DE19535807C1

DE19535807C1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Biaspotentials

Info

Publication number: DE19535807C1
Application number: DE19535807A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Ing Dr Wilhelm; Josef Dipl Ing Hoelzle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2015-09-27
Also published as: DE59601698D1; EP0766163B1; US5656927A; EP0766163A3; EP0766163A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Biaspotentials.

Bisher lagen Versorgungsspannungen für integrierte Logik schaltungen meist im Bereich um 5 Volt. So benötigen CMOS- Schaltungen und TTL-Schaltungen beispielsweise 5,0 Volt und ECL-Schaltungen entweder 4,5 Volt oder 5,2 Volt. Moderne CMOS-Bausteine benötigen dagegen nur noch 3,3 Volt als Ver sorgungsspannung und werden in Zukunft die bisherigen Schal tungen mit einer Versorgungsspannung von 5 Volt ersetzen. Es ist daher wünschenswert, auch künftige bipolare Schaltungen ebenfalls mit einer Versorgungsspannung von 3,3 Volt betrei ben zu können. Noch günstiger ist es, wenn die bipolaren Schaltungen beispielsweise in einem Spannungsbereich von 3 bis 6 Volt ohne Änderung der Beschaltung einsetzbar wären, da damit die Schaltung an jede gerade zur Verfügung stehende Spannungsquelle angeschlossen werden kann.

Zu diesem Zweck sind Biaspotentiale notwendig, die einen Einfluß der Versorgungsspannung auf die Funktion der Schal tung verhindern. Die Biaspotentiale sollten im Hinblick auf die Anwendung in einer bipolaren Schaltung ebenfalls in bipolarer Schaltungstechnik erzeugt werden. Mit einem derart von der Versorgungsspannung unabhängigen Biaspotential ließen sich sowohl digitale als auch analoge Schaltungen realisie ren, die bei höheren ebenso wie bei niedrigeren Versorgungs spannungen betrieben werden können.

Eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist auch in DE 29 12 567 C2 dargestellt. Dort ist eine Bezugsspannungsschaltung angegeben, die zur Spannungsstabilisierung verwendet werden kann.

Eine weitere gattungsgemäße Schaltungsanordnung ist auch in DE 27 50 998 A1 angegeben. Diese Erfindung betrifft allgemein elektronische Bezugsschaltungen und bezieht sich insbesondere auf eine Niederspannungs-Bezugsspannungsquelle, welche in der Lage ist, eine Ausgangsspannung zu liefern, die gegen Temperaturschwankungen und gegen Schwankungen in der Energieversorgung unabhängig ist. Die Ausgangsspannung kann dabei geringer sein als die Silizium-Bandlückenspannung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines von der Versorgungsspannung unabhängigen Biaspotentials anzugeben, die auch bei niedrigen Versorgungs spannungen betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß Patentanspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungs- und Anwendungsbeispiele naher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 eine Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 bei einer Logikschaltung,

Fig. 3 eine Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 bei einer Treiberschaltung und

Fig. 4 die Anwendung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 bei einer Verstärkerschaltung.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist ein Transistor 2 vorgesehen, dessen Kollektor an ein Versorgungspotential 1 angeschlossen ist. Zwischen Basis und Kollektor des Transistors 2 ist ein Widerstand 3 geschaltet. Die Basis des Transistors 2 ist zudem über eine Stromquelle 5 an ein Bezugspotential 4 angeschlossen. Eine Stromquelle 6 ist zwischen den Emitter des Transistors 2 und das Bezugspo tential 4 geschaltet. Ein Transistor 7, dessen Kollektor an das Versorgungspotential 1 angeschlossen ist, ist basisseitig mit dem Emitter des Transistors 2 verbunden. Der Emitter des Transistors 7 ist über eine Stromquelle 8 mit dem Bezugspo tential 4 gekoppelt. Weiterhin ist ein Transistor 9 vorgese hen, dessen Basis über einen Widerstand 10 mit dem Emitter des Transistors 7 und dessen Kollektor über einen Widerstand 11 mit dem Versorgungspotential 1 verbunden ist. Die Basis des Transistors 9 ist zudem über einen Widerstand 27 sowie eine seriell dazu in Reihe geschaltete Diode 12 in Durchlaßrich tung mit dem Bezugspotential 4 gekoppelt. Der Transistor 9 weist zwei Emitter auf, die jeweils über einen Widerstand 13 bzw. 13′ an das Bezugspotential 4 angeschlossen sind. Die Widerstände 10, 11, 13, 13′ und 27 haben alle den gleichen Widerstandswert. Alternativ können die beiden Widerstände 13 und 13′ auch durch einen einzigen Widerstand mit einem demge genüber halben Widerstandswert ersetzt werden, wenn der Transistor 9 nur einen Emitter aufweist. Jedoch ist die Ausgestaltung mit zwei Emittern und den zugehörigen Wider ständen günstiger hinsichtlich Exemplarstreuungen. In dem Fall weisen alle die Widerstände 10, 11, 13, 13′ den gleichen Widerstandswert auf, was in integrierter Schaltungstechnik wesentlich einfacher und genauer zu realisieren ist als bestimmte Widerstandsverhältnisse. Der Widerstand 27 kann ebenfalls den gleichen Widerstandswert aufweisen, kann aber unter Umständen auch zur Anpassung der Diode 12 an die Basis- Emitter-Strecke des Transistors 9 verändert werden und gege benenfalls ganz entfallen.

Die Stromquelle 6, deren Strom von der zwischen dem Bezugspo tential 4 und dem Versorgungspotential 1 auftretenden Versor gungsspannung abhängig ist, weist bei einer Weiterbildung der Erfindung einen Transistor 14 auf, dessen Emitter mit dem Bezugspotential 4 und dessen Kollektor mit dem Emitter des Transistors 2 verbunden ist. An die Basis des Transistors 14 ist zum einen der Emitter eines Transistors 15, dessen Kol lektor mit dem Versorgungspotential 1 verbunden ist, und zum anderen der Kollektor eines Transistors 16, dessen Emitter mit dem Bezugspotential 4 verbunden ist, angeschlossen. Die Basis des Transistors 15 ist einerseits über die Reihenschal tung zweier Dioden 17 und 18 in Durchlaßrichtung mit dem Bezugspotential 4 gekoppelt und andererseits über einen Widerstand 20 an ein Hilfspotential 19 angeschlossen. Schließlich ist die Basis des Transistors 16 mit dem Anschluß der Diode 12 verbunden, der dem Bezugspotential 4 abgewandt ist.

Wie die Stromquelle 6 ist auch die Stromquelle 8 - allerdings in unterschiedlicher Weise - von der Versorgungsspannung abhängig. Die Stromquelle 8 enthält in Weiterbildung der Erfindung einen Transistor 21, bei dem zwischen Kollektor und Emitter eine Diode 22 in Durchlaßrichtung geschaltet ist, wobei der Emitter des Transistors 21 an das Bezugspotential 4 und der Kollektor unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 23 an das Hilfspotential 19 angeschlossen ist. Mit dem Kol lektor des Transistors 21 ist zudem die Basis eines Tran sistors 24 verbunden, dessen Emitter mit dem Bezugspotential 4 und dessen Kollektor mit dem Emitter des Transistors 7 verschaltet ist. Die Basis des Transistors 21 ist in gleicher Weise wie die Basis des Transistors 16 an dem dem Bezugspo tential 4 abgewandten Anschluß der Diode 12 angeschlossen.

Zur Erzeugung des Hilfspotentials 19 ist ein Transistor 26 vorgesehen, an dessen Emitter das Hilfspotential 19 abgreif bar ist. Die Basis des Transistors 26, dessen Kollektor an das Versorgungspotentials 1 angeschlossen ist, ist mit dem ein Biaspotential 25 führenden Kollektor des Transistors 9 verbunden.

Bevorzugt wird die Stromquelle 5 als Bandgap-Stromquelle ausgeführt. Diese besteht beim Ausführungsbeispiel aus einem Transistor 31, dessen Emitter mit dem Bezugspotential 4 und dessen Kollektor unter Zwischenschaltung einer Diode 29 in Durchlaßrichtung mit der Basis eines Transistors 30 verbunden ist. Die Basis des Transistors 30, dessen Kollektor mit der Basis des Transistors 2 verbunden ist, ist zudem über einen Widerstand 28 an das Versorgungspotential 1 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 30 ist mit dem Kollektor eines mehrere, beispielsweise zwei miteinander gekoppelte Emitter aufweisenden Transistors 32 verschaltet, wobei die beiden miteinander gekoppelten Emitter des Transistors 32 über einen Widerstand 33 an das Bezugspotential 4 angeschlossen sind. Die Basen der Transistoren 31 und 32 sind dabei mit dem Kollektor des jeweils anderen Transistors verbunden.

Zur Erzeugung eines von der Versorgungsspannung unabhängigen Biaspotentials 25 wird erfindungsgemäß ein von der Differenz des Versorgungspotentials 1 und des gewünschten Biaspoten tials 25 abhängiger Strom gebildet, der den an das Versor gungspotential 1 angeschlossenen Widerstand 11 speisen soll. Der Wert 1 dieses Stroms, der durch den Kollektorstrom des Transistors 9 gegeben ist, ergibt sich aus dem Wert V des Versorgungspotentials 1 und den gewünschten Wert U des Biaspotentials 25 bei einem Widerstandswert R des Widerstands 11 wie folgt:

1 = (V-U)/R.

Der gewünschte Wert U für das Biaspotential 25 liegt dabei beispielsweise im Bereich um 3 Volt. Die Stromquelle 5 als Bandgap-Stromquelle liefert einen Strom mit positivem Tempe raturgang. Dadurch wird zusammen mit der Basis-Emitter- Strecke des Transistors 2 zwischen dem Versorgungspotential 1 und dem Emitter des Transistors 2 eine temperaturunabhängige Bandgap-Spannung von etwa 1,2 Volt gebildet. Die nachfolgen den Transistoren 7 und 9 fügen dem zwei Basis-Emitter- Strecken von etwa 0,9 Volt hinzu, so daß in etwa 3 Volt erreicht werden. Da aber die Transistoren 7 und 9 je nach Versorgungsspannung einen unterschiedlichen Kollektorstrom führen, muß folglich die Wirkung der Versorgungsspannung auf diese Ströme noch eliminiert werden.

Der gewünschte Wert U des Biaspotentials ergibt sich aus dem Wert I₅ der Stromquelle 5, dem Wert R₃ des Widerstands 3, der Thermospannung U_T, dem Wert I₆ des von der Stromquelle 6 abgegebenen Stroms, dem Wert I₈ des von der Stromquelle 8 abgegebenen Stroms, dem Wert I_S des Transistorsperrstroms sowie den Wert 1 des als Ausgangsstrom vorgesehenen Kollek torstroms des Transistors 9:

Bei einem konstanten Wert I₆ und einem Wert I₈ = 0 ist der Wert I abhängig von dem Wert V und damit auch von dem Wert U. Wählt man nun

I₆ = 2I_K²/I und
I₈ = I_K-I/2,

wobei I_K ein konstanter Wert ist, so wird

U = I₅R₃ + 3U_T ln(I_K/I_S)

und damit unabhängig von dem Wert V.

Die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bei einer Logikschaltung, insbesondere einem Speicherelement, ist in Fig. 2 dargestellt. Das von der Schaltungsanordnung 34 nach Fig. 1 erzeugte Biaspotential 25 wird dabei an die Basis eines Transistors 35 angelegt, dessen Kollektor mit dem Versorgungspotential 1 und dessen Emitter unter Zwischen schaltung eines Widerstandes 36 an das Bezugspotential 4 angeschlossen ist. An dem Emitter des Transistors 35 ist die Basis eines Transistors 37 angeschlossen, dessen Kollektor mit dem Versorgungspotential 1 und dessen Emitter über einen Widerstand 38 mit dem Bezugspotential verbunden ist. An dem Widerstand 38 fällt eine Spannung ab, die gleich der Spannung zwischen Kollektor und Emitter des Transistors 2 aus Fig. 1 ist. An den Emitter des Transistors 37 ist die Basis eines Transistors 39 angeschlossen, dessen Emitter unter Zwischen schaltung eines Widerstandes 40 mit dem Bezugspotential 4 gekoppelt ist. Der Kollektor des Transistors 39 ist mit den Emittern zweier Transistoren 41 und 42 verbunden, an deren Basen ein Taktsignal 43 bzw. ein invertiertes Taktsignal angelegt sind. Der Kollektor des Transistors 41 ist mit den Emittern zweier Transistoren 44 und 45 verbunden, an deren Basen ein Datensignal 46 bzw. ein invertiertes Datensignal angelegt sind. Der Kollektor des Transistors 42 ist in gleicher Weise mit den Emittern zweier Transistoren 47 und 48 verbunden, wobei die Basis des Transistors 47 mit dem Kollek tor des Transistors 45 und die Basis des Transistors 48 mit dem Kollektor des Transistors 44 verschaltet ist. Außerdem sind die Kollektoren der Transistoren 44 und 47 ein inver tiertes Ausgangssignal führend miteinander sowie unter Zwischenschaltung eines Widerstands 50 mit dem Versorgungspo tential 1 gekoppelt. Ebenso sind die Kollektoren der Tran sistoren 45 und 48 ein Ausgangssignal 49 führend miteinander verschaltet und über einen Widerstand 51 an das Versorgungs potential 1 angeschlossen.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 34 aus Fig. 1 bei einer Treiberschaltung ist in Fig. 3 darge stellt. Das von der Schaltungsanordnung 34 erzeugte Biaspo tential 25 wird dabei an die Basis eines Transistors 52, dessen Kollektor mit dem Versorgungspotential 1 verbunden ist, angelegt. Der Emitter des Transistors 52 ist zum einen über einen Widerstand 53 mit der einen Signaleingang 54 bildenden Basis eines Transistors 55 und zum anderen über einen Widerstand 56 mit der einen invertierenden Signalein gang 57 bildenden Basis eines Transistors 58 verbunden. Die Emitter der Transistoren 55 und 58, deren Kollektoren an das Versorgungspotential 1 angeschlossen sind, sind unter Zwi schenschaltung jeweils eines Widerstandes 59 bzw. 60 mit dem Bezugspotential 4 gekoppelt. An die Emitter der Transistoren 55 und 58 ist die Basis jeweils eines Transistors 61 bzw. 62 angeschlossen, deren Emitter miteinander gekoppelt und über einen Widerstand 63 mit dem Bezugspotential 4 verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren 61 und 62 sind ein Ausgangs signal 64 bzw. ein invertierendes Ausgangssignal führend über jeweils einen Widerstand 65 bzw. 66 an das Versorgungs potential 1 angeschlossen.

Fig. 4 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung 34 bei einem linearen Verstärker. Das von der Schaltungsanordnung 34 erzeugte Biaspotential 25 wird dabei der Basis eines Transistors 67 sowie dem Kollektor eines Transistors 68 zugeführt. Die Basis des Transistors 68, dessen Emitter an das Bezugspotential 4 angeschlossen ist, bildet einen Signaleingang 69. Die Basis des Transistors 68 ist darüber hinaus zum Zwecke der Rückkopplung über eine Reihenschaltung zweier Widerstände 70 und 71 mit dem Emitter des kollektorseitig an das Versorgungspotential 1 angeschlos senen Transistors 67 gekoppelt. Der Abgriff zwischen den beiden Widerständen 70 und 71 ist über einen Kondensator 74 gegen das Bezugspotential 4 geführt. Schließlich ist ein Widerstand 72 zwischen den einen Ausgang 73 bildenden Emitter des Transistors 67 und das Bezugspotential 4 geschaltet. Die Verstärkung der Verstärkerschaltung ergibt sich dabei aus dem Verhältnis der über der Laststrecke des Transistors 2 Fig. 1 abfallenden Spannung zur Thermospannung.

Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als auch bei dem Anwendungsbeispielen der Fig. 2 bis 4 werden aus schließlich npn-Transistoren verwendet, so daß in dem Fall das Versorgungspotential 1 positiv und das Bezugspotential 4 negativ ist. Eine Realisierung mit ausschließlich pnp-Tran sistoren oder gemischt mit npn- und pnp-Transistoren ist jedoch ebenfalls möglich. Die gezeigten Schaltungen arbeiten in einem Spannungsbereich von 3 Volt bis 6 Volt und weisen dabei mit gleichbleibenden Eigenschaften auf.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Biaspotentials mit einem kollektorseitig an ein Versorgungspotential (1) ange schlossenen ersten Transistor (2),
einem zwischen Basis und Kollektor des Transistors (2) ge schalteten ersten Widerstand (3),
einer zwischen die Basis des ersten Transistors (2) und ein Bezugspotential (4) geschalteten ersten Stromquelle (5),
einer zwischen den Emitter des ersten Transistors (2) und das Bezugspotential (4) geschalteten zweiten Stromquelle (6),
einem kollektorseitig an das Versorgungspotential (1) und basisseitig an den Emitter des ersten Transistors (2) ange schlossenen zweiten Transistor (7),
einer zwischen den Emitter des zweiten Transistors (7) und das Bezugspotential (4) geschalteten dritten Stromquelle (8),
einem kollektorseitig das Biaspotential führenden dritten Transistor (9),
einem zwischen den Emitter des zweiten Transistors (7) und die Basis des dritten Transistors (9) geschalteten zweiten Widerstand (10),
einem zwischen den Kollektor des dritten Transistors (9) und das Versorgungspotential (1) geschalteten dritten Widerstand (11),
einer zwischen die Basis des dritten Transistors (9) und das Bezugspotential (4) geschalteten ersten Diode (12) in Durch laßrichtung
und einem zwischen den Emitter des dritten Transistors (9) und das Bezugspotential geschalteten vierten Widerstand (13), wobei der vierte Widerstand, (13) den halben Widerstandswert des zweiten oder dritten Widerstands (10, 11), die unterein ander gleich groß sind, aufweist und zweite und dritte Strom quelle einen vom Kollektorstrom des dritten Transistors (9) abhängigen Strom liefern.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor (9) einen weiteren Emitter aufweist, der über jeweils einen fünften Widerstand (13′) mit dem Bezugspo tential (4) verbunden ist und
daß zweiter, dritter und fünfter Widerstand (10, 11, 13, 13′) den gleichen Widerstandswert aufweisen.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Stromquelle (6) einen emitterseitig mit dem Bezugspo tential (4) und kollektorseitig mit dem Emitter des ersten Transistors (2) verbundenen vierten Transistor (14),
einen kollektorseitig mit dem Versorgungspotential (1) und emitterseitig mit der Basis des vierten Transistors (14) verbundenen fünften Transistor (15),
einen emitterseitig mit dem Bezugspotential (4) und kollek torseitig mit der Basis des vierten Transistors (14) verbun denen sechsten Transistor (16),
zwei seriell zwischen die Basis des fünften Transistors (15) und das Bezugspotential (4) geschaltete zweite Dioden (17, 18) in Durchlaßrichtung und
einen zwischen die Basis des fünften Transistors (15) und ein Hilfspotential (19) geschalteten sechsten Widerstand (20) aufweist und daß die Basis des sechsten Transistors (16) mit dem vom Bezugspotential (4) abgewandten Anschluß der ersten Diode (12) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Stromquelle (8) einen emitterseitig an das Bezugspo tential (4) angeschlossenen siebten Transistor (21),
eine zwischen Kollektor und Emitter des siebten Transistors (21) geschaltete dritte Diode (22) in Durchlaßrichtung,
einen zwischen das Hilfspotential (19) und den Kollektor des siebten Transistors (21) geschalteten siebten Widerstand (23),
einen emitterseitig mit dem Bezugspotential (4) und basissei tig mit dem Kollektor des siebten Transistors (21) verbun denen achten Transistor (24) aufweist und
daß die Basis des siebten Transistors (21) mit dem vom Be zugspotential (4) abgewandten Anschluß der ersten Diode (12) und der Kollektor des achten Transistors (24) mit dem Emitter des zweiten Transistors (7) verbunden ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfspotential (19) an dem Emitter eines neunten Transistors (26) abgreifbar ist, dessen Kollektor mit dem Versorgungspo tential (1) und dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors (9) verbunden ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stromquelle (5) durch eine Bandgap-Stromquelle gegeben ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (27), der einen Wert wie der zweite oder dritte Widerstand (10, 11) hat, zwischen die erste Diode (12) und die Basis des dritten Transistors (9) geschaltet ist.