DD287113A5

DD287113A5 - TEMPERATURE STABLE REFERENCE VOLTAGE SOURCE

Info

Publication number: DD287113A5
Application number: DD33135489A
Authority: DD
Inventors: Ralf-Rainer Schledz; Klaus Barenthin
Original assignee: Veb Halbleiterwerk Frankfurt (Oder),De; Tu Magdeburg "Otto Von Guericke",De
Priority date: 1989-08-01
Filing date: 1989-08-01
Publication date: 1991-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine temperaturstabile Referenzspannungsquelle. Ziel ist die vollstaendige Korrektur der nichtlinearen Temperaturdrift der Bandgap-Referenz. Ein an sich bekanntes Korrekturelement wird mit einem weiteren Transistor, einem Stromspiegel und einem Referenzwiderstand derart beschaltet, dasz das Stromdichteverhaeltnis im Korrekturelement proportional zur Temperatur ist.{Referenzspannungsquelle, temperaturstabile; Temperaturdrift; Bandgap-Referenz; Korrekturelement; Stromdichteverhaeltnis}The invention relates to a temperature-stable reference voltage source. The goal is the complete correction of the nonlinear temperature drift of the bandgap reference. A per se known correction element is connected to a further transistor, a current mirror and a reference resistor, so that the current density ratio in the correction element is proportional to the temperature {reference voltage source, temperature-stable; Temperature drift; Bandgap reference; Correction element; Stromdichteverhaeltnis}

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine temperaturstabile Referenzspannungsquelle, bei der die nichtlineare Temperaturdrift der Bandgap· Refeicnz vollständig korrigiert ist, die als universelle Präzisionsreferenz sowie als Systemreferenz in hochauflösenden Digital-Analogund Analog-Digital-Wandlersvstnmen einsetzbar ist.The invention relates to a temperature-stable reference voltage source in which the nonlinear temperature drift of the bandgap reflection is completely corrected, which can be used as a universal precision reference and as a system reference in high-resolution digital-analogue and analog-digital converter systems.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Es sind Schaltungsanordnungen zur vollständigen Korrektur der nichtlinearen Temperaturdrift der Bandgap-Referenz bekannt, bei denen als Korrekturelement zwei pn-Übergänge benutzt werden, deren Stromdichteverhältnis proportional zur absoluten Temperatur ist {/1/ G.C. Meijer, P.C. Schmale, K. v. Zalinge: .A New Curvature-Corrected Bandgap Referenze", IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-17, No.6, Dec. 1982; /2/ DD-WP 226098).Circuit arrangements for completely correcting the non-linear temperature drift of the bandgap reference are known in which two pn junctions whose current density ratio is proportional to the absolute temperature are used as the correction element {/ 1 / G.C. Meijer, P.C. Schmale, K. v. Zalinge: "A New Curvature-Corrected Bandgap References", IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-17, No. 6, Dec. 1982; / 2 / DD-WP 226098).

In/3/ DD-WP 246387 wird ein solches Korrekturelement bestehend aus zwei Transistoren mit gemeinsamem Basisanschluß in Reihe zu den Kollektorwiderständen einer herkömmlichen Bandgap-Referenzspannungsquello angeordnet, so daß im Gegensatz zu/1/ und/2/ eine vollständige Korrektur der nichtlinearen Temperaturdrift auch ohne Verwendung einer zusätzlichen Verstärkeranordnung möglich ist. Dabei kann jedoch die im Korrekturelement erforderliche Temperaturabhäng'nkeit des Stromdicliteverhältnisses nicht unmittelbar mit den im Bandgap-Referenzelement fließenden Strömen erzeugt werden, so daß zusätzliche temperaturabhängige Stromquellen erforderlich sind. In/4/ WP G05F/316950 wird deshalb von der Forderung eines zur absoluten Temperatur p, oportionaJen Stromdichteverhältnisses abgewichen und statt dessen ein zusätzlicher Widerstand parallel zu einem der beiden pn-Übergänge geschaltet. Dieses Korrekturelement approximiert jedoch nur die nichtlineare Temperaturdrift der Bandgap-Referenz. Die Wirkung der Korrektur ist deshalb unvollständig und ihro sinnvolle Anwendung bleibt auf einen relativ kleinen Temperaturbereich beschränkt.In / 3 / DD-WP246387, such a correction element consisting of two common-base-common transistors is arranged in series with the collector resistances of a conventional bandgap reference voltage source, so that in contrast to / 1 / and / 2 / a complete correction of the non-linear temperature drift also without using an additional amplifier arrangement is possible. However, the temperature dependence of the current diclite ratio required in the correction element can not be generated directly with the currents flowing in the bandgap reference element, so that additional temperature-dependent current sources are required. In / 4 / WP G05F / 316950 therefore deviates from the requirement of an absolute temperature p, oportionaJen current density ratio and instead an additional resistor connected in parallel to one of the two pn junctions. However, this correction element approximates only the non-linear temperature drift of the bandgap reference. The effect of the correction is therefore incomplete and its useful application remains limited to a relatively small temperature range.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine in einem großen Temperaturbereich stabile Referenzspannungsquelle zu schaffen, bei welcher die nichtlineare Temperaturdrift der Bandgap-Referenz vollständig korrigiert ist.The object of the invention is to provide a stable in a wide temperature range reference voltage source, in which the non-linear temperature drift of the bandgap reference is completely corrected.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine tomperaturstabile Referenzspannungsquelle zu schaffen, indem in einem Korrekturelement bestehend aus zwei Korrekturtransistoren mit gemeinsamem Basisanschluß ein zur absoluten Temperatur proportionales Stromdichteverhältnis erzeugt wird.The invention has for its object to provide a temperature stable reference voltage source by a proportional to the absolute temperature current density ratio is generated in a correction element consisting of two correction transistors with common base terminal.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der gemeinsame Basisabschluß des Korrekturelementes mit einem Anschluß des Ausgangsspannungsteilers verbunden ist. Der Emitter des Korrekturtransistors, der in dem Zweig des Bandgap-Referenzelementes mit der größeren Stromdichte angeordnet ist, ist mit dem Emitter eines weiteren Transistors vom gleichen Leitfähigkeiiatyp verbunden. Der Kollektor l'os Korrekturtransistors ist mit dem Eingang eines Stromspiegels verbunden. Der Ausgang des Stromspiegels ist mit der Basis des weiteren Transistors und durch einen Referenzwiderstand mit dem Bezugspotential der Referenzspannungsquelle verbunden. Der Kollektor des weiteren Transistors ist mit dem Betriebsspannungsanschluß des Stromspiegels verbunden.According to the invention the object is achieved in that the common Basisabschluß the correction element is connected to a terminal of the output voltage divider. The emitter of the correction transistor, which is arranged in the branch of the bandgap reference element with the greater current density, is connected to the emitter of another transistor of the same conductivity type. The collector l'os correction transistor is connected to the input of a current mirror. The output of the current mirror is connected to the base of the further transistor and by a reference resistor to the reference potential of the reference voltage source. The collector of the further transistor is connected to the operating voltage terminal of the current mirror.

Erfindungsgemäß wird durch diese Schaltungsanordnung der Strom im Korrekturtransistor, der in dem Zweig des Bandgap-Referenzelementes mit der größeren Stromdichte angeordnet ist, so geregelt, daß das Stromdichteverhältnis im Korrekturelement proportional zur absoluten Temperatur ist. Dabei wird von der bekannten Tatsache ausgegangen, daß die Kollektorströme eines gegengekoppelten Bandgap-Refercnzelements bereits proportional zur absoluten Temperatur sind. Am Korrekturelement entsteht eine Flußspannungsdifferenz, die am Bandgap-Referenzelement derart verstärkt wird, daß sie die nichtlineare Temperaturdrift der Bandgsp-Referenz vollständig korrigiert.According to the invention, by this circuit arrangement, the current in the correction transistor, which is arranged in the branch of the bandgap reference element with the larger current density, regulated so that the current density ratio in the correction element is proportional to the absolute temperature. This is based on the known fact that the collector currents of a negative-feedback bandgap reference element are already proportional to the absolute temperature. The correction element produces a flux voltage difference, which is amplified at the bandgap reference element in such a way that it completely corrects the non-linear temperature drift of the bandgsp reference.

Eine geringe Betriebsspannungsabhängigkeit der Referenzspannung wird erreicht, indem der Betriebsspannungsanschluß des Stromspiegels mit dem Ausgang der Referenzspannungsquelle verbunden ist. Ein günstiger Arbeitspunkt des Korrekturelementes liegt vor, wenn das StromrMchteverhältnis bei Zimmertemperatur gleich eins ist. Bei identischen Emitterflächen der Korrekturtransistoren kann dies durch eine Stromsenke bzw. einen Widerstand von gemeinsamen Emitteranschluß des Korrekturtransistors und des weiteren Transistors zum Bezugspotential der Referenzspannungsquelle erreicht werden.A low operating voltage dependence of the reference voltage is achieved by the operating voltage terminal of the current mirror is connected to the output of the reference voltage source. A favorable operating point of the correction element is when the current ratio at room temperature is one. With identical emitter surfaces of the correction transistors, this can be achieved by a current sink or a resistor of common emitter terminal of the correction transistor and the further transistor to the reference potential of the reference voltage source.

Eine geringe Toleranzempfindlichkeit des Arbeitspunktes ist dadurch erreichbar, daß man auch den Strom des weiteren Transistors regelt. Dazu ist der Stromspiegel mit einem zweiten Ausgang zu einer Strombank erweitert. Der Kollektor des weiteren Transistors ist mit dem zweiten Ausgang der Strombank und dem Eingang eines invertierenden Verstärkers verbunden. Der Ausgang des invertierenden Verstärkers ist mit dem gemeinsamen Emitteranschluß des Korrekturtransistors und des weiteren Transistors verbunden.A low tolerance sensitivity of the operating point can be achieved by controlling the current of the further transistor. For this purpose, the current mirror is expanded with a second output to a current bank. The collector of the further transistor is connected to the second output of the current bank and the input of an inverting amplifier. The output of the inverting amplifier is connected to the common emitter terminal of the correction transistor and the further transistor.

If one realizes the current mirror or the current bank as a cascode circuit, then there is a small one

Betriebsspannungsabhängigkeit auch dann erreichbar, wenn der Betriebsspannungsanschluß des Stromspiogels direkt mit den Betriebsspannungsanschluß der Referenzspannungsquelle verbunden ist. Dadurch wird der Ausgangsspannungsbereich der tempsraturstabilen Referenzspannungsquelle zu kleineren Spannungen hin erweitert.Operating voltage dependence also achievable if the operating voltage terminal of the current tracker is connected directly to the operating voltage terminal of the reference voltage source. As a result, the output voltage range of the temperature-stable reference voltage source is widened to smaller voltages.

Ausführungebeispiel

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung soll an drei Ausführungsbeispielen temperaturstabiler Referenzspannungsquellon dargestellt werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele unabhängig von der konkreten Realisierung des Bandgap-Referenzelementes.The circuit arrangement according to the invention is intended to be represented on three exemplary embodiments of temperature-stable reference voltage source. The embodiments are independent of the specific implementation of the bandgap reference element.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Figur 1. Das Bandgap-Referenzelement 1, die beiden Kollektorwiderstände 2, der Operationsverstärker 3 und der Ausgangsspannungsteiler 4 bilden eine Bandgap-Referenzspannungsquelle herkömmlicher Schaltungstechnik. Das Korrekturelement 5 besteht aus zwei Korrekturtransistoren mit gemeinsamem Basisanschluß, die in Reihe zu den beiden Kollektorwiderständen 2 angeordnet sind. Der gemeinsame Basisanschluß ist mit einem Anschluß des Ausgangsspannungsteilers 4 verbunden. Der Emitter des Korrekturtransistors 6, der in dem Zweig des Bandgap-Referenzelementes 1 mit der größeren Stromdichte angeordnet ist, ist mit dem Emitter eines weiteren Transistors 7 vom gleichen Leitfähigkeitstyp verbunden. Der Kollektor des Korrekturtransistors β ist mit dem Eingang eines Stromspiegels 8 verbunden. Der Ausgang des Siromsplegelo 8 ist mit der Basis des weiteren Transistors 7 und durch einen Referenzwiderstand 9 mit dem Bezugspotential 10 der Referenzspannungsquelle verbunden. Der Betriebsspannungsanschluß des Stromspiegelf/ 8 und die Kollektoranschlüsse des weiteren Transistors 7 und des Korrekturtransistors, der in dem Zweig des Bandgap-Referenzelementes mit der niedrigeren Stromdichte angeordnet ist, sind mit dem Ausgang 11 der Referanzspannungsquelle verbunden. Dadurch wird eine geringe Betriebsspannungsabhängigkeit erreicht. Ein Widerstand 12 vom gemeinsamen Emitteranschluß des Korrekturtransistors 6 und des weiteren Transistors 7 zum Bezugspotential 10 der Referenzsoannungsquelle wirkt als Stromsenke und ermöglicht einen günstigen Arbeitspunkt des Korrekturelemontes. Bereits mit diese·- einfachen Anordnung gelingt es, im Korrekturelement 5 ein zur absoluten Temperatur proportionales Stromdichtevei hältnis zu erzeugen. Dabei realisiert der weitere Transistor 7 drei grundlegende Funktionen: einen Vergleich der Spannung am gemeinsamen Basisanschluß des Korrekturelementes 5 mit dem Spannungsabfall am Referenzwiderstand 9, einen Vergleich des Stromes durch den Referenzwiderstand 9 mit dem Ausgangsstrom des Stromspiegels 8 und die Regelung des Kollektorstromes des Korrekturtransistors 6 auf einen dimensionierungsabhängigen konstanten Betrag. Dazu wird die temperaturproportionale Änderung des Kollektorstromes des Bandgap-Referenzelementes 1 durch den Emitterstrom des weiteren Transistor 7 ausgeregelt.A first exemplary embodiment of the invention is shown in FIG. 1. The bandgap reference element 1, the two collector resistors 2, the operational amplifier 3 and the output voltage divider 4 form a bandgap reference voltage source of conventional circuit technology. The correction element 5 consists of two common-base common correction transistors arranged in series with the two collector resistors 2. The common base terminal is connected to a terminal of the output voltage divider 4. The emitter of the correction transistor 6, which is arranged in the branch of the bandgap reference element 1 with the greater current density, is connected to the emitter of another transistor 7 of the same conductivity type. The collector of the correction transistor β is connected to the input of a current mirror 8. The output of the Siromsplegelo 8 is connected to the base of the further transistor 7 and through a reference resistor 9 to the reference potential 10 of the reference voltage source. The operating voltage terminal of the current mirror f / 8 and the collector terminals of the further transistor 7 and the correction transistor, which is arranged in the branch of the bandgap reference element with the lower current density, are connected to the output 11 of the reference voltage source. As a result, a low operating voltage dependence is achieved. A resistor 12 from the common emitter terminal of the correction transistor 6 and the further transistor 7 to the reference potential 10 of Referenzsoannungsquelle acts as a current sink and allows a favorable operating point of the Korrekturelemontes. Already with this · - simple arrangement, it is possible to produce a proportional to the absolute temperature Stromdichtevei ratio in the correction element 5. In this case, the further transistor 7 realizes three basic functions: a comparison of the voltage at the common base terminal of the correction element 5 with the voltage drop across the reference resistor 9, a comparison of the current through the reference resistor 9 with the output current of the current mirror 8 and the regulation of the collector current of the correction transistor 6 a dimensioning dependent constant amount. For this purpose, the temperature-proportional change of the collector current of the bandgap reference element 1 is compensated by the emitter current of the further transistor 7.

Ein zweites Ausführungsbelcpiel der Erfindung zeigt Figur 2. Der Stromepiegel 8 ist mit einem zweiten Ausgang zu einer Strombank erweitert. Der Kollektor des weiteren Transistors 7 ist mit dem zweiten Ausgang der Strombank und dem Eingang ehes invertierenden Stromverstärkers 13 verbunden. Der Ausgang des invertierenden Stromverstärkers 13 ist mit dem gemeinsamen Emitteranschluß des Korrekturtransistors β und des weiteren Transistors 7 verbunden. Dadurch wird auch der Strom des weiteren Transistors 7 geregelt und man erreicht so eine geringe Toleranzempfindlichkeit der Korrekturspannung. Eine zusätzliche Stromsenke ist überflüssig, wenn der invertierende Stromverstärker 13 sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke arbeiten kann.A second Ausführungsbelcpiel the invention is shown in FIG 2. The current mirror 8 is extended with a second output to a current bank. The collector of the further transistor 7 is connected to the second output of the current bank and the input ehe inverting current amplifier 13. The output of the inverting current amplifier 13 is connected to the common emitter terminal of the correction transistor β and the further transistor 7. As a result, the current of the further transistor 7 is controlled and thus achieves a low tolerance sensitivity of the correction voltage. An additional current sink is unnecessary if the inverting current amplifier 13 can operate both as a current source and as a current sink.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Figur 3. Dabei ist der Setriebsspannungsanschluß des Stromspiegels 8 statt mit dem Ausgang 11 der Referenzspannungsquelle mit ihrem Betriebsspannungsanschluß 14 verbunden ist. Dadurch wird der Ausgangsspannungsbereich der temperaturstabilen Referenzspannungsquelle zu kleineren Spannungen erweitert. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Stromspiegel 8 mit einem zweiten Ausgang zur Strombank erweitert. Um trotzdem eine geringe Betriebsspannungsabhängigkeit zu erreichen, ist die Strombank als Kaskodeschaltung ausgeführt. Das ermöglicht außerdem eine einfache Frequenzgangkompensation mittels eines relativ kleinen Kompensationskondensators 15, um die dynamische Stabilität der Korrekturschaltung zu sichern. Der invertierende Verstärker 13 ist als pnp-Transistor in Emitterschaltung ausgeführt, der durch einen Emitterwiderstand mit dem Betriebsspannungsanschluß 14 der Referenzspannungsquelle verbunden ist. Die Stromgegenkopplung mittels Emitterwiderstand unterstützt ebenfalls eine einfache Frequenzgangkompensation. Der Kollektor des Korrekturtransistors, der in dem Zweig des Bandgap-Referenzelementes mit der niedrigeren Stromdichte angeordnet ist, ist durch zwei in Reihe geschaltete Dioden mit dem Betriobsspannungsanschluß 14 der Referenzspannungsquelle verbunden. Dadurch stellen -. . <m Korrekturelement annähernd gleiche Kollektorpotentiale ein.FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of the invention. The operating voltage terminal of the current mirror 8 is connected to its operating voltage terminal 14 instead of the output 11 of the reference voltage source. As a result, the output voltage range of the temperature-stable reference voltage source is extended to lower voltages. Also in this embodiment, the current mirror 8 is extended with a second output to the current bank. In order nevertheless to achieve a low operating voltage dependence, the current bank is designed as a cascode circuit. This also allows easy frequency response compensation by means of a relatively small compensation capacitor 15 to ensure the dynamic stability of the correction circuit. The inverting amplifier 13 is implemented as a pnp transistor in an emitter circuit, which is connected by an emitter resistor to the operating voltage terminal 14 of the reference voltage source. The current negative feedback by means of emitter resistor also supports a simple frequency response compensation. The collector of the correction transistor, which is arranged in the branch of the bandgap reference element with the lower current density, is connected by two series-connected diodes to the Betriobsspannungsanschluß 14 of the reference voltage source. Thus put -. , <m correction element approximately the same collector potentials.

Claims

A temperature stable reference voltage source consisting of a bandgap reference element with two collector resistors, which is back-coupled with an operational amplifier and an output voltage divider, wherein a correction element ₍ consisting of two correction transistors with common base terminal connected in series with the collector resistors, characterized in that the common base terminal I of the correction element (5) is connected to a terminal of the output voltage divider (4), that the emitter of the correction transistor (6), which is arranged in the branch of the bandgap reference element (1) with the greater current density, with the emitter of a further transistor (7) of the same conductivity type is connected, that the collector of the correction transistor (6) is connected to the input of a current mirror (8) whose output is connected to the base by a reference resistor (9) to the reference potential (10) of the reference voltage source U.N d that the collector of the further transistor (7) is connected to the operating voltage terminal of the current mirror (8).

2. Temperature-stable reference voltage source according to item 1, characterized in that the operating voltage terminal of the current mirror (8) to the output (11) of the reference voltage source is connected.

3. Temperature-stable reference voltage source according to item 1, characterized in that a current sink is connected to the common emitter terminal of the correction transistor (6) and the further transistor (7).

4. Temperaturstabiie reference voltage source according to item 1 and item 3, characterized in that this current sink consists of a resistor (12), with its other connection to the Bezugspotentia! (10) of the reference voltage source is connected.

5. Temperature-stable reference voltage source according to item 1, characterized in that the current mirror (8) is extended with a second output to the current bank, wherein the collector of the further transistor (7) to the second output and the input of an inverting amplifier (13) is connected in that the common emitter terminal of the correction transistor (6) and the further transistor (7) is connected to the output of the inverting amplifier (13).

6. Temperature-stable reference voltage source according to item 1 and item 5, characterized in that the current mirror (8) is designed as Kaskodeschaltung and the inverting amplifier (13) as a transistor in emitter circuit, which is connected by an emitter resistor to the operating voltage terminal of the current mirror (8) ,