MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUIT AND APPLICATION TO A PACEMAKER

Abstract: 1. A monolithic integrated circuit, in which components are formed in a doped substrate by differently doped regions, and in which the substrate is firmyl connected to that pole of a supply voltage source which causes the junction between the component and the substrate to be in the blocking state, characterized in that on the occurence of a voltage external to the supply voltage such that the junction would become conductive, the substrate (9) is connected approximately to this voltage.

Description: Monolithisch integrierte Schaltung und deren Verwendung in einem Herzschrittmacher Die Erfindung betrifft eine monolithisch integrierte Schaltung, bei der in einem dotierten Substrat durch unterschiedlich dotierte Bereiche Bauelemente gebildet sind und bei der das Substrat fest mit demjenigen Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, der bewirkt, dass der Übergang zwischen den Bauelementen und Substrat sperrt. Bei der Erzeugung monolithisch integrierter Schaltungen geht man beispielsweise von einer p-dotierten Siliziumunterlage als Substrat aus. In dieses Substrat weraen in den Bereichen, in denen Bauelemente wie Transistoren oder Widerstände entstehen sollen, n-dotierte Schichten eindiffundiert, die vollständig von p-dotiertem Silizium umgeben sind. Durch weitere Diffusionsphasen können in diesen n-dotierten Bereichen beispielsweise die Kollektor-Basis-Sperrschicht, Widerstände und schliesslich auch der Emitter entstehen. Die Isolierung zwischen den Bauelementen erfolgt durch die zwischen Substrat und der ersten n-dotierten Diffusionsschicht bestehende pn-Verbindung, die so vorgespannt ist, dass sie eine Sperrschicht bildet (Transistor-Handbuch von Jan Hendrik Jansen, Franzis-Verlag, München (1980), Seite 125). Ub- licherweise ist dazu das p-dotierte Substrat mit dem negativen Pol der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Bei einer Umkehr der verschiedenen Dotierungen ändert sich entsprechend auch das Vorzeichen des Versorgungsspannungsanschlusses. Solange bei einer derartigen -Schaltung die Spannung an den einzelnen Bauelementen nicht grösser wird als die Versorgungsspannung, bilden die pn-Ubergänge zwischen Substrat und Bauelementen stets Sperrschichten. Sinkt (steigt) jedoch die äussere Spannung unter (über) die negative (positive) Versorgungsspannung, so kann es vorkommen, dass die zur Isolation zwischen den Bauteilen vorgesehene pn-Verbindung in Durchlassrichtung betrieben wird. Das würde zu einem grossen Leckstrom und damit zu einer Spannungsverfälschung fuhren, Derartige problematische äussere Spannungen können bei einer monolithisch integrierten Schaltung beispielsweise durch eine Spannungsverdopplung auftreten. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktion einer Schaltung der eingangs genannten Art auch dann sicherzustellen, wenn äussere Spannungen auftreten, die ausserhalb der Versorgungsspannung liegen. Die Isolation zwischen den einzelnen Bauelementen der Schaltung sowie zwischen diesen und dem Substrat soll auch in einem solchen Fall gewährleistet sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäB dadurch gelöst, dass beim Auftreten einer Spannung ausserhalb der Versorgungsspannung in der Art, dass der übergang leitend wurde, das Substrat annähernd an diese Spannung angeschlossen ist. Handelt es sich beispielsweise wiederum um eine monolithische Schaltung in einem p-dotierten Substrat, das zunächst mit dem Minuspol der Versorgungsspannung verbunden ist, so wird beim AuStreten einer Impulsspannung, die negativer ist als die negative Versorgungsspannung, das Substrat direkt an diese niedrigere Spannung angeschlossen. Die Substratspannung folgt also immer der negativsten Spannung. Damit ist sichergestellt, dass die pn-Verbindung zwischen Substrat und Bauelementen als Sperrschicht wirkt. Eine einfache Möglichkeit zur Realisierung dieser Span nungsnachführung besteht darin, dass das Substrat über einen Widerstand an den Pol der Versorgungsspannungsquelle und über einen Schalter an die äussere Spannung angeschlossen ist. Als Schalter kann dabei vorteilhaft ein Transistor vorgesehen sein. Solange der Schalter geöffnet ist, liegt das Substrat auf dem gleichen Potential wie der negative Pol der Versorgungsspannungsquelle. Wird der Schalter geschlossen bzw. steuert der Transistor durch, so entspricht das Potential des Substrats bis auf einen geringen Spannungsabfall¯ am T-ran- sistor dem der äusseren Spannung. Die pn-Verbindungen zwischen Substrat und den Bauelementen sperren weiterhin. Lediglich über den Widerstand, über den das Substrat an den Pol der Versorgungsspannungsquelle angeschlossen ist, fliesst ein kleiner Leckstrom. Macht man diesen Widerstand entsprecheni hochohmig, so kann dieser Leckstrom praktisch vernachlässigt werden. Besonders vorteilhaft lässt sich diese erfindungsgemässe Schaltung für einen Herzschrittmacher verwenden. über- wiegend wird in Herzschrittmachern als Versorgungsspan- nungsquelle eine Batterie verwendet. Durch die erfindungsgemässe Schaltung ist es bei niedriger Battersspan- nung durch eine einfache Spannungsverdopplung möglich, Stimulierungsimpulse mit ausreichender Amplitude zu erzielen. Im folgenden wird anhand von drei Figuren die erfindungsgemässe Schaltung und ihre Verwendung in einem Herzschrittmacher näher beschrieben und erläutert. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer monolithisch inte grierten Schaltung für einen Herzimpulsgenerator mit Spannungsverdopplung; Fig. 2 zeigt den zeitlichen Spannungsverlauf am Emitter des Transistors T32 gemäss Fig. 1; Fig. 3 schliesslich zeigt in einer schematischen Teil darstellung den Aufbau des Monolithkreises. Fig. 1 zeigt innerhalb einer strichlierten Fläche 1 den monolithisch integrierten Sdaltungsteil eines Herzimpulsgenerators und ausserhalb dieser Fläche die externen Anschlüsse und Elemente. Die Versorgungsspannung von beispielsweise 2,5 V wird von einer nicht dargestellten Batterie geliefert, deren Minuspol 2 auf Masse liegt, d. h. mit dem Körper verbunden ist. Der Pluspol ist mit 3 bezeichnet. Der äussere Widerstand R4 symbolisiert das Herz. Der Monolithkreis enthält vier npn-Transistoren T31 bis TD4 sowie eine Reihe von Widerständen R1 bis R3, R5 bis R9. Das Substrat 9 ist p-dotiert. An den Ausgang 4 ist ein Kondensator C11 angeschlossen, von dem eine Elektrode 5 zum Herzen, d. h. in der Schaltung zum Wider- stand R4, führt. Weiterhin sind der Kollektor des Transistors T31 und der Emitter des Transistors T32 zu Anschlüssen 6 bzw. 7 herausgeführt, zwischen die ein weiterer Kondensator C12 geschaltet ist. Die Basis des Transistors T34 ist zu einem Anschluss 8 herausgeführt, an den eine nicht dargestellte Steuereinrichtung für die Impulsdauer und Impulsfrequenz angeschlossen ist. Die Funktionsweise der Schaltung ist folgende: Solange der Transistor T34 sperrt, sperren auch die übrigen Transistoren. Dann sind die Anschlüsse 4 bzw. 6 über die Widerstände R2 bzw. R1 mit dem Pluspol 3 der Batterie verbunden. Die andere Seite dieser Kondensatoren liegt über die Widerstände R4 bzw. R3 auf Masse. Beide Kondensatoren laden sich auf die Batteriespannung auf. Der über das Herz (Widerstand R4) fliessende Lade strom wird durch Wahl des Widerstandes R2 so klein gewählt, dass eine Anregung des Herzens unterbleibt. Wird an den Anschluss 8 ein positiver Spannungsimpuls gelegt, so steuern der Transistor T34 und damit auch die anderen Transistoren T31 bis T33 durch. Dadurch liegt der Anschluss 6 des Kondensators C12 über den Transistor T31 direkt an Masse. Der Anschluss 7 dieses Kondensators weist ein um die Batteriespannung niedrigeres Potential auf und wird über den Transistor T32 direkt mit dem Ausgang 4 und dem Kondensator C11 verbunden, dessen andere Seite dadurch ein Potential aufweist, das um die doppelte Batteriespannung negativer ist als das Massepotential. Es kommt zu einem stimulierenden Spannungsimpuls durch das Herz (Widerstand R4). Die Anfangsamplitude dieses Impulses entspricht zweimal der Batteriespannung. Während dieses Spannungsimpulses ist die Emitterspannung UE am Transistor T32 negativer als der Minuspol der Batterie (Fig. 2). Die Kollektorspannung ist bis auf einen geringen Spannungsabfall am durchgesteuerten Transistor gleich der Emitterspannung. Durch das gleichzeitige Durchsteuern der Transistoren T32 und T33 wird das Substrat 9 direkt mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden. Es liegt damit auf fast gleichem Potential wie der Kollektor des Transistors. Wenn seine Sättigungsspannung niedriger ist als die Durchlassspannung der Sperrdioden zum Substrat 9, fliessen keine Leckströme. Die Sperrwirkung der pn-Verbindung zwischen Kollektor und Substrat bleibt erhalten. In der Fig. 3 sind diese Verhältnisse anhand eines schematischen Ausschnittes aus dem Monolithkreis noch einmal verdeutlicht. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. In dem gemeinsamen p-dotierten Substrat 9 sind durch weitere Diffusionsschritte die Transistoren T32 und T33 sowie der Widerstand R6 erzeugt worden. Das Substrat 9 ist über den Widerstand R6 mit dem Minuspol 2 der Batterie verbunden. Weiterhin ist das Substrat über den Transistor T33 mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden. Wird die äussere Spannung am Anschluss 7 negativer als der Minuspol der Batterie und steuern gleichzeitig beide Transistoren durch, so liegt die äussere Spannung am Kollektor des Transistors T32, aber auch am Substrat 9, wenn man den geringen Spannungsabfall am Transistor vernachlässigt. Die pn-Verbindung sperrt weiter. Ohne diese automatische Nachregelung der Substratspannung würde diese pn-Verbindung leitend und es käme zu einem grossen Leckstrom und möglicherweise zu einer Fehlfunktion des Monolithkreises. Anhand der drei Figuren wurde ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Weitere Spannungsnachführungen sind denkbar. So kann das Substrat beispielsweise auch über einen durch den Transistor T34 gesteuerten Wechselschalter entweder mit dem Minuspol der Batterie oder mit dem Emitter des Transistors T32 verbunden werden. 3 Figuren 4 Patentansprüche

Claims: Patentansprüche 1. Monolithisch integrierte Schaltung, bei der in einem dotierten Substrat durch unterschiedlich dotierte Bereiche Bauelemente gebildet sind und bei der das Substrat fest mit demjenigen Pol einer Versorgungsspannungsquelle verbunden ist, der bewirkt, dass der Über- gang zwischen den Bauelementen'und Substrat sperrt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Auftreten einer Spannung ausserhalb der Versorgungsspannung in der Art, dass der Übergang leitend würde, das Substrat (9) annähernd an diese Spannung angeschlossen ist. 2. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Substrat (9) über einen Widerstand (R6)- an den Pol ( der Versorgungsspannungsquelle und über einen Schalter (T33) an die äussere Spannung angeschlossen ist. 3. Schaltung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Schalter ein Transistor (T33) vorgesehen ist. 4. Verwendung einer Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für einen Herzschrittmacher.

Inventors: LEKHOLM, ANDERS, DR., STRANDBERG, HANS
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, SIEMENS-ELEMA AB
Application year: 1981
Main classification: G05F3
IPC codes: G05F3