DE3147870C2 - CMOS-Schaltkreis mit mindestens zwei Speisespannungsquellen - Google Patents

CMOS-Schaltkreis mit mindestens zwei Speisespannungsquellen

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Abstract

Bei CMOS-Schaltkreisen mit mindestens zwei Speisespannungsquellen unterschiedlichen Potentials, welche an zwei getrennten Eingangsanschlüssen anliegen, ist es unvermeidlich, daß parasitäre Dioden vorhanden sind, welche zwischen den beiden Eingangsanschlüssen liegen. Die Anoden dieser parasitären Dioden liegen hierbei an dem Eingangsanschluß höherer Spannung und die Kathoden an dem Eingangsanschluß höherer Spannung. Damit stets vermieden wird, daß ein Strom über diese parasitären Dioden fließt, der zu einer Zerstörung des CMOS-Schaltkreises führen kann, ist ein Schalter in Form eines Feldeffekttransistors vorgesehen, dessen Quellen-Drain-Strecke zwischen der Speisespannungsquelle niedrigeren Potentials und dem Eingangsanschluß für das niedrigere Potential geschaltet ist. Die Steuer elektrode dieses Feldeffekttransistors ist mit der Speisespannungsquelle höheren Potentials verbunden. Hierdurch wird erreicht, daß an dem Eingangsanschluß für das niedrigere Potential nur dann ein Potential auftreten kann, wenn an der Steuerelektrode ein dazu höheres Potential vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen CMOS-Schaltkreis mit mindestens zwei Speisespannungsquellen unterschiedlichen Potentials, welche an zwei getrennten Eingangsanschlüssen anliegen, wie der US-PS 38 01 831 entnehmbar ist.
Zahlreiche CMOS-Schaltkreise benötigen mehr als zwei Speisespannungsquellen. Bei einem typischen Potentialpegelumschaltkreis liegen beispielsweise zwei Speisespannungen von 5 Volt und 15 Volt in bezug auf Masse vor. Bei der Herstellung der CMOS-Schaltkreise ist es üblicherweise unvermeidlich, daß parasitäre Dioden insbesondere in Form von Thyristoren entstehen.
Sind derartige CMOS-Schaltkreise unterteilt in einen Eingangsteil und in einen Ausgangsteil, dann ist der Ausgangsteil normalerweise an die Speisespannung mit dem höheren Potential angeschlossen. Die parasitäre Diode oder Dioden sind hierbei verbunden mit dem Speisespannungsanschluß niedrigen Potentials, der mit dem Eingangsteil verbunden ist.
Werden die Speisespannungen an einen derartigen Schaltkreis angelegt und tritt hierbei die Spannung, welche an der Anode einer parasitären Diode anliegt, zuerst auf, dann wird die Diode leitend, wodurch der CMOS-Schaltkreis beschädigt oder zerstört wird.
In der US-PS 42 09 713 ist ein Schaltkreis beschrieben, mit dem die Wirkung der Leitung von parasitären Dioden in Form von Thyristoren eliminiert werden kann. Ein Schal'.mittel, beispielsweise in Form eines Widerstandes ist hierbei zwischen einer Quellelektrode des CMOS-Schaltkreises und einem positiven Anschluß einer externen Speisespannungsquelle geschaltet.
Bei integrierten CMOS-Schaltkreisen jedoch ist es schwierig, Widerstände herzustellen. Werden solche Widerstände hergestellt, dann wachsen die Kosten für einen derartigen integrierten Schaltkreis an. Zusätzlich begrenzen Widerstände das Anlegen der vollen Speisespannung an den CMOS-Schaltkreis.
In der US-PS 40 57 844 ist ein Schaltkreis bei einem MOS-Transistor beschrieben, bei dem in die Eingangsleitung zur Eingangselektrode dieses Transistors die Quellen-Drain-Strecke eines FT-Schutztransistors geschaltet ist, dessen Eingangseleketrode mit dem positiven Pol der Spannungsquelle für den zu schützenden MOS-Transistor verbunden ist Hierdurch wird erreicht, daß die an der Eingangseiektrode des zu schützenden Transistors anliegende Spannung die Spannung der Spannungsquelle nicht wesentlich übersteigen kann.
Es besteht die Aufgabe, den CMOS-Schaltkreis so
ίο auszubilden, daß über die parasitären Dioden unter keinen Umständen ein Stroß zu fließen vermag, gleichzeitig jedoch sichergestellt ist, daß die volle Speisespannung der Speisespannungsquelle an den Eingangsanschlüssen des CMOS-Schaltkreises anliegt.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Mit dem vorliegenden Schaltkreis ist sichergestellt, daß eine Spannung an der Anode der parasitären Diode erst dann aufzutreten vermag, wenn an der Kathode der Diode eine dazu positivere Spannung auftritt. Bei dem Schaltkreis sind Widerstände nicht erforderlich.
Bevorzugt besteht der Schalter aus einem Feldeffekttransistor, dessen Quellen-Drain-Strecke zwischen der Speisespannungsquelle niedrigeren Potentials und dem zugehöriger Eingangsanschluß geschaltet ist. An der Steuere'ektrode dieses Feldeffekttransistors legt die Speisespannungsquelle höheren Potentials an. Die Verwendung eines Feldeffekttransistors hat den Vorteil, daß dieser auf dem gleichen Bauteil wie der CMOS-Schaltkreis integrierbar ist.
Unter parasitären Dioden sind hierbei alle parasitären Festkörperstrukturen zu verstehen, die eine Leitfähigkeit in einer Richtung aufweisen. Hierunter sind auch parasitäre Thyristoren zu verstehen.
Unter den zwei Speisespannungsquellen unterschiedlichen Potentials sind entweder zwei unterschiedliche Speisespannungsquellen zu verstehen oder zwei unterschiedliche Abgriffe unterschiedlichen Potentials beispielsweise von einem Spannungsteiler, der an eine einzige Speisespannungsquelle angeschlossen ist.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockdiagramm eines Schaltkreises, bei welchem die ?u lösende Aufgabe auftritt;
F i g. 2 ein Blockdiagramm des Schaltkreises gem. der Erfindung und
F i g. 3 ein CMOS-Schaltkreis gem. der Erfindung.
Ein typischer CMOS-Schaltkreis, welcher mit unterschiedlichen Potentialen betrieben wird, besteht aus einem Eingangsschaltkreis 1 und einem Ausgangsschaltkreis 2. Ein Eingangsanschluß A ist mit dem Eingangsschaltkreis 1 verbunden. Mit dem Ausgangsschaltkreis 2 ist verbunden die Ausgangsleitung Y. Speisespannungen Vi)Di, welche beispielsweise + 5 Volt beträgt, und Vdijo, welche beispielsweise + 15 Volt beträgt, sind einmal mit dem Eingangs- und einmal mit dem Ausgangsschaltkreis 1 bzw. 2 verbunden. Ein negativer oder Masseanschluß V.V.S ist sowohl mit dem Eingangs- als auch mit dem Ausgangsschaltkreis verbunden.
Bei der Herstellung eines derartigen Schaltkreises bildet sich üblicherweise eine parasitäre Diode 3, deren Anode mit dem Speisespannungsanschluß für den Eingangsschaltkreis und deren Kathode mit dem Speise-Spannungsanschluß für den Ausgangsschaltkreis verbun'den sind.
Wird Spannung an den kombinierten CMOS-Schaltkreis angelegt, dann werden beide Speisespannungen
gleichzeitig eingeschaltet Unter normalen Umständen ist die Speisespannung Vdix> positiver als die Speisespannung Vom, wodurch die Diode 3 entgegen ihrer Durchlaßrichtung vorgespannt wird und somit die Diode keine Wirkung auf den Schaltkreis zeigt
Es kann jedoch der Fall auftreten, daß die Speisespannung Vddi stärker positiv ansteigt als die Spannung Vi)DO oder daß die Spannung Vdpi zugeschaltet wird bevor die Spannung Vddo zugeschaltet wird, wodurch sich die Spannungsverhältnisse umkehren. Unter diesen Umständen wird die Diode 3 zumindest zeitweilig in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch ein Strom fließt. H ierbei kann ein starker Strom fließen welcher zu Erhitzungen führt und wobei Obergangs- bzw. Einschaltströme auftreten können, welche oftmals zu einer Beschädigung oder Zerstörung des CMOS-Schaltkreises führen.
Die F i g. 2 zeigt das Prinzip des erfindung°gemäßen Schaltkreises. Die Speisespannung, welche zuvor an der Anode der parasitären Diode 3 lag, ist nunmehr über die Quellen-Drain-Strecke eines CMOS-Feldeffekttransistors 4 mit dem Speisespannungsanschluß des Eingangsschaltkreises verbunden. Die Steuerelektrode des CMOS-Feldeffekttransistors 4 ist verbunden mit der mehr positiven höheren Speisespannung, welche mit der Kathode der Diode 3 verbunden ist. Demgemäß arbeitet der Feldeffekttransistor 4 wie ein Schalter.
Beide Speisespannungen Vnni und Vddo werden auf normale Weise dem integrierten Schaltkreis zugeführt. Da jedoch bei dem FET-Schalter 4 die Quellen-Drain-Strecke solange geöffnet ist, bis an der Steuerelektrode eine Steuerspannung anliegt wird der FET-Schalter 4 erst leitend, wenn die Spannung Vddo auftritt, so daß erst nach Auftreten der Spannung Vnno die Spannung Vdw dem Eingangsschaltkreis 1 und damit der Anode y, der Diode 3 zugeleitet wird. Demgemäß ist der Schallkreis davor geschützt, daß bei den vorerwähnten Spannungsverhältnissen die Diode 3 leitend wird. Tritt der Fall auf, daß die Spannung Vddo weniger positiv wird als die Spannung Vddi, dann schaltet der FET-Schalter 4 ab wodurch der Schaltkreis davor geschützt wird, daß die Anode der parasitären Diode 3 positiver wird als deren Kathode.
Der CMOS-FET-Schalter 4 ist vorzugsweise integriert in den Chip, auf welchem die übrigen CMOS-Bauteile angeordnet sind. Die Funktion des FET-Schalters 4 ist lediglich die eir.es Schalters. Anstelle des CMOS-FET-Schalters 4 können natürlich auch andere Schalter mit der selben Wirkungsweise verwendet werden.
Die Fig.3 zeigt einen typischen CMOS-Pegelum- r>o schaltkreis 5 bekannten Aufbaus. Dieser Schaltkreis umfaßt einen Eingangsteil 6 und einen Ausgangstei! 7. Die Speisespannung VODi ist mit dem F.ingangsanschliil.i 8 des Eingangsteils verbunden. Die mehrpositive Speisespannung V/)Dc> ist mit dem Spannungsanschluß 9 des Ausgangsteils verbunden.
Gemäß der Erfindung ist ein CMOS-FET-Schalter 4 mit seiner Quellen-Drain-Strecke zwischen dem Eingangsanschluß 8 und der Speisespannungsquelle Vddi geschaltet. Die Steuerelektrode des FET-Schalters 4 ist verbunden mit der Speisespannungsquelle Vddo- Werden die Spannungen !/»o/und Vßooin irgendeiner Folge an den integrierten Schaltkreis angelegt, dann wird der FET-Schalter 4 erst dann leitend, wenn die Spannung Vddo anliegt. Die Speisespannungsquelle Vdoi wird demgemäß nurdann mit dem Eingangsanschluß 8 verbunden, wenn die Speisespannung Vddo anliegt. Infolge des Einschallschwellwertes des FET-Schalters 4 wird der FET-Schalter 4 nur dann leitend, wenn die Spannung Vdix) positiver ist als die Spannung Vddi· Demgemäß ist die Spannung Vddo jeweils höher als die am Anschluß 8 anliegende Spannung. Falls Vddi höher sein sollte ais die Spannung Vddo abzüglich der Schwellwertspannung des Schalters 4, dann schaltet der FET-Schalter 4 ab.
Alle parasitären Dioden, einschließlich parasitären Thyristoren, deren Anoden normalerweise verbunden sind mit dem Eingangsspannungsanschluß 8 und deren Kathoden verbunden sind mit dem Eingangsanschluß 9 werden auf diese Weise niemals in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch der CMOS-Schaltkreis vor Überlastung geschützt ist
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
S,

Claims (3)

Patentansprüche:
1. CMOS-Schaltkreis mit mindestens zwei Speisespannungsquellen unterschiedlichen Potentials, welche an zwei getrennten Eingangsanschlüssen anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Speisespannungsquelle niedrigeren Potentials und dem zugehörigen Eingangsanschluß ein Schalter geschaltet ist, desser Steuereingang mit der Speisespannungsquelle höheren Potentials verbunden ist und dieser Schalter schließt, wenn das höhere Potential auftritt.
2. CMOS-Schaltkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Feldeffekttransistor (4) ist, dessen Quellen-Dra:n-Strecke zwischen der Speisespannungsquelle niedrigeren Potentials und dem zugehörigen Eingangsanschluß (8) geschaltet ist und dessen Steuerelektrode mit dem Eingangsanschluß (9) verbunden ist, an dem die Speisespannungsquelle höheren Potentials anliegt.
3. CMOS-Schaltkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (4) auf den gleichen Bauteil integriert ist wie die übrigen Bauteile des CMOS-Schaltkreises.
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