DE1905025A1

DE1905025A1 - Temperaturkompensierte Vergleichsschaltung

Info

Publication number: DE1905025A1
Application number: DE19691905025
Authority: DE
Inventors: Taylor Douglas West
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1968-02-02
Filing date: 1969-02-01
Publication date: 1969-08-07
Also published as: DE1905025B2; BE727017A; JPS4833901B1; GB1259132A; US3531655A; DE6903876U; FR1603691A

Description

PATENTANWALT 1905075 DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS ⁹^⁰

8 MÖNCHEN 71,1,leb. 1969 M«lchlor*traB· 42

MiIn Ztlohtn: J528P— 223

Motorola, Inc. · 9401 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois V.St.A.

Temperaturkompensierte Vergleichsschaltung

Die Erfindung "betrifft eine temperaturkompensierte Vergleichsschaltung zum. Vergleich zweier Signale mit sehr kleiner Amplitudendifferenz.

Vergleichsschaltungen werden im Bereich der Elektronik für Überwachungs- und Steuerzwecke in grossem Ausmass "benutzt. Z.B. finden sie bei Spannungsreglern, dem elektrischen System von Kraftfahrzeugen, analogen Steuer- und Schaltsystemen und dergleichen Verwendung. Zur Herstellung von Null-Detektoren in Brückenschaltung wurden Halbleiteranordnungen benutzt. Derartige Detektoren besitzen Jedoch eine von Temperäturänderungen abhängende Trifterscheinung bezüglich ihrer Betriebsfunktion. Auch treten Ungenauigkeiten beim Vergleich von zwei Signalen auf, die nahezu gleich grosse Amplitudenwerte aufweisen oder sehr nahe bei einem Bezugspotential

Fs/wi liegen.

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liegen. Ein derartiges Signal kann z.B. um weniger als 1 Volt von der Bezugsspannung verschieden sein. Bei der Herstellung und "beim Gebrauch, elektrischer Vergleichs schaltungen ist es wünschenswert, dass eine einzige Stromversorgung benutzt wird, um Fehler zu vermeiden, die durch eine Trift von zwei" angelegten Spannungen verursacht sein können, wenn.zwei verschiedene Stromversorgungen benutzt werden. Ein derartiger Fehler kann auch auftreten, wenn zwei von einer einzigen Stromversorgung abgeleitete Stromversorgungsspannungen relativ zueinander triften.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vergleichsschaltung zu schaffen, die gegenüber Temperaturschwankungen verhältnismässig unempfindlich ist und auch noch auf Signale anspricht, die sehr nahe bei einer Bezugsspannung liegen. Diese Vergleichsschaltung soll nur von einer einzigen Stromversorgung aus betrieben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass in einem Körper eines einkristallinen Halbleitermaterials ein erster und zweiter Transistoraufbau mit identischer Geometrie angeordnet und gegenüber dem übrigen Teil des Körpers isoliert ist, dass, ein ohmischer Leiter den Bäsisbereich des ersten Transistoraufbaus mit dem Basis- sowie Kollektdrhereich des zweiten Transistoraufbaüs verbindet, dass ein erster und zweiter Widerstand auf der einen Seite eineaa gemeinsamen Anschlusepunkt aufweisen und auf der anderen. Seite mit dem Kollektorbereich des entsprechenden ersten tin^ zweiten Transistoraufbaus durch eine Leiter verbunden sind, dass der gemeinsame Anschlusspunkt mit einem Anschlusselement für die Stromversorgung versehen ist, dass weitere Anschlueselemente entsprechend mit den Emitterbereichen der beiden Tranr· flietoraufbauten verbunden sind, und dass der KollektorTbereich

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des zweiten Transistoraufbaus einen Anschlussleiter für das Ausgangssignal aufweist, dasu eine Anzeige für die Amplitudendifferenz der Eingangssignale an den Anschlusselementen ist. .-

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;

Pig« 2 den prinzipiellen Aufbau der Vergleichsschaltung in einem Halbleiterkörper, wobei die Transistorelemente teilweise geschnitten sind.

In der Zeichnung sind Teile in dem Schaltbild sowie der schematischen Darstellung des Aufbaüs der Vergleichsschal-^ tung mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Vergleichsschaltung 10 umfasst erste und zweite Widerstände 11 und 12, d¹ e am einen TSnde miteinander verbunden und über einen Anochluss V-, an eine Stromversorgungsquelle angeschlossen sind. Transistoren 13 und 14 sind mit ihren entsprechenden Kollektoren 15 und 16 mit dem anderen Ende mit dem jeweils zugehörigen Widerstand 11 oder 12 verbunden. Eine Leitung 1? schliesst den Kollektorbereich 15 und den Basisbereich 18 des Transistors 13 kurz. Der Transistor 13 wirkt als Halbleiterdiode,, wobei sich die Diodenwirkung zwischen dem Kollektorbereich 15 und dem Emitterbereich 19 einstellt. Eine Leitung 20 verbindet den Kollektor 15 mit der Basis 21 des Transistors 14. Der Kollektorbereich 16 des Transistors 14 ist über eine Leitung 22 mit einem Verbraucher verbunden·, der z.B. aus einemkuf das Ausgangssignal ansprechenden-Schalter 23 bestehen kann. Die Emitterbereiche 19 und 24 der beiden Transistoren werden von den beiden zu vergleichenden Signalen angesteuert. Dazu steht der Emitterbereich 19

- 3 - über

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über die Leitung 25 mit der Schaltung in Verbindung, die das t Eingangssignal Ε-Liefert. Ein zweites Eingangssignal Ep '■" wird an den Emitterbereich 24 über die Leitung 27 von.einer zweiten Signalquelle 28 aus angelegt, die nachfolgend näher beschrieben wird. ·

Es ist bekannt, dass die gleichrichtende Grenzschicht von Halbleitern elektrische Eigenschaften besitzt, die sich in •Abhängigkeit von der Temperatur verändern. Wenn gleichriehtende Grenzschichten gleich" ausgeführt sind, verhalten sich diese temperaturabhängigen Veränderungen im wesentlichen auch gleich. Für die Herstellung derartiger identischer gleichrichtender Grenzschichten kann ein einziger einkristalliner Siliciumkörper 30 verwendet werden, der in !ig. 1 mit dem gestrichelt dargestellten Block Jl angedeutet ist. , In diesem einkristallinen Siliciumkörper werden die Grenzschichtübergänge durch gleichzeitige und identische Diffusionen oder ein entsprechendes epitaktisches Wachsen hergestellt. Wie aus Fig. 2 erkennbar ist, sind die Transistoren 13 und 14 in einer Siliciumscheibe 30 ausgebildet. Die Geometrie, d.h. die Grosse, Form, die Dotierungsniveaus und die Abstufungen der Kollektor-, Basis- und Emitterbereiche sind sowohl bezüglich ihrer Grosse als auch ihrer"charakteristik sehen Verhaltensweisen identisch. Der BasiB-Emittergrenzschicht übergang ist derjenige, der den Transistor betriebsmäßig steuert und daher selbstverständlich derjenige, der am meisten überwacht werden sollte, um ein identisches temperaturabhängiges Verhalten der Transistoren 13 und 14 sicherzustellen.

Wenn die Transistoren 13 und 14 in identischer Geometrie auf einer einzigen Siliciumscheibe 30 hergestellt werden und z.B. angenommen wird, dass der Basisstrom I₇, des Transistors 14 vernachlässigbar ist, und wenn man-weiter .

- 4 - annimmt

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annimmt, dass die Widerstandswerte der Widerstände 11 und ' gleich sind, bezw. der Widerstand 12 kleiner als der Widerstand 11, und ferner die Eingangssignale E₁ und Ep gleich sind, ergeben sich gleiche elektrische Ströme I-, undl₂ durch die Widerstände 11 und 12. Dieses Betriebsverhalten wird über einen grossen Temperaturbereich beibehalten. Wenn die Widerstandswer&e der Widerstände 11 und 12 gleich sind, und die Eingangssignale gleiche Amplituden aufweisen, dann ist die AusgangsSpannung E, gleich der Basisspannung des Transistors 14-, d.h. der zwischen der Leitung 20 und Masse wirksamen Spannung. Unter diesen Voraussetzungen ist der Transistor 14· in Betrieb weit von einer Stromsättigung entfernt. Jede Änderung der Amplituden der Eingangssignale E₁ und E~ wird entsprechend dem Ausdruck gS2 verstärkt, wobei ß die chakteristische Verstärkung des Transistors 14 und R2 der Widerstandswert des Widerstands 12 ist. Beim Betrieb dieser vorausgehend beschriebenen Schaltung wurde eine Stabilität bezüglich der Änderungen der Eingangs signale E-, und E_p von

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wenigen Mikrovolt pro 0 erzielt. Dieses Verhalten wurde für Eingangssignale erreicht, bei denen der Wert E₁ und Ep nahe bei dem Bezugspotential Masse liegt, d.h. von diesem weniger als 1 Volt verschieden ist und entgegengesetzte Polarität besitzt._

Wenn sich der Signalwert Ep dem Wert der Versorgungsspannung an der Klemme V-, nähert und der Signalwert E-, konstant bleibt, nähert sich auch der Wert E, des Ausgangssignals dem Wert der Vers orgungs spannung an der Klemme V-,. Wenn dagegen der Amplitudenwert E₀ von dem Amplitudenwert der Versorgungsspannung an der Klemme V-, wegwandert, verschiebt sich auch entsprechend der Amplitudenwert E, von dem Amplitudenwert der Versorgungsspannung an der Klemme V₁ weg. Ein

- 5 - NuI!zustand

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Uullzustand zwischen den beiden Amplitudenwerten E, und E_pj wird durch eine bestimmte, vorher festgelegte Spannungs-^:\ ;; amplitude des Aus gangs signals E-, angezeigt. Diese Spannungsramplitude ist mit dem Schalter 23 feststellbar und für die Steuerung der Schaltung, wie nachstehend beschrieben, geeignet. Der Null zustand wird auch durch eine gleiche Strome amplitude für die beiden Ströme I-, und Ip angezeigt. Ein nicht dargestellter Transformator kann dazu verwendet werden, um den Wert der Stromamplituden relativ zueinander festzustellen und eine Fullanzeige zu liefern.

Nachfolgend wird' die Schaltung gemäss Fig. 1 beschrieben. Von der an der Klemme V₁ liegenden Versorgungsspannung wird die erste Eingangsschaltung 26 mit Spannung und Strom versorgt, welche aus einem Spannungsteiler mit denWiderständen 35 und 36 besteht. Von diesem Spannungsteiler wird ein verhältnismässig konstantes Bezügspotential als Eingangssignal E-, an die Vergleichsschaltung gegeben. Eine zweite Schaltung 28 besteht aus einem Spannungsteiler mit den Widerständen 37 und 38, von deren Verbindungspunkt das zweite Eingangssignal E₂ abgegriffen wird. Dieses zweite Eingangssignal E 'wird ; z.T. von dem durch den Widerstand 4-2 über den Transistor 39 und den Verbraucher 40 von einer zweitenJEhergieversorgung 4-1 aus fliessenden Strom bestimmt. Der Spannungsabfall am Widerstand 42 gibt an, ob die· Amplitude des durch den Transistor 39 fliessenden Stromes grosser als für den Verbraucher . 40 zulässig ist oder nicht. Wenn der Spannungsabfall am Wi-. der st and 42 über einen vorgegebenen Amplitudenwert hinaus ansteigt, wird ein zu hoher Strömfluss angezeigt. Wenn der; Signalwert E_? sich dem Wert der Versorgungsspannung an der Klemme Vv nähert, da der Spannungsabfall am Widerstand 42 ansteigt, nähert sich auch der Wert der Ausgangsspannung E^ dem Wert der Versorgungsspannung an der Klemme. V^, so dass

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"bei einer "bestimmten vorgegebenen Amplitude der Schalter die zweite Energieversorgung 41 über die Leitung 43 abschaltet. Für. den. Schalter 23, die Energieversorgung 4-1 und den Verbrau- -: eher 40 können bekannte Einrichtungen verwendet werden. .

Die Versorgungsspannung an der Klemme V₁ liefert die Spannung für die beiden Eingangs signale E-, und E₂. Daher hat eine Änderung dieser Versorgungsspannung keinen Einfluss auf den Vergleich, da diese über die beiden Eingangsleitungen 25 und 27 an der Vergleichsschaltung IO wirksam ist. Für diesen Fall arbeitet die in Fig. 1 dargestellte Schaltung als Strombegrenzer für den Verbraucher 40.

In Fig. 2 ist die Ausführung der Vergleichsschaltung innerhalb des gestrichelten Blockes 31 in integrierter Bauweise dargestellt. Die Widerstände 11 und 12 können in Diffusionstechnik hergestellt sein. Die Leitungen 50 und 51 verbinden die Widerstände mit den·Kollektorbereichen der zugeordneten Transistoren, wogegen die Leitung 52 die Widerstände miteinander verbindet. Diese Leitungen sind auf dem integrierten Aufbau in Form von Drahtleitungen ausgeführt, jedoch können auch andere Arten von Leitungsverbindungen hierfür verwendet werden, die z.B. in Form von Hetallschichten ausgeführt sind, die von dem Halbleiterblock durch dazwischenliegende Oxydschichten isoliert werden. Die auf der Oberfläche der Siliciumscheibe 30 endenden Grenzschichten können in bekannter Weise passiviert sein.

Die Anordnung der Grenzschichtübergange der Transistoren in unmittelbarer Nähe nebeneinander auf einer einzigen Siliciumscheibe gewährleistet, dass diese Grenzschichten im wesentlichen gleiches Temperaturverhalten aufweisen. Der gute Temperaturübergang im Siliciummaterial wird nicht unterbrochen,

- 7 - wenn

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wenn zwischen den beiden Trans is toraufbaut en 13 und 14 eine -... isolierende Schicht vorgesehen und in der Halbleiterscheibe in Sperrichtung vorgespannte Grenzschichtübergänge 60 und 61 vorhanden sind. Wenn anstelle der in Sperrichtung vorgespannten isolierenden Grenzschichtübergänge eine Glasisolatioa. verwendet würde, ist die Dicke dieser Glasisolation so auszuführen, dass, sie keine Temperaturschwelle bewirkt.

- 8 - ■

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Claims

PATENTANWALT 1 9 O ζ f) ? .R " DiPL-INCLEOFLEUGHAUS ■ ° β MDNCHiN 71, l.Peb.1969 Melchlorctnlt* 42 MoinZ.loh.n: M28P-223 Patent an Sprüche

1.j Temperaturkompensierte Vergleichsschaltung zum Vergleich, zweier Signale mit sehr kleiner Ampütudendif f erenz, dadurch g e k e η η z e i c h η e t, dass im Körper (30) eines einkristallinen Halbleitermaterials ein erster und zweiter'Transistoraufbau (13, 14) mit identischer Geometrie angeordnet und gegenüber dem übrigen Teil des Körpers isoliert ist, dass ein ohmischer Leiter (20) den Basisbereich (21) des ersten Transistoraufbaus mit dem Basis- sowie Kollektorbereich (18, 15) des zweiten Transistoraufbaüs verbindet, dass ein erster und zweiter*. Widerstand (11, 12) auf der einen Seite einen gemeinsamen Anschlusspunkt (52) aufweisen und auf der anderen Seite mit dem Kollektorbereich des entsprechenden ersten und zweiten Transistoraufbaus durch eine Leiter verbunden sind, dass der gemeinsame Anschlusspunkt mit einem Anschlusselement (V₁) für die Stromversorgung versehen ist, dass weitere Anschlusselemente (25, 27) entsprechend mit den Emitterbereichen der beiden Transistoraufbauten verbunden sind, und dass der Kollektorbereich des zweiten Transistofaufbaus einen Anschlussleiter (22) für das Ausgangssignal aufweist, das eine Anzeige für die Differenz der Amplitudenwerte der Eingangssignale an den Anschlusselementen ist.

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2· Vergleichsschaltung nach Anspruch. 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t., dass der Widerstandswert des erstenWiderstandes nicht kleiner ist als der Widerstandswert des zweiten Widerstandes.

3. Vergleichsschaltung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, dass eine erste und zweite Signaleingangsschaltung (26,*28) vorhanden ist, die Jeweils ein Spannungsteilernetzwerk (35 > 36und 37₅ 38) aufweisen, die von einem Teilerpunkt aus die Eingangssignale den jeweiligen Emitterbereichen zuführen und ein konstantes Spannungsverhältnis an diesen Teilerpunkten "besitzen, und dass die eine Eingangsschaltung (28) einen weiteren Schaltkreisteil (39, 40) aufweist, der mit dem Spannungsteilernetzwerk verbunden ist und für die Veränderung des Spannungsverhältnisses zwischen den Teilernetzwerken der beiden Eingangs schaltungen geeignet ist.

4. Vergleichsschaltung nach den Ansprüchen 1 "bis 3, dadurch gekennz e .lehn et, dass der erste und zweite Widerstand identische Widerstandswerte aufweisen«

5. Vergleichsschaltung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, dass die "beiden Transistoraufbauten in umittelbarer Nähe nebeneinander in dem Halbleiterkörper angeordnet sind, und eine gute' thermische Verbindung besitzen, so dass die Temperatur^ der beiden Transistoraufbauteil im wesentlichen ;gleich :. ist. - ; - ^:

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