IT8921966A1

IT8921966A1 - Circuito di protezione da sovratensioni negative, in particolare per stadi di uscita.

Info

Publication number: IT8921966A1
Application number: IT1989A21966A
Authority: IT
Inventors: Roberto Gariboldi; Alberto Gola
Original assignee: Sgs Thomson Microelectronicss R L
Priority date: 1989-10-09
Filing date: 1989-10-09
Publication date: 1991-04-09
Also published as: DE69018362D1; EP0422486A3; IT1236534B; US5182470A; EP0422486A2; DE69018362T2; IT8921966A0; EP0422486B1

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un circuito di protezione da sovratensioni negative per stadi aventi un transistore con uscita di collettore e l'emettitore collegato ad una linea a potenziale di riferimento, in particolare per stadi di uscita digitali, ad es. per il pilotaggio di linea (line driver) per la trasmissione di dati su una linea.

Uno stadio di pilotaggio del tipo indicato ? mostrato schematicamente in fig. 1, nella quale con Q si ? indicato il transistore di uscita, il cui collettore definisce l?uscita sulla quale ? presente la tensione VOUT e il cui emettitore ? collegato a massa. In dettaglio, lo stadio comprende un comparatore C di ingresso avente un ingresso invertente collegato ad una tensione di riferimento VREF e un ingresso non invertente al quale viene fornita una tensione di comando VIN. L'uscita del comparatore C controlla lo stato aperto o chiuso di un interruttore T collegato da un lato con un generatore di corrente I e dall'altro alla base di Q; tra la base di Q e la massa ? previsto inoltre un resistore R, mentre fra il collettore di Q e la tensione di alimentazione positiva VCC ? previsto un resistore di carico RL.

Di conseguenza, quando la tensione VIN al morsetto non invertente del comparatore C supera il valore della tensione di riferimento VREE, l?interruttore T viene chiuso, iniettando la corrente I in base al transistore Q che entra in conduzione e satura cosi da portare l?uscita ad una tensione corrispondente ad uno stato logico basso. Quando invece la tensione VIN ? inferiore a quella di. riferimento, l?interruttore T si apre, Q viene spento e l?uscita si porta al valore di Vcc a causa della presenza di RL. Quindi il livello di uscita basso ? pari alla tensione di saturazione del transistore rispetto a massa, mentre quello di uscita alto ? pari a , come ? richiesto dalle specifiche.

Pur lavorando soddisfacientemente, tale stadio non ? tuttavia utilizzabile in tutte le applicazioni, in particolare quando ? richiesto che all'uscita possa essere applicata una tensione negativa in valore assoluto superiore alla tensione negativa di alimentazione -VEE (cio? quando VQUT < -VEE) senza che lo stadio venga danneggiato.

Infatti il transistore di uscita Q ? un transistore bipolare integrato realizzato con isolamento a giunzione, come illustrato nella sezione trasversale di fig. 2. In questa figura, con 1 si ? indicato il substrato di tipo P, con 2 lo strato epitassiale e con 3 l'anello di isolamento di tipo P+ che isola la sacca 3? nella quale viene integrato il transistore dalle altre strutture integrate nello stesso dispositivo. Con 4 si ? indicato lo strato sepolto {"buried layer") di tipo N+ e con 5 la diffusione profonda ("sinker") di tipo N? formante, insieme alla sacca 3', il collettore del transistore. La diffusione 6 di tipo P definisce la base, mentre la diffusione 7 di tipo N+ forma l'emettitore di Q. Le diffusioni 5, 6 e 7 sono collegate ai rispettivi contatti di collettore C, base B ed emettitore E. Come evidenziato in figura con tratteggio, il substrato 1 di tipo P forma, insieme con la struttura di collettore 4, 5, un diodo parassita DPj. Tale diodo ? quindi collegato con il suo catodo al collettore di Q e con il suo anodo alla tensione di alimentazione negativa -VEE dello stadio, dato che il substrato ? collegato a tale tensione.

Di conseguenza il diodo parassita DP1 entra in conduzione quando la tensione applicata al terminale del collettore ? pi? negativa di quella applicata al substrato (cio? appunto VOUT < -VEE), conducendo una forte corrente che pregiudica l'integrit? dello stadio.

Per risolvere tale problema ? gi? stato proposto di porre un diodo in serie al collettore di Q, tra questo e l?uscita. Tale soluzione ? mostrata esemplificamente in fig. 3, nella quale il diodo di protezione ? stato indicato con D1, e il resto della struttura ? identico alla fig. 1. Con questa soluzione nota quando una sovratensione negativa viene applicata al morsetto di uscita, il diodo rimane bloccato e la corrente fluisce solo attraverso RL, venendo limitata da questo.

Tuttavia anche tale soluzione non ? ottimale, in quanto la tensione di uscita del circuito nello stato basso diventa pari alla somma tra la tensione di saturazione tra collettore ed emettitore di Q e la caduta su D1, e cio?:

Tale valore ? inaccettabile in quanto la tensione di uscita al livello basso non deve mai superare 0,4 V, come previsto per le uscite di tutti i circuiti digitali.

L'uso di un diodo Schottky con una VD tipica di 250 mV porterebbe ad avere una tensione di uscita bassa di circa 350 mV, che quindi sarebbe accettabile. Il problema con questa soluzione ? che nella tecnologia bipolare utilizzata per questo stadio non sono disponibili diodi Schottky.

Di conseguenza in uno stadio del tipo indicato esiste il problema di realizzare una protezione che da un lato sia in grado di garantire l'integrit? dello stadio protetto anche quando l?uscita si porta ad una tensione inferiore all'alimentazione negativa e dall'altro fornisca livelli della tensione di uscita conformi alle specifiche esistenti per i circuiti digitali.

Pi? in generale, il compito alla base della presente invenzione consiste nel realizzare un circuito di protezione alle sovratensioni per generici stadi aventi un transistore con uscita di collettore e l'emettitore collegato ad una tensione di riferimento, in cui il circuito di protezione deve essere in grado di proteggere efficacemente il generico stadio, garantendo al contempo che l?uscita di quest'ultimo presenti un livello di tensione minimo prefissato.

Nell'ambito di tale compito, scopo particolare del presente trovato consiste nel realizzare un circuito di protezione che sia completamente integrabile e non richieda l'uso di componenti esterni.

Ancora uno scopo del presente trovato consiste nel realizzare un circuito di protezione grazie al quale le correnti circolanti nello stadio protetto e nel circuito di protezione stesso siano limitate.

Non ultimo scopo del presente trovato consiste nel mettere a disposizione un circuito di protezione presentante grande affidabilit? e flessibilit?.

Il compito indicato, gli scopi accennati, ed altri ancora che meglio appariranno in seguito vengono raggiunti da un circuito di protezione da sovratensioni negative, in particolare per stadi di uscita, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell?invenzione appariranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, illustrata a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la fig. 1 mostra lo schema elettrico di uno stadio di uscita noto senza protezione;

la fig. 2 mostra una sezione trasversale attraverso una piastrina di materiale semiconduttore integrante il transistore di uscita Q di fig. 1;

la fig. 3 mostra lo schema elettrico dello stadio di uscita noto di fig. 1 con protezione alle sovratensioni, di tipo noto; e

la fig. 4 mostra lo schema elettrico del circuito di protezione secondo il trovato applicato allo stadio di uscita noto di fig. 1.

In seguito non vengono descritte le figg. 1-3, per le quali si rimanda alla descrizione precedente.

Secondo l'invenzione, per proteggere uno stadio di uscita del tipo indicato, con transistore presentante uscita di collettore e l'emettitore collegato ad una tensione di riferimento, tra il collettore e l'uscita dello stadio viene inserito un diodo, come nella soluzione nota di fig. 3, ed inoltre l'emettitore del transistore di uscita non viene pi? collegato alla massa del dispositivo integrato includente lo stadio di uscita, ma viene collegata ad un potenziale opportuno, in particolare negativo, preferibilmente di valore pari ad una caduta su un diodo.

Un esempio di realizzazione del circuito atto a generare la tensione variabile di riferimento secondo l?invenzione ? mostrato in fig. 4, nella quale tale circuito ? stato indicato nel suo complesso con 10. Lo stadio da pr?teggere ?, nello specifico caso, uno stadio di uscita di pilotaggio di linea del tipo mostrato nelle figg. 1 e 3, per cui i componenti della fig. 4 in comune alle soluzioni note sono stati dotati delle stesse sigle di riferimento.

Con riferimento quindi alla fig..4, lo stadio di uscita comprende il transistore Q il cui collettore ? collegato, tramite il diodo D1, all'uscita dello stadio, mentre il suo emettitore ? collegato alla tensione di riferimento, qui indicata con V2. Tale tensione ? generata in uscita dall'amplificatore operazionale Op, che ? collegato a inseguitore di tensione, e cio? con il morsetto invertente collegato all'uscita. L'operazionale Op ha la funzione specifica di assorbire la corrente erogata dal transistore Q e dal generatore I. Il morsetto non invertente di Op (sul quale ? presente la tensione V1) ? collegato {tramite il generatore di tensione VR) al catodo di un diodo D2, il cui anodo ? collegato a massa. Il diodo D2 viene fisicamente realizzato come il diodo D1, in modo da presentare praticamente la stessa caduta ai suoi capi. Tra l'ingresso non invertente di Op e la tensione di alimentazione negativa -VEE ? inoltre collegato un generatore di corrente I1, avente la funzione di mantenere in conduzione D2?

In fig. 4 sono mostrati anche, tratteggiati, i diodi parassiti risultanti dall'integrazione dello stadio e del circuito di protezione in una piastrina di silicio con giunzione ad isolamento. Infatti, dato che il transistore Q viene realizzato come illustrato in fig. 2, ad esso ? associato il diodo parassita DPl, mentre ai diodi D1 e D2, realizzati come diodi base-collettore con una struttura che ? simile a quella di fig. 2, ma nella quale non viene realizzata la diffusione di emettitore 7 mentre le diffusioni 5 e 6 costituiscono rispettivamente il catodo e l'anodo, sono associati i diodi parassiti DP2 e DP3.

Trascurando per il momento il generatore di tensione VR, il circuito di fig. 4 opera come segue. Dato che l?amplificatore Op ? collegato ad inseguitore di tensione, la sua tensione di uscita ? pari alla tensione sul suo morsetto non invertente ed ? quindi pari in valore assoluto alla caduta sul diodo D2 (VD2), che, come si ? detto, viene mantenuto in conduzione dal generatore I1. si ha quindi

Di conseguenza la tensione di uscita VOUT alta ? ancora pari a Vcc, mentre la tensione di uscita bassa, indicando con vCEsat,Q tensione di saturazione collettore-emettitore di Q e con VD1 la caduta su D1, risulta pari a:

dato che in valore assoluto VD1 ? uguale a VD2.

La presenza dei diodi parassiti, in particolare di DP1 e di DP2 non produce alcun danno allo stadio di uscita anche in presenza di sovratensioni negative in quanto i diodi DP1 e DP2- associati a Q e a D1, non possono mai entrare in conduzione per la presenza di . Inoltre la tensione di uscita nello stato logico bassa ? perfettamente in specifica.

E' da sottolineare ancora il fatto che, a causa della loro struttura, i diodi parassiti base-collettore presentano elevata tensione di rottura O50V), per cui la struttura risulta completamente affidabile.

Il generatore di tensione VR offre un'estensione a quanto descritto sopra. Infatti esso consente di variare il potenziale di riferimento dell'emettitore di Q rispetto a massa, a seconda delle esigenze. In particolare in presenza di VR la tensione di uscita minima sar? pari a:

In pratica, inserendo un generatore di tensione in serie a D2 ? possibile fare in modo che la tensione di uscita nello stato logico basso assuma qualunque valore a seconda del segno e del valore di VR.

Come si nota dalla precedente descrizione, il trovato raggiunge gli scopi proposti. Infatti ? stato realizzato un circuito di protezione che da un lato garantisce un'ottima protezione allo stadio associato in presenza di sovratensioni, e dall'altro risulta compatibile con le specifiche dei circuiti digitali. Inoltre la struttura presentata ? facilmente integrabile e nessun componente esterno deve essere aggiunto.

Si sottolinea inoltre il fatto che la tensione di riferimento V2 ? disponibile sulla linea 11 cui si possono collegare tutti gli stadi o dispositivi presenti sullo stesso integrato che necessitano di tale riferimento, in particolare tutti i dispositivi di pilotaggio di linea. Ci? consente quindi di realizzare un solo circuito 10 per tutto l'integrato anche quando ? prevista una pluralit? di stadi del tipo mostrato in fig. 1.

Inoltre il circuito secondo il trovato ? particolarmente flessibile ed adattabile alle diverse esigenze, grazie alla possibilit? di variare la tensione di riferimento V2 tramite il generatore VR. A sua volta tale generatore ? facilmente integrabile.

Il trovato risulta inoltre circuitalmente semplice e non comporta elevato dispendio di area di silicio.

Il trovato cosi concepito, oltre alla possibilit? di inserire o meno il generatore VR, ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.

Inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri tecnicamente equivalenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Circuito di protezione da sovratensioni negative per stadi aventi un transistore con uscita di collettore e l'emettitore collegato ad una linea a potenziale di riferimento, in particolare per stadi di uscita di circuiti digitali, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi a generatore di tensione di valore prefissabile rispetto a massa, collegati a detta linea a potenziale di riferimento.
2. Circuito secondo la rivendicazione 1, comprendente un primo diodo di protezione collegato in serie fra il collettore di detto transistore e l'uscita di detto stadio, caratterizzato dal fatto che detti mezzi a generatore di tensione comprendono un secondo diodo collegato fra la massa dello stadio e detta linea a potenziale di riferimento.
3. Circuito secondo le rivendicazioni precedenti, in cui detto transistore ? di tipo NPN e detto primo diodo di protezione presenta l'anodo collegato all'uscita dello stadio ed il catodo collegato al collettore di detto transistore, caratterizzato dal fatto che detto secondo diodo ? disposto con l'anodo collegato alla massa e il catodo collegato a detta linea a potenziale di riferimento.
4. Circuito secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi a generatore di tensione comprendono inoltre un amplificatore operazionale in configurazione ad inseguitore di tensione interposto fra detto secondo diodo e detta linea a potenziale di riferimento, detto amplificatore operazionale avendo il morsetto invertente collegato all'uscita dell?amplificatore stesso e il morsetto non invertente collegato a detto secondo diodo, detti mezzi a generatore di tensione comprendendo inoltre un generatore di corrente collegato fra detto morsetto non invertente di detto amplificatore operazionale e una linea di alimentazione negativa di detto stadio.
5. Circuito secondo una o pi? 1 delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi a generatore di tensione comprendono un generatore di tensione di valore prefissato posto in serie a detto secondo diodo.
6. Circuito per la generazione di una tensione di riferimento di valore prefissabile per circuiti di protezione di stadi digitali, caratterizzato dal fatto di comprendere un amplificatore operazionale in configurazione ad inseguitore di tensione, un diodo collegato fra una prima linea a potenziale di riferimento e il morsetto non invertente di detto amplificatore operazionale, un generatore di tensione di valore prefissabile, collegato in serie a detto diodo, ed un generatore di corrente collegato fra detto morsetto non invertente di detto amplificatore operazionale ed una seconda linea a potenziale di riferimento.
7. Circuito di protezione da sovratensioni negative, in particolare per stadi di uscita, caratterizzato dal fatto di comprendere una o pi? delle caratteristiche descritte e/o illustrate.