PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006021847A1 22.11.2007
Titel Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen und Verfahren zur Ableitung von elektrostatischen Entladungen
Anmelder austriamicrosystems AG, Unterpremstätten, AT
Erfinder Frankhauser, Bernd, Graz, AT;
Unterleitner, Franz, Kalsdorf, AT;
Maier, Dieter, Ludmannsdorf, AT
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 10.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006021847
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H02H 9/04(2006.01)A, F, I, 20060510, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 23/60(2006.01)A, L, I, 20060510, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen umfasst ein Ableitelement (T1), das zwischen einen ersten und einen zweiten Anschluss (K1, K2) geschaltet ist und einen Steuereingang (B) aufweist, über den das Ableitelement (T1) leitend gesteuert werden kann. Zudem ist ein Triggerelement (TR1) vorgesehen, das einen Triggerausgang (TA1) zur Abgabe eines Triggersignals in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (K1, K2) aufweist. Die Schaltungsanordnung umfasst ferner eine Verstärkereinheit (V1), die eingangsseitig mit dem Triggerausgang (TA1) und ausgangsseitig mit dem Steuereingang (B) gekoppelt ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen sowie ein Verfahren zur Ableitung von elektrostatischen Entladungen.

Bei elektrostatischen Entladungen, englisch: electrostatic discharge, ESD, treten hohe Spannungen beispielsweise zwischen Anschlüssen einer elektrischen Schaltung auf. Dies kann zu hohen Strömen durch die Schaltung führen. Insbesondere bei integrierten Schaltungen ist es möglich, dass dadurch eine Zerstörung der Schaltung erreicht wird.

Zum Schutz einer Schaltung vor elektrostatischen Entladungen können Schutzschaltungen vorgesehen werden, die im Fall einer elektrostatischen Entladung, also beim Auftreten einer hohen Spannung, einen Strom ableiten und so die elektrische Schaltung vor Zerstörung bewahren können.

11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Schaltung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen für positive Signalspannungen. Als ein Ableitelement ist ein PNP-Bipolar-Transistor T1 zwischen Anschlüsse K1, K2 geschaltet. Zusätzlich sind die Anschlüsse K1, K2 über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R1 und einer Zenerdiode D1 gekoppelt. Der Verbindungsknoten der Bauteile in der Reihenschaltung ist an den Steueranschluss beziehungsweise Basisanschluss B des Transistors T1 angeschlossen.

Insbesondere bei Schaltungen im Halbleiterbereich, die mit höheren Signalspannungen oder Betriebsspannungen arbeiten, werden in Schutzschaltungen oft PNP-Transistoren als Ableitelemente verwendet, da diese im Gegensatz zu NPN-Transistoren keinen Spannungsrückschlag, englisch: snapback aufweisen. Ein Ableitelement mit Spannungsrückschlag geht nach einem Zünden in einen niederohmigen Zustand und bewirkt einen Abfall der über dem Ableitelement anliegenden Spannung. Dies ist beispielhaft in einem Spannungs-Stromdiagramm eines Ableitelements in 12 gezeigt. In dem Diagramm ist ein Strom I durch ein Ableitelement in Abhängigkeit einer Spannung V über dem Ableitelement dargestellt. Ausgehend von einer niedrigen Spannung gelangt das Ableitelement bei einer Erhöhung der Spannung auf oder über eine Durchbruchspannung VBP in einen leitenden Zustand, wodurch ein Strom zu fließen beginnt. Gleichzeitig fällt aber die Spannung über dem Ableitelement zunächst auf eine Haltespannung VH ab. Strom und Spannung können von diesem Punkt an weiter ansteigen.

Bei Anwendungen mit niedrigeren Betriebsspannungen, beispielsweise einer Betriebsspannung VNV, liegt die Haltespannung VH über der Betriebsspannung VNV der Schaltungsanordnung und führt zu keinem Ansteigen des Stroms durch das Ableitelement. Bei höheren Betriebsspannungen kann die Haltespannung VH beispielsweise unter einer anderen Betriebsspannung VHV liegen. Bei. einem Auslösen eines Ableitelements mit einem Spannungsrückschlag kann die Versorgungsspannung VHV über dem niederohmigen Ableitelement anliegen und einen hohen Stromfluss bewirken, der bis zur Zerstörung des Ableitelements führen kann.

Wenn in 11 die Spannung zwischen Emitter E und Kollektor C des Transistors T1 die Zenerspannung der Zenerdiode D1 übersteigt, kann ein Strom aus der Basis des Transistors T1 fließen, wodurch der Transistor T1 aufgesteuert wird und zu leiten beginnt. Eine Zenerdiode liefert aber in der Regel relativ wenig Triggerstrom zum Aufsteuern des Transistors. Die Zenerdiode D1 sollte deshalb ausreichend groß dimensioniert werden, um einen notwendigen Triggerstrom für ein sicheres Aufsteuern des Transistors T1 zu liefern.

13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Schaltung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen für positive und negative Signalspannungen. Zwischen die Anschlüsse K1, K2 ist der PNP-Transistor T1 geschaltet. Der Basisanschluss B des Transistors T1 ist nicht angeschlossen. Damit eine derartige Schaltungsanordnung für positive und negative Signalspannungen verwendet werden kann, ist es sinnvoll, dass die Basis B des Transistors T1 bezüglich ihres Potenzials schweben kann, englisch: float, also nicht an eine festes Potenzial angeschlossen ist. Dadurch soll erreicht werden, dass weder in positiver noch in negativer Richtung eine interne Diode des Bipolartransistors T1 in Durchlassrichtung geschaltet ist.

Im Normalbetrieb, das heißt, wenn keine elektrostatische Entladung auftritt, sollte der Transistor T1 ausgeschaltet, also nicht leitend sein. Im Fall einer elektrostatischen Entladung übersteigt die Spannung zwischen Emitter E und Kollektor C des Transistors T1 eine normale Betriebsspannung des Transistors, wodurch er leitend wird. Beispielsweise kann bei einem positiven Impuls einer elektrostatischen Entladung zwischen Emitter E und Kollektor C der PN-Übergang zwischen Basis B und Kollektor C durchbrechen und damit den Transistor T1 aufsteuern. Alternativ kann beispielsweise bei einem negativen Impuls einer elektrostatischen Entladung der PN-Übergang zwischen Basis B und Emitter E durchbrechen, wodurch der Transistor T1 aufgesteuert wird. Jedoch ist üblicherweise der durch den Impuls der elektrostatischen Entladung erzeugte Basisstrom im Transistor T1 gering, so dass die Effektivität einer derartigen Anordnung in der Regel unzureichend ist.

Mit den beschriebenen Anordnungen kann somit nicht gewährleistet werden, dass ein Ableitelement sicher aufgesteuert wird. Demzufolge kann ein Strom, der durch eine Überspannung aufgrund einer elektrostatischen Entladung hervorgerufen ist, nicht sicher von einer zu schützenden Schaltung abgeleitet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, mit der ein Ableiten von elektrostatischen Entladungen mit verbesserter Zuverlässigkeit erfolgt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, bei dem eine Zuverlässigkeit beim Ableiten von elektrostatischen Entladungen verbessert ist.

Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Aufgabe wird beispielsweise gelöst durch eine Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen, die ein Ableitelement umfasst, das zwischen einen ersten und einen zweiten Anschluss geschaltet ist und einen Steuereingang aufweist, über den das Ableitelement leitend gesteuert werden kann. Zudem umfasst die Schaltungsanordnung ein erstes Triggerelement, das einen ersten Triggerausgang zur Abgabe eines ersten Triggersignals in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufweist, sowie eine erste Verstärkereinheit, die eingangsseitig mit dem ersten Triggerausgang und ausgangsseitig mit dem Steuereingang gekoppelt ist.

Wenn beispielsweise eine elektrostatische Entladung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss auftritt, kann dies von dem ersten Triggerelement erkannt werden. In diesem Fall kann das erste Triggerelement ein Triggersignal abgeben, welches von der ersten Verstärkereinheit verstärkt wird. Das verstärkte Triggersignal kann dem Ableitelement über den Steuereingang zugeführt werden, um das Ableitelement in einen leitenden, niederohmigen Zustand zu versetzen. Ein durch die elektrostatische Entladung hervorgerufener Strom kann über das Ableitelement abfließen. So können beispielsweise Bauteile einer Schaltung, die an den ersten und zweiten Anschluss angeschlossen ist, vor einer Zerstörung bewahrt werden. Durch das Verstärken des Triggersignals kann gewährleistet werden, dass auch bei einem kleinen Triggersignal des ersten Triggerelements, beispielsweise einem geringen Triggerstrom, das Ableitelement sicher in einen leitenden Zustand versetzt wird und elektrostatische Entladungen mit verbesserter Zuverlässigkeit abgeleitet werden können.

Das Ableitelement kann einen Transistor umfassen, dessen gesteuerte Strecke zwischen den ersten und den zweiten Anschluss geschaltet ist. Beispielsweise umfasst das Ableitelement dafür einen PNP-Bipolar-Transistor oder einen p-Kanal-Feldeffekttransistor. Durch das Aufsteuern der gesteuerten Strecke des Transistors im Ableitelement in einen niederohmigen Zustand kann ein Strom aufgrund einer elektrostatischen Entladung über den Transistor abgeleitet werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die erste Verstärkereinheit wenigstens einen Transistor, der einen mit dem ersten Triggerausgang gekoppelten Steueranschluss aufweist. Das Triggersignal kann somit über einen transistorbasierten Verstärker verstärkt werden. Zum Verstärken des Triggersignals können auch mehrere Transistoren hintereinander zur Verstärkung geschaltet werden. Beispielsweise wird aus mehreren Transistoren eine Verstärker-Kaskade gebildet.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung ein zweites Triggerelement, das einen zweiten Triggerausgang zur Abgabe eines zweiten Triggersignals in Abhängigkeit der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufweist, und eine zweite Verstärkereinheit, die eingangsseitig mit dem zweiten Triggerausgang und ausgangsseitig mit dem Steuereingang gekoppelt ist.

Durch das Vorsehen eines zweiten Triggerelements mit nachgeschalteter Verstärkereinheit, können in der Schaltungsanordnung Triggersignale für unterschiedliche Spannungen zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss abgegeben werden. Beispielsweise ist das erste Triggerelement dazu eingerichtet, das erste Triggersignal abzugeben, wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss einen positiven Schwellwert überschreitet. Das zweite Triggerelement kann dazu eingerichtet sein, das zweite Triggersignal abzugeben, wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss einen negativen Schwellwert unterschreitet.

Bei einer positiven Spannungsspitze aufgrund einer elektrostatischen Entladung mit einer positiven Spannung, die betragsmäßig größer oder positiver als der positive Schwellwert ist, gibt das erste Triggerelement das erste Triggersignal ab. Das zweite Triggerelement gibt das zweite Triggersignal ab, wenn eine negative Spannungsspitze zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss aufgrund einer elektrostatischen Entladung mit einer negativen Spannung auftritt, die betragsmäßig größer oder negativer ist als der negative Schwellwert. Es wird also jeweils ein Triggersignal abgegeben, wenn der Betrag der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss größer ist als der jeweilige Betrag des Schwellwerts.

In einer Ausführungsform umfasst die zweite Verstärkereinheit wenigstens einen Transistor, der einen mit dem zweiten Triggerausgang gekoppelten Steueranschluss aufweist. Somit kann auch in der zweiten Verstärkereinheit die Verstärkung des Triggersignals über einen oder mehrere Transistoren erfolgen.

Das erste Triggerelement kann zwischen den ersten und den zweiten Anschluss geschaltet sein. Zudem kann das erste Triggerelement eine Zenerdiode umfassen.

Auch das zweite Triggerelement kann zwischen den ersten und den zweiten Anschluss geschaltet sein. Ebenso kann das zweite Triggerelement eine Zenerdiode umfassen. Die Abgabe der jeweiligen Triggersignale kann somit von der Zenerspannung der jeweiligen Zenerdiode abhängen.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Ableitung von elektrostatischen Entladungen. Dabei wird ein Triggersignal in Abhängigkeit einer Spannung zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss erzeugt. Das Triggersignal wird verstärkt. In Abhängigkeit des verstärkten Triggersignals werden der erste und der zweite Anschluss leitend verbunden.

Wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss bestimmte Schwellwerte überschreitet oder unterschreitet, kann ein Triggersignal erzeugt werden. Um eine ausreichende Größe des Triggersignals zu gewährleisten, wird das Triggersignal verstärkt. In Abhängigkeit des verstärkten Triggersignals werden der erste und zweite Anschluss leitend miteinander verbunden, sodass ein Stromfluss, der aufgrund der hohen Spannung bei einer elektrostatischen Entladung auftritt, über diese leitende Verbindung erfolgt. Dadurch können Bauelemente einer Schaltung, die am ersten und zweiten Anschluss angeschlossen ist, vor einer Zerstörung durch zu hohe Ströme aufgrund elektrostatischer Entladung bewahrt werden. Durch das Verstärken des Triggersignals wird eine Zuverlässigkeit beim Ableiten von elektrostatischen Entladungen verbessert.

Beispielsweise kann das leitende Verbinden des ersten und zweiten Anschlusses mittels eines PNP-Bipolar-Transistors oder eines p-Kanal-Feldeffekttransistors erfolgen.

Das Triggersignal kann erzeugt werden, wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss einen positiven Schwellwert überschreitet oder wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss einen negativen Schwellwert unterschreitet. Somit können sowohl elektrostatische Entladungen mit einem positiven Impuls als auch elektrostatische Entladungen mit einem negativen Impuls sicher abgeleitet werden. Ein Verstärken des Triggersignals kann über wenigstens einen Transistor erfolgen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erläutert.

Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

3 in drittes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

5 ein erstes beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm unter Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

7 ein zweites beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm unter Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

8 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

9 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

10 ein drittes beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm unter Verwendung einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

11 ein erstes Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischer Entladung,

12 ein Spannungs-Stromdiagramm eines Ableitelements und

13 ein zweites Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischer Entladung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen. Dazu ist als Ableitelement T1 ein PNP-Bipolar-Transistor vorgesehen, der zwischen einen ersten Anschluss K1 und einen zweiten Anschluss K2 geschaltet ist. Emitteranschluss E und Steuereingang beziehungsweise Basisanschluss B sind über einen Widerstand R1 gekoppelt. Der Widerstand R1 kann dabei auch parasitär im Transistor T1 integriert sein. Zudem ist ein erstes Triggerelement TR1 vorgesehen, welches zwischen den Steuereingang B und den zweiten Anschluss K2 geschaltet ist. Das erste Triggerelement umfasst eine Zenerdiode D1 und einen Widerstand R2. Ein Verbindungsknoten der Zenerdiode D1 und des Widerstands R2 bildet einen ersten Triggerausgang TA1. Daran angeschlossen ist eine erste Verstärkereinheit V1, die ausgangsseitig an den Steuereingang B angeschlossen ist.

Die Anschlüsse K1, K2 können beliebige Anschlüsse einer zu schützenden elektronischen Schaltung, insbesondere einer integrierten Schaltung sein. Die Anschlüsse K1 und K2 können von der zu schützenden Schaltung als Anschlüsse zur Zufuhr oder Abgabe von Signalen oder auch als Versorgungsanschlüsse für eine Betriebsspannung verwendet werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die zu schützende Schaltung an den Anschlüssen K1, K2 mit positiven Signalspannungen arbeitet, das heißt, ein Potenzial am ersten Anschluss K1 ist in der Regel höher als ein Potenzial am zweiten Anschluss K2. Die zu schützende Schaltung ist in 1 nicht eingezeichnet.

Im Normalfall, wenn also keine elektrostatische Entladung auftritt, fließt kein Strom über den Widerstand R1 und durch die erste Triggerschaltung TR1. Durch den Widerstand R1 kann gewährleistet werden, dass Basis B und Emitter E des Transistors T1 keinen Potenzialunterschied aufweisen. Da im Transistor T1 zudem kein Basisstrom über den Steuereingang B fließt, befindet sich der Transistor T1 somit im Normalfall nicht in einem leitenden Zustand.

Im Fall einer elektrostatischen Entladung steigt die Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss K1, K2 deutlich an. Dies führt zu einem Zenerdurchbruch der Zenerdiode D1 im ersten Triggerelement TR1, was einen Stromfluss vom ersten Anschluss K1 über den Widerstand R1, die Zenerdiode D1 und den Widerstand R2 zum zweiten Anschluss K2 bewirkt. Dadurch wird am Triggerausgang TA1 ein Triggersignal abgegeben, welches von der Verstärkereinheit V1 verstärkt wird. Über den Steuereingang B versetzt die Verstärkereinheit V1 das Ableitelement T1 mit dem verstärkten Triggersignal in einen leitenden Zustand. Ein Stromfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss K1, K2 erfolgt so im Wesentlichen über die leitende Verbindung der Anschlüsse K1, K2 durch das Ableitelement T1.

Dies geschieht so lange, bis die elektrostatische Entladung abgeleitet ist.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen. Die erste Verstärkereinheit V1 umfasst hierbei einen Widerstand R3, einen selbstsperrenden N-Kanal-Feldeffekttransistor, dessen Steuereingang oder Gate mit dem Triggerausgang TA1 gekoppelt ist, und einen selbstsperrenden p-Kanal-Feldeffekttransistor T2, dessen Gate-Anschluss zwischen dem Widerstand R3 und dem Transistor T3 angeschlossen ist. Als Ausgang der Verstärkereinheit V1 ist der Transistor T2 mit dem Steuereingang B gekoppelt.

Im normalen Betrieb wird die Zenerspannung der Zenerdiode D1 nicht überschritten. Daher bleibt der Transistor T3 wegen der geringen Spannung über den Widerstand R2 in einem ausgeschalteten, nicht leitenden Zustand, wodurch auch der Transistor T2 in einem nicht leitenden Zustand gehalten wird.

Im Fall einer elektrostatischen Entladung, wenn also die Spannung zwischen Emitter E und Kollektor C des Ableitelements T1 stark zu steigen beginnt, wird die Zenerspannung der Zenerdiode D1 überschritten und es beginnt ein Strom durch sie zu fließen. Dieser verursacht einen Spannungsabfall am Widerstand R2, welcher als Triggersignal das Gate des Transistors T3 auf steuert. Je höher die durch die elektrostatische Entladung erzeugte Spannung wird, desto höher wird der Strom durch die Zenerdiode D1. Proportional dazu steigt auch der Spannungsabfall am Widerstand R3, wodurch die Leitfähigkeit des Transistors T3 weiter erhöht wird.

Durch den Stromfluss über den Transistor T3 und den Widerstand R3 wird das Gate des p-Kanal-Feldeffekttransistors T2. entladen und der Transistor T2 dadurch niederohmig gesteuert. Durch das niederohmige Verbinden des Steuereingangs B mit dem zweiten Anschluss K2 wird somit als verstärktes Triggersignal der Basisstrom des Ableitelements T1 über den Transistor T2 erzeugt. Dadurch wird das Ableitelement T1 leitend gesteuert und die elektrostatische Entladung kann über das Ableitelement T1 mit verbesserter Zuverlässigkeit abgeleitet werden.

Üblicherweise erhöht sich bei steigender Spannung durch die elektrostatische Entladung die Leitfähigkeit der Transistoren T1, T2, T3, wodurch die elektrostatische Entladung besser abgeleitet wird.

Die Zenerdiode D1 könnte in den gezeigten Ausführungsbeispielen anstelle an den Steuereingang B auch direkt an den ersten Anschluss K1 angeschlossen werden.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen, mit der auch elektronische Schaltungen geschützt werden können, bei denen an den zu schützenden Anschlüssen positive und negative Signalspannungen beziehungsweise Betriebsspannungen auftreten können. Dazu sind neben dem ersten Triggerelement TR1 mit nachgeschalteter Verstärkereinheit V1 ein zweites Triggerelement TR2 und eine zweite Verstärkereinheit V2 vorgesehen. Das zweite Triggerelement TR2 umfasst einen Widerstand R4 und eine Zenerdiode D2, die im Vergleich zur Diode D1 mit umgekehrter Polarität vorgesehen ist. Das erste und das zweite Triggerelement TR1, TR2 sind in Reihe zwischen den ersten und den zweiten Anschluss K1, K2 geschaltet.

Der PNP-Transistor T1 ist in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise symmetrisch aufgebaut, er weist also im Wesentlichen gleich große und gleich dotierte P-Gebiete auf.

Unabhängig von einer Polarität einer Spannung zwischen den Anschlüssen K1, K2 ist eine der Zenerdiode D1, D2 in Durchlassrichtung geschaltet. Da aber im Normalbetrieb, also ohne elektrostatische Entladung, die jeweils andere Zenerdiode in einem gesperrten Zustand ist, kommt es in diesem Fall dennoch zu keinem Stromfluss über die Triggerelemente TR1, TR2. Erst beim Auftreten einer elektrostatischen Entladung kommt es bei einer der Zenerdioden D1, D2 zu einem Zenerdurchbruch und damit zu einem Stromfluss über die Zenerdioden D1, D2.

Wenn sich eine hohe positive Spannung, die größer als ein positiver Schwellwert ist, aufgrund einer elektrostatischen Entladung mit positivem Impuls zwischen dem ersten und zweiten Anschluss K1, K2 ergibt, kommt es bei der Zenerdiode D1 zum Zenerdurchbruch, wodurch das erste Triggersignal über den Triggerausgang TA1 an die erste Verstärkereinheit V1 abgegeben und von dieser verstärkt wird. Das verstärkte erste Triggersignal steuert das Ableitelement T1 in einen leitenden Zustand, so dass die elektrostatische Entladung über das Ableitelement T1 abgeleitet wird.

Wenn eine hohe negative Spannung, die kleiner als ein negativer Schwellwert ist, aufgrund eines negativen Impulses einer elektrostatischen Entladung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss auftritt, erfolgt ein Zenerdurchbruch bei der Zenerdiode D2. Dadurch wird das zweite Triggersignal erzeugt und über den zweiten Triggerausgang TA2 an die zweite Verstärkereinheit V2 abgegeben. Das verstärkte zweite Triggersignal dient wiederum zum Auf steuern des Ableitelements T1 in einen leitenden Zustand.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Das erste Triggerelement TR1 und die erste Verstärkereinheit V1 entsprechen dabei der in 2 gezeigten Anordnung. Die zweite Verstärkereinheit V2 umfasst einen selbstsperrenden p-Kanal-Feldeffekttransistor T4, dessen Gate-Anschluss mit dem zweiten Triggerausgang TA2 gekoppelt ist. Ausgangsseitig ist die zweite Verstärkereinheit V2 mit dem Steuereingang B gekoppelt.

Bei einem positiven Impuls einer elektrostatischen Entladung und einer sich daraus ergebenden positiven Spannung zwischen den Anschlüssen K1, K2 kann es zu einem Zenerdurchbruch der Zenerdiode D1 kommen. Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung für diesen Fall entspricht der Wirkungsweise der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung.

Für eine negative Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss K1, K2 aufgrund elektrostatischer Entladung wird die Zenerspannung der Zenerdiode D2 überschritten und es beginnt ein Strom durch sie zu fließen. Dieser Strom verursacht einen Spannungsabfall am Widerstand R4, durch den das Gate des p-Kanal-Feldeffekttransistors T4 aufgesteuert wird. Da der p-Kanal-Feldeffekttransistor T4 mit dem Steuereingang B des Ableitelements T1 verbunden ist, wird auch dieses aufgesteuert, so dass die Anschlüsse K1, K2 niederohmig über das Ableitelement T1 verbunden werden. Die elektrostatische Entladung kann somit wiederum über das Ableitelement sicher abgeleitet werden.

5 zeigt ein beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm gemäß einer Schaltungsanordnung nach 3 oder 4. Dargestellt ist der Strom über das Ableitelement T1 in Abhängigkeit der Spannung zwischen den Anschlüssen K1, K2. Für positive Spannungen ist ein nennenswerter Stromfluss erst ab einem positiven Schwellwert VBP erkennbar. Ebenso fließt ein nennenswerter Strom für negative Spannungen erst ab einem negativen Schwellwert VBN. Dadurch ist es möglich, dass eine zu schützende Schaltung an den Anschlüssen K1, K2 mit Signalspannungen oder Betriebsspannungen betrieben wird, die positive oder negative Polarität aufweisen und dabei zwischen dem negativen Schwellwert VBN und dem positiven Schwellwert VBP liegen. Ein Auslösen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, das heißt, ein niederohmiges Verbinden des ersten und zweiten Anschlusses K1, K2 erfolgt somit nur, wenn höhere beziehungsweise niedrigere Spannungen als die jeweiligen Schwellwerte an den Anschlüssen K1, K2 anliegen, beispielsweise aufgrund einer elektrostatischen Entladung.

6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Zusätzlich zu der in 4 gezeigten Anordnung sind ein Widerstand R5 und ein NPN-Bipolar-Transistor T5 vorgesehen. Der Widerstand R5 ist zwischen den ersten Anschluss K1 und den Transistor T4 geschaltet. Der Transistor T5 ist mit dem ersten Anschluss K1 und mit dem Steuereingang B gekoppelt. Der Steueranschluss des Transistors T5 ist an den Verbindungsknoten des Widerstands R5 und des Transistors T4 angeschlossen.

Wenn die Zenerdiode D2 für eine hohe negative Spannung zwischen den Anschlüssen K1, K2 in den leitenden Zustand übergeht und das zweite Triggersignal den Transistor T4 leitend auf steuert, so wird über den Stromfluss über den Transistor T4 auch ein Spannungsabfall über den Widerstand R5 erzeugt. Der Transistor T5 wird durch den immer größer werdenden Spannungsabfall über den Widerstand R5 aufgesteuert und hilft mit, das Ableitelement T1 auf zusteuern. Der verwendete NPN-Transistor T5 kann so dimensioniert werden, dass er bei einem bestimmten Spannungswert beziehungsweise einem daraus resultierenden Stromwert einen Spannungsrückschlag, englisch: snapback hat und dadurch selbst große Strommengen ableiten kann. Der Transistor T5 unterstützt somit den Transistor T4 bei der Ansteuerung des Ableitelements T1. Bei einem Spannungsrückschlag wird der Transistor T5 sehr niederohmig und steuert das Ableitelement T1 derart auf, dass dieses einen ESD-Impuls noch besser ableiten kann. Da der Spannungsrückschlag nicht unmittelbar bei Erreichen der Triggerspannung erfolgt, kann man auch von einem verzögert auftretenden Spannungsrückschlag sprechen.

7 zeigt ein weiteres beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm bei Anwendung der in 6 gezeigten Schaltungsanordnung. Für positive Spannungen entspricht das Diagramm dem in 5 gezeigten Diagramm. Für negative Spannungen ist ein Stromfluss für Spannungen unterhalb eines ersten negativen Schwellwerts VBN1 erkennbar. Bei betragsmäßig größeren negativen Spannungen kommt es ab einem zweiten negativen Schwellwert VBN2 zu einem Spannungsrückschlag, ab dem ein Teil des Stromflusses zwischen dem ersten und zweiten Anschluss K1, K2 über den Transistor T5 erfolgt. Die gestrichelte Linie deutet an, dass der zweite negative Schwellwert VBN2 durch eine entsprechende Dimensionierung des Transistors T5 beziehungsweise des Widerstandes R5 verändert werden kann. Ebenso können der Transistor T5 und/oder der Widerstand R5 so dimensioniert werden, dass es zu keinem Spannungsrückschlag über den Transistor T5 kommt und dieser nur unterstützend für den Transistor T4 bei der Ansteuerung des Ableitelements T1 wirkt.

Beim Einsatz einer Schaltungsanordnung in einer Ausführungsform mit einem verzögert auftretenden Spannungsrückschlag sollte darauf geachtet werden, dass in der Regel keine Signalspannungen an den Anschlüssen K1, K2 auftreten, die betragsmäßig größer sind als die negative Haltespannung VH, auf die der Spannungsrückschlag erfolgt. Ansonsten kann es wegen dauerhaft auftretenden hohen Strömen zu einer Zerstörung des Ableitelements T1 oder des Transistors T5 kommen.

8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Das zweite Triggerelement TR2 und die zweite Verstärkereinheit V2 entsprechen in Aufbau und Funktion der in 4 gezeigten Ausführungsform. Die erste Verstärkereinheit zum Verstärken des ersten Triggersignals umfasst nur den p-Kanal-Feldeffekttransistor T2. Das Potenzial am Gate-Anschluss des Transistors T2 wird bei einem Zenerdurchbruch der Zenerdiode D1 in Richtung des Potenzials am zweiten Anschluss K2 gezogen. Es verbleibt jedoch eine Spannung, die der Zenerspannung der Zenerdiode D1 entspricht. Somit kann der Transistor T2 etwas weniger weit aufgesteuert werden als beispielsweise in 4 gezeigt. Je nach Anforderung an die Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen kann dies dennoch ausreichend sein. Besondere Vorteile ergeben sich aufgrund eines etwas geringeren Schaltungsaufwands.

9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, bei der für das Triggern für negative Spannungen aufgrund einer elektrostatischen Entladung mit negativem Impuls ein N-Kanal-Feldeffekttransistor T6 vorgesehen ist, dessen gesteuerte Strecke zwischen dem ersten Anschluss K1 und dem Steuereingang B angeschlossen ist und dessen Gate-Anschluss über einen Widerstand R6 mit dem ersten Anschluss K1 gekoppelt ist.

10 zeigt ein beispielhaftes Spannungs-Stromdiagramm für eine Schaltungsanordnung mit diesem Aufbau. Für positive Spannungen entspricht der Stromverlauf wiederum dem in 5 gezeigten Stromverlauf. Für negative Spannungen sieht man, dass es beim Unterschreiten eines negativen Schwellwerts für die Spannung zu einem Durchbruch mit gleichzeitigem Spannungsrückschlag auf eine Haltespannung VH kommt, der Transistor T6 also bis zur Haltespannung VH leitend bleibt. Wiederum sollte beim Einsatz einer derartigen Schaltung darauf geachtet werden, dass in der Regel keine Signalspannungen an den Anschlüssen K1, K2 anliegen, die negativer als die Haltespannung VH sind, um eine Zerstörung des Transistors T6 und/oder des Ableitelements T1 zu verhindern.

Für die N-Kanal-Feldeffekttransistoren können beispielsweise N-Metal Oxide Semiconductor, NMOS-Transistoren eingesetzt werden. Ebenso können für die p-Kanal-Feldeffekttransistoren PMOS-Transistoren verwendet werden. Ferner können anstelle von PMOS-Transistoren auch PNP-Bipolar-Transistoren und umgekehrt eingesetzt werden. Gleichermaßen können auch NMOS-Transistoren und NPN-Bipolar-Transistoren gegeneinander ausgetauscht werden.

Anstelle von Zenerdioden können in den Triggerelementen beispielsweise Feldeffekttransistoren eingesetzt werden, die eine entsprechende Feldschwellspannung aufweisen, über die ein positiver oder negativer Schwellwert einstellbar ist.

Eine in den Ausführungsbeispielen gezeigt Verschaltung eines Triggerelements mit nachgeschalteter Verstärkereinheit kann auch als kaskadierter Trigger betrachtet werden.

TR1, TR2:
Triggerelement
TA1, TA2:
Triggerausgang
K1, K2:
Anschluss
V1, V2:
Verstärkereinheit
B:
Steuereingang
E:
Emitter
C:
Kollektor
T1:
Ableitelement
T2, T3, T4, T5, T6:
Transistor
R1, R2, R3, R5, R6:
Widerstand
D1, D2:
Zenerdiode
VBP, VBN, VBN1, VBN2:
Schwellwert
VH:
Haltespannung
VNV, VHV:
Versorgungsspannung


Anspruch[de]
Schaltungsanordnung zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen, umfassend

– ein Ableitelement (T1), das zwischen einen ersten und einen zweiten Anschluss (K1, K2) geschaltet ist und einen Steuereingang (B) aufweist, über den das Ableitelement (T1) leitend gesteuert werden kann;

– ein erstes Triggerelement (TR1), das einen ersten Triggerausgang (TA1) zur Abgabe eines ersten Triggersignals in Abhängigkeit einer Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (K1, K2) aufweist; und

– eine erste Verstärkereinheit (V1), die eingangseitig mit dem ersten Triggerausgang (TA1) und ausgangsseitig mit dem Steuereingang (B) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das Ableitelement (T1) einen Transistor umfasst, dessen gesteuerte Strecke zwischen den ersten und den zweiten Anschluss (K1, K2) geschaltet ist. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das Ableitelement (T1) einen PNP-Bipolar-Transistor oder einen p-Kanal-Feldeffekttransistor umfasst, deren gesteuerte Strecken jeweils zwischen den ersten und den zweiten Anschluss (K1, K2) geschaltet sind. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die erste Verstärkereinheit (A1) wenigstens einen Transistor umfasst, der einen mit dem ersten Triggerausgang (TA1) gekoppelten Steueranschluss aufweist. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das erste Triggerelement (TR1) zwischen den ersten und den zweiten Anschluss (K1, K2) geschaltet ist. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das erste Triggerelement (TR1) eine Zenerdiode (D1) umfasst. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend

– ein zweites Triggerelement (TR2), das einen zweiten Triggerausgang (TA2) zur Abgabe eines zweiten Triggersignals in Abhängigkeit der Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (K1, K2) aufweist; und

– eine zweite Verstärkereinheit (V2), die eingangseitig mit dem zweiten Triggerausgang (TA2) und ausgangsseitig mit dem Steuereingang (B) gekoppelt ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7,

bei der

– das erste Triggerelement (TR1) dazu eingerichtet ist, das erste Triggersignal abzugeben, wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (K1, K2) einen positiven Schwellwert überschreitet; und

– das zweite Triggerelement (TR2) dazu eingerichtet ist, das zweite Triggersignal abzugeben, wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (K1, K2) einen negativen Schwellwert unterschreitet.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die zweite Verstärkereinheit (V2) wenigstens einen Transistor umfasst, der einen mit dem zweiten Triggerausgang (TA2) gekoppelten Steueranschluss aufweist. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der das zweite Triggerelement (TR2) zwischen den ersten und den zweiten Anschluss (K1, K2) geschaltet ist. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der das zweite Triggerelement (TR2) eine Zenerdiode (D2) umfasst. Verfahren zur Ableitung von elektrostatischen Entladungen,

umfassend die Schritte:

– Erzeugen eines Triggersignals in Abhängigkeit einer Spannung zwischen einem ersten und einem zweiten Anschluss (K1, K2);

– Verstärken des Triggersignals;

– Leitendes Verbinden des ersten und des zweiten Anschlusses (K1, K2) in Abhängigkeit des verstärkten Triggersignals.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das leitende Verbinden mittels eines PNP-Bipolar-Transistors oder eines p-Kanal-Feldeffekttransistors erfolgt. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem das Triggersignal erzeugt wird, wenn die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (K1, K2) einen positiven Schwellwert überschreitet oder einen negativen Schwellwert unterschreitet. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Verstärken des Triggersignals über wenigstens einen Transistor erfolgt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com