EP0957420B1

EP0957420B1 - Klemmschaltung

Info

Publication number: EP0957420B1
Application number: EP99109644A
Authority: EP
Inventors: Martin Feldtkeller; Harald Koffler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1998-05-15
Filing date: 1999-05-14
Publication date: 2003-04-16
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: DE59905031D1; US6137278A; DE19821906C1; EP0957420A3; EP0957420A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Klemmschaltung zum Erzeugen einer vorgegebenen Mindestspannung mit kreuzgekoppelten ersten und zweiten Transistoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die von einem Normalbetrieb in einen Klemmbetrieb umschaltet, wenn die Spannung eines über einen Eingangspfad zugeführten Signals unter eine vorbestimmte Klemmspannung abfällt.

Klemmschaltungen dienen im allgemeinen dazu, den Pegel eines anliegenden Signals auf einem bestimmten Mindestwert zu halten. Eine große Bedeutung haben solche Klemmschaltungen bei der Anwendung von integrierten Schaltungen gefunden. Ein Absinken von Eingangssignalen in den Bereich einer Diodenspannung unter dem Massepotential und darunter würde hier nämlich dazu führen, daß über die in jeder integrierten Schaltung vorhandenen parasitären Bauelemente Ströme fließen, die benachbarte Bauelemente oder sogar die gesamte Funktion der Schaltung stören. Diese Gefahr ist zum Beispiel dann besonders groß, wenn in einer elektronischen Schaltungsanordnung mit mehreren Versorgungsspannungen und Masseverbindungen ein Fehler in Form einer Unterbrechung einer Masseverbindung auftritt. Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen (zum Beispiel bei elektronischen Systemen der Automobilelektronik) muß gewährleistet sein, daß die von dem Fehler nicht direkt betroffenen Schaltungsteile nicht beeinflußt werden.

Zur Lösung dieses Problems ist zum Beispiel die in Figur 5a gezeigte Schaltung mit vier npn-Transistoren T1, T2, T5, T6 und einer Stromquelle I_bias bekannt. Der erste und zweite Transistor T1 und T2, die jeweils eine sehr steile Ausgangskennlinie aufweisen, sind kreuzverschaltet.

Der Emitter des ersten Transistors T1 (Ausgangstransistor) ist mit einem Eingangspfad Vp verbunden, an. dem das zu überwachende Eingangssignal anliegt. Mit einer solchen Schaltung läßt sich eine gute Schutzwirkung im Klemmbetrieb erzielen, wobei die gewünschte Klemmspannung sehr genau eingehalten wird. Diese bekannte Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß sie nicht für einen Betrieb mit hohen Eingangsspannungen (zum Beispiel 40V oder mehr) geeignet ist. Dies beruht darauf, daß der erste Transistor T1, bei dem es sich um einen NPN-Transistors handelt, aufgrund seiner relativ geringen Emitter-Basis-Durchbruchspannung eine nur geringe Festigkeit gegen solche positiven Eingangsspannungen aufweist.

Als Abhilfe hierfür ist es bekannt, die in Figur 5a gezeigte Schaltung gemäß Figur 5b mit einer ersten Diode D1 zwischen dem Emitter des ersten Transistors T1 und dem Eingangspfad Vp für die Eingangsspannung spannungsfest zu machen, wobei aus Symmetriegründen eine zweite Diode D2 am Emitter des zweiten Transistors T2 erforderlich ist. Dadurch kann die gewünschte Klemmspannung eingehalten werden. Diese Schaltung hat jedoch den Nachteil, daß die stromabhängige Flußspannung der ersten Diode D1 die Klemmspannung verzerrt und damit die Schutzwirkung im Klemmbetrieb stark beeinträchtigt ist. Dieses Problem läßt sich zwar durch eine Erhöhung des Stroms I_bias teilweise lösen. Diese Maßnahme hat jedoch zur Folge, daß sich der Strom durch den ersten Transistors T1 bereits vor dem Erreichen der vorbestimmten Klemmspannung erhöht und damit auch die Gesamtstromaufnahme der Klemmschaltung im Normalbetrieb in unerwünschter Weise steigt.

Aus der US 5,519,341 ist eine Komparatorschaltung mit kreuzgekoppelten Transistoren bekannt, die den Laststrom durch einen Transistor mittels eines Source-Widerstandes erfaßt und auf einen vorgegebenen Strom-Wert detektiert. Mittels eines Flip-Flops kann der Strom durch den Transistor begrenzt werden.

Aus der US 5,576,616 ist ebenfalls eine SA mit kreuzgekoppelten Transistoren bekannt, die als Referenzspannungsquelle für eine integrierte Schaltungsanordnung dient, bei denen das Versorgungspotential schwanken kann. Die angegebene Schaltungsanordnung ist ferner unempfindlich gegenüber Temperaturschwanken.

In der DE 25 49 575 ist eine Schaltungsanordnung mit kreuzgekoppelten Transistor beschrieben, die zum Anschluß an eine spezielle Strom- oder Spannungsquelle vorgesehen ist. Diese erzeugt ein von der Strom- oder Spannungsquelle unabhängiges Signal.

Weiter solche Schaltungen sind aus US 5614850, US 4764897 und US 5436552 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klemmschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine hohe Spannungsfestigkeit bei genauer Einhaltung der Klemmspannung und gleichzeitig eine geringe Stromaufnahme im Normalbetrieb aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einer Klemmschaltung der eingangs genannten Art, die sich durch einen dritten Transistor M3 auszeichnet, der so in den Eingangspfad geschaltet ist, daß er sich im Klemmbetrieb der Schaltung in rückwärts leitendem Zustand und im Normalbetrieb der Schaltung in vorwärts gesperrtem Zustand befindet.

Diese Lösung vereint zwei wesentliche Vorteile. Dadurch, daß im Klemmbetrieb der Strom über den niederohmigen Kanal und nicht über die Reversdiode RD des Transistors fließt, wird einerseits die Schutzfunktion der Klemmschaltung nicht gestört. Im Normalbetrieb schützt andererseits der dritte Transistor M3 den ersten Transistor T1 vor zu hohen Spannungen des Eingangssignals, so daß die gewünschte Spannungsfestigkeit der Klemmschaltung erzielbar ist.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Danach ist der dritte Transistor M3 vorzugsweise ein D-MOS-Feldeffekttransistor, dessen Gateanschluß mit einer Versorgungsspannung V_DD zum Durchschalten des Feldeffekttransistors verbunden ist.

Zur zumindest teilweisen Kompensation des Einschaltwiderstandes des dritten D-MOS-Feldeffekttransistors M3 ist vorzugsweise ein vierter D-MOS-Feldeffekttransistor M4 vorgesehen, der in den Emitter eines fünften, über eine dritte Diode D3 mit der Versorgungsspannung verbundenen Transistors T5 geschaltet ist, wobei der Gateanschluß des dritten Transistors M3 mit dem Kollektor des fünften Transistors T5 verbunden ist.

Weiterhin können alle Transistoren sowie die dritte Diode jeweils durch Feldeffekttransistoren ersetzt sein.

Die Klemmschaltung ist insbesondere zur Anwendung in Verbindung mit integrierten Schaltungen vorgesehen, wobei die Klemmspannung in diesem Fall 0 Volt beträgt. Die Klemmschaltung ist ferner insbesondere in der BICDMOS (Bipolar, C- und D-MOS) Technologie realisierbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1: ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2: ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3: ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4: die Ausgangskennlinien der in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Schaltungen und
Fig. 5a und 5b: eine Klemmschaltung gemäß dem Stand der Technik.

Der Stand der Technik wurde eingangs bereits anhand der Figuren 5a und 5b erläutert. Figur 1 zeigt demgegenüber eine erste Ausführungsform der Erfindung, die einen dritten Transistor M3 in Form eines selbstsperrenden n-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekttransistors (D-MOS-FET) aufweist, der in den Eingangspfad Vp der Klemmschaltung geschaltet ist, und dessen Gate mit einer positiven Versorgungsspannung V_DD verbunden ist, die ausreicht, um diesen vollständig einzuschalten (zum Beispiel 5V). Eine Reversdiode RD des Feldeffekttransistors M3 ist gestrichelt angedeutet. Schließlich liegt zwischen dem Emitter des ersten Transistors T1 und Masse eine Zener-Diode ZD.

Im Normalbetrieb mit positiver Eingangsspannung befindet sich der Feldeffekttransistor M3 im vorwärts gesperrten Betrieb und schützt somit den ersten Transistor T1 der Klemmschaltung gegen zu hohe Eingangsspannungen. Die Zener-Diode ZD verhindert eine unzulässige Aufladung des Emitters des ersten Transistors T1 durch den über den gesperrten Feldeffekttransistor M3 fließenden Sperrstrom.

Sinkt die an dem Eingangspfad Vp anliegende Eingangsspannung auf Massepotential ab, so geht der Feldeffekttransistor M3 in den rückwärts leitenden Zustand über, und die Schaltung gelangt in den Klemmbetrieb, in dem das Eingangssignal über den ersten und zweiten Transistor T1, T2 mit Masse verbunden und somit ein weiteres Absinken der Eingangsspannung verhindert wird. Der Strom fließt in diesem Fall über den niederohmigen Kanal des Feldeffekttransistors M3 und nicht über die Reversdiode RD, so daß die Klemmspannung nicht wie bei der eingangs mit Bezug auf Figur 5b erläuterten Schaltung verzerrt wird, sondern unbeeinflußt bleibt. Folglich wird auch die Schutzfunktion der Klemmschaltung nicht beeinträchtigt.

Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die gegenüber der ersten Ausführungsform einen vierten Transistor in Form eines D-MOS-Feldeffekttransistors M4 sowie eine dritte Diode D3 aufweist. Der vierte Transistor M4 ist in den Emitter des fünften Transistors T5 geschaltet, während sich die dritte Diode D3 in dem Kollektorkreis des fünften Transistors T5 befindet.

Mit dieser zweiten Ausführungsform kann der Einfluß des Einschaltwiderstandes des dritten Transistors M3 (Feldeffekttransistor) teilweise oder ganz kompensiert werden. Aus Stabilitätsgründen muß der vierte Transistor M4 einen gegenüber dem dritten Transistor M3 kleineren oder gleichen Einschaltwiderstand aufweisen. Diese Paarungseigenschaft kann insbesondere dadurch hergestellt werden, daß die beiden Feldeffekttransistoren M3 und M4 unter gleichen Bedingungen betrieben werden. Dies wird durch die in den Kollektorkreis geschaltete dritte Diode D3, durch einen inversen Betrieb der vierten Transistors M4 sowie dadurch erreicht, daß der Gateanschluß des dritten Transistors M3 zwischen der dritten Diode D3 und dem Kollektor des fünften Transistors T5 liegt.

Diese zweite Ausführungsform hat darüberhinaus den Vorteil, daß die an dem Eingangspfad Vp anliegende Eingangsspannung genauer begrenzt wird, als bei der ersten Ausführungsform gemäß Figur 1. Wenn der Spannungsabfall an dem vierten Transistor M4 so groß wird, daß der erste Transistor T1 in die Sättigung geht, kann der Stromfluß über den ersten und den fünften Transistor T1, T5 nicht weiter ansteigen, und die Ausgangsspannung sinkt ab.

Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Diese unterscheidet sich von der in Figur 2 gezeigten zweiten Ausführungsform dadurch, daß die Transistoren T1, T2, T5 und T6 sowie die dritte Diode D3 jeweils durch n-Kanal-Isolierschicht-Feldeffekttransistoren (MOS) M1, M2, M5, M6 bzw. M7 ersetzt sind. Für einen sicheren Betrieb dieser Schaltung ist es erforderlich, daß der erste und der fünfte Transistor M1, M5 jeweils die gleiche Transferkennlinie aufweisen.

Da die Inversdiode des vierten Transistors M4 zu leiten beginnt, bevor die Drain-Source-Spannung des ersten Transistors M1 zu klein wird, hat diese Schaltung nicht den gleichen Strombegrenzungseffekt wie die in Figur 2 gezeigte zweite Ausführungsform. Erst wenn auf Grund der niedrigeren Drain-Source-Spannung des ersten Transistor M1 im Vergleich zu dem fünften Transistor M5 die Transferkennlinien beider Transistoren voneinander abweichen, nimmt die Ausgangsspannung bei zunehmendem Betrag des Ausgangsstroms langsam ab.

Figur 4 zeigt schließlich Ausgangskennlinien 1, 2 bzw. 3 der ersten, zweiten bzw. dritten Ausführungsform, wobei auf der vertikalen Achse die Ausgangsspannung und auf der horizontalen Achse der Ausgangsstrom aufgetragen ist.

Bezugszeichenliste

T1/M1: - erster Transistor/erster Feldeffekttransistor
T2/M2: - zweiter Transistor/zweiter Feldeffekttransistor
M3: - dritter Feldeffekttransistor
M4: - vierter Feldeffekttransistor
T5/M5: - fünfter Transistor/fünfter Feldeffekttransistor
T6/M6: - sechster Transistor/sechster Feldeffekttransistor
M7: - siebter Feldeffekttransistor
D1: - erste Diode
D2: - zweite Diode
D3: - dritte Diode
ZD: - Zenerdiode
RD: - Reversdiode
V_DD: - Versorgungsspannung
I_bias: - Stromquelle
Vp: - Eingangspfad

Claims

Klemmschaltung zum Erzeugen einer vorgegebenen Mindestspannung mit kreuzgekoppelten ersten und zweiten Transistoren (T₁, T₂), die von einem Normalbetrieb in einen Klemmbetrieb umschaltet, wenn die Spannung eines über einen Eingangspfad (Vp) zugeführten Signals unter eine vorbestimmte Klemmspannung abfällt, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Transistor (M3) so in den Eingangspfad (Vp) geschaltet ist, daß er sich im Klemmbetrieb der Schaltung in rückwärts leitendem Zustand und im Normalbetrieb der Schaltung in vorwärts gesperrtem Zustand befindet.
Klemmschaltung nach Anspruch 1,
wobei der dritte Transistor ein D-MOS-Feldeffekttransistor (M3) ist, dessen Gateanschluß mit einer Versorgungsspannung (V_DD) zum Durchschalten des Feldeffekttransistors verbunden ist.
Klemmschaltung nach Anspruch 2,
wobei eine Zenerdiode (ZD) an dem Emitter des ersten Transistors (T1) vorgesehen ist zur Verhinderung einer unzulässigen Aufladung des Emitters durch den über den gesperrten dritten Transistor (M3) fließenden Sperrstrom.
Klemmschaltung nach Anspruch 2 oder 3,
wobei ein vierter D-MOS-Feldeffekttransistor (M4) vorgesehen ist, der zur zumindest teilweisen Kompensation des Einschaltwiderstandes des dritten D-MOS-Feldeffekttransistors (M3) in den Emitter eines fünften, über eine dritte Diode (D3) mit der Versorgungsspannung (VDD) verbundenen Transistors (T5) geschaltet ist, wobei der Gateanschluß des dritten Transistors (M3) mit dem Kollektor des fünften Transistors (T5) verbunden ist.
Klemmschaltung nach einem der vorhergehende Ansprüche,
wobei der erste, zweite, vierte und fünfte Transistor (T1, T2, T4, T5) und die dritte Diode (D3) jeweils MOS-Feldeffekttransistoren (M1, M2, M4, M5, M7) sind.
Klemmschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Anwendung in Verbindung mit integrierten Schaltungen,
wobei die Klemmspannung 0 Volt beträgt.