[go: up one dir, main page]

RU215843U1 - Output buffer device of the interface chip with reverse current protection - Google Patents

Output buffer device of the interface chip with reverse current protection Download PDF

Info

Publication number
RU215843U1
RU215843U1 RU2022122769U RU2022122769U RU215843U1 RU 215843 U1 RU215843 U1 RU 215843U1 RU 2022122769 U RU2022122769 U RU 2022122769U RU 2022122769 U RU2022122769 U RU 2022122769U RU 215843 U1 RU215843 U1 RU 215843U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transistors
voltage
buffer
output buffer
transistor
Prior art date
Application number
RU2022122769U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Валерьевич Сухотерин
Дмитрий Васильевич Колесников
Андрей Витальевич Тучин
Original Assignee
Акционерное общество "ПКК МИЛАНДР"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "ПКК МИЛАНДР" filed Critical Акционерное общество "ПКК МИЛАНДР"
Application granted granted Critical
Publication of RU215843U1 publication Critical patent/RU215843U1/en

Links

Images

Abstract

Полезная модель относится к области радиотехники и предназначена для использования в выходных буферах передатчиков интерфейсных микросхем проводной цифровой связи (к примеру, RS485). Предложенная схема позволяет реализовать выходной буфер передатчика со встроенной защитой от обратных токов при выходе напряжения в линии связи за допустимые пределы - ниже потенциала земли либо выше напряжения питания буфера. Для защиты транзисторов буфера от обратных токов используются дополнительные защитные транзисторы, включенные последовательно с основными транзисторами и управляемые разработанной схемой контроля напряжения в линии связи, построенной на основе усилительного каскада с общим затвором с использованием токовых зеркал. Разработанная схема защиты от обратных токов сохраняет функциональность также и в выключенном состоянии передатчика при условии подачи напряжения питания.

Figure 00000001
The utility model relates to the field of radio engineering and is intended for use in the output buffers of transmitters of wired digital communication interface chips (for example, RS485). The proposed scheme makes it possible to implement a transmitter output buffer with built-in protection against reverse currents when the voltage in the communication line goes beyond the permissible limits - below the ground potential or above the buffer supply voltage. To protect the buffer transistors from reverse currents, additional protective transistors are used, connected in series with the main transistors and controlled by the developed voltage control circuit in the communication line, built on the basis of a common-gate amplifying stage using current mirrors. The developed reverse current protection circuit also retains functionality in the off state of the transmitter, provided that the supply voltage is applied.
Figure 00000001

Description

Полезная модель относится к области радиотехники и предназначена для использования в выходных буферах передатчиков интерфейсных микросхем проводной цифровой связи (к примеру, RS485). Устройство позволяет реализовать выходной буфер передатчика со встроенной защитой от обратных токов при выходе напряжения в линии связи за допустимые пределы - ниже потенциала земли либо выше напряжения питания буфера.The utility model relates to the field of radio engineering and is intended for use in the output buffers of transmitters of wired digital communication interface chips (for example, RS485). The device makes it possible to implement a transmitter output buffer with built-in protection against reverse currents when the voltage in the communication line goes beyond the permissible limits - below the ground potential or above the buffer supply voltage.

Широко распространенные в настоящее время системы проводной цифровой связи обусловливают необходимость учета конструктивных особенностей длинных проводных линий связи, таких как возможность появления при нештатных ситуациях инверсии полярности напряжения и выхода величины напряжения в линии за допустимые пределы, влекущего за собой появление так называемых обратных токов. Соответственно, для обеспечения бесперебойной работы систем связи, интерфейсные микросхемы должны обладать защитой от повреждения при наступлении подобных нештатных ситуаций. Наиболее чувствительным к упомянутым нештатным ситуациям является выходной буфер передатчиков интерфейсных микросхем, в котором необходимо использовать достаточно мощные МОП транзисторы, что увеличивает опасность их повреждения от перегрева большим протекающим током. Выходной буфер может быть поврежден обратными токами, возникающими в двух случаях:The currently widespread wired digital communication systems necessitate taking into account the design features of long wired communication lines, such as the possibility of occurrence of voltage polarity inversion in emergency situations and the voltage in the line going beyond the permissible limits, resulting in the appearance of so-called reverse currents. Accordingly, to ensure the uninterrupted operation of communication systems, interface microcircuits must be protected from damage in the event of such abnormal situations. The most sensitive to the aforementioned abnormal situations is the output buffer of the transmitters of interface microcircuits, in which it is necessary to use sufficiently powerful MOS transistors, which increases the risk of damage from overheating by a large flowing current. The output buffer can be damaged by reverse currents in two cases:

а) при снижении напряжения в линии передачи ниже потенциала земли;a) when the voltage in the transmission line drops below the ground potential;

б) при превышении напряжения в линии уровня напряжения питания выходного буфера передатчика.b) when the voltage in the line exceeds the supply voltage level of the output buffer of the transmitter.

В обоих указанных случаях в транзисторах выходного буфера открываются встроенные диоды стоковых p-n-переходов, в результате чего через транзисторы буфера начинает течь неуправляемый ток, который может привести к повреждению транзисторов буфера.In both of these cases, the built-in sink diodes in the output buffer transistors open, as a result of which an uncontrolled current begins to flow through the buffer transistors, which can lead to damage to the buffer transistors.

Широко известная классическая схема выходного буфера в виде комплементарной пары МОП транзисторов (фиг. 1) обладает рядом недостатков, одними из наиболее существенных из которых являются полное отсутствие защиты от выхода напряжения в линии за допустимые пределы - ниже потенциала земли либо выше напряжения питания буфера, при котором открываются встроенные стоковые диоды транзисторов нижнего либо верхнего плеча соответственно, что также может приводить к протеканию больших неуправляемых токов через транзисторы выходного буфера и их повреждению вследствие перегрева.The well-known classic output buffer circuit in the form of a complementary pair of MOS transistors (Fig. 1) has a number of disadvantages, one of the most significant of which is the complete lack of protection against the line voltage going beyond the permissible limits - below the ground potential or above the buffer supply voltage, when which opens the built-in drain diodes of the transistors of the lower or upper side, respectively, which can also lead to the flow of large uncontrolled currents through the output buffer transistors and their damage due to overheating.

В патенте [1] (US 20020021144 А1 «Three-volt TIA/EIA-485 driver circuit)), опубликованном 21.02.2002 г., МПК Н03К 19/02), приводится типовая широко используемая схема выходного буфера передатчика (фиг. 2), а также предлагается улучшение этой схемы (фиг. 3). Однако у предложенного решения имеется существенный недостаток - хорошо известно, что увеличение сопротивления цепи подложка-исток резко снижает стойкость транзистора к электростатическому разряду. Соответственно, предложенное использование диодов Шоттки в цепи подложка-исток приведет к дополнительному падению напряжения на них, что эквивалентно увеличению сопротивления данной цепи, и, как следствие, значительному снижению стойкости буфера к статическому электричеству и общему снижению надежности передатчика.In the patent [1] (US 20020021144 A1 "Three-volt TIA / EIA-485 driver circuit)), published on February 21, 2002, IPC H03K 19/02), a typical widely used transmitter output buffer circuit is provided (Fig. 2) , and an improvement of this scheme is also proposed (Fig. 3). However, the proposed solution has a significant drawback - it is well known that an increase in the resistance of the substrate-source circuit sharply reduces the resistance of the transistor to electrostatic discharge. Accordingly, the proposed use of Schottky diodes in the substrate-source circuit will lead to an additional voltage drop across them, which is equivalent to an increase in the resistance of this circuit, and, as a result, a significant decrease in the buffer resistance to static electricity and a general decrease in transmitter reliability.

В патенте [2] (US 5844425 A «CMOS tristate output buffer with having overvoltage protection and increased stability against bus voltage variations)), опубликованном 01.12.1998 г., МПК H03K 19/00), предложен принцип построения выходного буфера, включающий в себя защиту от превышения напряжения питания, обеспечивающий защиту от обратных токов, основанный на управлении потенциалом подложки р-МОП транзистором верхнего плеча буфера (фиг. 4). Однако предложенный принцип обладает тем же недостатком, что и решение из предыдущего патента - предложенный принцип не обеспечивает защиты от снижения напряжения в линии ниже потенциала земли.In the patent [2] (US 5844425 A "CMOS tristate output buffer with overvoltage protection and increased stability against bus voltage variations)), published on December 1, 1998, IPC H03K 19/00), the principle of constructing an output buffer is proposed, including itself protection against excess supply voltage, providing protection against reverse currents, based on the control of the potential of the substrate p-MOS transistor of the upper side of the buffer (Fig. 4). However, the proposed principle has the same disadvantage as the solution from the previous patent - the proposed principle does not provide protection against a decrease in the voltage in the line below the ground potential.

В патенте [4] (№US 6329842 B1 «Output circuit for electronic devices», опубликованном 11.12.2001 г., МПК Н03К 19/0175), предложена схема выходного буфера, конструктивно подобная предыдущему решению и обладающая теми же недостатками (фиг. 5). Однако в предложенной схеме содержится перспективное конструктивное решение - включение защитных транзисторов буфера последовательно с основными выходными транзисторами буфера. Подобное решение в усовершенствованном виде использовано в настоящей полезной модели.In the patent [4] (No. US 6329842 B1 "Output circuit for electronic devices", published on December 11, 2001, IPC H03K 19/0175), an output buffer circuit is proposed that is structurally similar to the previous solution and has the same disadvantages (Fig. 5 ). However, the proposed scheme contains a promising design solution - the inclusion of protective buffer transistors in series with the main output buffer transistors. A similar solution in an improved form is used in the present utility model.

В патенте [3] (WO 2019/173275 А1 «Circuit providing reverse current protection for high-side driver», опубликованном 12.09.2019 г., МПК H02H 3/08, H03K 19/00), приведена электрическая принципиальная схема электронного модуля, предназначенного для использования с разнообразными сенсорами, подключаемыми посредством проводной линии связи, содержащая систему защиты от обратных токов при выходе напряжения в линии за допустимые пределы (фиг. 6). Предложенные в данном патенте идеи построения некоторых схемотехнических решений после адаптации могут быть полезны и в выходных буферах интерфейсных микросхем. В частности представляет интерес способ включения защитных транзисторов в выходной цепи - последовательно в противоположной полярности, причем истоки транзисторов соединены вместе. Подобное решение в усовершенствованном виде использовано в составе настоящей полезной модели.In the patent [3] (WO 2019/173275 A1 "Circuit providing reverse current protection for high-side driver", published on September 12, 2019, IPC H02H 3/08, H03K 19/00), an electrical circuit diagram of the electronic module is shown, designed for use with a variety of sensors connected via a wired communication line, containing a system of protection against reverse currents when the voltage in the line goes beyond the permissible limits (Fig. 6). The ideas proposed in this patent for constructing some circuit solutions after adaptation can also be useful in the output buffers of interface microcircuits. In particular, of interest is the method of switching on protective transistors in the output circuit - in series in opposite polarity, and the sources of the transistors are connected together. A similar solution in an improved form is used as part of this utility model.

Таким образом, среди известных общедоступных конструктивных решений не встречается выходных буферов интерфейсных микросхем, обладающих встроенной защитой от обратных токов при выходе напряжения в линии связи за допустимые пределы - ниже потенциала земли либо выше напряжения питания буфера, не ухудшающей надежность передатчика, в частности не снижающей стойкость буфера к статическому электричеству.Thus, among the known publicly available design solutions, there are no output buffers of interface microcircuits that have built-in protection against reverse currents when the voltage in the communication line goes beyond the permissible limits - below the ground potential or above the buffer supply voltage, which does not worsen the reliability of the transmitter, in particular, does not reduce the resistance buffer to static electricity.

Задачами полезной модели является устранение выявленных в прототипах недостатков и обеспечение высокой устойчивости выходного буфера интерфейсных микросхем к основным нештатным ситуациям, возникающим в проводных линиях связи.The objectives of the utility model are to eliminate the shortcomings identified in the prototypes and to ensure high stability of the output buffer of interface microcircuits to the main contingencies that occur in wired communication lines.

Технический результат применения предлагаемой полезной модели заключается в повышении надежности и сбоеустойчивости систем проводной цифровой связи, который достигается за счет добавления в микросхемы передатчика новой встроенной системы защиты от обратных токов при выходе напряжения в линии связи за допустимые пределы.The technical result of applying the proposed utility model is to increase the reliability and fault tolerance of wired digital communication systems, which is achieved by adding a new built-in reverse current protection system to the transmitter microcircuits when the voltage in the communication line goes beyond the permissible limits.

На фиг. 1 представлена классическая схема выходного буфера в виде комплементарной пары МОП транзисторов, где верхнее плечо буфера реализовано на р-канальном МОП транзисторе Р1, а нижнее плечо - на n-канальном МОП транзисторе N1.In FIG. 1 shows a classic output buffer circuit in the form of a complementary pair of MOS transistors, where the upper buffer arm is implemented on a p-channel MOS transistor P1, and the lower arm is implemented on an n-channel MOS transistor N1.

На фиг. 2 приведена типовая схема выходного буфера передатчика, где: 601 и 611 - непосредственно выходной буфер, 600 и 610 - защитные диоды Шоттки, предотвращающие протекание обратных токов. Остальные элементы представляют собой предусилитель и схему выключения.In FIG. 2 shows a typical diagram of the transmitter output buffer, where: 601 and 611 are the output buffer itself, 600 and 610 are Schottky protective diodes that prevent the flow of reverse currents. The remaining elements are the preamplifier and the shutdown circuit.

На фиг. 3 представлена схема выходного буфера передатчика, где: 810 и 811 - непосредственно выходной буфер, 812, 813, 821 и 824 - защитные диоды Шоттки. Остальные элементы представляют собой предусилитель и схему выключения, а также выполняют вспомогательные роли.In FIG. 3 shows a diagram of the output buffer of the transmitter, where: 810 and 811 are directly the output buffer, 812, 813, 821 and 824 are Schottky protective diodes. The remaining elements are a preamplifier and a shutdown circuit, and also perform auxiliary roles.

На фиг. 4 представлена схема выходного буфера передатчика, где Р1 и N1 - непосредственно выходной буфер. Остальные элементы представляют собой предусилитель, а также выполняют вспомогательные роли, в том числе с помощью нераскрытой схемы управления 310 выполняется управление потенциалом подложки транзистора Р1, чем и достигается защита от обратных токов.In FIG. 4 shows a diagram of the output buffer of the transmitter, where P1 and N1 are directly the output buffer. The remaining elements are a preamplifier, and also perform auxiliary roles, including using an undisclosed control circuit 310, the potential of the substrate of the transistor P1 is controlled, which achieves protection against reverse currents.

На фиг. 5 представлена схема выходного буфера передатчика, где: Q1 и Q5 - непосредственно выходной буфер. Транзисторы Q2, Q3 и Q4, включенные последовательно с транзисторами Q1 и Q5, образуют защиту от обратных токов, управляемую с помощью схемы из остальных элементов.In FIG. 5 shows the diagram of the output buffer of the transmitter, where: Q1 and Q5 are directly the output buffer. Transistors Q2, Q3 and Q4, connected in series with transistors Q1 and Q5, form a backfeed protection controlled by a circuit of the remaining elements.

На фиг. 6 представлена схема электронного модуля, предназначенного для использования с разнообразными сенсорами, содержащая в выходной цепи перспективное конструктивное решение - включение защитных транзисторов M7F и M7R последовательно в противоположной полярности, причем истоки транзисторов соединены вместе.In FIG. 6 shows a diagram of an electronic module designed for use with a variety of sensors, containing a promising design solution in the output circuit - switching on the protective transistors M7F and M7R in series in opposite polarity, and the sources of the transistors are connected together.

На фиг. 7 представлена схема предлагаемого выходного буфера с защитой от короткого замыкания и обратных токов, где: непосредственно выходной буфер построен на комплементарной паре МОП транзисторов MN3 и МР3. Транзисторы MN1 и MN2 в нижнем плече и МР1 и МР2 в верхнем плече ограничивают выходной ток буфера. Ключи MN4 и МР4 обеспечивают защиту буфера от протекания обратных токов, диоды D1 и D2 используются для защиты затворов транзисторов МР4 и MN4. Управление работой транзисторов MN4 и МР4 осуществляется с помощью разработанной схемы контроля напряжения в линии связи, состоящей из двух аналогичных частей и включающей следующие элементы: МР10, МР11, МР12, МР13, MN5, MN6, MN7, MN8, MN9, D5, D6_series5, R2 - для транзистора MN4, и MN10, MN11, MN12, MN13, МР5, МР6, МР7, МР8, МР9, D3, D4_series5, R1 - для транзистора МР4 соответственно.In FIG. 7 shows a diagram of the proposed output buffer with protection against short circuits and reverse currents, where: the output buffer itself is built on a complementary pair of MOS transistors MN3 and MP3. Transistors MN1 and MN2 in the lower side and MP1 and MP2 in the upper side limit the output current of the buffer. Switches MN4 and MP4 protect the buffer from reverse currents, diodes D1 and D2 are used to protect the gates of transistors MP4 and MN4. The operation of transistors MN4 and MP4 is controlled using the developed voltage control circuit in the communication line, consisting of two similar parts and including the following elements: MP10, MP11, MP12, MP13, MN5, MN6, MN7, MN8, MN9, D5, D6_series5, R2 - for the transistor MN4, and MN10, MN11, MN12, MN13, MP5, MP6, MP7, MP8, MP9, D3, D4_series5, R1 - for the transistor MP4, respectively.

На фиг. 7 представлена предлагаемая в настоящей полезной модели схема выходного буфера интерфейсной микросхемы.In FIG. 7 shows the scheme of the output buffer of the interface chip proposed in this utility model.

Предлагаемая схема (см. фиг. 7) базируется на стандартных комплементарных МОП транзисторах и может быть реализована с помощью большинства современных интегральных технологических процессов -КМОП, БиКМОП, БиКДМОП. Непосредственно выходной буфер построен на комплементарной паре МОП транзисторов MN3 и МР3 (фиг. 7), остальные элементы схемы входят в состав системы защиты. Цифровая схема передатчика непринципиальна и не имеет прямого отношения к сути настоящей полезной модели, поэтому она показана в виде блока LOGIC, в который поступает входной сигнал DIN, сигнал включения/выключения передатчика EN, и из которого выходные сигналы IN_P и IN_N поступают на затворы транзисторов MN3 и МР3 выходного буфера.The proposed circuit (see Fig. 7) is based on standard complementary MOS transistors and can be implemented using most modern integrated technological processes - CMOS, BiCMOS, BiKDMOS. The output buffer itself is built on a complementary pair of MOS transistors MN3 and MP3 (Fig. 7), the rest of the circuit elements are part of the protection system. The digital circuit of the transmitter is unprincipled and is not directly related to the essence of this utility model, therefore it is shown as a LOGIC block, which receives the input signal DIN, the signal on / off the transmitter EN, and from which the output signals IN_P and IN_N go to the gates of transistors MN3 and MP3 output buffer.

Ключи MN4 и МР4 обеспечивают защиту буфера от протекания обратных токов при выходе напряжения в линии связи за допустимые пределы - ниже нуля либо выше напряжения питания буфера. Данные транзисторы включены последовательно с основными транзисторами буфера MN3 и МР3, но в противоположной полярности - сток MN4 соединяется со стоком MN3, и аналогично сток МР4 соединяется со стоком МР3. При таком включении данные транзисторы в закрытом состоянии защищают транзисторы MN3 и МР3 от протекания обратных токов, т.к. встроенные стоковые диоды транзисторов MN4 и МР4 оказываются включены в запирающей полярности по отношению к обратным токам: закрытый транзистор MN4 защищает от отрицательного напряжения в линии связи, закрытый транзистор МР4 защищает от напряжения в линии связи, превышающего напряжение питания буфера. Диоды D1 и D2 используются для защиты затворов транзисторов МР4 и MN4 при напряжении в линии (OUT) ниже нуля либо выше напряжения питания соответственно. В нормальном режиме работы транзисторы MN4 и МР4 должны быть полностью открыты, при этом потери мощности на них будут минимальны, а при выходе напряжения в линии связи за допустимые пределы транзисторы должны закрываться для обеспечения защиты от обратных токов.Keys MN4 and MP4 protect the buffer from the flow of reverse currents when the voltage in the communication line goes beyond the permissible limits - below zero or above the buffer supply voltage. These transistors are connected in series with the main buffer transistors MN3 and MP3, but in opposite polarity - the drain of MN4 is connected to the drain of MN3, and similarly the drain of MP4 is connected to the drain of MP3. With this inclusion, these transistors in the closed state protect the transistors MN3 and MP3 from the flow of reverse currents, because. the built-in drain diodes of transistors MN4 and MP4 are turned on in the blocking polarity with respect to reverse currents: the closed transistor MN4 protects against negative voltage in the communication line, the closed transistor MP4 protects against voltage in the communication line exceeding the buffer supply voltage. Diodes D1 and D2 are used to protect the gates of transistors MP4 and MN4 when the line voltage (OUT) is below zero or above the supply voltage, respectively. In normal operation, the transistors MN4 and MP4 must be fully open, while the power loss on them will be minimal, and when the voltage in the communication line goes beyond the permissible limits, the transistors must be closed to provide protection against reverse currents.

Управление работой транзисторов MN4 и МР4 осуществляется с помощью разработанной схемы контроля напряжения в линии связи, состоящей из двух аналогичных частей и включающей следующие элементы: МР10, МР11, МР12, МР13, MN5, MN6, MN7, MN8, MN9, D5, D6_series5, R2 - для транзистора MN4, и MN10, MN11, MN12, MN13, МР5, МР6, МР7, МР8, МР9, D3, D4_series5, R1 - для транзистора МР4 соответственно. Конструкция и принцип работы обеих частей данной схемы управления для транзисторов MN4 и МР4 соответственно полностью аналогичны, поэтому детально будет рассмотрена лишь одна часть - для транзистора MN4.The operation of transistors MN4 and MP4 is controlled using the developed voltage control circuit in the communication line, consisting of two similar parts and including the following elements: MP10, MP11, MP12, MP13, MN5, MN6, MN7, MN8, MN9, D5, D6_series5, R2 - for the transistor MN4, and MN10, MN11, MN12, MN13, MP5, MP6, MP7, MP8, MP9, D3, D4_series5, R1 - for the transistor MP4, respectively. The design and principle of operation of both parts of this control circuit for transistors MN4 and MP4, respectively, are completely similar, therefore, only one part will be considered in detail - for the transistor MN4.

Разработанная схема управления транзистором MN4 состоит из усилительного каскада с общим затвором (MN8, MN9) с использованием токовых зеркал для задания режима работы усилительного каскада и обеспечивает формирование на затворе транзистора MN4 (цепь nprot) напряжения, близкого к напряжению питания, при напряжении в линии в диапазоне от потенциала земли до уровня напряжения питания буфера. Соответственно, в нормальных условиях работы транзистор MN4 будет полностью открыт и практически не будет оказывать влияния на работу буфера. При снижении напряжения в линии ниже потенциала земли открывается каскад на транзисторах MN8, MN9, и тем самым на затворе MN4 формируется напряжение, близкое к напряжению в линии. Это обеспечивает закрытие транзистора MN4 и предотвращает протекание обратного тока. Транзисторы MN8, MN9 включены в противоположной полярности - соединены истоками, для предотвращения протекания обратного тока в закрытом состоянии транзисторов. Диоды D5, D6_series5 обеспечивают защиту от превышения допустимого напряжения затвор-исток транзисторов MN8, MN9. Транзистор MN5 и резистор R2 обеспечивают защиту от протекания обратных токов в режиме «выключено» - при выключении передатчика сигналом EN транзистор MN5 закрывается для снижения потребления энергии схемой управления, и для обеспечения работоспособности системы защиты от обратных токов транзисторы MN8, MN9 открываются положительным потенциалом напряжения питания, подаваемым на затворы MN8, MN9 с помощью резистора R2. Транзистор МР13 обеспечивает защиту от протекания обратного тока в схеме управления через транзистор MP12 при напряжениях в линии выше напряжения питания. Сигнал управления затвором МР13 pprot берется с выхода схемы управления защиты от обратных токов верхнего каскада, т.е. с затвора транзистора МР4.The developed control circuit for the transistor MN4 consists of an amplifying stage with a common gate (MN8, MN9) using current mirrors to set the operating mode of the amplifying stage and ensures the formation of a voltage close to the supply voltage at the gate of the transistor MN4 (nprot circuit) at a line voltage of range from ground potential to buffer supply voltage level. Accordingly, under normal operating conditions, the MN4 transistor will be fully open and will have little or no effect on the operation of the buffer. When the line voltage drops below the ground potential, a cascade opens on transistors MN8, MN9, and thus a voltage close to the line voltage is formed at the gate of MN4. This ensures that transistor MN4 is closed and prevents reverse current from flowing. Transistors MN8, MN9 are connected in opposite polarity - connected by sources, to prevent the flow of reverse current in the closed state of transistors. Diodes D5, D6_series5 provide protection against excess gate-source voltage of transistors MN8, MN9. Transistor MN5 and resistor R2 provide protection against reverse currents in the “off” mode - when the transmitter is turned off by the EN signal, transistor MN5 closes to reduce power consumption by the control circuit, and to ensure the operation of the reverse current protection system, transistors MN8, MN9 open with a positive potential of the supply voltage applied to the gates MN8, MN9 using resistor R2. The MP13 transistor provides protection against reverse current flow in the control circuit through the MP12 transistor at line voltages higher than the supply voltage. The gate control signal MP13 pprot is taken from the output of the upper stage reverse current protection control circuit, i.e. from the gate of the MP4 transistor.

Схема управления транзистора МР4 полностью аналогична рассмотренной с той разницей, что в нормальном режиме работы на затворе транзистора МР4 формируется близкий к уровню земли потенциал, полностью открывая данный транзистор, а при повышении напряжения в линии выше уровня напряжения питания буфера, на затвор данного транзистора подается напряжение с линии, полностью закрывая его. Настройка уровней срабатывания схемы защиты осуществляется с помощью опорных токов 13 и 14, а также подгонкой соотношений ширины затворов транзисторов в составе токовых зеркал.The control circuit of the MP4 transistor is completely similar to that considered with the difference that in normal operation, a potential close to the ground level is formed at the gate of the MP4 transistor, completely opening this transistor, and when the voltage in the line rises above the buffer supply voltage level, voltage is applied to the gate of this transistor from the line, completely closing it. Setting the levels of operation of the protection circuit is carried out using the reference currents 13 and 14, as well as by adjusting the ratios of the width of the gates of the transistors in the current mirrors.

Предлагаемая схема выходного буфера работает следующим образом.The proposed output buffer scheme works as follows.

В нормальном режиме работы, при котором напряжение в линии связи находится в диапазоне от потенциала земли до напряжения питания буфера, а также ток утечек в линии связи не превышает заданных значений, схемы защиты не оказывают влияния на работу выходного буфера на транзисторах MN3 и МР3, т.к. выходной ток буфера много меньше предельного тока токовых зеркал на MN1 и MN2 и на МР1 и МР2, соответственно сопротивление транзисторов MN2 и МР2 незначительно. Транзисторы MN4 и МР4, при этом также полностью открыты и их сопротивление также незначительно. Система токовых зеркал схемы контроля напряжения в линии связи на транзисторах MP10, МР11, MP12, MN6, MN7, MN8, MN9, а также на MN10, MN11, MN12, МР6, МР7, МР8, МР9, настроена таким образом, что в нормальном режиме работы степень открытия транзисторов MN8, MN9 и МР8, МР9 незначительна, транзисторы МР13 и MN13 открыты полностью, а транзисторы MP12 и MN12 открыты достаточно сильно, соответственно на затворы транзисторов MN4 и МР4 поступает потенциал питания и земли соответственно, что приводит к полному открытию транзисторов MN4 и МР4.In normal operation, when the voltage in the communication line is in the range from the ground potential to the buffer supply voltage, and the leakage current in the communication line does not exceed the specified values, the protection circuits do not affect the operation of the output buffer on transistors MN3 and MP3, t .to. the buffer output current is much less than the limiting current of the current mirrors on MN1 and MN2 and on MP1 and MP2, respectively, the resistance of transistors MN2 and MP2 is insignificant. Transistors MN4 and MP4 are also fully open and their resistance is also insignificant. The system of current mirrors of the voltage control circuit in the communication line on transistors MP10, MP11, MP12, MN6, MN7, MN8, MN9, as well as on MN10, MN11, MN12, MP6, MP7, MP8, MP9, is configured in such a way that in normal mode of operation, the degree of opening of transistors MN8, MN9 and MP8, MP9 is insignificant, transistors MP13 and MN13 are fully open, and transistors MP12 and MN12 are open quite strongly, respectively, the gates of transistors MN4 and MP4 receive the power and ground potential, respectively, which leads to the full opening of transistors MN4 and MP4.

В случае возникновения короткого замыкания в линии связи выходной ток буфера ограничивается предельным током токовых зеркал на MN1 и MN2 и на МР1 и МР2, соответственно повреждения выходных транзисторов буфера MN3 и МР3 не происходит.In the event of a short circuit in the communication line, the output current of the buffer is limited by the limiting current of the current mirrors on MN1 and MN2 and on MP1 and MP2, respectively, the output transistors of the buffer MN3 and MP3 are not damaged.

При снижении напряжения в линии связи ниже потенциала земли открывается каскад на транзисторах MN8, MN9, и тем самым на затворе MN4 формируется напряжение, равное напряжению в линии. Это обеспечивает закрытие транзистора MN4 и предотвращает протекание обратного тока через транзистор MN3. Транзистор MN13 при этом также закрывается и предотвращает протекание обратного тока через транзистор MN12. Диод D1 защищает затвор транзистора МР4 от пробоя. Таким образом, схема буфера оказывается защищенной от повреждения обратным током при снижении напряжения в линии связи ниже потенциала земли.When the voltage in the communication line drops below the ground potential, a cascade opens on transistors MN8, MN9, and thus a voltage equal to the voltage in the line is formed at the gate of MN4. This ensures that transistor MN4 is closed and prevents reverse current from flowing through transistor MN3. Transistor MN13 also closes and prevents reverse current from flowing through transistor MN12. Diode D1 protects the gate of the MP4 transistor from breakdown. Thus, the buffer circuit is protected from reverse current damage when the voltage in the communication line drops below ground potential.

При повышении напряжения в линии связи выше напряжения питания буфера открывается каскад на транзисторах МР8, МР9, и тем самым на затворе МР4 формируется напряжение, равное напряжению в линии. Это обеспечивает закрытие транзистора МР4 и предотвращает протекание обратного тока через транзистор МР3. Транзистор МР13 при этом также закрывается и предотвращает протекание обратного тока через транзистор MP12. Диод D2 защищает затвор транзистора MN4 от пробоя. Таким образом, схема буфера оказывается защищенной от повреждения обратным током при повышении напряжения в линии связи выше напряжения питания буфера.When the voltage in the communication line rises above the buffer supply voltage, a cascade opens on transistors MP8, MP9, and thus a voltage equal to the voltage in the line is formed at the MP4 gate. This closes transistor MP4 and prevents reverse current from flowing through transistor MP3. The transistor MP13 also closes and prevents the flow of reverse current through the transistor MP12. Diode D2 protects the gate of transistor MN4 from breakdown. Thus, the buffer circuit is protected from reverse current damage when the voltage in the communication line rises above the buffer supply voltage.

В выключенном с помощью сигнала EN состоянии передатчика защита от протекания обратных токов продолжает функционировать за счет подачи с помощью резисторов R1 и R2 открывающих потенциалов на транзисторы MN8, MN9 и МР8, МР9, и, соответственно, закрытия транзисторов MN4 и МР4. Для работоспособности системы защиты необходима подача напряжения питания.When the transmitter is turned off using the EN signal, the reverse current protection continues to function by supplying opening potentials to the transistors MN8, MN9 and MP8, MP9 with the help of resistors R1 and R2, and, accordingly, closing the transistors MN4 and MP4. For the protection system to work, a supply voltage is required.

Таким образом, новым в предлагаемой полезной модели является то, что для защиты от обратных токов используются дополнительные защитные транзисторы, включенные последовательно основным транзисторам в противоположной полярности, а именно сток к стоку. Для управления защитными транзисторами используется новая схема контроля напряжения в линии связи, построенная на основе усилительного каскада с общим затвором с использованием токовых зеркал. Новой является реализация защиты от обратных токов также и в выключенном состоянии передатчика.Thus, what is new in the proposed utility model is that for protection against reverse currents, additional protective transistors are used, connected in series with the main transistors in the opposite polarity, namely drain to drain. To control the protective transistors, a new circuit for monitoring the voltage in the communication line is used, built on the basis of an amplifier stage with a common gate using current mirrors. New is the implementation of protection against reverse currents also in the off state of the transmitter.

Основными преимуществами предлагаемого технического решения над рассмотренными выше известными решениями являются следующие:The main advantages of the proposed technical solution over the known solutions discussed above are the following:

наличие ограничения максимального выходного тока буфера;availability of limiting the maximum output current of the buffer;

защита от обратных токов функционирует как при повышении напряжения в линии выше напряжения питания буфера, так и при снижении ниже потенциала земли;reverse current protection functions both when the voltage in the line rises above the buffer supply voltage, and when it drops below the ground potential;

не требуется использование диодов Шоттки, соответственно снижаются требования к технологическому процессу;the use of Schottky diodes is not required, the requirements for the technological process are accordingly reduced;

не ухудшается стойкость к электростатическим разрядам, т.к. разность потенциалов подложка-исток всех транзисторов минимальна за счет их непосредственного электрического соединения;resistance to electrostatic discharges does not deteriorate, because the substrate-source potential difference of all transistors is minimal due to their direct electrical connection;

защита от обратных токов функционирует даже в выключенном состоянии передатчика;reverse current protection functions even when the transmitter is off;

схема управления защитными транзисторами конструктивно более простая.the control circuit of protective transistors is structurally simpler.

Предложенная схема может быть реализована с помощью большинства стандартных КМОП, БиКМОП, БиКДМОП технологических процессов. В частности авторами данная схема использована в микросхеме приемопередатчика RS485.The proposed scheme can be implemented using most standard CMOS, BiCMOS, BiCMOS technological processes. In particular, the authors used this scheme in the RS485 transceiver chip.

Таким образом, предложенное устройство выходного буфера интерфейсных микросхем позволяет сравнительно просто обеспечить устойчивость к одной из основных нештатных ситуаций, возникающих в проводных линиях связи - выходу напряжения в линии связи за допустимые пределы.Thus, the proposed device for the output buffer of interface microcircuits makes it relatively easy to provide resistance to one of the main contingency situations that occur in wired communication lines - voltage output in the communication line beyond the permissible limits.

ЛитератураLiterature

1. US 20020021144 A1.1. US 20020021144 A1.

2. US 5844425 A.2. US 5844425A.

3. WO 2019/173275 A1.3. WO 2019/173275A1.

4. US 6329842 B1.4. US 6329842 B1.

Claims (1)

Выходной буфер интерфейсной микросхемы проводной цифровой связи, выполненный в виде комплементарной пары выходных транзисторов, верхнее плечо которой реализовано на р-канальном МОП транзисторе, а нижнее на n-канальном МОП транзисторе, отличающийся тем, что содержит схему защиты от обратных токов при выходе напряжения в линии связи за допустимые пределы, включающую защитные ключи на р-канальном МОП транзисторе и n-канальном МОП транзисторе, включенные последовательно с соответствующими выходными транзисторами в противоположной полярности, а именно сток к стоку, и управляемые схемой контроля напряжения, состоящей из двух аналогичных частей, каждая из которых включает усилительный каскад с общим затвором с использованием токовых зеркал, а также резистор для подачи открывающих потенциалов на транзисторы усилительного каскада в выключенном состоянии передатчика.The output buffer of the interface microcircuit of wired digital communication, made in the form of a complementary pair of output transistors, the upper shoulder of which is implemented on a p-channel MOS transistor, and the lower one on an n-channel MOS transistor, characterized in that it contains a protection circuit against reverse currents when the voltage is out communication lines beyond the permissible limits, including protective switches on a p-channel MOS transistor and an n-channel MOS transistor, connected in series with the corresponding output transistors in opposite polarity, namely drain to drain, and controlled by a voltage control circuit consisting of two similar parts, each of which includes an amplifying stage with a common gate using current mirrors, as well as a resistor for supplying opening potentials to the transistors of the amplifying stage in the off state of the transmitter.
RU2022122769U 2022-08-24 Output buffer device of the interface chip with reverse current protection RU215843U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU215843U1 true RU215843U1 (en) 2022-12-29

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6329842B1 (en) * 1999-04-27 2001-12-11 Fujitsu Limited Output circuit for electronic devices
US20020021144A1 (en) * 2000-07-12 2002-02-21 Morgan Mark W. Three-volt TIA/EIA-485 driver circuit
USD584425S1 (en) * 2007-12-10 2009-01-06 Deceuninck North America, Llc Window component extrusion
RU2644536C2 (en) * 2013-06-28 2018-02-12 Интел Корпорейшн Control of input/output initiator fluctuations in transmission
WO2019173275A1 (en) * 2018-03-06 2019-09-12 Texas Instruments Incorporated Circuit providing reverse current protection for high-side driver

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6329842B1 (en) * 1999-04-27 2001-12-11 Fujitsu Limited Output circuit for electronic devices
US20020021144A1 (en) * 2000-07-12 2002-02-21 Morgan Mark W. Three-volt TIA/EIA-485 driver circuit
USD584425S1 (en) * 2007-12-10 2009-01-06 Deceuninck North America, Llc Window component extrusion
RU2644536C2 (en) * 2013-06-28 2018-02-12 Интел Корпорейшн Control of input/output initiator fluctuations in transmission
WO2019173275A1 (en) * 2018-03-06 2019-09-12 Texas Instruments Incorporated Circuit providing reverse current protection for high-side driver

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6130556A (en) Integrated circuit I/O buffer with 5V well and passive gate voltage
US5381062A (en) Multi-voltage compatible bidirectional buffer
US7969191B2 (en) Low-swing CMOS input circuit
US5736869A (en) Output driver with level shifting and voltage protection
US5629634A (en) Low-power, tristate, off-chip driver circuit
US5966030A (en) Output buffer with regulated voltage biasing for driving voltages greater than transistor tolerance
US6014039A (en) CMOS high voltage drive output buffer
US6118303A (en) Integrated circuit I/O buffer having pass gate protection with RC delay
US5963057A (en) Chip level bias for buffers driving voltages greater than transistor tolerance
US6313661B1 (en) High voltage tolerant I/O buffer
US6201428B1 (en) 5-volt tolerant 3-volt drive push-pull buffer/driver
US5963083A (en) CMOS reference voltage generator
KR100334365B1 (en) CMOS input buffer protection circuit
US7821327B2 (en) High voltage input receiver using low voltage transistors
EP3656057B1 (en) Current sink with negative voltage tolerance
RU215843U1 (en) Output buffer device of the interface chip with reverse current protection
US5550486A (en) Circuit and method for providing a known logic state at insufficient supply voltage
US5952866A (en) CMOS output buffer protection circuit
US7239176B2 (en) Voltage tolerant protection circuit for input buffer
US6906553B1 (en) Circuitry for providing overvoltage backdrive protection
JP3499619B2 (en) Interface circuit of semiconductor integrated circuit
JP2017147560A (en) Level shift circuit
US6545506B1 (en) CMOS output driver that can tolerant a high input voltage
CN117081559A (en) Low-on-resistance high-flatness CMOS (complementary metal oxide semiconductor) switch circuit with cold backup function
US6580290B1 (en) Open collector/drain and SSTL compliant output driver circuit and method for operating the circuit