DE10156812B4

DE10156812B4 - ---Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung

Info

Publication number: DE10156812B4
Application number: DE2001156812
Authority: DE
Inventors: Kevin Scoones
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2021-11-21
Also published as: DE10156812A1

Abstract

Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung mit einem ersten bipolaren Transistor (TI) und einem zweiten bipolaren Transistor (T2), einem ersten Widerstand (R1), der so geschaltet ist, daß daran eine Spannung abfällt, die der Differenz der jeweiligen Basis-Emitter-Spannungen der beiden bipolaren Transistoren (TI, T2) entspricht, und der im Kollektorstrompfad des zweiten Transistors (T2) liegt, und einem zweiten Widerstand (R2), der im Kollektorstrompfad beider Transistoren (T1, T2) liegt, wobei die Schaltung so ausgebildet ist, daß der erste Transistor (T1) mit einer anderen Stromdichte als der zweite Transistor (T2) betrieben werden kann und darüber hinaus ein Steuermittel vorhanden ist, das die Kollektorströme der Transistoren (T1, T2) vergleichen und an einem Steuerausgang ein Signal abgeben kann, mit dem die Basen (5, 6) der Transistoren (T1, T2) so gesteuert werden können, daß ein vorherbestimmtes Verhältnis zwischen den Kollektorströmen der Transistoren (T1, T2) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (RI) zwischen die Basisanschlüsse (5, 6) der beiden Transistoren (T1,...

Description

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, 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.

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.

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.

Bei der in dem genannten Artikel in 2 dargestellten Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung, die in der nachfolgenden Beschreibung dieser Erfindung in der 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.

Bei einer weiteren in dem genannten Artikel in der 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 2 der nachfolgenden Beschreibung dargestellt.

Bei den beiden in den 2 und 3 des genannten Artikels bzw. den 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.

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 3 (bzw. in der 2 der zu dieser Beschreibung gehörenden Figuren) des eingangs genannten Artikels dargestellten Ausführungsform verwendet werden. Bei der in der 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.

In diesem Zusammenhang sei auf die DE 2 736 915 A1 verwiesen, die eine Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung zeigt, die ebenfalls einen ersten und einen zweiten Transistor und einen ersten Widerstand aufweist, wobei der erste Widerstand zwischen die Basisanschlüsse der beiden Transistoren geschaltet und darüber hinaus mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist. Ferner enthält diese Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung einen Operationsverstärker, dessen einer Eingang mit dem Kollektor des ersten Transistors und dessen anderer Eingang über den ersten Widerstand mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, um abzufühlen, wann das Potential zwischen zwei Anschlußpunkten der Schaltung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet und eine Referenzspannung zu erzeugen, welche in direkter Beziehung zu einem solchen Überschreiten steht. Jedoch ist auch diese Schaltung relativ anfällig für Offsets der Eingangsströme des Operationsverstärkers.

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.

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 und bei der der eine Eingang des Steuermittels mit dem Kollektor des ersten Transistors und der andere Eingang des Steuermittels über den ersten Widerstand mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine erste zum Stand der Technik gehörende Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung;
2 eine zweite zum Stand der Technik gehörende Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung;
3 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung.
Die 1 und 2 zeigen eine erste bzw. eine zweite zum Stand der Technik gehörende Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung, die beide in der Beschreibungseinleitung erläutert wurden.
Die 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung.
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.
Die beiden Basisanschlüsse 5 und 6 der beiden bipolaren Transistoren T1 bzw. T2 sind über den ersten Widerstand R1 miteinander verbunden.
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 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.
Der Operationsverstärker kann z.B. auch durch eine Anordnung gemäß 2 durch einen Stromspiegel und einen weiteren Transistor ersetzt werden.
Wie bei der in der 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.
Die Funktionsweise der in der 3 dargestellten Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung entspricht im Prinzip der in der 1 dargestellten und zum Stand der Technik gehörenden Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung und wird daher nicht im einzelnen erläutert.
Die Vorteile der in der 3 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltung gegenüber der in der 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 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.
Die verbesserte Immunität der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 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.
Im folgenden wird an einem Beispiel gezeigt, daß die erfindungsgemäße und in der 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.
Im folgenden werden mit ΔI durch produktionsbedingte Fehler in den Bauelementen etc. hervorgerufene unerwünschte Differenzen zwischen den Strömen I1 und I2 (siehe die 1, 2 und 3) bezeichnet, die z.B. durch einen Eingangsstromoffset des verwendeten Operationsverstärkers oder durch Fehlanpassungen zwischen den Transistoren eines Stromspiegels entstehen können.
Zunächst werden die bei der in der 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.
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: ΔVref = ΔVBE(T2) + ΔVR2 (1),wobei
ΔVref: Referenzspannung
ΔV_BE(T2): Basis-Emitter-Spannung am bipolaren Transistor T2
ΔV_R2: Spannungsabfall am Widerstand R2
sind.
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).
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.
Der Strom durch den ersten bipolaren Transistor T1 ergibt sich aus der folgenden Gleichung 4:
wobei
V_T: 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.
Aus den Gleichungen 1 bis 4 ergibt sich dann der Ausdruck für den Fehler in der Referenzspannung gemäß der nachfolgenden Gleichung 6:
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)':
Für den aus ΔI resultierenden Fehler des Spannungsabfalls ergibt sich folgende Beziehung:
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:
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, I_T1 = 1 μA, R2 = 324 kΩ, V_T = 25,85 mV und T = 27°C und ΔI/I_T1 = 1%, ergeben sich folgende Werte:
Aus der Tabelle ist zu erkennen, daß der sich durch den Stromfehler bei der erfindungsgemäßen Schaltung gemäß 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 1. Somit weist die erfindungsgemäße Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung eine wesentlich höhere Immunität gegenüber produktionsbedingten Bauelementfehlern oder Fehlanpassungen zwischen Bauelementen auf.
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.
Die erfindungsgemäße Schaltung kann natürlich auch in der Weise abgewandelt werden, daß anstelle eines Operationsverstärkers der in der 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 2 gezeigte Schaltung entsprechend zu der in der 3 dargestellten Schaltung aufzubauen.
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.
Genauso können anstelle des in der 2 dargestellten Stromspiegels auch zwei zusätzliche Widerstände unterschiedlicher Größe wie in der 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.

Claims

Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung mit einem ersten bipolaren Transistor (TI) und einem zweiten bipolaren Transistor (T2), einem ersten Widerstand (R1), der so geschaltet ist, daß daran eine Spannung abfällt, die der Differenz der jeweiligen Basis-Emitter-Spannungen der beiden bipolaren Transistoren (TI, T2) entspricht, und der im Kollektorstrompfad des zweiten Transistors (T2) liegt, und einem zweiten Widerstand (R2), der im Kollektorstrompfad beider Transistoren (T1, T2) liegt, wobei die Schaltung so ausgebildet ist, daß der erste Transistor (T1) mit einer anderen Stromdichte als der zweite Transistor (T2) betrieben werden kann und darüber hinaus ein Steuermittel vorhanden ist, das die Kollektorströme der Transistoren (T1, T2) vergleichen und an einem Steuerausgang ein Signal abgeben kann, mit dem die Basen (5, 6) der Transistoren (T1, T2) so gesteuert werden können, daß ein vorherbestimmtes Verhältnis zwischen den Kollektorströmen der Transistoren (T1, T2) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (RI) zwischen die Basisanschlüsse (5, 6) der beiden Transistoren (T1, T2) geschaltet und darüber hinaus mit dem Kollektor (4) des zweiten Transistors (T2) verbunden ist und daß der eine Eingang des Steuermittels mit dem Kollektor (1) des ersten Transistors (T1) und der andere Eingang des Steuermittels über den ersten Widerstand (R1) mit dem Kollektor (4) des zweiten Transistors (T2) verbunden ist.
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung nach Anspruch 1, bei der das Steuermittel aus einem Operationsverstärker (7) besteht, dessen einer Eingang (8) mit dem Kollektor (1) des ersten Transistors (T1), dessen anderer Eingang (9) über den ersten Widerstand (R1) mit dem Kollektor (4) des zweiten Transistors (T2) und dessen Ausgang (10) mit der Basis (6) des zweiten Transistors (T2) und über den ersten Widerstand (R1) mit der Basis (5) des ersten Transistors (T1) verbunden ist.
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung nach Anspruch 1, bei der das Steuermittel aus einem Stromspiegel, dessen einer Stromzweig (I1) mit dem Kollektor (1) des ersten Transistors (T 1) und dessen anderer Stromzweig (I2) über den ersten Widerstand (R1) mit dem Kollektor (4) des zweiten Transistors (T2) verbunden ist, und einem weiteren Transistor besteht, dessen Steuereingang über den ersten Widerstand (R1) mit dem Kollektor (4) des zweiten Transistors (T2) und dessen Strompfad mit der Basis (6) des zweiten Transistors (T2) und über den ersten Widerstand (R1) mit der Basis (5) des ersten Transistors (T1) verbunden ist.
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die beiden bipolaren Transistoren (T1, T2) so ausgebildet sind, daß sie unterschiedliche Emitterflächen aufweisen, wodurch die unterschiedlichen Stromdichten der beiden bipolaren Transistoren (T1, T2) erzielt werden können.
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die beiden Transistoren identisch aufgebaut sind und zwei zusätzliche Widerstände unterschiedlicher Größe vorgesehen sind, von denen jeder in einem Kollektorstrompfad eines der bipolaren Transistoren (T1, T2) liegt und mit dem jeweiligen Kollektor dieses Transistors verbunden ist, wodurch die unterschiedlichen Stromdichten der beiden bipolaren Transistoren erzielt werden können.
Bandabstandsreferenzspannungserzeugungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die beiden Transistoren identisch aufgebaut sind und darüber hinaus zwei unterschiedlich starke Stromquellen in den beiden Kollektorstrompfaden vorhanden sind, wodurch die unterschiedlichen Stromdichten der beiden Transistoren (T1, T2) erzielt werden können.