DE1638014C3 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine auf konstante Spannung regelnde, monolithisch integrierte Parallelregelschaltung, die aus einem zweistufigen Regelverstärker, dessen erste Stufe ein Ditfer«"-, verstärker bildet, aus einer Referenzspannungsquelle und aus einer Leistungsstufe als Regelstrecke besteht.

Es liegt ein Vorschlag für eine monolithisch integrierbare Parallelregelschaltung vor (deutsche Offenlegungsschrift 1 63S015), deren elektrisches Ersatzschaltbild in Fig. 1 gezeigt ist. Sie besteht im wesentlichen aus dem symmetrischen Differenzverstärker DV und der Leistungsstufe LS als Regel strecke. Die Referenzspannungsquelle besteht aus der Serienschaltung von in Flußrichtung betriebenen Halbleiterdioden und Z-Dioden. Nach dem älteren Voisel'ag ist diese Serienschaltung derart aufgeteilt, daß ein Teil der Seiienschaltung zwischen dem einen Hingangspol des Differenzverstärkers und dem einen Pol der geregelten Ausgangsspannung U_g angeschlossen ist, während der andere Teil dieser Serienschaltung zwischen dem anderen Eingangspol des Differenzverstärker*, und dem anderen Pol der geregelten Alisgangsspannung liegt. Die Serienschaltung von in Flußrichtung betriebenen Dioden und Z-Dioden, sowie die Aufteilung dieser Serienschaltung wird aus Gründen der Temperaturstabilität der Regelschaltung vorgenommen. Ε·η Maß für die Regelgüte der Regelschaltung ist das Verhältnis der Ausgangsspannungsänderungbei einer vorgegebenen Änderung der Eingangsspannung bzw. des durch den Lastwiderstand fließenden Stromes. Ein Maß für diese Güte ist der Regelfaktor. Dieser Regelfaktor ist in erster Näherung proportional dem Verst::rkungsgrad des Differenzverslärkers.

Tritt nun die Forderung auf, den Regelfaktor weiter zu verbessern sowie den Innenwiderstand der Parallelrcgelschaltungzu erniedrigen, so bietet sich die Lösung an, eine zweite Verstärkerstufe dem Differenz-ίο verstärker nachzuordnen. Solche zweistufigen Differenzverstärker sind an sich bekannt, wie z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1 214 733 hervorgeht. Diese mehrstufigen Differenzverstärker haben jedoch der, Nachteil, daß sie, wenn man sie in einer Regelschalturn? verwendet, bei hohen Frequenzen auf Grund der dort auftretenden Phasendrehungen zu Eigenschwingungen neigen, welche Schwingneigung durch geeignete Schaltmaßnahmen unterdrückt werden muß Dieses Schwingen bei hohen Frequenzen führt näm-

Hch da/u, daß nachfolgende Verstärkerstufen die Gleichspannungspotentiale dieser Verstärkerstufen infolge von Gleichrichtungseffekten so verlagern, daß eine sinnvolle Verstärkung nicht mehr stattfinden kann. Fin Mittel, die Schwingneigung zu unterbinden.

besteht darin, die obere Grenzfrequenz einer Stufe des mehrstufigen Differenzverstärkers mit Hilfe von Kondensatoren stark zu erniedrigen.

Soll nun ein solcher Differenzverstärker in einei monolithisch integrierten Parallelregelschaltung verwendet werden, so tritt auch hier das Problem dei Schwingneigung bei hohen Frequenzen auf. Die Losungsmöglichkeit, wie sie für Schaltungen mit diskre ten Bauelementen in einfacher Weise gegeben ist. nämlich das Beschälten mit Kondensatoren, ist jedoch

(5 bei einer monolithisch integrierten Festkörperschal tung nicht anwendbar. Dies liegt darin begründet, daß /war Kapazitäten monolithisch integriert werden können, jedoch nur relativ kleine Kapazitätswerte möglich sind Große Kapa/itätswerte führen nämliih

κι /u einem unverhältnismäßig großen Flächenaufwar j. wodurch die Vorteile der durch die Integrierunu ei reichten Mikrominiaturisierung wieder zunichte gemacht werden.

Die Erfindung hat sich somit zur Aufgabe gestellt.

die Schwingneigung eines zweistufigen Differenzverstärkers, der in monolithisch integrierter Bauweise als Teil einer Par;i!lelrege!schaltung hergestellt werden soll, auf andere Weise zu unterbinden. Diese Aufgabe wird bei der oben angegebenen Parallclregelschaltung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite Verstärkerstufe des Regelverstärkers aus einem Paar komplementärer Transistoren aufgebaut ist und daß einer der beiden komplementären Transistoren als monolithisch integrierter Verbundtransistor ausgebildet ist, der aus einer lateralen Transistorstruktur und einer dazu komplementären üblichen Transistor-Struktur besteht.

Dieser Verbundtransistor ist aus »Proc. IEEE«. Dezember 1964, Seiten 1491 bis 1495 bekannt. Ti

besteht aus der lateralen Transistorstruktur T_hA und der komplementären üblichen Transistorstruktur V,,,,. wie in F i g. 4 gezeigt ist. Auch ist aus dieser Litcratui stelle ein zweistufiger Differenzverstärker bekannt, dessen zweite Verstärkerstufe aus je einem solchen Verbundtransistor gebildet wird. Demgegenüber ist es jedoch bei der erfindungsgemäßen Parallelregelschaltung nicht notwendig, zwei selche Verbundtransistoren zu verwenden, sondern es genügt, die erfin

dungsgemäße Kombination eines Transistors und eines Verbundtransistors in der zweiten Verstärkerstufe anzuwenden.

In.den weiteren Fig. 2 und 3 der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und eine vorteilhafte Weiterbildung gezeigt. In der Fig. 2 der Zeichnung ist das elektrische Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Parallelregelschaltung dargestellt. Der als Differenzverstärker DV aufgebaute Regelverstärker besteht aus den beiden Verstärkerstufen, die von den Transistoren T₁ und T₂, bzw. T₅ und T₆ gebildet werden. Dem einen Eingangspol A des Differenzverstärkers ist die Bezugsspannung einer Referenzspannungsquelle zugeführt, während dem anderen Eingangspol B eine der zu regelnden Spannung U_g proportionale Spannung zugeführt wird. Die Referenzspannungsquelle besteht aus einer Serienschaltung von Flußdioden FO₁ bis FD₆ und Z-Dioden ZD₁, ZD₂, welche Serienschaltung, wie schon oben bei Erläuterung der Fig. 1 beschrieben, derart aufgeteilt ist, daß ein Teil der Flußdioden zwischen dem einen Eingangspol A und dem einen Pol der zu regelnden Spannung U_g und der andere Teil zwischen dem anderen Eingangspol B und dem anderen Pol der Spannung U liegt. Die beiden Transistoren T₁ und T₂ besitzen die in ihren Kollektorkreisen als Arbeitswiderstande liegenden Widerstände A₁ und R₂, deren kollektorfernes Ende miteinander verbunden ist und am Emitter eines spannungsregelnden Transistors T₄ angeschlossen ist. Der Kollektor dieses Transistors ist mit dem anderen Pol der zu regelnden Spannung U_g verbunden, während dessen Basis am Verbindungspunkt der beiden Zenerdioden angeschlossen ist. Dieser Transistor verhindert, daß auf die Arbeitswiderstände /?, und R₂ noch etwa auftretende Spannungsänderungen der Spannung U_g einwirken können.

Die zweite Stufe des Regelverstärkers ist mit ihren Transistoren T₅ und T₆ an den Ausgang der ersten Verstärkerstufe angeschlossen, und zwar liegt die Basis des Transistors T₅ am Kollektor von Transistor T, und die Basis des Transistors T₆ am Kollektor des Transistors T₂. Der Transistor T^ ist vom npn-Typ, während als Transistor T₆ der bekannte Verbundtransistor verwendet ist, der auf Grund seines elektrischen Verhaltens als pnp-Transistor anzusehen ist. Die Emitter diesrr beiden Transistoren sind aus Gegenkopplungsgründen über einen Widerstand R₅ miteinander verbunden. Diese aus den Transistoren T₅ und T₆ gebildete zweite Verstärkerstufe stellt einen unsymmetrischen Differenzverstärker dar, da die durch den Transistor T₅ gebildete Verstärkerhälfte keinen Kollektorarbeitswiderstand besitzt. Vielmehr ist der Kollektor dieses Transistors direkt mit dem anderen Pol der zu regelnden Spannung verbunden. Die andere Verstärkerhäifte besitzt den Arbeitswiderstand A₆, der zwischen dem Kollektor des Verbundtransistors T₆ und dem einen Pol der zu regelnden Spannung angeschlossen ist. Vom Kollektor dieses Verbundtransistors wird die Basis de«; zur Leistungsstufe LS gehörenden Transistors T₈ angesteuert. Die Leistungsstufe LS besteht im Ausführungsbeispiel der F i g. 2 aus den beiden Transistoren T₇ und T₈, wobei der Transistor T₈ den Emitterwiderstand /?₈ besitzt.

Die Emitter der beiden Transistoren der ersten Differenzverstärkerstufe sind über die niederohmigen Widerstände K₉ und R_w miteinander verbunden. Am Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände ist der Kollektor des Transistors T₃ angeschlossen, der in Basisschaltung betrieben ist und somit, wie bei Differenzverstärkern allgemein üblich, einen großen dynamischen gemeinsamen Emitterwiderstand darstellt. Die Basis des Transistors T₃ ist an einem Verbindungspunkt zweier Flußdioden der Referenzspannungsquelle angeschlossen, wodurch diese Basis auf festem Potential liegt. Der Arbeitswiderstand K₃ dieses Transistors liegt in dessen Emitterkreis. Über den Vorwiderstand R₁ erhält der eine Teil der Reihenschaltung der Referenzspannungsquelle einen konstanten Strom zugeführt. Der Widerstand R₁ liegt zwischen der Basis des Transistors T₁ und der Basis von Transistor T₄. In gleicher Weise ist durch den Widerstand A₄ der Strom durch den anderen Teil der Referenzspannungsquelle festgelegt. Dieser Widerstand liegt zwischen der Basis von Transistor T₂ und dem einen Pol der zu regelnden Spannung LJ_g.

Die erfindungsgemäße integrierte Parallelregelschaltung benötigt auf Grund der Tatsache, daß in erfindungsgemäßer Weise in der zweiten Verstärkerstufe der bekannte Verbundtransistor verwendet wird, keine zusätzlichen Kapazitäten, um ein Schwingen bei hohen Frequenzen zu vermeiden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß einerseits der Verbundtransistor T_n eine relativ niedrig liegende Gegenfrequenz der übrigen npn-Transistoren liegt und daß andererseits Schwingungen durch die Eingangskapazität von Transistor T₈ unterbunden werden. Somit kann bei der monolithischen Integrierung der erfindungsgemäßen Parailelregelschaltung auf eindiffundierte oder von außen anzuschließende Kapazitäten verzichtet werden, was die monolithisch integrierte Parallelregelschaitung wesentlich vereinfacht und auch die Abmessungen des fertigen Bauelements kleiner ausfallen läßt, als wenn integrierte Kapazitäten mitverwendet werden müßten.

F i g. 3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Parallelregelschaltung. Die Parailelregelschaltung nach Fig. 2 kann nämlich dadurch in vorteilhafter Weise verbessert werden, daß die Basis des Verbundtransistors T₆ direkt am Kollektor des zugehörigen Transistors T₂ der ersten Verstärkerstufe angeschlossen ist sowie zwischen Basis des Verbundtransistors T₆undkol!ektorseitigen Ende des Arbeits-Widerstandes R₂ eine oder mehrere in Serie geschaltete, bezüglich des Kollektorstroms des Transistors T₂ in Flußrichtung betriebene Dioden FD₉ und FD _1(l eingeschaltet sind und daß die Basis des zum Verbundtransistor T₆ komplementären Transistors T₅ über eine oder mehrere in Serie geschaltete, bezüglich des Kollektorstroms des Transistors T₁ in Flußrichtung betriebene Dioden FD₁ und FD_S mit dem Kollektor des Transistors T₁ verbunden ist. In Fig. 3 sind die zusätzlichen Dioden FD₁ bis FD₁₁₁ in der angegebenen Weise eingezeichnet. Die übrige Schaltung ist gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Schaltung nicht verändert.

Durch die vorteilhafte Weiterbildung wird erreicht, daß die zweite Verstärkerstufe mit den komplementä-

6i ren Transistoren T₅ und T₆ schon bei einer zwischen den Kollektoren der Transistoren T₁ und T₂ gemessenen Ausgangsspannung, der Ausgangsdifferenzspannung, von 0 Volt aufgesteuert wird. Sind die Dioden FD₁ bis /⁷D₁₁, dagegen nicht vorhanden, so muß die erste Stufe des Differenzverstärkers DV eine Ausgangsdifferenzspannung abgeben, die mindestens gleich der Summe der Emitter-Basis-Schwellspannungen der beiden Transistoren T₅ und T₆ ist. Dies

hat aber zur Folge, daß die erste Stufe des Differenzverstärkers schon unsymmetrisch arbeitet, wenn die zweite Stufe gerade zu arbeiten beginnt, d. h. aufgesteuert wird. Durch die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird das symmetrische Arbeiten sämtlicher Stufen des Differenzverstärkers erreicht, wodurch sich eine optimale Regelgenauigkeit ergibt, da der Differenzverstärker mit maximaler Verstärkung nur bei vollständiger Symmetrie arbeitet.

Die in Serie geschalteten Dioden wirken hierbei wie Batterien, die auch bei nahezu symmetrischem Betriebszustand der ersten Verstärkerstufe dei Diffe-

renzverstärkers dafür sorgen, daß die zweite Verstärkerstufe im aktiven Bereich arbeitet. In der Ausführung als monolithisch integrierte Festkörperschaltung tritt noch der weitere Vorteil auf, daß die Symmetrie der ersten Verstärkerstufe des Differenzverstärkers von der Temperatur unabhängig ist, da die an den in Serie geschalteten Dioden abfallenden Spannungen und die Basis-Emitter-Schwellspannung der zweiten Verstärkerstufe bei geeigneter Bemessung der für die Dioden verwendeten Strukturen des iidlbleiierkörpers denselben Temperaturgang besitzen.

Hier/u I Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Auf konstante Spannung regelnde, monolithisch integrierte Parallelregelschaltung, die aus einem zweistufigen Regelverstärker, dessen erste Stufe ein Differenzverstärker bildet, aus einer Referenzspannungsquelle und aus einer Leistungsstufe als Regelstrecke besteht, dadurch gekennzeichnet ,daß die zweite Verstiirkerstufe des Regelverstärkers (DV) aus einem Paar komplementärer Transistoren (V₅, VJ aufgebaut ist und daß einer (V_n) der beiden komplementären Transistoren als monolithisch integrierter Verbundtransistor ausgebildet ist, der aus einer lateralen Transistorstruktur (T_hA) und einer dazu komplementären üblichen Transistorstruktur (V₆₈) besteht (Fig. 2, 4).

2. Parallelregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Verbundtransistors (VJ direkt am Kollektor des zugehörigen Transistors (V,) der ersten Verstärkerstufe angeschlossen ist, daß zwischen der Basis des Verbundtransistors (Vj und dem kollektorseitigcn Ende des Arbeitswiderstandes (R₂) eine oder mehrere in Serie geschaltete, bezüglich des KoI-lektorslroms des Transistors ( V₂) in Flußrichtung betriebene Dioden (FD^, FD„,) eingeschaltet sind und daß die Basis des /um Verbundtransistor (V,,) komplementären Transistors (7'₅) über eine ι ler mehrere in Serie geschaltete, bezüglich des Kollektorstroms des Transistors (V₁) in Flußrichtung betriebene Dioden ( FD₁. FD_H) mit dem Kollektor des Transistors (V₁) verbunden ist (Fig. 3).