DE19916685A1

DE19916685A1 - Protective circuit for active component such as operational amplifier, includes series circuit with series resistance and reference diodes connected between supply potentials

Info

Publication number: DE19916685A1
Application number: DE1999116685
Authority: DE
Inventors: Horea-Stefan Culca
Original assignee: Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-10-19
Also published as: AU4397600A; WO2000064025A1

Abstract

A series circuit with series resistance (R1) and reference diodes (D1,D2) is connected between supply potentials (Vdd ; Vss). The value of series resistance (R1) is smaller than that of the limiting resistance (Ri). The protection diodes (Di1 ; Di2) with their electrodes removed from the limiting resistance (Ri) are connected at connection points (P1;P2). Si diode is used as reference diode and schottky diode is used as protection diode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für aktive Bauelemente gegen Über- bzw. Unterspannung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a protective circuit for active components against Overvoltage or undervoltage according to the preamble of claim 1.

Im allgemeinen sind am Eingang aktiver Bauelemente - wie Operationsver stärker, Komparatoren oder Gatter - Spannungen größer als die positive Ver sorgungsspannung bzw. kleiner als die negative Versorgungsspannung (ge gebenenfalls Ground) nicht erlaubt. In der Praxis kommt es aber nicht selten vor, daß Spannungen außerhalb des zulässigen Bereichs, z. B. bei Pegelum wandlung von CMOS in TTL, eingangsseitig zu einem solchen Baustein ge langen können. In diesen Fällen müssen Schutzmaßnahmen getroffen werden. Verschiedene aktive Bauelemente verhalten sich hierbei unterschiedlich. CMOS-Bausteine z. B. besitzen meistens ESD-Schutzdioden am Eingang, so daß im Zusammenwirken mit einem vorgelagerten Begrenzungswiderstand eine einfache Begrenzung des Eingangsstromes unter einem Wert, der im Datenblatt angegeben wird, ausreicht. Schwieriger und nicht selten ist es, wenn der Bauelementehersteller nur eine maximale Über- bzw. Unterschrei tung der positiven bzw. negativen Versorgungsspannung von 0,3 V zuläßt. Die einfachste und relativ häufig vom Bauelementehersteller empfohlene Lösung ist, wie vorstehend beschrieben extern zwei Schutzdioden zu beschalten. Da bei wird allerdings übersehen, daß es kaum Dioden gibt, die eine Durchlaß spannung kleiner als 0,3 V über dem gesamten Temperaturbereich und erfor derlichenfalls auch für größere Ströme vorweisen. Selbst Schottky-Dioden ge nügen nicht den gestellten Anforderungen.In general, at the input of active components - such as Operationsver stronger, comparators or gates - voltages greater than the positive ver supply voltage or less than the negative supply voltage (ge Ground if necessary) not allowed. In practice, however, it is not uncommon before that voltages outside the allowable range, e.g. B. at level Conversion of CMOS to TTL, on the input side to such a module can be long. In these cases, protective measures must be taken. Different active components behave differently. CMOS devices such. B. usually have ESD protective diodes at the input, so that in cooperation with an upstream limiting resistor a simple limitation of the input current below a value that in Data sheet is sufficient. It is more difficult and not uncommon if the component manufacturer only a maximum over or under scream device of the positive or negative supply voltage of 0.3 V. The simplest and relatively frequently recommended solution by the component manufacturer is to connect two protective diodes externally as described above. There is overlooked, however, that there are hardly any diodes that have a passage voltage less than 0.3 V over the entire temperature range and required if necessary also show for larger currents. Even Schottky diodes do not meet the requirements.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kosten günstige Schutzschaltung für derartige Fälle anzugeben. The invention is therefore based on the object of being simple and cost-effective to provide favorable protection circuit for such cases.

Ausgehend von einer Schutzschaltung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des unab hängigen Anspruches gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteil hafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.Starting from a protective circuit of the type mentioned at the beginning Task according to the characteristic features of the independent dependent claim solved, while the dependent claims advantage adhesive developments of the invention can be found.

Durch die zwischen höherliegendem und tieferliegendem Versorgungspotential befindliche serielle Anordnung aus leitender Referenzdiode und Reihenwider stand und erforderlichenfalls weiterer durchlässiger Referenzdiode steht am Verbindungspunkt von Referenzdiode und Reihenwiderstand ein Referenz potential zur Verfügung, das um den Betrag der Durchlaßspannung der Refe renzdiode tiefer bzw. höher als das höher- bzw. tieferliegende Versorgungs potential liegt. An dieses Referenzpotential bzw. diese Referenzpotentiale wird die Schutzdiode bzw. werden die Schutzdioden angelegt, so daß mit Sicher heit sowohl im gesamten Temperaturbereich als auch in einem weiten Bereich des Begrenzungsstromes ein wirksamer Schutz des Einganges des aktiven Bauelementes vor unzulässigen Über- bzw. Unterspannungen besteht. Das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten von Reihenwiderstand und Be grenzungswiderstand ist so zu wählen, daß im Begrenzungsfall der durch den Begrenzungswiderstand und die jeweilige Schutzdiode fließende Strom keinen maßgeblichen Einfluß auf die Höhe des zugehörigen Referenzpotentials nimmt.Because of the higher and lower supply potential located serial arrangement of conductive reference diode and series resistor stand and, if necessary, another transparent reference diode is on Connection point of reference diode and series resistor a reference potential is available, which by the amount of forward voltage of the Refe renzdiode lower or higher than the higher or lower supply potential. At this reference potential or these reference potentials the protective diode or the protective diodes are applied, so that with certainty unit in the entire temperature range as well as in a wide range the limiting current an effective protection of the input of the active Component before excessive undervoltages. The Relationship between the resistance values of series resistance and Be limit resistance is to be selected so that in the case of limitation, the Limiting resistance and the current flowing through the respective protection diode significant influence on the level of the associated reference potential takes.

Sind die jeweilige Schutz- und Referenzdiode von gleicher Art, dann findet die Begrenzung auf dem Niveau des jeweiligen Versorgungspotentials statt. Für bestimmte Fälle ist es von Vorteil, wenn als Referenzdiode eine Si-Diode und als Schutzdiode dagegen eine Schottky-Diode verwendet wird, um das Be grenzungspotential unterhalb bzw. oberhalb des höherliegenden bzw. tieferlie genden Versorgungspotentials zu legen. Ebenso wird bei Verwendung gleich artiger Dioden als Schutzdiode und in Reihenschaltung als Referenzdiode oder bei Verwendung einer Z-Diode als Referenzdiode eine Verlagerung des Begrenzungspotentials erreicht. If the respective protection and reference diodes are of the same type, then the Limitation takes place at the level of the respective supply potential. For In certain cases it is advantageous if an Si diode and a Schottky diode, on the other hand, is used as the protective diode to protect the Be limit potential below or above the higher or lower limit sufficient supply potential. Likewise, when used, the same like diodes as a protection diode and connected in series as a reference diode or when using a Zener diode as a reference diode, a displacement of the Limit potential reached.

Eine kostengünstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schutzschaltung ergibt sich dadurch, daß nur eine einzige Reihenschaltung aus Reihenwider stand und Referenzdiode bzw. Referenzdioden zur Bereitstellung der Refe renzpotentiale für mehrere, jeweils in vorstehend geschilderter Weise mit ihrem Begrenzungswiderstand und wenigstens einer Schutzdiode beschaltete zu schützende Bauelementeeingänge vorgesehen wird.An inexpensive development of the protective circuit according to the invention results from the fact that only a single series connection of series resistors Stand and reference diode or reference diodes to provide the Refe limit potentials for several, each in the manner described above connected their limiting resistor and at least one protective diode component inputs to be protected is provided.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgen den, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigenFurther details and advantages of the invention result from the following the exemplary embodiments explained with reference to figures. Show it

Fig. 1 eine erste Schaltungsanordnung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 1 shows a first circuit arrangement comprising a first embodiment of the invention;

Fig. 2 eine zweite Schaltungsanordnung mit einer weiteren Ausführungs form der Erfindung. Fig. 2 shows a second circuit arrangement with a further embodiment of the invention.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt ein mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 1 beschaltetes aktives Bauelement B1, beispielsweise Ope rationsverstärker, das von einem höherliegenden Versorgungspotential Vdd (i. a. positiv) und von einem tieferliegenden Versorgungspotential Vss (i. a. negativ oder Ground) versorgt wird. Um die Signalspannung Vs am Bauele menteeingang E1 innerhalb eines weiten Bereiches der am Schaltungsein gang E1 anliegenden Eingangsspannung Vi auf einen zulässigen Spannungs bereich zu begrenzen, ist die nachfolgend erläuterte Schutzschaltung 1 vorge sehen. Diese enthält zwischen den Versorgungsspannungen Vdd und Vss eine Reihenschaltung aus einer ersten Referenzdiode D1, einem Reihenwi derstand R1 und einer zweiten Referenzdiode D2. Die Referenzdioden D1, D2 sind in Durchlaßrichtung gepolt. Der durch die Reihenschaltung D1, R1, D2 fließende Durchlaßstrom Id erzeugt an den Verbindungspunkten P1 und P2 von Reihenwiderstand R1 und erster bzw. zweiter Referenzdiode D1 bzw. D2 ein erstes bzw. zweites Referenzpotential Vref1 bzw. Vref2. Das erste Refe renzpotential Vref1 ist gegenüber dem höherliegenden Versorgungspotential Vdd um den Betrag der Durchlaßspannung Vd1 der ersten Referenzdiode D1 vermindert. Das zweite Referenzpotential Vref2 ist gegenüber dem tieferlie genden Versorgungspotential Vss um den Betrag der Durchlaßspannung Vd2 der zweiten Referenzdiode D2 erhöht. Zwischen Schaltungseingang E1 und dem Signaleingang E1 des Bauelementes B1 ist ein Begrenzungswiderstand Ri angeordnet, der wesentlich hochohmiger als der Reihenwiderstand R1 aus zulegen ist. Zwischen dem dritten Verbindungspunkt P3, in dem der Begren zungswiderstand R1 mit dem Signaleingang E1 verbunden ist, und dem ersten bzw. zweiten Verbindungspunkt P1 bzw. P2 ist je eine Schutzdiode Di1 bzw. Di2 angeordnet. Die erste Schutzdiode Di1 liegt mit ihrer Kathode an dem das höherliegende Referenzpotential Vref1 aufweisenden ersten Verbindungs punkt P1, und die zweite Schutzdiode Di2 liegt mit ihrer Anode an dem das tieferliegende Referenzpotential Vref2 aufweisenden zweiten Verbindungs punkt P1. Damit sind die Schutzdioden Di1 und Di2 im nichtbegrenzenden Falle gesperrt und im begrenzenden Falle durchlässig. Im begrenzenden Falle fällt an der ersten bzw. zweiten Schutzdiode Di1 bzw. Di2 die Durchlaßspan nung Vdi1 bzw. Vdi2 ab.The circuit arrangement of Fig. 1 shows a circuitized with an inventive protection circuit 1 active component B1, for example, Ope rationsverstärker which is supplied (positive ia) by a higher-lying supply potential Vdd and a lower-lying supply potential Vss (generally negative or ground). In order to limit the signal voltage Vs at the component input E1 to a permissible voltage range within a wide range of the input voltage Vi present at the circuit input E1, the protective circuit 1 explained below is provided. This contains between the supply voltages Vdd and Vss a series connection of a first reference diode D1, a series resistor R1 and a second reference diode D2. The reference diodes D1, D2 are polarized in the forward direction. The forward current Id flowing through the series circuit D1, R1, D2 generates a first and a second reference potential Vref1 and Vref2 at the connection points P1 and P2 of the series resistor R1 and the first and second reference diodes D1 and D2. The first reference potential Vref1 is reduced compared to the higher supply potential Vdd by the amount of the forward voltage Vd1 of the first reference diode D1. The second reference potential Vref2 is increased by the amount of the forward voltage Vd2 of the second reference diode D2 compared to the lower-lying supply potential Vss. Between the circuit input E1 and the signal input E1 of the component B1, a limiting resistor Ri is arranged, which is much higher than the series resistor R1. A protective diode Di1 or Di2 is arranged between the third connection point P3, in which the limiting resistor R1 is connected to the signal input E1, and the first and second connection points P1 and P2, respectively. The first protective diode Di1 lies with its cathode at the first connection point P1 having the higher reference potential Vref1, and the second protective diode Di2 lies with its anode at the second connection point P1 having the lower reference potential Vref2. The protective diodes Di1 and Di2 are thus blocked in the non-limiting case and are permeable in the limiting case. In the limiting case, the forward voltage Vdi1 or Vdi2 drops at the first or second protective diode Di1 or Di2.

Die Signalspannung Vs wird auf den Bereich von Vsmin bis Vsmax begrenzt. Die Obergrenze für die Signalspannung Vs ergibt sich als
The signal voltage Vs is limited to the range from Vsmin to Vsmax. The upper limit for the signal voltage Vs is given as

Vsmax = Vref1 + Vdi1 = Vdd - Vd1 + Vdi1.Vsmax = Vref1 + Vdi1 = Vdd - Vd1 + Vdi1.

Die Untergrenze für die Signalspannung Vs ergibt sich als
The lower limit for the signal voltage Vs results as

Vsmin = Vref2 - Vdi2 = Vss + Vd2 - Vdi2.Vsmin = Vref2 - Vdi2 = Vss + Vd2 - Vdi2.

Bei Verwendung von Si-Dioden gleichen Typs für alle Dioden D1, D2, Di1, Di2 ergibt sich für die Obergrenze
Using Si diodes of the same type for all diodes D1, D2, Di1, Di2 results in the upper limit

Vsmax = Vdd
Vsmax = Vdd

und für die Untergrenze
and for the lower limit

Vsmin = Vss,
Vsmin = Vss,

also keine Über- bzw. Unterschreitung der Versorgungspotentiale Vdd und Vss. Bei Verwendung von Si-Dioden für die Referenzdioden D1, D2 Durchlaß spannungen Vd1, Vd2 ca. 0,65 V) und von Schottky-Dioden für die Schutz dioden Di1, Di2 (Durchlaßspannungen Vdi1, Vdi2 ca. 0,3 V) ergibt sich für die Obergrenze
So there is no exceeding or falling short of the supply potentials Vdd and Vss. When using Si diodes for the reference diodes D1, D2 forward voltages Vd1, Vd2 approx. 0.65 V) and Schottky diodes for the protective diodes Di1, Di2 (forward voltages Vdi1, Vdi2 approx. 0.3 V) for the upper limit

Vsmax < Vdd
Vsmax <Vdd

und für die Untergrenze
and for the lower limit

Vsmin < Vss,
Vsmin <Vss,

also eine sichere Begrenzung unterhalb bzw. oberhalb des höherliegenden bzw. tieferliegenden Versorgungspotentials Vdd bzw. Vss.a safe limit below or above the higher one or lower supply potential Vdd or Vss.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 zeigt ein mit einer abgewandelten erfin dungsgemäßen Schutzschaltung 2 beschaltetes aktives Bauelement B2, z. B. einen Komparator B2 (LM239), der von einem höherliegenden Versorgungs potential Vdd (+24 V) und von einem tieferliegenden Versorgungspotential Vss (Ground) versorgt wird. Außerdem ist ein mittleres, zwischen Vdd und Vss lie gendes Versorgungspotential Vcc (+5 V) vorgesehen. Im nichtbegrenzenden Fall ergibt sich die Signalspannung Vs an dem ersten Bauelementeeingang E1 aus der am Schaltungseingang Ei anliegenden Eingangsspannung Vi durch Multiplikation mit dem Teilungsverhältnis des Widerstandswertes eines zwi schen dem Verbindungspunkt P3 und Ground angeordneten Ableitwiderstan des R2 und der Summe der Widerstandswerte von Begrenzungswiderstand Ri und Ableitwiderstand R2. Zwischen dem mittleren Versorgungspotential Vcc und Ground ist weiterhin ein mit dem zweiten Bauelementeeingang E2 des Komparators B2 verbundener Spannungsteiler, bestehend aus den in Reihe geschalteten Teilerwiderständen R3 und R4, angeordnet, mit dem die Ver gleichsspannung für die Schaltschwelle der Signalspannung Vs festgelegt wird. Durch die Beschaltung der ersten Schutzdiode Di1 gegen das mittlere Versorgungspotential Vcc wird die Signalspannung auf eine Obergrenze Vsmax begrenzt, die weit unterhalb des höherliegenden Versorgungspotentials Vdd liegt. Zwischen den Versorgungsspannungen Vdd und Vss ist eine Rei henschaltung aus einem Reihenwiderstand R1 und einer Referenzdiode D2 angeordnet, die in Durchlaßrichtung gepolt ist. Der durch die Reihenschaltung R1, D2 fließende Durchlaßstrom Id erzeugt an dem Verbindungspunkt P2 von Reihenwiderstand R1 und Referenzdiode D2 ein Referenzpotential Vref2, das gegenüber dem tieferliegenden Versorgungspotential Vss um den Betrag der Durchlaßspannung Vd2 der Referenzdiode D2 höher liegt. Somit begrenzen der Begrenzungswiderstand R1 und die mit ihm verbundene und anodenseitig zum Verbindungspunkt P2 geführte zweite Schutzdiode D2 die Signalspan nung Vs auf eine Untergrenze Vsmin, die nicht das tieferliegende Versor gungspotential Vss unterschreitet. Bei Verwendung von Si-Dioden für die Schutzdioden Di1, Di2 und die Referenzdiode D2 (Durchlaßspannungen Vdi1, Vdi2, Vd2 = 0,65 V) ergibt sich somit für die Signalspannung Vs mit den in Fig. 2 konkret angegebenen Versorgungspotentialen eine Obergrenze Vsmax = +5,65 V und eine Untergrenze Vsmin = 0 V.The circuit arrangement of Fig. 2 shows a circuitized with a modified OF INVENTION to the invention the protection circuit 2 active component B2, for example. B. a comparator B2 (LM239), which is supplied from a higher supply potential Vdd (+24 V) and from a lower supply potential Vss (ground). In addition, an average supply potential Vcc (+5 V) lying between Vdd and Vss is provided. In the non-limiting case, the signal voltage Vs at the first component input E1 results from the input voltage Vi present at the circuit input Ei by multiplication with the division ratio of the resistance value of a leakage resistance of the R2 arranged between the connection point P3 and ground and the sum of the resistance values of the limiting resistance Ri and leakage resistance R2. Between the mean supply potential Vcc and ground, a voltage divider connected to the second component input E2 of the comparator B2, consisting of the series-connected divider resistors R3 and R4, is also arranged, with which the comparison voltage for the switching threshold of the signal voltage Vs is determined. By connecting the first protective diode Di1 to the average supply potential Vcc, the signal voltage is limited to an upper limit Vsmax, which is far below the higher supply potential Vdd. Between the supply voltages Vdd and Vss, a series circuit comprising a series resistor R1 and a reference diode D2 is arranged, which is polarized in the forward direction. The forward current Id flowing through the series circuit R1, D2 generates a reference potential Vref2 at the connection point P2 of the series resistor R1 and the reference diode D2, which is higher than the lower supply potential Vss by the amount of the forward voltage Vd2 of the reference diode D2. Thus, the limiting resistor R1 and the second protective diode D2 connected to it and on the anode side to the connection point P2 limit the signal voltage Vs to a lower limit Vsmin, which does not fall below the lower supply potential Vss. When using Si diodes for the protective diodes Di1, Di2 and the reference diode D2 (forward voltages Vdi1, Vdi2, Vd2 = 0.65 V), an upper limit Vsmax = + results for the signal voltage Vs with the supply potentials specified in FIG. 2 5.65 V and a lower limit Vsmin = 0 V.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausfüh rungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungsformen. So läßt sich die Erfindung beispielsweise dahingehend abwandeln, daß statt einer einzelnen Referenzdiode D1 bzw. D2 eine Reihenschaltung mehrerer in gleicher Richtung gepolter Dioden verwen det wird oder eine Z-Diode Verwendung findet. Eine weitere, kostengünstige Abwandlung besteht darin, daß eine gemeinsame Reihenschaltung aus Rei henwiderstand R1 und Referenzdiode(n) D1, D2 für eine Mehrzahl von in übli cher Weise mit Begrenzungswiderstand und Schutzdiode(n) individuell be schalteten Bauelementeeingängen vorgesehen ist. The present invention is not based on the embodiment described above tion forms limited, but also includes all within the meaning of the invention equivalent embodiments. For example, the invention Modify that instead of a single reference diode D1 or D2 use a series connection of several diodes polarized in the same direction det or a Zener diode is used. Another inexpensive Modification is that a common series connection of Rei hen resistor R1 and reference diode (s) D1, D2 for a plurality of in übli individually with limiting resistor and protective diode (s) switched component inputs is provided.

Reference list

11

; ;

22nd

Schutzschaltung
B1;B2 aktive Bauelement
D1; D2 Referenzdiode
Di1; Di2 Schutzdiode
E1; E2 Bauelementeeingang
E1 Schaltungseingang
Id Durchlaßstrom
P1; P2; P3 Verbindungspunkt
R1 Reihenwiderstand
R2 Ableitwiderstand
R3; R4 Teilerwiderstand
R1 Begrenzungswiderstand
Vd1; Vd2; Vdi1; Vdi2 Durchlaßspannung
Vi Eingangsspannung
Vs Signalspannung
Vcc; Vdd; Vss Versorgungspotential
Vref1; Vref2 Referenzpotential
Protection circuit
B1; B2 active component
D1; D2 reference diode
Di1; Di2 protection diode
E1; E2 component input
E1 circuit input
Id forward current
P1; P2; P3 connection point
R1 series resistance
R2 leakage resistance
R3; R4 divider resistance
R1 limiting resistor
Vd1; Vd2; Vdi1; Vdi2 forward voltage
Vi input voltage
Vs signal voltage
Vcc; Vdd; Vss supply potential
Vref1; Vref2 reference potential

Claims

1. Protection circuit for active components against overvoltage or undervoltage, consisting of a limiting resistor (R1) serially arranged in front of the component input to be protected (E1) and, if necessary, one between the connection point (P3) of limiting resistor (R1) and input devices (E1) on the one hand and the supply potential or to the supply potentials on the other hand are arranged in the reverse protection diode (Di1, Di2), characterized denotes Ge,

- That between the supply potentials (Vdd; Vss) a series circuit of a series resistor (R1) and a reference diode (D2) or, if necessary, each a reference diode (D1; D2) is arranged, the reference diode (D1; D2) in the forward direction arranged between supply potential (Vdd; Vss) and series resistor (R1) and the resistance value of the series resistor (R1) is significantly smaller than that of the limiting resistor (Ri), and
- That with the connection point (P1; P2) of series resistor (R1) and reference diode (D1; D2) the protective diode (Di1; Di2) is connected to its electrode remote from the limiting resistor (Ri).

2. Protection circuit according to claim 1, characterized in that as Reference diode (D1; D2) a Si diode and as a protective diode (Di1; Di2) one Schottky diode is provided.

3. Protection circuit according to claim 1, characterized in that as Reference diode (D1; D2) the series connection of at least two diodes is provided.

4. Protection circuit according to claim 1 or 3, characterized in that a Zener diode is provided as the reference diode (D1; D2).

5. Protection circuit according to one of the preceding claims, characterized ge indicates that with the connection point (P1; P2) the at least assigned to another component input to be protected Protection diode is connected.