DE10102129A1

DE10102129A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Referenzspannung

Info

Publication number: DE10102129A1
Application number: DE10102129A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reithmaier; Gerhard Thiele
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2001-01-18
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2002-08-14
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: JP2002323929A; EP1231528A2; US6603295B2; DE60234397D1; US20020121888A1; EP1231528B1; EP1231528A3; DE10102129B4

Abstract

Die Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Referenzspannung (V¶ref¶) enthält eine Referenzspannungsquelle (12) und einen Speicherkondensator (C2), an den die von der Referenzspannungsquelle (12) abgegebene Spannung über einen steuerbaren Schalter (P1) anlegbar ist. Die Ladespannung dieses Speicherkondensators (C1) ist die zu erzeugende Referenzspannung. Der steuerbare Schalter (P1) ist ein MOS-Feldeffekttransistor mit Backgate (24), der durch ein von einer Steuerschaltung (22) abgegebenes Auffrischsignal periodisch in einen leitenden und einen nichtleitenden Zustand versetzbar ist. Das Backgate (24) des MOS-Feldeffekttransistors (P1) ist mit einem Hilfs-Speicherkondesnator (C2) verbunden, an den über einen weiteren, von einem MOS-Feldeffekttransistor (P2) mit Backgate (26) gebildeten, ebenfalls von dem Auffrischsignal gesteuerten Schalter die von der Referenzspannungsquelle (12) abgegebene Spannung anlegbar ist. Das Backgate (26) des weiteren MOS-Feldeffekttransistors (P2) ist an eine feste Spannung gelegt, die größer als die von der Referenzspannungsquelle (12) abgegebene Spannung ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Referenzspannung mit einer Referenzspan nungsquelle und einem Speicherkondensator, an den die von der Referenzspannungsquelle abgegebene Spannung über einen steuerbaren Schalter anlegbar ist und dessen Ladespannung die zu erzeugende Referenzspannung ist, wobei der steuerbare Schalter ein MOS-Feldeffekttransistor mit Backgate ist, der durch ein von einer Steuerschaltung abgegebenes Auffrisch signal periodisch in einen leitenden und einen nichtleiten den Zustand versetzbar ist.

Aus dem Applikationsreport SLVA 091 der Firma Texas Instruments ist eine Schaltungsanordnung bekannt, mit der die Versorgungsspannung digitaler Systeme überwacht werden kann. Diese Schaltungsanordnung enthält einen Schaltungs teil, der die für die Überwachung notwendige Referenzspan nung erzeugt. In dem Bestreben, die Überwachungsschaltung so stromsparend wie möglich auszugestalten, wird in dem Schaltungsteil zur Referenzspannungserzeugung das sogenannte sample-and-hold-Prinzip angewendet. Dies bedeutet, daß die Referenzspannungsquelle nicht ständig arbeitet, sondern lediglich periodisch für jeweils kurze Zeitabschnitte einge schaltet wird. Damit die benötigte Referenzspannung trotzdem kontinuierlich zur Verfügung steht, wird sie in einem Kon densator gespeichert, der über einen Schalter jeweils in den Zeitperioden, in denen die Referenzspannungsquelle einge schaltet ist, geschlossen wird. Die Ladespannung des Konden sators wird als die benötigte Referenzspannung benutzt. Der zwischen der Referenzspannungsquelle und dem Kondensator liegende Schalter wird von einem MOS-Feldeffekttransistor gebildet, der einen gewissen Leckstrom aufweist, der zur Entladung des Kondensators und damit zu einem Absinken der gespeicherten Referenzspannung führt. Der Leckstrom bestimmt daher die zeitlichen Abstände, nach denen die Referenzspan nungsquelle immer wieder in Betrieb gesetzt werden muß. In der bekannten Schaltungsanordnung sind keine besonderen Maß nahmen getroffen, den Leckstrom des als Schalter zwischen der Referenzspannungsquelle und dem Kondensator verwendeten MOS-Feldeffekttransistors zu reduzieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs anordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die die Referenzspannung kontinuierlich mit hoher Genauigkeit lie fert und deren Stromverbrauch sehr gering gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Backgate des MOS-Feldeffekttransistors mit einem Hilfs- Speicherkondensator verbunden ist, an den über einen weiter en, von einem MOS-Feldeffekttransistor mit Backgate gebilde ten, ebenfalls von dem Auffrischsignal gesteuerten Schalter die von der Referenzspannungsquelle abgegebene Spannung anlegbar ist, wobei das Backgate des weiteren MOS-Feld effekttransistors an eine feste Spannung gelegt ist, die größer als die von der Referenzspannungsquelle abgegebene Spannung ist.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird der Leck strom des Schalters zwischen der Referenzspannungsquelle und dem Speicherkondensator auf einen sehr niedrigen Wert herab gesetzt, indem das Backgate des diesen Schalter bildenden MOS-Feldeffekttransistors praktisch auf die gleiche Spannung gelegt wird, die von der Referenzspannungsquelle abgegeben wird und die auch am Speicherkondensator anliegt. Aufgrund des Fehlens einer nennenswerten Spannungsdifferenz zwischen dem Backgate und dem mit dem Speicherkondensator verbundenen Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors kann kein Leckstrom mehr über das Backgate abfließen. Da dadurch die Ladespan nung am Speicherkondensator sehr lange erhalten bleibt, können die Zeitabstände, nach denen die Referenzspannungs quelle jeweils wieder eingeschaltet werden muß, sehr groß gewählt werden, was zu einem entsprechend reduzierten Strom verbrauch der Schaltungsanordnung führt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der erfin dungsgemäßen Schaltungsanordnung, und

Fig. 2 ein erläuterndes Signaldiagramm.

Die Schaltungsanordnung 10 enthält eine Referenzspannungs quelle 12, die nach dem bekannten Bandgap-Prinzip arbeitet und an ihrem Ausgang 14 eine hochkonstante Spannung abgibt. Die Versorgungsspannung V_DD wird der Referenzspannungsquelle 12 am Anschluß 16 zugeführt, und Masse wird an den Anschluß 18 über einen Schalter S1 angelegt, der in einer noch zu beschreibenden Weise periodisch geschlossen und wieder geöffnet wird.

Die von der Referenzspannungsquelle 12 abgegebene Spannung wird über einen als Schalter wirkenden MOS-Feldeffekttran sistor P1 einem Ausgang 20 zugeführt, der auch mit einem Speicherkondensator C1 verbunden ist. Die Ladespannung des Kondensators C1 bildet jeweils die am Ausgang 20 zur Verfü gung gestellte Referenzspannung V_ref. Im beschriebenen Bei spiel ist der MOS-Feldeffekttransistor P1 ein PMOS-Feld effekttransistor.

Der MOS-Feldeffekttransistor P1 wird mittels eines von einer Steuerschaltung 22 abgegebenen Auffrischsignals periodisch in den leitenden und nichtleitenden Zustand versetzt. Die Steuerschaltung 22 liefert gleichzeitig auch ein Steuersi gnal zur Steuerung des Schalters S1, sowie eines eines weiteren, noch zu erläuternden Schalters S2.

Wie Fig. 1 zeigt, ist das Backgate 24 des MOS-Feldeffekt transistors P1 über die Source-Drain-Strecke eines weiteren MOS-Feldeffekttransistors P2 mit dem Ausgang 14 der Refe renzspannungsquelle 12 verbunden. Dieser ebenfalls als Schalter wirkende MOS-Feldeffekttransistor P2 wird ebenfalls vom Auffrischsignal gesteuert, das von der Steuerschaltung 22 erzeugt wird. Auch der MOS-Feldeffekttransistor P2 ist ein PMOS-Feldeffekttransistor. Mit dem Backgate 24 des MOS- Feldeffekttransistors P1 ist ein Hilfskondensator C2 verbun den, der immer dann, wenn der MOS-Feldeffekttransistor P2 leitend ist, auf die von der Referenzspannungsquelle 12 am Ausgang 14 abgegebene Spannung aufgeladen wird.

Das Backgate des MOS-Feldeffekttransistors P2 ist mit den miteinander verbundenen Basis- und Emitter-Anschlüssen eines bipolaren Transistors T1 verbunden, dessen Emitter über den Schalter S2 an Masse gelegt werden kann. Ferner ist das Backgate 26 mit einer Stromquelle 28 verbunden, die ihrer seits an die Versorgungsspannung V_DD gelegt ist. Der Transi stor T1 wirkt als Diode, so daß bei geschlossenem Schalter S2 am Backgate 26 des MOS-Feldeffekttransistors P2 die Basis-Emitter-Spannung VBE dieses Transistors T1 anliegt.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt:
Zur Aktivierung der Referenzspannungsquelle 12 gibt die Steuerschaltung 22 an ihrem Ausgang 30 ein Steuersignal ab, das zur Folge hat, daß der Schalter S1 geschlossen wird. Das gleiche Steuersignal bewirkt auch das Schließen des Schalters S2, so daß vom Versorgungsspannungsanschluß über die Stromquelle 28 und den als Diode geschalteten bipolaren Transistor T1 Strom fließt, der am Backgate 26 des MOS- Feldeffekttransistors P2 eine Spannung anlegt, die der üblichen Durchlaßspannung einer Diode entspricht. Im Diagramm von Fig. 2 ist bei A der zeitliche Verlauf des Steuersignals zu erkennen, wobei die Schalter S1 und S2 immer dann geschlossen werden, wenn dieses Signal den Wert H hat, während die Schalter geöffnet werden, wenn das Signal den Wert L hat.

Da die Referenzspannungsquelle 12 eine gewisse Zeitperiode benötigt, bis sie an ihrem Ausgang 14 die genaue Spannung abgibt, wird der MOS-Feldeffekttransistor P1 durch das am Ausgang 32 der Steuerschaltung 22 abgegebene Steuersignal erst um eine kurze Zeitperiode gegenüber der Aktivierung der Referenzspannungsquelle 12 verzögert in den leitenden Zustand versetzt, so daß die vom Ausgang 14 abgegebene Span nung dann den Speicherkondensator C1 aufladen kann, wobei dessen Ladespannung am Ausgang 20 als die gewünschte Refe renzspannung V_ref zur Verfügung steht.

Fig. 2 zeigt bei B das am Ausgang 32 der Steuerschaltung 22 abgegebene Steuersignal, wobei zu erkennen ist, daß dieses Steuersignal um die Zeitperiode Δt gegenüber dem bei A dargestellten Steuersignal den Signalwert L annimmt, der den leitenden Zustand des MOS-Feldeffekttransistors P1 zur Folge hat.

Das vom Ausgang 32 der Steuerschaltung 22 abgegebene Steuer signal wird auch an dem Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors P2 angelegt, so daß auch dieser Transistor gleichzeitig mit dem MOS-Feldeffekt-Transistor P1 in den leitenden Zustand übergeht. Dies hat zur Folge, daß das Backgate 24 an die vom Ausgang 14 der Referenzspannungs quelle 12 abgegebene Spannung gelegt wird. Somit liegt sowohl am Backgate 24 als auch an dem mit dem Ausgang 20 verbundenen Drain-Anschluß des MOS-Feldeffekttransistors P1 die gleiche Spannung.

Das Backgate des MOS-Feldeffekttransistors P2 kann an die Versorgungsspannung V_DD gelegt werden, doch liegt es im bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 an einer Span nung, die einer Dioden-Durchlaß-Spannung entspricht, also einer Spannung, die kleiner als die Versorgungsspannung V_DD ist. Es sollte aber stets dafür gesorgt sein, daß an diesem Backgate 26 eine Spannung liegt, die größer als die von der Referenzspannungsquelle 12 am Ausgang 14 abgegebene Spannung ist. Dadurch wird dafür gesorgt, daß der MOS-Feldeffekt transistor P2 im leitenden Zustand einen sehr niedrigen Widerstand hat. Der mit dem Backgate 24 verbundene Hilfskon densator C2 speichert diese Spannung, so daß diese Spannung auch dann erhalten bleibt, wenn die MOS-Feldeffekttransi storen P1 und P2 durch das Steuersignal am Ausgang 32 der Steuerschaltung 22 wieder in den gesperrten Zustand versetzt werden und die Schalter S1 und S2 durch das am Ausgang 30 der Steuerschaltung 22 abgegebene Signal geöffnet werden.

An den beiden Kondensatoren C1 und C2 liegt nun eine Lade spannung, deren Wert gleich dem Wert der Referenzspannung V_ref ist, so daß über das Backgate 24 des MOS-Feldeffekt transistors P1 nur ein vernachlässigbar geringer Leckstrom abfließen kann. Die Ladespannung am Speicherkondensator C1 bleibt daher sehr lange erhalten, so daß die zeitlichen Ab stände der Aktivierung der Referenzspannungsquelle 12 und der damit verbundenen Auffrischung der Ladespannung am Speicherkondensator C1 relativ lang gemacht werden können. Da die Schaltungsanordnung nur im aktiven Zustand der Refe renzspannungsquelle 12 Strom verbraucht, wird der gesamte Stromverbrauch der Schaltungsanordnung auf einem sehr nie drigen Wert gehalten.

Am MOS-Feldeffekttransistor P2 liegt zwar nicht der Ideal fall vor, bei dem am Backgate 26 und an dem mit dem Backgate 24 verbundenen Drain-Anschluß die gleiche Spannung liegt. Die Differenz der Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 bleibt jedoch gering in einem Bereich von wenigen mV. Die Ladespannung am Hilfskondensator C2 ändert sich nur wenig, so daß die den Leckstrom verhindernden Spannungsverhältnisse am MOS-Feldeffekttransistor P1 über einen relativ langen Zeitraum erhalten bleiben.

Die beschriebene Schaltungsanordnung ist aufgrund des geschilderten Verhaltens überall dort vorteilhaft einsetz bar, wo eine hochkonstante Referenzspannung benötigt wird und dennoch ein sehr niedriger Stromverbrauch erreicht werden muß.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Referenzspannung mit einer Referenzspannungsquelle und einem Speicherkonden sator, an den die von der Referenzspannungsquelle abgegebene Spannung über einen steuerbaren Schalter anlegbar ist und dessen Ladespannung die zu erzeugende Referenzspannung ist, wobei der steuerbare Schalter ein MOS-Feldeffekttransistor mit Backgate ist, der durch ein von einer Steuerschaltung abgegebenes Auffrischsignal periodisch in einen leitenden und einen nichtleitenden Zustand versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Backgate (24) des MOS-Feldeffekt transistors (P1) mit einem Hilfs-Speicherkondensator (C2) verbunden ist, an den über einen weiteren, von einem MOS- Feldeffekttransistor (P2) mit Backgate (26) gebildeten, ebenfalls von dem Auffrischsignal gesteuerten Schalter die von der Referenzspannungsquelle (12) abgegebene Spannung anlegbar ist, wobei das Backgate (26) des weiteren MOS- Feldeffekttransistors (P2) an eine feste Spannung gelegt ist, die größer als die von der Referenzspannungsquelle (12) abgegebene Spannung ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die feste Spannung die Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung (V_DD) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die feste Spannung die Basis-Emitter-Spannung eines als Diode geschalteten bipolaren Transistors (T1) ist, des sen verbundene Gate- und Emitter-Anschlüsse mit dem Backgate (26) des weiteren MOS-Feldeffekttransistors (P2) und über eine Stromquelle (28) mit der Versorgungsspannung (V_DD) der Schaltungsanordnung (10) in Verbindung stehen, während der Emitter-Anschluß über einen Schalter (S2) an Masse anlegbar ist, der immer dann geschlossen ist, wenn sich der weitere MOS-Feldeffekttransistor (P2) im leitenden Zustand befindet.