Unterspannung Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für aktive Bauelemente gegen Über- bzw. Unterspannung, bestehend aus einem vor dem zu schützenden Bauele- menteeingang seriell angeordneten Begrenzungswiderstand sowie einer bzw. erforderlichenfalls jeweils einer zwischen dem Verbindungspunkt von Begren- zungswiderstand und Bauelementeeingang einerseits und dem Versorgungs- potenzial bzw. den Versorgungspotenzialen anderseits in Sperrrichtung ange- ordneten Schutzdiode.

Stand der Technik 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 wer- den. 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 Lö- sung ist, wie vorstehend beschrieben extern zwei Schutzdioden zu beschalten.

Dabei wird allerdings übersehen, dass es kaum Dioden gibt, die eine Durch- lassspannung kleiner als 0,3 V über dem gesamten Temperaturbereich und erforderlichenfalls auch für größere Ströme vorweisen. Selbst Schottky-Dioden genügen nicht den gestellten Anforderungen.

Darstelluna der Erfindung Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kosten- günstige Schutzschaltung für derartige Fille anzugeben.

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 orteil- hafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.

Durch die zwischen höherliegendem und tieferliegendem Versorgungspoten- zial befindliche serielle Anordnung aus leitender Referenzdiode und Reihenwi- derstand und erforderlichenfalls weiterer durchlässiger Referenzdiode steht am Verbindungspunkt von Referenzdiode und Reihenwiderstand ein Refe- renzpotenzial zur Verfügung, das um den Betrag der Durchlassspannung der Referenzdiode tiefer bzw. höher als das höher-bzw. tieferliegende Versor- gungspotenzial liegt. An dieses Referenzpotenzial bzw. diese Referenzpoten- ziale wird die Schutzdiode bzw. werden die Schutzdioden angelegt, so dass mit Sicherheit 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 Reihenwider- stand und Begrenzungswiderstand ist so zu wählen, dass im Begrenzungsfall der durch den Begrenzungswiderstand und die jeweilige Schutzdiode fließen-

de Strom keinen maßgeblichen Einfluss auf die Höhe des zugehörigen Refe- renzpotenzials nimmt.

Sind die jeweilige Schutz-und Referenzdiode von gleicher Art, dann findet die Begrenzung auf dem Niveau des jeweiligen Versorgungspotenzials statt. Für bestimmte Fälle ist es von Vorteil, wenn als Referenzdiode eine Si-Diode und als Schutzdiode dagegen eine Schottky-Dioden verwendet wird, um das Be- grenzungspotenzial unterhalb bzw. oberhalb des höherliegenden bzw. tieferlie- genden Versorgungspotenzials 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 Begrenzungspotenzials erreicht.

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- renzpotenziale für mehrere, jeweils in vorstehend geschilderter Weise mit ih- rem Begrenzungswiderstand und wenigstens einer Schutzdiode beschaltete zu schützende Bauelementeeingänge vorgesehen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnunaen Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgen- den, anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen Figur 1 : eine erste Schaltungsanordnung mit einer ersten Ausführungsform der Erfindung ; Figur 2 : eine zweite Schaltungsanordnung mit einer weiteren Ausführungs- form der Erfindung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt ein mit einer erfindungsgemäßen Schutzschaltung 1 beschaltetes aktives Bauelement B1, beispielsweise Ope- rationsverstärker, das von einem höherliegenden Versorgungspotenzial Vdd (i. a. positiv) und von einem tieferliegenden Versorgungspotenzial Vss (i. a. ne- gativ oder Ground) versorgt wird. Um die Signalspannung Vs am Bauelemen- teeingang E1 innerhalb eines weiten Bereiches der am Schaltungseingang Ei anliegenden Eingangsspannung Vi auf einen zulässigen Spannungsbereich zu begrenzen, ist die nachfolgend erläuterte Schutzschaltung 1 vorgesehen.

Diese enthält zwischen den Versorgungsspannungen Vdd und Vss eine Rei- henschaltung aus einer ersten Referenzdiode D1, einem Reihenwiderstand R1 und einer zweiten Referenzdiode D2. Die Referenzdioden D1, D2 sind in Durchlassrichtung gepolt. Der durch die Reihenschaltung D1, R1, D2 fließen- de Durchlassstrom Id erzeugt an den Verbindungspunkten P1 und P2 von Reihenwiderstand R1 und erster bzw. zweiter Referenzdiode D1 bzw. D2 ein erstes bzw. zweites Referenzpotenzial Vrefl bzw. Vref2. Das erste Referenz- potenzial Vref1 ist gegenüber dem höherliegenden Versorgungspotenzial Vdd um den Betrag der Durchlassspannung Vdl der ersten Referenzdiode D1 vermindert. Das zweite Referenzpotenzial Vref2 ist gegenüber dem tieferlie- genden Versorgungspotenzial Vss um den Betrag der Durchlassspannung Vd2 der zweiten Referenzdiode D2 erhöht. Zwischen Schaltungseingang Ei und dem Signaieingang E1 des Bauelementes B1 ist ein Begrenzungswider- stand Ri angeordnet, der wesentlich hochohmiger als der Reihenwiderstand R1 auszulegen ist. Zwischen dem dritten Verbindungspunkt P3, in dem der Begrenzungswiderstand Ri mit dem Signaleingang E1 verbunden ist, und dem ersten bzw. zweiten Verbindungspunkt P1 bzw. P2 ist je eine Schutzdiode Dil bzw. Di2 angeordnet. Die erste Schutzdiode Dil liegt mit ihrer Kathode an dem das höherliegende Referenzpotenzial Vref1 aufweisenden ersten Verbin- dungspunkt P1, und die zweite Schutzdiode Di2 liegt mit ihrer Anode an dem das tieferliegende Referenzpotenzial Vref2 aufweisenden zweiten Verbin- dungspunkt P1. Damit sind die Schutzdioden Dil und Di2 im nichtbegrenzen- den Falle gesperrt und im begrenzenden Falle durchlässig. Im begrenzenden

Falle fallt an der ersten bzw. zweiten Schutzdiode Dil bzw. Di2 die Durchlass- spannung Vdi1 bzw. Vdi2 ab.

Die Signalspannung Vs wird auf den Bereich von Vsmin bis Vsmax begrenzt.

Die Obergrenze für die Signalspannung Vs ergibt sich als Vsmax = Vref1 + Vdi1 = Vdd-Vd1 + Vdi1.

Die Untergrenze für die Signalspannung Vs ergibt sich als Vsmin = Vref2-Vdi2 = Vss + Vd2-Vdi2.

Bei Verwendung von Si-Dioden gleichen Typs für alle Dioden D1, D2, Dil, Di2 ergibt sich für die Obergrenze Vsmax = Vdd und für die Untergrenze Vsmin = Vss, also keine Über-bzw. Unterschreitung der Versorgungspotenziale Vdd und Vss. Bei Verwendung von Si-Dioden für die Referenzdioden D1, D2 Durch- lassspannungen Vdl, Vd2 ca. 0,65 V) und von Schottky-Dioden für die Schutzdioden Dil, Di2 (Durchlassspannungen Vdil, Vdi2 ca. 0,3 V) ergibt sich für die Obergrenze Vsmax < Vdd und für die Untergrenze Vsmin > Vss, also eine sichere Begrenzung unterhalb bzw. oberhalb des höherliegenden bzw. tieferiiegenden Versorgungspotenzials Vdd bzw. 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- potenzial Vdd (+24 V) und von einem tieferliegenden Versorgungspotenzial Vss (Ground) versorgt wird. Außerdem ist ein mittleres, zwischen Vdd und Vss liegendes Versorgungspotenzial Vcc (+5 V) vorgesehen. Im nichtbegrenzen- den Fall ergibt sich die Signalspannung Vs an dem ersten Bauelementeein- gang E1 aus der am Schaltungseingang Ei anliegenden Eingangsspannung Vi durch Multiplikation mit dem Teilungsverhältnis des Widerstandswertes eines

zwischen dem Verbindungspunkt P3 und Ground angeordneten Ableitwider- standes R2 und der Summe der Widerstandswerte von Begrenzungswider- stand Ri und Ableitwiderstand R2. Zwischen dem mittleren Versorgungspoten- zial 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 Vergleichsspannung für die Schaltschwelle der Signalspannung Vs festgelegt wird. Durch die Beschaltung der ersten Schutzdiode Dil gegen das mittlere Versorgungspotenzial Vcc wird die Signalspannung auf eine Obergrenze Vsmax begrenzt, die weit unterhalb des höherliegenden Versorgungspotenzi- als Vdd liegt. Zwischen den Versorgungsspannungen Vdd und Vss ist eine Reihenschaltung aus einem Reihenwiderstand R1 und einer Referenzdiode D2 angeordnet, die in Durchlassrichtung gepolt ist. Der durch die Reihen- schaltung R1, D2 fließende Durchlassstrom Id erzeugt an dem Verbindungs- punkt P2 von Reihenwiderstand R1 und Referenzdiode D2 ein Referenzpo- tenzial Vref2, das gegenüber dem tieferliegenden Versorgungspotenzial Vss um den Betrag der Durchlassspannung Vd2 der Referenzdiode D2 höher liegt.

Somit begrenzen der Begrenzungswiderstand Ri und die mit ihm verbundene und anodenseitig zum Verbindungspunkt P2 geführte zweite Schutzdiode D2 die Signalspannung Vs auf eine Untergrenze Vsmin, die nicht das tieferliegen- de Versorgungspotenzial Vss unterschreitet. Bei Verwendung von Si-Dioden für die Schutzdioden Di1, Di2 und die Referenzdiode D2 (Durchlassspannun- gen Vdil, Vdi2, Vd2 = 0,65 V) ergibt sich somit für die Signalspannung Vs mit den in Fig. 2 konkret angegebenen Versorgungspotenzialen eine Obergrenze Vsmax = +5,65 V und eine Untergrenze 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 beispielswei- se dahingehend abwandeln, dass statt einer einzelnen Referenzdiode D1 bzw.

D2 eine Reihenschaltung mehrerer in gleicher Richtung gepolter Dioden ver- wendet wird oder eine Z-Diode Verwendung findet. Eine weitere, kostengüns- tige Abwandlung besteht darin, dass eine gemeinsame Reihenschaltung aus

Reihenwiderstand R1 und Referenzdiode (n) D1, D2 für eine Mehrzahl von in üblicher Weise mit Begrenzungswiderstand und Schutzdiode (n) individuell be- schalteten Bauelementeeingängen vorgesehen ist.

Bezugszeichenliste : 1 ; 2 Schutzschaltung B1 ; B2 aktive Bauelement D1 ; D2 Referenzdiode Dil ; Di2 Schutzdiode E1 ; E2 Bauelementeeingang Ei Schaltungseingang Id Durchlassstrom P1 ; P2 ; P3 Verbindungspunkt R1 Reihenwiderstand R2 Ableitwiderstand R3 ; R4 Teilerwiderstand Ri Begrenzungswiderstand Vdi ; Vd2 ; Vdil ; Vdi2 Durchlassspannung Vi Eingangsspannung Vs Signalspannung Vcc ; Vdd ; Vss Versorgungspotenzial Vref1 ; Vref2 Referenzpotenzial