AT402118B - Bezugsspannungsgenerator - Google Patents

Description

AT 402 118 B

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bezugsspannungsgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Wenn das Signalverarbeitungssystem eines Rundfunkempfängers als integrierter Schaltkreis ausgebildet wird, muß im integrierten Schaltkreis eine Bezugsspannungsquelle als Vorspannungsquelle für einen darin befindlichen Transistor oder dazu vorgesehen sein, um die Pegel von bestimmten Signalen relativ zur Bezugsspannung zu vergleichen oder zu verschieben. Wenn man einen Rundfunkempfänger betrachtet, der beispielsweise mit zwei Trockenzellen der Größe AA betrieben wird, liegt die Bezugsspannung daher etwa bei 1 bis 1,5 V.

Im Stand der Technik ist ein Bezugsspannungsgenerator mit einem Widerstand sowie einer einzigen Diode oder zwei Dioden vorgesehen, die zwischen einem Spannungsquellenanschluß (Eingang) und Masse in Serie liegen, wobei vom Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und der (den) Diode(n) eine Bezugsspannung hergeleitet wird. Ein derartiger bekannter Bezugsspannungsgenerator ist jedoch temperaturabhängig und besitzt damit eine schlechte Temperaturkennlinie. Obwohl ein Bezugsspannungsgenerator mit einer guten Temperaturkennlinie vorgeschlagen wurde, besitzen derartige Schaltkreise gemäß dem Stand der Technik den Nachteil, daß die Bezugsspannung wesentlich von der Eingangsspannung oder deren Schwankungen abhängt.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Bezugsspannungsgenerator der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, der eine von den Schwankungen der Eingangsspannung im wesentlichen unabhängige Ausgangsspannung liefert und weitgehend von Temperaturschwankungen unabhängig ist.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Bezugsspannungsgenerator der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich eine sehr weitgehende Konstanz der Ausgangsspannung, unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung und Temperaturänderungen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun anhand der Beschreibung, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigt, näher erläutert, wobei gleiche Bauteile in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines Bezugsspannungsgenerators gemäß einer ersten Ausführungsform dieser

Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm von Strömen im Schaltkreis von Fig. 1;

Fig. 3 das Schaltbild eines Bezugsspannungsgenerators gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser

Erfindung; und

Fig. 4 das Schaltbild eines Bezugsspannungsgenerators gemäß einer dritten Ausführungsform dieser

Erfindung.

Nunmehr wird ausführlich auf Fig. 1 Bezug genommen. Wie man sieht, besitzt ein Bezugsspannungsgenerator gemäß dieser Erfindung einen Ausgang Ti, von dem eine Bezugsspannung hergeleitet wird, sowie einen Eingang T2, der mit einer Trockenzelle oder ähnlichem verbunden und mit einer Eingangsspannung (Spannungsquellenspannung) angespeist wird. Zwischen diesen Anschlüssen Ti und T2 liegt die Kollektor/Emitter-Strecke eines Steuertransistors Q7.

Zwischen dem Anschluß Ti und Masse liegt die Serienschaltung eines Widerstnads Ri, der einen relativ großen Widerstandswert (z.B. 12,6 kfi) aufweist, eines Widerstands R2, der einen relativ kleinen Widerstandswert (z.B. 820 0) aufweist, sowie der Kollektor/Emitter-Strecke eines Stromabtasttransistors Qi. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Ri und R2 ist mit der Bis des Transitors Qi verbunden. Weiters liegt die Basis/Emitter-Strecke des Transistors Qi parallel zur Basis/Emitter-Strecke eines Transistors Qs, wodurch eine Stromspiegelschaltung 1 gebildet wird, die als Bezugspotential das Massepotential besitzt.

Der Kollektor des Transistors Qi liegt weiters an der Basis eines Transistors Q2, wobei der Emitter dieses Transistors Q2 mit Masse verbunden ist, während sein Kollektor am Kollektor eines Transistors Q3 liegt.

Der Transistor Q3 verwendet den Anschluß Ti als Bezugspotentialpunkt und bildet zusammen mit einem Transistor Q* eine Stromspiegelschaltung 2. Dazu sind die Basisanschlüsse Q3 und Q4 miteinander verbunden, wobei sie weiters am Kollektor des Transistors Q3 liegen, während die Emitter der Transistoren Q3 und Q4 gemeinsam mit dem Anschluß Ti verbunden sind.

Als Abtasteinrichtung eines invertierenden Verstärkers ist ein Transistor Qs vorgesehen, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Basis mit den Kollektoren der Transistoren Q4 und Qs verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Qs liegt an der Basis des Steuertransistors Q7.

Der oben beschriebene Schaltkreis wird als integrierter Schaltkreis auf einem Halbleiterplättchen ausgebildet, wobei die Emitterumfangszone (Emitter/Basis-Übergangszone) des Transistors Q2 so gewählt 2

AT 402 118 B wird, daß sie n-mal (n>1) so groß wie die Emitterumfangszone des Transistors Q· ist.

Wenn ii der Kollektorstrom des Transistors Q· und i2 der Kollektorstrom des Transistors Q2 sind, wird beim Schaltungsaufbau von Fig. 1 der Kollektorstrom des Transistors Qs gleichfalls gleich h, da die Transistoren Qi und Qs die Stromspiegelschaltung 1 bilden. Da der Kollektorstrom i2 des Transistors Q2 gleich dem Kollektorstrom des Transistors Qa ist und da die Transistoren Q3 und Q4 die Stromspiegelschaltung 2 bilden, wird weiters der Kollektorstrom des Transistors Q* gleich dem Kollektorstrom 12.

Damit fließt die Differenz (i2 - ii) zwischen den Kollektorströmen 12 und l· zur Basis des Transistors Q6.

Wenn der Kollektorstrom ii ansteigen oder der Kollektorstrom i2 absinken will, steigt der Differenzstrom (i2 - i<) an, so daß der Kollektorstrom des Transistors Qs fällt und die Impedanz des Transistors Q7 größer wird. Damit wird die Spannung am Anschluß Ti abgesenkt, wodurch der Kollektorstrom ii vermindert und der Kollektorstrom i2 angehoben werden. Damit erhält man eine Gegenkopplungswirkung, durch die die Kollektorströme ii und i2 stabilisiert werden, um konstante Werte zu bilden.

Anders ausgedrückt: Wenn die Basis/Emitter-Spannung des Transistors Qi gleich VBE1 und die Basis,'Emitter-Spannung des Transistors Q2 gleich VBE2 ist, können die folgenden Gleichungen (i), (ii) und (iii) aufgestellt werden: VBei = R2 · ii + VBe2 (i) VBEi = Vt . In(ii / iSi) (ii) VBe2 = Vt . In[i2 / (n . 152)] (iii) wobei VT = KT/q (T: absolute Temperatur) und isi, is2 die Sättigungsströme für die Transistoren Qi und Q2 sind. Aus den Gleichungen (i) bis (iii) erhält man die folgende Gleichung (iv): VT . ln(i1 / isl> s **2 - + VT * 1η[*2 / {n · VT . ln.n 11.1S2 = R2 . iy .....(iv) *2 XS1

Wenn beispielsweise die Transistoren Qi und Q2 auf dem gleichen integrierten Schaltkreisplättchen nebeneinander ausgebildet werden, wird der Bedingung iSi = iS2 Genie getan. Damit kann die Gleichung (iv) neu angeschrieben werden zu: VT . In(n.ii /12) = R2 . ii (v)

Die neue Gleichung (v) liefert: ln(n . ii / i2) = R2 . ii / VT n . ii /12 = exp(R2 . ii / VT) i2 = n . ii exp(-R2 . ii / VT)

Der Strom i2 weist somit eine negative Kennlinie auf, wie dies Fig. 2 zeigt. Damit werden die Ströme ii und 12 an einem Punkt A im negativen Bereich des Stroms i2 stabilisiert, wobei gilt: ii = i2 (vi)

Wenn die Ausgangsspannung am Anschluß Ti gleich V ist, erhält man die folgende Gleichung (vii): V = Ri . ii + VBEi (vii)

Wenn man die Gleichung (vi) in die Gleichung (v) einsetzt, erhält man: VT . ln.n = R2 . ii (viii) 3

AT 402 118 B

Wenn man daraufhin die Gleichung (viii) in die Gleichung (vii) einsetzt, erhält man: V = (R, R2) Vt . In.n + VBE,”'(ix)

Den Temperaturkoeffizient dV/dT der Spannung V erhält man dadurch, daß die Gleichung (ix) nach der Temperatur T differenziert wird , wie dies die folgende Gleichung (x) zeigt. dV = K . R1 ln.n + dVBE1 .....(xi

dT q ^ dT

Aus der Gleichung (x) kann die Bedingung wie folgt ausgedrückt werden, bei der der Temperaturkoeffizient dV/dT gleich Null wird: K . R1 ln.n + ^BEl - 0

q dT R „ dv

1 ln.n = - BEI . q .....(xH

R2 dT K

Anders ausgedrückt: wenn die Gleichung (xi) aufgestellt wird, besitzt die Spannung V keine Temperaturkennlinie.

Im allgemeinen bestehen folgende Bedingungen: dVBEi i dT = -1,8 bis -2,0 (mV/*C)

Damit wird die Gleichung (xi) zur folgenden Gleichung (xii): ^ ln.n - 1,8 x 10-3 x 1 ^20,86 .....(xii) *2 8,63 x 10“5

Normalerweise können beim integrierten Schaltkreis das Widerstandsverhältnis R1/R2 sowie das Flächenverhältnis n relativ leicht auf die gewünschten Werte eingestellt werden, wobei Streuungen ausreichend unterdrückt werden können. Da die Gleichung (xii) leicht erfüllt werden kann, kann auch die Gleichung (xi) aufgestellt werden. Damit besitzt die Ausgangsspannung keine Temperaturkennlinie.

Wenn VT = 0,026 (V) und VBE1 = 0,683 (V) sind, erhält man aus den Gleichungen (ix) und (xii) die folgende Bedingung: V = 0,026 x 20,86 + 0,683 * 1,225 (V)

Bei dem beschriebenen Schaltkreis gemäß dieser Erfindung ist es daher möglich, die Bezugsspannung V ohne Temperaturkennlinie zu erhalten, wobei die Bezugsspannung V stabil ist, wenn Temperaturschwankungen auftreten - Zusätzlich kann diese Bezugsspannung V einen niedrigen Pegel aufweisen, z.B. 1,225V, so daß sie für einen integrierten Schaltkreis geeignet ist, der mit einer niedrigen Spannung betrieben werden kann. 4

Claims (5)

1. AT 402 118 B Da die Transistoren Qi bis Qs auch dann mit der stabilen Bezugsspannung V versorgt werden, wenn die Spannung am Anschluß Ta geändert wird, können die Transistoren Qi bis Qs stabil betrieben werden, wobei sie eine geringe Spannungsabhängigkeit besitzen. Bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist für den Widerstand Ri ein relativ großer Widerstandswert erforderlich, womit dieser Widerstand R: im Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises eine relativ grob Fläche einnimmt. Das Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises muß daher relativ groß sein. Wenn die Basis/Emitter-Strecke von einem oder mehreren zusätzlichen Transistoren, die die gleiche Kennlinie wie der Transistor Qi besitzen, parallel zur Basis/Emitter-Strecke des Transistors Qi geschaltet wird, kann das Verhältnis der Fläche, die der Widerstand Ri einnimmt, zur Gesamtfläche des Halbleiterplättchens des integrierten Schaltkreises kleiner gemacht werden, wobei das Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises kleiner wird. Wie Fig. 3 zeigt, in der Teile, die den Teilen von Fig. 1 entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und nicht mehr ausführlich beschrieben werden, kann die Basis/Emitter-Strecke eines zusätzlichen Transistors Qe parallel zur Basis/Emitter-Strecke des Transistors Qi geschaltet werden. In diesem Fall liegt der Kollektor des Transistors Qs am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Ri und Ri. Da der Widerstandswert des Widerstands R2 sehr klein ist, wird bei der Ausführungsform von Fig. 3 der Kollektorstrom i/ des Transistors Qe im wesentlichen gleich dem Strom ii, so daß über den Widerstand Ri ein Strom von etwa 2ii fließt. Daher kann der Widerstandswert des Widerstands Ri in Fig. 3 auf etwa den halben Wert des Widerstands Ri von Fig. 1 abgesenkt werden, wobei die Fläche, die der Widerstand Ri auf den Halbleiterplättchen des integrierten Schaltkreises einnimmt, vermindert werden kann. Wenn eine Vielzahl von Transistoren parallel zum Transistor Qi geschaltet wird, kann das Verhältnis der Fläche, die der Widerstand Ri einnimmt, zur Gesamtfläche des Halbleiterplättchens des integrierten Schaltkreises wesentlich mehr verkleinert werden. Bei der Ausführungsform von Fig. 4, bei der Teile, die Teilen von Fig. 1 und 3 entsprechen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und nicht mer ausführlich beschrieben werden, werden die Kollektorströme 12 und ii der Transistoren Q2 und Qs vom Widerstand R3 und R* in entsprechende Spannungen umgesetzt. Die Spannungen, die den Kollektorströmen i2 und ii entsprechen, werden an den (+)- bzw. (-)-Eingang eines Differenzverstärkers 3 gelegt, dessen Ausgang mit der Basis des Transistors Q7 verbunden ist. Der Steuertransitor Q7 wird mit einem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 3 betrieben, das der Differenz zwischen den Spannungen entspricht, die man an den Widerständen Ra und R4 erhält. Erfindungsgemäß ist es möglich, die Bezugsspannung V ohne irgendwelche Temperaturkennlinien zu erhalten, wobei die Bezugsspannung V auch dann stabil ist, wenn Temperaturänderungen auftreten. Da diese Bezugsspannung V einen niedrigen Pegel, z.B. 1,225V besitzt, ist der Schaltkreis, der die Erfindung enthält, weiters für einen integrierten Schaltkreis geeignet, der mit einer niedrigen Spannung betrieben wird. Da die Transistoren Qi bis Qs auch dann mit der stabilen Bezugsspannung V angespeist werden, wenn die Versorgungsspannung am Eingang T2 geändert wird, kann der stabile Betrieb weiter durchgeführt werden. Da die Versorgungsspannung am Eingang T2 über den Transistor Q7 auf die Spannung V am Ausgang T· eingestellt wird, wenn man die Spannung V erhält, ist es weiters möglich, den entsprechenden Strom zu erhalten. Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben wurden, ist ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungsformen beschränkt ist und daß viele Abänderungen und Veränderungen von Fachleuten vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Bereich der Erfindung abzuweichen, die in den beigeschlossenen Patentansprüchen dargelegt ist. Patentansprüche 1. Bezugsspannungsgenerator mit einem Eingang (T2), an dem eine Versorgungsspannung anliegt, die Schwankungen unterworfen ist, einem Ausgang (Ti), von dem eine stabile Ausgangsspannung hergeleitet wird, einem Steuertransistor (Q7), dessen Kollektor/Emitter-Strecke zwischen dem Ausgang (T,) und dem Eingang (T2) liegt, einem Stromabtasttransistor (Qi), dessen Kollektor/Emitter-Strecke mit der Serienschaltung eines ersten (Ri) und zweiten Widerstands (R2) zwischen dem Ausgang (Ti) und Masse in Serie liegt und dessen Basis am Verbindungspunkt der Serienschaltung zwischen dem ersten (Ri) und zweiten Widerstand (R2) liegt, gekennzeichnet durch einen dritten Transistor (Q2), dessen Basis/Emitter-Strecke parallel zur Kollektor/Emitter-Strecke des Stromabtasttransistors (Qi) geschaltet ist, dessen Emitter/Basis-Übergangszone gleich dem n(>f)-fachen der Emitter/Basis-Übergangszone des Stromabtasttransistors (Ql) ist, einen vierten Transistor (Q5) mit der gleichen Leitfähigkeitsart wie der Stromabtasttransistor (Qi), wobei die Basis des vierten Transistors (Qs) mit der Basis des 5 AT 402 118 B Stromabtasttransistors (Q·) verbunden ist, und eine Abtasteinrichtung (2), welche die Differenz zwischen einem Signal, das dem Kollektorstrom des dritten Transistors (Q2) entspricht, und einem Signal, das dem Kollektorstrom des vierten Transistors (Qs) entspricht, abtastet und an die Basis des Steuertransistors (Q7) ein Gegenkopplungssignal legt, das dieser Differenz entspricht.
2. 2. Bezugsspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Transistor (Cfe) mit der gleichen Kennlinie wie der Stormabtasttransistor (Q7) mit seinem Kollektor am Verbindungspunkt zwischen dem ersten (Ri) und zweiten Widerstand (R2) liegt und mit seiner Basis/Emitter-Strecke des Stromabtasttransistors (Qi) geschaltet sit.
3. 3. Bezugsspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung einen dritten Widerstand (R3), der mit dem Kollektor des dritten Transistors (Q2) verbunden ist, sowie einen vierten Widerstand (R*) aufweist, der mit dem Kollektor des vierten Transistors (Qs) verbunden ist, wobei an dem dritten bzw. vierten Widerstand (R3, Rt) den Kollektorströmen des dritten bzw. vierten Transistors (Q2, Q5) entsprechende Spannungen abgreifbar sind.
4. 4. Bezugsspannungsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung weiters einen Differenzverstärker (3) aufweist, der zwei Eingänge besitzt, die mit dem dritten, bzw. vierten Widerstand (R3, R*) verbunden sind, wobei der Ausgang des Differenzverstärkers (3) mit der Basis des Steuertransistors (Q7) in Verbindung steht.
5. 5. Bezugsspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung einen fünften Transistor (Οε) aufweist, der eine Kollektor/Emitter-Strecke besitzt, die zwischen der Basis des Steuertransistors (Q7) und Masse liegt, und daß ein sechster (Q3) und ein siebenter (Qt) Transistor eine Stromspiegelschaltung bilden und mit ihren Kollektoren mit dem Kollektor des dritten (Q2) bzw. vierten Transistors (Qs) verbunden sind, wobei die Basis des fünften Transistors (Ck) am Verbindungspunkt zwischen den Kollektoren des siebenten (Q*) und vierten Transistors (Qs) liegt. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 6