NL8601930A - Anti-verzadigingscircuit voor een geintegreerde pnp transistor met interventiekarakteristiek, die definieerbaar is volgens een vooraf ingestelde functie. - Google Patents

Description

Korte aanduiding; Anti-verzadigingscircuit voor een geïntegreerde PNP

transistor met interventie-karakteristiek, die definieerbaar is volgens een vooraf ingestelde functie.

E 3099-42 Ned hm/hv P & C

SGS MICROELETTRONICA S.p.A.

5 De uitvinding heeft betrekking op een anti-verzadigingscircuit voor PNP transistoren in monolithisch geïntegreerde schakelingen. Dergelijke geïntegreerde schakelingen worden gevormd op een enkele chip van halfgelei-dermateriaal, in de meeste gevallen silicium, door een geschikte opeenvolging van fabricage-stadia bevattende oxidatie van het oppervlak, fotolitho-10 grafie, epitaxiale groei, diffusie van onzuiverheden, metalliseringen. Met deze processen worden dioden, transistoren en passieve componenten gevormd en onderling verbonden op de chip zelf door middel van successieve metallisatie- en isolatielagen.

Geïntegreerde PNP transistoren, d.w.z. gevormd op een halfgeleider-15 chip, bieden tijdens hun werking een bijzonder probleem. Onder bepaalde omstandigheden, wanneer de PNP transistor werkzaam is in de verzadigings-zone van zijn karakteristiek, kan dit aanleiding geven tot een lekstroom naar het substraat, hetgeen onduldbaar kan blijken te zijn voor de juiste werking van het gehele geïntegreerde circuit. Onder verzadigingscondities, 20 d.w.z. met de aanzienlijke val naar nul van de V -spanning van de PNP tran-sistor, kan zijn basis bijvoorbeeld komen op een lagere potentiaal dan de potentiaal van zijn collector en daardoor kan de basis-collector overgang~ of -keerlaag in de voorwaartse richting gesperd zijn. Dit geeft aanleiding tot de creatie van een "parasitaire PNP transistor" via de basis-collector 25 keerlaag van de reële transistor, waarvan de collector fungeert als de “emitter" van de "parasitaire transistor", waarvan de "collector" weergegeven wordt door het substraat van halfgeleidermateriaal van de chip.

Natuurlijk wordt dit probleem in het bijzonder gevoeld in het geval van geïntegreerde PNP vermogenstransistoren zowel wegens de magnitude van 30 de stromen als ook wegens de toegenomen kans dat dergelijke transistoren bij toeval gedreven worden in hun verzadigingszone bijv. bij variatie van de belastingsimpedantie van de transistor.

In de Italiaanse octrooiaanvrage No. 21272 A/85 ingediend op 24 juni 1985 is een eenvoudig en effectief anti-verzadigingscircuit voorgesteld 35 voor het begrenzen van de mate van verzadiging van een geïntegreerde PNP transistor en daardoor van de lekstroom naar het substraat.

Niettemin leent een dergelijk circuit zich niet voor de predispositie van een specifieke eigenschap van interventie zoals dikwijls gewenst is bij bepaalde toepassingen van PNP vermogenstransistoren.

40 De onderhavige uitvinding beoogt derhalve het verschaffen van een 1601930 * « >* -2- anti-verzadigingscircuit voor een geïntegreerde PNP transistor, die het mogelijk maakt waarneembare lekstromen naar het substraat te voorkomen en die intervenieert volgens een bepaalde vooraf ingestelde karakteristiek.

5 Deze oogmerken en andere voordelen worden verkregen door middel van het anti-verzadigingscircuit volgens de uitvinding, dat gemakkelijk wordt geïntegreerd in de chip, bevattende de PNP transistor, die desgewenst zich niet of niet te diep dient te verzadigen bij het plaatsvinden van condities die anders aanleiding zouden geven tot ernstige 10 verzadiging met onaanvaardbare lekstromen naar het substraat.

Het circuit volgens de onderhavige uitvinding ter voorkoming of begrenzing van verzadiging van een geïntegreerde PNP transistor wordt gekenmerkt door - een comparatorcircuit bevattende tenminste twee transistoren en 15 tenminste ëën generieke stroomgenerator in staat om een vooraf vastgestelde maximum drempelstroom te bepalen gaande door zichzelf en daarom door de geleidende transistor van het comparatorcircuit; - een reguleringsweerstand R, geschakeld tussen de emitter van de PNP transistor en tenminste een generator van een variabele stroom, die 20 een vooraf vastgestelde functie is van de emitterstroom van de PNP transistor; - welk comparatorcircuit van toestand verandert, wanneer de conditie plaatsvindt gegeven door de formule:

VCE * AV

25 waarin V = de collector-emitter spanning/an de PNP transistor, en CE

AV = spanningsval over de weerstand R bepaald door het vloeien door R van een stroom, die de som is van een vooraf ingestelde constante stroom en de variabele stroom opgewekt door de generator; - het veranderen van de toestand van het comparatorcircuit, waar-30 van het kenmerkende wordt bepaald door de vooraf vastgestelde functie; het bepalen van de toenemende geleiding van de transistor van het comparatorcircuit, die in de normale werkingsconditie van de PNP transistor, niet-geleidt; - een orgaan, aangedreven door de geleidingsstroom van de transis-35 tor van het comparatorcircuit, dat de maximale drempelstroom, vooraf vastgesteld door de stroomgenerator overschrijdt, voor het doen toenemen van de geforceerde (3 van de PNP transistor en dus het reduceren van de lekstroom naar het substraat.

In het algemeen bevatten dergelijke middelen voor het doen toenemen 40 van de geforceerde β een NPN transistor, met opzet geschakeld tussen de 1601930 «· · -3- basis van een NPN transistor, die de PNP transistor aandrijft, en aarde; waarnaar de geleidingsstroom van de tot geleiding gebrachte transistor van het comparatorcircuit, wordt toegevoerd, welke stroom vooraf de door middel 5 van de generieke stroomgenerator ingestelde drempelstroom overschrijdt.

Het anti-verzadigingscircuit volgens de uitvinding is in het bijzonder geschikt om te worden gebruikt voor vermogens PNP transistoren, toegepast als regulatoren.

In feite maakt het anti-verzadigingscircuit volgens de uitvinding 10 het mogelijk een interventie karakteristiek te realiseren, gebaseerd op een exponentiële functie van de ingangsstroom naar de regulator. Dit permitteert het verkrijgen van een relatief hoge AV^/Δΐ^ via de regulerings PNP transistor bij grote ingangsstromen en vice versa, een relatief kleine &Vce/AIq bij kleine ingangsstromen.

15 De uitvinding zal'hieronder aan de hand van twee in de figuren der bijgaande tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeelden nader worden toegelicht.

Pig. 1 en fig. 2 tonen elektrische schema's, die representatief zijn voor twee verschillende, bijzonder de voorkeur verdienende, praktische 20 uitvoeringsvormen van de uitvinding zoals toegepast in het geval van een spanningsregelaar.

Fig. 1 toont een geïntegreerde spanningsregelaar, die gebruik maakt van een PNP transistor, Q, als serie-regelaar aangedreven door een NPN transistor, Q3, die op zijn beurt wordt aangedreven door een rekenver-25 sterker, A^, die een bepaalde spanning, die representatief is voor de uit-gangsspanning van de regelaar,'V , gedetecteerd door de spanningsdeler gevormd door de beide weerstanden en R2, vergelijkt met een referentie-spanning, V___; waarbij het uiteindelijke verschil tussen de twee spanningen een geschikt correctiesignaal opwekt, dat, aangelegd aan de basis van de 30 aandrijftransistor Q3, de spanningsval (V) door de transistor Q regelt CE! op een wijze dat de gereguleerde uitgangsspanning wordt gegeven door: r2

V = (1 + -=-) V CE 1 RX ' REF

Tijdens bedrijf van dit klassieke type van geïntegreerde regelaar, 35 kunnen verzadigingscondities ontstaan zodanig dat met een zekére ingangsstroom I (d.w.z. emitterstroom van transistor Q) overeenkomt een uitgangs-o stroom (d.w.z. collectorstroom van transistor Q), die enkel een fractioneel beeld is van de ingangsstroom, waarbij het grotere gedeelte van de ingangsstroom getrokken wordt naar het substraat en een ander gedeelte naar de 40 basis.

3601930

‘ ·> A

-4-

In het bijzonder kan dat plaatsvinden onder condities van afwezigheid van belasting, d.w.z. bijv. met een collectorstroom in de orde van circa 500 μΑ, terwijl bijv. de ingangsspanning nog niet de waarde voor 5 het reguleren van de uitgangsspanning Vq bereikt heeft. Onder deze omstandigheden blijkt de transistor Q te werken onder omstandigheden van sterke onbalans in zoverre er op aangelegd wordt een uiterst lage geforceerde (i, aangezien de reguleringslus een relatief grote basisstroom hoe dan ook oplegt bijv. in de orde van circa 50 mA. Onder deze omstandigheden gaat een 10 groot gedeelte van ingangsstroom verloren aan het substraat.

Met het doel een dergelijke gebeurtenis te vermijden, is het anti-verzadigingscircuit, dat het doel van de uitvinding vormt, gerealiseerd onder gebruikmaking van een comparatorcircuit gevormd door twee PNP transistoren,

Ql en Q2, die verbonden zijn zoals weergegeven in fig. 1 en twee constante 15 stroomgeneratoren bezittend, en I2, die bij voorkeur beide een stroom genereren gelijk aan I over de betreffende collectoren; en een variabele -stroomgenerator 1^, waarvan de opgewekte stroom een vooringestelde functie is van de ingangs-emitterstroom I van de transistor Q.

Onder normale werkomstandigheden, d.w.z. wanneer de serie-regula-20 teur Q werkzaam is en de ingangs spanning V^~wöFdt~hanzienlijk groter dan de gereguleerde uitgangsspanning V , wordt de transistor Q1 gehandhaafd in de "uit" stand, aangezien bij voorkeur, Q2 geleidt, omdat hij op zijn emitter een spanning heeft die veel hoger is dan Vq en juist een spanning geleidt aan de ingangsspanning verminderd met de spanningsval over de regulerings-25 weerstand R (in het algemeen een paar honderdste van een millivolt).

In het geval de variabele stroomgenerator I vooraf ingesteld is om een stroom equivalent met een exponentiële functie van de ingangsstroom I aan de uitgang af te voeren, zal de aan de uitgang afgegeven stroom bijv. zijn: 30 Iv = ^ exp (Io/K2) waarin ^ en K2 = constanten die afhangen van het exponentiële correctie-circuit, waarbij de spanningsval R zal zijn:

dV = R [i + Iv] = R [i + Κχ exp (I0/K2)J

35 Daarom, wanneer de spanning - v , d.w.z. het VCE van transistor Q, de neiging heeft om te dalen beneden deze waarde, dan verandert de compa-ratortrap van toestand en geleidt transistor Ql.

Wanneer de geleidingsstroom van de transistor Ql de drempelwaarde I overschrijdt, bepaald door de betreffende constante stroomgenerator, wordt 40 stroom geleverd aan de basis van transistor Q4, die deze aandrijft tot gelei- 8601930 -5— ding en dus stroom aftrekt van de basis van de aangedreven transistor 23, waardoor de geforceerde (5 van de transistor Q toeneemt en de lekstroom naar het substraat vermindert.

5 Met andere woorden, een zekere minimale V wordt opgelegd aan de

CE

transistor Q bepaald door de spanningsval over de reguleringsweerstand R door het opleggen via R van een constante stroom, I, en een variabele stroom, Iv, die overeenkomt met een bepaalde functie van de ingangsstroom Xq naar de regulateur.

10 Op deze wijze is het mogelijk de karakteristiek van de spannings val van de regulateur als functie van het niveau van de ingangsstroom I naar de regulateur te optimaliseren. Bij dit type toepassing wordt aan een karakteristiek van exponentieel type de bijzondere voorkeur gegeven omdat het hoge Δν__/Δΐ bepaalt bij hoge niveaus van ingangsstroom en lage 15 LV„/èl bij lage niveaus van ingangsstroom.

. CE O

Fig. 2 toont een geïntegreerde spanningsregelaar soortgelijk aan die van fig. 1 en waarbij soortgelijke componenten zijn aangegeven met dezelfde cijfers gebruikt in fig. 1, maar waarbij het anti-verzadigings-circuit, dat het oogmerk is van de onderhavige uitvinding, anders is gemaakt 20 door gebruik te maken bijv. van twee NPN transistoren (Q^ en ) voor het comparatorcircuit.

De werking is als volgt. Bij verwaarlozing van de basisstroom van transistor Q (in elk geval veel kleiner dan I1 en 1^), wordt over de reguleringsweerstand R het potentiaal verschil gegeven door:

25 Δν = R (Ιχ + Iv) = R [l1 + f (Io)J

waarin f (Iq) = een vooraf ingestelde functie van de ingangsstroom IQ.

Wanneer V^ > Vq + Δν, dan bevindt de comparator, gevormd door ^11^22% en zicil de conditie dat hij geen enkele stroom wil leveren aan de transistor en daardoor geen aftrekstroom ontneemt aan de aandrijf-30 transistor Q3 van de transistor Q.

Telkens wanneer de conditie V. — V + Δν (of V — Δν) plaats-

X O CE

vindt, verandert de comparator van toestand, en Q , Q2 en Q-^ geleiden.

De geleidingsstroom, die door Q22' ög en % aan u^t^an9’ wordt afgeleverd, welke stroom de drempel vastgesteld door overschrijdt, wordt toe- 35 gevoerd aan de basis van Q^f die deze in geleiding drijft, en aldus stroom aftrekt van de basis van en de geforceerde (i van Q. doet toenemen, waardoor de lekstroom naar het substraat voorkomen of verminderd wordt.

De beide stroomgeneratoren en de weerstand r vormen een span-ningsverschuiver om de uitgangsdynamica van de comparator compatibel te 40 maken met de transistor Q^.

8601930 -6-

Ofschoon de uitvinding beschreven is door verwijzingen te maken naar de elektrische schema's van twee bijzonder de voorkeur verdienende praktische uitvoeringsvormen ervan, zal het duidelijk zijn dat variaties 5 en wijzigingen van dergelijke schema's worden gemaakt door een deskundige ofschoon dit blijft binnen de beschermingsomvang en de geest van de uitvinding zoals beschreven.

10 15 20 25 30 35 40 8601930

Claims (6)

1. Anti-verzadigingscircuit voor een geïntegreerde PNP transistor, 5 gekenmerkt door - een ccmparatorcircuit bevattende tenminste twee transistoren en tenminste één generieke stroomgenerator in staat om een vooraf vastgestelde maximum drempelstroom te bepalen gaande door zichzelf en daarom door de geleidende transistor van het comparatorcircuit; 10. een reguleringsweerstand R, geschakeld tussen de emitter van de PNP transistor en tenminste een generator van een variabele stroom, die een vooraf vastgestelde functie is van de emitterstroom van de PNP transistor; - welk comparatorcircuit van toestand verandert, wanneer de condi-15 tie plaatsvindt gegeven door de formule: VCE waarin V = de collector-emitter stroom van de PNP transistor,, en CE dV = spanningsval over de weerstand R bepaald door het vloeien door R van een stroom, die de som is van een vooraf ingestelde constante stroom 20 en de variabele stroom opgewekt door de generator; - het veranderen van de toestand van het comparatorcircuit, waarvan het kenmerkende wordt bepaald door de vooraf vastgestelde functie; het bepalen van de toenemende geleiding van de transistor van het comparatorcircuit, die in de normalè^easkingsconditie van de PNP transistor, niet- 25 geleidt; - een orgaan, aangedreven door de geleidingsstroom van de transistor van het comparatorcircuit, dat de maximale drempelstroom, vooraf vastgesteld door de stroomgenerator overschrijdt, voor het doen toenamen van de geforceerde β van de PNP transistor en dus het reduceren van de lek-3Q stroom naar het substraat.

2. Anti-verzadigingscircuit voor een geïntegreerde PNP transistor (Q), gekenmerkt door een comparatorcircuit gevormd door twee PNP transistoren (Q^ en Q^) met onafhankelijke generieke constante stroomgeneratoren verbonden met de respectieve collectoren, waarbij de basis van beide transistoren 35 CQ1 en Ö2) verbonden is met de collector van Q^ï en een stroomgenerator (1^), waarvan de toegevoerde stroom een vooraf vastgestelde functie is van de emitterstroom van de PNP transistor Q? terwijl de collector van de transistor Q verbonden is via een 40 belastingsweerstand met de emitter van Q^, waarbij de emitter van de transistor 8601930 -8- Q verbonden is via een weerstand (R) met beide: de emitter van Q2 via een belastingsweerstand en de stroomgenerator 1^.; terwijl de toestandsverandering van het comparatorcircuit, waarvan de 5 karakteristiek wordt bepaald door de door middel van de variabele stroomgenerator Iv vooraf vastgestelde functie, bepaald wordt door daling van de v spanning van de transistor Q beneden een bepaalde minimumwaarde, die vooraf wordt ingesteld door de weerstand R op geschikte wijze te dimensioneren, met de inherente toenemende geleiding van de transistor Q^; 10 een orgaan, geactiveerd door de geleidingsstroom van de transistor Q^, die de ingestelde stroom van de betreffende stroomgenerator overschrijdt, voor het bepalen van de stroomsubtractie van de basis van transistor Q, waardoor de geforceerde jh toeneemt en de lekstroom naar het substraat afneemt.

3. Anti-verzadigingscircuit volgens conclusie 2, met het kenmerk, ___ dat het gedeelte van de geleidingsstroom van de transistor Q , die de vaste stroom van de betreffende stroomgenerator overschrijdt, wordt toegevoerd aan de basis van een NPN transistor, die geschakeld is tussen de basis van een NPN transistor aandrijvende transistor Q, en aarde, waardoor de stroom-20 subtractie bepaald wordt vanaf de basis van de NPN aandrijftransistor, en dus de geforceerde van de transistor Q toeneemt.

4. Anti-verzadigingscircuit volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stroomgenerator 1^ aan de uitgang een stroom aflevert, die een exponentiële functie is van de emitterstroom van de transistor Q.

5. Geïntegreerde spanningsregelaar onder toepassing van een PNP transistor (Q) als serieregelaar en met een regellus bevattende een rekenversterker voor het vergelijken van de uitgangsspanning met een referentie-spanning en dientengevolge het regelen van de basisstroom van een NPN aandrijf trans is tor van de transistor Q, gekenmerkt door een comparatorcircuit 30 gevormd door twee PNP transistoren (Q^ en Q J met generieke constante stroomgeneratoren op de respectieve collectoren, waarbij de bases van beide transistoren en verbonden zijn met de collector van ; en een stroomgenerator (1^), waarvan de uitgangsstroom een vooraf vastgestelde functie is van de ingangsstroom naar de regulateur; terwijl 35 de uitgang van de regulateur verbonden is via een belastingsweer stand met de emitter van Q^, waarbij de ingang van de regulateur verbonden is via een weerstand (R) met beide: de emitter van via een belastingsweerstand, en de stroomgenerator 1^; terwijl de toestandsverandering van het comparatorcircuit, waarvan de 40 karakteristiek wordt bepaald door de functie, welke vooraf vastgesteld wordt 8601930 -9- 5$fe -κ met behulp van de stroomgenerator 1^, wordt bepaald door het dalen van de VCE *B*mi*q van de transistor Q beneden een zekere minimumwaarde, die vooraf ingesteld is door geschikte dimensionering van de weerstand R, met 5 de inherente toename van de geleidbaarheid van de transistor Q^; een orgaan, gestuurd door de geleidingsstroom van de transistor Q^, die de vaste stroom van de betreffende constante stroomgenerator overschrijdt, voor het aftrekken van de stroom van de basis van de aandrijf-transistor van de transistor Q. 10

6- Spanningsregulateur volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de stroomgenerator I aan de uitgang een stroom aflevert, die een exponentiële functie is van de ingangsstroom van de regulateur. 15 20 25 30 35 40 8601930 ·*-