Схемы защиты интегральных микросхем

Защита от перенапряжений в телефонной линии.В интегральных микросхемах и электронных схемах телефонных аппаратов используются транзисторы, работающие при малом уровне сигнала, поэтому полупроводниковые элементы таких схем очень легко могут быть повреждены выбросами (пичками) высоковольтного напряжения, возникающими при переходных процессах, которые могут быть вызваны в линии связи грозовыми разрядами, производимыми коммутациями, наводками от линий электропередач.

Следовательно, для предохранения цепей электронного телефонного аппарата необходимо использовать средства защиты от возможных перенапряжений и бросков токов, вызванных различными переходными процессами. В силу того, что технологические приемы, используемые при производстве интегральных микросхем, не могут обеспечивать достаточно высокие значения пробивных напряжений, то параллельно линии связи подключаются один или несколько дополнительных стабилитронов, которые обеспечивают защиту оборудования телефонной линии при превышениях напряжения в линии.

Как только входное напряжение на телефонном аппарате превысит напряжение стабилизации (напряжение пробоя стабилитрона), стабилитрон начинает проводить ток и поддерживает входное напряжение, подаваемое на электронные цепи, на установленном для данного конкретного прибора значении. Если защита от перенапряжения необходима в точке схемы, где возможно изменение полярности напряжения, то прибор защиты выполняется в виде двух встречновключенных стабилитронов, конструктивно выполненных в виде единого прибора, либо путем использования двух отдельных стабилитронов, которые соединяются по схеме встречного включения, а затем подключаются параллельно линии связи.

Для защиты интегральных микросхем от выбросов высоковольтного напряжения, возникающих в телефонных линиях связи, используются полупроводниковые стабилитроны.

Защита схемы при обратной полярности включения напряжения.Соблюдение правильной полярности включения входного напряжения является крайне важным условием работоспособности электронных схем и цепей, так как они не могут нормально работать при обратной полярности напряжения и будут, скорее всего, просто выведены из строя. Стандартным методом защиты от неправильной полярности подключения является применение мостовых выпрямительных схем. Полярность выходного напряжения выпрямительного моста всегда будет одной и той же, вне зависимости от полярности входного напряжения.

Защита электронных цепей телефонного аппарата при неправильной полярности подключения осуществляется путем использования мостовых схем выпрямления.

Стандартная мостовая схема выпрямления. Мостовая схема выпрямителя очень легко может быть собрана с использованием четырех диодов; вариант такой схемы представлен на рис. 3.4а.

Так как выпрямительные диоды достаточно хорошо противостоят высоковольтным броскам напряжения, возникающим при переходных процессах, необходимо использовать на выходе схемы лишь один стабилитрон для защиты цепей речевого сигнала. Стандартная мостовая схема двухполупериодного выпрямления, собранная на кремниевых диодах, характеризуется прямым падением напряжения около 1,5 В.

Такая величина прямого падения напряжения становится существенной для электронных телефонных аппаратов, так как рабочие режимы схемы задаются определенными значениями напряжений, тогда как повторный вызов, который обсуждался для стандартного телефонного аппарата в главе 2, управлялся токами. Следовательно, минимальное значение напряжения, поддерживаемое в телефонной линии, является гораздо более важной характеристикой для электронного телефонного аппарата. Так как для нормальной работы цепей речевого тракта необходимо напряжение 3,5В, то напряжение в линии связи должно составлять как минимум 5,0 В в случае использования в схеме мостового выпрямления кремниевых диодов.

При напряжениях в телефонной линии связи менее чем 5В используется низковольтная мостовая схема выпрямления. Прямое падение напряжения в такой схеме мало, так как проводящие транзисторы находятся в режиме насыщения. Однако транзисторы могут быть легко выведены из строя бросками напряжения, поэтому для их защиты необходимо в схеме использовать стабилитроны.

Мостовая схема выпрямления с низким значением прямого падения напряжения. В ряде систем телефонной связи могут применяться напряжения менее 5,0 В. В таких случаях в электронных телефонных аппаратах необходимо использовать схемы выпрямления с малым значением прямого падения напряжения, составляющим порядка 0,5В или даже еще меньше. Такие значения прямого падения напряжения могут быть получены с использованием активной схемы моста, приведенной на рис. 3.4б, для которой падение напряжения между входным и выходным значением представляет падение напряжения VCE(sat) транзистора. Напряжение VCE(sat) представляет падение напряжения на коллекторно-эмиттерном переходе транзистора, когда переход смещен в прямом направлении, то есть включен.

Такой режим работы транзистора получил название режима насыщения. В зависимости от полярности входного напряжения, которое приложено к точкам «a» и «b» схемы, проводящими окажутся либо пара транзисторов Q1–Q2, либо пара Q3–Q4. Если к точке «а» приложено положительное напряжение, а к точке «b» — отрицательное, то проводить ток будут транзисторы Q3 и Q4. Транзисторы Q1 и Q2 проводят ток, когда точка «b» имеет положительный потенциал, а точка «а» — отрицательный. Таким образом, выходное напряжение в точках «с» и «d» будет иметь одну и ту же полярность вне зависимости от полярности напряжения в телефонной линии. Величины сопротивлений резисторов RB подобраны так, чтобы транзисторы всегда находились в режиме насыщения. Падение напряжения на такой мостовой схеме представляет сумму падений напряжений VCE(sat) на двух смещенных в прямом направлении коллекторно-эмиттерных переходах транзисторов.

Соединение производится на телефонной станции, после чего на телефонный аппарат вызываемого номера посылается сигнал вызова.

Такая мостовая схема также удовлетворяет требованиям относительно малого значения шунтирующего тока (порядка одного миллиампера) и не оказывает влияния на сигналы акустического частотного диапазона. Однако максимальное рабочее напряжение в такой телефонной линии не может составлять более 14 В. Такое значение напряжения оказывается достаточным для нормальных значений изменения напряжения в линии связи, однако высоковольтные выбросы напряжений, возникающие при переходных процессах, могут повредить схему выпрямления. Следовательно, между мостовой схемой выпрямления и телефонной линией необходимо разместить схему защиты от переходных перенапряжений, как это изображено на схеме рис. 3.4б. Так как входное напряжение может оказаться любой полярности, то используется два встречновключенных стабилитрона, которые шунтируют линию связи.