WO2002011199A2 - Nachführschaltung - Google Patents

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    • H10W10/30—Isolation regions comprising PN junctions

Definitions

  • the invention relates to a tracking circuit for tracking the voltage potential of an insulation trough, which is provided for isolating an integrated component embedded therein from a substrate.
  • Fig. 1 shows a sectional view through an integrated vertical PNP transistor, which is embedded in an n-doped isolation well.
  • the integrated vertical PNP transistor according to the prior art shown in FIG. 1 can be produced in a BiCMOS process.
  • the current flows perpendicular to the alignment of the substrate body.
  • the current flows from a p + -doped emitter region via an n-doped base region to a p-doped collector region.
  • the p + -doped emitter region is connected to an emitter connection E
  • the n-doped base region is connected to base connections B
  • the p-doped collector region is connected to collector connections C.
  • the n-doped insulation trough is connected to a connection I for controlling the potential of the n-doped insulation trough.
  • the p-doped semiconductor substrate is connected to a substrate connection S.
  • the integrated transistor is surrounded by the n-doped isolation well, which isolates the integrated transistor from the surrounding semiconductor substrate.
  • the two diodes D a and D b each have breakdown voltages which are determined by different parameters, such as doping,
  • the collector-emitter breakdown voltage is typically around 30 volts.
  • the breakdown voltage of the PN junction D a is generally lower than the breakdown voltage of the PN junction D, the maximum supply voltage for an integrated circuit composed of vertical bipolar transistors is limited by the breakdown voltage U Da , which is approximately 18 volts. Due to the limited supply voltage V DD , the output voltage levels of a circuit constructed from such integrated transistors are also restricted to the breakdown voltage of the PN junction. In many applications, however, higher voltage level swings are necessary. For example, a full rate ADSL driver circuit requires a voltage swing of 24 volts.
  • the invention provides a tracking circuit for tracking the voltage potential of an insulation trough for isolating an integrated component, in particular a transistor, embedded in the insulation trough from a substrate.
  • the voltage potential of the insulation trough being tracked as a function of a signal voltage applied to the integrated component in such a way that the voltage difference between the applied signal voltage and the tracked voltage potential is lower than a predetermined one Breakdown voltage between the integrated component and the insulation trough.
  • the insulation trough is preferably embedded in the substrate.
  • the integrated transistor is preferably a bipolar transistor.
  • the integrated bipolar transistor is preferably a vertical bipolar transistor.
  • the vertical bipolar transistor preferably has a first doping region as an emitter connection, a second doping region as a base connection and a third doping region as a collector connection,
  • the second doping region lies between the first and third doping regions and has a doping inverse to the first and second doping regions.
  • the insulation trough preferably encloses the third doping region.
  • the breakdown voltage between the substrate and the insulation well is preferably higher than the breakdown voltage between the third doping region and the insulation well.
  • the tracking circuit preferably has an input to
  • Receipt of the signal voltage applied to the integrated transistor and an output for connection to the insulation well of the integrated transistor.
  • the tracking circuit has a tracking transistor that is complementary to the integrated transistor.
  • the tracking transistor is preferably a bipolar transistor.
  • the tracking transistor has a collector connection which is connected to the output of the tracking circuit, an emitter connection which is connected to the input of the tracking circuit and a base connection which is present at a predetermined reference potential.
  • a first resistor is preferably provided between the emitter connection of the tracking transistor and the input of the tracking circuit.
  • a second resistor is preferably provided between the collector connection of the tracking transistor and a supply voltage connection of the tracking circuit.
  • a diode for increasing the breakdown voltage of the tracking transistor is provided between the first resistor and the emitter connection of the tracking transistor.
  • the integrated transistor is preferably manufactured in a BICMOS manufacturing process.
  • the integrated bipolar transistor is preferably a PNP bipolar transistor.
  • the integrated transistor is an NPN bipolar transistor.
  • the integrated transistor is a MOSFET surrounded by an isolation well.
  • the insulation trough is preferably made up of several layers with different doping strengths.
  • the integrated transistor is preferably a driver transistor of an ADSL driver circuit.
  • the breakdown voltage between the integrated transistor and the isolation well is preferably about 18 volts.
  • the breakdown voltage between the insulation well and the substrate is preferably around 30 volts.
  • the supply voltage that can be applied to the integrated transistor is preferably approximately 24 volts.
  • FIG. 2 shows a circuit for explaining the principle on which the invention is based
  • Figure 3 is a timing diagram showing the allowable voltage range of the insulation tray
  • FIG. 4 shows a driver circuit in which a preferred embodiment of the tracking circuit according to the invention is used;
  • Figure 5 is a timing diagram to explain the operation of the tracking circuit used in Figure 4.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram with a transistor 1 which is driven by the tracking circuit 2 according to the invention.
  • transistor 1 is a PNP bipolar transistor, in particular a vertically constructed PNP bipolar transistor.
  • the transistor 1 has an emitter connection 3, a base connection 4 and a collector connection 5.
  • the transistor 1 has a connection 6 for connecting an insulation trough which isolates the transistor 1 from the substrate.
  • the PN junction between the p-doped collector area and the n-doped insulation well area is indicated by a dashed line as diode D a .
  • the emitter terminal 3 of the transistor 1 is connected to the positive supply voltage V DD .
  • the PNP transistor receives a voltage signal U B (t), which is a signal
  • V c (t) is output at the collector connection 5 and is applied via a line 7 to a signal input 8 of the tracking circuit 2 according to the invention.
  • the tracking circuit 2 j is preferably also connected to the positive supply voltage V DD via a supply voltage connection 9.
  • the tracking circuit 2 also has a connection 10 for connecting the tracking circuit to a reference potential (for example ground GND).
  • the tracking circuit 2 outputs a tracking control signal to the insulation well connection 6 of the bipolar transistor 1 via a signal output 11 and a line 12.
  • the voltage potential of the insulation well is tracked as a function of the signal voltage V c (t) output by the integrated transistor 1 such that the voltage difference between the output signal voltage V c (t) and the tracked voltage potential is lower than the predetermined breakdown voltage U.
  • the n-doped insulation well always has a higher voltage potential than the collector area and that the potential difference between the two areas never exceeds the breakdown voltage Ü ⁇ of, for example, 18 volts.
  • the maximum supply voltage V DD at the PNP bipolar transistor can therefore be increased, so that the bipolar transistor 1 can emit an output signal with a higher voltage level swing.
  • FIG. 3 shows a timing diagram to illustrate the permissible operating voltage range of the n-doped isolation well of the PNP bipolar transistor 1.
  • the tracking circuit 2 ensures that the potential of the isolation well is always in a range between a lower limit V c (t) and an upper limit Limit V c (t) + Ü DA is located.
  • Ü DA is the breakdown voltage between the p-doped collector region of the integrated transistor 1 and the n-doped insulation well and Ü DB is the breakdown voltage of the p-doped semiconductor substrate and the n-doped insulation well.
  • the breakdown voltage U DB in an integrated vertical bipolar transistor produced in a BICMOS manufacturing process is typically approximately 30 volts, while the breakdown voltage U DA is approximately 18 volts.
  • FIG. 4 shows a driver circuit in which the tracking circuit 2 according to the invention is used.
  • the driver scarf device 13 has a voltage / current conversion stage 14, an input stage 15 and an output stage 16 for AB operation.
  • the driver circuit 13 is a current feedback amplifier stage.
  • the driver circuit 13 has a non-inverting input 17 and an inverting input 18. The voltage supply takes place via supply voltage connections 19, 20.
  • the driver circuit 13 also has a low-resistance signal output 21 with which large loads (ie small resistors) can be driven by current.
  • the input stage 15 receives a current signal from the voltage current converter 14 and performs a current mirroring.
  • the input stage 15 has two current mirror circuits 22, 23 which are constructed to be complementary to one another and which carry out a current mirroring in a ratio of 1: 1.
  • the current mirror circuit 22 contains the transistors Tl, T2, T3 and the current mirror circuit 23, which has a complementary structure, contains the transistors Tl, T2,
  • the output stage 16 contains two driver transistors T5, T5 constructed complementarily to one another.
  • Transistors T6, T7 and T6, T7 are connected in cascade form as emitter followers to the collector connections of driver transistors T5, T5.
  • the emitter followers serve to convert the impedance.
  • the diodes Dl, Dl and D2, D2 are used for cross-current setting.
  • transistors T3, T4 and T5 it is necessary to carry the n-doped insulation well in a signal-dependent manner since the variable signal voltage is present at its collector connections.
  • the n-doped insulation well of the other PNP transistors is set to a fixed potential, since the collector connections of these transistors are also connected to fixed voltage potentials or only slightly variable voltage potentials.
  • the n-doped well of the transistor T1 and the transistor T2 are therefore connected to the positive supply voltage V DD .
  • the n-doped isolation wells of the transistors T6 and T7 connected as emitter followers are connected to the ground potential.
  • the n-doped isolation well of the transistor T3 is connected to the anode of the diode Dl, since this is due to the circuitry always two diode threshold voltages higher than the potential of the collector connection of T3.
  • the n-doped isolation well of transistor T4 is connected to the cathode of diode Dl.
  • the tracking circuit 2 is used to track the voltage potential of the n-doped insulation well.
  • the isolation well connection I of the driver transistor T5 is connected via the control line 12 to the output 11 of the tracking circuit 2 according to the invention.
  • the input 8 of the tracking circuit 2 is connected to the signal output 21 of the driver circuit 13 and receives the collector output signal V c (t) of the driver transistor T5 offset by two base emitter voltages Ü BE .
  • the tracking circuit 2 tracks the voltage potential of the insulation well of the driver transistor T5 to the collector output signal V c (t) output by the driver transistor T5.
  • the voltage potential of the insulation trough is adjusted in such a way that the voltage difference between the signal voltage V c (t) emitted by the transistor T5 and the voltage potential applied to the insulation trough connection I is lower than the predetermined breakdown voltage between the integrated transistor T5 and the insulation trough.
  • the tracking circuit 2 contains a tracking transistor 24 which is complementary to the driver transistor 5.
  • the tracking transistor 24 is an NPN bipolar transistor in the example shown in FIG. This is preferably a vertically constructed bipolar transistor, which is manufactured in a BICMOS manufacturing process.
  • the tracking transistor has a base connection 25, an emitter connection 26 and a collector connection 27.
  • the signal input 8 of the tracking circuit 2 is connected via a first resistor 28 and a diode 29 to the emitter terminal 26 of the tracking transistor 24.
  • the base connection 25 of the tracking transistor 24 is connected via a line 30 directly to the connection 10 for applying a reference potential.
  • the reference potential is preferably the ground potential GND, which lies in the middle between the second symmetrical supply voltages + V DD of 12 volts and ⁇ -V ss of -12 volts.
  • the collector connection 27 of the tracking transistor 24 is connected via a line 31 to a second resistor 32, which is connected with a connection to the positive supply voltage + V DD .
  • the line 31 has a branch node 33 which is connected via a line 34 to the output 11 of the tracking circuit 2.
  • FIG. 5 shows a timing diagram to explain the
  • the tracking circuit 2 Operation of the tracking circuit 2 according to the invention, as shown in Figure 4.
  • the switching threshold of the tracking circuit which is two base emitter voltages lower than the reference potential GND, namely the base emitter voltage of the tracking transistor 24 and the diode 29 constructed as a transistor.
  • the output signal V c (t) at the collector of the driver transistor T5 is a Sinusoidal signal limited by the positive supply voltage V DD , whose upper signal wave crests are cut.
  • the signal at the input 8 of the tracking circuit 2 is also two base emitter voltages below the collector output signal of the driver transistor T5.
  • the two base emitter voltages are the base emitter voltages Ü BE of the two transistors T ⁇ , T7.
  • the voltage signal present at input 8 of tracking circuit 2 cuts the switching threshold of tracking circuit 2.
  • the voltage potential at the insulation well connection of driver transistor T5 is connected to positive supply voltage V DD via second resistor 32 and is constant.
  • the voltage potential at the insulation well connection I of the driver transistor T5 is lowered by a voltage ⁇ ü '. The following applies:
  • ⁇ U is the differential voltage between the switching threshold S and the signal voltage at the input terminal 8 of the tracking circuit 2
  • U BET6 is the base emitter voltage of T ⁇
  • ü BE ⁇ 7 is the base emitter voltage of T7
  • U BE is the base emitter voltage of the tracking transistor 24 or the diode 29.
  • FIG. 5 also shows in dashed lines the upper limit which the n-doped isolation well region of the transistor T5 must not exceed.
  • the minimum of the upper limits is given by:
  • the potential at the isolation well connection I of the driver transistor T5 is always below the upper permissible limit.
  • the upper limit of the resistance ratio R 32 : R 2 8 1 ensures that the collector of the tracking transistor 24 does not fall below the base voltage of the tracking transistor 24 at the base terminal 25, since otherwise the tracking transistor 24 would saturate.
  • the tracking circuit 2 can be used for any integrated components which are embedded in insulation troughs and their breakdown voltage of the insulation trough to the substrate.
  • Such components include MOSFET transistors and well resistors.

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Abstract

Nachführschaltung zur Nachführung des Spannungspotentials einer Isolationswanne zur Isolation eines in der Isolationswanne eingebetteten integrierten Transistors (1), wobei das Spannungspotential der Isolationswanne in Abhängigkeit von einer von dem integrierten Transistor (1) abgegebenen Signalspannung derart nachgeführt wird, dass die Spannungsdifferenz zwischen der abgegebenen Signalspannung und dem nachgeführten Spannungspotential niedriger ist als eine vorgegebenen Durchbruchspannung (UDA) zwischen dem integrierten Transistor (1) und der Isolationswanne.

Description

Beschreibung
NachführSchaltung
Die Erfindung betrifft eine Nachführschaltung zur Nachführung des Spannungspotentials einer Isolationswanne, die zur Isolation eines darin eingebetteten integrierten Bauelements von einem Substrat vorgesehen ist.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht durch einen integrierten vertikalen PNP-Transistor, der in einer n-dotierten Isolationswanne eingebettet liegt. Der in Fig. 1 dargestellte integrierte vertikale PNP-Transistor nach dem Stand der Technik ist in einem BiCMOS-Prozess herstellbar. Bei dem vertikal in- tegrierten Bipolartransistor fließt der Strom senkrecht zur Ausrichtung des Substratkörpers. Der Strom fließt von einem p+-dotierten Emitterbereich über einem n-dotierten Basisbereich zu einem p-dotierten Kollektorbereich. Der p+-dotierte Emitterbereich ist an einem Emitteranschluss E angeschlossen, der n-dotierte Basisbereich ist an Basisanschlüsse B angeschlossen und der p-dotierte Kollektorbereich ist an Kollektoranschlüsse C angeschlossen. Die n-dotierte Isolationswanne ist mit einem Anschluss I zur Steuerung des Potentials der n- dotierten Isolationswanne verbunden. Das p-dotierte Halhlei- tersubstrat ist an einen Substratanschluss S angeschlossen.
Der integrierte Transistor wird durch die n-dotierte Isolationswanne umgeben, die den integrierten Transistor von dem umgebenden Halbleitersubstrat isoliert. Zwischen dem p- dotierten Kollektorbereich und der n-dotierten Isolationswan- ne besteht ein PN-Übergang, der eine parasitäre Diode Da bildet. Zwischen dem p-dotierten Halbleitersubstrat und der n- dotierten Isolationswanne besteht ein weiterer PN-Übergang, der als parasitäre Diode Db dargestellt ist. Die beiden Dioden Da und Db weisen jeweils Durchbruchspannungen auf, die durch verschiedene Parameter, wie beispielsweise Dotierung,
Geometrie und Temperatur vorgegeben sind. Die Durchbruchspan- nung der Diode Da beträgt bei einem vertikalen Bipolartran- UJ ω tO t P->
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die Kollektor-Emitterdurchbruchspannung typischerweise bei etwa 30 Volt liegt.
Da die Durchbruchspannung des PN-Übergangs Da in der Regel geringer ist als die Durchbruchspannung des PN-Übergangs D, wird die maximale Versorgungsspannung für eine aus vertikalen Bipolartransistoren aufgebaute integrierte Schaltung durch die Durchbruchspannung UDa begrenzt, die etwa 18 Volt beträgt. Aufgrund der begrenzten Versorgungsspannung VDD sind die Ausgangsspannungspegel einer aus derartigen integrierten Transistoren aufgebauten Schaltung ebenfalls auf die Durchbruchspannung des PN-Übergangs eingeschränkt. Bei vielen Anwendungen sind jedoch höhere Spannungspegelhübe notwendig. Beispielsweise benötigt eine Fullrate-ADSL-Treiberschaltung einen Spannungshub von 24 Volt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die es erlaubt, integrierte Bauelemente, die in einfachen Standardtechnologien hergestellt wer- den, mit einer höheren Versorgungsspannung zu betreiben, damit ein höherer Spannungspegelhub erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Nachführschal- 'tung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen ge- löst.
Die Erfindung schafft eine Nachführschaltung zur Nachführung des Spannungspotentials einer Isolationswanne zur Isolation eines in der Isolationswanne eingebetteten integrierten Bau- elements, insbesondere eines Transistors, von einem Substrat,
wobei das Spannungspotential der Isolationswanne in Abhängigkeit von einer an dem integrierten Bauelement angelegten Signalspannung derart nachgeführt wird, dass die Spannungsdiffe- renz zwischen der angelegten Signalspannung und dem nachgeführten Spannungspotential niedriger ist als eine vorgegebene Durchbruchspannung zwischen dem integrierten Bauelement und der Isolationswanne.
Die Isolationswanne ist vorzugsweise in dem Substrat einge- bettet.
Bei dem integrierten Transistor handelt es sich vorzugsweise um einen Bipolartransistor.
Der integrierte Bipolartransistor ist vorzugsweise ein vertikaler Bipolartransistor.
Der vertikale Bipolartransistor besitzt vorzugsweise einen ersten Dotierungsbereich als Emitteranschluss, einen zweiten Dotierungsbereich als Basisanschluss und einen dritten Dotierungsbereich als Kollektoranschluss,
wobei der zweite Dotierungsbereich zwischen dem ersten und dritten Dotierungsbereich liegt und eine zu dem ersten und zweiten Dotierungsbereich umgekehrte Dotierung aufweist.
Die Isolationswanne umschließt vorzugsweise den dritten Dotierungsbereich.
Die Durchbruchspannung zwischen dem Substrat und der Isolationswanne ist vorzugsweise höher als die Durchbruchspannung zwischen dem dritten Dotierungsbereich und der Isolationswanne.
Die Nachführschaltung weist vorzugsweise einen Eingang zum
Empfang der an dem integrierten Transistor angelegten Signalspannung und einen Ausgang zum Anschluss an die Isolationswanne des integrierten Transistors auf.
Die Nachführschaltung weist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform einen zu dem integrierten Transistor komplementär aufgebauten Nachführtransistor auf. Der Nachführtransistor ist vorzugsweise ein Bipolartransistor.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nachführschaltung besitzt der Nachführtransistor einen Kollektoranschluss, der mit dem Ausgang der Nachführschaltung verbunden ist, einen Emitteranschluss, der mit dem Eingang der Nachführschaltung verbunden ist und einen Basis- anschluss, der an einem vorbestimmten Bezugspotential anliegt.
Vorzugsweise ist ein erster Widerstand zwischen dem Emitteranschluss des Nachführtransistors und dem Eingang der Nach- führschaltung vorgesehen.
Vorzugsweise ist ferner ein zweiter Widerstand zwischen dem Kollektoranschluss des Nachführtransistors und einem Versor- gungsspannungsanschluss der Nachführschaltung vorgesehen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nachführschaltung ist zwischen dem ersten Widerstand und dem Emitteranschluss des Nachführtransistors eine Diode zur Erhöhung der Durchbruchspannung des Nachführtran- sistors vorgesehen.
Der integrierte Transistor wird vorzugsweise in einem BICMOS- Herstellungsprozess hergestellt.
Bei dem integrierten Bipolartransistor handelt es sich vorzugsweise um einen PNP-Bipolartransistor .
Bei einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei dem integrierten Transistor um einen NPN-Bipolartransistor .
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der integrierte Transistor ein von einer Isolationswanne umgebener MOSFET. Die Isolationswanne ist vorzugsweise aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Dotierungsstärken aufgebaut.
Bei dem integrierten Transistor handelt es sich vorzugsweise um einen Treibertransistor einer ADSL-Treiberschaltung.
Die Durchbruchspannung zwischen dem integrierten Transistor und der Isolationswanne liegt vorzugsweise bei etwa 18 Volt.
Die Durchbruchspannung zwischen der Isolationswanne und dem Substrat liegt vorzugsweise bei etwa 30 Volt.
Die an den integrierten Transistor anlegbare Versorgungsspan- nung beträgt vorzugsweise etwa 24 Volt.
Im weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Nachführschaltung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren zur Erläuterung erfindungswesentlicher Merk- male beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 einen vertikal aufgebauten intergrierten pnp- Bipolartransistor nach dem Stand der Technik
Figur 2 eine Schaltung zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips;
Figur 3 ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung des zulässigen Spannungsbereichs der Isolationswanne;
Figur 4 eine Treiberschaltung, bei der eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nachführschal- tung eingesetzt wird; Figur 5 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der in Figur 4 eingesetzten erfindungsgemäßen Nachführschaltung.
Figur 2 stellt ein Schaltkreisdiagramm dar mit einem Transistor 1, der durch die erfindungsgemäße Nachführschaltung 2 angesteuert wird. Bei dem in Figur 2 dargestellten Beispiel handelt es sich bei dem Transistor 1 um einen PNP- Bipolartransistor, insbesondere einen vertikal aufgebauten PNP-Bipolartransistor. Der Transistor 1 hat einen Emitteranschluss 3, einen Basisanschluss 4 und einen Kollektoranschluss 5. Ferner besitzt der Transistor 1 einen Anschluss 6 zum Anschluss einer den Transistor 1 von dem Substrat isolierenden Isolationswanne. Zwischen dem Kollektorbereich und dem Isolations-Wannenanschluss 6 ist gestrichelt der PN-Übergang zwischen dem p-dotierten Kollektorbereich und dem n-dotierten Isolationswannenbereich als Diode Da angedeutet. Der Emitteranschluss 3 des Transistors 1 liegt an der positiven Versorgungsspannung VDD an. An dem Basisanschluss 4 empfängt der PNP-Transistor ein Spannungssignal UB(t), das als Signal
Vc(t) am Kollektoranschluss 5 abgegeben wird und über eine Leitung 7 an einen Signaleingang 8 der erfindungsgemäßen Nachführschaltung 2 angelegt wird. Die Nachführschaltung 2 j ist über einen Versorgungsspannungsanschluss 9 vorzugsweise ebenfalls mit der positiven Versorgungsspannung VDD angeschlossen. Die Nachführschaltung 2 weist ferner einen Anschluss 10 zum Anschluss der Nachführschaltung an einen Bezugspotential (beispielsweise Masse GND) auf. Über einen Signalausgang 11 und eine Leitung 12 gibt die Nachführschaltung 2 ein Nachführsteuersignal an den Isolationswannenanschluss 6 des Bipolartransistors 1 ab. Dabei wird das Spannungspotential der Isolationswanne in Abhängigkeit von der von dem integrierten Transistor 1 abgegebenen Signalspannung Vc(t) derart nachgeführt, dass die Spannungsdifferenz zwischen der abgege- benen Signalspannung Vc(t)und dem nachgeführten Spannungspotential niedriger ist als die vorgegebenen Durchbruchspannung ÜDA zwischen dem Kollektorbereich des integrierten Transis- tors und der Isolationswanne. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei dem PNP,-Bipolartransistor die n-dotierte Isolationswanne stets ein höheres Spannungspotential aufweist als der Kollektorbereich und dass die Potentialdifferenz zwischen den beiden Bereichen niemals die Durchbruchspannung ÜÄ von beispielsweise 18 Volt übersteigt. Die maximale Versorgungsspannung VDD an dem PNP-Bipolartransistor kann daher erhöht werden, so dass der Bipolartransistor 1 ein Ausgangssignal mit einem höheren Spannungspegelhub abgeben kann.
Figur 3 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung des zulässigen Betriebsspannungsbereichs der n-dotierten Isolationswanne des PNP-Bipolartransistors 1. Die erfindungsgemäße Nachführschaltung 2 stellt sicher, dass sich das Potential der Isolationswanne stets in einem Bereich zwischen einer unteren Grenze Vc(t) und einer oberen Grenze Vc(t) + ÜDA befindet.
Vc(t ) + ÜDA > Visolationswanne > Vc(t ) ( 2 )
Ferner uss gelten :
UDB > Vc (t ) + UDA ( 3 )
Dabei ist ÜDA die Durchbruchspannung zwischen dem p-dotierten Kollektorbereich des integrierten Transistors 1 und der n- dotierten Isolationswanne und ÜDB die Durchbruchspannung des p-dotierten Halbleitersubstrats und der n-dotierten Isolationswanne .
Die Durchbruchspannung UDB beträgt bei einem in einem BICMOS- Herstellungsprozess hergestellten integrierten vertikalen Bipolartransistor typischerweise etwa 30 Volt, während die Durchbruchspannung UDA etwa bei 18 Volt liegt .
Figur 4 zeigt eine Treiberschaltung, bei der die erfindungsgemäße Nachführschaltung 2 eingesetzt wird . Die Treiberschal- tung 13 weist eine Spannungs/Stro wandlungsstufe 14, eine Eingangsstufe 15 und eine Ausgangsstufe 16 für den AB-Betrieb auf. Bei der Treiberschaltung 13 handelt es sich um eine stromrückgekoppelte Verstärkerstufe. Die Treiberschaltung 13 ist als ADSL-Treiberschaltung einsetzbar und wird, wie man aus Figur 4 erkennen kann, mit einer Versorgungsspannung von VD = +12 Volt und Vss = -12 Volt versorgt. Die Treiberschaltung 13 weist einen nichtinvertierenden Eingang 17 und einen invertierenden Eingang 18 auf. Die Spannungsversorgung er- folgt über Versorgungsspannungsanschlüsse 19, 20. Die Treiberschaltung 13 weist ferner einen niederohmigen Signalausgang 21 auf, mit dem große Lasten (d.h. kleine Widerstände) stromgetrieben werden können. Die Eingangsstufe 15 erhält von dem Spannungsstromwandler 14 ein Stromsignal und führt eine Stromspiegelung durch. Hierzu weist die Eingangsstufe 15 zwei zueinander komplementär aufgebaute Stromspiegelschaltungen 22, 23 auf, die eine Stromspiegelung in einem Verhältnis 1:1 durchführen. Die Stromspiegelschaltung 22 enthält die Transistoren Tl, T2, T3 und die dazu komplementär aufgebaute Stromspiegelschaltung 23 enthält die Transistoren Tl , T2 ,
T3. Die Ausgangsstufe 16 enthält zwei zueinander komplementär aufgebaute Treibertransistoren T5, T5. An den Kollektoranschlüssen der Treibertransistoren T5, T5 sind jeweils Transistoren T6, T7 bzw. T6, T7 kaskadenförmig als Emitter- folger angeschlossen. Die Emitterfolger dienen der Impedanzwandlung. Die Dioden Dl, Dl bzw. D2 , D2 dienen jeweils der Querstromeinstellung. Bei den Transistoren T3, T4 und T5 ist es notwendig, die n-dotierte Isolationswanne signalabhängig mitzuführen, da an ihren Kollektoranschlüssen die variable Signalspannung anliegt. Die n-dotierte Isolationswanne der übrigen PNP-Transistoren wird auf ein fixes Potential gelegt, da auch die Kollektoranschlüsse dieser Transistoren an festen Spannungspotentialen oder nur gering veränderlichen Spannungspotentialen anliegen. Dabei wird sichergestellt, dass das Potential der n-dotierten Isolationswanne potentialmäßig stets höher ist als das Potential des Kollektoranschlusses. Die n-dotierte Wanne des Transistors Tl und des Transistors T2 werden daher an die positive Versorgungsspannung VDD angeschlossen. Die n-dotierten Isolationswannen der als Emitter- folger verschalteten Transistoren T6 und T7 liegen am Massepotential an. Die n-dotierte Isolationswanne des Transistors T3 ist mit der Anode der Diode Dl verbunden, da diese schaltungsbedingt immer zwei Diodenschwellenspannungen höher liegt als das Potential des Kollektoranschlusses von T3. Die n- dotierte Isolationswanne des Transistors T4 ist mit der Kathode der Diode Dl verbunden.
Bei dem Treibertransistor T5 wird die erfindungsgemäße Nachführschaltung 2 zum Nachführen des Spannungspotentials der n- dotierten Isolationswanne eingesetzt. Hierzu ist der Isolationswannenanschluss I des Treibertransistors T5 über die An- steuerleitung 12 mit dem Ausgang 11 der erfindungsgemäßen Nachführschaltung 2 verbunden. Der Eingang 8 der Nachführschaltung 2 ist an den Signalausgang 21 der Treiberschaltung 13 angeschlossen und empfängt das um zwei Basisemitterspannungen ÜBE versetzte Kollektorausgangssignal Vc(t) des Trei- bertransistors T5.
Die Nachführschaltung 2 führt das Spannungspotential der Isolationswanne des Treibertransistors T5 dem von dem Treiber- ,transistor T5 abgegebenen Kollektorausgangssignal Vc(t) nach. Dabei wird das Spannungspotential der Isolationswanne derart nachgeführt, dass die Spannungsdifferenz zwischen der von dem Transistor T5 abgegebenen Signalspannung Vc(t) und dem nachgeführten am Isolationswannenanschluss I anliegenden Spannungspotential niedriger ist als die vorgegebene Durchbruch- Spannung zwischen dem integrierten Transistor T5 und der Isolationswanne.
Die Nachführschaltung 2 enthält einen zu dem Treibertransistor 5 komplementär aufgebauten Nachführtransistor 24. Der Nachführtransistor 24 ist bei dem in Figur 4 dargestellten Beispiel ein NPN-Bipolartransistor. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen vertikal aufgebauten Bipolartransistor, der in einem BICMOS-Herstellungsprozess hergestellt wird. Der Nachführtransistor weist einen Basisanschluss 25, einen Emitteranschluss 26 und einen Kollektoranschluss 27 auf. Der Signaleingang 8 der Nachführschaltung 2 ist über einen ersten Widerstand 28 und eine Diode 29 an den Emitteranschluss 26 des Nachführtransistors 24 angeschlossen. Der Basisanschluss 25 des Nachführtransistors 24 liegt über eine Leitung 30 direkt an dem Anschluss 10 zum Anlegen eines Bezugspotentials an. Bei dem Bezugspotential handelt es sich vorzugsweise um das Massepotential GND, das in der Mitte zwischen den zweiten symmetrischen Versorgungsspannungen +VDD von 12 Volt und ~-Vss von -12 Volt liegt. Der Kollektoranschluss 27 des Nachführtransistors 24 ist über eine Leitung 31 an einen zweiten Widerstand 32 angeschlossen, der mit einem Anschluss an der po- sitiven Versorgungsspannung +VDD angeschlossen ist. Die Leitung 31 weist einen Verzweigungsknoten 33 auf, der über eine Leitung 34 mit dem Ausgang 11 der Nachführschaltung 2 verbunden ist.
Figur 5 zeigt ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung der
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Nachführschaltung 2, wie sie in Figur 4 dargestellt ist. Man erkennt die positive Versorgungsspannung +VDD und die negative Versorgungsspannung - 'VSs von jeweils 12 Volt sowie das in der Mitte liegende Bezugspotential von 0 Volt. Unterhalb des Bezugspotentials GND liegt die Schaltschwelle der Nachführschaltung, die um zwei Basisemitterspannungen niedriger ist als das Bezugspotential GND, nämlich um die Basisemitterspannung des Nachführtransistors 24 und der als Transistor aufgebauten Diode 29. Das Ausgangssignal Vc(t) am Kollektor des Treibertransistors T5 ist ein durch die positive Versorgungsspannung VDD begrenztes sinusförmiges Signal, dessen obere Signalwellenkuppen gekappt sind. Das Signal am Eingang 8 der Nachführschaltung 2 liegt ebenfalls um zwei Basisemitterspannungen unterhalb des Kollektorausgangssignals des Treibertransistors T5. Bei den beiden Basisemitterspannungen handelt es sich um die Basisemitterspannungen ÜBE der beiden Transistoren Tβ, T7. Zu den Zeitpunkten tl, t2 schneidet das am Eingang 8 der Nachführschaltung 2 anliegende Spannungssignal die Schaltschwelle der Nachführschaltung 2. Bis zum Zeitpunkt tl und ab dem Zeitpunkt t2 liegt das Spannungspotential am Isolationswannenanschluss des Treibertransistors T5 über dem zweiten Widerstand 32 an der positiven Versorgungsspannung VDD an und ist konstant. Zwischen den Zeitpunkten tl, t2 wird das Spannungspotential an dem Isolationswannenanschluss I des Treibertransistors T5 um eine Spannung Δü' abgesenkt. Dabei gilt:
R
ΔU' = ΔU - 32
( :
R 28
AU — V(cγt SET6 UBET7 + 2UBE
wobei ΔU die Differenzspannung zwischen der Schaltschwelle S und der Signalspannung am Eingangsanschluss 8 der Nachführ- Schaltung 2 ist, UBET6 die Basisemitterpannung von Tβ, üBEτ7 die Basisemitterspannung von T7 und UBE die Basisemitterspannung des Nachführtransistors 24 bzw. der Diode 29 ist.
Figur 5 zeigt ferner gestrichelt die obere Grenze, die der n- dotierte Isolationswannenbereich des Transistors T5 nicht ü- berschreiten darf. Das Minimum der oberen Grenzen ist gegeben durch:
Umin =VDD-VSS-UDA-2UBE (5)
Wie man aus Figur 5 erkennen kann, liegt das Potential am I- solationswannenanschluss I des Treibertransistors T5 stets unterhalb der oberen zulässigen Grenze.
Für die Dimensionierung der beiden Widerstände 28, 32 gilt ferner:
min < — - < 1 (6)
ΔU R28 Bei typischen Werten ergibt sich somit:
12V-(-12V)-18V-2-0, 7V _ 4,6 R
= 0,434<-^≤l (7) -(-12V)-2-0,7V " 10,6 R 28
Die obere Grenze des Widerstandsverhältnisses R32:R28 = 1 stellt sicher, dass der Kollektor des Nachführtransistors 24 die Basisspannung des Nachführtransistors 24 am Basisanschluss 25 nicht unterschreitet, da sonst eine Sättigung des Nachführtransistors 24 auftreten würde.
Solange das signalabhängige Kollektorpotential des Treibertransistors T5 das Bezugspotential nicht unterschreitet, wird das Potential der n-dotierten Isolationswanne über den Wider- stand 32 im positiven Versorgungsspannungspotential gehalten. Unterschreitet das Kollektorpotential das Bezugspotential bzw. das Massepotential, öffnet der Nachführtransistor 24. Bei einem Widerstandsverhältnis Rι:R2 = 1 wird die negative Signalhalbwelle am Kollektoranschluss des Treibertransistors T5 potentialmäßig mit dem Betrag der positiven Versorgungsspannung VDD + 2UBE in positive Richtung verschoben. Es ist damit sichergestellt, dass das Potential an der n-dotierten Isolationswanne des Treibertransistors T5 stets kleiner als
12 Volt ist und die Durchbruchspannung, die bei etwa 18 Volt liegt, niemals erreicht wird.
Wie man aus Figur 4 erkennen kann, ist es mit der erfindungsgemäßen Nachführschaltung 2 möglich, eine Treiberschaltung 13 aufzubauen, die mit einer hohen Versorgungsspannung von 24 Volt (VDD, Vss) betrieben wird, wobei herkömmliche Treibertransistoren eingesetzt werden, die ohne die erfindungsgemäße Nachführschaltung 2 bei geringeren Versorgungsspannungen arbeiten müssten. Die in Figur 4 dargestellte Treiberschaltung
13 ermöglicht der hohen Versorgungsspannung (VDD, Vss) ent- sprechende hohe Versorgungsspannungssignalhübe, wobei gleichzeitig die Transistoren mit herkömmlichen Standardherstel- lungsprozessen, beispielsweise mit einem BICMOS- Herstellungsprozess, herstellbar sind. Es ist so insbesondere möglich, ADSL-Treiberschaltungen bzw. Fullrate-ADSL- Linetreiber aufzubauen, die mit einer Versorgungsspannung von 24 Volt betrieben werden.
Die erfindungsgemäße Nachführschaltung 2 ist neben dem Einsatz für Bipolartransistoren beliebige integrierte Bauelemente einsetzbar, die in Isolationswannen eingebettet sind und deren DurchbruchsSpannung des Isolationswanne zum Substrat. Derartige Bauelemente sind unter anderem MOSFET-Transistoren und Wannenwiderstände.
Bezugszeichenliste
1 integrierter Transistor
2 Nachführschaltung 3 Emitteranschluss
4 Basisanschluss
5 Kollektoranschluss
6 Isolationswannenanschluss
7 Leitung 8 Eingang der Nachführschaltung
9 Versorgungsspannungsanschluss 0 Bezugspotentialanschluss 1 Ausgang der Nachführschaltung 2 Nachführleitung 3 Treiberschaltung 4 Versorgungsstromwandler 5 Eingangsstufe 6 Ausgangsstufe 7 invertierender Eingang 8 invertierender Eingang 9 Versorgungsspannungsanschluss 0 Versorgungsspannungsanschluss 1 Signalausgang der Treiberschaltung 2, 23 Stromspiegelschaltungen 4 Nachführtransistor 5 Basisanschluss 6 Emitteranschluss 7 Kollektoranschluss 8 Widerstand 9 Diode 0 Leitung 1 Leitung 2 Widerstand 3 Knoten 4 Leitung

Claims

Patentansprüche
1. Nachführschaltung zur Nachführung des Spannungspotentials einer Isolationswanne zur Isolation eines in der Isolations- wanne eingebetteten integrierten Bauelements (1) ,
wobei das Spannungspotential der Isolationswanne in Abhängigkeit von einer von dem integrierten Bauelements (1) abgegebenen Signalspannung derart nachführbar ist, dass die Span- nungsdifferenz zwischen der abgegebenen Signalspannung und dem nachgeführten Spannungspotential niedriger ist als eine vorgegebenen Durchbruchspannung (UDA) zwischen dem integrierten Bauelement (1) und der Isolationswanne.
2. Nachführschaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Isolationswanne in das Substrat eingebettet ist.
3. Nachführschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Bauelement (1) ein integrierter Transistor, insbesondere ein integrierter Bipolartransistor ist.
4. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der integrierte Bipolartransistor (1) ein integrierter vertikaler Bipolartransistor ist.
5. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der integrierte vertikale Bipolartransistor (1) einen ersten Dotierungsbereich als Emitteranschluss, einen zweiten Dotierungsbereich als Basisanschluss und einen dritten Dotierungsbereich als Kollektoranschluss aufweist, wobei der zweite Dotierungsbereich zwischen dem ersten und dritten Dotierungsbereich liegt und eine zu dem ersten und dem zweiten Dotierungsbereich umgekehrte Dotierung aufweist.
6. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Isolationswanne den dritten Dotierungsbereich umschließt .
7. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Durchbruchspannung (UDB) zwischen dem Substrat und der Isolationswanne höher ist als die Durchbruchspannung (üDA) zwischen dem dritten Dotierungsbereich des integrierten Bipolartransistors (1) und der Isolationswanne.
8. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Nachführschaltung einen Eingang (8) zum Empfang der von dem integrierten Transistor (1) abgegebenen Signalspannung und einen Ausgang (11) zum Anschluss an die Isolationswanne des integrierten Transistors (1) aufweist.
9. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Nachführschaltung (2) einen zu den integrierten Transistor (1) komplementär aufgebauten Nachführtransistor (24) aufweist.
10. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Nachführtransistor (24) ein Bipolartransistor ist.
11. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Nachführtransistor (24) einen Kollektoranschluss (27), der mit dem Ausgang (11) der Nachführschaltung (2) verbunden ist,
einen Emitteranschluss (26), der mit dem Eingang (8) der Nachführschaltung (2) verbunden ist, und einen Basisanschluss (25), der an einem vorbestimmten Bezugspotential (GND) anliegt, besitzt.
12. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein erster Widerstand (28) zwischen dem Emitteranschluss (26) des Nachführtransistors (24) und dem Eingang (8) der Nachführschaltung (2) vorgesehen ist.
13. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein zweiter Widerstand (32) zwischen dem Kollektoranschluss (27) des Nachführtransistors (24) und einem Versorgungsspannungsanschluss (9) der Nachführschaltung (2) vorge- sehen ist.
14. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen dem ersten Widerstand (28) und dem Emitteran- schluss (26) des Nachführtransistors (24) eine Diode (29) zur Erhöhung der Durchbruchspannung des Nachführtransistors (24) vorgesehenen ist.
15. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der integrierte Transistor (1) in einem BICMOS- Herstellungsprozess hergestellt ist.
16. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der integrierte Transistor (1) ein PNP-Bipolartransistor ist.
17. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der integrierte Transistor (1) ein NPN-Bipolartransistor ist.
18. Nachführschaltung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der integrierte Transistor (1) ein MOSFET ist.
19. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Isolationswanne aus mehreren Schichten unterschied- licher Dotierungsstärke besteht.
20. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der integrierte Transistor (1) ein Treibertransistor (T5) einer ADSL-Treiberschaltung (13) ist.
21. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, idass die Durchbruchspannung (UDÄ) zwischen dem integrierten Transistor (1) und der Isolationswanne etwa 18 Volt beträgt.
22. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Durchbruchspannung (UDB) zwischen der Isolationswan- ne und dem Substrat etwa 30 Volt beträgt.
23. Nachführschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Versorgungsspannung (VDD, Vss) etwa 24 Volt beträgt.
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