DE1920232B2 - Netzwerk mit einem widerstand mit waehlbarem temperaturkoeffizienten - Google Patents

Netzwerk mit einem widerstand mit waehlbarem temperaturkoeffizienten

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DE1920232B2
DE1920232B2 DE19691920232 DE1920232A DE1920232B2 DE 1920232 B2 DE1920232 B2 DE 1920232B2 DE 19691920232 DE19691920232 DE 19691920232 DE 1920232 A DE1920232 A DE 1920232A DE 1920232 B2 DE1920232 B2 DE 1920232B2
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Philips Gloeilampenfabrieken NV
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    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
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    • H03F1/30Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/302Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters in bipolar transistor amplifiers
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/10Regulating voltage or current
    • G05F1/46Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc
    • G05F1/462Regulating voltage or current wherein the variable actually regulated by the final control device is dc as a function of the requirements of the load, e.g. delay, temperature, specific voltage/current characteristic
    • G05F1/463Sources providing an output which depends on temperature
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
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    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/18Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using Zener diodes

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Netzwerk mit tinem Widerstand mit wählbarem Temperaturkoeffitienten, das aus der Parallelschaltung eines ohmschen Spannungsteilers und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors besteht, dessen Basis an die Anzapfung des Spannungsteilers angeschlossen ist, wobei der Wert des zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors eingeschalteten Teiles des Spannungsteilers kleiner als der Wert der Basis-Emitter-Eingangsimpedanz des Transistors ist und wobei der Strom durch den ganzen Spannungsteiler kleiner als der Kollektorstrom des Transistors ist. Derartige Netzwerke werden, insbesondere in der Halbleitertechnik, oft benötigt, z. B. um den Temperaturkoeffizienten einer ganzen Schaltungsanordnung oder eines wesentlichen Teiles derselben zu kompensieren.
Die ältere Patentanmeldung P 15 13 238.4 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Kompensation der temperaturabhängigen Änderungen eines Stromes, der durch ein über die Emitter-Kollektor-Strecke eines ersten Transistors gespeistes temperaturabhängiges Element fließt, wobei der durch diesen Transistor fließende (,s Strom von einer Steuergröße gesteuert wird. Nach dieser Anmeldung ist zur Temperaturkompensation in den Steuerkreis die Parallelschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren Transistors und eines ohmschen Spannungsteilers aufgenommen, wobe> die £Ss Elektrode des weiteren Transistors mit der Anzapfung dieses Spannungsteilers verbunden ist und wobei der Wert des zwischen dem Emitter und der Basis des weiteren Transistors eingeschalteten Teiles des Spannungsteilers kleiner als der Wert der Basis-Em.tter Eingangsimpedanz des weiteren Trans.stors ist, während der Strom durch den ganzen Spannungsteiler kleiner als der Kollektorstrom des weiteren Transistors ist Diese Vorrichtung enthält somit im wesentlichen em Netzwerk mit einem Widerstand mit wahlbarem Temperaturkoeffizienten, das aus der ParaHelschaltung eines ohmschen Spannungsteilers und der Em.tter-Kollektor-Strecke eines Transistors besteht, dessen Basis an die Anzapfung des Spannungsteilers angeschlossen ist.
Der Temperaturkoeffizient Co, dieses Netzwerkes ist eleHidem Produkt des Temperaturkoeffizienten Grdes Basis-Emitter-Eigenwiderstandes des Transistors und des Verhältnisses
zwischen der über dem Netzwerk angelegten Spannung und der zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors wirksamen Spannung. Demzufolge wird G„, auch durch die Wahl von Vs beeinflußt, und es ist nicht möglich, bei jedem beliebigen Wert von Vi einen bestimmten verlangten Wert von Go, zu erzielen Zum Erzielen eines bestimmten Wertes von G... muß bei Änderung von V5 auch Vbc proportional geändert werden, so daß bei Änderung des Wertes eines der Widerstände des ohmschen Spannungsteilers auch der Wert des anderen Widerstandes dieses Spannungsteilers geändert werden muß. Die gewünschte Einstellung läßt sich also schwer erzielen. In einer Ausführungsform der Vorrichtung nach der älteren Patentanmeldung wird diese Schwierigkeit dadurch vermieden, daß der Basis-Emitter-Kreis des Transistors des Netzwerkes mehr oder weniger unabhängig von V, aus einer gesonderten Speisequelle über einen Widerstand gespeist wird, der an eine zweite Anzapfung aes ohmschen Spannungsteilers angeschlossen ist, die auf dem zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors eingeschalteten Teil dieses Spannungsteilers angebracht ist.
Die Erfindung bezweckt, ein verbessertes Netzwerk dieser Art zu schaffen, dessen Temperaturkoeffizient nahezu unabhängig von der über dem Netzwerk in Sperrichtung angelegten Kellektorspannung gewählt werden kann, während dennoch keine gesonderte Speisequelle für den Basis-Emitter-Kreis des Transistors erforderlich ist.
Nach der vorliegenden Erfindung ist in den Spannungsteiler wenigstens eine Z-Diode aufgenommen, und dieser Spannungsteiler ist weiter so ausgelegt, daß der Temperaturkoeffizient nahezu gleich Null ist, so daß der Temperaturkoeffizient des Netzwerkes nahezu unabhängig von der über dem Netzwerk in Sperrichtung angelegten «.ollektorspannung gewählt werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 das Schaltbild des in der Vorrichtung nach der Patentanmeldung P 15 13 238.4 angewandten Netzwerkes,
Fig. 2 das Schaltbild einer in der genar ,ilen
Patentanmeldung beschriebenen Abänderung dieses Netzwerkes,
F i g. 3 das Schaltbild einer ersten Atsführungsform des Netzwerkes nach der Erfindung,
F i g. 4 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform und
Fig.5 das Schaltbild einer dritten, vereinfachten Ausführungsform dieses Netzwerkes.
Das bc.eits in der Patentanmeldung P 15 13 238.4 beschriebene Netzwerk mit wählbarem Temperaturko- ,o effizienten besteht aus der Parallelschaltung eines ohmschen Spannungsteilers mit Widerständen 2,3 und 4 und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors 1, z. B. vom npn-Typ, dessen Basis an die Anzapfung zwischen den Widerständen 2 und 3 des Spannungsteilers angeschlossen ist. Der Wert des zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors 1 eingeschalteten Teiles 2 des Spannungsteilers ist kleiner als der der Basis-Emitter-Eingangsimpedanz des Transistors 1 gewählt, während der Gesamtwiderstand Rs = /?2 + Ri + /?4 des Spannungsteilers 2, 3, 4 derart gewählt ist, daß der Strom A durch diesen Spannungsteiler kleiner als der Kollektorstrom Ic des Transistors ist. Bei einer bestimmten Kollektorspannung + V< in Sperrichtung wird dies dadurch erzielt, daß der Wert #2 des Widerstandes 2 in bezug auf den Basis-Emitter-Widerstand Rbc des Transistor;; 1 in Durchlaßrichtung klein und der Gesamtwiderstandswert
Rs = Ri + Ri + /?4 des Spannungsteilers derart groß gewählt wird, daß
Der Kollektorstrom Ic ist gleich dem Produkt aus dem Kollektor-Basis-Stromverstärkungsfaktor <x'—1 und dem Basisstrom Ib, der seinerseits gleich dem Quotienten
Wird nun die Spannung Vs geändert, so ändert sich auch die Basis-Emitter-Spannung VW und somit auch der Basisstrom Ib und der Kollektorstrom Ic, was meistens unerwünscht ist. Wenn z. B. durch Änderung des Widerstandes 4 wieder der gewünschte Kollektorstrom Aeingestellt wird, wird das Verhältnis
R,
«2
und somit auch der Gesamttemperaturkoeffizient Goi geändert, welcher Temperaturkoeffizient also nur in bezug auf die Spannung Vs frei wählbar ist.
Die bereits in der älteren Patentanmeldung beschriebene Abänderung nach F i g. 2 ergibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad. In dieser Vorrichtung ist der ohmsche Spannungsteiler mit einer zweiten Anzapfung versehen, die zwischen zwei Teilen 2 und 2' seines Basis-Emitter-Zweiges angebracht ist, während sein Kollektor-Basis-Zweig nur aus dem Widerstand 3 besteht. Die zweite Anzapfung ist mit einer gesonderten Quelle 4 Vg von z. B. konstanter oder stabilisierter in Durchlaßrichtung wirkender Basisspannung über einen weiteren Widerstand 5 verbunden.
Der ohmsche Spannungsteiler 2, 2', 3 entspricht den bereits erwähnten Bedingungen:
R, + R; < Rhv und
1 = R2+ R2
TR" <
Die Spannung Vg der Hilfsspannungsquelle und der Wert des Widerstandes 5 sind derart gewählt, daß die in Durchlaßrichtung wirkende Basis-Emitter-Spannung Vbc und der Basisstrom Ib im wesentlichen durch diese Größen bedingt sind und daß der Wert Ri des weiteren Widerstandes 5 den effektiven Wert des Basis-Emitter-Zweiges des Spannungsteilers 2, 2', 3 nahezu nicht beeinflußt:
der Basis-Emitter-Spannung und des Basis-Emitter-Widerstandes ist. Da vorausgesetzt ist, daß R2 < Rbe, ist Vhf nahezu gleich
V Ri
aber Rhi- ist von der Temperatur und auch von V<« und somit auch von Vs abhängig.
Der Kollektorstrom Ic und somit der Gesamtwidersland Rn des Netzwerkes ändern sich also auch mit der Temperatur, und unter den beschriebenen Bedingungen ist der Temperaturkoeffizient Gm dieser Änderung gleich
40
oder annähernd
Vu.
Rx
60
mal dcmTemperaiurkoeffizicnten Ci des Basis-Emitter-Widerstandes des Transistors, insofern der Kollektor-Basis-Stromverstärkungslaktor λ' —1 des Transistors größer als der Gegenkopplungsfaktor
Rs
ist. wodurch die Verstärkung begrenzt wird.
R,+J2 ^r: 1^ ^ IV2
und vorzugsweise V^ > Vs.
Unter diesen Bedingungen kann Vs nahezu ohne Änderung von Vbc, Ib, L- und Got geändert werden, während Ic durch Änderung von Vg, von Rs oder des Verhältnisses zwischen R2 und R2' eingestellt werden kann, ohne daß das Verhältnis
R2~+~R~i
und somit der Gesamttemperaturkoeffizient
in erheblichem Maße beeinflußt werden.
Diese Schaltungsanordnung hat den Nachteil, daß sie eine gesonderte Spannungsquelle erfordert, deren Spannung in bezug auf den Emitter des Transistors 1 nahezu konstant sein soll, und daß ein zwar geringer Einfluß der Einstellung von A auf die von Gm unvermeidlich ist.
In der Ausführungsform nach F i g. 3 des Netzwerkes gemäß der Erfindung besteht der ohmsche Spannungsteiler aus einem Widerstand 2, der zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 1 eingeschaltet ist, und
aus einem Widerstand 3, dessen von der Basis abgekehrtes Ende mit der Anzapfung eines weiteren ohmsehen Spannungsteilers 9, 9' verbunden ist. Letzterer ist zu einer Z-Diode 7 parallel geschaltet, und die Parallelschaltung dieser Diode und des weiteren Spannungsteilers ist einerseits an die Spannungsquellc + V» und andererseits über einen Widerstand 8 an den Emitter des Transistors 1 angeschlossen. Auch dieses Netzwerk entspricht den bereits erwähnten Bedingungen: /?2 < Rhc und Ic > I Spannungsteiler = k + h, wobei
Außerdem soll
oder
R,
<■-■
großer Spannung über dem Spannungsteiler 2, 3 auf einen zulässigen Wert begrenzt wird:
in bezug auf /?3 klein sein.
Unter diesen Bedingungen ist der Temperaturkoeffizient des Netzwerkes
wobei Ci der Temperaturkoeffizient der Z-Diode 7 ist. Für diese Z-Diode kann eine Diode mit einem sehr kleinen Temperaturkoeffizienten gewählt werden, der z. B. im Vergleich zu dem Temperaturkoeffizienten Or jo des Transistors nahezu gleich Null ist. Die Zenerspannung Vi über die Diode 7 soll mindestens gleich dem gewünschten Bereich VW« — Vmin der Spannung über dem Netzwerk sein. Wenn es nicht möglich ist, für den gewünschten Wert von Vi eine Z-Diode 7 mit einem Temperaturkoeffizienten nahezu gleich Null zu finden, kann diese Diode, wie in F i g. 4 dargestellt ist, durch die Reihenschaltung einer oder mehrerer Z-Dioden 7, T und einer oder mehrerer in Durchlaßrichtung geschalteter Dioden 10,10' ersetzt werden, wobei die Z- und die anderen Dioden derart gewählt sind, daß der gewünschte Gesamtspannungsabfall
V7=-- Vr + Vr + Vi 0 + Vw
erhalten wird und daß der Temperaturkoeffizient Cz der Z-Diode von dem der anderen Dioden kompensiert wird:
Cz = Ci + Cr + Cio + Cio· « 0.
Unter diesen Bedingungen kann der Gesamttemperalurkoeffizicnt Ctoi des Netzwerkes durch passende Wahl des Verhältnisses R3/R2 und des Temperaturkoeffizienten Gr des Transistors 1 frei gewählt werden, während der ICollektorstrom Ic und somit die Spannung Vs über dem Netzwerk unabhängig von diesem Temperaturkoeffizienten innerhalb bestimmter Grenzen durch Änderung der Spannung über dem Spannungsteiler 2, 3 geändert werden können.
Ein Schutzwiderstand 6 ist noch in den Kollektorkreis des Transistors 1 aufgenommen, damit Ic z. B. bei zu R„ έ
In einer Vorrichtung mit tempcraturcmpfindlichen Elementen, die in Abhängigkeit von dem Wert der Spannung Vi gesteuert werden soll, kann das beschriebene Netzwerk als ein temperaturabhängiger Kompensationswiderstand mit einstellbarem oder wählbarem Temperaturkoeffizienten oder als erste den Einfluß der Temperatur kompensierende Stufe der Vorrichtung angewandt werden, wobei dann die Steuerspannung für die nächste Stufe zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors 1 oder unter Umkehrung des Temperatureinflusses über dem Widerstand 6 entnommen wird.
F i g. 4 zeigt das Schallbild einer zweiten Ausführungsform des Netzwerkes nach der Erfindung.
In dieser Ausführungsform ist die Z-Diode 7 mit zwei in Durchlaßrichtung geschalteten Dioden 10 in Reihe geschaltet, wodurch ihr Temperaturkoeffizient kompensiert wird, während die vom Spannungsteiler 9, 9' überbrückte Reihenschaltung dieser Dioden 7 und 10 in den ersten Spannungsteiler zwischen den Widerständen 2 und 3 aufgenommen ist. Da der Temperaturkoeffizient des Elementes 7, 10 nahezu gleich Null ist, ist der Gesamttemperaturkoeffizient Got wieder gleich
R2 -t- R1
1 · clr
"2
und kann also mit Hilfe der Widerstände 2 und 3 gewählt werden, während der Arbeitspunkt des Transistors 1 unabhängig von diesem Temperaturkoeffizienten mit Hilfe des Zweiten Spannungsteilers 9, 9' eingestellt werden kann.
Bei vielen Anwendungen ist es nicht erforderlich, daß Ic und somit Vt geändert werden können, aber der gewünschte unveränderliche Wert von Ic ist kleiner als der dem von Got vorgeschriebenen Verhältnis Λ3/Α2 entsprechende Wert. In derartigen Fällen kann die vereinfachte Abart nach F i g. 5 angewandt werden: Got kann mit dem Temperaturkoeffizienten Cr des Transistors und mit dem Verhältnis Ri/R2 frei gewählt werden, während Vs und somit Ic unabhängig von diesem Temperaturkoeffizienten
V, = Vi + Vi' + Vio 4- Vi0'
so frei gewählt werden können.
Die Netzwerke nach der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere zur Anwendung in Reihe mil anderen Elementen, wie Widerständen, derart, daß sie den Temperaturkoeffizienten eines oder mehrerei weiterer Elemente einer Schaltungsanordnung odei Vorrichtung oder einer ganzen Schaltungsanordnung oder Vorrichtung kompensieren, wie dies z. B. in dei Patentanmeldung P 15 13 238.4 beschrieben wurde Dabei können sie zugleich als Eingangsstufe diese:
Schaltungsanordnung oder Vorrichtung dienen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Netzwerk mit einem Widerstand mit wählbarem Temperaturkoeffizienten, das aus der Parallelschaltung eines ohmschen Spannungsteilers und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors besteht, dessen Basis an die Anzapfung des Spannungsteilers angeschlossen ist, wobei der Wert des zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors eingeschalteten Teiles des Spannungsteilers kleiner als der Wert der Basis-Emitter-Eingangsimpedanz des Transistors ist und wobei der Strom durch den ganzen Spannungsteiler kleiner als der Kollektorstrom des Transistors ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Spannungsteiler (2,3,9,9', 8 bzw. 2,9,9', 3 bzw 2,3) wenigstens eine Z-Diode (7) aufgenommen ist und dieser Spannungsteiler weiter so aasgelegt ist, daß der Temperaiurkoeffizient nahezu gleich Null ist, so daß der Temperaturkoeffizient des Netzwerkes nahezu unabhängig von der über dem Netzwerk in Sperrichtung angelegten Kollektorspannung gewählt werden kann ( F i g. 3,4,5).
2. Netzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Z-Diode (7) wenigstens eine in Durchlaßrichtung geschaltete Diode (10) angeordnet ist, wodurch der Temperaturkoeffizient der Z-Diode (7) nahezu kompensiert wird (Fig. 4,5).
3. Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (9, 9') der ohmschen Spannungsteiler (2,3,9,9', 8 bzw. 2,9,9', 3) über die Z-Diode (7) oder die Reihenschaltung der Z-Diode (7) und wenigstens einer Diode (10) geschaltet ist und dessen Anzapfung mit der Basis des Transistors (1) verbunden ist ( F i g. 3,4).
4. Netzwerk nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorkreis des Transistors (1) einen weiteren Widerstand (6) enthält.
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