Brevet FR2532500A1 — publié le 19840302

I La présente invention concerne un circuit de protection d'un dispositif semi-conducteur de traitement de signaux de sortie contre les dommages dus aux charges de courant provoquées par des phénomènes transitoizes à haute tension de polarité soit positive soit négative. Des phénomènes transitoires à haute tension susceptibles d'endommager un dispositif semiconducteur tel qu'un transistor peuvent être produits de diverses manières Dans un récepteur de télévision comprenant un tube de reproduction d'image, par exemple, de tels phénomènes transitoires peuvent être produits lorsqu'appa- ratt un arc duq tube-image à haute tension Les transitoires peuvent être d'une grandeur, polarité et durée suffisantes pour endommager ou détruire les transistors compris dans les circuits de traitement de signaux du récepteur, lorsque dépassant la tension de rupture inverse des transistors et amenant des niveaux excessivement élevés de courants de jonction à circuler Cet effet est de façon typique observé lorsque des transitoires à haute tension sont induits à des points de circuit ou bornes auxquels les transistors sont reliés, et est particulièrement troublant dans un système comprenant un circuit intégré contenant des circuits à transistorsde traitement de signaux à niveau bas et sensible Des courants transitoires excessifs induits peuvent détruire les jonctions de semi-conducteur à transistor et peuvent amener la caractéristique du gain en courant d'un transistor d'être dégradée en permanence. Divers agencements de protection peuvent être utilisés pour supprimer les effets des transitoires à haute tension. Des diodes semi-conductrices polarisées d'une façon convenable peuvent être employées à des points de circuit pour shunter ou by-passer les transitoires hors des circuits à transistoi sensibles à protéger Des diodes fabriquées selon des configurations ou par des techniques non conventionnelles peuvent être exigées dans ce but. Des diodes avec ces exigences sont souvent non souhaitables, particulièrement dans un environnement à circuit intégré, puisque ces exigences compliquent le procédé de fabrication des circuits intégrés De toute façon, des soins doivent être pris pour assurer que les diodes aient une capacité de dissipation en puissance suffisante pour supporter la charge électrique associée aux transitoires sans être détruites,et pour que de telles diodes seules ou ensemble avec tout niveau de seuil associé déterminant des réseaux de polarisation n'altèrent pas les caractéristiques d'impédance souhaitée ou la réponse à haute fréquence des circuits de signaux protégés. Des dispositifs à impédance ou résistance particulièrement indiquée pour supprimer les transitoires à haute tension peuvent également être utilisés Cependant, de tels dispositifs peuvent être trop chers ou autrement peu convenables du point de vue conception dans beaucoup d'applications de circui 1 t, et peuvent altérer les caractéristiques d'impédance et la réponse à fréquence élevée des circuits de traitement de signaux avec lesquels ils sont utilisés. Un circuit de protection à transistor actif a également été utilisé en combinaison avec une impédance de détection, couplée à la fois à un point du circuit auquel les transitoires à haute tension peuvent apparaître et au circuit à protéger Par cet agencement, les transis- tors de protection servent à dévier les courants transi- toires induits hors du circuit à protéger lorsque le transistor de protection est activé en réponse à une tension de seuil de conduction produite à travers l'impédance de détection Cet agencement n'est pas souhaitable lorsqu'utilisé pour protégér un circuit de traitement de signaux puisque l'impédance de détection altère l'impédance autrement associée au circuit de traitement de signaux protégé, et peut également atténuer les signaux aux hautes fréquences apparaissant normalement au point de circuit en formant ensemble un filtre passe-bas avec toute capacité parasite qui peut apparaître au point de circuit. Un circuit de protection de transitoires agencé selon la présente invention évite les inconvénients mentionnés ci-dessus et est particulièrement adapté pour la fabrication dans un circuit intégré qui contient également le circuit à protéger De façon spécifique, le circuit de protection ci-décrit permet la protection, contre des transitoires à haute tension d'une polarité à la fois positive et négative, sans perturber les caractéristiques souhaitées du traitement de signaux (à savoir la réponse aux hautes fréquences ou les caractéristiques d'impédance) du circuit protégé. Un circuit de protection selon la présente invention est inclus dans un système de traitement de signaux comprenant une borne de sortie des signaux à laquelle des transitoires parasites à haute tension peuvent apparaître, et un dispositif semi-conducteur susceptible d'être endommagé à partir de la charge élec- trique provoquée par les transitoires à haute tension. Le circuit de protection comprend un premier transistor d'un premier type de conductivité pour conduire normalement des signaux du dispositif semiconducteur à la borne de sortie par l'intermédiaire d'une sortie d 2 émetteur 9 et un second transistor normalement non conducteur d'un type de conductivité opposé Les bases des premier et second transistors sont reliées ensemble, les émetteurs des transistors sont reliées ensemble et à la borne de sortie, et les collecteurs des transistors sont reliés aux points respectifs des potentiels de fonctionnement Des courants transitoires associés aux transitoires à haute tension d'une polarité à la borne de sortie sont déviés par l'intermédiaire du trajet collecteurémetteur du premier transistor au point associé du potentiel de fonctionnement, Le second transistor est rendu conducteur en réponse aux transitoires de tension de la polarité opposée à la borne de sortie pour dévier les courants transitoires associés au point associé du potentiel de fonctionnement par l'intermédiaire du trajet collecteur-émetteur du second transistor. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lequel: la figure unique montre une partie d'un récepteur de télévision comprenant un réseau incorporant un circuit de protection selon la présente invention. Les signaux de luminance d'une source 10 et les signaux de chrominance d'une source 12 sont appliqués respectivement aux bornes séparées d'entrée de signaux 13 et 14 d'un circuit de traitement 15 de signaux de luminance et de chrominance inclus dans un récepteur de télévision couleur Le circuit de traitement 15 (à savoir un circuit intégré) combine les signaux de luminance et de chrominance, comme cela est connu, pour produire des signaux d'image de couleur r, g et b aux bornes de sortie 21, 22 et 23, respectivement Les signaux de couleur sont amplifiés par les amplificateurs d'attaque du tube-image 24,-25 et 26 et produisent des signaux vidéo couleurs amplifiés de niveau élevé R, G et B pour séparer les électrodes de cathode de commande d'intensité séparées d'un tubeimage couleur 30 Une alimentation en tension de fonctionnement 35 produit plusieurs tensions de fonction- nement pour le tube-image 30 Ces tensions comprennentb une tension élevée de l'ordre de 25 000 volts pour polariser l'anode du tube-image 30, et des tensions de l'ordre de quelques centaines de volts pour polariser les autres électrodes du tube-image 30 (à savoir la cathode, les électrodes de focalisation et les grilles de l'écran). Le circuit de traitement 15 comprend des circuits de sortie, couplés aux bornes de sortie 21, 22 et 23, qui peuvent être endommagés ou détruits si des tensions élevées apparaissent sur ces bornes Dans un récepteur de télévision, la source primaire d'une telle tension élevée est provoquée de façon transitoire par l'arc du tube-image L'arc du tube-image peut apparaître entre l'anode à tension élevée et le châssis du récepteur lorsque le récepteur est en service, par exemple L'arc du tube-image peut également apparaître de façon non prédite entre l'anode et l'une ou les autres électrodes (à potentiel plus faible) du tube-image lorsque le récepteur est en fonctionnement normal Dans tous les cas, l'arc du tubeimage résulte en un transitoire à haute tension qui est oscillatoire de nature avec des pics de tension positifs et négatifs souvent en excès d'une centaine de volts aux bornes du circuit, et qui présentent une durée d'une à plusieurs microsecondes, La probabilité de dispositifs à semi-conducteur d'être détruits ou endommagés par des transitoires à haute tension augmente lorsque de tels circuits sont situés au voisinage de sources à haute tension donnant la possibilité de transitoires associés à haute tension. De fait, les bornes de sortie du signal du circuit de traitement 15 sont reliées aux amplificateurs d'attaque 24-26 du tube-image qui appliquent des signaux de sortie de haute tension aux cathodes du tube-image 30 Les amplificateurs d'attaque 24-26 du tube-image sont polarisés de façon typique à partir d'une alimentation haute tension (par exemple de + 230 volts) telle que produite par l'alimentation 35, qui applique également des tensions de fonctionnement élevées et très élevées au tube-image 30, comme mentionné préalablement. Le circuit de traitement 15 comprend plusieurs réseaux de traitement du signal pour appliquer des signaux de couleur respectifs aux bornes de sortie 21-23 Une partie du réseau de traitement du signal et de couplage de sortie associé au signal de couleur rouge r couplé à la borne 21 est montrée comme comprenant des transistors 40, 2532500 D- 44, 45 et la résistance 41 agencés comme montré De façon similaire, des réseaux agencés de traitement du signal et de couplage de sortie sont associés aux bornes de sortie 22 et 23 des signaux du vert g et du bleu b Le transistor 40 est un transistor amplificateur de signaux basse tension et de faible puissance pour. produire des signaux amplifiés à travers la résistance de charge 41 du collecteur Le transistor 40 est susceptible d'être endommagé ou détruit si de larges tensions transi- toires, telles que celles qui peuvent être induites à la borne de sortie 21 par l'arc du tube-image, sont appliquées au transistor 40 De tels transitoires (souvent supérieurs à une centaine de volts d'amplitude crête-crête) peuvent également endommager ou détruire la résistance de charge 41 lorsque le transistor 40 et la résistance 41 sont formés dans le même circuit intégré, puisque des résistances de circuit intégré de faible superficie ne peuvent pas de façon typique dissiper rapidement une grande quantité d'énergie thermique telle qu'associée aux courants transitoires induits importants. Le transistor 40 du signal et la résistance 41 sont protégés des effets de grandestensions transitoires au moyen du circuit comprenant le transistor NPN 44 et le transistor PNP 45 Le transistor 44 est normalement conducteur dans des buts de traitement du signal et est agencé en émetteur-suiveur pour coupler les signaux de sortie du transistor 40 à la borne 21 à une faible impédance de sortie d'émetteur L'émetteur du transistor suiveur 44 est renvoyé au potentiel de référence à la masse par l'intermédiaire d'une résistance de charge 51 située à l'extérieur du circuit de traitement 15 à circuit intégré Loger la résistance 51 à l'extérieur du circuit de traitement 15 est souhaitable pour réduire l'échauffement du circuit de traitement 15 à circuit intégré à cause de la puissance dissipée par la résistance 51 Cependant, la résistance 51 peut être incluse dans le circuit de traitement 15 Le collecteur du transistor suiveur 44 est 253290 P. relié directement à une source de potentiel de fonction- nement continu positif +Vcc La base et l'émetteur de faible impédance du transistor PNP 45 sont reliés directement à la base et à l'émetteur de basse impédance du transistor NPN 449 respectivement Le collecteur du transistor 45 est relié directement à la masse Dans des conditions normales, la tension de polarisation de la jonction base-émetteur du transistor PNP 45 est directement établie par la tension de jonction baseémetteur du transistor normalement conducteur 44 e Ainsi, dans des conditions normales de traitement du signal, la jonction base-émetteur du transistor PNP est polarisée en inverse par la tension produite à travers la jonction base-émetteur du transistor 44 polarisé en direct En conséquence, le transistor PNP 45 est normalement non conducteur et n'a aucune infleunce sur les signaux conduits normalement à la borne de sortie 21 par l'intermédiaire du transistor amplificateur 40 et du transistor suiveur 44. Les courants associés au transitoire à haute tension allant négatif apparaissant à la borne 21 sont conduits par le transistor NPN 44, qui produit un trajet de courant pour dévier de tels courants transitoires hors du transistor amplificateur de signaux 40 Les courants transitoires induits dans ce trajet s'écoulent de la source de potentiel de fonctionnement +Vcc a travers le trajet collecteur émetteur du transistor 44 et la borne 21, à la source de tension transitoire Le transistor PNP 45 reste non conducteur en réponse aux transitoires négatifs. Un transitoire à haute tension allant positivement à la borne 21 amène le transistor PNP 45 à devenir polarisé en direct, ainsi le transistor conducteur 45 produit un trajet de courant pour dévier les courants induits par les transitoires positifs hors du transistor de signaux 40. Dans ce cas, les courants transitoires induits sont-déviés à la masse par l'intermédiaire du trajet émetteur-collecteur du transistor 45 De même, le courant de base du transistor 45 augmente proportionnellement avec le courant transitoire émetteur induit beaucoup plus grand du transistor 45, amenant la tension de base du transistor NPN 44 à augmenter proportionnellement Si la tension de base du transistor 44 devient suffisamment grande pour polariser en direct la jonction base-collecteur du transistor 44, il en résulte un trajet additionnel pour dévier les courants transitoires induits Ce trajet comprend la jonction émetteurbase du transistor PNP 45, la jonction polarisée en direct kase- collecteur du transistor NPN 44, et la source de tension +Vcc Tout courant conduit dans ce dernier trajet est de façon significative inférieur au courant transitoire induit dévié à la masse par l'intermédiaire du trajet émetteur-callecteur du transistor PU@P 45. Le circuit de protection décrit exige de façon avantageuse peu de composants, et les transistors 44 et 45 n'ont pas besoin d'être des dispositifs importants ou de puissance élevée Ainsi, le circuit de protection est de façon avantageuse utilisé dans un circuit intégré à zone dis- ponible limitée Les transistors 44 et 45 présentent de façon inhérente une conduction de courant transitoire auto-limitée lorsque conduisant en réponse aux transitoires à haute tension Une telle conduction du courant transi- toire limitée de façon inhérente est attribuable aux résistances au collecteur distribuées des transistors 44 et 45, et permet l'utilisation de transistors 44 et 45 à configuratiorm traditionnell E de jonction baseémetteur De plus, le circuit de protection n'altère pas la réponse de sortie en fréquence ou l'impédance de sortie du circuit de traitement 15 pour un traitement normal des signalu. Dans la dernière considération, le transistor suiveur 44 produit normalement des signatux de sortie à une impédance faible selon les exigences d'entrée de l'amplificatetr d'attaque 24 du tube-image, tout en permettant également la protection en présence de transitoires négatifs à haute tension. Les transistors 44 et 45-peuvent être de façon conventionnelle des dispositifs structurés Dans le cas de transitoires à tension élevée associés à l'arc du tube-image, par exemple, les transitoires de tension sont induits à la borne de sortie 21 à travers une impédance effective élevée qui, en combinaison avec les impédances faibles d'émetteur des transistors 44 et 45, produit un transitoire de tension atténué de façon significative à la borne 21 Cependant, les courants élevés potentiellement destructeurs sont de façon typique associés à de tels transitoires Comme mentionné préalablement, les courants transitoires conduits par les transistors 44, 45 sontlimités en grandeur par les résistances au collecteur inhérentes distribuées de ces transistors De plus, l'énergie thermique associée aux courants transitoires importants peut être supportée par les transistors 44 et 45 puisque la région de collecteur relativement importante d'un transistor conventionnel assiste à distribuer de façon non destructive une telle énergie thermique. Le circuit de protection décrit est convenable pour la protection de tout dispositif semi-conducteur (comprenant par exemple des transistors, des diodes et des résistances, particulièrement dans un circuit intégré) ayant une configuration à zone relativement faible incapable de dissiper en toute sécurité ou de limiter de grandes quantités d'énergie telle qu'associées aux transitoires à haute tension. R E V E N D I C A T I O N S 1. Système de traitement de signaux comprenant une borne de sortie à laquelle des transitives parasites à haute tension peuvent apparaître; et un dispositif semi-conducteur susceptible d'être endommagé à partir des charges électriques provoquées par le transitoire à haute tension; un premier transistor normalement conducteur d'un type de conductivité ayant une première électrode d'entrée couplée audit dispositif semi-conducteur, une seconde électrode de faible impédance couplée à ladite borne de sortie et une troisième électrode couplée à un premier potentiel de fonctionnement, ladite seconde électrode déterminant un trajet principal de conduction du courant dudit premier transistor qui est normalement en fonctionnement pour coupler des signaux dudit dispositif semi-conducteur à ladite borne de sortie, caractérisé par un second transistor ( 45), normalement non conducteur, d'un type de conductivité opposé à celui dudit transistor ( 44) avec une première électrode (base) couplée à ladite première électrode (base) dudit premier transistor ( 44), une seconde électrode de faible impédance (émetteur) couplée à ladite seconde électrode (émetteur) dudit premier transistor ( 44) et à ladite borne de sortie ( 21), et une troisième électrode (collecteur) couplée à un second potentiel de fonctionnement (masse), ladite seconde électrode (émetteur) déterminant un trajet principal de conduction de courant dudit second transistor ( 45); ledit second transistor ( 45) étant rendu conducteur en réponse aux transitdires apparaissant à ladite borne de sortie ( 21) avec une première polarité pour dévier les courants transitoires associés au second potentiel de fonctionnement (masse)par l'intermédiaire dudit trajet principal de courant dudit second transistor ( 45); ledit premier transistor étant en fonctionnement pour dévier des transitoires de courant associés aux transitoires à haute tension d'une polarité opposée audit premier 253250 O potentiel de fonctionnement +Vcc par l'intermédiaire du trajet principal de courant dudit premier transistor ( 44). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première (base) et seconde (émetteur) électrodes du premier transistor précité définissent une jonction semi-conductrice présentant normalement une tensio nde polarisation à travers celle-ci; et en ce que les première (base) et seconde (émetteur) électrodes du second transistor ( 45) précité définissent une jonction semi-conductrice dont la polarisation est normalement tout d'abord établie par la tension de polarisation produite à Travers ladite jonction semi-conductrice dudit premier transistor ( 44), pour maintenir ledit second transistor ( 45) normalement non conducteur. 3 Système selon la revendication 1 ou 2- caractérisé en ce-que les première, seconde et troisième électrodes des premier et second transistors précités correspondent respectivement aux électrodes de base, d'émetteur et de collecteur. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier transistor ( 44) précité est un transistor NPN pour dévier les courants transitoires associés aux transitoires à haute tension de polarité négative; et en ce que le second transistor ( 45) précité est un transistor PNP pour dévier les courants transitoires associés aux transitoires à haute tension de polarité positive. 5. Système selon la revendication 1, ayant des moyens d'utilisation pour recevoir des signaux de la borne de sortie précitée; caractérisé par une impédance de charge d'émetteur ( 51) pour le premier transistor ( 44) précité couplé entre la borne de sortie ( 21) précitée et ledit moyen d'utilisation ( 24, 30). 6. Système selon la revendication 1, o ledit système comprend un récepteur de télévision, caractérisé par un tube-image ( 30) de reproduction d'imagé susceptible de produire des transitoires à haute tension associés à l'arc du tube-image; lune source ( 35) d'une tension d'alimentation de fonctionnement comprenant des tensions de fonctionnement élevées pour ledit tube-image ( 30); et un amplificateur d'attaque ( 24) du tube-image pour appliquer audit tube une version amplifiée des signaux produits à la borne de sortie précitée ( 21).