DE2644597C2 - Temperaturfühler in einer integrierten Halbleiterschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturfühler in einer integrierten Halbleiterschaltung, insbesondere für den Überlastungsschutz, bei dem durch Vcr- Vi gleich der Spannungsabfälle, die an zwei siromdurchflossenen Zweigen auftreten, bei gefährlicher Temperaturerhöhung aus der gegenseitigen Änderung der Spannungsabfälle ein Fehlersignal gebildet wird, wobei die Zweige gebildet werden durch Halblcitcrsireckcn, ins- ->(i besondere Diodenstrecken, gleicher Art, die mil dem zu schützenden Teil thermisch eng gekoppelt sind und die durch unterschiedliche Strombclastung unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei die von einem erheblich größeren Strom durchflossenen Halb- 5^ri leiterstrecken des einen Siromzweiges Elcktrodcnfliichen aufweisen, die nur einen kleinen Bruchteil der Elektrodenflächen der im anderen Stromzweig liegenden Halbleiterstrecken betragen, und wobei die Zahl der Halbleiterstreckcn in dem Zweig mit dem größeren wi Strom geringer ist als in dem anderen Zweig.

Aus der IIS-I⁵S J8 25 778 ist ein temperaturempfindlicher Koiuroll-Schultkrcis der eingangs genannten Art mit einer aus drei Transistoren aufgebauten Temperatur-Meßeinheit bekannt, von denen zwei durch Verbin· h"i den ihrer Basis- und Koilcktoranschlüsse als Dioden geschaltet sind. Einer dieser beiden Transistoren ist mit der Emitier-Basis-Streckc des dritten Transistors in Reihe geschaltet und bildet einen (zweiten) Zweig einer Parallelschaltung, deren erster Zweig von einem anderen als Diode geschalteten Transistor gebildet wird. Beide Zweige sind gegebenenfalls durch gleiche Anzahlen in Reihe geschalteter Dioden bzw. als Dioden geschalteter Transistoren verlängert. Der vom Kollektor des dritten Transistors gelieferte Strom ist klein gegenüber dem Strom im ersten Zweig und kann durch Verlängern der Zweige vergrößert werden oder durch Vergrößerung der effektiven Fläche des Basis-Emitter-Halbleiicrübergangs des dritten Transistors im Verhältnis zu der des anderen Transistors.

Eine solche Schaltung ist von den Fertigungstoleranzcn der Elektrodenflächen abhängig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Schaltung so auszubilden, daß sich die Einflüsse der Fertigungstoleranzen der Halbleiterstrecken in den beiden Stromzweigen weitgehend kompensieren derart daß der Temperaturwert für das Einsetzen des Fehlersignals weitgehend konstant ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nach der Erfindung durch Wahl des Verhältnisses von Länge zu Breite bzw. durch Aufteilung in Teilflächen der für die spezifische Strombelastung maßgebenden Halbleiterelektrodenflächen der Einfluß der Abmessungstoleranzcn dieser Flächen auf die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten ausgeglichen oder wenigstens vermindert wird derart, daß die Schwelle für das Fehlersignal praktisch nicht vom Sollwert abweicht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

An einer Spannungsquelle + U von z. B. 20 V, deren negativer Pol geerdet ist, liegen zwei Stromzweige, von denen der erste aus einer Reihenschaltung besteht, die zwei Dioden D\ und Dj mit an Erde liegender Kathode enthält und weiter einen Widerstand Wi, dessen Anode der Diode 1 abgewandtes Ende am Kollektor eines Transistors 7Ί liegt, dessen Emitter über einen Widerstand Ri von 300 Ohm an + U liegt. Der zweite Zweig besteht aus zwei Dioden D₅ und D«, deren Kathode an Erde liegt und deren Anode mit dem Emitter eines npn-Transistors T₄ verbunden ist. Dessen Kollektor ist an den Kollektor eines pnp-Trannistors Ti angeschlossen, dessen Emitter über einen Widerstand R) von 3,6 kOhm an + U liegt. Die Basen der Transistoren Ti und Ti sind verbunden und außerdem an den Emitter eines pnp-Transistors T> angeschlossen, dessen Basis am Kollektor des pnp-Transistors T\ liegt und dessen Kollektor geerdet ist.

An die Verbindung der Kollektoren der Transistoren Ti und T₄ ist die Ausgangsklemme A angeschlossen, der das Fehlersignal entnommen wird. Dieses wird der Basi; eines pnp-Transistors Tj zugeführt, der ein zusätzliche· mit der Basis verbundenes Kollektorsegment aufweist wodurch engere Grenzen für die Toleranz der Strom verstärkung erreicht werden. Der freie Kollektor de: Transistors T, ist mit Erde verbunden, und an seinen Emitter liegt die Basis eines weiteren pnp-Transistors T von gleicher Art, die weiter über einen Widerstand R mit + U verbunden ist. an der auch der Emitter angc schlossen ist. Der freie Kollektor des Transistors 7;, lieg an der Basis eines npn-Transislors /.. die über eine Widerstand K₄, ebenso wie der Emitter über einen Wi| dersiand W-,. an Erde angeschlossen ist.

/wei Transistoren 7_H und T, in Darlingtonschallun deren Ansteuerung und Ausgangsbclastung im übrig'.· nicht ilaigstcllt sind, bilden eine stark belastete Stufi /. Ii. die Endstufe für die Ansteuerung der Vertikala

lenkung in einem Fernsehempfänger. Der Basis des Transistors Ti wird von einer Stromquelle /j, die mit einer ggf. höheren Speisespannung + V verbunden ist, ein steuernder Basisstrom zugeführt. Die Kollektoren der Transistoren T* und Tm liegen ebenfalls an + V; der Emitter des Transistors 7s liegt in irgendeiner Weise über eine Belastung ß an Erde. Das Material, auf dem die Transistoren Ti und Tm angebracht sind, ist über eine thermische Kopplung Ti, die symbolisch durch ein Rechteck mit gestrichelten Verbindungslinien für d'e ausgeübte Wirkung dargestellt ist, mit dem Material der Dioden D\ bis D« und des Transistors Ti verbunden.

Die Schaltung arbeitet wie folgt:

Die Elektrodenflächen der Dioden Di und D> betragen nur 'Λο der Diodenflächen der Dioden Ds und D* sowie des Transistors Ti. Durch die Dioden D\ und Dj fließt ein Strom, der durch die in diesem Zweig angebrachten Schaltelemente, insbesondere den Widerstand :' Ru bedingt ist und der z. B. ein Milliampere betragen kann. Die Transistoren Ti und Ti bilden zusammen eine Stromspiegelschaltung. Solange die Temperatur unterhalb des kritischen Wertes ist, liegt die Spannung an der Basis des Transistors Ti, bei der dieser mit seinen Emitterdioden Dj und Da leitend würde, erheblich über dem an den Dioden Di und D₂ auftretenden Spannungsabfall. Der Transistor Ti und der Kollektor des Transistors Tj führen keinen Strom. Die Stromspiegelschaltung erzwingt gleiche Basisspannungen der Transistoren Ti und Ty, es fließt daher ein entpsrechend starker Basis-Emitter-Strom, der am Widerstand Ri einen entsprechenden Spannungsabfall hervorruft. Der Transistor Tj dient dazu, den Basisstrom für die Transistoren Ti und Tj zu liefern, wobei nur ein geringer Stromanteil von dem den Widerstand Ri durchfließenden Strom entnommen zu werden braucht.

Die Ausgangsklemme A ist stromlos, die Transistoren Ts, Tj, und Tj sind gesperrt. Der Strom Λ steuert unvermindert die Transistoren Τ« und T*

Wenn nun der Endstufentransistor Tm eine bestimmte Temperatur erreicht hat, wird die Erwärmung über die thermische Kopplung Th auf die Halbleiterbauelemente Di bis D₄ und Ti übertragen. Deren Elektrodenflächen sind so gewählt, daß bei der betreffenden Grenztemperatur der Spannungsabfall der Dioden Di und D; bei dem hindurchfließenden Strom gleich ist der Spannung für das Einsetzen des Stromes durch die drei anderen Halbleiterbauelemente Dj, D* und T). Dann fließt im Transistor Ti ein Kollektorstrom und ein etwa entsprechender Emitterstrom auch durch die Dioden ΖΛ und D₄. Durch die Stromspiegelschaltung Ti und T> wird der Strom, den der Kollektor des Transistors Tj vom Kollektor des Transistors T₄ aufnehmen kann, auf einen festen Bruchteil, z. B. ein Zehntel, als 0,1 Milliampere, des Stromes durch den ersten Zweig mit den Dioden Di und Di begrenzt. Wird infolge etwas höherer Erwärmung der Koüektorstrom des Transistors T₄ größer, so fließt er über die Ausgangsklemme A in die Transistoren T5, Tb und Tj. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß durch Leiten des Transistors T₇ der Steuerstrom /1 wenigstens zu einem Teil übernommen wird derart, daß die Ansteuerung des Endstufentransistors Tm entsprechend reduziert wird. Die Stromverstärkungsfaktoren des Transistors Ts und T_b sind z. B. je auf den Wert 5 begrenzt und der des Transistors T; durch den Emitter-Gcgenkopplungswiderstand fo auf einen Wen von 10, insgesamt also 250. Dadurc-'h wird verhindert, daß infolge zu großer Schleifenvers'iarkung ein Schwingen des über die thermische Kopp'ung und die Rückregelung gebildeten Regelkreises auftritt.

Dadurch, daß die Flächen der Dioden D\ und D2 gegenüber den Flächen der zugeordneten Bauelemente Di, D₄ und Ti nur ¹Ao betragen, der im Grenzbereich vorgesehene Strom jedoch lOmal so groß ist, wird eine um den Faktor 100 unterschiedliche spezifische Strombelastung erreicht Dadurch werden für die Anfangsspannung von niedrigeren Temperaturen zu höheren Temperaturen unterschiedlich geneigte Kurven erreicht, die infolge der unterschiedlichen Zahl der HaIbleiterelcmente auch von verschiedenen Anfangswerten ausgehen. Es ergeben sich beträchtliche Unterschiede im Temperaturkoeffizienten und so ein entsprechend steiler Schnittpunkt zwischen den Kurven der Spannungsabfälle in Abhängigkeit von der Temperatur. Man kann somit durch geeignete Wahl, wie sie beispielsweise in der dargestellten Schaltung getroffen wurde, erreichen, daß bei einer bestimmten Temperatur ein Schnittpunkt der Kurven auftritt, bei dem in dieser Schaltung der Transistor T₄ aufgesteuert wird. Der Transistor T₄ wirkt also einerseits mit bei der Bildung der betreffenden tcmperaturabhängigcn Anfangsspannung und dient andererseits als Element, das oberhalb des betreffenden Schnittpunktes ein Ausgangssignal (Fehlersignal) liefert.

Ersichtlich wird so ein im Aufbau einfacher und in der Wirkung zuverlässiger Temperaturfühler erhalten.

Infolge der in einer integrierten Schaltung möglichen Toleranzen kann der Ausgangstrom des Temperaturfühlers an der Klemme A gegenüber dem Steuerstrom /1 bei gleicher Temperatur ein unterschiedliches Verhältnis haben, so daß die Temperatur, bei der eine bestimmte Reduzierung des Stromes Λ erreicht wird, einen gewissen Streuungsbereich aufweist. Diese Streuung kann vermindert werden, wenn zwischen dem Steuer-

J5 strom /| und dem über den Widerstand R\ in die Dioden Di und Di fließenden Strom eine Proportionalität hergestellt wird.

Durch Toleranzabweichungen bei der Herstellung können die Elektrodenflächcn in einer integrierten Schaltung bei unterschiedlichen Exemplaren gewisse Abweichungen zeigen. Diese Abweichungen wirken sich auf die spezifische Strombelastung der verwendeten Halbleitersirecken (pn-Übergänge) aus und können zu Abweichungen in der Grenztemperatur führen. Diese Toleranzen der Abmessungen sind in der Regel linear gleich, d. h. wenn die eine Sollbreite 20 Mikron und die andere 60 Mikron beträgt, können diese Abmessungen in einem bestimmten Fall auf 21 bzw. 61 Mikron verändert werden.

Da der prozentuale Einfluß somit abhängig ist von der beireffenden linearen Dimension, kann nach der Erfindung durch Änderung des Vehältnisses von Länge und Breite bzw. durch Aufteilung in Teilflächen den einzelnen Elektroden eine unterschiedliche prozentuale Abhängigkeit von solchen Fertigungstoleranzen gegeben werden derart, daß die prozentuale Flächentoleranz der Halbleiterelemente des einen Zweiges gleich ist der prozentualen Flächentoleranz der Halbleiterelemente des anderen Zweiges. Dann ist das Fläclienverhältnis

bo unabhängig von diesen Fertigungstoleranzen konstant. So läßt sich erreichen, daß der Schnittpunkt der zugeordneten Spannungen in beiden Zweigen stets annähernd bei der gleichen Temperatur liegt und somit alle Temperaturfühler auch bei unterschiedlicher Hetstel-

tr> lung praktisch gleiche Eigenschaften haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   !.Temperaturfühler in einer integrierten Halbleiterschaltung, insbesondere für den Überlastungsschutz, bei dem durch Vergleich der Spannungsahfälle, die an zwei stromdurchflossenen Zweigen auftreten, bei gefährlicher Temperaturerhöhung aus der gegenseitigen Änderung der Spannungsabfall* ein Fehlersignal gebildet wird, wobei die Zweige gebildet werden durch Halbleiterstrecken, insbesondere Diodenstrecken, gleicher Art. die mit dem zu schützenden Teil thermisch eng gekoppelt sind und die durch unterschiedliche Strombelastung unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei die von einem erheblich größeren Strom durchflossenen Halbleiterstrecken (Du D₂) des einen Siromzweiges Elektrodenflächen aufweisen, die nur einen kleinen Bruchteil der Elektrodenflächen der im anderen Stromzweig liegenden Halbleiterstrekken (Dj, Da, Tt) betragen, und wobei die Zahl der Halbleiterstrecken in dem Zweig mit dem größeren Strom geringer ist als in dem anderen Zweig, d a durch gekennzeichnet, daß durch Wahl des Verhältnisses von Länge zu Breite bzw. durch Aufteilung in Teilflächen den für die spezifische Strombelastung maßgebenden Halbleiterelektrodenflächen der Einfluß der Abmessungsioleranzen dieser Flächen auf die unterschiedlichen Tempcraturkocffizienten ausgeglichen oder wenigstens vermindert κι wird derart, daß die Schwelle für das Fehlcrsignal praktisch nicht vom Sollwert abweicht.
2. 2. Temperaturfühler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Zweig (Du D₄) einen Transistor (Ta) enthält, dessen Basis mit der r> anderen Halbleitcrstreckc (D₁, D₂) verbunden ist und dessen Kollektor das Fchlcrsignal entnommen wird.