WO2000019573A1 - Schutzschaltung auf einer integrierten schaltung - Google Patents

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Alexander Kahl
Jörg Hauptmann
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Infineon Technologies Ag
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
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    • H02H9/045—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage adapted to a particular application and not provided for elsewhere
    • H02H9/046—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage adapted to a particular application and not provided for elsewhere responsive to excess voltage appearing at terminals of integrated circuits

Definitions

  • the invention relates to a protective circuit on an integrated circuit according to the preamble of claim 1.
  • protective circuits are connected to the connections (hereinafter referred to as pads) of the integrated circuit.
  • Electrostatic Discharge caused voltages (hereinafter referred to as ESD voltages) on the pads can destroy sensitive structures on the integrated circuits.
  • a frequently used simple protective circuit for limiting excessive voltages on the pads consists of a
  • analog circuit components on the integrated circuit require higher ones Voltages than the supply voltage.
  • the simple protective circuit is a hindrance since voltages at the pads that are greater than the supply voltage of the integrated circuit are limited to the supply voltage by this protective circuit.
  • a voltage divider is provided in a protective circuit, which consists of a capacitor and a resistor and generates a threshold voltage when the voltage changes on the pad, which is used to ignite a thyristor.
  • the disadvantage of these protective circuits is the high ignition voltages required to switch on the thyristor.
  • the technical problem on which the invention is based is therefore to provide a protective circuit which avoids the disadvantages mentioned at the outset.
  • the invention relates to a protective circuit which is connected to a pad of an integrated circuit.
  • the protective circuit has a threshold detector device which derives a threshold voltage from a voltage on the pad.
  • the threshold voltage controls a first one Transistor whose load path is connected at a 'first terminal connected to the pad and the load path of at a second terminal to the control terminal of a second
  • the load path of the second transistor is parallel between the pad and an
  • Threshold voltage required to switch on the protective structure the threshold voltage only corresponding to twice the switch-on voltage of a transistor.
  • a plurality of transistors are provided instead of the second transistor, the control connections of the plurality of transistors being connected to the second connection of the load path of the first transistor and the load paths of the plurality of transistors being connected in parallel between the pad and the reference potential .
  • a particularly preferred embodiment relates to the threshold detector device, which has a voltage divider which is connected between the pad and the reference potential.
  • the threshold voltage can be picked off at a node of the voltage divider.
  • the voltage divider is advantageously constructed from high-impedance resistors which can be easily implemented in integrated circuits in order to keep a current through the voltage divider low.
  • the transistors are npn bipolar transistors.
  • a diode is connected between the resistors and the pad. The diode blocks when a voltage on the pad drops below the voltage on the n-connection of the " diode.
  • a resistor is connected between the second connection of the load path of the first transistor and the reference potential, which is used to set the operating point of the first transistor.
  • Fig.l an embodiment of a protection circuit according to the invention.
  • An integrated circuit 1 has a pad 2 which is connected to a protective circuit 3.
  • the pad 2 is connected to further circuit components 6 which are to be protected against excessive voltages on the pad, such as ESD voltages.
  • the protective circuit 3 has a threshold detector device 4, which consists of a voltage divider R1 and R2.
  • the device 4 is connected between the pad 2 and a reference potential VSS of the integrated circuit.
  • the threshold voltage US can thus be set via the voltage divider ratio and must be at least twice the base-emitter voltage of an npn bipolar transistor at the voltage to be limited in order to switch transistors of the protective circuit. If, for example, the protective structure is to be switched on from a voltage of 8V, the following applies to the voltage divider ratio for a base-emitter voltage ÜBE of approximately 0.7V:
  • Typical values for the resistors of the voltage divider are:
  • the threshold voltage for the above resistance values is 1.4V.
  • the threshold voltage US drives a first bipolar npn transistor T1.
  • the emitter of the transistor T1 is connected to the reference potential VSS via a resistor R4.
  • the collector of transistor T1 is connected to the n terminal of a diode D via a resistor R3.
  • the p connector the diode D is in turn connected to the pad 2.
  • the two resistors R3 and R4 set the operating point of the transistor T1.
  • bipolar npn transistors T2, T3, T4 and T5 are driven in parallel by the first transistor T1.
  • the base of each transistor T2, T3, T4 and T5 is connected in parallel to the collector of the transistor T1.
  • the emitters of the transistors T2, T3, T4 and T5 are connected together to the reference potential VSS.
  • Transistors T2, T3, T4 and T5 are each connected to the n terminal of the diode D via a resistor R5, R6, R7 and R8.
  • the protection circuit works as follows:
  • the first transistor T1 switches and begins to conduct.
  • a current IB flows over the load path of this transistor on the basis of transistors T2, T3, T4 and T5. These transistors are driven so that the resistance of their load paths becomes smaller and the pad 2 is connected to the reference potential VSS with a low resistance and a current flows from the pad 2 via the transistors T2, T3, T4 and T5 connected in parallel.
  • the higher the voltage UPAD on the pad the more the threshold voltage US rises and turns the first transistor on until it saturates.
  • the first transistor T1 controls the transistors T2, T3, T4 and T5 connected in parallel via its emitter current on, so that the connection between pad 2 and reference potential
  • T5 is becoming increasingly low-resistance. This also reduces the
  • the threshold voltage US also drops.
  • Threshold voltage US will be the load routes of the first
  • Transistor Tl and the parallel-connected transistors T2, T3, T4 and T5 high-resistance.
  • the potential at the n terminal of the diode D rises and the diode D blocks as soon as the potential difference between the n terminal and the p terminal drops below the forward voltage of the diode D.
  • the protective structure is switched off and only absorbs a current from the pad 2 via the voltage divider R1 and R2.
  • the current carrying capacity of the protective circuit can be set via the number of transistors connected in parallel. However, it must be noted that the current IB, which flows via the emitter E from the first transistor T1 to the base of the transistors T2, T3, T4, T5 connected in parallel, is dimensioned sufficiently to accommodate the transistors T2, T3, T4, T5 connected in parallel to control. If necessary, the first transistor T1 must be dimensioned larger in order to be able to supply more current for controlling the transistors T2, T3, T4, T5 connected in parallel.
  • the current carrying capacity of the protective structure can also be set by means of a higher current carrying capacity of the individual transistors T2, T3, T4, T5 connected in parallel, the base current required to control the transistors again having to be taken into account.
  • the resistors R5, R6, R7, R8 connected upstream of the transistors T2, T3, T4, T5 connected in parallel are to be dimensioned with a low resistance and only serve as current limiters Series resistors to protect the transistors against excessive currents.
  • a current IQ constantly flows through the voltage divider, so that the resistance value (R1 + R2) of the voltage divider should be as large as possible to minimize the current consumption of the protective circuit.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung, die mit einem Pad einer integrierten Schaltung verbunden ist. Die Schutzschaltung weist eine Schwellendetektoreinrichtung auf, die aus einer Spannung am Pad eine Schwellspannung ableitet. Die Schwellspannung steuert den Steueranschluß eines ersten Transistors, dessen Laststrecke zwischen das Pad und den Steueranschluß mindestens eines weiteren Transistors geschaltet ist. Die Laststrecken des bzw. der weiteren Transistoren sind parallel zwischen das Pad und ein Bezugspotential geschaltet und verbinden das Pad mit dem Bezugspotential, wobei über den bzw. die weiteren Transistoren der Widerstand der Verbindungen zwischen Pad und Bezugspotential steuerbar ist.

Description

Beschreibung
Schutzschaltung auf einer integrierten Schaltung
Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung auf einer integrierten Schaltung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Um integrierte Schaltungen vor Spannungen zu schützen, die die integrierte Schaltung schädigen oder zerstören können, werden an die Anschlüsse (im folgenden als Pads bezeichnet) der integrierten Schaltung Schutzschaltungen angeschlossen.
Insbesondere durch elektrostatische Entladungen (ESD =
Electrostatic Discharge) hervorgerufene Spannungen (im folgenden als ESD-Spannungen bezeichnet) an den Pads können empfindliche Strukturen auf den integrierten Schaltungen zerstören.
Eine häufig benutzte einfache Schutzschaltung zur Begrenzung von zu hohen Spannungen an den Pads besteht aus einem
Widerstand zur Eingangsstrombegrenzung und zwei Dioden, die in Sperrpolung zwischen das Pad und eine Versorgungsspannung bzw. ein Bezugspotential der integrierten Schaltung geschaltet sind. Überschreitet eine Spannung an einem Pad die Versorgungsspannung, beginnt die Diode in Sperrpolung zwischen dem Pad und der Versorgungsspannung zu leiten und die Spannung am Pad wird auf die Versorgungsspannung begrenzt. Dadurch wird der Aussteuerbereich einer Spannung an einem Pad auf einen Bereich zwischen der Versorgungsspannung und dem Bezugspotential begrenzt. Die zweite Diode beginnt zu leiten, wenn eine Spannung am Pad das Bezugspotential unterschreitet .
Vielfach benötigen jedoch beispielsweise analoge Schaltungskomponenten auf der integrierten Schaltung höhere Spannungen als die Versorgungsspannung. Dabei ist jedoch die einfache Schutzschaltung hinderlich, da Spannungen an den Pads, die größer sind als die Versorgungsspannung der integrierten Schaltung, durch diese Schutzschaltung auf die Versorgungsspannung begrenzt werden.
Aus US 5,400,202 ist eine Schutzschaltung bekannt, die einen Thyristor (SCR = Silicon Controlled Rectifier) aufweist, wobei der Thyristor ab einer bestimmten Spannung am Pad zündet und eine niederohmige Verbindung zwischen dem Pad und einem Bezugspotential der integrierten Schaltung herstellt, wodurch ESD-Spannungen am Pad wirksam begrenzt werden. Thyristoren können vorteilhafterweise hohe Ströme leiten und sind schnell einschaltbar. In US 5,781,388 ist in einer Schutzschaltung ein Spannungsteiler vorgesehen, der aus einer Kapazität und einem Widerstand besteht und bei Spannungsänderungen am Pad eine Schwellenspannung erzeugt, die zur Zündung eines Thyristors verwendet wird. Nachteilig sind bei diesen Schutzschaltungen die erforderlichen hohen Zündspannungen zum Einschalten des Thyristors.
Das der Erfindung zugrundeliegende technische Problem liegt daher darin, eine Schutzschaltung anzugeben, die die eingangs erwähnten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch eine Schutzschaltung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schutzschaltung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung, die mit einem Pad einer integrierten Schaltung verbunden ist. Die Schutzschaltung weist eine Schwellendetektoreinrichtung auf, die aus einer Spannung am Pad eine Schwellenspannung ableitet. Die Schwellenspannung steuert einen ersten Transistor, dessen Laststrecke an einem 'ersten Anschluß mit dem Pad verbunden ist und dessen Laststrecke an an einem zweiten Anschluß mit dem Steueranschluß eines zweiten
Transistors verbunden ist. Die Laststrecke des zweiten Transistors ist parallel zwischen das Pad und ein
Bezugspotential geschaltet und verbindet das Pad mit dem ~"
Bezugspotential. Vorteilhafterweise ist nur eine niedrige
Schwellenspannung zum Einschalten der Schutzstruktur erforderlich, wobei die Schwellenspannung lediglich der doppelten Einschaltspannung eines Transistors entspricht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind anstatt des zweiten Transistors eine Vielzahl von Transistoren vorgesehen, wobei die Steueranschlüsse der Vielzahl von Transistoren mit dem zweiten Anschluß der Laststrecke des ersten Transistors verbunden sind und die Laststrecken der Vielzahl von Transistoren parallel zwischen das Pad und das Bezugspotential geschaltet sind.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform betrifft die Schwellendetektoreinrichtung, wobei diese einen Spannungsteiler aufweist, der zwischen das Pad und das Bezugspotential geschaltet ist. An einem Knotenpunkt des Spannungsteilers ist die Schwellenspannung abgreifbar. Vorteilhafterweise wird der Spannungsteiler aus hochohmigen Widerständen aufgebaut, die in integrierten Schaltungen einfach realisierbar sind, um einen Strom durch den Spannungsteiler niedrig zu halten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Transistoren npn-Bipolartransistoren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen das Pad und die Laststrecken der Transistoren jeweils ein Widerstand geschaltet, wobei die Widerstände zur
Strombegrenzung dienen.
Zwischen die Widerstände und das Pad ist in einer Ausführungsform eine Diode geschaltet. Die Diode sperrt, wenn eine Spannung am Pad unter die Spannung am n-Anschluß der" Diode absinkt.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen den zweiten Anschluß der Laststrecke des ersten Transistors und dem Bezugspotential ein Widerstand geschaltet, der zur Arbeitspunkteinstellung des ersten Transistors dient.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Fig.l ein Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung nach der Erfindung.
Eine integrierte Schaltung 1 weist ein Pad 2 auf, das mit einer Schutzschaltung 3 verbunden ist. Das Pad 2 ist mit weiteren Schaltungskomponenten 6 verbunden, die vor zu hohen Spannungen am Pad, wie beispielsweise ESD-Spannungen, zu schützen sind.
Die Schutzschaltung 3 weist eine Schwellendetektoreinrichtung 4 auf, die aus einem Spannungsteiler Rl und R2 besteht. Die Vorrichtung 4 ist zwischen das Pad 2 und ein Bezugspotential VSS der integrierten Schaltung geschaltet. Der Spannungsteiler teilt eine am Pad 2 anliegende Spannung UPAD auf eine Schwellenspannung US, die an einem Knotenpunkt 5 des Spannungsteilers anliegt: 7?2 US = UPAD-
R1 + R2
Die Schwellenspannung US ist somit über das Spannungsteilerverhältnis einstellbar und muß bei der Spannung, auf die begrenzt werden soll, mindestens zweimal der Basis-Emitter-Spannung eines npn-Bipolartransistors betragen um Transistoren der Schutzschaltung zu schalten. Soll beispielsweise ab einer Spannung von 8V die Schutzstruktur angeschaltet werden, gilt für das Spannungsteilerverhältnis bei einer Basis-Emitter-Spannung ÜBE von ca. 0,7V:
R2
US * 2 ■ ÜBE K 1,4V = ZV
R1 + R2
Typische Werte für die Widerstände des Spannungsteilers betragen:
R1 = 300£Ω und R2 = 75kΩ
Daraus ergibt sich ein Spannungsteilerverhältnis von:
R2 75£Ω
0,2
R1 + R2 375kΩ
Bei einer Spannung von ca. 7V am Pad beträgt die Schwellenspannung bei obigen Widerstandswerten erforderliche 1,4V.
Die Schwellenspannung US steuert einen ersten bipolaren npn- Transistor Tl an. Der Emitter des Transistors Tl ist über einen Widerstand R4 mit dem Bezugspotential VSS verbunden.
Der Kollektor des Transistors Tl ist über einen Widerstand R3 mit dem n-Anschluß einer Diode D verbunden. Der p-Anschluß der Diode D ist wiederum mit dem Pad 2 verbunden. Die zwei Widerstände R3 und R4 stellen den Arbeitspunkt des Transistors Tl ein.
Weitere bipolare npn-Transistoren T2, T3, T4 und T5 werden parallel von dem ersten Transistor Tl angesteuert. Dazu ist die Basis jedes Transistors T2, T3, T4 und T5 parallel mit dem Kollektor des Transistors Tl verbunden. Die Emitter der Transistoren T2, T3, T4 und T5 sind gemeinsam mit dem Bezugspotential VSS verbunden. Der Kollektor jedes
Transistors T2, T3, T4 und T5 ist jeweils über einen Widerstand R5, R6, R7 bzw. R8 mit dem n-Anschluß der Diode D verbunden. Die Laststrecken dieser Transistoren T2, T3, T4 und T5 verbinden zusammen mit den jeweils vorgeschalteten Widerständen R5, R6, R7 bzw. R8 das Pad 2 mit dem Bezugspotential VSS, wobei der Widerstand über die Transistoren T2, T3, T4 und T5 einstellbar ist.
Die Schutzschaltung arbeitet wie folgt:
Überschreitet eine Spannung UPAD am Pad 2 einen vorgegebenen Wert, so daß die Schwellspannung US etwa zweimal der Basis- Emitter-Spannung eines bipolaren npn-Transistors entspricht, schaltet der erste Transistor Tl und beginnt zu leiten. Ein Strom IB fließt über die Laststrecke dieses Transistors auf die Basis der Transistoren T2, T3, T4 und T5. Diese Transistoren werden ausgesteuert, so daß der Widerstand ihrer Laststrecken kleiner wird und das Pad 2 niederohmig mit dem Bezugspotential VSS verbunden wird und ein Strom vom Pad 2 über die parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4 und T5 fließt. Je höher nun die Spannung UPAD am Pad wird, desto mehr steigt auch die Schwellenspannung US und steuert den ersten Transistor auf bis dieser in Sättigung geht. Der erste Transistor Tl steuert über seinen Emitterstrom die parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4 und T5 weiter auf, so daß die Verbindung zwischen Pad 2 und Bezugspotential
VSS über die parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4 und
T5 immer niederohmiger wird. Dadurch verringert sich auch die
Spannung UPAD am Pad 2.
Unterschreitet die Spannung UPAD am Pad 2 einen vorgegebenen
Wert, sinkt auch die Schwellenspannung US. Bei sinkender
Schwellenspannung US werden die Laststrecken des ersten
Transistors Tl und der parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4 und T5 hochohmiger. Das Potential am n-Anschluß der Diode D steigt und die Diode D sperrt sobald die Potentialdifferenz zwischen dem n-Anschluß und dem p-Anschluß unter die Durchlaßspannung der Diode D sinkt. Dadurch wird die Schutzstruktur abgeschaltet und nimmt nur noch einen Strom über den Spannungsteiler Rl und R2 vom Pad 2 auf.
Über die Anzahl der parallelgeschalteten Transistoren ist die Strombelastbarkeit der Schutzschaltung einstellbar. Allerdings muß dabei beachtet werden, daß der Strom IB, der über den Emitter E vom ersten Transistor Tl auf die Basis der parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4, T5 fließt, ausreichend dimensioniert ist, um die parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4, T5 zu steuern. Gegebenenfalls muß der erste Transistor Tl größer dimensioniert werden, um mehr Strom zum Steuern der parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4, T5 liefern zu können. Die Strombelastbarkeit der Schutzstruktur kann auch durch eine höhere Strombelastbarkeit der einzelnen parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4, T5 eingestellt werden, wobei wiederum der zum Aussteuern der Transistoren nötige Basis-strom beachtet werden muß.
Die den parallelgeschalteten Transistoren T2, T3, T4, T5 vorgeschalteten Widerstände R5, R6, R7, R8 sind niederohmig zu dimensionieren und dienen lediglich als Strombegrenzende Vorwiderstände zum Schutz der Transistoren vor zu hohen Strömen.
Über den Spannungsteiler fließt ständig ein Strom IQ, so daß zur Minimierung des Stromverbrauchs der Schutzschaltung der Widerstandswert (Rl + R2) des Spannungsteilers möglichst groß sein sollte.

Claims

Patentansprüche
1. Schutzschaltung auf einer integrierten Schaltung, die eine Spannung an einem Pad (2) einer integrierten Schaltung (1) begrenzt, wobei die Schutzschaltung (3) zwischen das Pad (2) und ein Bezugspotential (VSS) der integrierten Schaltung (1) geschaltet ist und eine Schwellendetektoreinrichtung (4) vorgesehen ist, die mit dem Pad (2) verbunden ist und aus der Spannung am Pad (2) eine Schwellenspannung (US) ableitet, gekennzeichnet durch:
- einen ersten Transistor (Tl), dessen Laststrecke an einem ersten Anschluß (K) mit dem Pad (2) verbunden ist und dessen Steueranschluß (B) die Schwellenspannung (US) zugeführt wird,
- ein zweiter Transistor (T2), dessen Steueranschluß (B) mit einem zweiten Anschluß (E) der Laststrecke des ersten
Transistors (Tl) verbunden ist und dessen Laststrecke zwischen das Pad (2) und das Bezugspotential (VSS) geschaltet ist .
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor (T2) aus einer Vielzahl parallel geschalteter Transistoren (T2, T3, T4, T5) gebildet ist, wobei die Steueranschlüsse (B) der Vielzahl parallel geschalteter Transistoren (T2, T3, T4, T5) mit dem zweiten Anschluß (E) der Laststrecke des ersten Transistors (Tl) verbunden sind und die Laststrecken der Vielzahl parallel geschalteter Transistoren (T2, T3, T4, T5) parallel zwischen das Pad (2) und das Bezugspotential (VSS) geschaltet sind.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellendetektoreinrichtung (4) einen Spannungsteiler
(Rl, R2) aufweist, der zwischen das Pad (2) und das Bezugspotential (VSS) geschaltet ist, wobei an einem Knotenpunkt (5) des Spannungsteilers (Rl, R2) die Schwellenspannung (US) abgreifbar ist.
4. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (Tl, T2, T3, T4, T5) npn-Bipolartransistforen sind.
5. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das Pad (2) und die Laststrecken des ersten Transistors (Tl) und des zweiten Transistors (T2) bzw. der Vielzahl parallel geschalteter Transistoren (T2, T3, T4, T5) jeweils ein Widerstand (R3, R5, R6, R7, R8 ) geschaltet ist.
6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Widerstände (R3, R5, R6, R7, R8) und das Pad (2) eine Diode (D) geschaltet ist, wobei der p-Anschluß der Diode mit dem Pad (2) und der n-Anschluß der Diode mit den Widerständen (R3, R5, R6, R7, R8) verbunden ist.
7. Schutzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zweiten Anschluß (E) der Laststrecke des ersten Transistors (Tl) und dem Bezugspotential (VSS) ein Widerstand (R4) geschaltet ist.
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