DE3545039C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsbegrenzungsschaltung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (DE-OS 34 04 317).

Spannungsbegrenzungsschaltungen werden dazu verwendet, die von einer Spannungsquelle an einen Verbraucher gelieferte Spannung auf einen bestimmten Spannungswert zu begrenzen. Die Spannungsbegrenzung kann bei einem unteren Spannungswert oder bei einem oberen Spannungswert einsetzen. Es besteht auch die Möglichkeit, eine Begrenzung sowohl auf einen unteren als auch auf einen oberen Spannungswert vorzunehmen, wozu häufig eine auf einen unteren Spannungswert begrenzende und eine auf einen oberen Spannungswert begrenzende Schaltung kombiniert werden.

Eine ideale Begrenzungsschaltung läßt sich in einfacher Weise durch ihre Zweipolcharakteristik beschreiben. Dabei wird der Eingangsstrom I als Funktion der angelegten Spannung V dargestellt. Der ideale Begrenzungs- Zweipol weist vor dem Begrenzungseinsatz einen unendlichen Innenwiderstand und einen Eingangsstrom 0 auf und ab dem Begrenzungseinsatz einen Innenwiderstand 0 und einen Eingangsstrom, der durch die externe Beschaltung begrenzt wird.

Eine solche Schaltung ist in der Lage, unerwünschte Spannungswerte, welche die Grenzspannung überschreiten, von nachfolgenden Schaltungseinheiten fernzuhalten. Für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen wird eine untere Grenzspannung von V _MIN = 0 gewählt.

Ein Beispiel der Einsatzmöglichkeit für eine solche Begrenzungsschaltung ist der Schutz des Eingangs einer MOS-Schaltung, beispielsweise eines Kraftfahrzeugfunktionen steuernden Mikrorechners, vor einen Grenzwert überschreitenden Störspannungen. Auch wenn solche Störspannungen keine Beschädigung der MOS-Schaltung zur Folge haben, können sie fehlerhafte Steuerfunktionen dieser Schaltung auslösen. Um dies zu verhindern, soll die Begrenzungsschaltung möglichst abrupt und schnell in den Begrenzungszustand übergehen.

In einfacher Weise kann eine Begrenzung durch eine Zenerdiode erreicht werden. Dabei entspricht eine obere Begrenzungsschwelle der Zenerspannung und die untere Begrenzungsschwelle der Flußspannung der Zenerdiode. Man kann für die obere und die untere Begrenzungsschwelle auch die Reihenschaltung zweier Zenerdioden verwenden.

Für viele Anwendungen weicht die Flußspannung und insbesondere die Zenerspannung zu stark von der gewünschten Begrenzungsspannung V _MIN = 0, V _MAX < 0 ab. Außerdem ist häufig der endliche Strom, der die Schaltung vor dem Erreichen der Begrenzungsschwelle durchfließt, nicht akzeptabel. Bei hochohmigen Spannungsquellen führt dieser endliche Strom, der unterhalb der Begrenzungsschwelle durch die Begrenzungsschaltung fließt, dazu, daß die an die Verbraucherschaltung gelangende Spannung von der Nennspannung der Spannungsquelle abweicht, obwohl in diesem Spannungsbereich die Begrenzungsschaltung ohne Einfluß sein sollte.

Eine Verbesserung der Begrenzungscharakteristik kann man mit einer aktiven Begrenzungsschaltung erreichen, bei der parallel zu den beiden Polen der Spannungsquelle die Basis-Emitter-Strecke eines Klemmtransistors geschaltet ist, dessen Kollektor an eine die Begrenzungsschaltung versorgende Speisespannungsquelle angeschlossen ist. Die Begrenzungsschwelle wird durch die Einschaltschwelle des Transistors bestimmt. Durch eine der Basis des Transistors vorgeschaltete Hilfsspannungsquelle kann man die Einschaltschwelle verschieben. Wählt man z. B. eine Hilfsspannung von 0,3 V, erreicht man bei einer Einschaltschwelle des Transistors von 0,6 V eine Begrenzungsschwelle bei -0,3 V. Mit dieser Begrenzungsschwelle ist im allgemeinen sichergestellt, daß z. B. in integrierten Schaltungen, die der Begrenzungsschaltung nachgeschaltet werden, keine Substratdiode an den Eingängen einen unzulässig hohen Strom führt, der die Funktion der integrierten Schaltung stören kann.

Nachteil dieser aktiven Begrenzungsschaltung ist die relativ hohe Temperaturabhängigkeit des Begrenzungseinsatzes und der endliche Strom im nicht-begrenzenden Spannungsbereich. Daneben ist der Innenwiderstand im Begrenzungsbereich deutlich von 0 verschieden. Außerdem weicht die Begrenzungskennlinie stark von dem gewünschten abrupten Verhalten ab.

Aus der DE-OS 34 04 317 ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der die Stromquelle an den Verbindungspunkt zwischen der Diodeneinrichtung der ersten Stromspiegelschaltung und dem Transistor der zweiten Stromspiegelschaltung angeschlossen ist. Im nicht-sperrenden Zustand der Spannungsbegrenzungsschaltung fließt ein Ruhestrom von einigen µA durch die Diodeneinrichtung der ersten Stromspiegeleinschaltung, wodurch an der Basis des Klemmtransistors eine Vorspannung erzeugt wird. Nähert sich die Eingangsspannung einer Bezugsspannung, wird der Klemmtransistor leitend und fließt ein Eingangsstrom durch den Klemmtransistor. Dieser Strom wird in den Transistor der zweiten Stromspiegelschaltung gespiegelt, so daß dessen Kollektorstrom gleich groß ist wie der durch den Klemmtransistor fließende Strom. Dadurch kommt es zu einer Spannungsregelung der Eingangsspannung.

Ein Ruhestrom im Bereich von einigen µA liegt gerade noch unter dem, was Anwender derartiger Spannungsbegrenzungsschaltungen für akzeptabel halten. Besser wäre es allerdings, mit dem Ruhestrom möglichst weit unter dieser Akzeptanzgrenze zu bleiben.

Ausgeschaltete Transistoren folgen einem Einschalt-Steuersignal bekannterweise nur mit einer Verzögerung. Der Grund hierfür ist, daß deren interne Diffusions- und Sperrschichtkapazitäten zunächst mit Ladungsträgern aufgefüllt werden müssen, bevor ein dem Einschaltzustand entsprechender Kollektorstrom fließen kann. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise der Spannungsbegrenzung von Mikroprozessor-Eingängen, ist es erforderlich, daß die Spannungsbegrenzungsschaltung nahezu verzögerungsfrei auf Überspannungen reagiert. Ist dies nicht der Fall, können Überspannungen, auch wenn sie die zu schützende Schaltung, wie einen Mikroprozessor, noch nicht schädigen würden, Störimpulse hervorrufen, die zu fehlerhaften Reaktionen der zu schützenden Schaltung führen. Da die bekannte Spannungsbegrenzungsschaltung mit Transistoren aufgebaut ist, unterliegt sie der geschilderten Gefahr.

In der auf eine ältere Anmeldung zurückgehenden nachveröffentlichten DE-OS 35 31 645 ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung gezeigt, die der aus der DE-OS 34 04 317 bekannten Spannungsbegrenzungsschaltung recht ähnlich ist und sich von dieser dadurch unterscheidet, daß die Stromquelle ihren Strom in den gemeinsamen Basisanschluß der Transistoren der zweiten Stromspiegelschaltung einspeist und daß ein zusätzlicher Begrenzungstransistor vorgesehen ist, der im Spannungsbegrenzungsbetrieb die eigentliche Klemmung übernimmt. Der von der Stromquelle gelieferte Vorstrom soll das dynamische Verhalten der Spannungsbegrenzungsschaltung verbessern und deren Ansprechzeit verringern. Um aber im nicht-begrenzenden Betriebszustand die Strombelastung der zu begrenzenden Spannungsquelle in noch vertretbarem Maß zu halten, wird ein Vorstrom von nur einigen µA verwendet. Dieser Stromwert liegt einerseits nicht weit unter der Grenze, die für viele Anwendungen gerade noch akzeptiert werden kann. Andererseits ist dieser Vorstrom aber so klein, daß das dynamische Verhalten und die Ansprechgeschwindigkeit der Schaltung für viele Anwendungen, beispielsweise beim Spannungsschutz schneller Mikroprozessoren, noch nicht zufriedenstellen. Im Fall der vorangemeldeten Spannungsbegrenzungsschaltung wird die Maßnahme ergriffen, den Eingangstransistor der Spannungsbegrenzungsschaltung und damit wohl sämtliche Transistoren der beiden Stromspiegelschaltungen klein zu machen, so daß der kleine Vorstrom von einigen µA noch eine gewisse Wirkung bezüglich der Dynamisierungsverbesserung haben kann, und die Stromspiegelschaltungen mit einem stärker dimensionierten Begrenzungstransistor zu überbrücken, der erst im Begrenzungsfall Strom zieht und zwar aufgrund seiner Dimensionierung einen für die Begrenzungszwecke ausreichend großen Strom.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsbegrenzungsschaltung der eingangs angegebenen Art verfügbar zu machen, die einerseits im nicht-begrenzenden Betrieb einen möglichst niedrigen Eingangsstrom aufweist und andererseits einen möglichst wenig verzögerten, scharfkantigen Begrenzungseinsatz ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 1 angegeben und kann den Unteransprüchen gemäß vorteilhaft weitergebildet werden.

Infolge der Verwendung zweier in Ringschaltung miteinander verbundener Stromspiegelschaltungen kommt es bei einem bestimmten Spannungswert der Spannungsquelle, der von der Hilfsspannung beeinflußt wird, zu einer Mitkopplung in der Ringschaltung, die zu einem zunehmenden Strom in dem an der Ringschaltung beteiligten Klemmtransistor führt. Dies führt zu einem schlagartig einsetzenden hohen Eingangsstrom der Begrenzungsschaltung und somit zu einem scharfkantigen Begrenzungseinsatz und einem sehr niedrigen Innenwiderstand der Begrenzungsschaltung im Begrenzungsbetrieb.

Zwei in Ringschaltung zusammenverbundene Stromspiegel sind an sich bereits aus der DE-OS 27 30 314 bekannt, dort jedoch für einen gänzlich anderen Zweck, nämlich für eine Temperaturfühleinrichtung. Für diesen Zweck weisen die Transistoren der einen Stromspiegelschaltung unterschiedliche Emitterflächen auf und sind deren Emitter über einen Widerstand miteinander verbunden. Daher ergibt sich über dem Widerstand eine Differenzspannung, die direkt proportional zur absoluten Temperatur ist, so daß auch der Ausgangssstrom der absoluten Temperatur proportional ist.

Mit Hilfe der ersten Stromquelle wird in die Ringschaltung ein Vorstrom eingespeist, mit dem die Halbleiterübergänge sowie internen Diffusions- und Sperrschichtkapazitäten der Stromspiegelelemente der Ringschaltung mit Ausnahme des Klemmtransistors vor dem Einsetzen der Mitkopplung, also bereits im nicht-begrenzenden Betrieb der Begrenzungsschaltung, unter Strom gesetzt bzw. aufgeladen werden, derart, daß die Begrenzungsschaltung beim Erreichen der Grenzspannung zu einem schnellen Begrenzungseinsatz in der Lage ist. Ein vorübergehendes Überschreiten der Grenzspannung, wie es ohne einen derartigen Vorstrom aufträte, weil beim Stromeinsatz erst die Halbleiterübergänge ausreichend unter Strom gesetzt und die Diffusions- und Sperrschichtkapazitäten genügend aufgeladen werden müßten, ist somit vermieden oder mindestens zeitlich stark reduziert.

Mittels der Hilfsspannungsquelle wird der Vorstrom von den Eingangsanschlüssen der Spannungsbegrenzungsschaltung ferngehalten, so daß die zu begrenzende Spannungsquelle im nichtbegrenzenden Betrieb nicht mit dem Vorstrom belastet wird und man praktisch zu einer idealen Kennlinie im nicht-begrenzenden Zustand kommt. Da der Vorstrom von den Eingangsklemmen und damit von der zu begrenzenden Spannungsquelle abgehalten wird, kann man ihn recht groß machen, so daß man eine sehr wirksame Dynamisierungsverbesserung erzielen kann.

In besonders bevorzugter Weise sind die Transistoren der zweiten Stromspiegelschaltung von einem Leitfähigkeitstyp, der komplementär zum Leitfähigkeitstyp der Transistoren der ersten Stromspiegelschaltung ist.

Wenn die erfindungsgemäße Begrenzungsschaltung monolithisch integriert werden soll, wirft die Realisierung der Hilfsspannungsquelle Probleme auf. Eine externe Hilfsspannungsquelle würde das Herausführen der mit den beiden Polen der Hilfsspannungsquelle zu verbindenen Schaltungspunkte auf zwei zusätzliche Anschlußstifte erfordern, was im allgemeinen wenig erwünscht ist.

Bei einer für monolithische Integration besonders geeigneten und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Hilfsspannung mit Hilfe ungleicher Spannungsabfälle an verschiedenen Dioden, die mit unterschiedlichen Stromdichten betrieben werden, erzeugt. Zu diesem Zweck werden die unterschiedlichen Dioden mit verschiedenen Strömen beaufschlagt und/oder mit unterschiedlichen aktiven Halbleiterflächen gebildet. Der Spannungsabfall an einer Diode ist um so größer, je größer ihre Stromdichte ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit einer diese Erscheinung ausnutzenden Hilfsspannungsquelle ist der Steuerelektrode des Klemmtransistors eine Diodeneinrichtung, vorzugsweise in Form einer ersten Diode, vorgeschaltet und ist außerdem eine Diodenreihenschaltung vorgesehen, die zwischen den nicht mit dem Klemmtransistor verbundenen Anschluß der ersten Diode und den nicht an den Klemmtransistor angeschlossenen Pol der Spannungsquelle geschaltet ist und eine zweite und eine dritte Diode aufweist, wobei der Spannungsabfall an der ersten Diode verschieden ist von dem Spannungsabfall an der Diodenreihenschaltung, und zwar derart, daß zwischen den Spannungsabfällen über der ersten Diode und über der Diodenreihenschaltung eine Spannungsdifferenz entsteht, so daß der Strom durch den Klemmtransistor, hervorgerufen durch die für den Klemmtransistor verbleibende Basis-Emitter-Spannung, bis zum Begrenzungseinsatz wesentlich kleiner ist als der Vorstrom, mit dem die restlichen Stromspiegelelemente auf rasches Einschalten vorbereitet werden. Dies kann man dadurch erreichen, daß man unterschiedliche Diodentypen verwendet, oder bevorzugtermaßen dadurch, daß man die erste Diode mit einer anderen Stromdichte betreibt als die Dioden der Diodenreihenschaltung.

Wenn die Spannungsbegrenzungsschaltung eine Begrenzung bei einem Spannungsminimum bewirken soll, das etwas unter 0 V liegt, wird die erste Diode mit einer größeren Stromdichte betrieben als die Dioden der Diodenreihenschaltung.

Durch geeignete Stromdichten (eine hohe Stromdichte in der ersten Diode und eine kleine Stromdichte in den Dioden der Diodenreihenschaltung) ergibt sich vor dem Begrenzungseinsatz eine reduzierte Basis-Emitter-Spannung des Klemmtransistors. Dies führt zu dem erwünschten minimalen Strom im Klemmtransistor und somit zu einem minimalen Eingangsstrom der Begrenzungsschaltung, obwohl die restlichen Elemente der Begrenzungsschaltung von genügend Strom durchflossen werden, um für einen schnellen Begrenzungseinsatz vorbereitet zu sein.

In bevorzugter Weise wird die unterschiedliche Stromdichte sowohl durch unterschiedliche starke Strombeaufschlagung als auch durch unterschiedliche aktive Halbleiterflächen bewirkt.

Zu dem Zweck, die erste Diode mit einem höheren Strom zu betreiben als die Diodenreihenschaltung, ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform zwischen den mit dem Klemmtransistor verbunden Anschluß der ersten Diode und den nicht an den Klemmtransistor angeschlossenen Pol der Spannungsquelle eine zweite Stromquelle geschaltet, die einen bestimmten Bruchteil des Stromes der ersten Stromquelle liefert. In bevorzugter Weise wird diese zweite Stromquelle mit Hilfe einer dritten Stromspiegelschaltung realisiert, deren einer Stromzweig an die erste Stromquelle angeschlossen und deren anderer Stromzweig zwischen die erste Diode und den nicht an den Klemmtransistor angeschlossenen Pol der Spannungsquelle geschaltet ist. Durch unterschiedlich große aktive Halbleiterflächen der beiden Stromspiegelelemente erreicht man, daß die erste Diode mit einem kleineren Strom beaufschlagt wird, als ihn die erste Stromquelle liefert.

Man kann den einen Stromzweig der dritten Stromspiegelschaltung auch über die Hauptstromstrecke eines weiteren Transistors an die Versorgungsspannungsquelle anschließen, wobei die Basis dieses weiteren Transistors sowohl an die Basisverbindung der zweiten Stromspiegelschaltung als auch an die erste Stromquelle angeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsschaltung wird bevorzugtermaßen mit Bipolartransistor realisiert. Wird eine Spannungsbegrenzung bei einem unteren Spannungswert benötigt, wird die erste Stromspiegelschaltung mit NPN-Transistoren und die zweite Stromspiegelschaltung mit PNP-Transistoren aufgebaut. Beim Erfordernis einer Spannungsbegrenzung bei einem oberen Spannungswert werden je Transistoren entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps verwendet. Für eine Spannungsbegrenzungsschaltung, die eine Begrenzung sowohl bei einem unteren als auch bei einem oberen Spannungswert durchführen soll, werden zwei erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsschaltungen mit Transistoren entgegengesetzten Typs kombiniert.

Mit der Erfindung wird eine Spannungsbegrenzungsschaltung verfügbar gemacht, die eine scharfkantige Begrenzungskennlinie und eine kurze Ansprechzeit aufweist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht mit zwei Stromspiegelschaltungen, die in Ringschaltung miteinander verbunden sind, wobei ein Klemmtransistor gleichzeitig Transistor einer dieser Stromspiegelschaltungen ist. Mit einer Stromquelle wird ein Vorstrom in die restlichen Elemente der beiden Stromspiegelschaltungen geliefert, der der Halbleiterübergänge dieser Stromspiegelelemente bereits vor dem Begrenzungseinsatz unter Strom setzt und deren Diffusions- und Sperrschichtkapazitäten auflädt. Die Folge davon ist ein rascher Begrenzungseingriff beim Erreichen der Grenzspannungen. Mit einer Vorspannungsquelle zwischen den beiden Stromspiegelelementen der den Klemmtransistor aufweisenden Stromspiegelschaltung erreicht man, daß der von der Spannungsbegrenzungsschaltung im nicht-begrenzenden Spannungsbereich von der zu begrenzenden Spannungsquelle aufgenommene Eingangsstrom sehr viel kleiner als der in die Ringschaltung eingespeiste Vorstrom bleibt.

Anstatt mit unterschiedlicher Stromdichteverteilung in den die Hilfsspannungsquelle bildenden Dioden kann der Spannungsunterschied an diesen Dioden auch durch verschiedenartige Diodentypen realisiert werden. Hierfür kann man beispielsweise für eine oder beide Dioden der Diodenreihenschaltung Schottky-Dioden verwenden.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild mit einem Begrenzungs-Zweipol;

Fig. 2 die ideale Kennlinie einer sowohl auf einen unteren als auch auf einen oberen Spannungswert begrenzenden Spannungsbegrenzungsschaltung;

Fig. 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung;

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung; und

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung.

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung.

Die Prinzipdarstellung in Fig. 1 zeigt eine Spannungsbegrenzungsschaltung BG in Form eines Zweipols, die an den Schaltungspunkten A, B in Parallelschaltung zwischen den Ausgang C, D einer Spannungsquelle Q und den Eingang E, F einer Verbraucherschaltung X geschaltet ist. Die Spannungsquelle Q gibt die Spannung V ab und die Verbraucherschaltung X erhält die Spannung V _B.

Zwischen den Ausgang C und den Schaltungspunkt A wird ein Begrenzungswiderstand R _G geschaltet, der im Begrenzungsfall dafür sorgt, daß der Strom durch die Spannungsbegrenzungsschaltung BG nicht zu groß wird. Bei ausreichend großem Innenwiderstand der Spannungsquelle Q kann der Begrenzungswiderstand R _G entfallen.

Fig. 2 zeigt eine ideale Kennlinie des Begrenzungszweipols BG. In einem Sperrbereich SP weist der Begrenzungszweipol BG im Idealfall einen unendlichen Widerstand auf und bleibt daher ohne Einfluß. Die Eingangsspannung VB der Verbraucherschaltung X ist dann gleich der Ausgangsspannung V der Spannungsquelle Q.

In Fig. 2 wird davon ausgegangen, daß der Begrenzungszweipol BG eine untere Begrenzungsschwelle V _MIN und eine obere Begrenzungsschwelle V _MAX aufweist. Beim Erreichen einer dieser beiden Begrenzungsschwellen kommt es im Idealfall zu einem schlagartigen Übergang des Innenwiderstandes des Begrenzungszweipols BG von unendlich zu 0. Beim Übergang in den unteren Begrenzungsbereich B- bzw. den oberen Begrenzungsbereich B + kommt es im Idealfall zu einem unendlichen Strom durch den Begrenzungszweipol BG. Im Realfall wird dieser Strom allerdings durch den Innenwiderstand der Spannungsquelle Q oder durch den Begrenzungswiderstand R _G begrenzt. Die Eingangsspannung VB der Verbraucherschaltung X wird daher auf die Minimalspannung V _MIN bzw. die Maximalspannung V _MAX begrenzt.

Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Spannungsbegrenzungsschaltung kommen der idealen Begrenzungskennlinie gemäß Fig. 2 erfreulicherweise nahe.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Erfindung weist eine erste Stromspiegelschaltung mit einem Klemmtransistor T₁ und einem als Diode geschalteten Transistor T₂ auf, deren Basisanschlüsse über eine Hilfsspannungsquelle H miteinander verbunden sind. Die Emitter der Transistoren T₁ und T₂ sind mit den Schaltungspunkten A bzw. B verbunden.

Diese Spannungsbegrenzungsschaltung weist eine zweite Stromspiegelschaltung mit einem als Diode geschalteten Transistor T₃ und einem Transistor T₄ auf. Die Emitter der Transistoren T₃ und T₄ sind miteinander und mit einer Versorgungsspanungsquelle V _CC verbunden. Die Kollektoren der Transistoren T₃ und T₄ sind mit den Kollektoren der Transistoren T₁ bzw. T₂ verbunden. Die miteinander verbundenen Basisanschlüsse der Transistoren T₃ und T₄ sind über eine erste Stromquelle S₁ an den Schaltungspunkt B angeschlossen.

Die Transistoren T₃ und T₄ der zweiten Stromspiegelschaltung weisen einen Leitfähigkeitstyp auf, der komplementär zum Leitfähigkeitstyp der Transistoren T₁ und T₂ der ersten Stromspiegelschaltung ist.

Bei der nachfolgenden Erläuterung der Funktionsweise dieser Spannungsbegrenzungsschaltung wird zunächst einmal der Fall betrachtet, daß die Hilfsspannung V₀ der Hilfsspannungsquelle H und der Strom I₀ der Stromquelle S₁ je 0 sind. D. h., es wird zunächst so getan, als ob die Stromquelle S₁ nicht vorhanden ist und die Basisanschlüsse der Transistoren T₁ und T₂ direkt miteinander verbunden sind.

Unter diesen Betriebsbedingungen gilt

V _{BE 1} = V _{BE 2} - V (I₀ = 0, V₀ = 0) (1)

Unter den genannten Bedingungen ist die Spannungsbegrenzungsschaltung für V < 0 stromlos, d. h., I = 0.

Die beiden Stromspiegelschaltungen mit den Transistoren T₁, T₂ bzw. T₃, T₄ sind in einer Ringschaltung miteinander verbunden. Die Übertragungsverhältnisse der beiden Stromspiegelschaltungen gehen aus ihren Emitterflächenverhältnissen hervor. Das Übertragungsverhältnis der oberen Stromspiegelschaltung T₃, T₄ ist:

Das Übertragungsverhältnis der unteren Stromspiegelschaltung mit den Transistoren T ₁ und T ₂ ist:

Hierbei sind A _{E, T 1} bis A _{E, T 4} die Emitterflächen der Transistoren T ₁ bis T ₄.

Dabei ist die Stromverstärkung B der Transistoren stets als sehr groß angenommen.

Unter der Voraussetzung V = 0 und I o = 0 bildet die Schaltung für a = 1 und b = 1 einen geschlossenen Ring mit der Ringverstärkung

V _R = a · b = 1. (4)

Damit ist bei idealer Realisierung die Stabilitätsbedingung verletzt und der Eingangsstrom I der Spannungsbegrenzungsschaltung kann beliebige Werte annehmen, so daß der Eingangswiderstand R _I = V/I zu 0 wird. Bei einer realen Schaltung erfolgt eine Begrenzung des Stromes aufgrund parasitärer Serienwiderstände.

Durch eine Veränderung der Emitterflächenverhältnisse läßt sich eine Ringverstärkung a · b <1 einstellen, womit die Schaltung bei V = 0 stabil und stromlos wird. Die kritische Mitkopplung, bei der es zu einem schlagartigen Anstieg des Eingangsstroms I kommt, setzt dann erst bei der negativen Eingangsspannung

V = V _K = -V _T 1n(a · b) (V _T: Temperaturspannung) (5)

ein.

Einer Realisierung der Spannungsbegrenzungsschaltung ohne die Stromquelle S₁ steht allerdings deren dynamisches Verhalten entgegen. Da bis zum Mitkopplungspunkt alle Halbleiterübergänge stromlos sind, sind alle internen Diffusions- und Sperrschichtkapazitäten entladen. Diese werden erst mit dem Begrenzungseinsatz aufgeladen, was zu einem verzögerten Begrenzungseingriff der Schaltung führt. Bei schnellen Spannungsübergängen vom Sperrbereich SP in den Begrenzungsbereich B- oder B+ tritt daher ein kurzzeitiges Überschreiten der Spannungsgrenzwerte auf. Diese kurzzeitigen Überspannungen können in der nachfolgenden Verbraucherschaltung X, beispielsweise einem in MOS-Technik aufgebauten Mikroprozessor, zu Fehlersignalen führen und damit zu einer Fehlsteuerung der vom Mikroprozessor gesteuerten Vorrichtung, beispielsweise einer Kraftfahrzeugelektronik.

Zur Verbesserung dieses dynamischen Verhaltens ist die Stromquelle S₁ vorgesehen. Sie bewirkt einen Vorstrom in den Transistoren T₂, T₃ und T₄, aufgrund dessen die Halbleiterübergänge dieser Transistoren unter Strom gesetzt und deren interne Diffusions- und Sperrschichtkapazitäten aufgeladen werden. Beim Erreichen der Grenzspannung erfolgt daher der Begrenzungseingriff der Schaltung ohne die zuvor bemängelte Verzögerung.

Ohne weitere Maßnahmen tritt bei dieser Lösung der Nachteil auf, daß sich für V = 0 ein Eingangsstrom einstellt:

Dieser Eingangsstrom soll bei V = 0 möglichst klein sein, beispielsweise <1 µA, um im Sperrbereich SP der Spannungsbegrenzungsschaltung möglichst dicht an den Idealzustand eines Eingangsstroms 0 bzw. Innenwiderstandes unendlich heranzukommen.

Wie man der Beziehung (6) entnehmen kann, ist der geforderte verschwindende Eingangsstrom I bei V = 0 entweder durch einen kleinen Strom I o der Stromquelle S₁ oder aber durch ein kleines Produkt a · b erzielbar.

Die Lösung mit einem kleinen I o widerspricht aber der zuvor gestellten Forderung nach einem ausreichenden Vorstrom für eine kurze Ansprechzeit der Spannungsbegrenzungsschaltung. Außerdem ergeben sich schaltungstechnische Schwierigkeiten bei der Realisierung von Stromquellen mit Ausgangsströmen im Bereich von <1 µA.

Die Lösung mit einem kleinen Produkt a · b ist bei integrierten Schaltungen ebenfalls nicht sinnvoll realisierbar, da dies nur über extrem unterschiedliche Flächenverhältnisse der Stromspiegeltransistoren zu verwirklichen ist. Technologische Gründe bedingen für den Stromspiegeltransistor mit der kleineren Emitterfläche eine Mindestfläche, so daß sich bei extremen Flächenverhältnissen für den Stromspiegeltransistor mit der größeren Emitterfläche ein sehr hoher Flächenbedarf ergibt.

Dieses Problem ist bei der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung durch die Verwendung der Hilfsspannungsquelle H überwunden. Mit der Hilfsspannung Vo der Hilfsspannungsquelle H wird der Eingangs- bzw. Klemmtransistor T₁ gegenüber dem als Diode geschalteten Transistor T₂ negativ vorgespannt. Aufgrund der Hilfsspannung V o tritt der zuvor in Gleichung (6) für V = 0 berechnete Eingangsstrom erst bei -Vo auf:

Bei V = 0 gilt aber in diesem Fall:

Dabei ist V _T die Temperaturspannung V _T = k · T/e; sie beträgt etwa 26 mV bei Raumtemperatur.

Die kritische Mitkopplung der die beiden Stromspiegelschaltungen aufweisenden Ringschaltung setzt jetzt erst bei stärkerer negativer Eingangsspannung ein:

V = V _K = - (V _T 1n(a · b)+Vo) (9)

Da die Hilfsspannung Vo in Gleichung (8) exponentiell wirksam ist, kann sie diejenige Funktion zur Verringerung des Eingangsstroms übernehmen, die in Gleichung (6) mit einem kleinen Produkt a · b erreicht werden sollte. Daher kann die Transistorgeometrie in praktisch vertretbaren Größenverhältnissen bleiben und Io trotzdem einen für schnelles Ansprechen ausreichenden Wert beibehalten.

Durch die Kombination der Ringsschaltung mit den zwei Stromspiegelschaltungen, der Hilfsspannungsquelle und der Stromquelle erreicht man also einen recht scharfkantigen und schnellen Begrenzungseinsatz, wobei die Hilfsspannungsquelle noch die Möglichkeit einer einfachen Festlegung der gewünschten Begrenzungsschwelle mit sich bringt.

Für monolithisch integrierte Verwirklichungen der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung ist die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform zu bevorzugen, bei welcher die Hilfsspannung durch ungleiche Spannungsabfälle an Dioden, die mit unterschiedlichen Stromdichten betrieben werden, erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform sind der Klemmtransistor T₁, die obere Stromspiegelschaltung T₃, T₄ und die erste Stromquelle S₁ genauso wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 vorgesehen und mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der als Diode geschaltete Transistor T₂ und die Hilfsspannungsquelle H der Ausführungsform nach Fig. 3 sind in der Ausführungsform nach Fig. 4 durch ein Schaltungsnetzwerk mit drei Dioden D₁ bis D₃ und eine zweite Stromquelle S₂ ersetzt. Die erste Diode D₁ ist zwischen die Basis des Klemmtransistors T₁ und einen mit dem Kollektor von T₄ verbundenen Schaltungsknoten N geschaltet. Die zweite Diode D₂ und die dritte Diode D₃ befinden sich in einer Reihenschaltung, die zwischen dem Schaltungsknoten N und dem Schaltungspunkt B angeordnet ist. Die zweite Stromquelle S₂ ist zwischen die Basis des Klemmtransistors T₁ und den Schaltungspunkt B geschaltet.

Ausgenutzt wird bei dieser Ausführungsform die Erscheinung, daß von zwei Dioden, die mit unterschiedlicher Stromdichte betrieben werden, diejenige mit der höheren Stromdichte einen größeren Spannungsabfall aufweist. Die Stromdichte kann man durch die Diodenfläche und/oder durch den durch die Dioden geschickten Strom beeinflussen.

Bekanntlich gilt nämlich für die Differenzspannung zweier Dioden

Dabei sind I _D1 und I _D2 die Diodenströme und A _D1 und A _D2 die Diodenflächen der Dioden D₁ bzw. D₂. Bei Raumtemperatur erhält man etwa 60 mV Differenzspannung bei einem Stromdichtenverhältnis von 10 : 1.

Betrachtet man die Begrenzungsschaltung in Fig. 4 wieder für die Eingangsbedingung V = 0, so liegen je die gleichen Spannungsabfälle einerseits an der Reihenschaltung aus der Diode D₁ und der Basis-Emitter-Strecke von T₁ und andererseits an der Reihenschaltung mit den Dioden D₂ und D₃. Sorgt man nun dafür, daß die Basis-Emitter-Diode von T₁ eine deutlich kleinere Stromdichte aufweist als die Dioden D₁ bis D₃, so läßt sich aufgrund der resultierenden Differenzspannung, die als Hilfsspannung Vo fungiert, der Strom I(V = 0) gemäß Gleichung (8) reduzieren, ohne daß die übrigen Eigenschaften verschlechtert werden. Hierzu muß der Spannungsabfall an den Dioden D₂ und D₃ klein und an der Diode D₁ groß gemacht werden.

Setzt man für die folgenden Überlegungen das Flächenverhältnis a gemäß Gleichung (2) zugrunde, so beträgt der Kollektorstrom des Transistors T₄:

IC _T4 = (I + Io) · a . (11)

Dieser Strom fließt in den Schaltungsknoten N und teilt sich hier in die Stromteile I _D1 und I _D2 auf. Der Stromanteil I _D1 ist aber durch den Strom cIo der zweiten Stromquelle S₂ vorgegeben, so daß sich ein durch die Dioden D₂ und D₃ fließender Strom

I _D2,3 = IC _T4 - cIo (12)

ergibt.

Am Transistor T₁ erhält man für V = 0 die folgende Beziehung mit der Basis-Emitter-Spannung:

V _{BE, T1} + V _D1 - V _D2 - V _D3 = 0 . (13)

Hieraus folgt:

Wie zuvor angegeben besteht eine Aufgabe der Hilfsspannungsquelle H darin, bei einer Eingangsspannung V = 0 den Eingangsstrom I möglichst klein werden zu lassen gegenüber dem Vorstrom Io. Daher ist es zulässig, I gegenüber Io zu vernachlässigen, so daß sich ergibt:

Die Bedingung a<c ist eine technische Voraussetzung, um einen endlichen Strom in Durchlaßrichtung über die Dioden fließen zu lassen.

Mit folgendem Beispiel soll die Wirksamkeit der bei dieser Ausführungsform eingesetzten Schaltungsmaßnahmen veranschaulicht werden. Mit

a = 1
c = 0,8
A _T1 = 1
A _D1 = 1
A _D2 = 5
A _D3 = 5

erhält man

I(V = 0)≅Io · 0,002 .

Im Vergleich dazu müßte man für ein gleiches Stromverhältnis von I/Io dann, wenn man die Hilfsspannungsquelle H in Fig. 3 oder die mit dem Diodennetzwerk D₁ bis D₃ in Fig. 4 gebildete Hilfsspannung nicht verwendet, mit a = 1 für die Transistoren T₁ und T₂ ein Flächenverhältnis von

realisieren, was nicht praktikabel ist und darüberhinaus das dynamische Verhalten der Begrenzungsschaltung erheblich verschlechtern würde. Bei Emitterflächen derartiger Größe treten nämlich auch riesige Kapazitäten auf.

Für die Ansteuerung der Brückenschaltung D₁, T₁, D₂, D₃ stehen verschiedene Möglichkeiten offen. Prinzipiell muß gewährleistet sein, daß die Dioden D₂ und D₃ mit kleiner Stromdichte betrieben werden, um über diesen Dioden einen niedrigen Spannungsabfall zu erzeugen. Dies kann man dadurch erreichen, daß man großflächige Dioden D₂ und D₃ verwendet und diese mit kleinem Strom beaufschlagt. Dagegen sollen der Transistor T₁ und die Diode D₁ kleine Flächen aufweisen und soll die Diode D₁ mit einem Strom betrieben werden, der gegenüber dem durch D₂ und D₃ fließenden Strom erhöht ist, um einen vergleichsweise großen Spannungsabfall an D₁ zu erzielen. Die daraus resultierende Basis-Emitter-Spannung von T₁ wird dann klein, was zu einer Reduzierung des Eingangsstroms I führt.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung angegeben, bei welcher die zweite Stromquelle S₂ durch eine dritte Stromspiegelschaltung mit einem zwischen die erste Diode D₁ und den Schaltungspunkt B gefügten Transistor T₅ und einem als Diode betriebenen, zwischen die erste Stromquelle S₁ und den Schaltungspunkt B geschalteten Transistor T₆ realisiert wird. Ansonsten stimmt die Schaltung nach Fig. 5 mit der in Fig. 4 gezeigten Schaltung überein.

Das Verhältnis der Emitterflächen der Transistoren T₅ und T₆ wird gleich c gemacht:

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung angegeben, die eine Abwandlung der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform hinsichtlich der Verschaltung von dritter Stromspiegelschaltung und erster Stromquelle S₁ darstellt. Dabei ist die Stromquelle S₁ nicht in Reihe zu dem Kollektor des Stromspiegeltransistors T₆ geschaltet, sondern der Kollektor von T₆ ist über die Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren Transistors T₇ an die Versorgungsspannung Vcc angeschlossen. Die Basis von T₇ ist einerseits an die Basisanschlüsse der Transistoren T₃ und T₄ der zweiten Stromspiegelschaltung und andererseits an die erste Stromquelle S₁ angeschlossen. Ansonsten stimmt die Schaltung nach Fig. 6 mit der in Fig. 5 gezeigten Schaltung überein.

Wie bereits angegeben, läßt sich eine entsprechende Schaltung zur Begrenzung positiver Eingangsspannungen auf V = V _MAX dadurch realisieren, daß alle NPN-Transistoren durch PNP-Transistoren ersetzt werden, und umgekehrt. Die Versorgungsspannung V _cc dient dann als Referenzpotential. Benötigt man eine Begrenzungsschaltung, die sowohl bei einer negativen Eingangsspannung V _MIN als auch bei einer positiven Eingangsspannung V _MAX begrenzt, kann man zwei erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsschaltungen mit entgegengesetzten Transistor-Typen kombinieren.

Verwendet man bei der Integration der Spannungsbegrenzungsschaltung Standard-NPN-Transistoren mit einer Transitfrequenz von etwa 300 MHz und ersetzt man die langsam lateralen PNP-Transistoren durch vertikale PNP-Transistoren (mit isoliertem Kollektor), lassen sich Ansprechzeiten der Schaltung von weniger als 10 ns erreichen.

Bei Anwendung geeigneter Technologien können die Dioden D₂ und D₃ als Schottky-Dioden ausgebildet werden.

Claims (12)

1. Spannungsbegrenzungsschaltung, die einer zu begrenzenden innenwiderstandbehafteten Spannungsquelle (Q) als Zweipol parallel schaltbar ist und einen auf die Spannungsquelle (Q) spannungsbegrenzend wirkenden Klemmtransistor (T₁) aufweist, mit einer Ringschaltung aus zwei übereinandergesetzten, in sich rückgekoppelten Stromspiegelschaltungen (T₁-T₄), von denen eine erste Stromspiegelschaltung (T₁, T₂) den Klemmtransistor (T₁) aufweist und mit ihren nicht an der Ringschaltung beteiligten Anschlüssen an je einen der beiden Pole (A, B) der Spannungsquelle (Q) angeschlossen und die zweite Stromspiegelschaltung (T₃, T₄) mit ihren nicht an der Ringschaltung beteiligten Anschlüssen an eine Versorgungsspannungsquelle (Vcc) angeschlossen ist, und mit einer mit der Ringschaltung (T₁-T₄) verbundenen ersten Stromquelle (S₁) dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromquelle (S₁) zwischen den nicht an den Klemmtransistor (T₁) angeschlossenen Pol (B) der Spannungsquelle (Q) und die Verbindung zwischen Transistor (T₃) und Diodeneinrichtung (T₄) der zweiten Stromspiegelschaltung geschaltet ist und deren Strom derart bemessen ist, daß sie in den Stromspiegelelementen der zweiten Stromspiegelschaltung (T₃, T₄) und der Diodeneinrichtung (T₂) der ersten Stromspiegelschaltung (T₁, T₂) und einen eine Aufladung mit Ladungsträgern und daher kurze Ansprechzeiten bewirkenden Vorstrom (Io) erzeugt, und daß zwischen die Steuerelektrode des Klemmtransistors (T₁) und die Diodeneinrichtung (T₂) der ersten Stromspiegelschaltung (T₁, T₂) eine Hilfsgleichspannungsquelle (H) geschaltet ist, die derart dimensioniert ist, daß bis zum Erreichen des Begrenzungseinsatzpunktes in die Spannungsbegrenzungsschaltung ein Eingangsstrom (I) fließt, der wesentlich kleiner als der Vorstrom (Io) ist.

2. Spannungsbegrenzungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt a · b aus dem Flächenverhältnis a zwischen den aktiven Halbleiterflächen von Diodeneinrichtung (T₄) und Emitter des Transistors (T₃) der zweiten Stromspiegelschaltung und dem Flächenverhältnis b zwischen den aktiven Halbleiterflächen von Klemmtransistoremitter und Diodeneinrichtung (T₂) der ersten Stromspiegelschaltung kleiner als 1 ist.

3. Spannungsbegrenzungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsspannungsquelle (H) und die Diodeneinrichtung der ersten Stromspiegelschaltung durch eine Steuerelektrode des Klemmtransistors (T₁) vorgeschaltete Diodeneinrichtung (D₁) und durch eine Diodenreihenschaltung (D₂, D₃), die zwischen den nicht mit dem Klemmtransistor (T₁) verbundenen Anschluß der Diodeneinrichtung (D₁) und den nicht an den Klemmtransistor (T₁) angeschlossenen Pol (B) der Spannungsquelle (Q) geschaltet ist und mindestens eine zweite (D₂) und eine dritte (D₃) Diode aufweist, gebildet ist, und daß an der Diodeneinrichtung (D₁) und an der Diodenreihenschaltung (D₂, D₃) derartige Spannungsabfälle realisiert werden, daß die Spannungsdifferenz zwischen dem Spannungsabfall über der Diodenreihenschaltung (D₂, D₃) und dem Spannungsabfall über der Diodeneinrichtung (D₁) eine derartige Basis-Emitter-Spannung am Klemmtransistor (T₁) bewirkt, daß bis zum Begrenzungseinsatzpunkt der Eingangsstrom (I) wesentlich kleiner als der Vorstrom (Io) wird.

4. Spannungsbegrenzungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Dioden der Diodenreihenschaltung (D₂, D₃) eine aktive Halbleiterfläche aufweist, die groß ist im Vergleich zur aktiven Halbleiterfläche der Diodeneinrichtung (D₁).

5. Spannungsbegrenzungsschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinrichtung (D₁) mit einem größeren Strom beaufschlagt wird als die Diodenreihenschaltung (D₂, D₃).

6. Spannungsbegrenzungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den mit dem Klemmtransistor (T₁) verbundenen Anschluß der Diodeneinrichtung (D₁) und den nicht an den Klemmtransistor (T₁) angeschlossenen Pol (B) der Spannungsquelle (Q) eine zweite Stromquelle (S₂) geschaltet ist, die einen Bruchteil c des Stromes der ersten Stromquelle (S₁) liefert.

7. Spannungsbegrenzungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Stromspiegelschaltung (T₅, T₆) vorgesehen ist, deren einer Stromzweig (T₆) in Reihe mit der ersten Stromquelle (S₁) und deren zweiter Stromzweig (T₅) zwischen den mit dem Klemmtransistor (T₁) verbundenen Anschluß der Diodeneinrichtung (D₁) und den nicht an den Klemmtransistor (T₁) angeschlossenen Pol (B) der Spannungsquelle (Q) geschaltet ist, und daß das Verhältnis zwischen den aktiven Halbleiterflächen der in den beiden Stromzweigen befindlichen Stromspiegelelemente (T₅, T₆) der dritten Stromspiegelschaltung gleich c ist.

8. Spannungsbegrenzungsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Stromspiegelschaltung (T₅, T₆) vorgesehen ist, deren einer Stromzweig (T₅) zwischen den mit dem Klemmtransistor (T₁) verbundenen Anschluß der Diodeneinrichtung (D₁) und den nicht an den Klemmtransistor (T₁) angeschlossenen Pol (B) der Spannungsquelle (Q) geschaltet ist und deren zweiter Stromzweig (T₆) über die Hauptstrecke eines weiteren Transistors (T₇) an die Versorgungsspannungsquelle (Vcc) angeschlossen ist, dessen Steuerelektrode einerseits mit den Steuerelektroden der beiden Stromspiegelelemente der zweiten Stromspiegelschaltung (T₃, T₄) und andererseits mit der ersten Stromquelle (S₁) verbunden ist.

9. Spannungsbegrenzungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (T₃, T₄) der zweiten Stromspiegelschaltung einen Leitfähigkeitstyp aufweisen, der zu dem der Transistoren (T₁, T₂) der ersten Stromspiegelschaltung komplementär ist.

10. Spannungsbegrenzungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung negativer Spannungswerte für die erste Stromspiegelschaltung (T₁, T₂) NPN-Transistoren und für die zweite Stromspiegelschaltung (T₃, T₄) PNP-Transistoren eingesetzt werden.

11. Spannungsbegrenzungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung positiver Spannungswerte für die Transistoren der ersten Stromspiegelschaltung (T₁, T₂) PNP-Transistoren und für die zweite Stromspiegelschaltung (T₃, T₄) NPN-Transistoren eingesetzt werden und eine negative Hilfsspannung (V _h) verwendet wird.

12. Spannungsbegrenzungsschaltung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinrichtung (D₁) und/oder die Diodenreihenschaltung (D₂, D₃) mindestens eine Schottky-Diode aufweisen.