DE2166507B2 - Bezugsspannungsschaltung - Google Patents

Bezugsspannungsschaltung

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DE2166507B2 DE19712166507 DE2166507A DE2166507B2 DE 2166507 B2 DE2166507 B2 DE 2166507B2 DE 19712166507 DE19712166507 DE 19712166507 DE 2166507 A DE2166507 A DE 2166507A DE 2166507 B2 DE2166507 B2 DE 2166507B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bezugsspannungsschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Hierbei handelt es sich um eine Schaltung, die auf Grund eines zugeführten Stromes eine Spannung erzeugt, die gleich einem Vielfachen des Spannungsabfalls an einem Halbleiter-Übergang ist. Eine derartige Schaltung eignet sich besonders für monolithische integrierte Halbleiteranordnungen.
Eine bekannte Schaltung zum Erzeugen von Vorspannungen (vgl. »Regelungstechnische Praxis und Prozeß-Rechentechnik«, 1970, Heft 6, S. M46/M47, insbesondere Bild 4. oder US-PS 32 71 660) besteht aus einer Kette von in Serie geschalteten Flächendioden, die durch einen zugeführten Strom in Durchlaßrichtung vergespannt werden. In integrierten Schaltungen wird eine »Diode« normalerweise durch einen Transistor gebildet, dessen Basis- und Kollektorelektroden zusammengeschaltet sind, und dessen Kollektor und Emitter als Anode bzw. Kathode der »Diode« dienen. Der nutzbare Spannungsabfall dieser »Diode« wird durch den Basis-Emitter-Übergang des Transistors bestimmt. Die über einer Kette von in Serie geschalteten Flächendioden erzeugte Spannung ist über einen weiten Bereich von Strömen ziemlich genau definiert (ungefähr 650 mV für jedes typische Siliciumbauelement bei einem Strompegel von I mA).
Bei geringerer Stromdichte durch die Flächendioden nimmt aber auch der jeweilige Spannungsabfall ab. Die »Stromdichte« ist definiert als der durch einen Übergang fließende Strom dividiert durch die wirksame Fläche des Übergangs. Eine Halbierung der Stromdichte hat einen um 18 mV kleineren Spannungsabfall zur Folge. Reduziert man die Stromdichte um den Faktor 10, so ist der Spannungsabfall um 60 mV kleiner. Allgemeiner gesagt, nimmt der Spannungsabfall an einem mit einem Übergang versehenen Silicium-Bauelement um 26 · In η Volt ab, wenn der durch den Übergang fließende Strom um den Faktor η reduziert wird.
In vielen Fällen ist es erwünscht, daß die Spannungsabfälle über einer Anzahl von Flächendioden niedrig sind, weshalb eine niedrige Stromdichte durch die Übergänge erforderlich ist. Wenn der zum Vorspannen der Dioden verfügbare Strom nicht herabgesetzt werden kann, läßt sich beim Bekannten eine niedrige Stromdichte nur dadurch erreichen, daß man die Übergangsflächen der Dioden erhöht. Dabei ergibt sich aber das Problem, daß die Bauelemente dann zu viel Raum in der integrierten Schaltung beanspruchen.
Aufgabe der Erfindung ist, bei einer Bezugsschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs einen relativ geringen Spannungsabfall an den verwendeten Halbleitergleichrichtern zu ermöglichen, ohne daß dazu bei den Halbleitergleichrichtern eine zu große Übergangsfläche benötigt wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs enthaltenden Merkmale.
Die Erfindung erlaubt die Erzeugung von Vorspannungen, die den gleichen Wert haben, als wenn alle Flächendioden eine größere effektive Übergangsfläche hätten. Zu diesem Zweck muß jedoch nur ein einziger Transistor mit einer größeren Fläche des Übergangs verwendet werden, dessen Basis durch den Spannungsabfall über der zugehörigen Flächendiode vorgespannt wird, die mit seinem Emitter verbunden ist Ein wesentlicher Teil des Stromes, der sonst in der Diodenkette fließen würde, fließt hierbei statt dessen durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors, wodurch die Stromdichte in den in der Kette enthaltenen Flächendioden herabgesetzt und über der Kette auf Grund eines angelegten Durchlaßvorspannungsstromes eine niedrigere Vorspannung erzeugt wird.
Als Beispiel wird nachfolgend die Anwendung der Erfindung für eine Bezugsspannungsquelle mit konstanter Spannung erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips einer Bezugsspannungsquelle mit konstanter Spannung und
F i g. 2 die schematische Schaltung einer Bezugsspannungsquelle, in welcher eine Schaltung gemäß der Erfindung dazu dient, die in einer innerhalb der Bezugsspannungsquelle als Bezugsspannungsschaltung mit zwei Anschlüssen dienenden Diodenkette erforderliche GesamtüDergangsfläche herabzusetzen.
In F i g. 1 ist ein monolithisches integriertes Schaltungsplättchen 10, angedeutet durch die gestrichelte Linie, gezeigt. Auf dem Schaltungsplättchen befindet sich ein Transistorverstärker 12 mit bestimmter, festgesetzter Stromverstärkung in Form eines in Emitterschaltung ausgelegten Transistors 14, zwischen dessen Basis und Emitter eine Diode 16 geschaltet ist
Die Wirkungsweise eines solchen Verstärkers ist allgemein bekannt (»Regelungstechnische Praxis und Prozeß-Rechentechnik«, 1970, Heft 6, S. M46/M47, insbesondere Bild 11 und 12). Hier genügt es festzustellen, daß der Transistor 14 und die Diode 16 (die als Transistor mit nach der Basis kurzgeschlossenem Kollektor ausgebildet sein kann) zueinander proportionale Leitungseigenschaften haben. Dies kann be» integrierten Schaltungen ohne weiteres dadurch erreicht werden, daß man den Transistor 14 und die Diode 16 unter Anwendung identischer Herstellungsverfahren dicht beieinander auf dem Schaltungsplättchen 10 anbringt. Die Beziehung zwischen den Strömen der beiden Bauelemente ist dabei durch das Verhältnis ihrer effektiven Basis-Emitter-Übergangsflächen gegeben.
Der Emitter des Transistors 14 ist mit einem Anschlußkontakt 18 des Schaltungsplättchens verbunden, der seinerseits an einen gemeinsamen Bezugspotentialpunkt oder Masse anschließbar ist. Die Diode 16 liegt in einem ersten Stromweg mit weiteren in Reihe geschalteten Dioden 18 und 20. Es sei hier vorausgesetzt, daß die Dioden 18 und 20 gleichartig ausgebildet
sind wie die Diode 16 und Transistoren, die als Dioden geschaltet sind, sein können. Die Anode der Diode 20 ist an eine Konstantstromquelle 22 angeschlossen, die ihrerseits an einen Anschlußkontakt 24 des Schaitungsplärtchens angeschlossen ist. An den Anschlußkontakt 24 ist eine Betriebsgleichspannungsquelle (B+) anschlteßbar.
Zwischen dem Bezugsanschluß 19 und der Konstantstromquelle 22 ist außerdem ein zweier Stromweg mit der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 14 sowie ι ο Dioden 26 und 28 vorgesehen. Die Dioden 26 und 28 können ebenfalls als Dioden geschaltete Transistoren sein.
Eine Ausgangs- oder Bezugsspannung (V0) wird zwischen dem Bezugsanschluß 18 und dem mit einem Ausgangsanschluß 30 verbundenen Kollektor des Transistors 14 bereitgestellt.
Die Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 1 wird aus den folgenden Erläuterungen verständlich.
Die Spannung am Basis-Emitter-Übergang eines als Diode geschalteten Transistors bei gegebener Temperatur und gegebenem Strom läßt sich n.it Hilfe der idealisierten Gleichung für die Haibfeiterflächendiode errechnen, wenn die Spannung am Basis-Emitter-Übergang bei einer Bezugstemperatur und einem Bezugsstrom bekannt ist:
nkT ln Ja_
+ Vh,
kT
In
Vgo = die extrapolierte Energiebandlücke für das Halbleitermaterial bei einer absoluten Temperatur von Null (annähernd 1,2 Volt für Silicium),
q = die Ladung eines Elektrons,
η = eine Konstante, die von der Herstellung des Transistors abhängt (für doppeltdiffundierte Siliciumtransistoren hat π einen typischen Wert von 1,5),
k = Boltzmannsche Konstante,
T = absolute Temperatur (° Kelvin),
Ic = Kollektorstrom,
Vfxa = Emitter-Basis-Spannung bei To und Im, wobei 7o und /co die Bezugstemperatur bzw. der Bezugsstrom sind.
Der Wert von k/q ist annähernd 8,66 · 10~5 Volt/°K,
und für eine typische Betriebstemperatur von 3000K (27°C) kann der Ausdruck -^- mit 26 Millivolt
approximiert werden.
Bildet man die Ableitung der Gleichung (1) nach der Temperatur, so erhält man eine Gleichung, die die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitter-Diode zeigt:
35
be _
- 1 + In
T0 nk ♦( In 'c k
T) <7 /cO (2)
T0)
Die beiden letzten Ausdrücke der Gleichung (2) sind um mindestens eine Größenordnung kleiner als die beiden ersten Ausdrücke der Gleichung (2) und können bei dieser Analyse vernachlässigt werden, so daß Gleichung(2)die folgende Form annimmt:
df
D + V1
Tn
i>rO
= 1 v„
Nimmt man an, daß in F i g. 1 die Dioden 16,18 und 20 im wesentlichen identisch ausgebildet sind und im wesentlichen identische Ströme haben (der Basisstrom des Transistors 14 ist vernachlässigbar), so herrschen an jeder der Dioden 16,18 und 20 im wesentlichen gleiche Spannungen [ Vmxi)]. Damit man am Ausgangsanschluß 30 eine temperaturstabilisierte Spannung erhält, muß die Summe der Temperaturkoeffizienten der Dioden 16, 18 und 20 sein. Dies kann man z. B. dadurch erreichen, daß man die Dioden 26 und 28 mit anderen Eigenschaften als die Dioden 16, 18 und 20 ausbildet oder daß man gleichartige Dioden verwendet, jedoch in den beiden Stromwegen verschiedene Ströme vorsieht. Letzteres kann ohne weiteres dadurch erreicht werden, daß man die Diode 16 mit einem größerflächigen Basis-Emitter-Übergang ausbildet a(s den Transistor 14. Bei der nachstehenden Erörterung sei vorausgesetzt, daß die Diode 16 größer ist als der Transistor 14. Der Strom der Dioden 26 und 28 ist daher kleiner als, jedoch proportional zum Strom der Dioden IC, 18 und 20. In diesem FaI1 herrschen an den beiden Dioden 26 und 28 im zweiten Stromweg Diodenspannungen [Vn^)], die einander gleich, jedoch verschieden von V&eO(i) sind. Die Ausgangsspannung ('Vo) zwischen dem Ausgangsanschluß 30 und dem Bezugsanschluß 19 ist dann durch die folgende Gleichung gegeben:
1O ~ -' ' heu (11 Δ ' I
J>eOC2>
Der Temperaturkoeffizient der Ausgangsspannung (Vo) ist dann durch die folgende Gleichung gegeben:
40 ^o = 3 I IV0n,-2.1 K1
beOQ) ■
Setzt man die Gleichung (3) in Gleichung (5) ein, so ergibt sich:
3 yb
45 T0
2 Kg0 21
Durch Vereinigen der Ausdrücke ergibt sich:
SO I J/ _ ' gU ' - * UfU(II — ' HfU(Z) /T j
V -i- Ii V ? V
'0
Setzt man die Gleichung (4) in Gleichung (7) ein, so erhält man:
W0 =
T0
Gleichung (8) zeigt, daß die Änderung der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur sich auf im wesentlichen Null reduziert, wenn man die Ausgangsspannung (V0) bei der dargestellten Schaltungsanordnung gleich der Bandlückenspannung (Vgo) macht, die ungefähr 1,2 Volt für Siliciumhalbleitermaterial beträgt. Betrachtet man einen allgemeineren Fall, so läßt sich auf Grund der obigen Analyse zeigen, daß bei Verwendung von Dioden aus dem gleichen Material (z. B. Silicium) in beiden Stromwegen kompensierte
Bezugsspannungen bei im wesentlichen ganzzahligen Vielfachen der Bandlückenspannung des Materials erhalten werden können. Das jeweilige Vielfache ergibt sich aus der Differenz zwischen der Anzahl der Dioden (Gleichrichter) in den beiden Stromwegen.
Bestimmte mögliche Abwandlungen der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 ergeben sich dem Fachmann der integrierten Schaltungstechnik ohne weiteres. Beispielsweise kann man den Schaltungsteil mit dem Verstärker mit vorgegebener Stromverstärkung abwandeln. Kleine Widerstände, deren ohmsche Werte im Verhältnis ihrer relativen Ströme proportioniert sind, können in Reihe mit der Diode 16 und mit dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 14 geschaltet werden.
Der Verstärker mit vorgegebener Stromverstärkung kann in der folgenden bekannten Weise aufgebaut sein: Ein erster Verstärkertransistor in Emitterschaltung liegt mit seiner Basis am Eingang und mit seinem Kollektor am Ausgang der Verstärkeranordnung. Parallel zum Basis-Emitter-Übergang eines zweiten Verstärkertransistors in Emitterschaltung liegt eine durchlaßgespannte Halbleiterdiode oder ein als durchlaßgespannte Diode geschalteter Transistor. Diese Parallelschaltung verbindet den Emitter des ersten Verstärkertransistors mit einem Bezugspotentialpunkt. Der Kollektor des zweiten Verstärkertransistors ist an den Eingang der Verstärkeranordnung angeschlossen.
F i g. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bezugsspannungsquelle auf einem integrierten Schaltungsplättchen, angedeutet durch die gestrichelte Linie 10. Der Verstärker 32 mit vorgegebener oder festgesetzter Stromverstärkung enthält einen Transistor 34 und einen als Diode geschalteten Transistor 36. Die Emitter der Transistoren 34 und 36 sind mit einem an Masse angeschlossenen Bezugsansf hluß 19 verbunden.
Der gemeinsame Verbindungspunkt des Kollektors und der Basis des Transistors 36 ist über einen ersten Stromweg mit Dioden 38, 40 und 42, die ebenfalls als Dioden geschaltete Transistoren sein können, mit einer Konstantstromquelle 27, die im einzelnen noch beschrieben wird, verbunden.
Ein'zweiter Stromweg mit Emitter und Kollektor des Transistors 34 und Dioden 44,46 und 48, die ebenfalls als Dioden geschaltete Transistoren sein können, verbindet den BezugsanschluD 19 mit der Konstantstromquelle 27.
Die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 50 liegt zwischen dem Kollektor des Transistors 34 und der Konstantstromquelle 27. Der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 50 liegt direkt parallel zur Diode 48 und ist in der gleichen Richtung gepolt wie die Diode 48. Der Transistor 50 und die Diode 48 haben proportionale Leitungseigenschaften (z. B. ist die effektive Basis-Emitter-Übergangsfläche des Transistors 50 zwölfmal so groß wie die der Diode 48). Dadurch, daß der Transistor 50 Strom von der Reihenschaltung der Dioden 44, 46 und 48 ableitet, verringert sich der Spannungsabfall an diesen Dioden. Diese Methode der Verringerung des Spannungsabfalls beansprucht weniger Fläche auf dem integrierten Schaltungsplättchen als die anderen Methoden der Vergrößerung der Flächen der Dioden 44,416 und 48 oder des Aufbaus der Dioden 44,46 und 48 aus jeweils mehreren parallelen Einzeldioden.
Die Konstantstromquelle 27 enthält in Kaskode geschaltete Transistoren 64 und 66, die zwischen den Verbindungspunkt des ers.ten und des zweiten Stromwegs und eine an einen Anschluß 25 angeschlossene Betriebsspannungsquelle (-B) geschaltet sind. Der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 64 (des unteren Transistors des Kaskodenpaares) liegt parallel zu einer Diode 62 in einer weiteren Verstärkeranordnung mit festgesetzter Stromverstärkung. Ein im wesentlichen konstanter Betriebsstrom wird in der Diode 62 (und damit im Transistor 64) erzeugt, indem an den die stabilisierte Spannung führenden Ausgangspunkt 31 Verstärkertransistoren 68 und 70 vom entgegengesetzten Leitungstyp angekoppelt sind. Ein Widerstand 72 ist
ίο zwischen den Emitter des Transistors 68 und den Bezugsanschluß 19 geschaltet, und ein weiterer Koppelwiderstand 60 liegt zwischen dem Emitter des Transistors 70 und der Diode 62.
Die Basis des Transistors 66 (des oberen Transistors des Kaskodenpaares) erhält durch Dioden 54 und 56, die zwischen den Anschluß 25 und die Basis des Transistors 66 geschaltet sind, eine Vorspannung. An die Dioden 54, 56 und den Widerstand 60 ist eine Anlauf- oder Einschaltstromanordnung mit einem Substrattransistor 52 und einer Diode 58 angeschlossen.
Der gewünschte Konstantstrom von der Konstantstromquelie 27 wird bei der Ausführungsform nach F i g. 2 mit Hilfe der temperaturstabilisierten Spannung am Ausgangsanschluß 30 erhalten. Diese Spannung gelangt zur Basis des Transistors 68 (der zusammen mit dem Transistor 70 einen pnp-Verbundtransistor bekannter Art bildet). Im Emitterwiderstand 72 fließt ein im wesentlichen konstanter Strom, der über den Widerstand 60 zur Diode 62 gelangt. Ein entsprechender Strom gelangt über den Transistor 66 in die Diodenstromwege der Bezugsspannungsquelle. Die Dioden 54 und 56 werden durch einen Strom über die Quellen-Abflußstrecke des Transistors 52 vorgespannt. Die Substratelektrode des Transistors 52 ist mit dem Anschluß 25 verbunden, so daß der Transistor 52 in den leitenden Zustand gespannt ist Anfänglich wird auch über die Diode 58 ein Strom geliefert, der den Stromfluß in der Diode 62 und im Transistor 64 einleitet. Im normalen Betrieb ist dagegen die Diode 58 sperrgespannt, so daß sie zum Strom der Diode 62 nichts beiträgt
Bei einer Anordnung von der in F i g. 2 gezeigten Art kann die gewünschte temperaturkompensierte Differenz der Spannung zwischen den Anschlüssen 19 und 30 dadurch erhalten werden, daß man die effektive Basis-Emitter-Fläche des als Diode geschalteten Transistors 36 fünfmal so groß wie die des Transistors 34 macht (so daß der Strom der Diode 36 fünfmal so groß ist wie der des Transistors 34). In diesem Fall sind die
Dioden 38, 40, 42, 44 und 48 einander im wesentlichen identisch. Der Transistor 50 ist der Diode 48 gleichartig, hat jedoch eine elfmal so große effektive Basis-Emitter-Fläche. Die Diode 46 ist der Diode 48 gleichartig, hat jedoch eine sechsmal so große Effektive Basis-Emitter-
Fläche.
Es ergibt sich somit, daß der Strom in den Dioden 38, 40, 42 und 36 im wesentlichen Ve des von der Konstantiitromquelle 27 gelieferten Stromes beträgt Der Kollektorstrom des Transistors 34 beträgt '/6 des
von der liConstantstromquelle 27 gelieferten Stromes. Vom Kollektorstrom des Transistors 34 fließen elf Teile (d. h.! 1/12) durch dea Transistor 50 und ein Teil durch die Dioden 441,46 und 48. Der Strom in den Dioden 38,40,42 und 36 beträgt bei einer solchen Anordnung ungefähr
das 60fache des Stromes in den Dioden 44,46 und 48. Da ferner die Diode 4(i die sechsfache Fläche der anderen Dioden in diesem Stromweg hat, beträgt ihre Stromdichte '/6 der Stromdichte der Dioden 44 und 48. Die
Spannung an der Diode 46 ist entsprechend niedriger nach der Diodengleichung. Die kombinierte Wirkung der Unterschiede der Flächen der verschiedenen Bauelemente und des verringerten Stromes im zweiten Stromweg ergibt die gewünschte stabilisierte Ausgangsspannung von ungefähr 1,2 Volt am Ausgangsanschluß 30.
Die oben beschrieben«: Anordnung nützt in vorteilhafter Weise die Eigenschaften integrierter Schaltungen aus. Das heißt, die verschiedenen Bauelemente können i0 ohne weiteres nach üblichen Verfahrensweisen hergestellt werden, ohne daß eine spezielle Dotierung von Materialien nötig ist, um die Ur terschiede zwischen den l'< > = ^ vom Spannungen an den Dioden in den beiden Stromwegen zu erhalten. 15
Die am Anschluß 25 in F i g. 2 liegende Betriebsspannung ist negativ gegenüber der Spannung am Masseanschluß 19, so daß sich eine negative Ausgangsbezugsspannung zwischen den Anschlüssen 30 und 19 ergibt. In Fig. 1 ist dagegen die am Anschluß 24 liegende Betriebsspannung positiv, so daß sich eine positive Bezugsspannung zwischen den Anschlüssen 30 und 19 ergibt. Die Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 sind nicht auf die dargestellten Spannungen beschränkt, sondern können eweils mit entsprechend geschalteten positiven oder negativen Spannungsquellen betrieben werden. Ebenso kann man die Leitungstypen (npn oder pnp) der als Dioden geschalteten Transistoren sowie ihre Verschaltungen abwandeln.
Während bei der Ausführungsform nach Fig. 1, um die mathematische Ableitung zu vereinfachen, vorausgesetzt wurde, daß der Wert von Vb<a(\) für sämtliche Dioden im ersten Stromweg und der Wert von Vbeop) für sämtliche Dioden im zweiten Stromweg gleich sind, erhält man die gleichen Resultate, wenn die Spannungen (Vbco) an den einzelnen Dioden im ersten und im zweiten Stromweg jeweils verschieden sind. Die Ausgangs- oder Bezugsspannung läßt sich auch durch folgende Gleichung ausdrucken:
defl (21
worin Vi,eo(i)=die Spannung an der mit der Basis-Emitter-Strecke des Transistors im ersten Stromweg parallelgeschalteten Diode und
VfWO(I)n- VöeO(2)n usw.= die Differenz der Spannung zwischen den weiteren Dioden im ersten und im zweiten Stromweg.
Wegen des Fehlens von Widerständen in den die Ausgangsspannung bestimmenden Stromkreisen der Bezugsgleichspannungsquellen gemäß F i g. 1 und 2 isi dort der Leistungsverbrauch verhältnismäßig niedrig. Es wird bei der Bezugsgleichspannungsquelle gemäC Fig.2 außerdem nur eine verhältnismäßig niedrige Versorgungs- oder Betriebsspannung benötigt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen «09 521

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Bezugsspannungsschaltung mit zwei Anschlüssen, zwischen denen bei Stromfluß eine Bezugsgleichspannung erzeugt wird, und mit einer zwischen den beiden Anschlüssen liegenden Reihenschaltung mindestens zweier in Durchlaßrichtung betriebener Halbleitergleichrichter, von denen der erste mit seiner «inen Elektrode gleichstrommäßig an den ι ο einen Anschluß und mit seiner anderen Elektrode an den zweiten Halbleitergleichrichter angeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen Transistor (50), der mit seiner Emitter-Basis-Strecke gleichstrommäßig zu dem ersten Halbleitergleichrichter (48) parallel geschaltet und mit seinem Kollektor an den anderen Anschluß (30) angeschlossen ist.
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