DE10218344A1

DE10218344A1 - Generation of a voltage stabilized reference voltage for voltage regulation

Info

Publication number: DE10218344A1
Application number: DE2002118344
Authority: DE
Inventors: Alan Morgan
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2003-07-17

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung (40) zum Erzeugen einer Referenzspannung (Vr) für die Spannungsstabilisierung in einer Stromversorgungsschaltung, die gespeist wird durch eine unstabilisierte Speisespannung (Ve) gegebenen Nennwertes und die eine Referenzquelle (41) enthält, welche an ihrem Betriebsspannungseingang (41a) eine Betriebsspannung (Vb) innerhalb eines spezifischen Nennbereiches benötigt, um an ihrem Ausgang die Referenzspannung (Vr) mit einer gewünschten Stabilität zu erzeugen. Der spezifische Nennbereich der Betriebsspannung (Vb) der Referenzquelle (41) liegt oberhalb des gegebenen Nennwertes der unstabilisierten Speisespannung (Ve) für die Stromversorgungsschaltung. Dem Betriebsspannungseingang (41a) der Referenzquelle (41) ist eine Ladungslampe (42) vorgeschaltet zum Empfang der unstabilisierten Speisespannung (Ve) der Stromversorgungsschaltung und zum Anheben dieser Spannung auf einen Wert innerhalb des spezifischen Nennbereiches der Betriebsspannung der Referenzquelle (41).The invention relates to a device (40) for generating a reference voltage (Vr) for voltage stabilization in a power supply circuit, which is fed by a nominal value given an unstabilized supply voltage (Ve) and which contains a reference source (41) which is connected to its operating voltage input (41a ) requires an operating voltage (Vb) within a specific nominal range in order to generate the reference voltage (Vr) with a desired stability at its output. The specific nominal range of the operating voltage (Vb) of the reference source (41) lies above the given nominal value of the unstabilized supply voltage (Ve) for the power supply circuit. A charge lamp (42) is connected upstream of the operating voltage input (41a) of the reference source (41) for receiving the unstabilized supply voltage (Ve) of the power supply circuit and for raising this voltage to a value within the specific nominal range of the operating voltage of the reference source (41).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen einer Referenzspannung für die Spannungsstabilisierung in einer Stromversorgungsschaltung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bevorzugtes, jedoch nicht ausschließliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Stromversorgung in integrierten Schaltungen. The invention relates to a device for generating a Reference voltage for voltage stabilization in one Power supply circuit, according to the preamble of Claim 1. Preferred, but not exclusive Field of application of the invention is the power supply in integrated circuits.

Für den Betrieb von elektrischen Nutzschaltungen werden häufig stabilisierte Gleichspannungen benötigt, die mittels Spannungsreglern aus mehr oder weniger unstabilisierten Speisequellen wie Netzgleichrichtern, Batterien, Akkumulatoren oder Solarzellen abgeleitet werden müssen. Die betreffenden Konstantregler brauchen hierzu eine stabile Referenzspannung, die möglichst unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen und anderen Umgebungseinflüssen ist. Der Stand der Technik bietet eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen von Referenzquellen, die für diese Zwecke geeignet sind. Eine Übersicht geben z. B. U. Tietze und Ch. Schenk in dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik", Verlag Springer, 11. Auflage 1999, Kapitel 16.4, und R. Jacob u. a. in dem Buch "CMOS", IEEE Press, New York 1998, Teil III, Kapitel 21. Stabilized direct voltages are often required for the operation of electrical useful circuits, which have to be derived by means of voltage regulators from more or less unstabilized supply sources such as mains rectifiers, batteries, accumulators or solar cells. The constant regulators in question need a stable reference voltage that is as insensitive as possible to temperature fluctuations and other environmental influences. The prior art offers a variety of different embodiments of reference sources that are suitable for these purposes. Give an overview z. BU Tietze and Ch. Schenk in the book "Semiconductor Circuit Technology", Verlag Springer, 11th edition 1999 , chapter 16.4, and R. Jacob and others in the book "CMOS", IEEE Press, New York 1998 , part III, chapter 21 ,

Für integrierte Schaltungen werden derzeit allgemein bekannte Referenzquellen mit so genannter "Bandabstands-Referenz" (bandgap reference) bevorzugt. Hierbei wird die Durchlaßspannung am pn-Übergang eines Halbleiterelementes als Referenz genutzt, z. B. die Durchlaßspannung einer Diode oder die Basis-Emitter-Spannung eines Bipolartransistors. Die Kompensation des negativen Temperaturkoeffizienten dieser Spannung erfolgt mittels eines Elementes, das einen passenden positiven Temperaturkoeffizienten hat, oder durch Verwendung zweier Halbleiterelemente, die mit verschiedenen Stromdichten betrieben werden und die Eingänge eines Differenzverstärkers bzw. Stromspiegels steuern. Prinzipschaltbilder hierzu finden sich bei Tietze/Schenk aaO (Seite 976, Abb. 16.26) und auch bei R. Jacob u. a. aaO (Seite 478, Fig. 21.14). For integrated circuits, generally known reference sources with a so-called "bandgap reference" are preferred. The forward voltage at the pn junction of a semiconductor element is used as a reference, for. B. the forward voltage of a diode or the base-emitter voltage of a bipolar transistor. The compensation of the negative temperature coefficient of this voltage takes place by means of an element which has a suitable positive temperature coefficient, or by using two semiconductor elements which are operated with different current densities and which control the inputs of a differential amplifier or current mirror. Block diagrams for this can be found at Tietze / Schenk op. Cit. (Page 976, Fig. 16.26) and also at R. Jacob et al . Loc. Cit. (Page 478, Fig. 21.14).

Derartige Referenzquellen und auch andere Formen, z. B. Referenzquellen mit Z-Diode, benötigen natürlich eine Betriebsspannung und arbeiten nur dann optimal, wenn diese Betriebsspannung innerhalb eines bestimmten Nennbereich liegt, der spezifisch für die jeweilige Konstruktion der Referenzquelle ist. Im allgemeinen steht für eine elektrische Baugruppe, welche sowohl die Stromversorgungsschaltung mitsamt der zugehörigen Referenzquelle als auch die zu versorgenden Nutzschaltungen enthält, nur eine einzige gemeinsame externe Energiequelle zur Verfügung, welche die unstabilisierte Speisespannung liefert. Es ist daher üblich, die Referenzquelle speziell für ihren Betrieb mit der externen unstabilisierten Speisespannung auszulegen. Such reference sources and other forms, e.g. B. Reference sources with a Z diode, of course, need one Operating voltage and only work optimally when this Operating voltage is within a certain nominal range that specific to the respective construction of the reference source is. Generally stands for an electrical assembly, which both the power supply circuit together with the associated reference source as well as the ones to be supplied Useful circuits contains only a single common external Energy source available, which is the unstabilized Supply voltage supplies. It is therefore common to use the reference source specifically for their operation with the external unstabilized To design supply voltage.

Die fortschreitende Entwicklung tendiert zu immer kleineren Speisespannungen für elektrische Baugruppen. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Einer dieser Gründe kann der Wunsch nach technischer Vereinfachung von Energiequellen wie Batterien oder Akkumulatoren oder Solarmodule sein: je kleiner die von ihnen zu liefernde Speisespannung ist, desto weniger gleichartige Batterie-, Akku- oder Solarzellen müssen hintereinander geschaltet werden. Für gleiche elektrische Leistung muß dann zwar die Reaktionsfläche pro Zelle vergrößert werden, was aber im Endeffekt meist weniger Platz beansprucht, geringeren Verdrahtungs- und Herstellungsaufwand bedeutet und weniger Kontaktierungsprobleme bringt als die Hintereinanderschaltung einer größeren Anzahl getrennter Zellen. Darüber hinaus führt die zunehmende Miniaturisierung vieler Nutzschaltungen, insbesondere digitaler Speicherschaltungen, zur Verwendung immer kleinerer elektronischer Schaltelemente, für deren Betrieb meist auch geringere stabilisierte Versorgungsspannungen ausreichen. Somit ließe sich auch aus diesem Grund der Nennwert der unstabilisierten Speisespannung vermindern, aus welcher diese Versorgungsspannungen abgeleitet werden. The progressive trend tends to smaller and smaller Supply voltages for electrical assemblies. The reasons there are many for this. One of these reasons may be the desire for technical simplification of energy sources such as batteries or accumulators or solar modules: the smaller that of the supply voltage to be supplied to them, the less Similar battery, accumulator or solar cells must be connected in series. For the same electrical power must then the reaction area per cell is increased, but what ultimately takes up less space, means less wiring and production costs and brings fewer contact problems than that Connecting a large number of separate cells in series. About that the increasing miniaturization leads many Useful circuits, in particular digital memory circuits, for Use of ever smaller electronic switching elements, for whose operations mostly also stabilized less Sufficient supply voltages. This is also the reason why reduce the nominal value of the unstabilized supply voltage, from which these supply voltages are derived.

Bei einer Umstellung auf eine andere Speisespannung muß natürlich die Stromversorgungsschaltung entsprechend angepaßt werden. Dies betrifft zum einen die Spannungsregler, deren Arbeitspunkte so eingestellt werden müssen, daß sie die gewünschten stabilisierten Versorgungsspannungen bei Betreiben mit der geringeren Speisespannung liefern. Meist wird hierzu keine grundlegend neue Konzipierung des Reglerentwurfs notwendig sein, in vielen Fällen dürfte es sogar genügen, eventuell vorhandene Trimmeinrichtungen auszunutzen. Die notwendige Anpassung der Stromversorgungsschaltung an die neue Speisespannung betrifft aber auch die Einrichtung zur Erzeugung der Referenzspannung für diese Regler. When changing over to a different supply voltage of course, the power supply circuit adapted accordingly become. On the one hand, this concerns the voltage regulators, their Operating points must be set so that they desired stabilized supply voltages during operation deliver with the lower supply voltage. Mostly this is no fundamentally new design of the controller design may be necessary, in many cases it may even be sufficient to use any existing trimming devices. The necessary adjustment of the power supply circuit to the new Supply voltage also affects the device for Generation of the reference voltage for these controllers.

Wie oben erwähnt, müssen Referenzquellen speziell für die jeweils verwendete Betriebsspannung ausgelegt sein, und zwar schon im Konzept ihres Entwurfs. Bei Bandabstands-Referenzquellen kann man versuchen, eine Anpassung an eine geringere Betriebsspannung zu erreichen durch Verminderung der Schwellenspannung einiger ausgewählter Exemplare der MOS-Feldeffekttransistoren, die an kritischen Stellen in den Differenzverstärker- oder Stromspiegel-Schaltungen der Referenzquelle verwendet werden, so daß der Spannungsabfall an diesen Elementen vermindert wird, in der Hoffnung, hierdurch die Arbeitsqualität der Referenzquelle zu verbessern. Die besagte Schwellenspannung läßt sich vermindern z. B. durch dünnere Ausbildung des Oxids oder durch andere Spezifikation der Implantierung. Dabei müssen jedoch größere Transistoren verwendet werden, um unerwünschte Beeinträchtigungen des Betriebs durch Transistor-Fehlanpassung gering zu halten. As mentioned above, reference sources need to be specific to the operating voltage used in each case be designed, namely already in the concept of your design. at Bandgap reference sources can be tried to adapt to a smaller one Achieve operating voltage by reducing the Threshold voltage of some selected copies of the MOS field effect transistors, which are located at critical points in the Differential amplifier or current mirror circuits of the reference source be used so that the voltage drop across this In the hope that the elements will be reduced To improve the quality of work of the reference source. The said Threshold voltage can be reduced e.g. B. thinner Formation of the oxide or by other specification of the Implantation. However, larger transistors are required used to reduce undesirable operation to keep low by transistor mismatch.

Solche und andere Neukonzipierungen einer Referenzquelle sind relativ aufwändig und erfordern zumeist eine Reihe von Versuchsentwürfen und Praxistests, um ihr Verhalten unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen auszuprobieren. Angesichts dessen kann es wirtschaftlicher sein, den Nennwert der unstabilisierten Speisespannung für eine elektrische Baugruppe entsprechend dem Nennbereich der Betriebsspannung einer Referenzquelle auszuwählen, deren Entwurf bereits existiert und die sich in der Praxis bewährt hat, als die Speisespannung nach anderen Kriterien auszusuchen, deren Erfüllung ebenfalls wichtig wäre. Dies schränkt die Flexibilität der Hersteller von elektronischen Baugruppen ein. Such and other redesigns of a reference source are relatively complex and usually require a number of Experimental designs and practical tests to demonstrate their behavior among the to try out the actual operating conditions. in view of of which it may be more economical to use the face value of the unstabilized supply voltage for an electrical assembly corresponding to the nominal range of the operating voltage Select a reference source whose design already exists and which has proven itself in practice as the supply voltage to choose according to other criteria, their fulfillment also would be important. This limits the flexibility of the manufacturers of electronic assemblies.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Erzeugung der Referenzspannung für die Spannungsstabilisierung in der Versorgungsschaltung einer elektrischen Baugruppe so auszubilden, daß eine größere Flexibilität hinsichtlich Vorgabe des Nennwertes der unstabilisierten Speisespannung besteht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Einrichtung gelöst. The object of the invention is to provide a device for Generation of the reference voltage for the Voltage stabilization in the supply circuit of an electrical assembly train so that greater flexibility with regard Specification of the nominal value of the unstabilized supply voltage consists. This object is achieved by the im Claim 1 marked device solved.

Demnach wird die Erfindung realisiert an einer Einrichtung zum Erzeugen einer Referenzspannung für die Spannungsstabilisierung in einer Stromversorgungsschaltung, die gespeist wird durch eine unstabilisierte Speisespannung gegebenen Nennwertes und die eine Referenzquelle enthält, welche an ihrem Betriebsspannungseingang eine Betriebsspannung innerhalb eines spezifischen Nennbereiches benötigt, um an ihrem Ausgang die Referenzspannung mit einer gewünschten Stabilität zu erzeugen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Nennbereich der Betriebsspannung der Referenzquelle oberhalb des gegebenen Nennwertes der unstabilisierten Speisespannung für die Stromversorgungsschaltung liegt und daß dem Betriebsspannungseingang der Referenzquelle eine Ladungspumpe vorgeschaltet ist zum Empfang der unstabilisierten Speisespannung der Stromversorgungsschaltung und zum Anheben dieser Spannung auf einen Wert innerhalb des spezifischen Nennbereiches der Betriebsspannung der Referenzquelle. Vorzugsweise ist die verwendete Referenzquelle eine Bandabstands-Referenzquelle. Accordingly, the invention is implemented on a device to generate a reference voltage for the Voltage stabilization in a power supply circuit that is powered given by an unstabilized supply voltage Nominal value and which contains a reference source which is based on its Operating voltage input an operating voltage within a specific nominal range is required in order to obtain the Reference voltage with a desired stability produce. The invention is characterized in that the specific nominal range of the operating voltage of the reference source above the given nominal value of the unstabilized Supply voltage for the power supply circuit is and that the operating voltage input of the reference source Charge pump is connected upstream to receive the unstabilized Supply voltage of the power supply circuit and for lifting this voltage to a value within the specific Nominal range of the operating voltage of the reference source. The reference source used is preferably a Bandgap reference source.

Die erfindungsgemäße Einrichtung nutzt also eine Ladungspumpe, um eine Diskrepanz zwischen dem optimalen Betriebsspannungsbereich der Referenzquelle und dem Nennwert der unstabilisierten Speisespannung auszugleichen. Somit bedarf es keiner speziellen Konzipierung der Referenzquelle, um sie an eine ausgewählte Speisespannung anzupassen. Es kann also jede bereits bewährte Referenzquelle verwendet werden (bewährt z. B. auch in Massenproduktion), deren optimaler Betriebsspannungsbereich höher liegt als die Speisespannung. Umgekehrt kann bei vorhandener bewährter Referenzquelle die Speisespannung unter die optimale Betriebsspannung dieser Referenzquelle gesenkt werden. Die erfindungsgemäße Einfügung einer geeignet dimensionierten Ladungspumpe bedeutet im allgemeinen weniger Aufwand als die Neukonzipierung einer Referenzquelle, insbesondere wenn eine Bandabstands-Referenzquelle gewünscht ist. Somit wird durch die Erfindung die Freiheit in der Wahl der Speisespannung für eine herzustellende elektrische Baugruppe vergrößert. The device according to the invention therefore uses a Charge pump to discrepancy between the optimal Operating voltage range of the reference source and the nominal value of the to compensate for unstabilized supply voltage. So there is a need no specific design of the reference source to use it adapt a selected supply voltage. So anyone can already proven reference source can be used (proven z. B. also in mass production), their optimal Operating voltage range is higher than the supply voltage. Vice versa can with the existing proven reference source Supply voltage below the optimal operating voltage of this Reference source can be lowered. The insertion of a suitably dimensioned charge pump generally means less effort than redesigning a reference source, especially if a bandgap reference source is desired is. Thus, the invention gives freedom of choice the supply voltage for an electrical to be manufactured Assembly enlarged.

Ladungspumpen zur Spannungsanhebung sind an sich bekannt, und zwar in unterschiedlichsten Bauarten, und für die erfindungsgemäße Einrichtung kann irgendeine geeignete Bauart verwendet werden. Bekannt ist auch der Einsatz von spannungserhöhenden (oder auch spannungssenkenden) Ladungspumpen in Einrichtungen zur Stromversorgung, jedoch nur zur Anhebung (oder Absenkung) von Spannungen für die zu versorgenden Nutzschaltungen. Hierdurch ist aber nicht nahegelegt, eine Ladungspumpe im Wege der Referenzspannungs-Erzeugung für die Spannungsstabilisierung in einer Stromversorgungsschaltung zu verwenden und dadurch den Aufwand für die Neukonzipierung von Referenzquellen zu vermeiden. Charge pumps for voltage boosting are known per se, and in different designs, and for The device according to the invention can be of any suitable type become. The use of voltage-increasing agents is also known (or voltage-reducing) charge pumps in facilities for power supply, but only for raising (or lowering) of voltages for the useful circuits to be supplied. However, this does not suggest a charge pump in the way the reference voltage generation for the Use voltage stabilization in a power supply circuit and thereby the effort for the redesign of reference sources to avoid.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung erläutert, die ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung und deren Einsatz in einer elektrischen Baugruppe illustriert. The invention is described below with the aid of a drawing explained that an embodiment of an inventive Reference voltage generating device and its use in an electrical assembly illustrated.

Die Zeichnung zeigt als Bestandteile einer elektrischen Baugruppe eine Nutzschaltung 1, die rechts im Bild nur durch eine gestrichelte Rahmenlinie angedeutet ist, und eine Versorgungsschaltung 2, deren wesentliche Komponenten schematisch innerhalb einer ebenfalls gestrichelten Umrahmung dargestellt sind. Die gesamte Baugruppe kann auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert sein. Die Nutzschaltung 1 kann beliebiger Art sein, z. B. ein DRAM mit Speichermatrix, Zeilen- und Spaltendecodern und Controller und gegebenenfalls weiteren Peripherieschaltungen. Der innere Aufbau und die Einzelteile der Nutzschaltung 1 sind nicht dargestellt, ebensowenig ihre diversen Anschlüsse für Daten- und Steuersignale, da dies für die Beschreibung der Erfindung nicht notwendig ist. As part of an electrical assembly, the drawing shows a useful circuit 1 , which is indicated on the right in the figure only by a dashed frame line, and a supply circuit 2 , the essential components of which are shown schematically within a dashed frame. The entire assembly can be integrated on a common semiconductor chip. The useful circuit 1 can be of any type, e.g. B. a DRAM with memory matrix, row and column decoders and controllers and possibly other peripheral circuits. The internal structure and the individual parts of the useful circuit 1 are not shown, nor are their various connections for data and control signals, since this is not necessary for the description of the invention.

Die Nutzschaltung 1 enthält verschiedene Metallisierungsnetze für die Verteilung der verschiedenen Versorgungsspannungen, die für den Betrieb der Elemente der Nutzschaltung erforderlich sind. Hierzu gehören z. B. die Peripheriespannung, die Potentiale für die verwendete Logik, besondere Deaktivierungspotentiale u. dergl. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in der Zeichnung nur die Zuleitungen 11 und 12 für zwei dieser Versorgungsnetze dargestellt, für zwei verschiedene Versorgungsspannungen V₁ und V₂. Diese Spannungen können z. B. zwei verschiedene Werte für das "hohe" H-Potential (high level) liefern, wie sie für den Betrieb verschiedener Typen von Schalt- oder Logikelementen in digitalen Nutzschaltungen benötigt werden. Die Spannungen V₁ und V₂ und weitere nachfolgend benannten Spannungen sind beim hier beschriebenen Beispiel, sofern nichts anderes angegeben, auf ein gemeinsames Null- oder Massepotential bezogen, für welches ein entsprechendes (nicht dargestelltes) Metallisierungsnetz in der Baugruppe existiert. The useful circuit 1 contains various metallization networks for the distribution of the different supply voltages that are required for the operation of the elements of the useful circuit. These include e.g. B. the peripheral voltage, the potentials for the logic used, special deactivation potentials u. For the sake of clarity, only the supply lines 11 and 12 for two of these supply networks are shown in the drawing, for two different supply voltages V ₁ and V ₂ . These voltages can e.g. B. provide two different values for the "high" H potential (high level), as are required for the operation of different types of switching or logic elements in digital useful circuits. In the example described here, the voltages V ₁ and V ₂ and further voltages mentioned below are, unless otherwise stated, based on a common zero or ground potential for which a corresponding (not shown) metallization network exists in the module.

Die Versorgungsspannungen V₁ und V₂ werden in der Versorgungsschaltung 2 erzeugt, die durch eine extern angelegte Speisespannung V_e gespeist wird. Um die Versorgungsspannungen zu bemessen und gegenüber Schwankungen der externen Speisespannung V_e zu stabilisieren, ist für jede der Versorgungsspannungen ein gesonderter Regelkreis als "Versorgungsregler" vorgesehen. Gezeigt sind nur die Regelkreise 10 und 20 für die Versorgungsspannungen V₁ und V₂; für jede weitere Versorgungsspannung ist vorzugsweise ein ähnlicher Regelkreis vorhanden (nicht dargestellt). Die externe Spannung V_e hat im dargestellten Fall positive Polarität und wird der Versorgungsschaltung 2 an einem äußeren Anschluß (Pin) 90 angelegt. The supply voltages V ₁ and V ₂ are generated in the supply circuit 2 , which is fed by an externally applied supply voltage V _e . In order to measure the supply voltages and to stabilize them against fluctuations in the external supply voltage V _e , a separate control circuit is provided as a "supply regulator" for each of the supply voltages. Only the control loops 10 and 20 for the supply voltages V ₁ and V _{2 are shown} ; a similar control circuit is preferably provided for each additional supply voltage (not shown). In the case shown, the external voltage V _e has positive polarity and is applied to the supply circuit 2 at an external connection (pin) 90 .

Beim dargestellten Beispiel enthält der Versorgungsregler 10 einen P-Kanal-Feldeffekttransistor (P-FET) 13, dessen Kanal zwischen einer die Spannung V_e führenden Leitung 91 und der die Versorgungsspannung V₁ liefernden Ausgangsleitung 11 geschaltet ist und dessen Gateelektrode mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers 14 verbunden ist. Zwischen der Ausgangsleitung 11 und dem Nullpotential liegen zwei hintereinander geschaltete Widerstände 15 und 16 mit festen Widerstandswerten R15 bzw. R16, die einen Spannungsteiler bilden, dessen Abgriff (Verbindungspunkt der Widerstände) mit einem ersten Eingang des Differenzverstärkers 14 verbunden ist. Der zweite Eingang des Differenzverstärkers 14 ist zum Empfang einer Versorgungs-Referenzspannung V_rs angeschlossen. Wie leicht einzusehen ist, liefert der so gebildete Regelkreis auf der Leitung 11 die Versorgungsspannung V₁ mit einem Wert, der auf V_rs(R₁₅ + R₁₆)/R₁₆ stabilisiert ist, unabhängig von Schwankungen der externen Spannung V_e. In the example shown, the supply regulator 10 contains a P-channel field effect transistor (P-FET) 13 , the channel of which is connected between a line 91 carrying the voltage V _e and the output line 11 supplying the supply voltage V ₁ , and its gate electrode with the output of a differential amplifier 14 is connected. Between the output line 11 and the zero potential there are two series-connected resistors 15 and 16 with fixed resistance values R15 and R16, respectively, which form a voltage divider whose tap (connection point of the resistors) is connected to a first input of the differential amplifier 14 . The second input of the differential amplifier 14 is connected to receive a supply reference voltage V _rs . As can be easily seen, the control circuit thus formed supplies the supply voltage V ₁ on line 11 with a value which is stabilized at V _rs (R ₁₅ + R ₁₆ ) / R ₁₆ , regardless of fluctuations in the external voltage V _e .

Der Regler 20 für die Versorgungsspannung V₂ und gegebenenfalls alle weiteren Versorgungsregler für weitere Versorgungsspannungen empfangen als Referenzgröße ebenfalls die Versorgungs-Referenzspannung V_rs und können genau so aufgebaut sein wie der Regler 10, nur daß das Verhältnis der Widerstände des Spannungsteilers dort anders gewählt ist, um der betreffenden Versorgungsspannung jeweils den gewünschten Wert zu geben. Generell wird also für jede Versorgungsspannung ein eigener Spannungsgenerator gebildet, der die betreffende Versorgungsspannung aus der externen Spannung V_e als eine Teilspannung ableitet, deren Wert jeweils auf ein festes Verhältnis zur gemeinsamen Versorgungs-Referenzspannung V_rs stabilisiert ist. The regulator 20 for the supply voltage V ₂ and possibly all further supply regulators for further supply voltages also receive the supply reference voltage V _rs as a reference _variable and can be constructed exactly like the regulator 10 , except that the ratio of the resistances of the voltage divider is chosen differently there, to give the respective supply voltage the desired value. In general, therefore, a separate voltage generator is formed for each supply voltage, which derives the relevant supply voltage from the external voltage V _e as a partial voltage, the value of which is stabilized in each case to a fixed ratio to the common supply reference voltage V _rs .

In manchen Versorgungsschaltungen sind besondere Maßnahmen getroffen, um die Versorgungsspannungen V₁, V₂, usw. gleichsinnig zu verstellen, etwa zum Testen der Nutzschaltung 1 mit verschiedenen Versorgungsspannungswerten und/oder zum Trimmen der Versorgungsspannungen. Hierzu braucht nur die Versorgungs-Referenzspannung V_rs in entsprechendem Sinn verstellt zu werden. Um dies zu ermöglichen, kann zusätzlich ein Spannungsregler 30 verwendet und so ausgelegt werden, daß er auf verschiedene V_rs-Werte getrimmt werden kann. Dieser "Referenzspannungsregler" 30 ist im dargestellten Fall ähnlich aufgebaut wie jeder der Versorgungsregler 10, 20. D. h. der Regler 30 enthält einen P-FET, einen Differenzverstärker und einen Spannungsteiler, wobei diese Teile in gleicher Weise verschaltet sind und wirken, wie es anhand des Regelkreises 10 beschrieben wurde. Der Regler 30 wird ebenfalls von der unstabilisierten Speisespannung V_e gespeist und empfängt an seinem Referenzeingang eine übergeordnete Referenzspannung V_r. Um den Regler 30 auf verschiedene Werte seiner Ausgangsspannung V_rs trimmen zu können, ist sein Spannungsteiler verstellbar ausgebildet, wie in der Zeichnung durch Verstellsymbole an den Spannungsteilerwiderständen des Reglers 30 angedeutet. Ungeachtet einer Trimmbarkeit kann der Regler 30 aber auch für die Funktion eines Leistungsverstärkers ausgelegt sein, um insbesondere bei Vorhandensein mehrerer Versorgungsregler 10, 20, etc. die Belastung der die Referenzspannung liefernden Quelle gering zu halten. In some supply circuits, special measures are taken to adjust the supply voltages V ₁ , V ₂ , etc. in the same direction, for example to test the useful circuit 1 with different supply voltage values and / or to trim the supply voltages. To do this, only the supply reference voltage V _rs needs to be adjusted in a corresponding manner. To make this possible, a voltage regulator 30 can additionally be used and designed in such a way that it can be trimmed to different V _rs values. In the case shown, this “reference voltage regulator” 30 is constructed similarly to each of the supply regulators 10 , 20 . I.e. controller 30 contains a P-FET, a differential amplifier and a voltage divider, these parts being connected and operating in the same way as was described with reference to control loop 10 . The regulator 30 is also fed by the unstabilized supply voltage V _e and receives a superordinate reference voltage V _r at its reference _input . In order to be able to trim the controller 30 to different values of its output voltage V _rs , its voltage divider is designed to be adjustable, as indicated in the drawing by adjusting symbols on the voltage divider resistors of the controller 30 . Regardless of a trimmability, the controller 30 can also be designed for the function of a power amplifier, in order to keep the load on the source supplying the reference voltage low, in particular if several supply controllers 10 , 20 , etc. are present.

Voraussetzung für eine präzise Stabilisierung der Versorgungsspannungen ist natürlich, daß die Versorgungs-Referenzspannung V_rs selbst stabil ist, was seinerseits eine stabile übergeordnete Referenzspannung V_r voraussetzt. Deswegen ist eine besondere Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung erforderlich, welche die Spannung V_r auf der Basis einer unveränderlichen und hochstabilen Referenz ableitet. In der Zeichnung ist ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Ausbildung einer solchen Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung dargestellt, die insgesamt mit der Bezugszahl 40 bezeichnet ist und deren Bestandteile innerhalb der fetten Umrahmung gezeichnet sind. A prerequisite for precise stabilization of the supply voltages is, of course, that the supply reference voltage V _rs itself is stable, which in turn presupposes a stable superordinate reference voltage V _r . Therefore, a special reference voltage generating device is required, which derives the voltage V _r on the basis of an unchangeable and highly stable reference. The drawing shows an example of an embodiment of such a reference voltage generating device according to the invention, which is denoted overall by reference number 40 and the components of which are drawn within the bold frame.

Wie an sich allgemein bekannt und üblich, enthält die Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung 40 als zentralen Bestandteil eine Referenzquelle 41, bei der es sich im dargestellten Beispielsfall um eine bewährte Bandabstands-Referenzquelle ("Bandgap Reference") handelt, wie sie im oben erwähnten Buch "CMOS" von R. Jacob u. a. dargestellt und ausführlich beschrieben ist (vgl. Teil III, Kapitel 21, Seite 478f. und Fig. 21.14). Natürlich kann auch irgendeine andere geeignete Referenzquelle verwendet werden. Wie bereits erwähnt, liefern solche Quellen an ihrem Ausgang eine hochstabile Referenzspannung V_r nur dann, wenn sie mit einer für die betreffende Quelle recht eng spezifizierten "optimalen" Betriebsspannung V_b betrieben werden. As is generally known and customary per se, the reference voltage generating device 40 contains, as a central component, a reference source 41 , which in the illustrated example is a proven bandgap reference source, as described in the above-mentioned book "CMOS""by R. Jacob and others is described and described in detail (cf. Part III, Chapter 21, page 478f. and Fig. 21.14). Of course, any other suitable reference source can also be used. As already mentioned, such sources only deliver a highly stable reference voltage V _r at their output if they are operated with an "optimal" operating voltage V _b that is very narrowly specified for the source in question.

Die erfindungsgemäße Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung 40 ist so beschaffen, daß sie von einer externen Speisespannung V_e gespeist werden kann, die niedriger ist als die optimale Betriebsspannung V_b der Referenzquelle 41. Hierzu ist dem Betriebsspannungseingang 41a der Referenzquelle 41 eine Ladungspumpe 42 vorgeschaltet, die so dimensioniert ist, daß sie eine an ihrem Eingang 42a angelegte Spannung, die den Wert von V_e hat, auf die optimale Betriebsspannung V_b der Referenzquelle 41 anhebt. The reference voltage generating device 40 according to the invention is designed such that it can be supplied by an external supply voltage V _e , which is lower than the optimum operating voltage V _{b of} the reference source 41 . For this purpose, the operating voltage input 41 a of the reference source 41 is preceded by a charge pump 42 which is dimensioned such that it raises a voltage applied to its input 42 a, which has the value of V _e , to the optimal operating voltage V _{b of} the reference source 41 .

Ladungspumpen sind allgemein bekannt, und zwar in unterschiedlichen Ausführungsformen. Für eine erfindungsgemäße Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung kann jede beliebige Ausführungsform einer Ladungspumpe verwendet werden, welche geeignet ist, bei Empfang der Speisespannung V_e die nachgeschaltete Referenzquelle auf eine Betriebsspannung V_b zu bringen, bei welcher die Referenzquelle optimal zur Lieferung der hochstabilen Referenzspannung V_r arbeitet. Für den Fachmann ist es ohne weiteres möglich, aus der Vielzahl bekannter Schaltungsvorschläge für Ladungspumpen eine geeignete Ausführungsform auszuwählen und für die jeweiligen Werte der Eingangs- und Ausgangsspannung V_e bzw. V_b zu dimensionieren. Schaltungsbeispiele für Ladungspumpen finden sich genügend in der einschlägigen Fachliteratur, so z. B. auch in dem oben erwähnten Buch "CMOS" von R. Jacob (s. Teil II, Kapitel 18, Seiten 364-367). Charge pumps are generally known, in different embodiments. Any embodiment of a charge pump can be used for a reference voltage generating device according to the invention, which is suitable, when receiving the supply voltage V _e, to bring the downstream reference source to an operating voltage V _b at which the reference source works optimally to supply the highly stable reference voltage V _r . It is readily possible for the person skilled in the art to select a suitable embodiment from the large number of known circuit proposals for charge pumps and to dimension them for the respective values of the input and output voltages V _e and V _b . Circuit examples for charge pumps can be found in the relevant specialist literature, e.g. B. also in the above-mentioned book "CMOS" by R. Jacob (see Part II, Chapter 18, pages 364-367 ).

Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der Ladungspumpe 42 ist lediglich ein Beispiel, wie es z. B. von R. Jacob aaO beschrieben ist (Kapitel 18, Seiten 364-365 mit Fig. 18.13). Sie enthält neben einem Pump-Oszillator 53, der z. B. ein astabiler Multivibrator zur Erzeugung einer Rechteckwelle sein kann, einen Inverter 54, zwei Kondensatoren 55, 56 und zwei als Dioden geschaltete N-FETs 57, 58. Der N-FET 57 dient nur dazu, das Potential am Punkt A zwischen dem Kondensator 55 und dem N-FET 58 auf den Wert V_e - V_th zu ziehen, wobei V_th die Schwellenspannung der N-FETs ist. Wenn der Ausgang des Inverters 54 positiv ausschlägt, steigt das Potential am Punkt A auf V_e + (V_e - V_th). Dies macht den N-FET 58 leitend und lädt den Kondensator 56 auf ein Potential, das maximal den Wert V_b = 2(V_e - V_th) erreicht, falls die Kapazität des Kondensators 55 klein gegenüber der Kapazität des Kondensators 56 ist und die Oszillatorfrequenz so niedrig ist, daß jeweils eine volle Aufladung bzw. Entladung der Kondensatoren vor einem Zustandswechel zwischen den Zustandsänderungen der Rechteckwelle stattfinden kann. The embodiment of the charge pump 42 shown in the drawing is only an example, as z. B. is described by R. Jacob loc. Cit. (Chapter 18, pages 364-365 with Fig. 18.13). In addition to a pump oscillator 53 , which contains e.g. B. can be an astable multivibrator for generating a square wave, an inverter 54 , two capacitors 55 , 56 and two N-FETs 57 , 58 connected as diodes. The N-FET 57 only serves to pull the potential at point A between the capacitor 55 and the N-FET 58 to the value V _e - V _th , where V _{th is} the threshold voltage of the N-FETs. If the output of inverter 54 is positive, the potential at point A rises to V _e + (V _e - V _th ). This renders the N-FET 58 conductive and charges the capacitor 56 to a potential that reaches a maximum of V _b = 2 (V _e - V _th ) if the capacitance of the capacitor 55 is small compared to the capacitance of the capacitor 56 and the Oscillator frequency is so low that a full charge or discharge of the capacitors can take place before a change of state between the changes in state of the square wave.

Bei gegebenem Wert V_e läßt sich der Maximalwert der Ausgangsspannung V_b also durch Bemessung der FET-Schwellenspannung V_th einstellen. Liegt der einzuhaltende Nennbereich für V_b unterhalb des erzielbaren Maximalwertes, ist dafür zu sorgen, daß die Ausgangsspannung der Ladungspumpe entsprechend niedriger als besagter Maximalwert gehalten wird. Dies kann z. B. erreicht werden durch Justierung der Relation zwischen der Oszillatorfrequenz, den Kapazitätswerten der Kondensatoren in der Ladungspumpe und der durch die Referenzquelle 41 gebildeten Last. Eine Alternative ist die Verwendung eines Spannungsreglers am Ladungspumpen-Ausgang. Dieser Regler kann sehr einfach sein, seine Referenz braucht nicht hochgenau zu sein, weil gewisse Auslenkungen der Spannung V_b tolerierbar sind, so lange sie innerhalb des für die Referenzquelle 41 spezifischen Nennbereichs bleiben, der eine endliche Breite hat. Der Regler kann z. B. ein simpler Zweipunktregler mit Hysterese sein, der abhängig davon, ob der momentane Istwert von V_b einen in der Mitte des Nennbereichs liegenden Sollbereich über- oder unterschreitet, die Pumpwirkung aus- oder einschaltet. Dieses Aus- und Einschalten kann erfolgen entweder durch Aus- und Einschalten des Pump-Oszillators oder durch Unterbrechen und Schließen der zum Ausgang der Ladungspumpe führenden Verbindung. Andererseits, insbesondere wenn eine starke Anhebung der Spannung erforderlich ist, können im Bedarfsfall auch an sich bekannte kompliziertere Versionen einer Ladungspumpe verwendet werden, etwa besonders kräftige oder mehrstufige Ausführungsformen, die beliebig hohe Ausgangsspannungen liefern können (nur begrenzt von den Durchschlagsspannungen der Oxid-Dielektrika in den Transistoren und Kondensatoren). For a given value V _e , the maximum value of the output voltage V _{b can} thus be set by measuring the FET threshold voltage V _th . If the nominal range to be complied with for V _{b is} below the achievable maximum value, it must be ensured that the output voltage of the charge pump is kept correspondingly lower than said maximum value. This can e.g. B. can be achieved by adjusting the relationship between the oscillator frequency, the capacitance values of the capacitors in the charge pump and the load formed by the reference source 41 . An alternative is to use a voltage regulator at the charge pump output. This regulator can be very simple, its reference need not be highly precise, because certain deflections of the voltage V _{b are} tolerable as long as they remain within the nominal range specific for the reference source 41 , which has a finite width. The controller can e.g. B. be a simple two-point controller with hysteresis, which switches the pumping action on or off depending on whether the current actual value of V _b exceeds or falls below a target range lying in the middle of the nominal range. This switching on and off can take place either by switching the pump oscillator off and on or by interrupting and closing the connection leading to the output of the charge pump. On the other hand, especially if a strong increase in the voltage is required, more complicated versions of a charge pump, known per se, can also be used, for example particularly powerful or multi-stage embodiments, which can deliver arbitrarily high output voltages (only limited by the breakdown voltages of the oxide dielectrics in the transistors and capacitors).

Die mit der Ladungspumpe 42 und der Referenzquelle 41 arbeitende Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung 40 kann, wie in der Zeichnung dargestellt, an die gleiche unstabilisierte Speisespannung V_e angeschlossen werden wie die Spannungsregler 10, 20, 30, obwohl diese Spannung niedriger liegt als der optimale Betriebsspannungsbereich der Referenzquelle 41. Somit ist es möglich, elektrische Baugruppen auf niedrigere Speisespannungen umzustellen, ohne die verwendete Referenzquelle zu verändern oder neu zu konzipieren. Natürlich steht dann die von der Referenzquelle erzeugte Referenzspannung V_r nicht mehr im gleichen Größenverhältnis zur Speisespannung V_ewie vorher, da sie sich bei der Umstellung nicht ändert. Gleiches gilt für die Referenzsspannungen an den Spannungsreglern 30, 10 und 20 zur Stabilisierung der Versorgungsspannungen V₁, V₂ für die Nutzschaltung 1. Ohne zusätzlichen Eingriff an diesen Reglern ist es also bei Senkung der Speisespannung V_e nicht möglich, auch diese Versorgungsspannungen zu vermindern. Eine solche Verminderung kann jedoch erwünscht sein oder sogar zum angestrebten Ziel gehören und ist auf einfache Weise möglich, z. B. indem man die Spannungsteiler in den Versorgungsspannungs-Reglern 10, 20 entsprechend ändert. Falls ein trimmbarer Referenz-Spannungsregler 30 vorhanden ist, wie in der Zeichnung gezeigt, kann alternativ oder zusätzlich die Versorgungs-Referenzspannung V_rs durch Trimmung verändert werden, um eine Verminderung der Versorgungsspannungen V₁ und V₂ zu erreichen. The reference voltage generating device 40 working with the charge pump 42 and the reference source 41 can, as shown in the drawing, be connected to the same unstabilized supply voltage V _e as the voltage regulators 10 , 20 , 30 , although this voltage is lower than the optimum operating voltage range Reference source 41 . This makes it possible to convert electrical assemblies to lower supply voltages without changing or redesigning the reference source used. Of course, the reference voltage V _r generated by the reference source is then no longer in the same size ratio to the supply voltage V _e as before, since it does not change during the changeover. The same applies to the reference voltages at the voltage regulators 30 , 10 and 20 for stabilizing the supply voltages V ₁ , V ₂ for the useful circuit 1 . Without additional intervention on these regulators, it is therefore not possible to reduce these supply voltages when the supply voltage V _{e is} reduced. Such a reduction may, however, be desirable or even be part of the desired goal and is easily possible, e.g. B. by changing the voltage divider in the supply voltage regulators 10 , 20 accordingly. If a trimmable reference voltage regulator 30 is present, as shown in the drawing, the supply reference voltage V _rs can alternatively or additionally be changed by trimming in order to achieve a reduction in the supply voltages V ₁ and V ₂ .

Mit der Erfindung gelingt zum Beispiel eine Umstellung der Stromversorgung einer digitalen Speicherschaltung von der bisher allgemein gebräuchlichen externen Speisespannung von 3,3 Volt auf eine geringere externe Speisespannung von 2,5 Volt unter Beibehaltung der bisher in der Massenproduktion bewährten und für eine Betriebsspannung von 3,3 Volt ausgelegten Referenzquelle. With the invention, for example, a conversion of Power supply for a digital memory circuit from the external supply voltage of 3.3 volts to a lower external supply voltage of 2.5 volts while maintaining the mass production so far proven and for an operating voltage of 3.3 volts designed reference source.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf bestimmte Ausführungsformen der Referenzquelle 41 und der Ladungspumpe 42 beschränkt. Vorzugsweise wird eine herkömmliche Bandabstands- Referenzquelle verwendet, die sehr wenig Strom verbraucht, so daß eine leistungsschwache Ladungspumpe genügt, die auch im Standby-Betrieb eingeschaltet bleiben kann, ohne die Quelle der Speisespannung V_e merklich zu belasten. The invention is of course not limited to specific embodiments of the reference source 41 and the charge pump 42 . A conventional bandgap reference source is preferably used, which consumes very little current, so that a low-power charge pump is sufficient, which can remain switched on even in standby mode, without noticeably loading the source of the supply voltage V _e .

Ebensowenig ist die Erfindung beschränkt auf eine Verwendung in Verbindung mit der in der Zeichnung dargestellten speziellen Ausbildung und Anordnung von Spannungsreglern. Eine erfindungsgemäße Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung kann natürlich auch derart eingesetzt werden, daß die von ihr erzeugte Referenzspannung V_r den Referenzeingängen der Versorgungsregler 10 und 20 direkt als Versorgungs-Referenzspannung angelegt wird, ohne Zwischenschaltung eines weiteren Reglers 30 zur Trimmung der Referenzspannung und/oder zur Leistungsverstärkung des Ausgangs der Referenzquelle 41. Bezugszeichenliste 1 Nutzschaltung
2 Stromversorgungsschaltung
10 Versorgungsregler
13 P-FET
14 Differenzverstärker
15 Spannungsteiler-Widerstand
16 Spannungsteiler-Widerstand
20 Versorgungsregler
30 Referenzspannungsregler
40 Referenzspannungs-Erzeugungseinrichtung
41 Referenzquelle
41a Betriebsspannungseingang der Referenzquelle
42 Ladungspumpe
42a Speisespannungseingang der Ladungspumpe
53 Oszillator
54 Inverter
55 Kondensator
56 Kondensator
57 N-FET
58 N-FET
90 externer Speisespannungsanschluß
91 Speisespannungsleitung
V₁, V₂ stabilisierte Versorgungsspannungen
V_b Betriebsspannung der Referenzquelle
V_e unstabilisierte Speisespannung
V_r Referenzspannung
V_rs Versorgungs-Referenzspannung
Nor is the invention restricted to use in connection with the special design and arrangement of voltage regulators shown in the drawing. A reference voltage generating device according to the invention can of course also be used in such a way that the reference voltage V _r it generates is applied directly to the reference inputs of the supply regulators 10 and 20 as a supply reference voltage without the interposition of a further regulator 30 for trimming the reference voltage and / or for power amplification the output of the reference source 41 . Reference symbol list 1 useful circuit
2 power supply circuit
10 supply controllers
13 P-FET
14 differential amplifiers
15 voltage divider resistor
16 voltage divider resistor
20 supply controllers
30 reference voltage regulator
40 reference voltage generating device
41 Reference source
41 a Operating voltage input of the reference source
42 charge pump
42 a Feed voltage input of the charge pump
53 oscillator
54 inverters
55 capacitor
56 capacitor
57 N-FET
58 N-FET
90 external supply voltage connection
91 supply voltage line
V ₁ , V ₂ stabilized supply voltages
V _b Operating voltage of the reference source
V _e unstabilized supply voltage
V _r reference voltage
V _rs supply reference voltage

Claims

1. Device ( 40 ) for generating a reference voltage (V _r ) for voltage stabilization in a power supply circuit, which is fed by an unstabilized supply voltage (V _e ) given nominal value and which contains a reference source ( 41 ), which at its operating voltage input ( 41 a ) requires an operating voltage (V _b ) within a specific nominal range in order to generate the reference voltage (V _r ) with a desired stability at its output, characterized in that
the specific nominal range of the operating voltage (V _b ) of the reference source ( 41 ) is above the given nominal value of the unstabilized supply voltage (V _e ) for the power supply circuit
and that the operating voltage input ( 41 a) of the reference source ( 41 ) is preceded by a charge pump ( 42 ) for receiving the unstabilized supply voltage (V _e ) of the power supply circuit and for raising this voltage to a value within the specific nominal range of the operating voltage of the reference source ( 41 ) ,

2. Device according to claim 1, characterized in that the reference source ( 41 ) is a bandgap reference source.