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Diese
Erfindung betrifft einen Eingangsschutzschaltkreis, um einen nichtinvertierten
Verstärker
vor einer äußeren Stoßspannung
zu schützen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Eingangsschutzschaltkreis kann weiterhin eine dritte Diode beinhalten,
deren Kathode mit der Basisspannung und deren Anode mit der Massespannung
verbunden ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich besser aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf
die Zeichnung.
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Es
zeigt:
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1 den Schaltkreisaufbau
eines Ausgangsverstärkers
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
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2 den Schaltkreisaufbau
eines Ausgangsverstärkers
gemäß einer
ersten Abwandlung;
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3 den Schaltkreisaufbau
eines Ausgangsverstärkers
gemäß einer
zweiten Abwandlung; und
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4 den Schaltkreisaufbau
eines Ausgangsverstärkers
nach dem Stand der Technik.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Dioden D1–D3
sind MOS-Transistoren, deren Gate-Source-Verlauf verbunden ist (kurzgeschlossen
ist), um als Dioden verwendet werden zu können.
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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.
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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.
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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.
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Die
Spannung zwischen den beiden Enden der Diode D1 kann wie folgt berechnet
werden:
(Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP)/(Verstärkungsfaktor
des nichtinvertierten Verstärkers)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.