DE10237122A1

DE10237122A1 - Schaltung und Verfahren zur Einstellung des Arbeitspunkts einer BGR-Schaltung

Info

Publication number: DE10237122A1
Application number: DE10237122A
Authority: DE
Inventors: Markus Schimper
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-14
Also published as: DE10237122B4; US6992472B2; CN100403208C; CN1675607A; WO2004019149A1; US20050136862A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung einer BGR-Schaltung (1), wobei ein Spannungsvergleicher (P5, P6, I3) die Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers (OP1) der BGR-Schaltung (1) mit der über einem Hilfsschaltungszweig (R5, D3) abfallenden Spannung vergleicht und der Hilfsschaltungszweig (R5, D3) der Anordnung eines Schaltungszweigs (R3, D1) der BGR-Schaltung (1) gleicht und eine Stromquelle (P8) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs einen Einstellstrom (Iein) erzeugt, welcher in einen Eingang des Operationsverstärkers (OP1) eingespeist wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Verfahren, mittels welcher sich der Arbeitspunkt einer BGR-Schaltung einstellen lässt.
Schaltungen, welche eine von Temperatur- und Versorgungsspannungsschwankungen unabhängige, konstante Ausgangsspannung erzeugen, werden in der Halbleiterschaltungstechnik in vielfältiger Weise benötigt. Sie werden sowohl in analogen, digitalen als auch in analog-digital-gemischten Schaltkreisen eingesetzt. Ein häufig verwendeter Typ solcher Schaltungen sind die sogenannten BGR (Bandgap Reference)-Schaltungen.
Das Grundprinzip einer BGR-Schaltung besteht darin, zwei Teilsignale (Spannungen oder Ströme), die ein gegenläufiges Temperaturverhalten aufweisen, zu addieren. Während eines der beiden Teilsignale mit zunehmender Temperatur fällt, steigt das andere Teilsignal mit zunehmender Temperatur an. Aus der Summe der beiden Teilsignale wird dann die über einen gewissen Bereich temperaturkonstante Ausgangsspannung abgeleitet. Die Ausgangsspannung einer BGR-Schaltung wird gemäß üblichem Sprachgebrauch im Folgenden auch als Referenzspannung bezeichnet.
Ein stabiler Arbeitspunkt einer BGR-Schaltung liegt bei der Bandgap-Spannung von 1,211 V. Mittels eines Spannungsteilers lässt sich diese Referenzspannung noch in andere Spannungen umformen. In Abhängigkeit von dem Offset des für die BGR-Schaltung verwendeten Operationsverstärkers und von Leckströmen kann eine BGR-Schaltung einen weiteren stabilen Arbeitspunkt bei 0 V aufweisen. Zwischen den beiden stabilen Arbeitspunkten liegt ein instabiler Arbeitspunkt, der bei kleinen Leckströmen und kleinen Offset-Spannungen in der Nähe von 0 V liegt. Beim Starten der BGR-Schaltung muss die BGR-Schaltung von dem stabilen Arbeitspunkt bei 0 V in den höher gelegenen stabilen Arbeitspunkt, welcher aus der Bandgap-Spannung von 1,211 V abgeleitet wird, gebracht werden. Zu diesem Zweck wird in der Regel eine zusätzliche Schaltung verwendet, welche auch als Start-Up-Schaltung bezeichnet wird.
Um in der BGR-Schaltung den höher gelegenen Arbeitspunkt einzustellen, wird häufig ein externer Einstellstrom in die BGR-Schaltung eingespeist. Dieser Einstellstrom muss während des Normalbetriebs der BGR-Schaltung komplett abgeschaltet sein.
Bei der Einführung neuer Technologien, die im Hochvolumen noch nicht stabil laufen, kann der instabile Arbeitspunkt aufgrund verschlechterter Offset- und Leckstromeigenschaften um mehrere 100 mV zu positiveren Spannungen hin verschoben sein. Sofern der Abschaltpunkt des externen Einstellstroms aufgrund einer starken Prozess- und Matching-Abhängigkeit hohen Schwankungen unterworfen ist, muss der Abschaltpunkt bei der Entwicklung der BGR-Schaltung so tief gewählt werden, dass die BGR-Schaltung während des Normalbetriebs nicht von dem Einstellstrom beeinflusst wird. Jedoch kann ein tief liegender Abschaltpunkt zu Problemen in der BGR-Schaltung führen, da dadurch möglicherweise anstelle des höher gelegenen stabilen Arbeitspunkts der instabile Arbeitspunkt erreicht wird.
Bei der Einstellung des höher gelegenen stabilen Arbeitspunkts ist es daher notwendig, das Anlaufverhalten der BGR-Schaltung zu überwachen damit der Abschaltpunkt des Einstellstroms möglichst genau bestimmt werden kann. Zu diesem Zweck sind zwei Vorgehensweisen bekannt. Zum einen kann die Ausgangsspannung der BGR-Schaltung überwacht werden. Zum anderen kann der Strom in der BGR-Zelle gemessen werden.
Die Bestimmung des Stroms durch die BGR-Zelle hat sich als die bessere der zwei Vorgehensweisen erwiesen, da der Abschaltpunkt auf 1/100, 1/10 oder 1/2 des Betriebsstroms der BGR-Zelle gesetzt werden kann. Um eine Schaltung, die zur Einstellung des Arbeitspunkts der BGR-Schaltung und zur nachfolgenden Abschaltung des Einstellstroms dient, möglichst robust auszulegen, muss der Abschaltpunkt auf 1/4 des Betriebsstroms der BGR-Zelle gesetzt werden.
Beim Anschluss einer resistiven Last an die BGR-Schaltung ist zu beachten, dass ein großer Teil des Ausgangsstroms in die Last und nicht durch die BGR-Zelle fließt. Daher ist der Ausgangsstrom der BGR-Schaltung in diesem Fall nicht dazu geeignet, den Strom in der BGR-Zelle zu bestimmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltung zur Einstellung des Arbeitspunkts einer BGR-Schaltung zu schaffen, die eine hohe Präzision und eine einfache Topologie aufweist. Ferner soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Schaltung dient zur Einstellung des Arbeitspunkts einer BGR-Schaltung. Die Schaltung weist neben der BGR-Schaltung, mit welcher sich eine temperaturstabilisierte Referenzspannung erzeugen lässt, eine Einstellschaltung auf.

Die BGR-Schaltung enthält einen Operationsverstärker, von dessen Ausgangsspannung die Referenzspannung abgeleitet werden soll, und einen BGR-Schaltungszweig mit zwei Bauelementen. Die Temperaturabhängigkeiten der zwei Bauelemente sind während des Betriebs der BGR-Schaltung gegenläufig. Dabei kann es sich insbesondere um die Temperaturabhängigkeiten der über den Bauelementen jeweils abfallenden Spannungen handeln. Ein Eingang des Operationsverstärkers ist mit dem BGR-Schaltungszweig über eine Verbindungsleitung verbunden. Über dem BGR-Schaltungszweig fällt die an dem Ausgang des Operationsverstärkers abgreifbare Ausgangsspannung ab.

Die Einstellschaltung enthält einen Spannungsvergleicher, einen Hilfsschaltungszweig, eine erste Stromquelle und eine zweite Stromquelle. Der Hilfsschaltungszweig weist die gleichen Bauelemente in der gleichen Anordnung wie der BGR-Schaltungszweig auf. Die erste Stromquelle speist den Hilfsschaltungszweig. Der Spannungsvergleicher vergleicht die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers mit der Spannung, die über dem Hilfsschaltungszweig abfällt. In Abhängigkeit von diesem Vergleich generiert die zweite Stromquelle einen Einstellstrom und speist damit die Verbindungsleitung.

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht durch die Einkoppelung des Einstellstroms die Einstellung des Arbeitspunkts der BGR-Schaltung. Der Einstellstrom wird anhand des Spannungsvergleichs erzeugt.

Bei dem Spannungsvergleich wird die über dem BGR-Schaltungszweig abfallende Spannung mit der über dem Hilfsschaltungszweig abfallenden Spannung verglichen. Die über dem Hilfsschaltungszweig abfallende Spannung wird durch den von der ersten Stromquelle in dem Hilfsschaltungszweig erzeugten Strom hervorgerufen. Da der Hilfsschaltungszweig eine exakte Nachbildung des BGR-Schaltungszweigs ist, stellt der Spannungsvergleich auch einen Vergleich des durch den BGR-Schaltungszweigs fließenden Stroms mit dem von der ersten Stromquelle erzeugten Strom dar. Das Ergebnis des Vergleichs bestimmt die Größe des Einstellstroms. Der Einstellstrom erzeugt eine Spannungsdifferenz an den Eingängen des Operationsverstärkers und veranlasst dadurch den Operationsverstärker, seine Ausgangsspannung entsprechend zu ändern.

Des Weiteren ermöglicht die erfindungsgemäße Schaltung auch das Abschalten des Einstellstroms. Liefert der Spannungsvergleich ein bestimmtes Ergebnis, so kann vorgesehen sein, dass der Abschaltpunkt erreicht ist und dass dementsprechend der Einstellstrom abgeschaltet wird. Vorzugsweise ist dies der Fall, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers genauso groß oder größer ist wie die über dem Hilfsschaltungszweig abfallende Spannung. Das bedeutet, dass der Abschaltpunkt durch die Größe des von der ersten Stromquelle erzeugten Stroms bestimmt ist.

Von Vorteil gegenüber bisherigen dem gleichen Zweck dienenden Schaltungen ist die erfindungsgemäße Schaltung wegen ihrer hohen Präzision und ihrer einfachen Topologie.

Vorteilhafterweise weist der BGR-Schaltungszweig einen Widerstand und eine nachgeschaltete Diode auf. Die Diode ist insbesondere aus einem Transistor aufgebaut, dessen Basisanschluss bzw. Gateanschluss mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke bzw. mit seiner Drain-Source-Strecke verbunden ist. Die Verbindungsleitung zwischen dem BGR-Schaltungszweig und dem Eingang des Operationsverstärkers ist zwischen dem Widerstand und der Diode angeordnet. Gemäß dem Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung weist der Hilfsschaltungszweig bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung ebenfalls einen Widerstand und eine in Reihe geschaltete Diode auf.

Vorzugsweise ist die Verbindungsleitung auf der Seite des Operationsverstärkers an seinen nicht-invertierenden Eingang gekoppelt. Da durch die Eingänge eines Operationsverstärkers idealerweise kein Strom fließt, fließt der Einstellstrom über den BGR-Schaltungszweig und insbesondere über die Diode ab.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Spannungsvergleicher ein Differenzverstärker mit einer dritten Stromquelle, einem ersten Transistor und einem zweiten Transistor ist. Die Ausgangsspannung des Operationsver stärkers liegt an dem ersten Transistor an, und die über dem Hilfsschaltungszweig abfallende Spannung liegt an dem zweiten Transistor an. Der Differenzverstärker stellt eine einfache und kostengünstige Ausführungsform des Spannungsvergleichers dar.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Differenzverstärker derart dimensioniert, dass, falls die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers kleiner ist als die über dem Hilfsschaltungszweig abfallende Spannung, der von der dritten Stromquelle generierte Strom im Wesentlichen durch den ersten Transistor fließt.

Vorzugsweise ist dem ersten Transistor ein erster Stromspiegel nachgeschaltet.

Zwischen dem ersten Transistor und dem erster Stromspiegel kann vorteilhafterweise ein von einer vierten Stromquelle erzeugter Strom eingekoppelt werden. Insbesondere weist der von der vierten Stromquelle erzeugte Strom den halben Wert des von der dritten Stromquelle erzeugten Stroms auf. Diese Maßnahme ist vorteilhaft, da sich dadurch der Einstellstrom noch abrupter abschalten lässt.

Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Maßnahme kann vorteilhafterweise ein zweiter Stromspiegel vorgesehen sein, welcher eingangsseitig von dem zweiten Transistor gespeist wird und ausgangsseitig mit den Gate- oder Basisanschlüssen des ersten Stromspiegels verbunden ist. Diese Maßnahme ermöglicht ebenfalls ein möglichst abruptes Abschalten des Einstellstroms.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die zweite Stromquelle mindestens einen dritten Stromspiegel enthält, dessen Eingangsstrom aus dem von dem Spannungsvergleicher durchgeführten Vergleich hervorgeht und dessen Ausgangsstrom der Einstellstrom ist.

Die erste Stromquelle kann beispielsweise aus einem Widerstand und einer Diode oder aus einem PTAT (Proportional to Absolute Temperature)-Generator aufgebaut sein.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann in besonders vorteilhafter Weise beim Starten der BGR-Schaltung, beispielsweise aus dem ausgeschalteten Zustand, verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Einstellung des Arbeitspunkts einer BGR-Schaltung, welche eine temperaturstabilisierte Referenzspannung erzeugt. Die BGR-Schaltung weist einen Operationsverstärker und einen BGR-Schaltungszweig auf. Der BGR-Schaltungszweig umfasst zwei Bauelemente, deren Temperaturabhängigkeiten während des Betriebs der BGR-Schaltung gegenläufig sind. Dabei kann es sich insbesondere um die Temperaturabhängigkeiten der über den Bauelementen jeweils abfallenden Spannungen handeln. Ein Eingang des Operationsverstärkers ist über eine Verbindungsleitung mit dem BGR-Schaltungszweig verbunden. Über dem BGR-Schaltungszweig fällt die an dem Ausgang des Operationsverstärkers abgreifbare Ausgangsspannung ab. Aus der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers soll im Normalbetrieb der BGR-Schaltung die Referenzspannung gewonnen werden.

In einem ersten Verfahrensschritt wird eine Hilfsspannung erzeugt, welche über einem Hilfsschaltungszweig, der in seiner schaltungstechnischen Anordnung und Dimensionierung dem BGR-Schaltungszweig gleicht, abfällt. In einem zweiten Verfahrensschritt wird die Ausgangsspannung mit der Hilfsspannung verglichen. In einem dritten Verfahrensschritt wird ein Einstellstrom in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs generiert. In einem vierten Verfahrensschritt wird der Einstellstrom in die Verbindungsleitung eingespeist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft, da sich mit ihm der Arbeitspunkt der BGR-Schaltung mit hoher Präzision und mit nur geringem Aufwand einstellen lässt. Außerdem ermöglicht das Verfahren, den Einstellstrom bei der Aufnahme des Normalbetriebs der BGR-Schaltung wieder abzustellen.

Vorzugsweise wird der Einstellstrom nur dann erzeugt, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers kleiner als die Hilfsspannung ist.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 ein Schaltbild einer BGR-Schaltung mit einer Einstellschaltung aus dem Stand der Technik;
2 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung;
3 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung;
4 ein Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung; und
5 ein Schaltbild der BGR-Schaltung mit einer weiteren Einstellschaltung.
In 1 ist eine BGR-Schaltung 1 mit einer Einstellschaltung 2 dargestellt. Sowohl die BGR-Schaltung 1 als auch die Einstellschaltung 2 sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die BGR-Schaltung 1 umfasst einen Operationsverstärker OP1, Widerstände R1, R2, R3 und R4 sowie Dioden D1 und D2. Dabei sind die Widerstände R1, R2 und R3 sowie die Dioden D1 und D2 innerhalb der BGR-Schaltung 1 einer BGR-Zelle 3 zugeordnet.
Die Widerstände R2 und R1 sowie die Diode D2 sind in der angegebenen Reihenfolge seriell angeordnet. Das eine Ende dieser Reihenschaltung ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP1 verbunden und das andere Ende liegt an einer Masse VSS an. In der gleichen Weise sind der Widerstand R3 und die Diode D1 in Reihe geschaltet und mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP1 bzw. mit der Masse VSS verbunden.
Die Verbindungsleitung zwischen den Widerständen R1 und R2 ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 geschaltet. Die Verbindungsleitung zwischen dem Widerstand R3 und der Diode D1 ist über eine weitere Verbindungsleitung an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 geschaltet. In diese weitere Verbindungsleitung kann ein zusätzlicher Strom Iein eingekoppelt werden.
Ferner ist zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers OP1 und die Masse VSS ein Widerstand R4 geschaltet.
Der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 stellt auch den Ausgang der BGR-Schaltung 1 dar. Im Normalbetrieb der BGR-Schaltung 1 ist an ihrem Ausgang eine temperaturstabilisierte Referenzspannung abgreifbar. Der Temperaturstabilität der Referenzspannung liegt die Gegenläufigkeit der Temperaturabhängigkeiten der beiden Spannungen, die über dem Widerstand R3 bzw. über der Diode D1 abfallen, zugrunde. Die Diode D1 und auch die Diode D2 können beispielsweise jeweils aus einem Bipolartransistor aufgebaut sein, dessen Basisanschluss mit seinem Kollektoranschluss verbunden ist. Die Basis-Emitter-Spannung der Diode D1 weist dann beispielsweise einen Temperaturkoeffizienten von –2 mV/K auf. Die Temperaturabhängigkeit der über dem Widerstand R3 abfallenden Spannung hängt von der Dimensionierung der Widerstände R1, R2 sowie R3 und von dem Temperaturkoeffizienten der Temperaturspannung VT der Diode D2 ab. Durch eine geeignete Wahl dieser Bauelemente und aufgrund des schaltungstechnischen Aufbaus der BGR-Schaltung 1 weist die über dem Widerstand R3 abfallende Spannung einen Temperaturkoeffizienten von +2 mV/K auf. Insgesamt ergibt sich daraus eine über einen gewissen Temperaturbereich stabile Referenzspannung.
Der BGR-Schaltung 1 ist die Einstellschaltung 2 nachgeschaltet. Die Einstellschaltung 2 umfasst Transistoren N1, N2, P1, P2, P3 und P4 sowie eine Konstantstromquelle I1. Die Transistoren N1, N2, P1, P2, P3 und P4 sind MOSFETs. Die jeweilige Dotierung ihrer Kanäle wird durch den Buchstaben N bzw. P in ihrem Bezugszeichen angegeben. Diese Nomenklatur gilt auch für weiter unten aufgeführte Transistoren.
Die Transistoren N1 und N2 sind in einer Stromspiegelschaltung hinter den Eingang der Einstellschaltung 2 geschaltet. Dabei fließt durch den Transistor N1 der Eingangsstrom der Einstellschaltung 2, welcher gleichzeitig der Ausgangsstrom der BGR-Schaltung 1 ist. Durch den Transistor N2 fließt der gespiegelte Eingangsstrom in den Transistor P1, welcher wiederum in einer Stromspiegelschaltung mit dem Transistor P2 verbunden ist. Ferner ist der Transistor P2 in einer Differenzverstärkerstufe enthalten, welche ferner den Transistor P3 und die Konstantstromquelle I1 umfasst. Dabei ist die Konstantstromquelle I1 mit den Drain-Source-Strecken der Transistoren P2 und P3 verbunden. Die Transistoren P3 und P4 bilden einen weiteren Stromspiegel. Der Transistor P4 generiert den Strom Iein, welcher von der Einstellschaltung 2 in die BGR-Schaltung 1 eingekoppelt wird.
Die Funktion der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung ist Folgende. Mittels der Einstellschaltung 2 soll der durch den Widerstand R3 und die Diode D1 fließende Strom in dem Transistor N1 repliziert werden. Dazu sind die Transistoren N1 und N2 über ihr W/L-Verhältnis so eingestellt, dass ihre Steilheit gm dem Widerstand R3 entspricht. Allerdings können der Widerstand R3 und die Steilheit gm aufgrund von Herstellungsprozessschwankungen und verschiedenen Temperaturkoeffizienten nie matchen. Demgegenüber weist die Diode D1 ein ähn liches Temperatur- und Stromverhalten wie die Temperaturspannung VT der Transistoren N1 und N2 auf. Insgesamt wird durch die in 1 gezeigte Anordnung eine nur ungenaue Replizierung des in der BGR-Zelle 3 durch den Widerstand R3 und die Diode Dl fließenden Stroms erzielt.
Der durch den Transistor N1 fließende Strom wird mittels der aus den Transistoren N1 und N2 bzw. P1 und P2 aufgebauten Stromspiegelschaltungen in die Differenzverstärkerstufe gespiegelt. Der in der Differenzverstärkerstufe durch die Konstantstromquelle I1 generierte Strom ist der Mindeststrom, der durch den Transistor N1 fließen muss. Ist der durch den Transistor N1 fließende Strom kleiner als dieser Mindeststrom, so bewirkt die Differenzverstärkerstufe, dass der Differenzstrom dieser beiden Ströme durch die Drain-Source-Strecke des Transistors P3 fließt. Der Strom Iein ergibt sich als Spiegelung des Differenzstroms mittels des aus den Transistoren P3 und P4 aufgebauten Stromspiegels.
Der Strom Iein wird in die BGR-Schaltung 1 am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 eingekoppelt und fließt dort über die Diode D1 gegen die Masse VSS ab. Dadurch erzeugt der Strom Iein über der Diode D1 einen Spannungsabfall, welcher wiederum eine positive Potentialdifferenz zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers OP1 zur Folge hat. Aufgrund der positiven Potentialdifferenz an seinen Eingängen erhöht der Operationsverstärker OP1 seine Ausgangsspannung.
Die Einstellschaltung 2 ist so konzipiert, dass der Strom Iein abgeschaltet wird, sobald in der BGR-Zelle 3 genügend Strom fließt, dass der stabile Arbeitspunkt von der BGR-Schaltung 1 alleine erreicht werden kann. Der von der Konstantstromquelle I1 erzeugte Strom gibt dabei vor, wann der Strom Iein abgeschaltet wird.
Die Konstantstromquelle I1 kann beispielsweise aus einem Widerstand und einer Diode oder aus einem PTAT-Generator aufgebaut sein.
In 2 ist als erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung die bereits in 1 gezeigte BGR-Schaltung 1 mit einer Einstellschaltung 4 dargestellt.
Die BGR-Schaltungen 1 aus den 1 und 2 sind identisch. Daher weisen gleiche Bauelemente in den 1 und 2 dieselben Bezugszeichen auf.
Die Einstellschaltung 4 weist einen Widerstand R5, eine Diode D3, Transistoren N3, N4, P5, P6, P7 und P8 sowie Konstantstromquellen I2 und I3 auf.
Der Eingang der Einstellschaltung 4 ist mit dem Ausgang der BGR-Schaltung 1 verbunden. Hinter den Eingang der Einstellschaltung 4 ist eine Differenzverstärkerstufe geschaltet, welche die Konstantstromquelle I3 sowie die Transistoren P5 und P6 umfasst. Der Drain-Source-Strecke des Transistors P5 ist eine Stromspiegelschaltung mit den Transistoren N3 und N4 nachgeschaltet. Die Drain-Source-Strecke des Transistors N4 speist eine weitere aus den Transistoren P7 und P8 aufgebaute Stromspiegelschaltung. Diese Stromspiegelschaltung erzeugt in der Drain-Source-Strecke des Transistors P8 den Einstellstrom Iein, welcher genauso wie in der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung an dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 in die BGR-Schaltung 1 eingespeist wird.
Der Widerstand R5 und die Diode D3 sind in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung wird auf der Seite des Widerstands R5 von der Konstantstromquelle I2 gespeist, und auf der Seite der Diode D3 ist die Reihenschaltung mit der Masse VSS verbunden. Der von der Diode D3 abgewandte Anschluss des Widerstands R5 ist mit dem Gateanschluss des Transistors P6 verbunden.
Der Widerstand R5 und die Diode D3 der Einstellschaltung 4 sind jeweils baugleich mit dem Widerstand R3 und der Diode D1. Folglich weist die aus dem Widerstand R5 und der Diode D3 aufgebaute Reihenschaltung den gleichen Aufbau wie der rechte Schaltungszweig der BGR-Zelle 3 auf. Durch die aus dem Widerstand R5 und der Diode D3 aufgebauten Reihenschaltung fließt ein von der Konstantstromquelle I2 generierter Strom. Dieser Stromfluss erzeugt einen Spannungsabfall über der Reihenschaltung. Die über der entsprechenden Reihenschaltung in der BGR-Schaltung 1 abfallende Spannung ist gleich der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP1. Da diese Spannung gleichzeitig die Ausgangsspannung der BGR-Schaltung 1 ist, kann die über dem Widerstand R3 und der Diode D1 abfallende Spannung mittels der Differenzverstärkerstufe mit der über dem Widerstand R5 und der Diode D3 abfallenden Spannung verglichen werden.
In Abhängigkeit von dem vorstehend beschriebenen Vergleich fließt ein Strom durch die Transistoren P5 oder P6. Sofern die am Ausgang der BGR-Schaltung 1 anliegende Spannung kleiner ist als die über dem Widerstand R5 und der Diode D3 abfallenden Spannung, fließt der von der Konstantstromquelle I3 erzeugte Strom durch die Drain-Source-Strecke des Transistors P5. Dieser Strom erzeugt mittels der aus den Transistoren N3 und N4 bzw. P7 und P8 aufgebauten Stromspiegelschaltungen den Strom Iein. Der Strom Iein wirkt in der BGR-Schaltung 1, wie es bereits in der Beschreibung zu 1 dargelegt wurde.
Sofern die am Ausgang der BGR-Schaltung 1 anliegende Spannung größer ist als die über dem Widerstand R5 und der Diode D3 abfallende Spannung, fließt der von der Konstantstromquelle I3 erzeugte Strom durch die Drain-Source-Strecke des Transistors P6 gegen die Masse VSS ab. In diesem Fall fließt kein Strom durch den Transistor P5, und der Strom Iein ist abgeschaltet.
Ein Vorteil der in 2 gezeigten Einstellschaltung 4 gegenüber der in 1 gezeigten Einstellschaltung 2 ist, dass in der Einstellschaltung 4 eine echte Nachbildung des rechten Schaltungszweigs der BGR-Zelle 3 eingesetzt wird. Die Nachbildung in der Einstellschaltung 4 ermöglicht es bei der Einstellung des Arbeitspunkts der BGR-Schaltung 1, den Abschaltpunkt des Stroms Iein präzise einzustellen. Der somit genau definierte Abschaltpunkt erlaubt es, den von der Einstellschaltung 4 generierten Strom Iein bei wesentlich höheren Stromwerten als den von der Einstellschaltung 1 generierten Strom Iein abzuschalten. Somit ist garantiert, dass der höher gelegene stabile Arbeitspunkt von der BGR-Schaltung 1 erreicht wird und dass der Strom Iein den Normalbetrieb der BGR-Schaltung 1 in keiner Weise stört.
In den 3 und 4 sind als zweites und drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung weitere Einstellschaltungen 5 und 6 gezeigt, die Weiterentwicklungen der Einstellschaltung 4 aus 2 darstellen.
Die Einstellschaltung 5 enthält im Unterschied zu der Einstellschaltung 4 eine zusätzliche Konstantstromquelle I4. Der von der Konstantstromquelle I4 generierte Strom wird in den einen Zweig der Differenzverstärkerstufe zwischen den Transistoren P5 und N3 eingekoppelt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der von der Konstantstromquelle I4 erzeugte Strom den halben Wert des von der Konstantstromquelle I3 erzeugten Stroms auf. Die Einkoppelung des zusätzlichen Stroms ist vorteilhaft, da sich dadurch der Strom Iein im Vergleich zur Einstellschaltung 4 noch abrupter abschalten lässt.
Eine weitere Möglichkeit, um die Abschaltcharakteristik des Stroms Iein gegenüber der Einstellschaltung 4 noch weiter zu verbessern, ist in 4 gezeigt.
Die Einstellschaltung 6 enthält eine zusätzliche aus Transistoren N5 und N6 aufgebaute Stromspiegelschaltung. Dabei ist der Transistor N6 als Diode beschaltet und wird von dem Transistor P6 gespeist. Die Drain-Source-Strecke des Transistors N5 ist mit den Gateanschlüssen der Transistoren N3 und N4 verbunden.
In 5 ist eine weitere Einstellschaltung 7 dargestellt. Die in 5 gezeigte BGR-Schaltung 1 ist wieder identisch mit den in den 1 bis 4 gezeigten BGR-Schaltungen 1.
Die in 5 gezeigte Einstellschaltung 7 basiert auf der in 1 gezeigten Einstellschaltung 2. Daher weisen gleiche Bauelemente in den 1 und 5 dieselben Bezugszeichen auf.
Im Unterschied zu der Einstellschaltung 2 sind bei der Einstellschaltung 7 hinter den Eingang der Einstellschaltung 7 ein Operationsverstärker OP2, Transistoren P9 und P10, ein Widerstand R6 und eine Diode D4 geschaltet.
Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP2 ist an den Ausgang der BGR-Schaltung 1 gekoppelt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP2 ist mit einem Anschluss des Widerstands R6 verbunden. An den anderen Anschluss des Widerstands R6 ist die Diode D4 geschaltet, welche wiederum mit ihrem zweiten Anschluss an der Masse VSS anliegt.
Der Widerstand R6 und die Diode D4 stellen wie der Widerstand R5 und die Diode D3 aus 2 bis 4 exakte Nachbildungen des Widerstands R3 und der Diode D1 dar.
Die Gateanschlüsse der Transistoren P9 und P10 sind mit dem Ausgang des Operationsverstärkers OP2 verbunden. Die Drain-Source-Strecke des Transistors P9 bzw. P10 speist den Widerstand R6 bzw. den Transistor N1.
Die Einstellschaltung 7 ist eine Erweiterung der in 1 gezeigten Einstellschaltung 2. In der Einstellschaltung 2 stellt der Transistor N1 nur eine schlechte Nachbildung des rechten Schaltungszweigs der BGR-Zelle 3 dar. Aufgrund der resistiven Beschaltung des Ausgangs der BGR-Schaltung 1 kann der Strom in der BGR-Zelle 3 mit der Einstellschaltung 2 nicht genau gemessen werden. In der Einstellschaltung 5 wird dieses Problem behoben, indem der Operationsverstärker OP2 als Spannungs-Strom-Konverter eingesetzt wird. Dabei vergleicht der Operationsverstärker OP2 die an seinen Eingängen anliegenden Spannungen und stellt dementsprechend seine Ausgangsspannung ein. Die Ausgangsspannung erzeugt aufgrund der nachgeschalteten Transistoren P9 und P10 zwei Ströme, von denen einer die Nachbildung des rechten Schaltungszweigs der BGR-Zelle 3 und der andere den Transistor N1 speist. Aufgrund dieser Schaltungsanordnung weist der durch den Widerstand R6 und die Diode D4 fließende Strom den gleichen Stromwert wie der durch den rechten Schaltungszweig der BGR-Zelle 3 fließende Strom auf. Dasselbe gilt auch für den Stromfluss durch den Transistor N1. Die dem Transistor N1 nachgeschaltete Schaltungsanordnung ist mit der Schaltungsanordnung der Einstellschaltung 2 identisch.
Nachteilig an der Einstellschaltung 7 gegenüber den Einstell= schaltungen 4 bis 6 ist, dass aufgrund des Spannungs-Strom-Konverters die Komplexität der Einstellschaltung 7 wesentlich höher ist als die Komplexität der Einstellschaltungen 4 bis 6. Es ist folglich vorteilhafter, den Abschaltpunkt des Stroms Iein mittels eines Vergleichs, bei welchem die Ausgangsspannung der BGR-Schaltung 1 mit der durch die Konstantstromquelle I2 generierten Spannung über der Nachbildung des rechten Schaltungszweigs der BGR-Zelle 3 verglichen wird, zu bestimmen, als den Strom durch die BGR-Zelle 3 zu replizieren und anhand des replizierten Stroms den Abschaltpunkt festzulegen.

Claims

Schaltung zum Einstellen des Arbeitspunkts einer BGR-Schaltung (1) mit einer BGR-Schaltung (1) zur Erzeugung einer temperaturstabilisierten Referenzspannung und einer Einstellschaltung (4), wobei – die BGR-Schaltung (1) einen Operationsverstärker (OP1), von dessen Ausgangsspannung die Referenzspannung abgeleitet werden soll, und einen BGR-Schaltungszweig mit zwei Bauelementen (R3, D1), deren Temperaturabhängigkeiten während des Normalbetriebs der BGR-Schaltung (1) gegenläufig sind, aufweist, wobei ein Eingang des Operationsverstärkers (OP1) über eine Verbindungsleitung mit dem BGR-Schaltungszweig verbunden ist und über dem BGR-Schaltungszweig die an dem Ausgang des Operationsverstärkers (OP1) abgreifbare Ausgangsspannung abfällt, und – die Einstellschaltung (4) einen Spannungsvergleicher (P5, P6, I3), einen Hilfsschaltungszweig (R5, D3), welcher der Anordnung des BGR-Schaltungszweigs gleicht, eine erste Stromquelle (I2), welche den Hilfsschaltungszweig (R5, D3) speist, und eine zweite Stromquelle (N3, N4, P7, P8) aufweist, wobei der Spannungsvergleicher (P5, P6, I3) die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (OP1) mit der über dem Hilfsschaltungszweig (R5, D3) abfallenden Spannung vergleicht und die zweite Stromquelle (N3, N4, P7, P8) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs einen Einstellstrom (Iein) erzeugt, welcher in die Verbindungsleitung eingespeist wird.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Einstellstrom (Iein) generiert wird, falls die Ausgangsspannung kleiner ist als die über dem Hilfsschaltungszweig (R5, D3) abfallenden Spannung, und dass andernfalls kein Einstellstrom (Iein) generiert wird.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der BGR-Schaltungszweig und der Hilfsschaltungszweig jeweils einen Widerstand (R3; R5) und eine nachgeschaltete Diode (D1; D3), welche insbesondere aus einem Transistor aufgebaut ist, enthalten.
Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verbindungsleitung an den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (OP1) gekoppelt ist.
Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass der Spannungsvergleicher ein Differenzverstärker mit einer dritten Stromquelle (I3), einem ersten Transistor (P5) und einem zweiten Transistor (P6) ist, wobei die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (OP1) an dem ersten Transistor (P5) anliegt und die über dem Hilfsschaltungszweig (R5, D3) abfallende Spannung an dem zweiten Transistor (P6) anliegt.
Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, – dass der Differenzverstärker (P5, P6, I3) derart dimensioniert ist, dass, falls die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers (OP1) kleiner als die über dem Hilfsschaltungszweig (R5, D3) abfallende Spannung ist, der von der dritten Stromquelle (I3) generierte Strom im Wesentlichen durch den ersten Transistor (P5) fließt.
Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, – dass dem ersten Transistor (P5) ein erster Stromspiegel (N3, N4) nachgeschaltet ist.
Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, – dass der Zweig des Differenzverstärkers (P5, P6, I3) mit dem ersten Transistor (P5) von einer vierten Stromquelle (I4) gespeist wird, und – dass der von der vierten Stromquelle (I4) erzeugte Strom insbesondere den halben Wert des von der dritten Stromquelle (I3) erzeugten Stroms aufweist.
Schaltung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch – einen zweiten Stromspiegel (N5, N6), welcher eingangsseitig von dem zweiten Transistor (P6) gespeist wird und ausgangsseitig mit den Gate- oder Basisanschlüssen des ersten Stromspiegels (N3, N4) verbunden ist.
Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die zweite Stromquelle mindestens einen dritten Stromspiegel (N3, N4, P7, P8) enthält, dessen Eingangsstrom aus dem von dem Spannungsvergleicher (P5, P6, I3) durchgeführten Vergleich hervorgeht und dessen Ausgangsstrom der Einstellstrom (Iein) ist.
Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die erste Stromquelle (I2) einen Widerstand und eine Diode oder einen PTAT-Generator umfasst.
Verwendung der Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche beim Starten der BGR-Schaltung (1).
Verfahren zum Einstellen des Arbeitspunkts einer BGR-Schaltung (1), welche eine temperaturstabilisierte Referenzspannung erzeugt und welche einen Operationsverstärker (OP1), von dessen Ausgangsspannung die Referenzspannung abgeleitet werden soll, und einen BGR-Schaltungszweig mit zwei Bauelementen (R3, D1), deren Temperaturabhängigkeiten während des Normalbetriebs der BGR-Schaltung (1) gegenläufig sind, aufweist, wobei ein Eingang des Operationsverstärkers (OP1) über eine Verbindungsleitung mit dem BGR-Schaltungszweig verbunden ist und über dem BGR-Schaltungszweig die an dem Ausgang des Operationsverstärkers (OP1) abgreifbare Ausgangsspannung abfällt, mit den Schritten: (a) Erzeugen einer Hilfsspannung, welche über einem Hilfsschaltungszweig (R5, D3) abfällt, welcher der Anordnung des BGR-Schaltungszweigs gleicht; (b) Vergleichen der Ausgangsspannung mit der Hilfsspannung; (c) Generieren eines Einstellstroms (Iein) in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs; und (d) Einspeisen des Einstellstroms (Iein) in die Verbindungsleitung.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Einstellstrom (Iein) generiert wird, falls die Ausgangsspannung kleiner ist als die Hilfsspannung, und dass andernfalls kein Einstellstrom (Iein) generiert wird.