DD158680A1

DD158680A1 - Integrierbare referenzspannungsquelle mit positivem temperaturkoeffizienten

Info

Publication number: DD158680A1
Application number: DD22958981A
Authority: DD
Inventors: Friedrich Mueller; Dietmar Katzfuss; Roland Marstaller; Bernd Schneider
Original assignee: Friedrich Mueller; Dietmar Katzfuss; Roland Marstaller; Bernd Schneider
Priority date: 1981-04-29
Filing date: 1981-04-29
Publication date: 1983-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine integrierbare Referenzspannungsquelle mit positivem Temperaturkoeffizienten, die sich als Schaltung zur Realisierung in monolithischer Epitaxialtechnik eignet und deren Referenzspannung (in der Groessenordnung von einigen Millivolt bis zu einigen Volt) frei waehlbar und proportional der absoluten Temperatur ist. Ziel der Erfindung ist es, die technischen Parameter von Schaltungen mit Differenzverstaerkern, in denen Kompensations- oder Vorspannungen benoetigt werden, hinsichtlich der Verringerung ihrer Temperaturabhaengigkeit wesentlich zu verbessern. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe durch die Zusammenschaltung eines Differenzverstaerkers mit einem Stromspiegel zu einem Phasenaddierer geloest. Dabei hat der Stromspiegel ein Spiegelungsverhaeltnis verschieden von 1, vorzugsweise 3, und die dazu noetige Spannungsdifferenz zwischen den Basen des Differenzverstaerkers stellt sich ueber eine Gegenkopplung vom Ausgang des Phasenaddierers her ein. Diese Spannungsdifferenz ist die der absoluten Temperatur proportionale Bezugsreferenzspannung, die in bekannter Weise durch Dimensionierung von Widerstandsverhaeltnissen in der Gegenkopplungsschleife beliebig vervielfachbar oder teilbar ist.

Description

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Integrierbare Referenzspannungsquelle mit positivem Temperaturkoeffizienten

Anwendungsgebiet der ,.Erfindung

Die Erfindung betrifft eine integrierbare Referenzspannungsquelle mit positivem Temperaturkoeffizienten. Die Referenzspannungsquelle besteht aus einer integrierbaren Schaltung mit herkömmlichen Elementen der monolithischen Epitaxialtechnik, ist also als Baugruppe in integrierten Schaltungen anwendbar. Sie liefert eine Referenzspannung, die in ihrem Grundwert in gewissen Grenzen frei wählbar ist und die eine der absoluten Temperatur proportionale Abhängigkeit aufweist. Sie kann damit z. B. als Vorspannung oder Kompensationsspannung für Differenzverstärkeranordnungen dienen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist die Erzeugung von Referenzspannungen mit Hilfe von Dioden, die bei Stromfluß eine relativ konstante Fluß- und Durchbruchspannung aufweisen. Erstere hat einen negativen Temperaturkoeffizienten und scheidet deshalb für das vorgesehene Ziel aus. Die Lawinendurchbruchspannung einer Diode hat zwar einen positiven Temperaturkoeffizienten, ist aber in ihrer Größe nicht frei wählbar und wegen Unsicherheiten im Herstellungsprozeß nur ungenau reproduzierbar. Ihre Größenordnung von einigen Volt entspricht oft nicht den Erfordernissen bei der Schaltungsentwicklung^und sie ist mit integrierten Bauelementen gut realisierbarer Dimension und kleinen Strömen nicht zu teilen. Außerdem stört oft der

der Gleichspannung überlagerte hohe Rauschspannungsanteil. Integrierte ohmische Widerstände weisen ebenfalls positive Temperaturkoeffizienten auf. Ihr Absolutwert ist aber nur mit so großen Toleranzen einhaltbar, daß der Spannungsabfall, hervorgerufen durch einen definierten Strom, in der Regel nicht als Referenzspannung dienen kann.

Zur Erzielung wählbarer Temperaturkoeffizienten ist die Kombination von Referenzquellen mit Temperaturkoeffizienten unterschiedlichen Vorzeichens bekannt geworden, z. B. durch die Offenlegungsschrift 29 33 849 Mit der Bezeichnung "Temperaturkompensierte IC-Bezugsspannung". Dieser Vorschlag benutzt als Referenzquelle mit positivem Temperatur-

-4/o koeffizienten eine Zenerdiode, deren Temperaturkoeffizient (4x10 C) aber etwa eine Zehnerpotenz kleiner ist als der mit der absoluten Temperatur proportionale Anstieg (+3,7x10 C) und ein derart viel größerer Temperaturkoeffizient als der der Bezugsquelle ist mit der Schaltung nicht erreichbar. Außerdem sind der hohe Aufwand und die der Referenzspannung überlagerte Rauschspannung Nachteile der in obengenannter Offanlegungsschrift vorgeschlagener Schaltung.

Andere Vorschläge für Seferenzspannungsquellen benutzen Schaltungen mit FET's (DE-OS 28 42 546 und DE-OS 26 20 401) zur Erzeugung einer Bezugsspannung; ein definierter Temperaturgang wird damit offenbar nicht erzielt und nicht angegeben.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die technischen Parameter von Schaltungen mit Differenzverstärkern, in denen !Compensations- oder Vorspannungen benötigt werden, hinsichtlich der Verringerung ihrer Temperaturabhängigkeit wesentlich zu verbessern. Entweder sollen die integrierten Schaltungen dadurch in einem größeren Temperaturbereich einsetzbar werden oder es sollen im üblichen Temperaturbereich engere Toleranzen einhaltbar werden oder es soll bei gleichbleibenden Anforderungen die Ausbeute bei der Chipherstellung steigen. Durch die Anwendung der Erfindung sollen erstmalig Schaltungsvarianten mit hohen Anforderungen an ihre Eigenschaften in integrierter Form realisiert und die Vorteile der Integration elektronischer Schaltungen durch die Erfindung in größerem Umfang nutzbar gemacht werden.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine der absoluten Temperatur proportionale Referenzspannung zu erzeugen, deren Wert bei Zimmertemperatur in der Größenordnung von einigen Millivolt bis zu einigen Volt frei wählbar ist· Die dazu verwendete Schaltung muß in monolithisch integrierter Technik ausführbar sein, d. h. aus Elementen gut realisierbarer Dimension dieser Technik bestehen· Der Wert der Referenzspannung bei Zimmertemperatur sowie ihr Temperaturkoeffizient muß durch eine entsprechend konzipierte Schaltung von Schwankungen des Herstellungsprozesses weitgehend unabhängig sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verhältnis der Kollektorströme eines aus 2 Transistoren bestehenden Differenzverstärkers konstant und verschieden von eins gehalten wird und die dazu nötige Spannungsdifferenz zwischen den Basen der Transistoren des Differenzverstärkers als der absoluten Temperatur proportionale Bezugsreferenzspannung dient. Löst man die bekannten Beziehungen zwischen den Kollektorströmen

I ..'1 „ der beiden Transistoren des Differenzverstärkers und der c1 c2

Differenzspannung & U zwischen den Basen der beiden Transistoren nach dem Verhältnis zwischen den Kollektorströmen

KxT = i auf, so erhält man die BeziehungAU = U₁- χ In i = ^m

c2

worin ϋ_φ die Temperaturspannungj K die Boltsmannkonstante und q die Slementarladung bedeuten· Aus dieser Beziehung ist offensichtlich, daß AU linear von der absoluten Temperatur und außer von Naturkonstanten nur noch vom Verhältnis der Kollektorströme i, das nur unter dem natürlichen Logarithmus eingeht, abhängt. Das Verhältnis der Kollektorströme kann in integrierter Technik leicht und relativ genau durch die Zusammenschaltung der Kollektoren der beiden Transistoren des Differenzverstärkers mit einem Stromspiegel mit dem Stromspiegelungsverhältnis i gewährleistet v/erden. Diese Anwendung stellt eine phasenaddierende Schaltung dar, deren Ausgang über Koppelglieder und erforderlichenfalls auch Verstärker mit dem Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist, eine Gegenkopplungsschleife bildend.

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4-Ausführungsbeispiel

Anhand des in der Figur dargestellten Schaltungsbeispiels soll die Erfindung erläutert v/erden.

Den Differenzverstärker bilden die Transistoren T und Tp, in deren miteinander verbundene Emitter der Strom I eingespeist wird. Die Kollektoren der Transistoren T. und T_ arbeiten auf den Stromspiegel mit den Transistoren T_, T, und T , Differenzverstärker und Stromspiegel bilden eine phasenaddierende Schaltung. Die Flächen der Transistoren T_ und T, unterscheiden sich um den Stromspiegelungsfaktor, beispielsweise 3· Der Fehler der Bezugsspannung d AU = di χ U_1n χ ~ wird zwar um so kleiner, je größer i gewählt wird, praktisch ist aber i um so schlechter reproduzierbar, je größer es gewählt wird; i = 3 stellt einen gut realisierbaren Kompromiß dar, der Strom I _Λ sei also mit einem gewissen

C 1

Fehler gleich 3 I ₂· ^Der Strom I „ steuert den Stromspiegel. Die miteinander verbundenen Kollektoren dar Transistoren T. und T» bilden den Ausgang der phasenaddierenden Zusammenschaltung Differenzverstärker und Stromspiegel. An diesen Ausgang ist der Impedanzwandler mit dem Transistor Tg angeschlossen. Er bewirkt, daß der Ausgang der phasenaddierenden Schaltung wenig belastet wird, d. h. der Stromspiagelungsfaktor wenig verfälscht wird. Über den Impedanzwandler, die Widerstände R₉ und R und die Verbindung mit den Basen dar Transistoren des Differenzverstärkers ist die Gegenkopplungsschleife geschlossen. Dia Spannung am Ausgang des Phasenaddierers, der Strom durch T^-, R_? und R und der Spannungsabfall an R., der gleich der Eingangsspannung aU des Differenzverstärkers ist, stellen sich bei ausreichender Schleifenverstärkung so ein, daß sich die Kollektorströme von T und Tp wie der Spiegelungsfaktor verhalten. Im Beispiel i = 3 beträgt die Spannung an R bei ZimmertemperaturaU = U Ini = 0,0258 V χ In 3 = 28,3 mV. Da die Widerstände R. und Rp näherungsweise vom gleichen Strom durchflossen werden, kann durch Wahl des Verhältnisses Rp : R. di"e über R_? abfallende gewünschte Referenzspannung beliebig eingestellt werden.

Claims

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Erfindungsanspruch

1. Integrierbare Referenzspannungsquelle mit positivem, der absoluten Temperatur proportionalen Temperaturkoeffizienten, die aus einem Differenzverstärker mit 2 Transistoren besteht, in deren miteinander verbundene Emitter ein konstanter Strom eingespeist wird und deren beide Kollektoren auf einen Stromspiegel als Phasenaddierer arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegel einen Spiegelungsfaktor verschieden von 1, zweckmäßigerv/eise 3, aufweist, daß mit dem Ausgang der phasenaddierenden Schaltung die Basis eines Transistors (T/0 in Kollektorschaltung verbunden ist, daß der Emitter dieses Transistors über einen Widerstand (&,) mit der Basis des einen Transistors (T.) des Differenzverstärkers verbunden ist, dessen Kollektor den Ausgang der phasenaddierenden Schaltung bildet, daß die Basen der Transistoren (T., T_) des Differenzverstärkers über einen Widerstand (R ) miteinander verbunden sind und daß die Basis des anderen Transistors (T₂) des Differenzverstärkers auf eine Vorspannung (U ) gelegt ist.
2. Integrierbare Referenzspannungsquelle nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand zwischen dem Emitter des Transistors (T,-) in Kollektorschaltung und der Basis des einen Transistors (T ) des Differenzverstärkers zur Erzeugung mehrerer, evtl. verschiedener Referenzspannungen, durch mehrere in Serie geschaltete Widerstände gebildet ist.

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