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Monolithische, integrierte Halbleiterschaltung Die Erfindung betrifft
eine monolithische, integrierte Halbleiterschaltung, vorzugsweise eine Schaltung
zum Konstanthalten einer Spannung, insbesondere einer Speisespannung für eine-Diodenabstimmung.
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Da die Ausgangsgröße bzw. Ausgangsgrößen, so z.B. stabilisierte Spannungen,
von monolithischen, integrierten Schaltungen erst nach einer gewissen Zeitspanne
einen stabilen, endgültigen Wert erreichen können, können sich in manchen Anwendungsfällen
einer solchen integrierten Schaltung Schwierigkeiten dadurch ergeben, daß die nach
dem Anlegen der Speisespannungen von der integrierten Schaltung abgegebenen Ausgangsgrößen,
die ihren endgültigen Wert noch nicht erreicht haben, für die genannte Zeitspanne
eine fehlerhafte Funktion des Gerätes, in dem die integrierte Schaltung verwendet
ist, bewirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die monolithische,
integrierte Halbleiterschaltung ein Sohaltungselement oder Schaltungselementengruppe
enthält, die ein bestimmtes Signal abgibt und/oder die Funktion der Schaltung beeinflußt,
wenn der Halbleiterkörper nach dem Inbetriebnehmen der Schaltung eine bestimmte
Temperatur erreicht. Diese Temperatur ist vorzugsweise die Betriebstemperatur des
Halbleiterkörpers.
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Durch diese Ausbildung der integrierten Schaltung kann also erreicht
werden, daß entweder die integrierte Schaltung.
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selber keine iusgangsgrößen abgibt, solange diese ihren konstanten
Wert noch nicht erreicht haben oder ein besonderes Signal abgibt, das es gestattet,
die Funktion des Ge-Gerätes, in dem die integrierte Schaltung verwendet wird, so
zu beeinflussen, daß sich die noch nicht konstanten Ausgangsgrößen der integrierten
Schaltung nachteilig auswirken können.
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Die Zeitspanne, nach der die bestimmte Temperatur erreicht ist und
das Signal abgegeben und/oder die Funktion der Schaltung beeinflußt wird, kann,
falls dies erwünscht ist, durch die Bemessung des Halbleiterkörpers und der wärmeleitend
mit ihm verbundenen Teile der integrierten Schaltung, einschließlich des Gehäuses,
beeinflußt werden. Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung
kann die Zeitspanne, während der der Halbleiterkörper nach dem Inbetriebnehmen der
Schaltung eine bestimmte Temperatur erreicht, dadurch verkürzt werden, daß der Schaltung
nach dem Anlegen der speisenden Spannung eine bestimmte, den Halbleiterkörper erwärmende
Heizleistung zugeführt wird, die dann verändert wird, wenn die bestimmte Temperatur
erreicht ist. Die Veränderung der Heizleistung wird dabei durch die die Funktion
der integrierten Schaltung beeinflussenden Schaltungsele mente bewirkt; dabei kann
das bestimmte Signal, das nach dem Erreichen der bestimmten Temperatur abgegeben
wird, aus der Veränderung der zugeführten Heizleistung abgeleitet werden.
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Die zugeführte Heizleistung kann nach dem Erreichen der bestimmten
Temperatur mit Hilfe ein#es geeigneten Regelkreises so beeinflußt werden, daß die
Temperatur des Halbleiterkörpers auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Um die Temperatur des Halbleiterkörpers feststellen zu können, umfassen
die das Signal abgebende und/oder die Funktion der Schaltung beeinflussenden Schaltungselemente
mindestens einen Temperaturfühler. Ein solcher Temperaturfühler kann ein temperaturempfindlicher
Widerstand sein, es ist aber auch möglich, als Temperaturflihler die Basis-Emitter-Strecke
eines Transistors zu verwenden.
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Vorzugsweise werden zwei Temperaturfühler mit gegensinnigen Temperaturkoeffizienten
verwendet, deren Ausgangsgrößen einem Differenzverstärker zugeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das bestimmte
Signal von der integrierten Halbleiterschaltung nur dann abgegeben, wenn sowohl
die bestimmte Temperatur des Halbleiterkörpers erreicht ist als auch eine elektrisch
erzeugte Verzögerungszeit abgelaufen ist. Dies hat den Vorteil, daß die Verzögerungszeit
flir die Freigabe der Funktion des Gerätes zusätzlich mit externen, mit der integrierten
Halbleiterschaltung verbundenen, Bauelementen bestimmt werden kann.
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Wie bereits eingangs erwähnt, eignet sich eine monolithische integrierte
Halbleiterschaltung gemäß der Erfindung insbesondere als integrierte Schaltung zum
Konstanthalten einer Spannung, insbesondere einer Speisespannung für eine Diodenabstimmung.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der beigefUgten Zeichnung
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das Gesamtschaltbild
einer erfindungßgemäß ausgebildeten integrierten Halbleiterschaltung zum Konstanthalten
einer Spannung, Fig. 2 das Blockschaltbild der Schaltung nach Fig. 1, Fig. 3 das
Prinzipschaltbild der Spannungsregelung in der Schaltung nach Fig. 1,
Fig.
4a das Prinzipschaltbild der Kristalltemperaturregelung in der Schaltung nach Fig.
1, Fig. 4b zwei Regelkennlinien der Schaltung nach Fig. 4a, Fig. 5 das Prinzipschaltbild
der Schaltautomatik der Schaltung nach Fig. 1, und Fig. 6 die Anordnung einiger
wichtiger Schaltungselemente auf der Kristallfläche der integrierten Schaltung.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen das erfindungsgemäße Schaltbild und das Prinzipschaltbild
einer integrierten Schaltung zum Konstanthalten einer Spannung, wie sie sehr häufig
in Systemen der Unterhaltungselektronik sowie der Meß- und Regeltechnik Verwendung
findet, in denen hochstabile Spannungen erforderlich sind.
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Ein bekanntes Beispiel ist die Versorgung von Abstimmpotentiometern
für das Einstellen der Ansteuerspannung von Kapazitätsdioden in Rundfunk- und Fernsehempfängern,
um so eine Programmierung des Empfängers auf bestimmte Sender vornehmen zu können.
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Bei Rundfunkgeräten besteht aufgrund der schnellen Betriebsbereit
schaft der aktiven Bauteile die zusätzliche Forderung, daß die hochstabile Spannung
in sehr kurzer Zeit nach dem Einschalten des Gerätes zur Verfügung stehen muß.
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Zusätzlich besteht die Forderung, und deren Erfüllung hat sich die
Erfindung insbesondere zum Ziel gesetzt, daß die Schaltung ein Signal zur Verfügung
stellt, mit dem der Rundfunkempfang solange gesperrt werden kann, bis die Ausgangsspannung
der Schaltung, d.h. die Abstimmepannung des Empfängers einen stabilen Wert erreicht
hat.
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Wie in dem Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt, besteht die Schaltung
aus drei Funktionsblöcken, und zwar aus Spannungsregelung (Fig. 3), Kristalltemperaturregelung
(Fig. 4) und Schaltautomatik (Fig. 5). Die Spannungsregelung entspricht teilweise
bekannten Stabilisierungsschaltungen.
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Solche Stabilisierungsschaltungen in monolithisch integrierter Technik,
bei denen der Halbleiterkristall, der die temperaturempfindlichen Bauelemente enthält,
auf eine nahezu konstante Temperatur geregelt wird, sind bekannt, z.3. aus der DT-OS
2 037 636.
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In dem Blockschaltbild nach Fig. 2 sind Ue die Speisespannung für
die Spannungsregelung, Ust die abgegebene stabilisierte Spannung, Uh die Heizspannung
für die Temperaturstabilisierung des Halbleiterkristalls und Usch die Schaltspannung,
die abgegeben wird, wenn die Spannung Ust einen stabilen Wert erreicht hat.
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Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild der Spannungsregelung.
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Sie besteht aus den Baueinheiten Referenzspannungsquelle 31, DifferensverstErker
32 für Soll-Istvergleich zwischen Referenzspannung
und zurückgeführt
er Äusgangsspannung sowie der Ausgangsstufe 34 als Regelstrecke. Ein zusätzlicher
Differenzverstärker 33 verändert entsprechend seiner Eingangsspannung einen additiven
Anteil der Referenzspannung, so daß die stabilisierte Ausgangsspannung in einem
bestimmten Bereich verändert werden kann. An Anschluß 9 ist eine Siebung der Referenzspannung
möglich. Dem Spannungsregelkreis ist ein Querstabilisationskreis 35 vorgelagert,
um die Spannung an Anschluß 5 zu begrenzen. Der Stabilisierungsstrom wird über einen
externen Widerstand 36 gezogen, um die Verlustleistung der Schaltung nicht wesentlich
zu erhöhen. Der externe Widerstand 37 dient zum Einstellen der gewtinschten stabilen
Ausgangsspannung Ust.
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Die Kristalltemperaturregelung arbeitet, wie das Prinzipschaltbild
in Fig. 4a zeigt, mit zwei Temperaturfühlern 41 und 42, die temperaturabhängige
Spannungen mit jJe einem positiven und negativen Temperaturkoeffizienten abgeben.
Die Differenz der beiden temperaturabhängigen Spannungen wird mit einem Differenzverstärker
43 verstärkt und damit ein Leistungstransistor angesteuert, der den Halbleiterkristall
hochheizt. Der Arbeitspunkt der Regelung stellt sich auf Spannungsgleichheit der
Temperaturfühler ein (siehe Fig. 4b).
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Der Regelkreis wird durch die thermische Rückführung innerhalb des
Halbleiterkristalls geschlossen. Die thermische Rückführung zwischen- dem Leistungstransistor
T10 und den Temperaturfühlern 41 und 42 kann durch ein elektrisches Ersatzschaltbild
45 ersetzt gedacht werden. Damit, oder durch
Aufnahme des Frequenzganges
sind die Stabilitätsbedingungen des Regelkreises ermittelbar.
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Fu~r die Einschaltphase der Temperaturregelung ist eine Strombegrenzung
des Heizstromes erforderlich, um eine Zerstörung des Leistungstransistors sowie
eine Überlastung der Spannungsquelle zu vermeiden.
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Die Fig. 4b zeigt den Verlauf der Ausgangsspannungen UaTF der beiden
Temperaturfühler in Abhängigkeit von der Kristalltemperatur Z81. Wegen der verschiedenen
Temperaturkoeffizienten verlaufen die beiden Spannungen gegensinnig, so daß auf
die dem Schnittpunkt beider Kurven entsprechende Kristalltemperatur geregelt wird.
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Die temperaturabhängige Spannung mit positivem Temperaturkoeffizienten
wird, wie die Fig. 1 zeigt, schaltungstechnisch aus einer Differenz zweier Basis-Emitter--pannungen
von zwei NPN-Transistoren T16 und T19 mit unterschiedlicher Emitterstromdichte abgeleitet.
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Die Transistoren T16 und T19 führen unterschiedliche Kollektorströme,
da an den verschieden großen Kollektorwiderständen R18 und R22 gleiche Spannungsabfälle
mit dem Differenzverstärker und dem rückkoppelnden Widerstandsteiler R25, R26 erzwungen
werden. Da der Kollektorstrom von Transistor T19 sehr klein ist, kann er gegenüber
dem Querstrom des Widerstandsteilers vernachlässigt werden und es ergibt sich damit
die temperaturabhängige Ausgangsspannung UaTF. Bei Raumtemperatur beträgt UaTF etwa
1,25 V.
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Der Differenzverstärker 43 wird von den Transistoren T14,
T17,
T18, T20 sowie den Ausgangstransistoren T21, T22 gebildet.
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Durch die Stromspiegelung des Kollektorstromes von Transistor T17
mit den Transistoren T14 und T20 wird eine hohe Spannungsverstärkung, der Differenzverstärkerstufe
erreicht.
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Aufgrund der hohen Stromverstärkung des vertikalen PNP-Transistors
T14 bleibt die Offsetspannung der Differenzstufe weitgehend unabhängig von der Stromverstärkung
des lateralen PNP-Transistors T20.
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Die temperaturabhängige Spannung mit negativem Temperaturkoeffizienten
wird von drei Basis-Emitter-Spannungen gebildet. Hierzu sind die beiden Transistoren
T16 und 117 des Temperaturfühlers und der Eingangstransistor T15 des folgenden Regelverstärkers
herangezogen. Diese Transistoren haben damit eine doppelte Funktion.
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Zur Kristalltemperaturregelung werden zwischen der Basis des Transistors
T15 und dem Emitter des Transistors T22 über die beiden Widerstände R17 und R23
die beiden temperaturabhängigen Spannungen verglichen. Bei Raumtemperatur bleibt
Transistor T15 gesperrt und damit kann der Konstantstrom aus Kollektor 1 von Transistor
T20 über die Darlington-Konfiguration T12, T11 den Iteistungstransistor T10 ansteuern,
der den albleiterkristall hochheizt. Sobald der Transistor T15 leitend wird, ist
der Regelbereich erreicht.
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In dieser Anlaufphase wird der Heizstrom mit dem Transistor T13 begrenzt.
Die Verstärkung des Regelverstärkers ist durch die Gegenkopplunz mit den Widerständen
R12 und R23 festgelegt. Um ein Schwingen des Regelkreises sicher zu vermeiden,
muß
das Produkt aus Leistungsverstärkung des Reglers und Rückkopplung der thermischen
Rückführung kleiner als 1 bleiben. Die Beistungsverstärkung ist von der Heizspannung,
dem Widerstand R11 und dem Widerstandsverhältnis Ri2/R23 abhängig.
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Sie muß auf die thermische Rückführung, die mit dem Maskenentwurf
der integrierten Schaltung weitgehend festgelegt ist, abgestimmt werden.
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Die geregelte Kristalltemperatur liegt im Mittelwert bei 105 0C und
hat einen zulässigen Toleranzbereich von + 20 °C Bei einer Änderung der Umgebungstemperatur
von E ivu = 70 0C u beträgt die Regelabweichung etwa 0,5 °C.
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Die Fig. 5 zeigt jetzt das Prinzipschaltbild der Schaltautomatik.
Der Ausgang 54 der Schaltautomatik führt für eine kurze Zeit nach dem Einschalten
des Gerätes ein Nullsignal, d.h. Wusch ist gleich 0, und sperrt damit eine Baueinheit
(Misch-, Zf- oder Nf-Stufe) des Rundfunkgerätes. Die Abschaltzeit der Schaltautomatik
ergibt sich aus einer UND-Verknüpfung in einem UND-Gatter 54 zwischen einem externen
und einem internen Verzögerungsignal. Die externe Verzögerung wird mit einem RC-Glied
51 erzeugt, während die durch den Block 52 dargestellte interne Verzögerung die
Wärmekapazität des Halbleiterkristalls und des Gehäuses ausnutzt.
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Die Verzögerungszeit kann also durch geeignete Wahl der thermischen
Größen des Halbleiterkristalls, des Gehäuses und insbesondere durch etwa damit verbundene
Kühlkörper beeinflußt werden.
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Die interne Verzögerung ist dann beendet, wenn die Kristalls temperatur
nahezu ihren stationären Endwert erreicht hat.
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Als Schaltkriterium dient das Ende der während der Einschaltphase
der Temperaturregelung erforderlichen Heizstrombegrenzung. Beim Übergang von der
Heizstrombegrenzung in den Regelbereich hat die Kristalltemperatur nahezu ihren
Endwert erreicht. Die interne Verzögerungszeit beträgt hier bei Uh = 12 V und iku
= 20 0C etwa 1,5 s. Sie ist von mehreren Parametern wie der Heizspannung, der Umgebungstemperatur,
der Basis-Emitter-Spannung, dem Widerstand Ril, zu,dem thermischen Gehäusewiderstand
und der Endtemperatur des Halbleiterkristalls abhängig.
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Fig. 6 zeigt den Halbleiterkristall der monolithisch integrierten
Schaltung. Die Abmessungen des Silizium-Kristalls betragen ca. 1,8 x 1,2 mm. Er
ist in ein SOT- 38-Gehäuse eingebaut.
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Der großflächige Transistor am linken Rand ist der Heiztransistor
T10. Der Emitter ist 15-fach unterteilt, damit der Transistor in der Einschaltphase
nicht in den zweiten Durchbruch kommen kann und zerstört wird. Durch den langgestreckten
Heiztransistor entstehen in dem Halbleiterkristall nahezu geradlinige Isothermen,
die parallel zu der kurzen Kante des Kristalls verlaufen. Dies vereinfacht den Entwurf
der Schaltung für solche Bauelemente, die möglichst die gleiche Temperatur besitzen
sollen. Trotzdem ist das Temperaturgefälle von links nach rechts innerhalb des Kristalls
zu berücksichtigen.
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Der Spannungsregler ist mit seinen temperaturempfindlichen Bauelementen
rechts auf dem Kristall angeordnet. Etwa in der Mitte des Kristalls liegen die Transistoren
T14 bis T22 für die Temperaturfühler. Hiervon reagieren T 16 und T19 besonders empfindlich
auf Temperaturgradienten, da die Differenz der Basis-Emitter-Spannungen 16-fach
verstärkt wird. Um diese beiden Transistoren unempfindlich gegen eine Temperaturbeeinflussung
von anderen Heizquellen der Schaltung zu machen, sind jeweils 2 Transistoren parallelgeschaltet,
die diagonal in einem Quardrat angeordnet sind. Außerdem sind stärkere Heizquellen
möglichst entfernt angeordnet.
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Die Kristalltemperatur wird durch die zentrale Lage der Temperaturfühler
in der Mitte des Kristalls auf einen konstanten Wert geregelt.
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Patentansprüche: