DE10215084A1

DE10215084A1 - Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung

Info

Publication number: DE10215084A1
Application number: DE10215084A
Authority: DE
Inventors: Manfred Mauthe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2003-10-30
Also published as: WO2003085475A2; WO2003085475A3; EP1493070A2; EP1493070B1; US6989660B2; DE50310741D1; US20050110477A1

Abstract

Es ist eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung angegeben, bei der zusätzlich zu einem Regelkreis mit Vergleicher (4), Ausgangsstufe (3) und einem Rückkopplungszweig ein Hilfsregler (11-14) vorgesehen ist, der die über der Ausgangsstufe (3) abfallende Spannung begrenzt und hierfür ein Stellglied (11) und einen weiteren Vergleicher (13) umfaßt. Somit kann mit Vorteil die Ausgangsstufe (3) des Spannungsreglers eine Spannungsfestigkeit haben, die geringer ist als die am Eingang (1) zuführbare Versorgungsspannung. Aufgrund seiner guten Versorgungsspannungsunterdrückung ist der beschriebene Spannungsregler besonders gut zur Versorgung von On-Chip VCOs geeignet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung.
Immer höhere Integrationsdichten bei integrierten Schaltungen gehen normalerweise einher mit einer ständigen Abnahme der Versorgungsspannung der integrierten Schaltungen. Dabei kann es vorkommen, daß in bestimmten Integrationstechnologien Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen vorgesehen sind. Beispielsweise bei CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)-Fertigungstechniken sind Transistoren zum Aufbau von Analogschaltungen, insbesondere zur Bildung von Schnittstellen der integrierten Schaltung, mit verhältnismäßig hoher Spannungsfestigkeit neben Transistoren vorgesehen, welche zum Aufbau digitaler Schaltungen geeignet sind und eine signifikant geringere Spannungsfestigkeit haben.
Um integrierte Schaltungen, welche intern verschiedene Versorgungsspannungen benötigen, mit lediglich einer externen Versorgungsspannung zu versorgen, ist üblicherweise ein sogenannter On-Chip-Spannungsregler vorgesehen, der normalerweise als kontinuierlich arbeitender Linearregler ausgeführt ist. Derartige Spannungsregler sollten dabei ohne externe Induktivitäten oder Kapazitäten auskommen können.
Insbesondere bei der Ansteuerung von Schwingkreisen, beispielsweise zur Erzeugung hochfrequenter Trägersignale, ist zur Versorgung der üblicherweise dabei vorgesehenen spannungsgesteuerten Oszillatoren ein Spannungsregler gewünscht, dessen Ausgangsspannung eine gute Versorgungsspannungsunterdrückung, englisch: Power Supply Rejection Ratio, PSRR aufweist und zugleich geringes Eigenrauschen besitzt, um das Phasenrauschen des zu versorgenden Oszillators nicht zu verschlechtern.
In dem Dokument V. R. von KAENEL, A High-Speed, Low-Power Clock Generator for a Microprocessor Application, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 33, No. 11, November 1998 ist eine Phasenregelschleife in einem Taktgenerator angegeben, welche einen Spannungsregler anhand eines Schaltbildes in verallgemeinerter Darstellung zeigt, vergleiche dort Fig. 2.
In dem Aufsatz G. W. Den Besten, B. Nauta, Embedded 5 V-to-3.3 V Voltage Regulator for Supplying Digital ICs in 3,3 Volt CMOS-Technology, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 33, No. 7, July 1998, ist ein Spannungsregler zum Umsetzen einer Eingangsspannung von 5 Volt in eine Ausgangsspannung von 3,3 Volt in CMOS-Schaltungstechnik angegeben. In Fig. 2a und 2b sind übliche Spannungsregler gezeigt, welche als Regeltransistor entweder einen P-Kanal MOS-Transistor, vergleiche Fig. 2a, oder einen N-Kanal MOS-Transistor, vergleiche Fig. 2b verwenden. Der Gate-Anschluß des Regeltransistors ist jeweils von einem Differenzverstärker angesteuert, dem einerseits eine Referenzspannung, beispielsweise von einem Bandgap-Schaltkreis bereitgestellt, und andererseits ein von der Ausgangsspannung des Reglers abgeleitetes Signal zugeführt wird. Die Schaltungsvariante mit dem PMOS- Transistor bietet zwar einen großen Spannungsaussteuerbereich, hat jedoch den Nachteil einer unzureichenden Versorgungsspannungsunterdrückung bei Frequenzen oberhalb der Verstärkerbandbreite. Die Reglerschaltung mit dem NMOS- Transistor zeigt zwar gute PSRR-Eigenschaften, hat jedoch eine verhältnismäßig geringe erreichbare Ausgangsspannung.
Wird der Regeltransistor bei einer Schaltung gemäß Fig. 2a oder 2b des letztgenannten Dokumentes mit einer Spannungsfestigkeit ausgestattet, die geringer ist als die Eingangsspannung des Spannungsreglers, so kann, insbesondere bei einer gemischt ohmsch-kapazitiven Last, beim Einschalten des Spannungsreglers über dem Regeltransistor eine Spannung abfallen, die größer ist als seine zulässige Spannung. Wenn für den Differenzverstärker, der den Regeltransistor ansteuert, eine Bandgap-Spannungsquelle verwendet wird, deren Spannung sich erst beginnend mit 0 Volt aufbauen muß, so liegt über dem Regeltransistor im Einschaltmoment sogar die volle Eingangsspannung an.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung anzugeben, welche hochintegrierbar ist und bei der als Regeltransistor ein Transistor verwendet werden kann, dessen Spannungsfestigkeit geringer ist als die Eingangsspannung, welche den Spannungsregler versorgt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung, aufweisend

- einen Eingangsanschluß zum Zuführen einer Versorgungsspannung,
- einen Ausgangsanschluß zum Abgreifen einer Ausgangsspannung,
- eine Ausgangsstufe, die einen Steuereingang und eine gesteuerte Strecke mit einem ersten und einem zweiten Lastanschluß umfaßt, wobei der erste Lastanschluß mit dem Eingangsanschluß der Schaltungsanordnung gekoppelt ist und der zweite Lastanschluß mit dem Ausgangsanschluß der Schaltungsanordnung verbunden und über eine elektrische Last mit einem Bezugspotentialanschluß gekoppelt ist,
- einen Referenzgenerator, der an seinem Ausgang ein Referenzpotential bereitstellt,
- einen Vergleicher, der einen ersten Eingang umfaßt, welcher mit dem Referenzgenerator verbunden ist, und der einen zweiten Eingang umfaßt, welcher mit dem Ausgangsanschluß der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, zur Regelung der Ausgangsspannung, und
- einen Hilfsregler zur Begrenzung der über der Ausgangsstufe abfallenden Spannung, umfassend ein Stellglied, welches einerseits mit dem Eingangsanschluß und andererseits in einem Schaltungsknoten mit der gesteuerten Strecke der Ausgangsstufe verbunden ist, und umfassend einen weiteren Vergleicher mit einem Sollwert-Eingang, der mit dem Steuereingang der Ausgangsstufe gekoppelt ist und mit einem Istwert- Eingang, der mit dem Schaltungsknoten gekoppelt ist.

Mit dem Hilfsregler wird, insbesondere im Einschaltmoment des Spannungsreglers, die über der Ausgangsstufe abfallende Spannung auf ein zulässiges Maß begrenzt. Somit ist es möglich, die Ausgangsstufe mit Vorteil mit Halbleiterbauelementen zu realisieren, deren Spannungsfestigkeit geringer ist als die am Eingangsanschluß zuführbare Versorgungsspannung.
Es entspricht dabei dem vorliegenden Prinzip, daß der Hilfsregler die Spannung zwischen dem Schaltungsknoten an einem der Lastanschlüsse der gesteuerten Strecke der Ausgangsstufe und dem Steuereingang der Ausgangsstufe auf einen maximalen Spannungsbetrag, von beispielsweise 0,5 Volt, begrenzt. Sobald jedoch die Spannung am Steuereingang der Ausgangsstufe einen bestimmten Wert überschreitet, bildet das Stellglied einen geschlossenen Schalter zwischen Eingangsanschluß und dem Schaltungsknoten an der gesteuerten Strecke der Ausgangsstufe, so daß in einem Normalbetrieb der Aussteuerbereich der Ausgangsstufe nicht verringert ist.
Zur Ansteuerung des Stellgliedes im Hilfsregler mittels des weiteren Vergleichers ist bevorzugt eine sogenannte floatende Batterie vorgesehen, welche zwischen einen der Eingänge des weiteren Vergleichers im Hilfsregler und den Steuereingang der Ausgangsstufe der Schaltungsanordnung geschaltet ist.
Diese stellt somit sicher, daß das Potential an dem Sollwert- Eingang des weiteren Vergleichers im Hilfsregler stets um einen festlegbaren Spannungsbetrag größer ist als das Potential am Steuereingang der Ausgangsstufe. Hierdurch wird die Spannung am Schaltungsknoten der Schaltungsanordnung so eingestellt, daß diese grundsätzlich gleich der Summe aus der Spannung am Steuereingang der Ausgangsstufe und der floatenden Batteriespannung ist. Hierbei gilt gemäß vorliegendem Prinzip die Beschränkung, daß selbsttätig mittels des Hilfsreglers eine Begrenzung der Spannung am Schaltungsknoten auf die Versorgungsspannung erfolgt, sobald die Spannung am Steuereingang der Ausgangsstufe denjenigen Spannungswert überschreitet, der sich aus der Differenz der Versorgungsspannung und dem festen Spannungsbetrag, den die floatende Batterie bereitstellt, ergibt. In diesem Fall stellt der Hilfsregler bezüglich seiner Ausgangsstufe einen Kurzschluß, das heißt einen geschlossenen Schalter dar.
Gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Ausgangsstufe und/oder das Stellglied des Hilfsreglers jeweils als MOS-Transistoren ausgebildet.
Dabei ist der MOS-Transistor der Ausgangsstufe bevorzugt als für geringe Spannungsfestigkeit und reguläre Schwellenspannung ausgelegter MOS-Transistor vorgesehen. Der MOS- Transistor des Stellgliedes des Hilfsreglers ist bevorzugt als bezüglich des Leitfähigkeitstyps des Kanals komplementärer Transistor zu dem der Ausgangsstufe ausgebildet, weist jedoch eine höhere Spannungsfestigkeit als der Transistor der Ausgangsstufe auf. Dabei repräsentiert der Gate-Anschluß jeweils der Steuereingang von Stellglied beziehungsweise Ausgangsstufe, während Source- und Drain-Anschluß der MOS- Transistoren jeweils die Anschlüsse der gesteuerten Strecken repräsentieren.
Zur Bildung des von der Ausgangsspannung abgeleiteten, rückzuführenden Signals, welches an den Vergleicher zugeführt wird, der die Ausgangsstufe ansteuert, ist bevorzugt ein Spannungsteiler vorgesehen. Dessen Auslegung hängt zum einen von der gewünschten Ausgangsspannung und zum anderen von der Spannung ab, die der Referenzgenerator an seinem Ausgang liefert. Bei in Siliziumtechnologie realisierten Bandgap- Referenzquellen beträgt diese Bandgap-Spannung üblicherweise 1,2 Volt.
Der Vergleicher der Schaltungsanordnung, der die Ausgangsstufe des Reglers ansteuert, und der weitere Vergleicher im Hilfsregler sind bevorzugt jeweils als Differenzverstärker oder Operationsverstärker ausgebildet, die je einem invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang umfassen.
Derjenige Differenzverstärker, der die Ausgangsstufe ansteuert, ist dabei mit Vorteil bevorzugt so ausgebildet, daß sich sein Ausgangssignal bis zur positiven Versorgungsspannung hin aussteuern läßt.
Eine weitere Verbesserung der Unterdrückung von Störungen auf der Versorgungsspannung kann durch Weiterbilden der Schaltungsanordnung mit einem weiteren Regelkreis erzielt werden, der den Referenzgenerator versorgt.
Hierbei ist bevorzugt ein weiterer Regelkreis gebildet, der ein Stellglied, einen Vergleicher und einen Rückführungszweig vom Stellglied zum Vergleicher über einen Spannungsteiler umfaßt. Ein Ausgang des Stellgliedes ist dabei mit einem Versorgungsanschluß des Referenzgenerators gekoppelt. Mit Vorteil kann auch die floatende Batterie, sowie der Vergleicher, der die Ausgangsstufe ansteuert, und der weitere Vergleicher, der im Hilfsregler vorgesehen ist, von dieser zusätzlichen Hilfsspannung versorgt werden.
Dabei ist bevorzugt ein Schalter vorgesehen, der die dem Referenzgenerator zu seiner Versorgung zuzuführende Spannung zwischen der eigentlichen Versorgungsspannung der Regelschaltung und der erzeugten Hilfsspannung umschalten kann.
Weitere Einzelheiten und bevorzugte Ausführungsformen des vorliegenden Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 an Hand eines Schaltplanes ein Ausführungsbeispiel für eine Festwert-Spannungsquelle gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Weiterbildung des Spannungsreglers von Fig. 1 mit einem weiteren Regelkreis,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel für die Operationsverstärker gemäß Fig. 1 und 3 in CMOS- Schaltungstechnik,
Fig. 5 an Hand eines Schaubildes die Spannungsverläufe ausgewählter Knotenspannungen der Schaltung von Fig. 1 in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung,
Fig. 6 das Einschaltverhalten der Schaltung von Fig. 1 mit auf der Versorgungsspannung überlagerter Störung und
Fig. 7 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung des Schaubildes von Fig. 6.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung mit einem Eingangsanschluß 1 zum Zuführen einer Versorgungsspannung von 2,5 Volt und einem Ausgangsanschluß 2 zum Abgreifen einer geregelten Ausgangsspannung von 1,5 Volt. Als Ausgangsstufe ist ein N-Kanal MOS-Feldeffekttransistor 3 vorgesehen, mit einem Gate-Anschluß, einem Source-Anschluß und einem Drain-Anschluß. Der Source-Anschluß der Ausgangsstufe 3bildet den Ausgangsanschluß 2 der Schaltung. Der Gate- Anschluß ist mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers 4, der als Vergleicher arbeitet, und einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Eingang hat, verbunden. Der nicht- invertierende Eingang des Vergleichers 4 ist mit dem Ausgang eines Bandgap-Referenzgenerators 5 verbunden, der eine Bandgap-Spannung von 1,2 Volt bereitstellt. Der Ausgang 2 der Schaltung ist über einen Spannungsteiler 6, 7, umfassend eine Serienschaltung aus einem 300 Ohm-Widerstand 6 und einem 1,2 Kiloohm-Widerstand 7 an den invertierenden Eingang des Vergleichers 4 angeschlossen und weiterhin mit einem Bezugspotentialanschluß 8 gekoppelt, an den auch der Bandgap- Generator 5 angeschlossen ist. Zwischen dem Ausgangsanschluß 2 und dem Bezugspotentialanschluß 8 der Regelschaltung von Fig. 1 sind außerdem ein Widerstand 9 sowie dazu parallel eine Kapazität 10 geschaltet, welche eine ohmschkapazitive Last repräsentieren.
Gemäß vorliegendem Prinzip ist zum Schutz der Ausgangsstufe 3 vor der verhältnismäßig hohen Eingangsspannung oder Versorgungsspannung beim Einschalten des Reglers ein weiterer Transistor 11 vorgesehen, der als P-Kanal MOS-Feldeffekttransistor ausgeführt ist und mit seinem Drain-Anschluß in einem Schaltungsknoten 12 des Reglers an den Drain-Anschluß der Ausgangsstufe 3 angeschlossen ist. Der Source-Anschluß des Transistors 11 ist mit dem Eingangsanschluß 1 der Reglerschaltung verbunden. Zur Bildung des Hilfsreglers ist außerdem ein weiterer Differenzverstärker 13 vorgesehen, dessen Ausgang mit dem Gate-Anschluß des als Stellglied arbeitenden Transistors 11 verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang des weiteren Vergleichers 13 ist mit dem Schaltungsknoten 12 verbunden, während der invertierende Eingang des als Operationsverstärker ausgebildeten weiteren Vergleichers 13 über eine floatende Batterie 14 an den Ausgang des Vergleichers 4 angeschlossen ist. Die Anschlüsse der floatenden Batterie sind mit den Bezugszeichen 15 und 16 versehen.
Die floatende Batterie hebt das Potential am Gate der Ausgangsstufe 3 um 0,5 Volt an und führt diese potentialmäßig erhöhte Spannung dem invertierenden Eingang des Vergleichers 13 zu. Während die Spannungsfestigkeit des NNOS- Ausgangstransistors 3 lediglich 1,5 Volt beträgt, hat der PMOS-Transistor 11 eine Spannungsfestigkeit von 2,5 Volt.
Der Regeltransistor 3 arbeitet als Sourcefolger, wobei die Sourcespannung der Gatespannung folgt. Der Hilfsregler, dessen Stellglied 11 in den Drainzweig des Regeltransistors 3 geschaltet ist, bewirkt, daß der Drainanschluß 12 des Regeltransistors 3 höchstens um 0,5 Volt über seiner Gate-Spannung liegt. Dies erfolgt durch die rückkoppelnde Ansteuerung des Verstärkers 13 und der floatenden Batteriespannung von ca. 0,5 Volt. Die Spannung am Schaltungsknoten 12 wird mittels des Differenzverstärkers 13 so eingestellt, daß sie grundsätzlich gleich der Summe aus der Spannung am Gate-Anschluß des Transistors 3 und der floatenden Batteriespannung von 0,5 Volt ist. Dabei gilt allerdings, daß mit Vorteil selbsttätig eine Begrenzung der Spannung am Schaltungsknoten 12 auf 2,5 Volt, nämlich auf die Versorgungsspannung erfolgt, sobald die Spannung am Gate des Transistors 3 den Wert 2 Volt überschreitet. In diesem Fall stellt der Transistor 11 nämlich einen geschlossenen Schalter dar.
Der beschriebene Linearregler bietet ein deutlich verbessertes PSSR, Power Supply Rejection Ratio. Der zusätzliche Hilfsregler 11, 12, 13, 14 schützt während des Einschaltens des Reglers, das heißt während des Hochlaufens der Regelspannung, den Ausgangstransistor 3, welcher lediglich eine Spannungsfestigkeit von 1,5 Volt hat, vor einer Überspannung, welche beim Einschalten sonst sofort zwischen seinem Drain- Anschluß und seinem Gate-Anschluß anliegen würde.
Gemäß dem beschriebenen Prinzip wird die positive Versorgungsspannung des 1,5 Voltfesten NMOS-Regeltransistors 3 während des Einschaltens auf einem Wert festgehalten, der maximal 0,5 Volt über seiner Gate-Spannung liegt. Somit wird ein Durchbrechen des Regeltransistors 3 wirksam vermieden. Die verhältnismäßig dünne Gateoxidschicht und der verhältnismäßig kurze Kanal des Transistors 3 führen dabei zwar zu einer geringen Festigkeit seiner Gate-Source-Spannung von lediglich 1,5 Volt, ermöglichen jedoch das gewünschte, gute PSSR, welches insbesondere die Spannungsversorgung von hochempfindlichen, spannungsgesteuerten Oszillatoren ermöglicht, wie sie in Schwingkreisen, insbesondere im Mobilfunk, benötigt werden.
Während der Transistor 3 ein Transistor mit einer herkömmlichen Schwellspannung ist, ist der Transistor 11 für analoge Schaltungstechnik ausgelegt und hat eine entsprechende Schwellspannung.
Die Spannungsquelle 14 kann alternativ auch als Levelshifter oder Pegelschieberschaltung ausgeführt sein.
Fig. 2 zeigt die floating battery 14 von Fig. 1, welche an ihrem Ausgangsanschluß 15 eine Spannung bereitstellt, die stets um 0,5 Volt größer ist als die an ihrem Eingang 16 anliegende Spannung. Die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 14 ist dabei gerade um den Betrag der Einsatzspannung des PMOS-Transistors 17 höher als die Eingangsspannung am Knoten 16. Der Transistor 17 ist dabei mit seinem Gate-Anschluß an den Eingang 16 angeschlossen und verbindet mit seiner gesteuerten Strecke einen Bezugspotentialanschluß 18 mit dem Ausgangsanschluß 15. Der Transistor 17 ist als Sourcefolger geschaltet und wird von einer BIAS-Stromquelle 19, welche mit dem Bezugspotentialanschluß 18 verbunden ist, über einen Stromspiegel 20 versorgt. Der Stromspiegel 20 umfaßt zwei weitere PMOS-Transistoren, deren Gates miteinander verbunden sind, und welche mit je einem Anschluß ihrer gesteuerten Strecken mit dem Versorgungspotentialanschluß 21 der Spannungsquelle 14 verbunden sind. Der Eingangstransistor des Stromspiegels 20 ist dabei als Diode verschaltet.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Transistor 17 eine Schwellspannung von 0,5 Volt auf. Schwellspannungen von PMOS-Transistoren im Bereich von 0,5 bis 0,7 Volt sind üblich.
Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Spannungsregleranordnung von Fig. 1, welche eine weitere Verbesserung der Einstreuung von Störungen bewirkt durch einen zusätzlichen Regelkreis, welcher eine zusätzliche, geregelte Versorgungsspannung für den Referenzgenerator 5 sowie die Differenzverstärker 4, 13 bereitstellt.
Die Schaltung gemäß Fig. 3 entspricht in Aufbau und vorteilhafter Wirkungsweise weitgehend derjenigen von Fig. 1 und soll an dieser Stelle insoweit nicht wiederholt werden. Im Folgenden werden lediglich die hinzugefügten Bauteile, deren Verschaltung miteinander sowie die zusätzliche Funktionalität mit ihren Vorteilen geschildert.
Gemäß Fig. 3 ist ein weiterer Regelkreis vorgesehen mit einem als Transistor 22 vom P-Kanal-Typ ausgebildeten Stellglied mit einem Steuereingang und einer gesteuerten Strecke, wobei der Steuereingang, das heißt der Gate-Anschluß des Transistors 22, mit einem als Differenzverstärker ausgebildeten Vergleicher 23 an dessen Ausgang verbunden ist. Der Vergleicher 23 ist zu seiner Spannungsversorgung mit dem Eingangsanschluß 1 verbunden. Der Source-Anschluß des Stellglied-Transistors 22 ist ebenfalls mit dem Eingangsanschluß 1 verbunden, während der Drain-Anschluß den Ausgang 24 des weiteren Regelkreises bildet. An diesem Ausgang wird eine geregelte Spannung von 2,25 Volt bereitgestellt. Zwischen dem Ausgang 24 des weiteren Regelkreises und Bezugspotentialanschluß 8 ist zur Bildung eines Spannungsteilers eine Serienschaltung aus einem Widerstand 25 von 1,05 Kiloohm und einem Widerstand 26 von 1,2 Kiloohm geschaltet, deren Abgriffspunkt zum Abgreifen einer geteilten Spannung mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 23 verbunden ist. Der nicht- invertierende Eingang des Differenzverstärkers 23 ist mit dem Ausgangsanschluß 15 des Bandgap-Referenzgenerators 5 verbunden zur Zuführung der Bandgap-Spannung in Höhe von konstant 1,2 Volt. Der Ausgang 24 des weiteren Regelkreises zur Spannungsversorgung des Referenzgenerators 5 ist mit je einem Anschluß zur Zuführung einer Versorgungsspannung der floatenden Batterie 14, des Differenzverstärkers 13, sowie des Differenzverstärkers 4 angeschlossen. Zusätzlich ist über einen Umschalter 27 eine Verbindung zum Eingangsanschluß 16 des Referenzgenerators 5 hergestellt. Ein weiterer Eingang des Umschalters 27 ist mit dem Eingangsanschluß 1 der Schaltung zur Spannungsregelung verbunden. Der Umschalter 27 weist zum Zuführen eines Umschaltbefehls einen Steuereingang auf, an dem ein Komparator 28 mit seinem Ausgang angeschlossen ist. Der Komparator 28 weist zwei Eingänge auf, die zum einen mit dem Ausgang 24 des weiteren Regelkreises und zum anderen mit dem Ausgang 15 des Referenzgenerators 5 verbunden sind.
Mit dem PMOS-Regeltransistor 22 wird eine geregelte Spannung mit größtmöglichem Spannungspegel bereitgestellt. Der Komparator 28 in Verbindung mit dem Spannungsumschalter 27 ermöglichen, daß beim Einschalten der Versorgungsspannung am Anschluß 1 diese zunächst den Referenzgenerator 5 versorgt und später, wenn die am Ausgang 24 abgreifbare Hilfsspannung hochgelaufen ist, auf diese umgeschaltet wird. Hierdurch kann die Einstreuung von Störungen, insbesondere auf den Referenzgenerator 5 und den Verstärker 4, weiter reduziert werden, so daß die Qualität der am Ausgangsanschluß 2 abgreifbaren Spannung, welche geregelt ist, weiter verbessert ist.
Fig. 4 zeigt einen in CMOS-Schaltungstechnik aufgebauten, zweistufigen Operationsverstärker, wie er bevorzugt bei Schaltungen gemäß Fig. 1 und 3 eingesetzt ist. Bei Fig. 1 sind die Operationsverstärker 4 und 13, und bei Fig. 3 zusätzlich der Operationsverstärker 23 bevorzugt als zweistufiger Operationsverstärker wie in Fig. 4 gezeigt ausgeführt.
Der Operationsverstärker gemäß Fig. 4 hat einen invertierenden Eingang 30, einen nicht-invertierenden Eingang 31 und einen Ausgang 32. Zusätzlich sind Hilfseingänge 33, 34 vorgesehen. Der Operationsverstärker ist zwischen einen Versorgungspotentialanschluß 35 und einen Bezugspotentialanschluß 36 geschaltet. Während am Hilfseingang 33 ein Umschaltbefehl zum Versetzen des Operationsverstärkers in einen Ruhezustand (power down) zugeführt werden kann, ist am Anschluß 34 ein Ruhe- oder Vorstrom, englisch BIAS, zuführbar. Der Operationsverstärker ist als Differenzverstärker aufgebaut und stellt an seinem Ausgang 32 ein Signal bereit, welches abhängig ist von der Spannungsdifferenz der an den Eingängen 30, 31 anliegenden Signale. Der Operationsverstärker 4 ist zweistufig ausgeführt und mit einer Millerkompensation zur Stabilisierung des Frequenzgangs ausgestattet.
Von besonderer Bedeutung bei dem Operationsverstärker gemäß Fig. 4 bei Einsatz in einer Schaltung zur Spannungsregelung gemäß Fig. 1 oder 3 ist, daß das am Ausgang 32 abgreifbare Signal nahezu bis zur positiven Versorgungsspannung hin, welche am Versorgungsanschluß 35 zugeführt wird, aussteuerbar ist. Dies wird bei dem zweistufigen Operationsverstärker dadurch erzielt, daß die beiden komplementären Ausgangstransistoren 37, 38 der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers beide mit einem von der Eingangs-Differenzspannung abhängigen Signal angesteuert werden.
Fig. 5 zeigt anhand eines Schaubildes einen Einschaltvorgang des Spannungsreglers von Fig. 1. Dabei sind verschiedene Spannungspegel A, B, C, D in Abhängigkeit von der vom Referenzgenerator 5 bereitgestellten Bandgap-Spannung eingezeichnet. Diese wurde bei dem Schaubild von Fig. 5 zu Simulationszwecken von 0 Volt auf ihren Nennwert von 1,2 Volt hochgefahren. Deutlich erkennbar ist die grundsätzlich konstante Spannungsdifferenz von ca. 0,5 Volt zwischen dem Pegel A am Eingang der Ausgangsstufe und dem Pegel B am Schaltungsknoten 12. Erst wenn die Versorgungsspannung diese Spannungsdifferenz nicht mehr ermöglicht, bleibt der Signalpegel B konstant, während der Pegel C, der den Spannungswert am Steuereingang des Stellgliedes 11 des Hilfsreglers beschreibt, auf 0 Volt geht. Somit liegt die volle Versorgungsspannung am Gate des Transistors an. Die Kurve D beschreibt die geregelte Spannung am Ausgang 2 der Schaltung. Das Schaubild nach Fig. 5 belegt demnach die wirksame Begrenzung der über der Ausgangsstufe 3 abfallenden Spannung.
Fig. 6 zeigt den Verlauf der Versorgungsspannung von 0 Volt hoch auf 2,5 Volt und wieder zurück über der Zeitachse t bei der Schaltungsanordnung von Fig. 1. Dabei ist der Versorgungsspannung eine Störung mit einer Amplitude von 100 mV überlagert. Man erkennt, daß bei der geregelten Ausgangsspannung D der Wert dieser Störung auf 1 mV reduziert ist. Somit zeigt das Schaubild von Fig. 6 die guten PSRR-Eigenschaften, das heißt die gute Unterdrückung von Störungen auf der Versorgungsspannung, die durch das vorliegende Prinzip der Spannungsregelung bewirkt ist.
Dies wird insbesondere durch die Darstellung von Fig. 7 deutlich, welche eine Ausschnittsvergrößerung des Schaubildes von Fig. 6 mit höherer Auflösung der Zeitachse zeigt. Bezugszeichenliste 1 Eingangsanschluß
2 Ausgangsanschluß
3 Ausgangsstufe
4 Vergleicher
5 Referenzgenerator
6 Widerstand
7 Widerstand
9 Ohmsche Last
10 Kapazitive Last
11 Stellglied
12 Schaltungsknoten
13 weiterer Vergleicher
14 Festwert-Spannungsquelle
15 Ausgang
16 Eingang
17 Transistor
18 Bezugspotentialanschluß

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung, aufweisend
einen Eingangsanschluß (1) zum Zuführen einer Versorgungsspannung,
einen Ausgangsanschluß (2) zum Abgreifen einer Ausgangsspannung (D),
eine Ausgangsstufe (3), die einen Steuereingang und eine gesteuerte Strecke mit einem ersten und einem zweiten Lastanschluß umfaßt, wobei der erste Lastanschluß mit dem Eingangsanschluß (1) der Schaltungsanordnung gekoppelt ist und der zweite Lastanschluß mit dem Ausgangsanschluß (2) der Schaltungsanordnung verbunden und über eine elektrische Last (9, 10) mit einem Bezugspotentialanschluß (8) gekoppelt ist,
einen Referenzgenerator (5), der an seinem Ausgang ein Referenzpotential bereitstellt,
einen Vergleicher (4), der einen ersten Eingang umfaßt, welcher mit dem Referenzgenerator (5) verbunden ist, und der einen zweiten Eingang umfaßt, welcher mit dem Ausgangsanschluß (2) der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, zur Regelung der Ausgangsspannung, und
einen Hilfsregler (11, 12, 13, 14) zur Begrenzung der über der Ausgangsstufe abfallenden Spannung, umfassend ein Stellglied (11), welches den Eingangsanschluß (1) mit der gesteuerten Strecke der Ausgangsstufe (3) in einem Schaltungsknoten (12) koppelt und umfassend einen weiteren Vergleicher (13) mit einem Sollwert-Eingang, der mit dem Steuereingang der Ausgangsstufe (3) gekoppelt ist und mit einem Istwert-Eingang, der mit dem Schaltungsknoten (12) gekoppelt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung des Sollwert-Eingangs des Vergleichers (13) im Hilfsregler mit dem Steuereingang der Ausgangsstufe (3) eine potentialfreie Festwert-Spannungsquelle (14) vorgesehen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die potentialfreie Festwert-Spannungsquelle (14) als floatende Batterie ausgebildet ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstufe (3) einen MOS-Transistor umfaßt.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (11) des Hilfsreglers als MOS-Transistor ausgebildet ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kopplung des Ausgangsanschlusses (2) der Schaltungsanordnung mit dem zweiten Eingang des Vergleichers (4) ein Spannungsteiler (6, 7) vorgesehen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (4) der Schaltungsanornung und der weitere Vergleicher (13) im Hilfsregler jeweils als Operationsverstärker ausgebildet sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannungsversorgung des Referenzgenerators ein weiterer Regelkreis (22-28) vorgesehen ist, umfassend
ein Stellglied (22) mit einem Steuereingang und einer gesteuerten Strecke, die den Eingangsanschluß (1) der Schaltungsanordnung mit einem Ausgang (24) des weiteren Regelkreises verbindet und mit einem Versorgungsanschluß (16) des Referenzgenerators (5) koppelt, und
einen Vergleicher (23) mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang (15) des Referenzgenerators (5) gekoppelt ist, mit einem zweiten Eingang, der mit Ausgang (24) des weiteren Regelkreises gekoppelt ist und mit einem Ausgang, der mit dem Eingang (16) des Referenzgenerators (5) verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter (27) vorgesehen ist, mit einem ersten Eingang, der mit dem Eingangsanschluß (1) der Schaltungsanordnung verbunden ist, mit einem zweiten Eingang, der an den Ausgang (24) des weiteren Regelkreises angeschlossen ist und mit einem Ausgang, der an den Eingang (16) des Referenzgenerators (5) angeschlossen ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (28) vorgesehen ist, mit einem ersten Eingang, der an den Ausgang (24) des weiteren Regelkreises angeschlossen ist, mit einem zweiten Eingang, der mit dem Ausgang (15) des Referenzgenerators (5) verbunden ist und mit einem Ausgang, der an einen Steuereingang des Umschalters (27) zum Zuführen eines Umschaltbefehls angeschlossen ist.