SE445281B - Anordning for att skydda ett halvledarorgan fran elektriska pakenningsskador till foljd av falska hogspenningstransienter - Google Patents

Description

8103869-7 2 räcklig förmåga till energiavledning för att de skall kunna mot- stå de elektriska pàkänningarna som hänger samman med transien- terna utan att de blir förstörda och vidare måste man se till att dessa dioder ensamma eller tillsammans med eventuella samverkande förspänningsnät för att bestämma tröskelvärdesniván inte medför en försämring av de önskade impedansförhállandena eller högfrek- vensgensvaret hos signalkretsar som skall skyddas.

Motstånd eller impedansorgan som är särskilt utformade för att undertrycka högspänningstransienter kan också användas. oessa organ kan emellertid bll alltför dyrbara eller på annat sätt opraktiska ur konstruktionssynpunkt i många kretstillämp- ningar, varjämte de eventuellt kan försämra impedansförhållandena och högfrekvensgensvaret hos signalbehandlingskretsar som de används i samband med.

En aktiv transistorskyddskrets har också använts i kom- bination med en avkänningsimpedans kopplad till en kretspunkt, där högspänningstransienter kan uppträda, och till kretsen som skall skyddas. Med detta arrangemang avlänkar skyddstransistorn transientinducerade strömmar bort från kretsen som skall skyddas när skyddstransistorn aktiveras såsom gensvar på att en tröskel- värdesströmledningsspänning alstras över avkänningsimpedansen.

Detta arrangemang är inte önskvärt när man avser att skydda en signalbehandlingskrets, eftersom avkänningsimpedansen ändrar impedansen som annars hör samman med den skyddade signalbehand- lingskretsen varjämte den kan dämpa högfrekvenssignaler som normalt uppträder vid uttaget genom att bilda ett làgpassfilter tillsammans med en parasitkapacitans som eventuellt kan uppträda vid uttaget.

En i enlighet med föreliggande uppfinning anordnad transientskyddskrets undviker de ovannämnda olägenheterna och är särskilt lämplig för framställning i en integrerad krets som också innehåller kretsen som skall skyddas. Speciellt skall framhållas att den här beskrivna skyddskretsen endast behöver ett minimum av komponenter och att den inte inverkar ogynnsamt på högfrekvensgensvaret eller impedansförhållandena hos den skyddade kretsen.

En anordning enligt föreliggande uppfinning skyddar ett halvledarorgan från skador som kan uppstå från elektriska påkän- ningar som beror på falska högspänningstransienter. Halvledar- 8103869-7 3 organet innefattar en halvledarövergång som är kopplad till en kretspunkt där transienterna eventuellt kan uppträda och som eventuellt kan utsättas för skador härrörande från elektriska pákänningar när transienterna överskrider en given nivå. Skydds- anordningen innefattar en skyddstransistor med en kollektor- elektrod kopplad till en arbetspotential, en baselektrod, och en emitterelektrod kopplad till kretspunkten. En referensförspän- ning pàläggs baselektroden på så sätt att baselektrodens förspän- ning kan bestämmas oberoende av förspänningen hos halvledarorga- net och förspänningen vid kretspunkten. Referensspänningen ger kollektor-basövergàngen hos skyddstransistorn förspänning i back- riktningen samt bas-emitterövergången hos skyddstransistorn för- spänning i backriktningen då transienter saknas, varför skydds- transistorn normalt inte är strömledande. Nivån hos referensför- spänningen är sådan, att skyddstransistorns bas-emitterövergàng får förspänning i framriktningen såsom gensvar på att transienter överskrider en tröskelvärdesnivà som ligger under den givna nivån, varigenom strömledning i skyddstransistorns kollektor-emitterbana medges så att transientströmmar kan avlänkas från halvledarorganet.

Enligt ett kännetecken hos uppfinningen är skydds- transistorns emitter ansluten till halvledarorganet med en för- skjutningsspänning som väsentligen är noll mellan kretspunkten och halvledarorganet. Enligt ett annat kännetecken hos uppfinningen innefattar det skyddade halvledarorganet en bipolär transistor som är likartad skyddstransistorn och som är skyddad mot att leda alltför stora inkommande övergángsströmmar_i backriktningen.

Uppfinningen kommer att beskrivas i detalj i det följan- de under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig. l visar en del av en televisionsmottagare som inkluderar ett nät i vilket ingår en skyddskrets enligt föreliggande uppfinning, fig. 2-5 visar utföringsformer av skyddskretsar i enlighet med uppfinningen jämte kretsar som skall skyddas, och fig. 6 visar ett diagram som kommer till nytta då det gäller att klargöra arbetssättet hos de i fig. 2-5 visade kretsarna.

Enligt fig. l matas luminanssignaler från en källa 10 och krominanssignaler från en källa 12 till separata signal- ingángsuttag Ti hos en luminans- och krominanssignalbehandlare som ingår i en färgtelevisionsmottagare. Signalbehandlaren (t.ex. en integrerad krets) ßläfirflr R", G' °°h B'fäPSbí1d' 8103869-7 ' 4 signaler såsom gensvar på de inkommande luminans- och krominans- signalerna på i och för sig känt sätt. Färgsignalerna matas via ett videoutgàngssteg (icke visat) till separata intensitetreg- leringskatodelektroder hos ett färgbildrör 18. En arbetsspännings- källa 19 alstrar ett flertal arbetsspänningar för bildröret 18.

' Bland dessa spänningar ingår en högspänning av storleksordningen 000 volt för att ge förspänning åt biidrörets 18 anodelektrod "samt spänningar av storleksordningen några hundra volt för att ge förspänning àt andra elektroder hos bildröret 18 (t.ex. katod-, skärmgaller- och fokuseringselektroderna).

Signalbehandlaren 15 inkluderar till ingángsuttagen Ti kopplade ingàngskretsar som kan skadas eller förstöras då hög- spänningar uppstår på signalbehandlarens 15 uttag. I en tele- visionsmottagare utgörs den största orsaken till sådana högspän- ningar av transienter som uppstår genom ljusbágbildning i bild- röret. Ljusbàgbildning i bildröret kan uppträda mellan högspän- ningsanodelektroden och mottagarens chassi exempelvis när motta- garen genomgår service. Ljusbàgbildning i bildröret kan också uppträda på ett icke förutsägbart sätt mellan anoden och en eller flera av de övriga elektroderna (med lägre potential) hos bild- röret när mottagaren är i normal drift. Under alla förhållanden medför ljusbàgbildning i bildröret att man erhåller en högspän- ningstransient som är oscillerande till sin natur och som har positiva och negativa spänningstoppar som ofta är större än 100 volt vid kretsuttagen och som har en varaktighet av från en till flera mikrosekunder. 2 En krets för att skydda kretsar i signalbehandlaren 15 (fig. 1) från skador härrörande från högspänningstransienter är visad 1 fig. 2.

Fig. 2 visar en signalbehandlingskrets 20 som inkluderar en smásignalförstärkartransistor 22 av NPN-typ och ett samverkan- de basförspänningsmotstànd 24. Ingàngssignaler som:kaü.förstärkas kopplas till transistorns 22 baselektrod via ett uttag Ti.

Förstärkta signaler uppträder vid en kollektorutgång från tran- sistorn 22, varifrån de matas till de efterföljande signalöver- sättningsstegen (icke visade). ' Arrangemanget enligt fig. 2 inkluderar också en skydds- krets 25 som är bildad av en NPN-transistor 28 som har en emitter- elektrod direkt ansluten till uttaget Ti, en baselaktrod kopplad 8103869-7 till en referensförspänning (t.ex. Jordpotential), och en kollek- torelektrod kopplad till en källa för positiv arbetsspänning +Vcc. I detta exempel är transistorn 28 likartad transistorn 22.

Ett motstånd 29 1 transistorns 28 kollektorkrets representerar symboliskt det fördelade kollektorareamotstàndet hos transistorn 28. Transistorn 28 är normalt oledande, och i detta exempel arbetar den inte som ett signalbehandlingsorgan, och inte heller ingår den i någon signalbehandlingsbana. Kretsarna 20 och 25 kan lätt framställas gemensamt i en enda integrerad krets, varvid uttaget Ti svarar mot ett yttre anslutningsuttag hos den integre- rade kretsen.

Innan fig. 2 behandlas vidare hänvisas till diagrammet enligt fig. 6.

Fig. 6 visar en tvärsektionsvy av ett halvledartransis- tororgan av typen som kan användas för transistorerna 22 och 28 i fig. 2. Ifrågavarande organ innefattar ett jordat substrat som är framställt av halvledarmaterial av P-typ, vidare ett kollektor- område som utgörs av material av N-typ diffunderat över substratet, ett basomràde som utgörs av material av P-typ indiffunderat i kollektorns material av N-typ, och ett emitteromráde, in i vilket är indiffunderat material av N+-typ. Strömledande yttre kontakt- uttag är anslutna till bas-, emitter- resp. kollektoromrádena.

Ett isolerande skikt är beläget ovanför halvledarmaterialet. Ett motstånd re utgör en symbolisk representation av det fördelade halvledarmotstàndet som hör samman med kollektoromrádet.

Vid en Jämförelse mellan fig. 6 och fig. 2 kan man notera att signaltransistorn 22 kan skadas eller förstöras 1 närvaro av transienta spänningar med stor amplitud och negativ polaritet, vilka spänningar exempelvis kan induceras vid in- gángsuttaget Ti såsom följd av ljusbågbildning i bildröret. När dessa negativa transienter (som ofta har en topp-till-toppampli- tud större än 100 volt) överskrider transistorns 22 genombrotts- spänning mellan emitter och bas i backriktningen är det sanno- likt att de förstör transistorns 22 emitter-basövergàng till följd av en alltför stor effekt- eller energiavledning i över- gängen. Närmare bestämt leder transistorn 22'kraftigt i back- riktningen från emitter till bas såsom gensvar på de stora nega- tiva transienterna i proportion till den omfattning 1 vilken transienterna överskrider genombrottsspänningen mellan emitter och bas i backriktningen med ca 7 volt. Med hänvisning till fig. 8103869-7 6 6 uppträder 1 detta exempel strömledningen från emitter till bas i backriktningen med stor densitet med åtföljande intensiv upp- hettning i första hand i partiet "d" i emitter-basövergången, varvid det är sannolikt att ifrågavarande övergång då kommer att förstöras om skyddsåtgärder inte vidtas. Basförspänningsmctstån- det 24 kan också bli förstört när transistorn 22 och motståndet 24 är framställda 1 samma integrerade krets, eftersom motstånd med ringa area i integrerade kretsar inte snabbt kan avleda en så stor mängd värmeenergi som kan alstras av stora strömmar inducerade av transienter.

Skyddstransistorn 28 hindrar signaltransistorn 22 från att förstöras av stora negativa transienter. Transistorns 28 huvudströmledningsbana (kollektor-emitterbana) är direkt inkopp- lad mellan en källa för positiv likspänning +Vcc och ingàngsut- taget Ti utan mellanliggande element i detta exempel (det skall erinras om att motståndet 29 är en symbolisk representation av ett fördelat kollektorområdesmotstànd som är visat såsom mot- ståndet re i fig. 6). En referensspänning med förutbestämd storlek har till uppgift att ge transistorns 28 kollektor-bas- övergång förspänning i backriktningen, varjämte den ger för- spänning åt skyddstransistorns 28 baselektrod så att sistnämnda transistor får en önskad tröskelvärdesströmledningsnivå.

När den på transistorn:28 pålagda referensförspänningen svarar exempelvis mot Jordpotential (noll volt) börjar transis- torn 28 leda ström när dess emitterspänning är väsentligen lika med eller mindre än summan av förspänningsreferensspänningen plus transistorns 28 förskjutningsspänning vid bas-emitteröver- gången (ca 0,7 volt). Sålunda medför en negativ transientspänning som uppträder vid uttaget Ti och som har en storlek större än -0,7 volt att transistorn 28 bringas att leda ström. När transis- torn 28 leder ström bildar den en strömbana för avlänkning av strömmar som hör samman med transienten bort från signaltransis- torn 22. Ström i denna bana flyter från källan för arbetspoten- tial +V¿c genom transistorns 28 kollektor-emitterbana och uttaget Ti till källan för transientspänning. Detta sätt att leda ström från källan för arbetsspänning är fördelaktig i samband med integrerade kretsar, eftersom det därvid blir mindre sannolikt att förstörande transienta effekter alstras i andra partier i den integrerade kretsen via det gemensamma substratmaterialet. 8103869-7 7 I detta exempel ges transistorn 28 sådan förspänning att den leder ström innan genombrottspänning (ca 7 volt) hos signaltransistorns 22 emitter-basövergång i backriktningen nås.

Eftersom emitter-basström i backriktningen inte flyter i signaltransistorn 22 förrän en genombrottsspänning i baokrikt- ningen nås kommer signaltransistorn 22 inte att leda transient- inducerade strömmar när skyddstransistorn 28 är strömledande.

Det bör observeras att när skyddstransistorn 28 är strömledande är spänningen vid uttaget Ti och således även basspänningen hos signaltransistorn 22 effektivt fastlåsta vid en spänningsnivå som är lika med storleken hos transistornsêß basreferensförspän- ning minus transistorns 28 förskjutningsspänning vid bas-emitter- övergången. Nivån hos den på transistorn 28 pålagda referens- förspänningen kan anpassas på så sätt att den stämmer överens med kraven i ett bestämt fall samtidigt som skyddstransistorn tillåts bringas i drift innan skadliga nivåer hos ström i back- riktningen alstras i signaltransistorn 22.

Skyddskretsen enligt fig. 2 har flera fördelaktiga särdrag. A I skyddskretsen ingår ett ringa antal komponenter, eftersom bara en enda transistor erfordras. Denna transistor behöver inte vara ett organ för stor effekt eller högeffekt, utan den kan vara av samma typ som småsignaltransistorn 22.

Skyddskretsen kan således med fördel användas i en integrerad krets med begränsad disponibel yta. I detta avseende skall det framhållas att skyddstransistorn 28 har en självbegränsad egentransientströmledning då den leder 1 mättat resp. omättat tillstånd såsom gensvar på högspänningstransienterna. Denna begränsade egentransientströmledning kan tillskrivas transis- torns 28 fördelade kollektormotstånd (motståndet re i fig. 6) och gör det möjligt att använda en skyddstransistor med en konventionell konfiguration av emitter-baspartiet. Emellertid skulle ett separat, strömbegränsande kollektormotstånd också kunna användas om detta vore nödvändigt.

Förutom det ovanstående skall det framhållas att bas- referensförspänningen som bestämmer skyddstransistorns 28 tröskelvärdesströmledningsnivå påläggs skyddskretsen separat 1 förhållande till den skyddade kretsen, varjämte nämnda spänning i detta_exempel kan bestämmas individuellt 1 förhållande till 8103869-7 ' 8 den skyddade transistorns 22 basförspänning. Således kan skydds- transistorns 28 tröskelvärdesreferensspänningsnivà bestämmas oberoende av förspänningskraven hos kretsen som skall skyddas.

Det bör också observeras att skyddskretsen 25 inte ändrar högfrekvens-(ingángs-)gensvarkaraktäristiken hos signal- kretsen 20 och inte heller ändrar ingångsimpedansen hos signal- kretsen 20 för signalbehandlingsändamàl. Skyddskretsen 25 är så anordnad, att en önskvärt stor impedans erbjuds för uttaget Ti och för skyddskretsen under normala betingelser när skyddstransis- torn 28 inte är strömledande. Denna impedans utgörs av impedansen som hör samman med transistorns 28 bas-emitterövergàng med för- spänning i backriktningen inklusive den mycket ringa parasit- emitterkapacitansen hos transistorn 28 (dvs. 1 förhållande till den mycket större parasitkollektorkapacitansen). Skyddskretsen inför inte någon ytterligare impedans mellan uttaget Ti och kretsen 20. Den beskrivna skyddskretsen inför således inte en impedans som skulle kunna ändra den impedans som i och för sig gär tilldelad ingången till kretsen 20, och inte heller inför skyddskretsen en impedans som kan bilda ett lágpassfilter till- sammans med parasitkapacitansen som kan höra samman med uttaget Ti (och vanligen verkligen hör samman med detta uttag).

De uppgifter som givits med avseende pà arbetssättet och särdragen hos den i fig. 2 visade anordningen gäller också i stort sätt för de alternativa utföringsformerna som är visade i fig. 3, 4 och 5.

Fig. 3 visar en anordning med en signalförstärkartran- sistor 32 av PNP-typ inkluderad i ett signalbehandlingsnät 30 samt en skyddstransistor 38 av PNP-typ inkluderad i en skydds- krets 35. Denna anordning har till uppgift att skydda signal- transistorn 32 av PN?-typ från skador såsom följd av emitter- -basövergángsgenombrott i backriktningen i närvaro av stora positiva, transienta spänningar som uppträder vid uttaget Ti och som har en sådan storlek att de kan förorsaka ett dylikt süüngenombrott i backriktningen.

Fig. 4 visar en anordning med ett signalbehandlings- nät RO som inkluderar en signaltransistor #2 av NPN-typ, varvid nämnda signaltransistor är skyddad mot skador till följd av både negativa och positiva högspänningstransienter. För detta ändamål inkluderar den i fig. l visade anordningen en första skyddskrets 8103869-7 9 45 med en skyddstransistor 46 av NPN-typ för att skydda signal- transistorn 42 från skador härrörande från stora, negativa, transienta spänningar jämte en andra skyddskrets 48 med en skyddstransistor 49 av PN?-typ för att skydda signaltransistorn 42 från skador till följd av stora positiva, transienta spän- ningar. Skyddskretsarna ä5 och 48 svarar mot de respektive skyaasxretsarna 25 och 35 1 rig. 2 och j.

Fig. 5 visar en anordning där en avtagararm hos en potentiometer 59 (t.ex. en potentiometer för inställbar för- stärkningsreglering) är ansluten till uttaget Ti för att reglera förstärkningen hos en NPN-transistor 52 i en signalbehandlings- krets 50. I denna anordning är det önskvärt att potentiometerns avtagararmspänning skall kunna inställas i stort sett över hela området för arbetsintervallet som är tilldelat potentiometern eller mellan noll volt (Jordpotential) och +12 volt. Ett regler- arrangemang av denna typ eller ett ekvivalent arrangemang sam- verkar ofta med signalbehandlingskretsar vid en televisions- mottagare. _ I detta fall är en skyddskrets 55. i vilken ingår NPN- -transistorer 56 och 57, tilldelad kretsen 50 och uttaget Ti.

Bas-emitterövergángen hos transistorerna 56, 57 är inkopplade i serie mellan en referensförspänningspotential lika med noll volt (jordpotential) och uttaget Ti. Kollektorerna hos transistorerna 56 och 57 är inbördes hopkopplade, och de är anslutna till en källa för arbetsspänning +V¿c. “ Det sätt på vilket skyddskretsen 55 är anordnad möjlig- gör att det önskade intervallet av regleringsspänning från potentiometern 59 (noll volt till +12 volt) kan alstras vid uttaget Ti obehindrat av skyddskretsen. I detta avseende skall det framhållas att vardera transistorn 56 och 57 har en genom- brottsspänning mellan emitter och bas i backriktningen lika med ca 7 volt, varför den kombinerade genombrottsspänningen 1 back- riktningen för kombinationen av organen 56 och 57 blir ca lä volt. Under normala arbetsbetingelser (dvs. då inga transienter förekommer) kommer således transistorerna 56 och 57 inte att ha någon strömledning i backriktningen, eftersom den kombinerade genombrottsspänningen i backriktningen inte överskrids när poten- tiometerns 59 strömavtagararm har den (maximala) positiva regle- ringsspänningen +12 volt. 8103869-7 De beskrivna skyddskretsarna är lämpliga för att skydda vilket som helst halvledarövergángsorgan (t.ex. inkluderande transistorer, dioder och motstånd, särskilt i en integrerad krets) som har en konfiguration med förhållandevis liten yta och som i sig självt inte med säkerhet kan avleda eller begränsa stora _mängder energi av typen som kan förorsakas av högspänningstran- sienter. Dessutom kan de beskrivna skyddskretsarna användas för att skydda både ingángs- och utgàngskretsbunkter och -uttag.

Claims (9)

1. 8103869-7 . ll PATENTKRAV l. Anordning för att skydda ett halvledarorgan från elektris- ka pàkänningsskador till följd av falska högspänningstransienter, varvid nämnda halvledarorgan innefattar en halvledarövergàng som är kopplad till en kretspunkt där nämnda transienter kan uppträda och som kan utsättas för skador såsom följd av elektriska pàkän- ningar när nämnda transienter överskrider en given nivå, vilken skyddsanordning är k ä n n e t e c k n a d av en skyddstransis- tor (28) med en kollektorelektrod kopplad till en arbetspotential, en baselektrod, och en emitterelektrod kopplad till nämnda krets- punkt, och av organ för att pàlägga en referensförspänning pà nämnda baselektrod på så sätt att baselektrodens förspänning är fastställbar oberoende av förspänningen hos halvledarorganet och av förspänningen vid nämnda kretspunkt, vilken referensförspän- ning är anordnad att bibringa skyddstransistorns kollektor-bas- övergång förspänning i backriktningen och att bibringa skydds- transistorns bas-emitterövergáng förspänning i backriktningen då nämnda transienter saknas, varigenom skyddstransistorn normalt blir oledande, varvid nivån hos referensförspänningen är sådan, att skyddstransistorns bas-emitterövergáng får förspänning i framriktningen såsom gensvar pá transienter som överskrider en tröskelvärdesnivá under nämnda givna nivå för att tillåta ström- ledning i skyddstransistorns emitter-kollektorbana för att av- länka transienta strömmar bort från halvledarorganet.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att skyddstransistorns (28) emitter är ansluten till halvledar- organet med en förskjutningsspänning som väsentligen är noll mel- lan nämnda kretspunkt och nämnda halvledarorgan.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda halvledarorgan innefattar ett transistororgan (22) med en första ingàngselektrod kopplad till nämnda krets- punkt och andra och tredje elektroder som bildar en huvudström- ledningsbana för transistororganet och att nämnda skyddstransis- tor (28) ges en sådan förspänning att den blir strömledande såsom gensvar pà transienter för att hindra transistororganet från att leda alltför stora ingángsströmmar i backriktningen. 8103869-7 - 12

4. Anordning enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d därav, att transistororganet (22) inkluderar en basingàngs- elektrod samt kollektor- och emitterelektroder som bildar nämnda huvudströmledningsbana och att nämnda skyddstransistor (28) har sådan förspänning att den leder ström såsom gensvar på transienter för att hindra transistororganet fràn att leda alltför stora övergàngsströmmar mellan emitter och bas.

5. Anordning enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e o k - n a d därav, att nämnda skyddstransistor och nämnda transis- tororgan är likartade organ med samma konduktivitetstyp. a

6. Anordning enligt kraven 2, 3, 4 eller 5, k ä n n e - t e c k n a d därav, att nivån hos ström som leds av nämnda skyddstransistor (28) såsom gensvar på transienter i första hand är bestämd av det fördelade kollektorområdesmotstàndet hos skyddstransistorn.

7. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e o k n a d därav, att nämnda halvledarorgan och nämnda skyddstransistor ingår i en videosignalbehandlingskrets i en televisionsmot- tagare_som inkluderar ett bildàtergivande bildrör, varvid en källa för arbetsspänning inkluderar högspänning för nämnda bildrör, varjämte nämnda kretspunkt är belägen på ett sådant ställe där högspänningstransienter som förorsakas av lfiusbág- bildning i bildröret kan uppträda.

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av en reglerbar spänningsdelare (59), som är inkopplad mellan första och andra punkter med arbetspotential, varvid nämnda spännings- delare inkluderar ett inställbart uttag som är kopplat till nämnda kretspunkt, och av organ (56) för att ge nämnda skyddstransistor -förspänning så att skyddstransistorn förblir oledande då tran- sienter saknas efter hand som nämnda spänningsdelare inregleras mellan minimi- och maximigränser.

9. Anordning enligt krav 8, k ä n e t e o k n a d därav, att nämnda förspänningsorgan inkluderar en transistor (56) med en baselektrod kopplad till nämnda referensförspänning, 8103869-7 - 13 en kollektorelektrod kopplad till en arbetspotential, och en bas-emitterövergáng inkopplad 1 serie med slqyddstransistorns bas-emitterövergàng mellan nämnda referensförspänning och nämnda kretspunkt.