DE102004034828A1

DE102004034828A1 - Eingangsschutzschaltkreis

Info

Publication number: DE102004034828A1
Application number: DE102004034828A
Authority: DE
Inventors: Yukihiko Kariya Tanizawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-07-19
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2024-07-20
Also published as: JP4421849B2; US20050017796A1; FR2858138B1; DE102004034828B4; JP2005045539A; FR2858138A1

Abstract

Ein Eingangsschutzschaltkreis (10), der in einem nichtinvertierten Verstärker (1) eingebaut ist, beinhaltet eine erste Diode (D1), deren eines Ende elektrisch mit einem nichtinvertierten Eingangsanschluß (16) des nichtinvertierten Verstärkers (1) verbunden ist und deren anderes Ende elektrisch mit einer Basisspannung (Vs) verbunden ist, sowie eine zweite Diode (D2), deren Kathode elektrisch mit einer Energieversorgungsspannung (Vcc) des nichtinvertierten Verstärkers (1) und deren Anode mit einer Basisspannung (Vref) verbunden ist.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Eingangsschutzschaltkreis, um einen nichtinvertierten Verstärker vor einer äußeren Stoßspannung zu schützen.
Üblicherweise wird ein Operationsverstärker als ein Verstärker verwendet, um ein Signal von einer Signalquelle zu verstärken, welche eine große Innenimpedanz hat, beispielsweise einer Thermosäule oder einem Halbleiter-Drucksensor. Ein nichtinvertierter Verstärker hat eine hohe Eingangsimpedanz und ein Leckstrom von der Signalquelle an den nichtinvertierten Verstärker ist praktisch Null. Somit wird der Signalpegel der Signalquelle gehalten und praktisch in seiner Originalgröße oder seinem Originalwert an den nichtinvertierten Eingangsanschluß angelegt. Somit ist diese Art von nichtinvertiertem Verstärker zur Verstärkung eines Signals von einer Signalquelle mit großer Innenimpedanz oder interner Impedanz geeignet.
Ein MOS-Eingangsoperationsverstärker, der als Transistorpaar für einen Differentialeingang an der Eingangsstufe MOS-Transistoren enthält, hat eine höhere Eingangsimpedanz und einen geringeren Vorspannungsstrom im Vergleich zu einem bipolaren Eingangsoperationsverstärker und wird daher häufig als Verstärker für die Signalquelle mit großer interner Impedanz verwendet.
Eine nichtinvertierter Verstärkerschaltkreis wird insgesamt einschließlich des Operationsverstärkers als Teil eines integrierten Schaltkreises (IC) gebildet. Wenn eine überhohe Spannung, beispielsweise eine ESD (Electro Static Discharge) an die äußeren Anschlüsse des IC ange legt wird, ist das interne Element des IC entsprechend empfindlich und kann durchbrechen.

Somit wird ein bekanntes Schutzverfahren zum Schutz des Operationsverstärkers gegenüber überhohen Spannungen verwendet. Beispielsweise wird ein Operationsverstärker mit zwei Dioden zwischen dem invertierten Eingangsanschluß und der Energiequelle und zwischen dem nichtinvertierten Eingangsanschluß und der Energiequelle (die Kathode liegt auf der Energieversorgungsseite) und auch mit zwei weiteren Dioden zwischen dem invertierten Eingangsanschluß und der Massespannung und zwischen dem nichtinvertierten Anschluß und der Masse (Anode ist auf der Masseseite) verwendet, um den Durchbruch des internen Elementes durch Absorbierung überhoher Spannungen von außen her zu verhindern. Ein solcher Operationsverstärker ist in der Patent-Nr. JP-A-2002-141421 (nachfolgend als Patentdokument Nr. 1 bezeichnet) beschrieben; auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird hier insofern vollinhaltlich Bezug genommen.

Das Verfahren des obigen Patentdokuments Nr. 1 wird durchgeführt mit dem Beispiel eines Eingangsschutzschaltkreises für einen nichtinvertierten Verstärker, wie er in 4 der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist. 4 ist eine schematische Darstelung eines Schaltkreises des Ausgangsverstärkers 100, der ein Signal (Spannungssignal entsprechend einer Temperatur) von einer Thermosäule 11 verstärkt. Die Thermosäule 11 ist ein bekannter eingebauter Temperatursensor, der einen Thermokoppler verwendet. Die Impedanz der Thermosäule beträgt ungefähr 300 kΩ und das Sensorsignal (elektromotorische Kraft) Vs beträgt über den vollen Bereich ungefähr 3 mV. Eine weitere Beschreibung ist in der Patent-Nr. JP-A-2002-202195 gegeben (nachfolgend als Patentdokument Nr. 2 bezeichnet); auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird hier insofern vollinhaltlich Bezug genommen.

Der Ausgangsverstärker 100 ist aufgebaut aus einem Operationsverstärker OP, einem bekannten nichtinvertierten Verstärker mit Widerständen R1 und R2 und einem Eingangsschutzschaltkreis 110, der den Operationsverstärker vor einem externen Überstrom, beispielsweise einer ESD, schützt. Der Ausgangsverstärker 100 ist bevorzugt in einem IC enthalten. Das Sensorsignal Vs von der Thermosäule 11 wird dem nichtinvertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP über einen Signaleingangsanschluß (+) 121 eingegeben und wird um einen bestimmten Betrag verstärkt, um für einen externen Gebrauch ausgegeben zu werden.

Der Operationsverstärker OP ist bevorzugt ein MOS-Eingangsoperationsverstärker und hat einen MOS-Transistor T1 an der nichtinvertierten Eingangsseite und einen weiteren MOS-Transistor T2 an der invertierten Eingangsseite. Die Spannung an einem Ende des Widerstands R2 (auf der anderen Seite der invertierten Eingangsanschlußseite), welche die gleiche Spannung des Signaleingangsanschlusses (–) 122 ist, und eine Basisspannung des Sensorsignals Vs wird um eine bestimmte Spannung Vref angehoben. Dies deshalb, als die wenigen mV über Massepegel (GND) in diesem Fall, welche dem Operationsverstärker zur Signalverstärkung eingegeben werden, für den gewöhnlichen Operationsverstärker mit einem Betrieb mit einer Leistung einer einem nicht-rail-to-rail-I/O, wie in dem obigen Beispiel, nicht ausreichend sind, wo die Sensorsignale Vs von der Thermosäule 11 einige mV betragen, also klein sind. Eine Anhebung der Basisspannung des Sensorsignals über GND um Vref stellt die Signalverstärkung sicher.

Der Eingangsschutzschaltkreis ist aufgebaut aus einer Diode D11 (Anode an der nichtinvertierten Eingangsanschlußseite), welche zwischen den nichtinvertierten Eingangsanschluß und die Energieversorgungsspannung Vcc geschaltet ist, einer Diode D13 (Anode auf der Basisspannungsseite), welche zwischen die Basisspannung und die Energieversorgungsspannung Vcc geschaltet ist, einer Diode D12 (Anode auf der GND-Seite), welche zwischen den nichtinvertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und GND geschaltet ist, und einer Diode D14 (Anode auf der GND-Seite). Jede Diode D11–D14 wird hergestellt durch einen Kurzschluß zwischen Gate und Source eines MOS-Transistors.

Der Ausgangsverstärker 100 mit dem obigen Aufbau wird vor einer Überspannung durch den Strom geschützt, der durch die Diode D11 in Vorwärts/Rückwärts-Richtung (unter Verwendung eines yield-Phänomens) induziert wird, wenn eine Überspannung, beispielsweise eine ESD, zwischen dem Signaleingangsanschluß (+) 121 und der Energieversorgungsspannung Vcc anliegt. Weiterhin wird beispielsweise der Operationsverstärker OP vor einer Überspannung durch den Strom geschützt, der durch die Diode D12 in Vorwärts/Rückwärts-Richtung (unter Verwendung eines yield-Phänomens) induziert wird, wenn eine Überspannung zwischen dem Signaleingangsanschluß (+) 121 und der Massespannung GND angelegt wird.

Ähnliche Effekte werden erhalten, wenn eine Überspannung zwischen dem Signaleingangsanschluß (–) 122 und dem Energieversorgungsspannungs-Anschluß Vcc oder GND angelegt wird, und somit wird der Operationsverstärker vor einer Überspannung durch einen Vorwärts/Rückwärts-Strom (unter Verwendung eines yield-Phänomens) mittels der Dioden D13 und D14 geschützt.

Obgleich jedoch der Eingangsschutzschaltkreis 110 den nichtinvertierten Verstärker vor einer Überspannung schützt, verursacht ein Leckstrom von den Dioden D11 und D12 einen anderen Leckstrom von der Thermosäule 11 zu dem Ausgangsverstärker 100, was sowohl zu einem hohen Spannungsabfall durch den internen Widerstand Rs innerhalb der Thermosäule und einem Temperaturmeßfehler führt.

Genauer gesagt, die Spannungsdifferenz zwischen der Energieversorgungsspannung Vcc und dem Signaleingangsanschluß (+) 121 und die Differenz zwischen dem Signaleingangsanschluß (+) 121 und GND sind beide groß genug, um den Leckstrom in einer Richtung zu bewirken, die durch den Pfeil in 4 dargestellt ist. Dieser Leckstrom führt zu einem Spannungsabfall durch den Innenwiderstand Rs in der Thermosäule 11. Das Sensorsignal Vs wird dann durch den Spannungsabfall verringert, bevor es dem Signaleingangsanschluß (+) 121 zugeführt wird (der schließlich zu dem nichtinvertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers führt). Das genannte Problem ist insbesondere dann zu beachten, wenn das Signal von einer Signalquelle mit einer großen internen Impedanz oder einem hohen Innenscheinwiderstand Rs verstärkt wird.

Mit anderen Worten, die Vorteile einer hohen Eingangsimpedanz und praktisch null Vorspannungsstrom, welche durch Verwendung des nichtinvertierten Verstärkers erhalten werden, der durch einen MOS-Eingangsoperationsverstärker gebildet wird, verkleinern sich, wenn der Eingangsschutzschaltkreis 110 einen Leckstrom zieht. Das heißt, der Eingangsschutzschaltkreis 110 bewirkt ein Abnehmen der Eingangsimpedanz des Ausgangsverstärkers 100 insgesamt.

Angesichts der Probleme im Stand der Technik hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, einen Eingangsschutz schaltkreis zu schaffen, der einen nichtinvertierten Verstärker vor einer überhohen äußeren Spannung schützen kann, wobei ein Leckstrom von der externen Signalquelle unterdrückt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung einen Eingangsschaltkreis, der in einen nichtinvertierten Verstärker eingebaut ist. Der Eingangsschutzschaltkreis ist im wesentlichen aufgebaut aus einem Operationsverstärker, dessen Eingang von einem nichtinvertierten Eingangsanschluß aufgenommen wird, einem ersten widerstand, der zwischen den Ausgangsanschluß und den invertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers geschaltet ist, und einem zweiten Widerstand, der mit einem Ende mit dem invertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers verbunden ist und mit dem anderen Ende mit der Basisspannung des Eingangssignals. Die Basisspannung des Eingangssignals wird auf einen bestimmten Wert angehoben, der höher als eine Massepegelspannung ist.

Der Eingangsschutzschaltkreis ist weiterhin aufgebaut aus einer ersten Diode, deren eines Ende mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß verbunden ist und deren anderes Ende mit der Basisspannung verbunden ist, und einer zweiten Diode, deren Kathode mit der Energiespannung des nichtinvertierten Verstärkers und deren Anode mit der Basisspannung verbunden ist.

Ein nichtinvertierter Verstärker, der mit dem Eingangsschutzschaltkreis gemäß dem obigen Aufbau ausgestattet ist, wird vor einer überhohen Spannung geschützt, welche beispielsweise zwischen dem nichtinvertierten Eingangsanschluß und der Basisspannung anliegt (d.h. dem zweiten Widerstand), da ein Strom von der Überspannung zu der ersten Diode (entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung) geführt wird. Weiterhin, wenn eine Überspannung zwischen dem nichtinvertierten Eingangsanschluß und der Energiespannung (der Kathodenseite der zweiten Diode) anliegt, wird ein Strom von der Überspannung zu der ersten Diode und der zweiten Diode geführt, und somit kann der Schaltkreis auf gleiche Weise vor der Überspannung geschützt werden. Weiterhin, wenn eine Überspannung zwischen der Basisspannung und der Energiespannung anliegt, kann ein Strom von der Überspannung über die zweite Diode abgeführt werden und ein Schutz wird auf gleiche Weise erhalten.

Die an den beiden Enden der ersten Diode angelegte Spannung, welche den Eingangsschutzschaltkreis bildet, ist gleich der Eingangsspannung des nichtinvertierten Verstärkers (d.h. eine Signalspannung des Eingangssignals). Die Eingangsspannung ist üblicherweise eine sehr geringe Spannung, welche in der ersten Diode nur zu einem sehr niedrigen Strom führt, obgleich sie abhängt von der Verstärkung der Eingangsspannung des nichtinvertierten Verstärkers etc.

Im Ergebnis, durch Verwendung des obigen Eingangsschutzschaltkreises wird ein Leckstrom (falls überhaupt vorhanden) von der externen Signalquelle zu der ersten Diode begrenzt, und es ist möglich, den nichtinvertierten Verstärker vor einem externen Überstrom zu schützen, wobei der Leckstrom von der externen Signalquelle unterdrückt wird.

Der Eingangsschutzschaltkreis kann weiterhin eine dritte Diode beinhalten, deren Kathode mit der Basisspannung und deren Anode mit der Massespannung verbunden ist.

Der Eingangsschutzschaltkreis mit diesem Aufbau kann den nichtinvertierten Verstärker vor einer Überspannung schützen, wenn diese zwischen dem nichtinvertierten Ein gangsanschluß und der Massespannung anliegt, da der (überhohe) Strom über die erste und dritte Diode abgeführt werden kann. Auch wenn weiterhin die Überspannung zwischen der Basisspannung und der Massespannung angelegt wird, kann die dritte Diode den Strom abführen und ein interner Schaltkreis, beispielsweise der nichtinvertierte Verstärker, kann geschützt werden. Das heißt, ein Schutz vor Überspannung auf der Grundlage der Basisspannung kann ebenfalls geschaffen werden.

Weiterhin ist es möglich, einen Schaltkreis so auszulegen, daß die Signalspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Schutzwiderstand anliegt, während das andere Ende des ersten Schutzwiderstandes mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß verbunden ist und das andere Ende des zweiten Schutzwiderstandes mit der Basisspannung verbunden ist.

Mit dieser Vorgehensweise wird ein durch die Überspannung induzierter Strom, der in die Diode von der gleichen Seite wie bei der Signalspannungsanwendung fließt (d.h. von der anderen Seite des obigen Schutzwiderstandes her), auch zu einem der Schutzwiderstände geführt, und somit kann eine Überspannungsenergie auf den Schutzwiderständen aufgeteilt werden, um die Belastung für jede Diode zu verkleinern.

Der Operationsverstärker, der den nichtinvertierten Verstärker bildet, kann durch einen MOS-Eingangsoperationsverstärker gebildet werden, dessen beide Transistoren, die in dem Differentialeingangsschaltkreis der Eingangsstufe zum Empfang des nichtinvertierten Eingangs bzw. des invertierten Eingangs verwendet werden, MOS-Transistoren sind. Der Operationsverstärker kann auch durch einen bipolaren Transistor realisiert werden. Ein MOS-Eingangsoperationsverstärker hat, wie oben unter Bezug auf den Stand der Technik beschrieben, eine hohe Eingangsimpedanz und hat einen Eingangsvorwärtsstrom von nahezu Null und ist daher für einen Operationsverstärker in einem nichtinvertierten Verstärker geeignet, der ein Signal von einer externen Signalquelle mit hoher interner Impedanz verstärkt. Weiterhin hat eine MOS-Struktur für gewöhnlich einen sehr dünnen Oxidfilm, und ein dielektrischer Durchbruch in dem Gateoxidfilm kann bewirkt werden, wenn eine Überspannung angelegt wird.

Somit kann der Eingangsschutzschaltkreis wirksam als Eingangsschutzschaltkreis verwendet werden, um einen nichtinvertierten Verstärker zu schützen, insbesondere wenn der Operationsverstärker vom MOS-Eingangstyp ist, und ein Schutz vor einer Überspannung findet statt, da die Eigenschaften bezüglich der Eingangsvorspannung, welche praktisch gleich Null ist, maximiert werden können, und ein MOS-Eingangsoperationsverstärker, der empfindlich gegenüber dielektrischen Durchbruch ist, kann sicher vor einer Überspannung geschützt werden.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:
1 den Schaltkreisaufbau eines Ausgangsverstärkers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
2 den Schaltkreisaufbau eines Ausgangsverstärkers gemäß einer ersten Abwandlung;
3 den Schaltkreisaufbau eines Ausgangsverstärkers gemäß einer zweiten Abwandlung; und
4 den Schaltkreisaufbau eines Ausgangsverstärkers nach dem Stand der Technik.
Wie in den 1-2 gezeigt, in denen jeweils ein schematischer Schaltkreisaufbau dargestellt ist, weist ein Eingangsschutzschaltkreis im wesentlichen auf: Ausgangsverstärker 1, 20 30, 100, Eingangsschutzschaltkreise 10, 21, 31, 110, eine Thermosäule 11, Signaleingangsanschlüsse (+) 16, 26, 36, Signaleingangsanschlüsse (–) 17, 27, 37, Dioden D1, D2, D3, D4, einen Operationsverstärker OP, Widerstände R1, R2, Schutzwiderstände R3, R4 und MOS-Transistoren T1, T2.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf der Grundlage der Zeichnung näher beschrieben. 1 zeigt den Schaltkreisaufbau eines Ausgangsverstärkers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Der Ausgangsverstärker 1 dient zur Verstärkung eines Eingangs, der von einer Thermosäule 11 empfangen wird (Sensorsignal Vs), und zum Übergeben eines Ausgangs an einen (nicht gezeigten) externen Schaltkreis nach der Verstärkung auf eine Art und Weise ähnlich wie bei dem herkömmlichen Ausgangsverstärker 100 von 4. Der Operationsverstärker OP, der nichtinvertierte Verstärker mit den Widerständen R1 und R2 und der Eingangsschutzschaltkreis 10 sind bevorzugt in einem integrierten Schaltkreis als Ausgangsverstärker zusammengefaßt.
Das Sensorsignal Vs wird dem nichtinvertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP von dem Signaleingangsanschluß (+) 16 über den Schutzwiderstand R3 eingegeben und dann auf einen bestimmten Wert verstärkt, um an den externen Schaltkreis weitergegeben zu werden.
Der nichtinvertierte Verstärker ist ähnlich zu demjenigen, der im Ausgangsverstärker 100 von 4 verwendet wird, und einer der Anschlüsse des Widerstands R2 (auf der anderen Seite des invertierten Eingangsanschlusses) wird auf einen Pegel Vref basierend auf Massepegel (GND) angehoben, wie in 4. Weiterhin ist die Thermosäule die gleiche wie in 4. Somit bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Elemente wie in 4 und eine nochmalige detaillierte Beschreibung erfolgt nicht.
Der Eingangsschutzschaltkreis 10 beinhaltet eine Diode D1, deren Kathode mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß verbunden ist und deren Anode mit dem Widerstand R2 an dessem anderen Ende verbunden ist. Der Spannungspegel wird auf Vref (nachfolgend als "Basisspannung Vref" bezeichnet) und die Basisspannung des Sensorsignals angehoben. Der Eingangsschutzschaltkreis 10 beinhaltet auch eine Diode D2, deren Kathode mit einer Energieversorgungsspannung Vcc (von einer Energieversorgungsspannung des nichtinvertierten Verstärkers; in der Zeichnung nicht dargestellt) verbunden ist und deren Diode mit der Basisspannung Vref verbunden ist, eine Diode D3, deren Kathode mit der Basisspannung Vref verbunden ist und deren Anode mit GND verbunden ist, einen Schutzwiderstand R3, dessen eines Ende mit dem Signaleingangsanschluß (+) 16 verbunden ist und dessen anderes Ende mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß verbunden ist, und einen Schutzwiderstand R4, dessen eines Ende mit dem Signaleingangsanschluß (+) 17 verbunden ist und dessen anderes Ende mit der Basisspannung Vref verbunden ist.
Die Dioden D1–D3 sind MOS-Transistoren, deren Gate-Source-Verlauf verbunden ist (kurzgeschlossen ist), um als Dioden verwendet werden zu können.
Mit dem obigen Aufbau wird der Operationsverstärker vor einer überhohen Spannung geschützt, welche angelegt wird zwischen Signaleingangsanschluß (+) 16 und: Energiespannungsanschluß Vcc; GND; oder/und Signaleingangsanschluß (–) 17. Genauer gesagt, wenn beispielsweise eine Überspannung zwischen dem Signaleingangsanschluß (+) 16 und dem Energieversorgungsspannungsanschluß Vcc (in der Zeichnung nicht dargestellt) anliegt, wird ein Strom aufgrund der Überspannung über den Schutzwiderstand R3, die Diode D1 und die Diode D2 abgeführt. Wenn eine überhohe Spannung zwischen dem Signaleingangsanschluß (+) 16 und GND (in der Zeichnung nicht dargestellt) anliegt, wird ein Strom aufgrund der überhohen Spannung oder Überspannung über den Schutzwiderstand R3, die Diode D1 und die Diode D3 abgeführt. Weiterhin, wenn eine überhohe Spannung zwischen dem Signaleingangsanschluß (+) 16 und dem Signaleingangsanschluß (–) 17 anliegt, wird ein Strom aufgrund der überhohen Spannung über den Schutzwiderstand R3, die Diode D1 und den Schutzwiderstand R4 abgeführt, so daß der Operationsverstärker vor der Überspannung geschützt ist.
Der Operationsverstärker wird auch vor der Überspannung oder überhohen Spannung geschützt, wenn diese überhohe Spannung zwischen dem Signaleingangsanschluß (–) 17 und: dem Energieversorgungsspannungsanschluß Vcc; und/oder GND anliegt. Genauer gesagt, wenn eine überhohe Spannung beispielsweise zwischen dem Signaleingangsanschluß (–) 17 und dem Energieversorgungsspannungsanschluß Vcc anliegt, wird ein Strom aufgrund der überhohen Spannung über den Schutzwiderstand R4 und die Diode D2 abgeführt. Weiterhin, wenn eine überhohe Spannung zwischen dem Signaleingangsanschluß (–) 17 und GND anliegt, wird ein Strom aufgrund der überhohen Spannung über den Schutzwiderstand R4 und die Diode D3 abgeführt.
In dieser Ausführungsform ist die Schutzdiode D1 des Eingangsschutzschaltkreises 10 an dem nichtinvertierten Eingangsanschluß nicht zwischen dem nichtinvertierten Eingangsanschluß und GND angeordnet, wie in 4 gezeigt, sondern zwischen dem nichtinvertierten Eingangsanschluß und der Basisspannung Vref.
Die Spannung zwischen den beiden Enden der Diode D1 kann wie folgt berechnet werden:
(Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP)/(Verstärkungsfaktor des nichtinvertierten Verstärkers)
Wenn die Ausgangsspannungsamplitude 2 V beträgt und der Verstärkungsfaktor des nichtinvertierten Verstärkers 100 beträgt, beträgt die Spannung zwischen den beiden Enden der Diode D1 ungefähr 20 mV. Umgekehrt gesagt, wenn der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 100 beträgt, kann eine Thermosäule 11 mit einem Ausgang von ungefähr 20 mV verwendet werden. Dieser Wert, der ungefähr 20 mV beträgt, ist im Vergleich zu der an der Diode D12 beim herkömmlichen Verfahren gemäß 4 angelegten Spannung nominell (annähernd ein Hundertstel) und führt nicht zu einem Umkehrstrom in der Diode D1.
Daher kann der Leckstrom von der Thermosäule 11 zum Ausgangsverstärker 1 unverhältnismäßig im Vergleich zu demjenigen von 4 verringert werden und bewirkt daher keine merklichen Probleme. Das heißt, das Sensorsignal Vs kann so wie es ist dem nichtinvertierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP eingegeben werden, ohne aufgrund der internen Impedanz Rs und des Schutzwiderstandes R3 in dem Eingangsschutzschaltkreis 10 verringert zu werden.
Daher ist es in dieser Ausführungsform möglich, den nichtinvertierten Verstärker vor einem externen Überstrom zu schützen, wobei ein Leckstrom von der Thermosäule 11 auf praktisch Null unterdrückt wird, da der Leckstrom kaum durch die Diode D1 fließt, welche mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß verbunden ist. wenn eine überhohe Spannung an den Signaleingangsanschluß (+) 16 oder an den Signaleingangsanschluß (–) 17 angelegt wird, kann ein Strom aufgrund dieser überhohen Spannung über den Schutzwiderstand R3 und/oder R4 abgeführt werden, so daß die Energie der überhohen Spannung von den beiden Widerständen toleriert werden kann, was zu einer verringerten Last an den Dioden D1, D2 und D3 führt.
Weiterhin wird in dieser Ausführungsform der Eingangsschutzschaltkreis 10, der zur Bereitstellung eines Schutzes des nichtinvertierten Verstärkers vor Überspannung verwendet wird, bevorzugt durch einen MOS-Eingangsoperationsverstärker gebildet. Im Ergebnis kann der Operationsverstärker geschützt werden, wobei der Vorteil beibehalten wird, daß der Eingangsvorspannungsstrom praktisch gleich Null ist. Weiterhin erfolgt ein Schutz gegen die überhohe Spannung mit Sicherheit für einen MOS-Eingangsoperationsverstärker, der gegenüber dielektrischem Durchbruch empfindlicher ist.
Die Diode D1 dieser Ausführungsform entspricht einer ersten Diode, die Diode D2 entspricht einer zweiten Diode und die Diode D3 entspricht einer dritten Diode. Der Widerstand R1 entspricht einem ersten Widerstand, der Widerstand R2 entspricht einem zweiten Widerstand, der Widerstand R3 entspricht einem ersten Schutzwiderstand und der Widerstand R4 entspricht einem zweiten Schutzwiderstand, und die Konstantspannung Vref entspricht einer bestimmten Hochspannung.
Wie beschrieben, wird ein MOS-Transistor in der obigen Ausführungsform zum Erhalt der Dioden D1, D2 und D3 verwendet, wobei sein Gate und Source jeweils kurzgeschlossen wird. Es kann jedoch auch eine normale Diode mit einem p-n-Übergang verwendet werden. Allgemein gesagt, jedes Bauteil, welches als Diode arbeiten kann, kann den erwähnten MOS-Transistor ersetzen.
Weiterhin wurde in der obigen Ausführungsform ein MOS-Eingangsoperationsverstärker als Beispiel eines Operationsverstärkers beschrieben, der in einem nichtinvertierten Verstärker verwendbar ist. Es kann jedoch als nichtinvertierter Verstärker auch ein bipolarer Eingangsoperationsverstärker verwendet werden.
Weiterhin wurde in der obigen Ausführungsform der Fall beschrieben, bei dem die Basisspannung des Sensorsignals Vs gegenüber GND auf Vref angehoben wird. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch bei einem Beispiel anwendbar, bei dem ein nichtinvertierter Verstärker vorliegt, dessen Basisspannung bei GND verbleibt (siehe 2).
Genauer gesagt, der Ausgangsverstärker 20 von 2 hat GND als Basisspannung des Sensorsignals Vs, und der Eingangsschutzschaltkreis 21, der den nichtinvertierten Verstärker vor einer überhohen Spannung oder Überspannung schützt, ist der gleiche wie der Eingangsschutzschaltkreis 10 von 1 mit der Ausnahme, daß die Diode D3 weggelassen ist. Der Eingangsschutzschaltkreis 21, der auf diese Weise aufgebaut ist, kann einen Schutz für den nichtinvertierten Verstärker gegenüber einer Überspannung schaffen, wobei der Leckstrom von der Thermosäule 11 an den Ausgangsverstärker 20 auf nahe Null unterdrückt wird.
Weiterhin wurde in der obigen Ausführungsform das Sensorsignal Vs als beispielsweise 20 mV angenommen. Jedoch ist dieser Spannungswert im Vergleich zur Vorwärtsspannung (Spannung) der Diode D1 (für gewöhnlich ungefähr 0,6 bis 0,7 V) klein genug, so daß die Diode D1 mit dem Schaltkreis in gleicher Richtung wie die Spannung Vs des Sensorsignals geschaltet werden kann, ohne daß sich ein Problem ergibt (Vorwärtsstrom ist klein genug). Das heißt, wenn die Spannung des Sensorsignals Vs ausgedrückt in der Kniespannung der Diode D1 klein genug ist, kann die Diode D1 in dem Schaltkreis ungeachtet ihrer Ausrichtung angeordnet werden (im Gegensatz zum Fall von 1, wo die Anode mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß und die Kathode mit der Basisspannung Vref verbunden wird).
Wenn jedoch das Sensorsignal Vs relativ groß ist und das Signal durch den nichtinvertierten Verstärker verstärkt wird, dessen Verstärkungsfaktor niedrig ist, kann der Vorwärtsstrom nicht ignoriert werden, und somit muß die Diode D1 wie in der Ausführungsform von 1 angeschlossen werden.
Es kann auch die Situation geben, bei der ein Ausgangszyklus vom Ausgangsverstärker umgekehrt wird, um an einen Nachstufenverstärker (in der Zeichnung nicht gezeigt) angelegt zu werden. Wenn die Polarität des Sensorsignals vom Ausgangsverstärker in 1 bezüglich der obigen Situation umgekehrt wird, kann auch die Polarität der Diode D1 umgekehrt werden.
Bezugnehmend auf 3 wird ein Beispiel der obigen Beschreibung erläutert. Wenn die Polarität des Sensorsignals Vs von der Thermosäule 11 gegenüber dem Zustand von 1 umgekehrt wird, wird ein Spannungssignal niedriger als die Basisspannung Vref als Eingang an den nichtinver tierten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers OP verwendet. Dann wird anstelle der Diode D1 von 1 die Diode D4 verwendet, deren Anode mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß und deren Kathode mit der Basisspannung Vref verbunden ist. Genauer gesagt, diese Diode D4 hat umgekehrte Polarität zur Diode D1 von 1. Auch unter diesen Bedingungen läßt sich das gleiche Ergebnis wie in der obigen Ausführungsform erzielen.
Auch in diesem Fall kann, wie oben erläutert, wenn die Thermosäule 11 verwendet wird, welche hoch im Verstärkungsfaktor des nichtinvertierten Verstärkers und niedrig im Ausgangspegel ist, die Polarität der Diode D4 umgekehrt werden, und das Sensorsignal Vs kann in Vorwärtsrichtung mit der Polarität der Diode D4 angelegt werden. Auch in dieser Anordnung erlaubt, da das Sensorsignal Vs minimal ist, die Diode D4 kaum den Durchlaß eines Vorwärtsstroms.
Andererseits, wenn die Thermosäule 11 verwendet wird, welche niedrig im Verstärkungsfaktor des nichtinvertierten Verstärkers und hoch im Ausgangspegel ist, wird die Diode D4 bevorzugt auf die in 3 beschriebene weise verwendet. Dies deshalb, als die Spannung, welche den Vorwärtsstrom in einer Diode auslöst (für gewöhnlich 0,6–0,7 V), üblicherweise geringer als die Durchbruchspannung in Umkehrrichtung ist.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die vorangehenden bevorzugten Ausführungsformen beschrieben und dargestellt; es versteht sich, daß Änderungen und Abweichungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind, wie er durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist.

Claims

Ein Eingangsschutzschaltkreis (10), eingebaut in einen nichtinvertierten Verstärker (1) mit einem Operationsverstärker (OP), an dessem nichtinvertierten Eingangsanschluß (16) ein Eingangssignal anliegt, einem ersten Widerstand (R1), der elektrisch zwischen einen Ausgangsanschluß und den invertierten Anschluß des Operationsverstärkers (OP) geschaltet ist, und einem zweiten Widerstand (R2), dessen einer Anschluß elektrisch mit dem invertierten Anschluß des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist und dessen anderer Anschluß elektrisch mit einer Basisspannung (Vref) des Eingangssignals verbunden ist, wobei das Eingangssignal auf eine bestimmte hohe Spannung (Vref) höher als Massepegel angehoben wird, wobei der Eingangsschutzschaltkreis (10) aufweist: eine erste Diode (D1), deren eines Ende elektrisch mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß (16) des nichtinvertierten Verstärkers (1) verbunden ist und deren anderes Ende elektrisch mit der Basisspannung (Vref) verbunden ist; und eine zweite Diode (D2), deren Kathode elektrisch mit einer Energieversorgungsspannung (Vcc) des nichtinvertierten Verstärkers (1) und deren Anode mit der Basisspannung (Vref) verbunden ist.
Eingangsschutzschaltkreis (10) nach Anspruch 1, weiterhin mit: einer dritten Diode (D3), deren Kathode mit der Basisspannung (Vref) und deren Anode elektrisch mit der Massespannung verbunden ist.
Eingangsschutzschaltkreis (10) nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin mit: einem ersten Schutzwiderstand (R3), dessen eines Ende elektrisch mit dem nichtinvertierten Eingangsanschluß (17) verbunden ist; und einem zweiten Schutzwiderstand (R4), dessen eines Ende elektrisch mit der Basisspannung verbunden ist, wobei eine Signalspannung (Vs) des Eingangssignals elektrisch zwischen die anderen Enden der ersten und zweiten Schutzwiderstände angelegt ist.
Eingangsschutzschaltkreis (10) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Operationsverstärker (OP) ein MOS-Eingangsoperationsverstärker ist mit ersten und zweiten Widerständen (T1, T2) zur Bildung eines Differentialeingangsschaltkreises an einer Eingangsstufe, wobei die ersten und zweiten Widerstände jeweils einen nichtinvertierten Eingang bzw. invertierten Eingang empfangen.