-
Die Erfindung betrifft einen Überspannungsschutz
für mikroelektronische
integrierte Schaltungen, insbesondere eine integrierte Schaltung
für ein drahtgebundenes
Kommunikationssystem mit mehreren Kommunikationsanschlüssen zum
Anschluss von externen elektrischen Signalleitungen.
-
Eine solche integrierte Schaltung,
beispielsweise in CMOS-Technologie implementiert, kann beispielsweise
eine Komponente für
ein standardisiertes Kommunikationssystem wie ISDN, xDSL, Ethernet,
etc. sein, welche als Schnittstelle eines in einem derartigen Kommunikationssystem
verwendeten Geräts
dient. Bei den elektrischen Signalleitungen kann es sich beispielsweise
um Telefonleitungen oder spezielle Datenübertragungsleitungen wie Netzwerkkabel
handeln, mit welchen einer oder mehrere Kommunikationskanäle in dem
System physikalisch bereitgestellt werden.
-
Überspannungen
mit unter Umständen
zerstörerischer
Wirkung können
an derartigen Schaltungen, insbesondere bei der Handhabung derartiger Schaltungen,
durch elektrostatische Aufladungen entstehen, die bei Berührung von
Schaltungsanschlüssen
auf die Schaltung übertragen
werden. Überspannungen
können
aber auch durch Blitze hervorgerufen werden, deren Strompfad in
kapazitiver und/oder induktiver Kopplung mit der integrierten Schaltung
oder einer daran angeschlossenen Signalleitung steht.
-
Aus der US-Patentschrift 5,682,047
ist eine integrierte Schaltung umfassend mehrere Anschlüsse zum
Anschluss von externen elektrischen Signalleitungen bekannt, wobei
jedem Anschluss ein Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis zur Eingabe/Ausgabe
von Signalen von bzw. zu den Signalleitungen zugeordnet ist, und
wobei jedem Anschluss ein Thyristor zugeordnet ist, um eine an dem
entsprechenden Anschluss auftretende, durch elektrostatische Aufladung
bedingte Überspannung
durch einen Stromfluss durch den entsprechenden Thyristor abzubauen.
Eine Besonderheit dieses so genannten ESD-Schutzes ist hierbei die Anordnung einer
von der Thyristorstruktur isoliert vorgesehenen Gateelektrode im
Bereich eines pn-Übergangs
der Thyristorstruktur zur gesteuerten Induktion eines elektrischen Felds
in diesem Bereich der Thyristorstruktur. Durch eine Kopplung dieser
Gateelektrode mit dem zu schützenden
Schaltungsknoten wird dieses elektrische Feld beim Auftreten der
elektrostatischen Überspannung
erzeugt und ermöglicht
dadurch das Zünden
des Thyristors bei einer relativ niedrigen Spannung, was zum Schutz
von integrierten Schaltungen mit relativ niedriger Versorgungsspannung
notwendig ist und ohne diese Ansteuerung einer Gateelektrode schwer
zu realisieren wäre.
-
Dieser bekannte ESD-Schutz ist für eine Überspannungsabsicherungen
der integrierten Schaltung im Betrieb wenig geeignet, da im installierten
Zustand der Schaltung elektrostatische Aufladungen praktisch nicht
auftreten, wohingegen die Gefahr von blitzbedingten Überspannungen
dominiert, was für
die betriebsmäßige Absicherung
eine auch für
(in der Regel länger
andauernde) Blitzentladungen geeignete Dimensionierung des Thyristors
erfordert. Davon abgesehen besteht das Problem, dass ein durch Überspannung
gezündeter
Thyristor bedingt durch die im Betrieb an dem abgesicherten Schaltungsknoten
herrschende Spannung nicht wieder in den sperrenden Zustand übergehen
würde,
nachdem die Überspannung
abgebaut wurde.
-
Aus der deutschen Patentschrift
DE 43 26 596 C2 ist
eine Schutzschaltungsanordnung für
elektronische Teilnehmerschaltungen gegen Überspannungen auf Teilnehmeranschlussleitungen
bekannt. Diese aus diskreten Bauelementen aufgebaute Anordnung ist
zum Schutz von blitzbedingten Überspannungen
auf den Teilnehmerleitungen vorgesehen und verwendet einen herkömmlichen,
kostengünstigen
Thyristor als gemeinsames Stromableitungselement für mehrere
Teilnehmeranschlussleitungen, die, über jeweilige Dioden galvanisch
voneinander getrennt, mit der Kathode des Thyristors verbunden sind,
dessen Anode mit einem festen Bezugspotenzial verbunden ist. Bei
dieser bekannten Schutzanordnung ist die Steuerelektrode des Thyristors
einerseits über
einen Widerstand mit einer Steuerspannung verbunden und andererseits
mit einem Eingang eines Komparators verbunden, dessen anderer Eingang
mit einer Vergleichsspannung beaufschlagt wird. Das am Ausgang des
Komparators bereitgestellte Signal wird zur Steuerung sämtlicher Teilnehmerschaltungen
verwendet, um diese Teilnehmerschaltungen stromlos zu schalten,
wenn eine Überspannung
abgeleitet wird, so dass nach dem Abklingen der Überspannung der Haltestrom
des Thyristors unterschritten wird und dieser dann in den gesperrten
Zustand zurückkehrt.
-
Nachteilig ist bei diesem Stand der
Technik zunächst
der schaltungstechnische Aufwand zur Realisierung des Überspannungsschutzes
durch diskrete Bauelemente. Ferner ist diese Anordnung nicht zur optimalen
Absicherung von mehreren Signalleitungen geeignet, an welchen im
Betrieb voneinander verschiedene Spannungen herrschen, z.B. bei
Signalleitungen, auf welchen Signale nach unterschiedlichen Kommunikationsstandards übertragen
werden. Schließlich
führt das
Zünden
des Thyristors dieser bekannten Schaltungsanordnung zwangsläufig zu
einer Störung
auch der nicht von der Überspannung
betroffenen Signalleitungen, was praktisch einem Totalausfall der
Datenübertragung
gleichkommt.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine integrierte Schaltung für ein drahtgebundenes Kommunikationssystem
umfassend mehrere Kommunikationsanschlüsse bereitzustellen, die gegen
ein Auftreten von Überspannungen
geschützt
ist und deren Betrieb durch auftretende Überspannungen möglichst
wenig beeinträchtigt
wird.
-
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer
integrierten Schaltung, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale
aufweist. Die abhängigen
Ansprüche betreffen
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Bei der erfindungsgemäßen integrierten Schaltung
kann auch eine im Betrieb auftretende Überspannung, beispielsweise
eine durch einen Blitzeinschlag bedingte und über eine elektrische Signalleitung
zur Schaltung hin übertragene Überspannung,
durch Zünden
eines zugeordneten Thyristors zuverlässig abgebaut werden, wobei
durch die Anordnung mehrerer Thyristoren die Beeinträchtigung der
Kommunikation insgesamt minimiert werden kann. Da im Falle einer
auftretenden Überspannung auch
der zugeordnete Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis über einen Steuerschaltkreis
stromlos geschaltet wird, lässt
sich sicherstellen, dass nach einem Abklingen der Überspannung
der Thyristor wieder in den sperrenden Zustand übergeht, so dass die Kommunikation
unmittelbar nach dieser Beeinträchtigung fortgesetzt
werden kann, und zwar selbst dann, wenn die Schwellspannung (Zündspannung)
des Thyristors sowie dessen Haltestrom relativ niedrig vorgesehen
sind (z.B. mit einer Schwellspannung knapp über den im Betrieb normalerweise
auftretenden Spannungen). Eine vergleichsweise niedrige Schwellspannung
führt vorteilhaft
zu einer hohen Ansprechempfindlichkeit des Überspannungsschutzes, wobei die
erfindungsgemäße Schaltung
es sogar erlaubt, die Schwellspannungen der mehreren Thyristoren unterschiedlich
auszulegen, beispielsweise um bei mehreren Kommunikationskanälen mit
voneinander verschiedenen Signalspannungen bzw. -strömen diese
Schwellspannungen der jeweils zugeordneten Thyristoren individuell
anzupassen.
-
Unabhängig davon ergibt sich bei
der erfindungsgemäßen Schaltung
praktisch ein vernachlässigbarer
Mehraufwand zur Realisierung des Überspannungsschutzes durch
Integration dieser Funktion in die integrierte Schaltung. Die Hochintegration dieser
Blitzschutz-Funktionalität
in ein in einer Standardtechnologie (insbesondere CMOS) gefertigtes IC
ist möglich,
wenn es so konstruiert ist, dass im Überspannungsfall nur wenig
Energie als Wärme
im Inneren der integrierten Schaltung frei wird.
-
Durch Verwendung einer pnpn-Struktur (Thyristor)
lassen sich die Ströme
niederohmig ableiten. Eine auch für CMOS-Technologien geeignete, an
sich bekannte Layout-Anordnung
eines Thyristors ist in 5a dargestellt.
Der Thyristor wird zweckmäßigerweise
so dimensioniert, dass die zur Aufrechterhaltung des Stromflusses
im Thyristor notwendige Spannung möglichst klein ist.
-
In einfacher Weise kann die Stromableitung derart
vorgesehen sein, dass die Anode oder Kathode wenigstens eines der
Thyristoren mit einem Kommunikationsanschluss verbunden ist. Diese
Verbindung des Thyristors mit dem Kommunikationsanschluss kann hierbei
direkt vorgesehen sein oder über
weitere im Überspannungsfall
niederohmig leitende Komponenten wie eine Diode. Die Anordnung einer
Diode an dieser Stelle ist insbesondere bei einer Ausführungsform
interessant, bei welcher die Anode oder Kathode wenigstens eines
der Thyristoren mit Kathoden bzw. Anoden von mehreren Dioden verbunden
ist und die Anoden bzw. Kathoden dieser Dioden mit verschiedenen
der Kommunikationsanschlüsse
verbunden sind, um an diesen Kommunikations anschlüssen auftretende Überspannungen
mittels dieses Thyristors abzubauen. Diese Ausführung ist für eine Hochintegration jedoch
insofern ungünstig,
als an jeder Diode beim Ableiten des Blitzstroms eine zusätzliche
Spannung (Durchlassspannung) abfällt,
die etwa ebenso hoch ist wie am Thyristor (typisch ca. 1 V). Dadurch
verdoppelt sich praktisch die Wärmeentwicklung
gegenüber
einer Ausführung
mit getrennten Thyristoren.
-
Zur Vermeidung dieses Nachteils kann
zum Abbau von Überspannungen
an mehreren, hinsichtlich der vorherrschenden Betriebsbedingungen gleichwertigen
Kommunikationsanschlüssen
alternativ ein gemeinsamer Mehrfachthyristor vorgesehen sein, der
für diese
Anschlüsse
einen gemeinsamen Ableitungspfad vorsieht und beispielsweise eine
Kathode und mehrere Anoden aufweist. Eine wieder für CMOS-Technologien
geeignete, an sich bekannte Realisierung eines Doppelthyristors
mit zwei Anoden ist in 5b dargestellt.
-
Durch diese Maßnahme können zwei oder mehr Kommunikationsanschlüsse durch
einen einzigen (gemeinsamen) Thyristor abgesichert werden, beispielsweise
ein Leitungspaar bzw. eine Leitungsmehrzahl, welche einen von mehreren
Kommunikationskanälen
der integrierten Schaltung bildet. Bei einheitlichem Betriebsspannungsbereich
der Signale auf den Leitungen eines bestimmten Kommunikationskanals
ist die Absicherung mit einer bestimmten angepassten Schwellspannung
zweckmäßig und
ist mit einem einzigen Thyristor (und mehreren Dioden) oder mit
einem Mehrfachthyristor in einfacher Weise zu erzielen, z.B. zur
Absicherung von differenziellen Ein-/Ausgängen.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass jeder
der Kommunikationsanschlüsse
genau einem von mehreren Kommunikationskanälen der integrierten Schaltung
zugeordnet ist und jeder der Thyristoren genau einem der Kommunikationskanäle zugeordnet ist.
Wenn kein Thyristor zur Ableitung von Überspannungen an Kommunikationsanschlüssen vorgesehen ist,
die zu verschiedenen Kommunikationskanälen gehören, so können kanalspezifische optimale Schwellspannungen
und/oder Ableitungswiderstände
der Thyristoren optimal eingestellt werden.
-
Hinsichtlich der Bemessung der Schwellspannungen
ist es bevorzugt, dass wenigstens einer der Thyristoren mit einer
Schwellspannung ausgelegt ist, die weniger als 150% der betriebsmäßig maximal an
diesem Thyristor anliegenden Spannung beträgt, insbesondere weniger als
120%.
-
Die Abschaltung von Eingangs- bzw.
Ausgangsschaltkreisen lässt
sich in einfacher Weise realisieren, indem wenigstens einer der
Steuerschaltkreise als Inverter bzw. Komparator ausgebildet ist, dessen
Eingang mit der Steuerelektrode wenigstens eines der Thyristoren
verbunden ist. Ein binäres
Ausgangssignal eines solchen Inverters eignet sich für eine gut
definierte Ansteuerung des entsprechenden Steuerschaltkreises, wobei
eine im Allgemeinen jedem Inverter inhärente Verzögerung von dessen Ausgangssignal
vorteilhaft zu einem Wiederinbetriebnehmen des Eingang/Ausgang-Schaltkreises erst
dann führt,
wenn der über
den Thyristor abgeleitete Strom bereits abgeklungen ist. Der Eingang
eines Steuerschaltkreises kann auch mit Steuerelektroden von mehreren
Thyristoren verbunden sein, insbesondere von Thyristoren, welche
zur Absicherung eines einzigen Kommunikationskanals vorgesehen sind.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben. Es stellen dar:
-
1 drei
schematische Blockschaltbilder von integrierten Schaltungen mit
Blitzschutzfunktionalität,
-
2 eine
Ausführungsform
der in 1a schematisch
dargestellten Schaltung,
-
3a eine
Ausführungsform
der in 1b schematisch
dargestellten Schaltung,
-
3b einen
Teil einer weiteren Ausführungsform,
welche eine Modifikation der in
-
3a dargestellten
Schaltung verwendet,
-
4.
eine Ausführungsform
einer weiteren Schaltung mit einer Vielzahl von Kommunikationskanälen, die
jeweils voll-differenziell ausgeführt sind,
-
5a eine
Darstellung einer Implementierung eines Thyristors in CMOS-Technologie,
und
-
5b eine
Darstellung einer weiteren Implementierung eines Thyristors, nämlich eines
Doppel-Anoden-Thyristors, in CMOS-Technologie.
-
Bei der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
werden für
analoge Komponenten im Wesentlichen die gleichen Bezugszeichen verwendet,
so dass bei der Beschreibung der einzelnen Ausführungsbeispiele im Wesentlichen
nur auf die Unterschiede zu bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen
eingegangen wird.
-
Die 1a, 1b und 1c stellen schematisch integrierte Schaltungen
(10, 110 und 210) für ein drahtgebundenes Kommunikationssystem
(z.B. xDSL) dar. Jede Schaltung umfasst mehrere Kommunikationsanschlüsse zum
Anschluss von externen elektrischen Signalleitungen. Im Betrieb
dieser Schaltungen besteht die Gefahr, dass durch einen Blitzeinschlag
bedingte Überspannungen über diese Signalleitungen
in das Innere der Schaltung gelangen.
-
1a zeigt
eine integrierte Schaltung 10 mit Kommunikationsanschlüssen C1,
C2, denen jeweils ein Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis IO1 bzw. IO2 zur
Eingabe und Ausgabe von Kommunikationssignalen von und zu Signalleitungen
L1 bzw. L2 zugeordnet ist. Ferner ist jedem Anschluss C1, C2 ein Thyristor
TY1 bzw. TY2 zugeordnet, um eine an dem entsprechenden Anschluss
C1, C2 auftretende Überspannung
durch einen Stromfluss durch diesen Thyristor abzubauen. Je nach
Polarität
der abzubauenden Überspannung
ist entweder die Anode oder die Kathode eines Thyristors direkt
mit einem zwischen dem Schaltkreis IO und dem Anschluss C befindlichen
Schaltungsknoten verbunden, wohingegen der andere Thyristoranschluss
mit einem zur Stromableitung geeigneten, fest vorgegebenen Potenzial
verbunden ist. Vorteilhaft ist die gesamte Blitschutzfunktionalität im Inneren
(vgl. gestrichelte Linie) der integrierten Schaltung 10 realisiert,
wobei die Anordnung eines separaten Thyristors für jeden der Anschlüsse C1,
C2 es ermöglicht,
die elektrischen Eigenschaften dieser Thyristoren individuell an
die Betriebsbedingungen an diesen Anschlüssen C1, C2 bzw. an den daran
anschließenden
Signalleitungen L1, L2 anzupassen. Ferner ermöglicht die im Rahmen der IC-Fertigung
praktisch ohne Mehraufwand realisierbare Aufteilung der Blitzschutzfunktionalität auf zwei Thyristoren,
dass eine überspannungsbedingte
Beeinträchtigung
der Kommunikation über
die Leitung L1 nicht unbedingt die Kommunikation über die
Leitung L2 beeinträchtigt
und umgekehrt.
-
Um nach einem Abbau einer an den
Anschlüssen
C1 und/oder C2 aufgetretenen Überspannung
eine möglichst
rasche und zuverlässige
Fortsetzung des Betriebs der Schaltung 10 zu ermöglichen,
ist eine Steuerelektrode G' jedes Thyristors TY1, TY2 mit jeweils
einem Steuerschaltkreis CO1, CO2 verbunden, welcher anhand der dort
herrschenden Spannung einen Stromfluss durch den betreffenden Thyristor
detektiert und auswertet, um im Falle eines detektierten Stromflusses
einen der zwei Eingabe/Ausgabe-Schaltkreise IO1, IO2 stromlos zu schalten,
indem diejenigen Strompfade zwischen einem Versorgungspotenzial
der Schaltung 10 und dem betreffenden Thyristor abgeschaltet
werden, welche verhindern würden,
dass der durch den abgeleiteten Strom gezündete Thyristor nach dem Abklingen
des Strompulses wieder in den nichtleitenden Zustand zurückkehrt.
Hierzu wird z.B. der Ausgangspegel des Steuerschaltkreises CO1 als
binäres
Steuersignal pd1 dem Eingang/Ausgang-Schaltkreis IO1 eingegeben. Analog wird
durch den Steuerschaltkreis CO2 ebenfalls ein Steuersignal pd2 bereitgestellt
und dem Schaltkreis IO2 zugeführt.
-
Bei entsprechender Dimensionierung
der Thyristoren TY1, TY2 lassen sich Überspannungen zuverlässig und
mit minimaler Störung
des Schaltungbetriebs ableiten, und zwar unabhängig davon, ob diese Überspannungen
durch eine elektrostatische Aufladung oder eine blitzbedingte Einwirkung verursacht
sind. Für
eine auch für
Blitzeinschläge
geeignete Schutzfunktionalität
ist zu berücksichtigen, dass
blitzbedingte Überspannungen
meist eine vergleichsweise größere Dauer
und Stärke
des Stromimpulses mit sich bringen.
-
Die Thyristoren TY1, TY2 dienen im
dargestellten Beispiel beide zur Ableitung von positiven Überspannungen
an den Anschlüssen
C1, C2. Entsprechende negative Überspannungen
können durch
Anordnung von Dioden zwischen diesen Anschlüssen und einem geeignet vorgegebenen
Potenzial abgebaut werden.
-
1b zeigt
eine Schaltung 110, die wieder zwei Kommunikationsanschlüsse Ca,
Cb aufweist, über
welche Signale von und zu Signalleitungen La, Lb übertragen
werden. Im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform
bilden diese Leitungen La, Lb jedoch einen einzigen Kommunikationskanal
mit einem bestimmten Übertragungsstandard, so
dass die den beiden Anschlüssen
Ca, Cb jeweils zugeordneten Thyristoren TYa, TYb hier zweckmäßigerweise
gleich dimensioniert sind. Da bei dieser Schaltung 110 lediglich
ein Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis IO vorgesehen ist, kann dieser Schaltkreis über einen
einzigen Steuerschaltkreis CO angesteuert werden, welcher eingangsseitig
mit den Steuerelektroden G' beider Thyristoren TY verbunden ist.
-
1c zeigt
eine Kombination der Schaltungen gemäß 1a und 1b.
Die Funktion der Überspannungsableitung
entspricht den oben bereits beschriebenen Mechanismen.
-
2 zeigt
die in 1a schematisch
dargestellte Schaltung 10 (hier: ein xDSL-Transceivers) detaillierter.
In der Darstellung von 2 sind
die Thyristoren TY1, TY2 mit ihrem üblichen Ersatzschaltbild dargestellt.
Die gestrichelte vertikale Linie kennzeichnet wieder die Grenze
zwischen dem integrierten und dem nicht-integrierten Bereich der Schaltungsanordnung.
-
Im oberen Teil der Figur sind die
Komponenten des ersten Kommunikationskanals des xDSL-Transceivers
10 dargestellt. Im nicht-integrierten Bereich wird ein Kommunikationssignal
S1 über ein
Leitungspaar übertragen,
welches schaltungsseitig über
einen Transformator Tr1 auf die Signalleitung L1 übertragen
wird, wobei in an sich bekannter Weise ein Leitungsknoten T1 zum
einen über
einen Leitungsabschlusswiderstand RT1 mit einem Kommunikationsanschluss
C1' verbunden ist und zum anderen direkt mit einem zweiten Kommunikationsanschluss
C1 verbunden ist. Ebenfalls in an sich bekannter Weise ist damit
ein bidirektionaler Datenübergang
zwischen der Schaltung 10 und den externen Leitungen geschaffen,
bei welchem ein auszugebendes Signal Sout1 über einen mit Versorgungspotenzialen
VDD, VSS versorgten Leitungstreiber O1 auf den Anschluss C1' und
weiter über
den Widerstand RT1 auf die Leitung L1 gegeben wird, wohingegen ein über den
externen Transformator Tr1 der Schaltung 10 einzugebendes
Signal einerseits über den
Widerstand RT1 auf den Anschluss C1' und andererseits direkt auf
den Anschluss C1 gegeben wird, um in der Schaltung 10 an
den Eingang eines Eingangsschaltkreises I1 (nicht dargestellt) weitergeleitet
zu werden, wobei durch entsprechende Dimensionierung des Widerstands
RT gewährleistet
ist, dass das der Eingangsstufe I1 eingegebene Signal (durch eine
gewichtete Signalsubtraktion) nicht von einem gleichzeitig ausgegebenen
Signal beeinträchtigt wird.
-
Tritt durch einen Blitzimpuls am
Knoten T1 eine positive Spannung auf, die um einen gewissen Betrag
(hier: 0,7V bei VDD=+5V und VSS=-5V) größer ist als VDD, so zündet der
Thyristor TY1. Dadurch wird die Spannung am Knoten T1 auf ein unschädliches
Maß begrenzt.
An der Steuerelektrode G' des Thyristors TY fällt dadurch die Spannung von zuvor
VDD auf eine Spannung nahe VSS. Mit der Steuerelektrode G' des Thyristors
TY verbunden ist ein Steuerschaltkreis (Sensorschaltung), welcher
wie im dargestellten Beispiel als einfacher Inverter INV1 ausgebildet
sein kann. Dieser Steuerschaltkreis detektiert das Zünden des
Thyristors TY und schaltet daraufhin den Leitungstreiber O1 aus
(stromlos). Ob der Ausgang des Leitungstreibers O1 dabei hochohmig
wird oder etwa niederohmig das Potenzial VSS annimmt, ist unerheblich.
-
Im dargestellten Beispiel ist der
Eingang des Inverters INV1 ferner über einen Widerstand Rp mit dem
positiven Versorgungspotenzial VDD verbunden, was im ungestörten Betrieb
der Schaltung 10 das Potenzial am Eingang dieses Inverters
auf VDD setzt und dementsprechend am Ausgang des Inverters einen
Spannungspegel pd1 bereitstellt, welcher den Treiber O1 normal arbeiten
lässt.
Bei einem Stromfluss durch den Thyrister TY1 fällt das Potenzial am Eingang
des Inverters ab, so dass der Treiber O1 deaktiviert wird.
-
Nach Abklingen des über den
Anschluss C1 und den Thyristor TY1 abgeleiteten Stroms fällt der Thyristor
wieder in den gesperrten Zustand zurück, wodurch die Spannung an
G' wieder auf VDD ansteigt und der Steuerschaltkreis INV1 den Leitungstreiber
O1 wieder einschaltet, so dass unmittelbar nach dem Abklingen des
Stroms der Betrieb des Kommunikationskanals wieder aufgenommen werden
kann. Tritt am Knoten T1 eine negative Spannung auf, so wird diese über eine
dem Thyristor TY1 parallel geschaltete Diode D1 abgebaut.
-
Der soeben beschriebene Schaltungsteil
ist als ein zweiter Kommunikationskanal nochmals ausgebildet und
im unteren Teil der 2 ersichtlich.
Abweichend von dem ersten Kommunikationskanal ist dieser Kommunikationskanal
jedoch für
einen anderen Signalspannungsbereich auf der betreffenden Signalleitung
L2 ausgelegt, so dass sämtliche
im unteren Teil der Figur dargestellten Komponenten sich in ihrer
Dimensionierung entsprechend von den Komponenten des ersten Kommunikationskanals
unterscheiden, nicht jedoch in ihrer prinzipiellen Funktionsweise.
-
Im Gegensatz zu einem Stand der Technik mit
externen Blitzschutzmaßnahmen
werden durch die Integration sämtlicher
Blitzschutzelemente extern anzuordnende Elemente nicht mehr benötigt, um
einen ausreichenden Schutz der Schaltung vor durch Blitzeinschläge verursachte Überspannungen
zu gewährleisten,
und zwar im Wesentlichen ohne zusätzlichen Kostenaufwand im Rahmen
der Fertigung der integrierten Schaltung.
-
Eine zur Realisierung des Thyristors
TY geeignete CMOS-Struktur ist in 5a dargestellt.
Als Thyristor ist ganz allgemein eine pnpn-Struktur geeignet, bei
der ein mittlerer Bereich (n oder p) als Steuerelektrode kontaktiert
ist (vgl. auch 5b).
-
Selbstverständlich könnte anstatt einer Ableitung
von positiven Überspannungen
mittels eines Thyristors und einer Ableitung negativer Überspannungen
mittels einer Diode auch die umgekehrte Anordnung vorgesehen sein,
bei welcher die positive Spannung über eine Diode und die negative
Spannung über
einen Thyristor abgebaut wird. In diesem Fall ist gegenüber der
dargestellten Ausführungsform die
Polung des Thyristors und der Diode für den betreffenden Kommunikationskanal
umzukehren, wobei dann also die Anode A des Thyristors an VDD und
die Kathode K des Thyristors am zu schützenden Übertragungsknoten T1 läge.
-
3a zeigt
die in 1b schematisch
dargestellte Schaltung 110 detaillierter. Hieraus ist ersichtlich,
dass die Schaltungsanordnung mit einem voll-differenziellen Signal
auf Leitungen La, Lb arbeitet, die über Anschlüsse Ca, Cb, Ca', Cb' wieder
mit einem Ausgangstreiber O und einem Eingangsschaltkreis I verbunden
sind, um ein Signal Sout auszugeben bzw. ein Signal Sin zu empfangen.
Im unteren Teil der Figur erkennt man wieder die mit TYa, TYb bezeichneten
Thyristoren zum Abbau von positiven Überspannungen auf den Leitungen
La, Lb sowie Dioden Da, Db zum Abbau der negativen Überspannungen
auf diesen Leitungen. Der Steuerschaltkreis zum Abschalten des Leitungstreibers
O besteht hier wieder aus einem Inverter INV, dessen Eingang von
den Potenzialen an beiden Steuerelektroden G' beaufschlagt wird
und ferner über
einen Widerstand Rp mit einem Bezugspotenzial Vref verbunden ist. Das
Ausgangssignal pd des Inverters wird wieder einem Steueranschluss
des Leitungstreibers O eingegeben.
-
3b zeigt
einen Teil einer weiteren Ausführungsform,
welche eine Modifikation der in 3a dargestellten
Schaltung einsetzt. Dargestellt sind die Schaltungskomponenten betreffend
einen voll-differenziellen Eingabe/Ausgabe-Kanal einer integrierten Schaltung 110',
bei welcher die Leitungen La, Lb durch einen Doppel-Anoden-Thyristor
TYab abgesichert sind, dessen Aufbau in 5b dargestellt ist. Die Schaltungsanordnung 110' besitzt
weitere, nicht dargestellte Kommunikationsanschlüsse und Thyristoren.
-
4 veranschaulicht
eine weitere Ausführungsform
einer integrierten Schaltung 310 mit einer Vielzahl (1...n)
von jeweils voll-differenziell ausgebildeten Kommunikationskanälen der
in 3a dargestellten
Art.
-
Zusammenfassend wird durch die Erfindung ein
Blitzschutz für
mikroelektronische integrierte Schaltungen bereitgestellt, der nahezu
kostenneutral realisiert werden kann und bei Verwendung in integrierten
Schaltungen mit unterschiedlich ausgebildeten Kommunikationskanälen durch
die Zuordnung jeweils separater Thyristoren optimal angepasst werden
kann, um einen möglichst
störungsarmen
Kommunikationsbetrieb zu ermöglichen.