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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung mit einem ersten bipolaren Transistor und einem zweiten
bipolaren Transistor, einem ersten Widerstand, der so geschaltet ist, daß daran eine
Spannung abfällt, die der Differenz der jeweiligen Basis-Emitter-Spannungen der
beiden bipolaren Transistoren entspricht, und der im Kollektorstrompfad des
zweiten Transistors liegt, und einem zweiten Widerstand, der im
Kollektorstrompfad beider Transistoren liegt, wobei die Schaltung so ausgebildet ist, daß
der erste Transistor mit einer anderen Stromdichte als der zweite Transistor
betrieben werden kann und darüber hinaus ein Steuermittel vorhanden ist, dessen
Eingänge mit den Kollektoren der Transistoren verbunden sind und das die
Kollektorströme der Transistoren vergleichen und an einem mit den Basen der
Transistoren verbundenen Steuerausgang ein Signal abgeben kann, mit dem die
Basen der Transistoren so gesteuert werden können, daß ein vorherbestimmtes
Verhältnis zwischen den Kollektorströmen der Transistoren eingestellt wird.
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Derartige Bandabstandreferenzspannungserzeugungsschaltungen, die dazu
dienen, eine weitgehend temperaturunabhängige Referenzspannung bei
(insbesondere im Vergleich zu Zener-Dioden) relativ geringer Versorgungsspannung zu
erzeugen, beruhen auf der Tatsache, daß mit steigender Temperatur die Basis-
Emitter-Spannung eines bipolaren Transistors fällt, während die Differenz der
Basis-Emitter-Spannungen zweier bipolarer Transistoren, deren Stromdichten in
einem festen vorherbestimmten Verhältnis zueinander stehen, mit steigender
Temperatur ansteigt. Entspricht die Summe dieser beiden in entgegengesetzter
Richtung von der Temperatur abhängigen Spannungen dem Bandabstand des
Halbleiters, bei Silizium z. B. in etwa 1,205 Volt, so stellt sie eine weitgehend
temperaturunabhängige Referenzspannung dar. Daher werden diese Schaltungen
auch kurz als Bandabstandsreferenzen bezeichnet.
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Eine eingangs genannte Bandabstandreferenzspannungserzeugungsschaltung
ist z. B. von A. Paul Brokaw in dem Artikel "A Simple Three-Terminal IC
Bandgap Reference" im IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-9, Nr. 6,
Dezember 1974 beschrieben worden.
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Bei der in dem genannten Artikel in Fig. 2 dargestellten
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung, die in der nachfolgenden Beschreibung
dieser Erfindung in der Fig. 1 dargestellt ist, besteht das Steuermittel aus einem
Operationsverstärker, dessen einer Eingang mit dem Kollektor des ersten
Transistors, dessen anderer Eingang mit dem Kollektor des zweiten Transistors und
dessen Ausgang mit den Basen der beiden Transistoren verbunden ist.
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Bei einer weiteren in dem genannten Artikel in der Fig. 3 dargestellten
Ausführungsform der Bandabstandsreferenz besteht das Steuermittel aus einem
Stromspiegel, dessen einer Stromzweig mit dem Kollektor des ersten Transistors
und dessen anderer Stromzweig mit dem Kollektor des zweiten Transistors
verbunden ist, und einem weiteren Transistor, dessen Steuereingang mit dem
Kollektor des zweiten Transistors und dessen Strompfad mit den Basen der beiden
Transistoren verbunden ist. Eine derartige Schaltung ist auch in der Fig. 2 der
nachfolgenden Beschreibung dargestellt.
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Bei den beiden in den Fig. 2 und 3 des genannten Artikels bzw. den Fig. 1 und
2 der nachfolgenden Beschreibung dargestellten Ausführungsformen ist der erste
Widerstand zwischen die beiden Emitter der beiden bipolaren Transistoren
geschaltet und liegt darüber hinaus im Kollektorstrompfad des ersten bipolaren
Transistors.
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Bei den beiden beschriebenen zum Stand der Technik gehörenden
Bandabstandsreferenzen, die in der Regel in integrierter Form hergestellt werden, sind in
der Regel aufwendige Abstimmverfahren erforderlich, um produktionsbedingte
Fehler und Toleranzen der verwendeten Bauelemente auszugleichen. Häufig führt
nämlich der verwendete Herstellungsprozeß der integrierten Schaltung zu einer
Fehlanpassung zwischen den verwendeten Schaltungskomponenten. Dieses kann
z. B. eine Fehlanpassung zwischen den beiden Stromspiegeltransistoren sein, die
bei der in der Fig. 3 (bzw. in der Fig. 2 der zu dieser Beschreibung gehörenden
Figuren) des eingangs genannten Artikels dargestellten Ausführungsform
verwendet werden. Bei der in der Fig. 2 des eingangs genannten Artikels
dargestellten Ausführungsform können Offsets der Eingangsströme des
Operationsverstärkers auftreten, die durch Fehler und Toleranzen in den Bauelementen des
Operationsverstärkers verursacht werden. Es ist klar, daß bei einer Schaltung,
deren Aufgabe es ist, eine Referenzspannung für andere Schaltungen zu erzeugen,
solche störenden Effekte besonders schwerwiegend sind und die Funktion der
Schaltung erheblich beeinträchtigen können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine eingangs genannte
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung zu schaffen, die immuner
gegenüber produktionsbedingten Bauelementfehlern ist und bei der die bisher
üblichen und zur Korrektur der Bauelementfehler eingesetzten Abstimmverfahren
vereinfacht oder sogar überflüssig gemacht werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine eingangs genannte
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung erfüllt, bei der der erste Widerstand zwischen die
Basisanschlüsse der beiden Transistoren geschaltet und darüber hinaus mit dem
Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine erste zum Stand der Technik gehörende
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung;
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Fig. 2 eine zweite zum Stand der Technik gehörende
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung;
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Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung.
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Die Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine erste bzw. eine zweite zum Stand der
Technik gehörende Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung, die beide in
der Beschreibungseinleitung erläutert wurden.
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Die Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung.
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Die erfindungsgemäße Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung
weist einen ersten Transistor T1 auf, dessen Kollektor 1 mit einer
Versorgungsspannung VCC und dessen Emitter 2 über einen Widerstand R2 (zweiter
Widerstand) mit einem Masseanschluß 12 verbunden ist. Darüber hinaus weist die
Schaltung einen zweiten bipolaren Transistor T2 auf, dessen Emitter 3 ebenfalls
über den zweiten Widerstand R2 mit Masse 12 verbunden ist.
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Die beiden Basisanschlüsse 5 und 6 der beiden bipolaren Transistoren T1 bzw.
T2 sind über den ersten Widerstand R1 miteinander verbunden.
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Darüber hinaus ist ein Operationsverstärker 7 vorgesehen, dessen erster
Eingang 8 mit dem Kollektor 1 des bipolaren Transistors T1 verbunden ist, während
der andere Eingang 9 des Operationsverstärkers 7 über den ersten Widerstand R1
mit dem Kollektor 4 des zweiten bipolaren Transistors T2 verbunden ist. Der
Ausgang 10 des Operationsverstärkers ist über den ersten Widerstand R1 mit dem
Basisanschluß 5 des ersten bipolaren Transistors T1 und darüber hinaus direkt mit
dem Basisanschluß 6 des zweiten bipolaren Transistors T2 verbunden. Es sind wie
beim Stand der Technik in Fig. 1 ferner zwei Widerstände R3 und R4 vorgesehen,
die zwischen der Versorgungsspannung Vcc und den jeweiligen Eingängen 8 bzw.
9 des Operationsverstärkers 7 liegen. Im vorliegenden Beispiel sei R3 = R4.
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Der Operationsverstärker kann z. B. auch durch eine Anordnung gemäß Fig. 2
durch einen Stromspiegel und einen weiteren Transistor ersetzt werden.
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Wie bei der in der Fig. 1 dargestellten
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung ergibt sich die Referenzspannung an einem
Referenzspannungsausgang 11 durch Addition der Basis-Emitter-Spannung des Bipolartransistors T2
zu der am zweiten Widerstand R2 abfallenden Spannung.
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Die Funktionsweise der in der Fig. 3 dargestellten
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung entspricht im Prinzip der in der Fig. 1 dargestellten
und zum Stand der Technik gehörenden
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung und wird daher nicht im einzelnen erläutert.
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Die Vorteile der in der Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltung
gegenüber der in der Fig. 1 dargestellten und zum Stand der Technik gehörenden
Schaltung zeigen sich, wenn man das Verhalten gegenüber unerwünschten
Differenzen zwischen den in den beiden Transistorstromzweigen I1 und I2
fließenden Strömen betrachtet, die z. B. durch Eingangsstromoffsets des
verwendeten Operationsverstärkers oder, falls die Schaltung entsprechend der Fig. 2
aufgebaut ist, Fehlanpassungen zwischen den Transistoren des dort verwendeten
Stromspiegels hervorgerufen werden können. Solche Unterschiede in den Strömen
sind in der Regel durch produktionsbedingte Fehler und Fehlanpassungen
zwischen den in integrierter Form hergestellten und verwendeten Bauelementen
bedingt.
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Die verbesserte Immunität der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß Fig. 3
gegenüber solchen Stromdifferenzen ΔI wird dadurch erreicht, daß der erste
Widerstand R1 anders als beim Stand der Technik bei der erfindungsgemäßen
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung zwischen die
Basisanschlüsse der beiden bipolaren Transistoren geschaltet ist und darüber hinaus mit
dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist.
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Im folgenden wird an einem Beispiel gezeigt, daß die erfindungsgemäße und
in der Fig. 3 dargestellte Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung
wesentlich immuner gegenüber produktionsbedingten Fehlern in den verwendeten
Bauelementen ist, was Kosten und Zeit spart, da auf die üblichen
Abstimmverfahren verzichtet werden kann.
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Im folgenden werden mit ΔI durch produktionsbedingte Fehler in den
Bauelementen etc. hervorgerufene unerwünschte Differenzen zwischen den Strömen
I1 und I2 (siehe die Fig. 1, 2 und 3) bezeichnet, die z. B. durch einen
Eingangsstromoffset des verwendeten Operationsverstärkers oder durch Fehlanpassungen
zwischen den Transistoren eines Stromspiegels entstehen können.
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Zunächst werden die bei der in der Fig. 1 dargestellten und zum Stand der
Technik gehörenden Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung durch
einen solchen Stromfehler hervorgerufenen Fehler in der am Ausgang erzeugten
Referenzspannung Vref berechnet, die mit ΔVref bezeichnet werden.
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Ein Fehler ΔVref in der Referenzspannung Vref ergibt sich aus der Summe der
Fehler der Basis-Emitter-Spannung am bipolaren Transistor T2 und des
Spannungsabfalls am Widerstand R2 entsprechend der folgenden Gleichung 1:
wobei
ΔVref: Referenzspannung
ΔVBE(T2): Basis-Emitter-Spannung am bipolaren Transistor T2
DVR2: Spannungsabfall am Widerstand R2
sind.
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Der Fehler der Basis-Emitter-Spannung am zweiten Transistor T2 ergibt sich
aus der folgenden Gleichung 2:
wobei
R1: Stärke des ersten Widerstands R1 und
A: das Verhältnis zwischen den Emitterflächen des ersten bipolaren
Transistors T1 und des zweiten bipolaren Transistors T2 ist (im vorliegenden Beispiel
besitzt T1 die Emitterfläche A und T2 die Emitterfläche 1).
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Der aus dem Stromfehler ΔI resultierende Fehler in der am zweiten
Widerstand R2 abfallenden Spannung ergibt sich aus der nachfolgenden Gleichung 3:
wobei
R2: die Stärke des zweiten Widerstands R2 ist.
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Der Strom durch den ersten bipolaren Transistor T1 ergibt sich aus der
folgenden Gleichung 4:
wobei
VT: die Temperaturspannung ist und sich aus der folgenden Gleichung 5
ergibt:
wobei
q = 1,602.10-19 As (Elementarladung),
k = 1,38.10-23 VA/K (Boltzmannkonstante) und
T = absolute Temperatur
ist.
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Aus den Gleichungen 1 bis 4 ergibt sich dann der Ausdruck für den Fehler in
der Referenzspannung gemäß der nachfolgenden Gleichung 6:
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Bei der erfindungsgemäßen
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung ergibt sich nun der durch den Stromfehler ΔI hervorgerufene Fehler in
der Basis-Emitter-Spannung des bipolaren Transistors gemäß der folgenden
Gleichung (2)':
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Für den aus ΔI resultierenden Fehler des Spannungsabfalls ergibt sich
folgende Beziehung:
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Unter Verwendung der Gleichungen 1, 2', 3' und 4 ergibt sich somit als Fehler
in der am Ausgang der Spannung erzeugten Referenzspannung die folgende
Beziehung:
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In der Gleichung (6)' ergibt sich durch den Term, dem ein Minuszeichen
vorangeht, gegenüber der Gleichung (6) die Möglichkeit, die Auswirkung von
Stromfehlern ΔI auf die Fehler in der Referenzspannung ΔVref wesentlich zu
vermindern, was durch das folgende Beispiel eindrucksvoll deutlich wird:
Unter der Annahme, daß A = 8, R1 = 54 kΩ, IT1 = 1 µA, R2 = 324 kΩ,
VT = 25,85 mV und T = 27°C und ΔI/IT1 = 1%, ergeben sich folgende Werte:
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Aus der Tabelle ist zu erkennen, daß der sich durch den Stromfehler bei der
erfindungsgemäßen Schaltung gemäß Fig. 3 ergebende Fehler in der
Bandreferenzspannung ΔVref um mehr als einen Faktor 1000 kleiner ist als bei den zum
Stand der Technik gehörenden
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltungen gemäß Fig. 1. Somit weist die erfindungsgemäße
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung eine wesentlich höhere Immunität gegenüber
produktionsbedingten Bauelementfehlern oder Fehlanpassungen zwischen
Bauelementen auf.
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Der für das Flächenverhältnis zwischen den Transistoren gewählte Wert von
A = 8 ist natürlich nur ein als Beispiel gewählter Wert, bei dem im übrigen die
beiden Ströme I1 und I2 ungefähr gleich sind. Natürlich kann die Schaltung auch
so ausgelegt werden, daß ein Transistor einen größeren Strom als der andere führt,
wobei sich auch bei anderen Werten von A der beschriebene Effekt der größeren
Immunität gegenüber produktionsbedingten Bauelementfehlern oder
Fehlanpassungen ergibt.
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Die erfindungsgemäße Schaltung kann natürlich auch in der Weise
abgewandelt werden, daß anstelle eines Operationsverstärkers der in der Fig. 2 dargestellte
Stromspiegel und ein weiterer Transistor verwendet wird, dessen Steuereingang
mit dem Kollektor des zweiten Transistors und dessen Strompfad mit den Basen
der beiden Transistoren verbunden ist. In diesem Falle wäre die in der Fig. 2
gezeigte Schaltung entsprechend zu der in der Fig. 3 dargestellten Schaltung
aufzubauen.
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Es ist auch nicht unbedingt so, daß die unterschiedlichen Stromdichten der
beiden bipolaren Transistoren nur durch unterschiedliche Emitter-Flächen der
beiden Transistoren erzielt werden können.
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Genauso können anstelle des in der Fig. 2 dargestellten Stromspiegels auch
zwei zusätzliche Widerstände unterschiedlicher Größe wie in der Fig. 3 die
Widerstände R3 und R4 vorgesehen sein, oder es können zwei unterschiedlich
starke Stromquellen verwendet werden, wodurch ebenfalls unterschiedliche
Stromdichten der beiden Transistoren erzielt werden können.