Schaltung für einen Herzschrittmacher verwenden. Überwiegend wird in Herzschrittmachern als Versorgungsspannungsquelle eine Batterie verwendet. Durch die erfindungsgemäße Schaltung ist es bei niedriger Batteriespannung durch eine einfache Spannungsverdopplung möglich, Stimulierungsimpulse mit ausreichender Amplitude zu erzielen.
  • Im folgenden wird anhand von drei Figuren die erfindungsgemäße Schaltung und ihre Verwendung in einem Herzschrittmacher näher beschrieben und erläutert.
    • Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer monolithisch integrierten Schaltung für einen Herzimpulsgenerator mit Spannungsverdopplung;
    • Fig. 2 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf am Emitter des Transistors T32 gemäß Fig. 1;
    • Fig. 3 schließlich zeigt in einer schematischen Teildarstellung den Aufbau des Monolithkreises.
  • Fig. 1 zeigt innerhalb einer strichlierten Fläche den monolithisch integrierten Schaltungsteil eines Herzimpulsgenerators und außerhalb dieser Fläche die externen Anschlüsse und Elemente. Die Versorgungsspannung von beispielsweise 2,5 V wird von einer nicht dargestellten Batterie geliefert, deren Minuspol 2 auf Masse ::gt, d. h. mit dem Körper verbunden ist. Der 'uspol ist mit 3 bezeichnet. Der äußere Widerstand R4 symbolisiert das Herz.
  • Der Monolithkreis enthält vier npn-Transistoren T31 bis T34 sowie eine Reihe von Widerständen R1 bis R3, R5 bis R9. Das Substrat 9 ist p-dotiert. An den Ausgang 4 ist ein Kondensator C11 angeschlossen, von dem eine Elektrode 5 zum Herzen, d. h. in der Schaltung zum Widerstand R4, führt. Weiterhin sind der Kollektor des Transistors T31 und der Emitter des Transistors T32 zu Anschlüssen 6 bzw. 7 herausgeführt, zwischen die ein weiterer Kondensator C12 geschaltet ist. Die Basis des Transistors T34 ist zu einem Anschluß 8 herausgeführt, an den eine nicht dargestellte Steuereinrichtung für die Impulsdauer und Impulsfrequenz angeschlossen ist. Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende:
    • Solange der Transistor T34 sperrt, sperren auch die übrigen Transistoren. Dann sind die Anschlüsse 4 bzw. 6 über die Widerstände R2 bzw. R1 mit dem Pluspol 3 der Batterie verbunden. Die andere Seite dieser Kondensatoren liegt über die Widerstände R4 bzw. R3 auf Masse. Beide Kondensatoren laden sich auf die Batteriespannung auf. Der über das Herz (Widerstand R4) fließende Ladestrom wird durch Wahl des Widerstandes R2 so klein gewählt, daß eine Anregung des Herzens unterbleibt.
  • Wird an den Anschluß 8 ein positiver Spannungsimpuls gelegt, so steuern der Transistor T34 und damit auch die anderen Transistoren T31 bis T33 durch. Dadurch liegt der Anschluß 6 des Kondensators C12 über den Transistor T31 direkt an Masse. Der Anschluß 7 dieses Kondensators weist ein um die Batteriespannung niedrigeres Potential auf und wird über den Transistor T32 direkt mit dem Ausgang 4 und dem Kondensator C11 verbunden, dessen andere Seite dadurch ein Potential aufweist, das um die doppelte Batteriespannung negativer ist als das Massepotential. Es kommt zu einem stimulierenden Spannungsimpuls durch das Herz (Widerstand R4). Die Anfangsamplitude dieses Impulses entspricht zweimal der Batteriespannung.
  • Während dieses Spannungsimpulses ist die Emitterspannung UE am Transistor T32 negativer als der Minuspol der Batterie (Fig. 2). Die Kollektorspannung ist bis auf einen geringen Spannungsabfall am durchgesteuerten Transistor gleich der Emitterspannung.
  • Durch das gleichzeitige Durchsteuern der Transistoren T32 und T33 wird das Substrat 9 direkt mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden. Es liegt damit auf fast gleichem Potential wie der Kollektor des Transistors. Wenn seine Sättigungsspannung niedriger ist als die Durchlaßspannung der Sperrdioden zum Substat 9, fließen keine Leckströme. Die Sperrwirkung der pn-Verbindung zwischen Kollektor und Substrat bleibt erhalten.
  • In der Fig. sind diese Verhältnisse anhand eines schematischen Ausschnittes aus dem Monolithkreis noch einmal verdeutlicht. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In dem gemeinsamen p-dotierten Substrat 9 sind durch weitere Diffusionsschritte die Transistoren T32 und T33 sowie der Widerstand R6 erzeugt worden. Das Substrat 9 ist über den Widerstand R6 mit dem Minuspol 2 der Batterie verbunden. Weiterhin ist das Substrat über den Transistor T33 mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden. Wird die äußere Spannung am Anschluß 7 negatver als der Minuspol der Batterie und steuern gleichzeitig beide Transistoren durch, so liegt die äußere Spannung am Kollektor des Transistors T32, aber auch am Substrat 9, wenn man den geringen Spannungsabfall am Transistor vernachlässigt. Die pn-Verbindung sperrt weiter. Ohne diese automatische Nachregelung der Substratspannung würde diese pn-Verbindung leitend und es käme zu einem großen Leckstrom und möglicherweise zu einer Fehlfunktion des Monolithkreises.
  • Anhand der drei Figuren wurde ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Weitere Spannungsnachführungen sind denkbar. So kann das Substrat beispielsweise auch über einen durch den Transistor T34 gesteuerten Wechselschalter entweder mit dem Minuspol der Batterie oder mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden werden.

Claims (5)

1. Monolithisch integrierte Schaltung, bei der in einem dotierten Substrat durch unterschiedlich dotierte Bereiche Bauelemente gebildet sind und bei der das Substrat fest mit demjenigen Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, der bewirkt, daß der Übergang zwischen den Bauelementen und Substrat sperrt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Auftreten einer Spannung außerhalb der Versorgungsspannung in der Art, daß der Übergang leitend würde, das Substrat (9) annähernd an diese Spannung angeschlossen ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (9) über einen Widerstand (R6) an den Pol (2) der Versorgungsspannungsquelle und über einen Schalter (T33) an die äußere Spannung angeschlossen ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter ein Transistor (T33) vorgesehen ist.
4. Verwendung einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für einen Herzschrittmacher.
EP81104931A 1980-07-10 1981-06-25 Monolithisch integrierte Schaltung und deren Verwendung in einem Herzschrittmacher Expired EP0043957B1 (de)

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