DE60030432T2

DE60030432T2 - Überspannungsschutz

Info

Publication number: DE60030432T2
Application number: DE60030432T
Authority: DE
Inventors: Helge STENSTRÖM
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: WO2000065711A1; AU4634000A; US6483683B1; CN1355957A; SE516477C2; CA2371066A1; KR20020053031A; CN1199350C; SE9901483D0; DE60030432D1; JP2002543650A; EP1181773A1; HK1047657A1; TW478230B; EP1181773B1; SE9901483L

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung von differenziellen Eingangsanschlüssen von Verstärkern und Komparatoren und insbesondere auf einen Verstärker eines differenziellen Typs mit geschützten Eingangsanschlüssen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
In vielen praktisch verwendeten Schaltkreisen, welche Operationsverstärker umfassen, ist die Spannung zwischen den zwei Eingangsanschlüssen eines derartigen Verstärkers aufgrund der Tatsache, dass eine Rückkopplung verwendet wird und die Verstärkung eines Operationsverstärkers sehr hoch ist, immer sehr dicht bei null. Im Gegensatz dazu ist ein Komparator ausgestaltet ein Ausgangssignal bereitzustellen, welches die Spannung zwischen den zwei Eingangsanschlüssen des Komparators darstellt, und somit sind bei normaler Verwendung in einem Schaltkreis im Allgemeinen immer einige Volt zwischen den Eingangsanschlüssen des Komparators vorhanden. Die Eingangsspannung kann jedoch aufgrund der externen Schaltkreise, welche Signale zu den Eingangsanschlüssen liefern, zu groß werden, was den Komparatorschaltkreis zerstören kann. Wenn die Rückkopplung für einen Operationsverstärker nicht richtig funktioniert, kann ein solcher Verstärker auch zerstört werden, wenn die zugeführte Eingangsspannung zu groß wird. Der Grund, dass die Rückkopplung nicht arbeitet, kann sein, dass zu der gleichen Zeit wie eine „Anstiegsgeschwindigkeits"-Begrenzung an dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers durchgeführt wird, dem Eingang eine große Spannung zugeführt wird, oder dass der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers mit einer zu großen Last verbunden ist. Deshalb werden Schutzschaltkreise sowohl für Operationsverstärker als auch insbesondere für Komparatoren benötigt. Die Letztgenannten weisen offensichtlich in herkömmlichen Schaltkreisen keinen Mechanismus zum Begrenzen der Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen auf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfachen und effizienten Schutz der Eingangsanschlüsse eines Verstärkers eines differenziellen Typs bereitzustellen.
Die zwei Eingangsanschlüsse eines transistorbasierten Verstärkers eines differenziellen Typs wie hierin betrachtet sind somit in der herkömmlichen Art und Weise die Basisanschlüsse der aktiven Eingangsverstärkungstransistoren. Die Basisemitterübergänge in den Eingangstransistoren sind durch Transistoren geschützt, welche als Dioden verbunden sind, in welchen die Emitter und Basen miteinander verbunden sind. Die aktiven pn-Übergänge in den Schutztransistoren sind dann die Übergänge zwischen Basis und Kollektor, welche normalerweise eine größere Durchbruchspannung in der Sperrrichtung als der pn-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter aufweisen. Die Schutztransistoren können vorteilhafterweise im Wesentlichen auf die gleiche Art und Weise wie die Eingangstransistoren gefertigt werden und weisen im Wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften wie sie auf, was es einfach macht, die Schutzeinrichtung in einen elektronischen integrierten Schaltkreis einzubringen.
Somit wird im Allgemeinen ein Verstärker eines differenziellen Typs betrachtet, welcher zwei Verstärkungstransistoren umfasst, wobei die Eingangsanschlüsse des Verstärkers direkt mit den Basen eines jeden der Verstärkungstransistoren zum Aufnehmen der Eingangsspannung verbunden sind, wobei die Differenz von diesen zu erzeugen und/oder zu verstärken ist und als eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss des Verstärkers dargestellt wird. Die Ausgangsspannung stellt somit die Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen dar. Vorzugsweise ist der Ausgangsanschluss direkt mit dem Kollektor von einem der Verstärkungstransistoren verbunden.
Zum Schutz der Eingangsanschlüsse und insbesondere zum Verhindern, dass zu starke Ströme durch die Verstärkungstransistoren fließen, sind Schutzdioden direkt in Reihe mit dem Emitter eines jeden der ersten Transistoren verbunden. Jede der Schutzdioden ist verbunden, um die gleiche Richtung oder Polarität wie die Diode, welche durch den pn-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors mit welchem sie verbunden ist, aufzuweisen. Weiterhin sind die Schutzdioden durch Schutztransistoren ausgebildet, wobei der Emitter und die Basis von diesen direkt elektrische miteinander verbunden sind.
Ein Verstärker mit Schutzdioden, welche in Reihe mit den Emittern der Transistoren, die das differenzielle Paar ausbilden, verbunden sind, ist aus der US 4,195,240 bekannt.
Im Allgemeinen ist dann, ohne die Begriffe „Emitter" und „Kollektor" zu verwenden, eine Schutzdiode direkt in Reihe mit dem einen der pn-Übergänge in jedem der Verstärkungstransistoren, welcher die geringste Durchbruchspannung in der Sperrrichtung aufweist, verbunden, welche die gleiche Richtung oder Polarität wie die Diode aufweist, welche durch den pn-Übergang des ersten Transistors mit der geringsten Durchbruchspannung ausgebildet wird. Die Schutzdioden umfassen jeweils einen Schutztransistor des gleichen Polaritätstyps wie die Verstärkungstransistoren, welche in einem Differenzverstärker im Allgemeinen im Wesentlichen identisch zu anderen sind oder zumindest im Wesentlichen identische elektrische Merkmale oder Eigenschaften aufweisen. Der eine der ersten und zweiten pn-Übergänge in jedem der Schutztransistoren, welcher die geringste Durchbruchspannung in der Sperrrichtung aufweist, ist durch eine direkte elektrische Verbindung kurzgeschlossen.
Die Verstärkungstransistoren und die Schutztransistoren können alle npn-Transistoren von im Wesentlichen gleicher Art oder pnp-Transistoren von im Wesentlichen gleicher Art sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen als nicht beschränkende Ausführungsformen beschrieben werden, in welchen:
1 ein Schaltbild eines einfachen transistorbasierten Differenzverstärkers eines früher bekannten Typs ist,
2 ein vereinfachtes Schaltbild des Verstärkers der 1 ist, in welchem nur einige wesentliche Komponenten gezeichnet sind,
3 eine schematische Querschnittsansicht eines vertikalen npn-Transistors ist.
4 ein Schaltbild eines Differenzverstärkers mit einer Schutzeinrichtung der Eingangsanschlüsse einer bisher bekannten Art ist,
5a ein Bild ist, welches die Gleichwertigkeit zwischen einem Transistor, wobei die Basis und der Kollektor von diesem direkt elektrisch miteinander verbunden sind, und einer Diode darstellt,
5b ein Bild ist, welches die Gleichwertigkeit zwischen einem Transistor, wobei die Basis und der Emitter von diesem direkt elektrisch miteinander verbunden sind, und einer Diode darstellt,
6a ein Schaltbild eines Verstärkers gemäß 2 mit einer Schutzeinrichtung der Eingangsanschlüsse ist, wobei die Schutzeinrichtung durch Transistoren, welche als Dioden verschaltet sind, erreicht wird,
6b ein Schaltbild ähnlich zu dem der 6a für Transistoren anderer Polaritäten ist, und
7 ein Schaltbild eines Verstärkers gemäß 1 ist, welcher die gleiche Schutzeinrichtung der Eingangsanschlüsse wie in 6a gezeigt aufweist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein Verstärkerschaltkreis beschrieben werden, welcher einige bestimmte Polaritäten der Komponenten aufweist. Es ist für einen Fachmann offensichtlich, dass der Verstärkerschaltkreis mit entgegengesetzten Polaritäten derart verwendet werden kann, dass npn-Transistoren durch pnp-Transistoren und umgekehrt ersetzt werden, dass die Richtungen der Dioden umgekehrt werden, dass positive Spannungen negative werden und umgekehrt, dass Stromrichtungen umgekehrt werden, usw., vorausgesetzt, dass Komponenten verwendet wer den, welche in anderen Beziehungen entsprechende oder ähnliche elektrische Eigenschaften aufweisen.
In 1 ist ein Schaltbild einer üblichen Ausgestaltung einer Eingangsstufe gezeigt, wobei die Eingangsstufe als ein Differenzverstärker dargestellt ist, welcher geeignet ist, um zum Beispiel in Komparatoren oder Operationsverstärkern verwendet zu werden. Die zwei Eingangsanschlüsse 1, 3 des Schaltkreises sind durch die Basisanschlüsse von zwei gleichen Transistoren T1 und T2 von beispielsweise einem npn-Typ, wie in der Figur gezeigt, gebildet. Die Emitter der Transistoren T1, T2 sind an einem Emitterknoten 5 miteinander verbunden und mit dem Kollektor eines dritten npn-Transistors T3 verbunden, welcher durch geeignete Spannungen vorgespannt ist, um als Stromquelle zu arbeiten und dadurch einen Emitterstrom zu den Eingangstransistoren T1 und T2 zu liefern. Der Emitter des dritten Transistors kann, wie in der Figur gezeigt, mit irgendeiner Versorgungsspannung V_EE verbunden werden, zum Beispiel einer negativen Spannung ein wenig versetzt vom Massepotenzial oder dem Massepotenzial selbst.
Die Kollektoren der zwei ersten Transistoren T1 und T2, die wirklichen Verstärkungstransistoren oder Eingangstransistoren, sind in irgendeiner geeigneten Art mit einer Versorgungsspannung V_CC, zum Beispiel einer positiven Konstantspannung, verbunden, zum Beispiel wie in der Figur gezeigt durch eine Stromspiegelschaltung. Die Stromspiegelschaltung umfasst zwei pnp-Transistoren T4 und T5, wobei die Basen von diesen miteinander verbunden sind und die Emitter von diesen mit der Versorgungsspannung V_CC verbunden sind. Der pnp-Transistor T4 für den ersten Eingangstransistor T1 hat weiterhin seine Basis und seinen Kollektor miteinander derart verbunden, dass er wie eine Diode arbeitet, wohingegen diese zwei Transisto ren T4 und T5 ihre Kollektoren mit den Kollektoren der entsprechenden Eingangstransistoren T1 und T2 gekoppelt haben. Die wichtige Tatsache in Verbindung mit der Verbindung der Eingangstransistoren T1 und T2 mit der Steuerspannung V_CC ist, dass die Transistoren T4 und T5 eine gleichwertige Impedanz und Leerlauf- oder Nulllastspannung (äquivalente Reihenschaltung, Thèvenin-Äquivalent) aufweisen, dass die Eingangstransistoren T1 und T2 in ihrem aktiven Bereich arbeiten, d.h., dass sie nicht gesättigt sind, und somit die Spannungen von ihren Kollektoren zu ihren Basen immer positiv sind. Dadurch können die Transistoren T4 und T5 in der Stromspiegelschaltung durch Widerstände ersetzt werden, welche zwischen den Kollektoren der Transistoren und der positiven Versorgungsspannung V_CC gekoppelt sind.
Eine vereinfachte Ausführungsform einer Eingangsstufe ist in 2 gezeigt, welche teilweise schematisch gezeigt ist und nur die Komponenten umfasst, welche in diesem Zusammenhang wesentlich sind. Hier ist der Transistor T3 als eine Stromquelle I1 gezeigt, wohingegen die Kollektoren der Eingangstransistoren T1 und T2 nur mit allgemein bezeichneten Verbindungsknoten verbunden gezeigt sind.
Das Ausgabesignal der zwei Schaltkreise, welche in 1 und 2 gezeigt sind, ist im Prinzip der Kollektorstrom durch einen von den Eingangstransistoren T1, T2. Eine Spannung, welche diesen Strom darstellt, kann zum Beispiel an dem Anschluss 7 der Kollektorelektrode des zweiten Eingangstransistors T2 gewonnen oder abgefragt werden.
Wenn die Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen 1, 3 klein ist, sind die zwei Eingangstransistoren T1, T2 aktiv und ein Strom fließt durch ihre Emitteranschlüsse zu dem gemeinsamen Emitterknoten 5. Der Strom durch diese Transistoren kann durch die Stromquelle I1 bzw. den Transistor T3 vorbestimmt werden und wird zwischen diesen derart aufgeteilt, dass mehr Strom durch den Eingangstransistor fließen wird, welcher die höchste Spannung an seinem Eingangsanschluss, d.h. an seiner Basis, aufweist. Wenn eine Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen ausreichend groß wird, wobei ausreichend groß angenommen wird zu bedeuten, dass die Spannungen gleich einigen V_T ist, wobei V_T proportional zu der absoluten Temperatur ist und V_T ungefähr 26 mV bei Raumtemperatur ist, kann der Strom durch den Eingangstransistor, welcher das geringste Potenzial an seinem Eingangsanschluss aufweist, vernachlässigt werden und das Potenzial an der Basis oder dem Eingangsanschluss des anderen Eingangstransistors wird durch den Sättigungsstrom dieses Transistors bestimmt. Die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors ist für eine Sättigung näherungsweise zu V_BE = V_T·log(I₁/I_S) gegeben, wobei I₁ der Strom ist, welcher durch die Stromquelle I1 erzeugt wird, und I_S der Sättigungsstrom des Transistors ist.
Jetzt wird angenommen, dass die Spannung an dem Eingangsanschluss 3 des zweiten Eingangstransistors T2 konstant gehalten wird, während die Spannung an dem zweiten Eingangsanschluss 1 des ersten Eingangstransistors T1 fortlaufend verringert wird. Die Spannung durch den ersten Eingangstransistor T1 wird dann verringert, bis die Spannung des Emitterknotens durch den Strom der Stromquelle I1 und den Sättigungsstrom I_S des Eingangstransistors bestimmt ist. Wenn die Spannung weiter reduziert wird, wird der pn-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter in dem ersten Eingangstransistor T1 in einem kleiner und kleiner werdenden Umfang in Vorwärtsrichtung betrieben, um dann in Sperrrichtung betrieben zu werden. Wenn die Spannung schließlich ausreichend negativ wird, wird wieder ein Strom durch den Emitter des ersten Eingangstransistors T1 fließen, aber jetzt in umgekehrter Richtung in Abhängigkeit von der Durchbruchspannung des pn-Übergangs, welche überschritten wird. Alles von diesem Strom fließt dann durch den ersten Eingangsanschluss 1, d.h. die Basis des ersten Eingangstransistors T1. Der Strom wird nicht mehr durch die Stromquelle I1 bestimmt, sondern durch die Ansteuerfähigkeit der externen Spannungsquellen und durch die Widerstände der zwei Eingangstransistoren T1 und T2. In jedem Fall kann der Strom die zwei Eingangstransistoren T1 und T2 zerstören, aber vielleicht hauptsächlich den ersten Eingangstransistor T1, in welchem die entwickelte Leistung am größten wird. Die Spannung, welche ein npn-Transistor zwischen seinem Emitter und seiner Basis erlaubt, bevor der in Sperrspannung betriebene pn-Übergang beginnt einen Strom zu leiten, variiert zwischen verschiedenen Herstellungsprozessen und verschiedenen Komponentenausführungen. Für Signalverarbeitungstransistoren ist dieser Strom üblicherweise größer als näherungsweise 6 V und kleiner als näherungsweise 10 V.
Im Allgemein besteht ein bipolarer Transistor aus drei Bereichen, welche aneinander in einer Reihe angeordnet sind und welche häufig Schichten umfassend, welche aufeinander angeordnet sind, welche aus Halbleitermaterial mit abwechselnden Polaritäten derart gefertigt sind, dass ein mittlerer Bereich und zwei äußere Bereiche existieren. Ein bipolarer Transistor kann dann ein npn-Typ oder ein pnp-Typ sein. Eine Verbindung zu äußeren Schaltkreisen wird von jedem Bereich bereitgestellt, welche auch eine Elektrode genannt werden kann. Der mittlere Bereiche wird die Basis genannt und die zwei äußeren Bereiche umfassen den Kollektor bzw. den Emitter. Wenn Spannungen zu den Anschlüssen eines npn-Transistors derart zugeführt werden, dann V_c > V_b > V_e für einen npn-Transistor und zu einem pnp-Transistor derart, dass V_c < V_b < V_e, wobei V_c, V_b, V_e die Potenziale an dem Kollektor, der Basis bzw. dem Emitter des Transistors sind, und wenn nicht zu große Ströme zu der Basis zugeführt werden, welche für einen npn-Transistor positiv und für einen pnp-Transistor negativ sein sollten, ist der Strom durch den Kollektor des Transistors durch den zugeführten Basisstrom gesteuert. Näherungsweise kann der Kollektorstrom proportional zu dem Basisstrom sein. Die Proportionalitätskonstante wird BF genannt, „Durchlassstromverstärkung", welche auch mit β bezeichnet wird.
Eine beliebige der zwei äußeren Bereiche des bipolaren Transistors kann dann der Emitter genannt werden, wohingegen der andere Bereich dann der Kollektor des Transistors ist. Üblicherweise sind jedoch der Kollektor der Emitter derart definiert, dass die Proportionalitätskonstante β so groß wie möglich wird. Für gleiche Polaritäten der angelegten Spannungen ist es möglich, wenn der Transistor herumgedreht wird, so dass der Kollektor dort angeordnet ist, wo der Emitter vorher angeordnet war, eine entsprechende Proportionalitätskonstante oder einen Stromverstärkungsfaktor BR, „Sperrstromverstärkung", zu messen. Üblicherweise ist BF erheblich größer als BR. Diese Tatsache hängt von verschiedenen Optimierungen des Aufbaus oder der Struktur des Transistors ab, wobei diese Optimierungen unter anderem beachten, dass es wünschenswert ist, einen BF zu haben, welcher so groß wie möglich ist, d.h. einem der Verstärkungsfaktoren soll der größtmögliche Wert gegeben werden. Der Wert von BR weist eine geringere Wichtigkeit auf. Übliche Werte sind BF = 50–100 und BR = 0,5–10. Es ist wichtig zu beachten, dass eine offensichtliche Bedingungen der Verwendung eines Transistors in einem Verstärkerschaltkreis ist, dass er einen Stromverstärkungsfaktor größer als eins aufweist.
Die gängigste Ausführungsform eines npn-Transistors in integrierten Schaltkreisen ist ein vertikaler Transistor, wie durch die schematische Querschnittsansicht der 3 dargestellt. In irgendeinem äußeren Material 11, welches eine niedrige Dotierung des gleichen Typs wie die Basis aufweist, sind Schichten bereitgestellt, welche die Teile oder Regionen des Transistors ausbilden. Der Kollektor 13 ist die unterste Schicht, welche eine entgegengesetzte Dotierung zu der des äußeren Materials aufweist. Mittig in dieser untersten Schicht ist eine weitere Schicht 15 angeordnet, welche die Basis ausbildet, und mittig in dem Basisbereich ist eine weitere Schicht 17 angeordnet, welche den Emitter ausbildet, so dass in der Mitte der Struktur eine Schichtenabfolge erzielt wird, welche von dem Boden nach oben Kollektor, Basis und Emitter umfasst. Die verschiedenen Bereichen erstrecken sich zur äußeren elektrischen Verbindung an den äußeren Rändern hinauf zu der Oberfläche der Struktur. Ein derartiger Transistor ist derartig hergestellt, dass die Dotierungspegel in der Reihenfolge Emitter-Basis-Kollektor abnehmend sind, d.h. der Emitterbereich weist eine höhere Dotierung als der Basisbereich auf und der Basisbereiche weist eine höhere Dotierung als der Kollektorbereich auf. Weiterhin ist die Basisschicht 15 in der Mitte der Struktur sehr dünn und die Kollektorschicht ist verhältnismäßig dick. Dies trägt zu den gewünschten Eigenschaften bei, welche einen hohen Stromverstärkungsfaktor BF und gute Hochfrequenzeigenschaften umfassen. Die gleichen Eigenschaften führen ferner dazu, dass die Durchbruchspannung BV_cb, wenn der Kollektorbasisübergang in Sperrrichtung betrieben wird, erheblich höher als die Durchbruchspannung BV_eb wird, wenn der Emitterbasisübergang in Sperrrichtung betrieben wird. Bei Herstellungsprozessen, welche dafür optimiert wurden, ist die Durchbruchspannung BV_cb zwi schen Kollektor und Basis in der Größenordnung von 50–120 V, welche mit der Durchbruchspannung BV_eb von 6–12 V für den Emitterbasisübergang zu vergleichen ist. Derartige Herstellungsprozesse werden bei Anwendungen verwendet, welche erfordern, dass die Schaltkreise hohen Spannungen standhalten können, zum Beispiel bei Schaltkreisen für Audioverstärker, Spannungswandler, elektronische Schaltkreise für Fahrzeuge, usw.
Eine bisher bekannte Art des Schutzes der Eingangsstufe wie zuvor beschrieben umfasst ein Verbinden von Widerständen R1, R2 an den Eingangsanschlüssen in Reihe mit den Basisanschlüssen der Eingangstransistoren T1, T2 gemäß 4. Dadurch sind die Basisströme begrenzt. Außerdem können Dioden D1, D2 zwischen den Emittern und Basen dieser Transistoren derart verbunden werden, dass diese Dioden in einer Richtung entgegengesetzt der Basisemitterdiode in jedem Transistor leiten. Wenn die Sperrspannung zwischen Emitter und Basis von einem der Transistoren T1, T2 die Vorwärtsspannung der entsprechenden äußeren Diode D1, D2, welche antiparallel verbunden ist, überschreitet, wobei die Vorwärtsspannung näherungsweise 0,6–1 V ist, wird somit der Strom durch die äußere Diode geleitet werden, anstatt durch den entsprechenden Transistor geleitet zu werden. Ein Vorteil einer derartigen Schaltkreislösung, welche Schutzkomponenten umfasst, ist, dass die Steilheit (Transkonduktanz) der Eingangsstufe im normalen Betrieb nicht durch die hinzugefügten Schutzkomponenten beeinflusst ist. Es ist gut bekannt, dass bei der Herstellung integrierter Schaltkreise, wenn in dem Herstellungsprozess nur Transistoren verfügbar sind, Dioden durch Verbinden der Basis und des Kollektors eines Transistors miteinander erzielt werden, siehe 5a. Aufgrund der zwei pn-Übergänge, welche in einem Transistor existieren, wird offensichtlich auch eine Komponente mit einer Diodenfunktion in dem Fall, wo die Basis und der Emitter des Transistors miteinander verbunden sind, erzielt, siehe 5b. Eine derartige Diodenkomponente wird jedoch selten verwendet, da sie bei den meisten Anwendungen verglichen mit einer Diode, welche durch Verbinden des Kollektors und der Basis eines Transistors miteinander erzielt wird, schlechtere Eigenschaften erreicht.
Es zeigt sich jedoch, dass es durch Verwenden eines Bipolartransistors in einer unüblichen Art möglich ist, einen Schutz der Eingangsanschlüsse von Differenzverstärkern wie zuvor beschrieben zu erhalten. Wie zuvor erwähnt wurde ist bei einem Transistor in den meisten Fällen eine hohe Stromverstärkung erwünscht. In den nachfolgend beschriebenen Anwendungen ist dies nicht notwendig.
In 6a ist ein Prinzipschaltbild eines Differenzverstärkers gezeigt, welcher im Wesentlichen wie der in den 1 und 2 gezeigte Verstärker hergestellt ist und welcher einen Schutz der Eingangsanschlüsse aufweist. Ein vollständigeres Schaltbild ist in 7 gezeigt. Diese Schaltkreislösung weist zwei npn-Transistoren T6, T7 auf, welche zwischen den Emittern der Eingangstransistoren T1, T2 und dem gemeinsamen Emitterknoten 5 verbunden sind. Diese Transistoren haben ihre Basisanschlüsse mit den entsprechenden Emitteranschlüssen derart verbunden, dass nur die Basiskollektordiode verwendet ist. Sie sind derart angeschlossen, dass der Emitter im normalen Betrieb des Verstärkers ein höheres Potenzial als die Kollektor-Basis aufweist, d.h. die Basiskollektordiode ist in Vorwärtsrichtung betrieben.
Wenn in der gleichen Art und Weise wie zuvor beschrieben die Eingangsspannung an der Basis 3 des zweiten Eingangstransis tors T2 konstant gehalten wird, während die Spannung an dem anderen Eingangsanschluss 1, d.h. die Spannung an der Basis des ersten Eingangstransistors T1, allmählich reduziert wird, wird wieder zuerst der Strom durch den ersten Transistor zu null herab abgesenkt. Nach einer weiteren Reduzierung der Eingangsspannung wird ein Strom „rückwärts" in der Richtung von dem Emitter zu der Basis in dem ersten Transistor T1 fließen, aber er wird nun anfangen zu fließen, bis die Spannung zwischen dem Knoten 5 und dem Eingangsanschluss 1 die Summe der Durchbruchspannung BV_eb zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors T1 und der Durchbruchspannung BV_ce zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Schutztransistors T6 überschreitet. Die Durchbruchspannung BV_ce zwischen dem Kollektor und dem Emitter in einem Transistor ist erheblich, d.h. um ein vielfaches, höher als die Durchbruchspannung BV_eb zwischen dem Emitter und der Basis in dem gleichen Transistor und ist ferner von der gleichen Größenordnung wie die Durchbruchspannung BV_cb zwischen dem Kollektor und der Basis, wie zuvor definiert wurde. Bei der Schutzschaltkreislösung gemäß Zeichnung 4 tritt der Stromstoß in dem Eingangstransistor T1 bereits auf, wenn die Spannung zwischen dem Knoten 5 und dem Eingangsanschluss 1 die Durchbruchspannung BV_eb zwischen dem Emitter und der Basis des Eingangstransistors überschreitet.
In 6b ist ein Prinzipschaltbild eines Differenzverstärkers ähnlich zu dem der 6a gezeigt, in welchem anstatt npn-Transistoren pnp-Transistoren für sowohl Verstärkungs- oder aktive Elemente als auch für Schutzelemente verwendet sind. Dieser Schaltkreis arbeitet im Grunde genommen auf die gleiche Art und Weise wie der in 6a und 7 dargestellte Schaltkreis.
Der Vorteil der Schaltkreislösung gemäß 6a und 7 oder 6b ist somit, dass der Schaltkreis Spannungen aushalten kann, welche ein Vielfaches höher verglichen mit dem Fall sind, welcher keine Schutzkomponenten aufweist. Verglichen mit der bekannten Schaltkreislösung gemäß 4 existieren zwei Vorteile. In der bekannten Lösung verläuft ein Strom durch die Schutzkomponenten R1, R2, D1, D2, wenn die Schutzvorrichtung wirksam wird. Ein derartiger nicht gesteuerter Strom kann unter anderem ein Überhitzen zur Folge haben. Dies ist nicht der Fall für die Lösung gemäß 6a und 7. Außerdem sind häufig Widerstände nicht geeignet, um in monolithisch integrierten Schaltkreisen integriert zu werden, entweder aufgrund der Tatsache, dass der Herstellungsprozess selbst nicht geeignet ist, Widerstände herzustellen, oder aufgrund der Tatsache, dass sie einen zu großen Bereich einer Schaltkreisplatine belegen. Bei integrierten Schaltkreisen sind Widerstände länger je größer ihr Widerstand ist. Da nicht zugelassen ist, dass die Breite der Widerstände kleiner als ein definiertes kleinstes Maß, welches durch eine Maskenherstellung, optische Auflösung usw. bestimmt ist, sein darf und der Widerstand dann durch das Verhältnis von der Länge und der Breite bestimmt ist, erhalten Widerstände mit großem Widerstand eine große Länge und dadurch große Bereiche. Bei dem Schutzschaltkreis gemäß 4 kann die Energieerzeugung in den Widerständen R1, R2 in den Fällen bedeutsam werden, wo die anderen Komponenten in nicht gezeigten Schaltkreisen, welche die Eingangsanschlüsse des Verstärkerschaltkreises speisen, es erlauben.
Die Transistoren T6, T7, welche in dem Schaltkreis gemäß 6a, 6b und 7 als Dioden angeschlossen sind, beeinflussen die Steilheit (Transkonduktanz) des Differenzverstärkers. Dies kann ein Vorteil oder Nachteil sein. Somit können in ei nigen zuvor bekannten Schaltkreisen Widerstände, welche an den Stellen der Schutztransistoren T6, T7 verbunden sind, verwendet werden, um die Steilheit (Transkonduktanz) zu verringern.

Claims

Verstärker eines differenziellen Typs, welcher zwei erste Transistoren (T1, T2), wobei jeder erste Transistor einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor aufweist, und Eingangsanschlüsse (1, 3), welche direkt mit den Basen eines jeden der ersten Transistoren zum Empfangen von Eingangsspannungen verbunden sind, und einen Ausgangsanschluss (7) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung, welche eine Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen darstellt, umfasst, gekennzeichnet durch Schutzdioden (T6, T7), welche direkt in Reihe mit dem Emitter eines jeden der ersten Transistoren geschaltet sind, wobei jede der Schutzdioden verschaltet ist, um die gleiche Richtung oder Polarität wie die Diode, welche durch den pn-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter des ersten Transistors ausgebildet ist, zu dem Emitter aufweist, mit welchem die Schutzdiode verbunden ist, und wobei jede der Schutzdioden einen Schutztransistor umfasst, wobei der Emitter und die Basis von diesem direkt elektrisch miteinander verbunden sind.
Verstärker gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsanschluss direkt mit dem Kollektor von einem der ersten Transistoren verbunden ist.
Verstärker gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Transistoren und die Schutztransistoren alle im Wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften aufweisen.
Verstärker eines differenziellen Typs, welcher zwei erste Transistoren (T1, T2) von einem Polaritätstyp, wobei jeder erste Transistor einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor aufweist, wobei ein erster pn-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter existiert und ein zweiter pn-Übergang zwischen der Basis und dem Kollektor existiert, und Eingangsanschlüsse (1, 3), welche direkt mit den Basen eines jeden der ersten Transistoren zum Empfangen von Eingangsspannungen verbunden sind, und einen Ausgangsanschluss (7) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung, welche eine Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen darstellt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass direkt in Reihe mit dem einen der ersten und zweiten pn-Übergänge in jedem der ersten Transistoren, welcher die geringste Durchbruchspannung in der Rückwärtsrichtung aufweist, eine Schutzdiode (T6, T7) geschaltet ist, welche die gleiche Richtung oder Polarität wie die Diode, welche durch den pn-Übergang des ersten Transistors mit der geringsten Durchbruchspannung ausgebildet ist, aufweist, wobei die Schutzdiode einen Schutztransistor des gleichen Polaritätstyps wie die ersten Transistoren umfasst, wobei jeder Schutztransistor einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor aufweist, wobei ein erster pn-Übergang zwischen der Basis und dem Emitter existiert und ein zweiter pn-Übergang zwischen der Basis und dem Kollektor existiert, und dadurch, dass der eine der ersten und zweiten pn-Übergänge in jedem der Schutztransistoren, welcher die geringste Durchbruchspannung in der Rückwärtsrichtung aufweist, durch eine direkte elektrische Verbindung kurzgeschlossen ist.
Verstärker gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsanschluss direkt mit dem Kollektor von einem der ersten Transistoren verbunden ist.
Verstärker nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Transistoren und die Schutztransistoren alle im Wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften aufweisen.
Verstärker gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Übergang in dem Eingangstransistor zwischen der Basis und dem Emitter eine niedrigere Durchbruchspannung als der pn-Übergang zwischen der Basis und dem Kollektor aufweist.
Verstärker gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Transistoren und die Schutztransistoren alle npn-Transistoren der im Wesentlichen gleichen Art sind, wobei die Emitter und Basen eines jeder der Schutztransistoren direkt elektrisch miteinander verbunden sind.
Verstärker gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Transistoren und die Schutztransistoren alle pnp-Transistoren von im Wesentlichen der glichen Art sind, wobei die Emitter und Basen eines jeden der Schutztransistoren direkt elektrisch miteinander verbunden sind.