DE19947816B4

DE19947816B4 - Kaskode-Stromquelle niedriger Spannung

Info

Publication number: DE19947816B4
Application number: DE19947816A
Authority: DE
Inventors: Robert A. Pease
Original assignee: National Semiconductor Corp
Current assignee: National Semiconductor Corp
Priority date: 1998-10-05
Filing date: 1999-10-05
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: DE19947816A1; US6124753A; KR100351184B1; US6313692B1; JP3349482B2; KR20000028842A; TW476872B; US6249176B1; JP2000112550A

Abstract

Stromquelle zum Liefern übereinstimmender Ströme bei niedrigen und variablen Vorspannungen – mit einem Referenzstromschaltkreis (65) zum Liefern eines Referenzstromes (Iref), – wobei der Steueranschluß (23c) eines dritten Transistors (23) mit dem Referenzstromschaltkreis (65) so verbunden ist, daß ein zweiter Anschluß (23b) des dritten Transistors einen Strom (I2) an den ersten Anschluß (31a) eines vierten Transistors (31), der eine zweite Stromdichte aufweist, liefert, – wobei der Steueranschluß eines fünften Transistor (24) mit dem Steueranschluß (23c) des dritten Transistors (23) verbunden ist, und der zweite Anschluß des fünften Transistors (24b) einen Strom (I3) liefert, – mit einem Vorspannungsschaltkreis (32, 33), der mit dem Steueranschluß (31c) des vierten Transistors (31) und dem zweiten Anschluß (24b) des fünften Transistors (24) verbunden ist, um eine Spannung an den zweiten Anschluß (24b) des fünften Transistors (24) und eine Spannung an den Steueranschluß (31c) des vierten Transistors (31) zu liefern, um die Spannung...

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Stromquellen und insbesondere Kaskoden-Stromquellen, die bei niedrigen und variablen Spannungen arbeiten.
Beschreibung des Standes der Technik
Stromquellen sind in analogen Schaltkreisen sehr gebräuchlich. Als Gleichstrom-Vorspannungselemente werden Stromquellen häufig benutzt, um Gleichstrom-Vorspannungsniveaus in einem Schaltkreis zu erzeugen, während sie eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen der Spannungsversorgung und der Temperatur des Gesamtschaltkreises haben. Stromquellen sind auch als Lastelemente in Verstärkerstufen sehr gebräuchlich. Die hohe inkrementelle Impedanz des Stromspiegels liefert eine hohe Spannungsverstärkung der Verstärkerstufen bei Spannungsversorgungen mit niedriger Leistung.
1 stellt eine Stromquelle 20 dar, die drei identische PMOS-Transistoren 22, 24 und 26 umfaßt, die Ströme in den jeweiligen Zweigen 21, 23 und 25 liefern. Der Ausgangsknoten N40 des Zweiges 21 ist mit dem Gate- und dem Drain-Anschluß des NMOS-Transistors 10 verbunden. Der Source-Anschluß des NMOS-Transistors 10 ist mit Erde verbunden. Der Ausgangsknoten N42 des Zweiges 23 ist mit dem Emitteranschluß des PNP-Transistors 11 verbunden. Der Kollektor- und der Basisanschluß des Transistors 11 sind mit Erde verbunden. Der Ausgangsknoten N44 des Zweiges 25 ist mit einem Ende eines Widerstandes 12 verbunden. Ein zweites Ende des Widerstandes 12 ist mit Erde verbunden.
Da der Gate- und der Source-Anschluß der Transistoren 22, 24 und 26 jeweils mit den Knoten N46 und N45 verbunden sind, weisen die Transistoren 22, 24, und 26 im wesentlichen gleiche Gate-Source-Spannungen auf. Folglich wird die Hauptquelle von Ungleichheit zwischen den Stromgrößen I27, I28 oder I29 durch Unterschiede zwischen den Spannungssignalwerten an den Ausgangsknoten N40, N42 und N44 verursacht. Unterschiede zwischen den Strömen an den Ausgangsknoten N40, N42 und N44 werden teilweise auch durch Rauschen oder Größenunterschiede der PMOS-Transistoren 22, 24 oder 26 verursacht. Die Stromunterschiede verursachen auch Spannungsunterschiede an den Knoten N40, N42 und N44.
Um die Abhängigkeit der Stromgrößen I27, I28 und I29 von den Spannungswerten an den jeweiligen Ausgangsknoten N40, N42 und N44 zu vermindern und somit eine gute Übereinstimmung zwischen den Stromgrößen I27 bis I29 zu erreichen, ist es wünschenswert, daß die Kleinsignalausgangimpedanz der Ausgangsknoten N40, N42 und N44 hoch ist. Eine herkömmliche Technik zum Erhöhen der Ausgangsimpedanz einer Stromquelle ist es, eine Kaskodenkonfiguration zu verwenden.
2 stellt eine Kaskoden-Stromquelle 60 mit drei Zweigen dar, die der Stromquelle 20 der 1 ähnlich ist, abgesehen davon, daß die Stromquelle 60 die Kaskodentransistoren 13, 14 und 15 in den Zweigen 21, 23 bzw. 25 verwendet. Ein Eingangsvorspannungschaltkreis 40 legt eine Spannung an den Knoten N50 an, die geringer ist, als die Spannung am Knoten N45. Die Transistoren 13, 14 und 15 erhöhen die Impedanzen an den Ausgangsknoten N40, N42 bzw. N44. Somit liefert die Stromquelle 60 eine stark verbesserte Übereinstimmung zwischen den Stromgrößen I27, I28 und I29 verglichen mit der Stromquelle 20, die in 1 gezeigt ist.
Die Kaskodenkonfiguration der Stromquelle 60 erreicht eine gute Stromübereinstimmung, wenn die Spannung zwischen der Spannungsversorgung V1 und Erde eine minimale Schwelle übersteigt. Es besteht jedoch der Trend, daß die verfügbare Spannung an V1 durch das Systemdesign abnimmt. Wenn die Spannung bei V1 unter einen minimalen Schwellwert sinkt, z. B. 2,0 Volt, und die Spannung zwischen den Knoten N40 und N45 weniger als V1 beträgt, z. B. 1,5 Volt, wird eine Spannung über den Drain-Source-Anschlüssen der Kaskodentransistoren 13, 14 und 15 vernachlässigbar, wodurch der Stromspiegel 60 bei niedrigen Versorgungsspannungen nicht betriebsfähig wird. Somit ist für einen akzeptablen Betrieb der Stromquelle 60 eine höhere Versorgungsspannung erforderlich, als verfügbar ist.
Daher wird eine Stromquelle mit einer hohen Ausgangsimpedanz benötigt, die auch bei niedrigen Versorgungsspannungen betrieben werden kann.
Eine Stromquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der US 5 874 852 A bekannt. Weitere verwandte Stromquellen mit Kaskoden sind aus der DE 692 06 335 T2 und der US 5 525 927 A bekannt.
Abriß der Erfindung
Eine erste Ausführung sieht eine Stromquelle mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
Der Vorspannungschaltkreis der Stromquelle der ersten Ausführung kann aufweisen: einen sechsten Transistor mit einem Steueranschluß, einem ersten und einem zweiten Anschluß, mit einer dritten Stromdichte, wobei der Steueranschluß mit dem Steueranschluß des vierten Transistors, der zweite Anschluß mit dem Steueranschluß und der erste Anschluß mit dem zweiten Anschluß des fünften Transistors verbunden sind; einen siebten Transistor mit einem Steueranschluß, einem ersten und einem zweiten Anschluß, mit einer vierten Stromdichte, wobei der zweite Anschluß mit dem Steueranschluß des sechsten Transistors und der Steueranschluß mit dem zweiten Anschluß des fünften Transistors verbunden sind; wobei die dritte Stromdichte mit der zweiten Stromdichte und die vierte Stromdichte mit der ersten Stromdichte übereinstimmen.
Bei einer Ausführung beträgt ein Seitenverhältnis (Aspektverhältnis) des sechsten Transistors ungefähr 400 zu 1, ein Seitenverhältnis des siebten Transistors 20 zu 5 und ein Seitenverhältnis des vierten Transistors 400 zu 1.
Bei einer Ausführung ist ein Seitenverhältnis des vierten Transistors größer als das Seitenverhältnis des sechsten Transistors.
Eine zweite Ausführung sieht eine Stromquelle vor, um übereinstimmende Ströme bei niedrigen oder variablen Vorspannungen zu liefern, die umfaßt: einen ersten Schaltkreis mit einem ersten Transistor, der einen Steueranschluß, einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, der einen ersten Strom liefert; einen zweiten Schaltkreis mit einem zweiten Transistor, der einen Steueranschluß, einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, der mit dem ersten Schaltkreis verbunden ist und der einen Ausgangsstrom an einen Ausgangsknoten liefert; und einen Vorspannungschaltkreis mit einem dritten Transistor, der einen Steueranschluß, einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, und einem vierten Transistor, der einen Steueranschluß, einen ersten und einen zweiten Anschluß umfaßt, der mit dem zweiten Schaltkreis gekoppelt ist. Der Vorspannungsschaltkreis liefert eine Spannung an dem ersten Anschluß des dritten Transistors und eine Spannung an dem Steueranschluß des zweiten Transistors, so daß eine Spannung am ersten Anschluß des zweiten Transistors und eine Spannung am zweiten Anschluß des ersten Transistors übereinstimmen.
Bei einer Ausführung sind eine Stromdichte des ersten Transistors und des vierten Transistors und eine Stromdichte des zweiten Transistors und des dritten Transistors ungefähr gleich.
Bei einer Ausführung ist ein Seitenverhältnis des zweiten Transistors ungefähr gleich einem Seitenverhältnis des dritten Transistors.
Bei einer Ausführung ist ein Seitenverhältnis des zweiten Transistors größer als ein Seitenverhältnis des dritten Transistors.
Bei einer Ausführung sind der erste und der vierte Transistor von einem ersten Leitfähigkeitstyp und der zweite und der dritte Transistor von einem zweiten Leitfähigkeitstyp. Der erste und zweite Leitfähigkeitstyp sind entgegengestzt.
Diese Erfindung wird unter der Berücksichtigung der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine Stromquelle 20 des Standes der Technik mit verschiedenen Lastelementen dar, die mit ihren Ausgangszweigen verbunden sind.
2 stellte eine Kaskoden-Stromquelle 60, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, dar.
3A stellt eine Kaskoden-Stromquelle 100A gemäß einer Ausführung dieser Erfindung dar.
3B stellt eine Ausführung der in 3A dargestellten Erfindung mit zusätzlichen stromgenerierenden Schaltkreisen 80B und 80C dar.
4A stellt einen IPTAT-Generatorschaltkreis 200A dar, der eine mögliche Verwendung der Ausführungen dieser Erfindung ist.
4B stellt den IPTVBE-Generatorschaltkreis 200B dar, der eine mögliche Verwendung der Ausführungen dieser Erfindung ist.
Es sei angemerkt, daß die Verwendung der gleichen Bezugszeichen in verschiedenen Zeichnungen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnet.
Ausführliche Beschreibung
Eine Kaskoden-Stromquelle 100A gemäß der ersten Ausführung dieser Erfindung ist in 3A gezeigt. Die Stromquelle 100A weist eine herkömmliche Referenzschaltung 65, eine erste Ausgangsschaltung 70, eine zweite Ausgangsschaltung 80 und einen Vorspannungsschaltkreis 90 auf. Die Stromquelle 100A liefert einen zweiten Ausgangsstrom I2 an die Last 85, um diesen auf den Strom I_ref des herkömmlichen Referenzschaltkreis 65 abzustimmen.
Der herkömmliche Referenzschaltkreis 65 liefert eine Vorspannung an den Knoten N46 und einen Referenzstrom I_ref. Wie in 3 dargestellt, weist der herkömmliche Referenzschaltkreis 65 einen Operationsverstärker 42, einen NMOS-Transistor 40, einen Widerstand 44 und einen PMOS-Transistor 21 auf. Der Source-Anschluß 21a des PMOS-Transistors 21 ist mit dem Knoten N45 verbunden. Der Gate-Anschluß 21c des PMOS-Transistors 21 ist mit dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 42 verbunden. Der Drain-Anschluß 40b und der Gate-Anschluß 40c des NMOS-Transistors 40 sind mit einem ersten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 42 verbunden. Der Drain-Anschluß 40b empfangt einen geeigneten Strom von einer nicht dargestellten Stromquelle. Der Source-Anschluß 40a des NMOS-Transistors 40 ist mit Erde verbunden. Der Widerstand 44 und der Drain-Anschluß 21b des PMOS-Transistors 21 sind mit einem zweiten Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 42 verbunden. Bei dieser Ausführung kann der Widerstand 44 Werte von ungefähr 1 Ohm bis 10 Megaohm annehmen. Der Drain-Anschluß 21b des PMOS-Transistors 21 liefert den Referenzstrom I_ref.
Der erste Ausgangsschaltkreis 70 weist einen PMOS-Transistor 22 und einen NMOS-Transistor 30 auf. Der Source-Anschluß 22a, der Drain-Anschluß 22b und der Gate-Anschluß 22c des PMOS-Transistors 22 sind mit den jeweiligen Knoten N45, N47 und N46 verbunden. Die Spannungsversorgung 120 ist an den Knoten N45 angelegt. Der Drain-Anschluß 30b und der Gate-Anschluß 30c des NMOS-Transistors 30 sind mit dem Knoten N47 und der Source-Anschluß 30a des Transistors 30 mit Erde verbunden. Der Transistor 22 erzeugt einen ersten Ausgangsstrom I1, der ungefähr den Strom I_ref des herkömmlichen Referenzschaltkreises 65 kopiert.
Der zweite Ausgangsschaltkreis 80 weist einen PMOS-Transistor 23 und einen PMOS-Transistor 31 auf. Der Source-Anschluß 23a, der Drain-Anschluß 23b und der Gate-Anschluß 23c des PMOS-Transistors 23 sind mit den Knoten N45, N48 bzw. N46 verbunden. Der Source-Anschluß 31a, der Drain-Anschluß 31b und der Gate-Anschluß 31c des PMOS-Transistors 31 sind mit den Knoten N48, N49 bzw. N50 verbunden. Die Last 85 ist zwischen dem Drain-Anschluß 31b und Erde angeschlossen. Der PMOS-Transistor 31 liefert einen zweiten Ausgangsstrom I2 an die Last 85.
Der Vorspannungsschaltkreis 90 weist den PMOS-Transistor 24, einen PMOS-Transistor 32 und einen NMOS-Transistor 33 auf. Der Source-Anschluß 24a ist mit dem Knoten N45 verbunden. Der Gate-Anschluß 24c ist mit dem Gate-Anschluß 23c und dem Gate-Anschluß 22c (Knoten N46) verbunden. Der Drain-Anschluß 24b ist mit dem Source-Anschluß 32a des PMOS-Transistors 32 und dem Gate-Anschluß 33c des NMOS-Transistors 33, Knoten 52, verbunden. Der Gate-Anschluß 32c und der Drain-Anschluß 32b des PMOS-Transistors 32 sind mit dem Drain-Anschluß 33b des NMOS-Transistors 33 verbunden. Der Source-Anschluß 33a ist mit Erde verbunden. Der Vorspannungsschaltkreis 90 liefert eine Spannung an den Knoten N52, so daß die Ströme I1 und I2 ungefähr übereinstimmen.
Ein solcher herkömmlicher Referenzschaltkreis 65 erzeugt den Referenzstrom I_ref, und der erste Ausgangsschaltkreis 70 erzeugt den ersten Ausgangsstrom I1, der I_ref kopiert. Der zweite Ausgangsschaltkreis 80 gibt einen zweiten Ausgangsstrom I2, eine Kopie des ersten Ausgangsstroms I1, an die Last 85 aus.
In der ersten Ausführung dieser Erfindung stimmt die Stromdichte des PMOS-Transistors 32 mit der Stromdichte des PMOS-Transistors 31 ungefähr überein. Auf ähnliche Weise stimmt die Stromdichte des NMOS-Transistors 33 mit der Stromdichte des Transistors 30 ungefähr überein. Der PMOS-Transistor 32 weist ein großes Kanalbreite-zu-Kanallänge-Verhältnis („Seitenverhältnis”) verglichen zu dem NMOS-Transistor 33 auf. Bei dieser Ausführung liegt das Seitenverhältnis des PMOS-Transistors 32 ungefähr bei 400:1 oder 200:0,5 und das Seitenverhältnis des NMOS-Transistors 33 bei ungefähr 20:5.
Die Transistoren 22 und 23 zeigen ähnliche Gate-Source-Spannungen, weil die physikalische Geometrie der Transistoren 22 und 23 übereinstimmt, der Gate-Anschluß 22c und der Gate-Anschluß 23c mit dem Knoten N46 verbunden sind, und weil der Source-Anschluß 22a und der Source-Anschluß 23a mit dem Knoten N45 verbunden sind. Um die Übereinstimmung zwischen den Stromgrößen I1 und I2 zu verbessern, sollten die Transistoren 22 und 23 ähnliche Drain-Source-Spannungen aufweisen (d. h. die Spannungen an den Knoten N47 und N48 sollten übereinstimmen). Für die beste Übereinstimmung sollten die Transistoren 22 und 23 nah beieinander angeordnet sein. Auch sollten gut bekannte Schwerpunkts-Layouttechniken verwendet werden, um Gradienten zu vermeiden.
Der Transistor 31 reduziert eine Differenz zwischen den Drain-Source-Spannungen der Transistoren 22 und 23, und verbessert dadurch die Übereinstimmung zwischen den Strömen I1 und I2. In der ersten Ausführung dieser Erfindung weist der PMOS-Transistor 31 ein Seitenverhältnis auf, das mit dem Seitenverhältnis des PMOS-Transistors 32 übereinstimmt, d. h. 400:1 oder 200:0,5. Eine Erhöhung des Seitenverhältnisses des PMOS-Transistors 31 reduziert die Differenz zwischen den Spannungen am Gate-Anschluß 31c und am Source-Anschluß 31a des PMOS-Transistors 31, nämlich die Differenz zwischen den Spannungen an den Knoten N50 und N48, die notwendig ist, um einen Stromleitungspegel durch den PMOS-Transistor 31 zu erreichen. Das große Seitenverhältnis des PMOS-Transistors 31 erlaubt somit dem Stromspiegel 100A, das gleiche Niveau des zweiten Ausgangsstromes I2 bei abnehmender Versorgungsspannung 45 zur Verfügung zu stellen.
Der Vorspannungsschaltkreis 90 liefert Spannungen an den Knoten N52 und N50, die dazu führen, daß der zweite Ausgangsstrom I2 mit dem ersten Ausgangsstrom I1 übereinstimmt. Der Strom I3 ist notwendig, um den Betrieb des Vorspannungsschaltkreises 90 zu starten. Bei dieser Ausführung liegt der Strom I3 bei ungefähr dem gleichen Wert wie der erste Ausgangsstrom I1. Der Strom I3 kann auch größer oder kleiner als der Wert des ersten Ausgangstroms I1 gewählt werden. Die Spannung am Knoten N47, V_N47, ist gleich der Gate-Source-Spannung des Transistors 30, V_{GS_30}. Die Spannung am Knoten N48, V_N48, wird durch folgende Gleichung dargestellt: V_N48 = V_N52 – V_{SG_32} + V_{SG_31} wobei

V_N52: die Spannung am Knoten N52 darstellt,
V_{SG_32}: die Source-Gate-Spannung des PMOS-Transistors 32 darstellt; und
V_{SG_31}: die Source-Gate-Spannung des PMOS-Transistors 31 darstellt.

Die Spannungen V_{SG_32} und V_{SG_31} stimmen ungefähr überein, weil der PMOS-Transistor 32 ungefähr die gleiche Stromdichte wie der PMOS-Transistor 31 aufweist. Somit ist V_N48 gleich V_N52. Die Spannung V_N52 ist gleich der Gate-Source-Spannung des NMOS-Transistors 33, V_{GS_33}. Somit ist V_N48 gleich V_{GS_33}. Da der NMOS-Transistor 33 ungefähr die gleiche Stromdichte wie der Transistor 30 aufweist, ist die Spannung V_{GS_33} ungefähr gleich der Spannung V_GS32, und somit ist V_N48 ungefähr gleich V_N47. Folglich sollte der zweite Ausgangsstrom I2 ungefähr mit dem ersten Ausgangsstrom I1 übereinstimmen.
Somit liefert der Vorspannungsschaltkreis 90 eine Spannung am Knoten N52 und eine Spannung am Knoten N50, so daß der zweite Ausgangsstrom I2 durch die Last 85 sogar bei niedrigen Versorgungsspannungen im wesentlichen mit dem ersten Ausgangsstrom I1 übereinstimmt. Bei dieser Ausführung stimmt der erste Ausgangsstrom I1 mit I2 überein, wobei I1 im Bereich von 0,001 bis 10 mA liegt.
Bei der Stromquelle 60 der 2 ist jeder Zweig in einer Kaskodenkonfiguration mit den Transistoren 13, 14 und 15 verbunden. Im Gegensatz dazu wird bei dieser Ausführung der Erfindung nur eine Spannung des zweiten Ausgangsschaltkreises 80 durch einen zusätzlichen Kaskodenschaltkreis gesteuert. Daher wird weniger Spannung beim zweiten Ausgangsschaltkreis 80 als bei der Stromquelle 60 benötigt.
Zusätzliche Ströme können erzeugt werden, die mit dem ersten Ausgangsstrom I1 übereinstimmen. Zum Beispiel stellt 3B graphisch eine Stromquelle 100B mit den Strömen I4 und I5 dar, die erzeugt werden, indem zwei Kopien des zweiten Ausgangsschaltkreises 80, die Schaltkreise 80B und 80C, verwendet werden. In 3B nicht graphisch dargestellt ist der herkömmliche Referenzschaltkreis 65 der 3A. Die Transistoren 23B und 23C haben ungefähr die gleiche Größe wie der Transistor 23 oder sind größer oder kleiner als der Transistor 23. Die Transistoren 31B und 31C haben ungefähr die gleiche Größe wie der PMOS-Transistor 31 oder sind größer oder kleiner als der PMOS-Transistor 31. Folglich stimmen die Ströme I4 und I5 ungefähr mit den Strömen I2 und I1 überein, weil die Spannungen an den Knoten N48B, N48C, N48 und N47 ungefähr übereinstimmen.
Eine zweite Ausführung dieser Erfindung sieht eine Stromquelle vor, die gleich zu der Stromquelle 100A der ersten Ausführung dieser Erfindung ist, abgesehen davon, daß das Seitenverhältnis des PMOS-Transistors 31 etwas größer ist als das Seitenverhältnis des PMOS-Transistors 32. Ein geeignetes Seitenverhältnis des PMOS-Transistors 31 liegt bei ungefähr 440:1. Durch Erhöhen des Seitenverhältnis des PMOS-Transistors 31 kann die Spannung am Knoten N48 mit der Spannung bei N47 sogar bei steigenden Spannungen am Knoten N49 übereinstimmen. Das größere Seitenverhältnis des PMOS-Transistors 31 führt dazu, daß die Spannung am Source-Anschluß 31a, Knoten N48, weniger empfindlich gegenüber steigenden Spannungen am Drain-Anschluß 31b, Knoten N49, ist. Somit kann das Übereinstimmen der Ströme I1 und I2 bei steigenden Spannungen am Knoten 49 aufrecht erhalten werden.
Die erste oder zweite Ausführung dieser Erfindung kann in Temperatursensoren, Niedrigspannung-Bandabstand-Referenzen oder anderen Vorspannungsschaltkreisen eingesetzt werden, bei denen eine niedrige Spannungsversorgung vorgesehen ist und Ströme erzeugt werden müssen, die mit einem Referenzstrom übereinstimmen. Z. B. weisen ein Temperatur-Sensor und ein Bandabstand-Schaltkreis einen ”Strom proportional zur absoluten Temperatur” (IPTAT)-Schaltkreis und einen ”Strom proportional zur Basis-Emitter-Spannung” (IPTVBE)-Schaltkreis auf.
4A stellt einen geeigneten IPTAT-Schaltkreis 200A dar. 4B stellt einen geeigneten IPTVBE-Schaltkreis 200B dar. Der IPTAT-Schaltkreis 200A der 4A sieht eine Ausgangsspannung und einen Strom an dem Knoten N100 vor. Der Strom I100 wächst bei steigender Temperatur des IPTAT-Schaltkreises 200A. Der IPTVBE-Schaltkkreis der 4B erzeugt den Strom I110. Der Strom I110 nimmt mit steigender Temperatur des IPTVBE-Schaltkreises 200B ab. Ein Temperatur-Erfassungs-Schaltkreis mißt die Ströme I100 des IPTAT-Schaltkreises 200A und I110 des IPTVBE-Schaltkreises 200B und subtrahiert diese. Ein Bandabstand-Schaltkreis addiert die Ströme I100 und I110.
Wenn die erste Ausführung dieser Erfindung in einem IPTAT-Erzeugungs-Schaltkreis 200A der 4A verwendet wird, weisen die Transistoren 107 und 111 die gleiche Stromdichte auf. Die Transistoren 109, 110 und 112 weisen die gleiche Stromdichte auf, die Transistoren 101–105 weisen die gleiche Stromdichte auf. Der Transistor 108 weist eine Stromdichte auf, die 1/10 oder 1/20 der Stromdichte des Transistors 107 beträgt. Der Widerstand 160 beträgt 9 kΩ, wenn der Transistor 108 1/10 der Stromdichte des Transistors 107 aufweist, und 18 kΩ, wenn der Transistor 108 1/20 der Stromdichte des Transistors 107 aufweist. Dies stimmt mit einer Änderung von 90 mV pro Dekade für moderne Transistoren überein. Der Vorspannungsschaltkreis 190 sorgt dafür, daß die Spannungen an den Knoten N101 und N104 so übereinstimmen, daß die Ströme I101 und I100 miteinander übereinstimmen.
Wenn die zweite Ausführung dieser Erfindung in einem IPTAT-Erzeugungsschaltkreis 200A verwendet wird, weisen die Transistoren 109 und 112 eine leicht höhere Stromdichte als der Transistor 110 auf. Die Transistoren 109 und 112 weisen eine Stromdichte auf, die 5–10% niedriger als die Stromdichte des Transistors 110 liegt. Der IPTAT-Erzeugungsschaltkreis 200A bewirkt, daß die Ströme I102 und I100 übereinstimmen, sogar wenn die Widerstände R1 und R2 hohe Spannungen liefern.
Der IPTVBE-Erzeugungsschaltkreis 200B der 4B weist den Vorspannungsschaltkreis 290 auf, der ähnlich zu dem Vorspannungsschaltkreis 90 ist, der zuvor mit Bezug auf 3A beschrieben worden ist. Wenn die erste Ausführung dieser Erfindung in dem IPTVBE-Erzeugungsschaltkreis 200B benutzt wird, stimmen das Seitenverhältnis und die Stromdichte des Transistors 292 des Vorspannungsschaltkreises 290 mit dem Seitenverhältnis und der Stromdichte der PMOS Transistoren 262, 266, 268 und 298 überein. Ein solcher Vorspannungsschaltkreis 290 vermeidet systematische Variationen der Schwellenspannungen der PMOS Transistoren 262, 266, 268 und 298. Die Transistoren 250, 256, 258, und 260 weisen das gleiche Seitenverhältnis und Stromdichte auf. Daher stimmt der Strom I110 mit dem Strom IPTAT überein, weil die Gate-Source-Spannung der PMOS-Transistoren 268 und 262 übereinstimmt.
Die Eingangsanschlüsse des Verstärkers 276 sind mit den Widerstanden 272, 274, und 278 verbunden. Der Strom I_servo aus dem Transistor 252 versorgt den Verstärker 276 mit Leistung. Aufgrund der Verbindung des Eingangsanschlusses 284 des Verstärkers 276 mit dem Widerstand 272 und dem Widerstand 274 kann die Spannung an dem Eingangsanschluß 284 niedriger sein, als zuvor bekannt. Somit kann der Verstärker 276 bei niedrigen Spannungen betrieben werden, die an dem Eingangsanschluß 284 geliefert werden. Ein geeigneter Wert des Widerstands 272 beträgt 400 kΩ, und geeignete Werte der Widerstände 274 und 278 betragen 200 kΩ. Ein geeigneter Wert des Widerstands 280 beträgt 100 oder 200 kΩ.
Wenn die zweite Ausführung dieser Erfindung in dem IPTVBE-Erzeugungsschaltkreis 200B verwendet wird, sind das Seitenverhältnis und die Stromdichte der PMOS-Transistoren 262, 266, 268, und 298 leicht höher als das Seitenverhältnis und die Stromdichte der PMOS-Transistoren 292 des Vorspannungsschaltkreises 290. Die PMOS-Transistoren 262, 266, 268, und 298 weisen eine Stromdichte auf, die 5 oder 10% niedriger liegt als die des Transistors 292. Der IPTVBE-Erzeugungsschaltkreis 200B bewirkt, daß die Ströme I100 und IPTAT übereinstimmen, sogar wenn der Transistor 282 und der Widerstand 280 hohe Spannungen liefern.
Zahlreiche Änderungen und Variationen sind im Licht der obigen technischen Lehre möglich. Z. B. können die Beziehungen zwischen den Strömen I_ref, I1, I2 variiert werden, indem die Größen der Transistoren 21, 22 und 23 variiert werden. Die MOS-Transistoren können durch BJT-Transistoren ersetzt werden. Die Ausführungen wurden ausgewählt und beschrieben, um die beste Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung und praktischen Anwendung zur Verfügung zu stellen, um es dadurch einem durchschnittlichen Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in vielffältigen Ausführungen und mit vielfältigen Änderungen zu benutzen, die für den beabsichtigten besonderen Gebrauch geeignet sind.

Claims

Stromquelle zum Liefern übereinstimmender Ströme bei niedrigen und variablen Vorspannungen – mit einem Referenzstromschaltkreis (65) zum Liefern eines Referenzstromes (I_ref), – wobei der Steueranschluß (23c) eines dritten Transistors (23) mit dem Referenzstromschaltkreis (65) so verbunden ist, daß ein zweiter Anschluß (23b) des dritten Transistors einen Strom (I₂) an den ersten Anschluß (31a) eines vierten Transistors (31), der eine zweite Stromdichte aufweist, liefert, – wobei der Steueranschluß eines fünften Transistor (24) mit dem Steueranschluß (23c) des dritten Transistors (23) verbunden ist, und der zweite Anschluß des fünften Transistors (24b) einen Strom (I₃) liefert, – mit einem Vorspannungsschaltkreis (32, 33), der mit dem Steueranschluß (31c) des vierten Transistors (31) und dem zweiten Anschluß (24b) des fünften Transistors (24) verbunden ist, um eine Spannung an den zweiten Anschluß (24b) des fünften Transistors (24) und eine Spannung an den Steueranschluß (31c) des vierten Transistors (31) zu liefern, um die Spannung am ersten Anschluß (31a) des vierten Transistors (31) auf einen Wert einzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß – dieser Wert mit dem Wert der Spannung am zweiten Anschluß (30b) eines zweiten Transistors (30), der eine erste Stromdichte aufweist, übereinstimmt, – der Steueranschluß (22c) eines ersten Transistors (22) mit dem Referenzstromschaltkreis (65) verbunden ist, wobei der zweite Anschluß des ersten Transistors (22b) einen Strom (I₁) liefert, – der Steueranschluß (30c) und der zweite Anschluß (30b) eines zweiten Transistors (30) sowie der zweite Anschluß (22b) des ersten Transistors (22) miteinander verbunden sind, – eine Last (85) in Serie zum vierten Transistor (31) liegt, und ein über den zweiten Anschluß (31b) des vierten Transistors (31) fließender Strom an die Last geliefert wird.
Stromquelle nach Anspruch 1, wobei der Vorspannungschaltkreis (32, 33) weiterhin aufweist: einen sechsten Transistor (32) mit einem Steueranschluß (32c), einem ersten und einem zweiten Anschluß (32a, 32b), mit einer dritten Stromdichte, wobei der Steueranschluß (32c) mit dem Steueranschluß (31c) des vierten Transistors verbunden ist, der zweite Anschluß (32b) mit dem Steueranschluß (32c) verbunden ist und der erste Anschluß (32a) mit dem zweiten Anschluß (24b) des fünften Transistors (24) verbunden ist; einen siebten Transistor (33) mit einem Steueranschluß (33c), einem ersten und einem zweiten Anschluß (33a, 33b) mit einer vierten Stromdichte, wobei der zweite Anschluß (33b) mit dem Steueranschluß (32c) des sechsten Transistors (32) verbunden ist und der Steueranschluß (33c) mit dem zweiten Anschluß (24b) des fünften Transistors (24) verbunden ist; wobei die dritte Stromdichte mit der zweiten Stromdichte übereinstimmt und die vierte Stromdichte mit der ersten Stromdichte übereinstimmt.
Stromquelle nach Anspruch 2, bei der ein Seitenverhältnis des sechsten Transistors (32) ungefähr 400 zu 1 beträgt.
Stromquelle nach Anspruch 2 oder 3, bei der ein Seitenverhältnis des siebten Transistors (33) ungefähr 20 zu 5 beträgt.
Stromquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Seitenverhältnis des vierten Transistors (31) ungefähr 400 zu 1 beträgt.
Stromquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Seitenverhältnis des vierten Transistors (31) größer ist als ein Seitenverhältnis des sechsten Transistors.
Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Stromdichte des zweiten Transistors (30) und des siebten Transistors (33) ungefähr gleich sind und eine Stromdichte des zweiten Transistors (31) und des dritten Transistors (32) ungefähr gleich sind.
Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Seitenverhältnis des vierten Transistors (31) ungefähr gleich einem Seitenverhältnis des sechsten Transistors (32) ist.
Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Seitenverhältnis des vierten Transistors (31) größer ist als ein Seitenverhältnis des sechsten Transistors (32).
Stromquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der zweite und der siebte Transistor (30, 33) von einem ersten Leitfähigkeitstyp sind und der vierte und der sechste Transistor (31, 32) von einem zweiten Leitfähigkeitstyp sind, wobei der erste und zweite Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt sind.
Stromspiegel zum Liefern eines vorbestimmten Stroms an ein Lastelement (85), umfassend: einen Referenzschaltkreis (65) zum Liefern einer ersten Referenzspannung und eines Referenzstromes (T_ref); einen Referenzausgangsschaltkreis (70), der die Referenzspannung aufnimmt und einen ersten Strompfad mit einem Strom (I₁) umfaßt, der im wesentlichen ein erstes vorbestimmtes Vielfaches des Referenzstromes ist, wobei der erste Strompfad einen ersten elektrischen Knoten (N47) umfaßt; einen Vorspannungsschaltkreis (90), der die erste Referenzspannung aufnimmt und einen zweiten Strompfad mit einem Strom (I₃) umfaßt, der im wesentlichen ein erstes vorbestimmtes Vielfaches des Referenzstromes (I_ref) ist, wobei der zweite Strompfad einen zweiten elektrischen Knoten (N52) umfaßt, wobei der Vorspannungsschaltkreis (90) so konfiguriert ist, daß der zweite elektrische Knoten (N52) eine Spannung aufweist, die im wesentlichen identisch zur Spannung des ersten elektrischen Knotens (N47) ist; und einen Ausgangsschaltkreis (80) mit einem Kaskodentransistor (31), wobei der Ausgangsschaltkreis die erste Referenzspannung empfangt und den in Reihe geschalteten Kaskodentransistor (31) und die Last (85) umfaßt, um einen dritten Strompfad zu bilden, in dem ein Strom (I₂) fließt, der gleich einem zweiten vorbestimmten Vielfachen des Referenzstromes ist (I_ref), wobei der Kaskodentransistor (31) durch die Spannung des zweiten elektrischen Knotens (N52) gesteuert wird.
Stromspiegel nach Anspruch 11, bei dem der Referenzausgangsschaltkreis (70) einen ersten Transistor (30) mit Gate- und Drain-Anschlüssen (30c, 30b) umfaßt, die mit dem ersten elektrischen Knoten (N47) verbunden sind, und wobei der Vorspannungsschaltkreis (90) einen zweiten Transistor (33) mit einem Gate-Anschluß (33c) umfaßt, der mit dem zweiten elektrischen Knoten (N52) verbunden ist.
Stromspiegel nach Anspruch 12, bei dem der Vorspannungsschaltkreis (90) weiterhin einen dritten Transistor (32) mit einem Gate-Anschluß (32c), der mit einem Gate-Anschluß (31c) des Kaskodentransistors (31) verbunden ist, einem Source-Anschluß (32a), der mit dem zweiten elektrischen Knoten (N50) verbunden ist, und einem Drain-Anschluß (32b), der mit einem Drain-Anschluß (33b) des zweiten Transistors (33) verbunden ist, umfaßt.
Stromspiegel nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem das erste vorbestimmte Vielfache und das zweite vorbestimmte Vielfache im wesentlichen gleich sind.
Stromspiegel nach Anspruch 13, bei dem der Kaskodentransistor und der dritte Transistor (32) die gleichen Seitenverhältnisse aufweisen.
Stromspiegel nach Anspruch 13 oder 15, bei dem der Kaskodentransistor ein größeres Seitenverhältnis aufweist als der dritte Transistor.
Stromspiegel nach einem der Ansprüche 13, 15 oder 16, der weiterhin einen zweiten Ausgangsschaltkreis (80b, 80c) aufweist, wobei der zweite Ausgangsschaltkreis einen Kaskodentransistor (31b, 31c) und ein Lastelement (86, 87) umfaßt, bei der Kaskodentransistor (31b, 31c) des zweiten Ausgangsschaltkreises (80b, 80c) und das Lastelement (86, 87) des zweiten Ausgangsschaltkreises (80b, 80c) im Verhältnis zu dem Kaskodentransistor (31) des ersten Ausgangsschaltkreises (80) und dem Lastelement (85) des Ausgangsschaltkreises dimensioniert ist.
Temperaturerfassungsvorrichtung, umfassend: einen Schaltkreis, der einen Strom proportional zur absoluten Temperatur erzeugt und eine davon abhängige erste Ausgangsspannung liefert; einen IPTVBE-Schaltkreis, der einen Strom proportional zu einer Basis-Emitter-Spannung erzeugt und eine davon abhängige zweite Ausgangsspannung liefert; und einen Temperaturerfassungsschaltkreis, der eine dritte Ausgangsspannung liefert, die proportional zur Differenz der ersten Ausgangsspannung und der zweiten Ausgangsspannung ist; wobei einer oder mehrere IPTAT-Schaltkreise und IPTVBE-Schaltkreise einen Stromspiegel nach einem der Ansprüche 11 bis 17 aufweisen.
Temperaturerfassungsvorrichtung nach Anspruch 18, die durch ein Bandabstand-Element gebildet wird.