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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung
einer Referenzspannung mit einer Referenzspannungsquelle 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
Auffrischsignal periodisch in einen leitenden und einen nichtleitenden
Zustand versetzbar ist.
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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 Schaltungsteil, der
die für
die Überwachung
notwendige Referenzspannung erzeugt. In dem Bestreben, die Überwachungsschaltung
so stromsparend wie möglich
auszugestalten, wird in dem Schal tungsteil zur Referenzspannungserzeugung
das sogenannte sample-and-hold-Prinzip
angewendet. Dies bedeutet, daß die
Referenzspannungsquelle nicht ständig
arbeitet, sondern lediglich periodisch für jeweils kurze Zeitabschnitte
eingeschaltet wird. Damit die benötigte Referenzspannung trotzdem
kontinuierlich zur Verfügung steht,
wird sie in einem Kondensator gespeichert, der über einen Schalter jeweils
in den Zeitperioden, in denen die Referenzspannungsquelle eingeschaltet ist,
angeschlossen wird. Die Ladespannung des Kondensators 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 Referenzspannungsquelle
immer wieder in Betrieb gesetzt werden muß. In der bekannten Schaltungsanordnung
sind keine besonderen Maßnahmen getroffen,
den Leckstrom des als Schalter zwischen der Referenzspannungsquelle
und dem Kondensator verwendeten MOS-Feldeffekttransistors zu reduzieren.
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US 5,384,740 offenbart eine
Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Referenzspannung. Diese
Schaltungsanordnung umfaßt
eine Konstantspannungsquelle, die eine Stromquelle und eine Strom-/Spannungwandlerschaltung
beinhaltet. Die Konstantspannungsquelle benötigt einen relativ hohen Strom
zur Erzeugung einer präzisen
Referenzspannung. Zur Verringerung des Leistungsbedarfs wird periodisch
ein Kondensator mit dieser Referenzspannung geladen. Der Kondensator
stellt die Referenzspannung auch dann zur Verfügung, wenn die Konstantspannungsquelle
abgeschaltet ist. Die Entladung des Kondensators über Leckströme bestimmt die
Zeitspanne, nach der eine erneute Aufladung des Kondensators erfolgen
muß.
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US 4,075,623 offenbart ebenfalls
eine Schaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung. Hierbei dient
der Spannungsabfall an einer Zenerdiode als Referenzspannung. Um
den Leistungsverbrauch zu verringern, wird eine Serienschaltung
aus einem Kondensator und einer Diode in Vorwärtsrichtung der Zenerdiode
parallel geschaltet. Der Kondensator wird auf die Referenzspannung
aufgeladen und dient als Ladungsspeicher. Daher kann die Spannungsversorgung
der Zenerdiode unterbrochen werden, wobei die Referenzspannung am
Kondensator erhalten bleibt. In einer weiteren Ausführungsform
wird die Diode durch einen Schalttransistor ersetzt, der synchron
mit dem Transistor geschaltet wird, der die Spannungsversorgung
der Zenerdiode an und ausschaltet. Die Aufladung des Kondensators
muß aufgrund
von Entladeeffekten regelmäßig wiederholt werden.
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US 5,422,583 zeigt eine
sample-and-hold Schaltung bei der das Backgate eines MOS-FET-Transistors, über den
ein Kondensator geladen wird, mit der Source bzw. der Drain von
zwei weiteren MOS-FET-Transistoren verbunden ist. Damit wird die
Backgate-Spannung so beeinflußt,
daß während des
Sampling- bzw. Ladevorganges
der MOS-FET-Transistor einen möglichst
geringen Widerstand darstellt, während
er während
des Hold-Vorganges, in dem der Kondensator geladen bleibt, einen
möglichst
hohen Widerstand darstellt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der
eingangs angegebenen An zu schaffen, die die Referenzspannung kontinuierlich
mit hoher Genauigkeit liefert und deren Stromverbrauch sehr gering
gehalten werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
daß das
Backgate des MOS-Feldeffekttransistors mit einem Hilfs-Speicherkondensator
verbunden ist, an den über
einen weiteren, von einem MOS-Feldeffekttransistor mit Backgate
gebildeten, ebenfalls von dem Auffrischsignal gesteuerten Schalter
die von der Referenzspannungsquelle abgegebene Spannung anlegbar
ist, wobei das Backgate des weiteren MOS-Feldeffekttransistors an
eine feste Spannung gelegt ist, die größer als die von der Referenzspannungsquelle
abgegebene Spannung ist.
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In
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
wird der Leckstrom des Schalters zwischen der Referenzspannungsquelle
und dem Speicherkondensator auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt, 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 Ladespannung am Speicherkondensator sehr lange erhalten
bleibt, können die
Zeitabstände,
nach denen die Referenzspannungsquelle jeweils wieder eingeschaltet
werden muß,
sehr groß gewählt werden,
was zu einem entsprechend reduzierten Stromverbrauch der Schaltungsanordnung
führt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber
erläutert.
Darin zeigen:
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1 ein
schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, und
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2 ein
erläuterndes
Signaldiagramm.
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Die
Schaltungsanordnung 10 enthält eine Referenzspannungsquelle 12,
die nach dem bekannten Bandgap-Prinzip arbeitet und an ihrem Ausgang 14 eine
hochkonstante Spannung abgibt. Die Versorgungsspannung VDD 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.
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Die
von der Referenzspannungsquelle 12 abgegebene Spannung
wird über
einen als Schalter wirkenden MOS-Feldeffekttransistor 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
Verfügung
gestellte Referenzspannung Vref. Im beschriebenen
Beispiel ist der MOS-Feldeffekttransistor P1 ein PMOS-Feldeffekttransistor.
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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 Steuersignal
zur Steuerung des Schalters S1, sowie eines weiteren, noch zu erläuternden
Schalters S2.
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Wie 1 zeigt,
ist das Backgate 24 des MOS-Feldeffekttransistors P1 über die
Source-Drain-Strecke eines weiteren MOS-Feldeffekttransistors P2
mit dem Ausgang 14 der Referenzspannungsquelle 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 verbunden, der immer dann, wenn der MOS-Feldeffekttransistor
P2 leitend ist, auf die von der Referenzspannungsquelle 12 am Ausgang 14 abgegebene
Spannung aufgeladen wird.
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Das
Backgate des MOS-Feldeffekttransistors P2 ist mit den miteinander
verbundenen Basis- und Kollektor-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 ihrerseits an die Versorgungsspannung
VDD gelegt ist. Der Transistor 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.
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Die
in 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 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.
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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
Spannung dann den Speicherkondensator C1 aufladen kann, wobei dessen Ladespannung
am Ausgang 20 als die gewünschte Referenzspannung Vref zur Verfügung steht.
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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.
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Das
vom Ausgang 32 der Steuerschaltung 22 abgegebene
Steuersignal wird auch an dem Gate-Anschluß des MOS-Feldeffekt transistors
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 Referenzspannungsquelle 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.
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Das
Backgate des MOS-Feldeffekttransistors P2 kann an die Versorgungsspannung
VDD gelegt werden, doch liegt es im bevorzugten
Ausführungsbeispiel
gemäß 1 an
einer Spannung, die einer Dioden-Durchlaß-Spannung entspricht, also
einer Spannung, die kleiner als die Versorgungsspannung VDD 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-Feldeffekttransistor P2 im leitenden Zustand einen sehr niedrigen
Widerstand hat. Der mit dem Backgate 24 verbundene Hilfskondensator
C2 speichert diese Spannung, so daß diese Spannung auch dann
erhalten bleibt, wenn die MOS-Feldeffekttransistoren 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.
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An
den beiden Kondensatoren C1 und C2 liegt nun eine Ladespannung,
deren Wert gleich dem Wert der Referenzspannung Vref ist,
so daß über das Backgate 24 des
MOS-Feldeffekttransistors P1 nur ein vernachlässigbar geringer Leckstrom
abfließen kann.
Die Ladespannung am Speicherkondensator C1 bleibt daher sehr lange
erhalten, so daß die
zeitlichen Abstände
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 Referenzspannungsquelle 12 Strom
verbraucht, wird der gesamte Stromverbrauch der Schaltungsanordnung
auf einem sehr niedrigen Wert gehalten.
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Am
MOS-Feldeffekttransistor P2 liegt zwar nicht der Idealfall 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.
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Die
beschriebene Schaltungsanordnung ist aufgrund des geschilderten
Verhaltens überall
dort vorteilhaft einsetzbar, wo eine hochkonstante Referenzspannung
benötigt
wird und dennoch ein sehr niedriger Stromverbrauch erreicht werden
muß.