DE2314423B2

DE2314423B2 - Referenzgleichspannungsquelle und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2314423B2
Application number: DE2314423A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Phys. 7022 Leinfelden Conzelmann; Hartmut Dipl.-Phys. 7410 Reutlingen Seiler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-03-23
Filing date: 1973-03-23
Publication date: 1975-09-25
Also published as: NL167040B; FR2222692A1; JPS49128250A; DE2314423A1; GB1459676A; NL7403928A; IT1007665B; NL167040C; FR2222692B1; DE2314423C3; US3916508A; JPS5734523B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Referenzgleichspannungsquelle, welche in einem ersten Stromzweig die Reihenschaltung aus einer Anzahl / hinter- «inaadergeschalteter, in Flußrichtung betriebener Dioden und aus einer Anzahl / hintereinandergeschalteter Z-Diodec und in einem zweiten Suomzweig, welcher parallel zum ersten Stromzweig angeordnet ist, die Reihenschaltung aus einer Anzahl m hintereinandergeschalteter, in Flußrichtung betriebener Dioden, aus einem aus zwei ohmschen Widerständen bestehenden Spannungsteiler und aus einer Anzahl η hintereinjindergeschalteter, ebenfalls in Flußrichtung betriebener Dioden in der vorgenannten Reihenfolge enthält, wobei ic ^ 1, »ι ^ 0, / ^ 0 und η i> 1 gewählt ist end die Referenzspannung zwischen dem den beiden chmschen Widerständen gemeinsamen Punkt und demjenigen gemeinsamen Punkt der beiden Stromzweige abgegriffen ist, mit dem das eine Ende der Reihenschaltung der η in Flußrichtung betriebenen Dioden des zweiten Stromzweiges verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Referenzgleichspannungsquelle.

Aus dei Zeitschrift »IEEE Journal of Solid-State Circuits«. Juni 1969, S. 115 und 116, ist bereits eine Referenzgleichspannungsquelle dieser Art bekannt, bei der der erste Stromzweig aus einer Z-Diode besteht. Der zweite Stromzweig besteht aus der Reihenschaltung aus einer ersten, in Flußrichtung betriebenen Diode, die als Basis-Emitter-Strecke eines Transistors ausgebildet ist, einer zweiten, in Flußrichtung betriebenen Diode, dem aus den beiden ohmschen Widerständen bestehenden Spannungsteiler und einer dritten, in Flußrichtung betriebenen Diode. Bei dieser Referenzgleichspannungsquelle ist also ic = 1. »ι — 2, / = 0 und η = 1 gewählt.

Bei dieser bekannten Referenzgleichspannungsquelle ist der Temperaturkoeffizient der Referenzspannung durch Variation des Teilerverhältnisses der beiden ohmschen Widerstände auf den Wert Null eingestellt. Bei einem solchen Abgleich muß die Referenzgleichspannungsquelle auf zwei verschiedene Temperaturen ■bracht werden. Bei einer so abgeglichenen Referenzgleichspannungsquelle hat dann zwar die Referenzspannung den gewünschten Temperatuikoeffizienten. Die Referenzgieichspannungsquellen haben jedoch nach dem Abgleich unterschiedliche Referenzspannungen, da die Durchbruchsspannung der Z-Diode eine unvermeidliche Fertigungsstreuung aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Referenzgleichspannungsquelle der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich die Referenzspannung unabhängig von Streuungen der bei einer gegebenen Bezugstemperatur vorhandenen Durchbruchsspannung der Z-Dioden stets auf den gleichen festen Wert bei dieser Bezugstemperatur und bei einem gegebenen Temperaturkoeffizienten der Referenzspannung einstellen läßt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die jeweilige Anzahl /, /c, m und η der in den beiden Stromzweigen enthaltenen Dioden so gewählt ist, daß die Bedingung

der Z-Dioden in Volt pro Grad Kelvin, A der konstante Anteil des Temperaturkoeffizienten der Z-Dioden in GradKelvin "', A_D der Temperaturkoeffizient der in Flußrichtung betriebenen Dioden in Grad Kelvin

und U₀₀ die Flußspannung der in Flußrichtung betriebenen Dioden in Volt bei der Bezugstemperatur ist, wobei diese Dioden so bemessen und die Ströme in den beiden parallelen Stromz'veigen so festgelegt sind, daß die Flußspannungen dieser Dioden wenigstens annähernd gleich sind.

In einer Ausgestaltung der Erfindung können die Flußspannung U_M und der Temperaturkoeffizient A_D der in Flußrichtung betriebenen Dioden über die Stromdichte so gewählt sein, daß die Bedingung

m + η — I

- ^Ao)

für die jeweilige Anzahl /. k, m und η der in den beiden Stromzweigen enthaltenen Dioden genau erfüllt ist Der Quotient auf der rechten Seite dieser Gleichung wird dann ganzzahlig. Bei einer Referenzgleichspannungsquelle in auf Siliziumbasiv ausgeführter mono-

Iithisch integrierter Technik ist bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die jeweilige Anzahl /. k, m und 11 der in den beiden Stromzweigen enthaltenen Dioden mindestens annähernd durch die Bedingung

m + η - I _{= Ί}

k
verknüpft.

Das Verfahren zur Herstellung der beschriebenen Referenzgleichspannungsquelle ist dadurch gekennzeichnet, daß das Teilerverhältnis des Spannungsteilers bei der Bezugstemperatur durch Abgleichen so lange verändert wird, bis die Referenzspannung bei dieser Bezugsiemperatur den festen, durch die Bedingung

L _IX, ■

A - A_n A-E

bestimmten Wert erreicht hat. wobei t/,₀ die Referenzspannung bei der Bezugstemperatur in Volt und E der gewünschte Temperaturkoeffizient der Referenzspannung in Grad Kelvin"¹ ist.

Die erfindungsgemäßen Referenzgleichspannungsquellen haben somit den Vorteil, daß es nicht mehr

nötig ist, die Referenzgleichspannungsquelle beim Abgleich des Temperaturkoeffizienten E der Referenzspannung auf zwei verschiedene Temperaturen zu bringen. Im Rahmen der Abgleichgenauigkeit haben die erfindungsgemäßen Referen'gleichspannungsquel-

len nach dem Abgleich unabhängig von der Durchbruchsspannung der Z-Dioden alle den gewünschten Temperaturkoeffizienten E der Referenzspannung und gleichzeitig dieselbe Referenzspannung. Diese ergibt sich dann nach dem Abgleich in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur zu

U₁(T) = i! · U

Wl

A — A_n .-. "A-E ^L

+ E-IT- T_n)]

m + η — I
_

V₁^iA-A₀)

wenigstens annähernd erfüllt ist, wobei B der spannungsabhängige Anteil des Temperaturkoeffizienten wobei T die absolute Temperatur in Grad Kelvin, T₀ die Bezugstemperatur in Grad Keivin und U₁(T) die Referenzspannung in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur T ist.

23

14 423 S

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 eine aus zwei Stromzweigen bestehende Schaltungsanordnung zur Herleitung der erfindungsgemäß einzuhaltenden Bedingungen Tür die jeweilige Anzahl k, I, m, η der in einer Referenzgleichspannungsquelle zu verwendenden Dioden und für das einzuhaltende Teilerverhältnis des Spannungsteilers,

F i g. 2 bis 11 bevorzugte Ausführungsbeispiele von Referenzgleichspannungsquellen gemäß der Erfindung,

Fig. 12 bis 14 Anordnungen zum Abgleich des Spannungsteilers bei Ausbildung der Referenzgleichspannungsquelle in monolithisch integrierter Bauform,

F i g. 15 und 16 Spannungsstabilisatoren, die jeweils aus einer Referenzgleichspannungsquelle und aus einem der Referenzgleichspannungsquelle nachgeschalteten Spannungsregler bestehen, als Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In F i g. 1 ist einer aus zwei zueinander parallel geschalteten Stromzweigen bestehende Referenzgleichspannungsquelle dargestellt, die insgesamt einen Strom / aufnimmt. Der erste Stromzweig enthält dabei die Reihenschaltung aus einer Anzahl / hintereinandergeschalteter, in Flußrichtung betriebener Dioden und aus einer Anzahl ic hintereinandergeschalteter Z-Dioden. Der zweite Stromzweig enthält die Reihenschaltung aus einer Anzahl m hintereinandergeschalteter, in Flußrichtung betriebener Dioden, aus einem aus zwei ohmschen Widerständen R₁. R₂ bestehenden Spannungsteiler und aus einer Anzahl η hintereinandergeschalteter, ebenfalls in Flußrichtung betriebener Dioden. Die beiden Stromzweige sind zwischen der Anode der in Richtung des positiven Stromes letzten Z-Diode und der Kathode der in Richtung des positiven Stromes letzten Flußdiode des zweiten Stromzweiges im sogenannten Fußpunkt der Schaltung miteinander verbunden. Es wird davon ausgegangen, daß die Referenzspannung U₁ zwischen dem den beiden ohmschen Widerständen R₁ und R₂ gemeinsamen Punkt und dem den Fußpunkt der Schaltung bildenden Verbindungspunkt der beiden Stromzweige abgenommen ist. Die Flußspannung der in Flußrichtung betriebenen Dioden wird mit U₀ und die Durchbruchspannung der Z-Dioden mit U₂ bezeichnet. Dann ergibt sich nach den Kirchhoffschen Regeln für die Referenzspannung U₁ die Beziehung:

U₁ =n-U„

R,+R₂

Die Temperaturabhängigkeit der Durchbruchsspannung U₂ der Z-Dioden läßt sich hinreichend genau beschreiben durch die Gleichung

-(I +A_z-d)

mit

= T-T₀

wobei Γ die absolute Temperatur, T₀ die Bezugstemperatur, A₂ den Temperaturkoeffizienten der Z-Dioden und I/£0 die Durchbruchsspannung bei d = 0 bedeutet. Für die Flußspannung U₀ der Flußdioden gilt entsprechend die Beziehung

+ A_Dd).

Hierin bedeutet A₀ den Temperaturkoeffizienten der Flußdioden und U₀₀ die Flußspannung bei d = O. In dem durch die Fertigungsstreuung gegebenen Toleranzband der Durchbruchsspannung U₂ der Z-Dioden läßt sich ihr Temperaturkoeffizient A₂ mit hinreichender Genauigkeit beschreiben durch die Gleichung

A_x = A - -JL . ₍₅₎

zo

A stellt also den konstanten Anteil des Temperaturkoeffizienten der Z-Dioden in Grad Kelvin ^¹ und B seinen spannungsabhängigen Anteil in Volt pro Grad Kelvin dar.

Setzt man die Ausdrücke für U₂ und U₀ aus den Gleichungen (2) und (4) in Gleichung (1) ein, so erhall man

l\id) = n· V_m -(I + A₀-d) 4-

K₁

<* ' ^Ar ^υζο + C - m -

Macht man für die Temperaturabhängigkeit der Referenzspannung U, id) analog zu den Gleichungen (21 un (4) den Ansatz

V₁Ui = U₁₀ (1 + E-rf|. (8)

wobei E der Temperaturkoeffizient der Referenzspannung U, in Grad Kelvin'¹ und U₁₀ die Referenzspannun bei d — 0 ist, so erhält man durch Koeffoientenvergleich der Gleichungen (7) und {8)

■ [n · U₀₀ + -fi—iät ^lk Vn+il-m-rt

= η A_n V₁,, 4 ^: _ο [ fc A, I _/0 +· (/ - m - η) A_n U₁

K₁ + K₂

Löst man Gleichung (Jnach R_xIR₁ auf, so ergibt sich für das Teilerverhältnis

fcj^o.. ^rA + -^-. ⁽¹⁰⁾

in Ce^n₈,7, e,„. so e,_g,„, sich fr *

SeU, „. den Wen r_ir ,as T^ve^.n,« .» Referenzspannung U₁

π · fc · Um ■ Vm -j^AZ-ΔΑ -(I +Ed). U

Aus den Gleichungen (8) und (11) erhält man dann für U₁₀

n-k-U_M- U_zo · {A zj- Aj₀) (12)

.us GIM^ffl *·

(A - A_D) -Uzo -_ß_ . (13)

L/₁₀ = η · k ■ V_1x ■ -_kT_{A ΖΓΕ)Τΰς^ΊΓΤ+(m + π - /) ■ (E - A_D) · U₀₀

Wenn U₁₀ unabhängig von U_z0 sein soll, muß

TRjr%- = ΊΤΤ^ΓΤ^Τ) · (E - A₀) ■ U_1x

iwi A = H- 1(T³/^CK; B = 5,35 · I0"³ Volt/Grad Kelvin.

sein. Hieraus ergibt sich, wenn man nach (m + π - IV* J.^ _{man außerdem den} strom durch dioden auflöst zu 1 rriA an, so erhalt man fur A₀

zu 1 rriA an, so erhäl ₀ ^..^

, B mc, A_n = 2,86· 1Ο-ΥΚ; U₀₀ = 670 mV Bei einem

—F " ⁼ ΊΤ^Γ-"^ ' dach die Dioden von 1 mA ergibt sich damit

Setzt man diese Bedingung in Gleichung (13) ein. 40 _ß

so ergibt sich für U₁₀ ~_1Ί j~_A —-r-r =157. (17)

τι — -U- ^ ~~ ^⁰ (16)

10 — do _A _ £ ^ Pjj, _andere Technologien und Diodengeometrien

auf Siliziumbasis ergeben sich nur geringfügig ab-

Für m, n, / und fc gelten die Bedingungen: weichende Werte für AB A₀ und l/„._-So daß auch

hier der Zahlenwert auf der rechten Seite von Glei-

e: Code ,st:

die Eleraentarladung und /„ den Bezugsstrom. ζ Β. ImA. oSchung (.8, dn. so erhält ,nan

Mit U₀₀(Io)=U₀₀ und A₀(I₀) = A_n wird aus Gleichung (19)

U₀(IJ) = (<

K T₀

—	1	+	d ·	\	+	(i -	-A₀	-T₀)-	κ	J )	I
							_ ...	K ■ T	— •In Ü	la
					U	DO +	ü		K) ι
							¹ -In

Hierin ist

Una +

K-T_n , ;

lnf =

(22)

20

(1 -/Id-T₀) -^ lnf

<7

(21)

teiler R₁, R₂ bei einer bestimmten Bezugstemperatur T₀ so lange verändert, bis die Referenzspannung U₁₀ bei dieser Bezugstemperatur T₀ den festen, durch die Bedingung (16) bestimmten Wert erreicht hat.

Die Temperaturabhängigkeit U₁ (T) der Referenzspannung ergibt sich aus Gleichung (16) in Verbindung mit den Gleichungen (3) und (8) zu

U₁(T) = n- U

1x1

(23) A -A_n A-E

E (T -T₀)]. (27)

zu setzen. Für einen bestimmten Strom durch die Dioden kann man es erreichen, daß der Ausdruck

"ü_O0:-{Ä'-a~'_o)

in Gleichung (15) exakt gleich 2 wird.

"ü^~üÄT ^{= 2}

(24)

ist dann die Bestimmungsgleichung für diesen Strom. Aus ihr ergibt sich durch Einsetzen der Ausdrücke für U₀₀. aus Gleichung (22) und A₀ aus Gleichung (23) der gesuchte Strom durch die Flußdioden zu

q 2V_m IA-A₀)-B

CS) Bei dem Abgleich ist bemerkenswert, daß die

Bedingung (15) bzw. (26), die die Kombination der Z- und Flußdioden einschränkt, unabhängig vom gewünschten Temperaturkoeffizienten E der Referenzspannung U₁ ist. Die Schaltungsanordnungen, die Gegenstand der Erfindung sind, haben somit die Eigenschaft, daß beim Abgleich der Referenzspannung U₁₀ mit dem Spannungsteiler R₁, R₂ b^e' der Temperatur T₀ auf einen durch Gleichung (16) festgelegten Wert der Temperaturkoeffizient E der Referenzspannung U₁ gleichzeitig mit auf den gewünschten Wert

abgeglichen wird, wobei der Temperaturkoeffizient der Referenzspannung von den fertigungsbedingten Streuungen der Durchbruchsspannung der Z-Dioden und von denen durchbruchsspannungsabhängigem Temperaturkoeffizienten unabhängig wird.

Die Schaltungen, die der Gleichung

Mit den oben angeführten, für eine bestimmte Technologie und Diodengeometrie gültigen Werten für A, B. A ₀ und U₀₀ ergibt sich der Strom, bei welchem der Ausdruck

m + 11 - /
k

(26')

on

·'{A A_n)

exakt gleich 2 wird, zu / = 1X1 mA.

Die Gleichungen (15) und (16) wurden für einen beliebigen Temperaturkoeffizienten E der Referemspannung U₁ abgeleitet. Dies bedeutet, daß man den gewünschten Tempcraturkoemzienten E der Referenzspannung U₁ bei allen Schaltungsanordnungen, die der Bedingung (15) oder — bei höheren Genauigkeitsanforderungen der Bedingung

im + η k

f _m{A A_n)

(261

genügen, dadurch erzielt, daß man den Spannungsgenügen, können in konventioneller Technik mit diskreten, teilintegrierten Komponenten auf Leiterplatten oder in Dick- oder Dünnschichttechnik ausgeführt sein. Besondere Vorteile bietet aber die monolithisch integrierte Technik wegen der guten thermischen Kopplung der Elemente.

Schaltungsanordnungen. die der Gleichung »26 I genügen, sind in den F i g. 2 bis 11 dargestellt.

F i g. 2 zeigt die einfachste Ausführung. Im ersten

Stromzweig ist eine einzige Z-Diode Z₁ vorgesehen.

Parallel zur Z Diode Z₁ ist in Richtung des positiven

Stromes als zuciter Stromzweig die Reihenschaltung

aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen Ry

und R₂ bestehenden Spannungsteiler und aus zwei

zueinander in Reihe liegenden, in Flußrichtung be-

triebcnen Dioden O₁. D₂ vorgesehen. Es ist also

k = 1 und m = / = 0 gewählt Aus Gleichung <2<Π

ergibt sich dann η zu 2.""

F i g. 3 zeig! als /weites Ausführungsbeispiel eine

Referenzgleichspannungsquelle, deren erster Stromzweig in Richtung des positiven Stromes die; Reihenschaltung aus einer in Flußrichtung betriebenen Diode D₄ und aus einer einzigen Z-Diode Z₁ enthält. Der zweite Stromzweig enthält in Richtung des positiven Stromes die Reihenschaltung aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen R₁ und R₂ bestehenden Spannungsteiler und aus drei zueinander in Reihe liegenden, in Flußrichtung betriebenen Dioden D₁, D₂ und D₃. Es ist also k — 1, m = 0 und / = 1 gewählt. Aus Gleichung (26') ergibt sich η zu 3.

F i g. 4 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 3. Der Unterschied besteht darin, daß in F i g. 4 die beiden Dioden D₃ und D₄ aus F i g. 3 durch eine einzige, beiden Stromzweigen gemeinsame Diode D_{3 4} ersetzt sind. Die gemeinsame Diode Dj₁₄ ist dabei so ausgelegt, daß in ihr die gleiche Stromdichte wie in den beiden anderen, in Flußrichtung betriebenen Dioden D₁ und D₂ entsteht.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist im ersten Stromzweig wieder nur eine Z-Diode Z₁ vorgesehen. Parallel zu dieser Z-Diode ist als zweiter Stromzweig die Reihenschaltung aus einer ersten, in Flußrichtung betriebenen Diode D₁, aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen R₁, R₂ bestehenden Spannungsteiler und aus einer zweiten, in Flußrichtung betriebenen Diode D₂ vorgesehen. Es ist also hier k — 1, / = 0 und m = 1 gewählt. Aus Gleichung (26) ergibt sich η zu 1.

F i g. 6 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 5. Der Unterschied besteht darin, daß in F i g. 6 die erste, in Flußrichtung betriebene Diode D₁ aus F i g. 5 durch die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors T₁ gebildet wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 7 besteht der erste Stromzweig in Richtung des positiven Stromes aus der Reihenschaltung aus einer in Flußrichtung betriebenen Diode D₄ und aus einer einzigen Z-Diode Z₁. Parallel hierzu ist als zweiter Stromzweig die Reihenschaltung aus einer ersten in Flußrichtung betriebenen Diode D₁, aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen R₁ und R₂ bestehenden Spannungsteiler und aus zwei weiteren, zueinander in Reihe liegenden, in Flußrichtung betriebenen Dioden D₂ und D₃ vorgesehen. Es ist also ic = 1. / = 1 und m = 1 gewählt. Aus Gleichung (26') ergibt sich η zu 2.

F 1 g. 8 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach F i g. 7. Der Unterschied besteht darin, daß in F i g. 8 die beiden Dioden D₃ und D₄ aus F i g. 7 durch eine einzige, beiden Stromzweigen gemeinsame Diode D_t ₄ ersetzt sind. Die gemeinsame Diode D, ₄ ist dabei so ausgelegt, daß in ihr die gleiche Stromdichte wie in den beiden anderen, in Flußrichtung betriebenen Dioden D₁ und D₂ entsteht.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 ist als erster Stromzweig die Reihenschaltung aus einer in Flußrichtung betriebenen Diode D₄ und aus einer einzigen Z-Diode Z₁ vorgesehen. Parallel zu dieser Reihenschaltung ist in Richtung des positiven Stromes als zweiter Stromzweig die Reihenschaltung aus einer ersten und zweiten in Flußrichtung betriebenen Diode D₁. D₂, aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen R₁ und R₂ bestehenden Spannungsteiler und aus einer weiteren, in Flußrichtung betriebenen Diode D₃ vorgesehen. Es ist also k - I. 6s / = I und m = 2 gewählt. Aus Gleichung (26 ) ergibt sich η zu 1

Fig IO zeigt eine Abwandlung des Ausführunusbeispiels nach F i g. 9. Der Unterschied besteht darin, daß in F i g. 10 die beiden Dioden D₃ und D₄ aus F i g. 9 durch eine einzige, beiden Stromzweigen gemeinsame Diode D_{3 4} ersetzt sind. Die gemeinsame Diode D_{3 4} ist dabei wieder so ausgelegt, daß in ihr die gleiche Stromdichte wie in den beiden anderen in Flußrichtung betriebenen Dioden D₁ und D₂ entsteht (fc = 1, / = 1, m = 2, η = 1).

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 11 ist im ersten Stromzweig eine einzige Z-Diode Z₁ vorgesehen. Im zweiten Stromzweig ist in Richtung des positiven Stromes die Reihenschaltung aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen R₁ und R₂ bestehenden Spannungsteiler und aus zwei zueinander in Reihe liegenden, in Flußrichtung betriebenen Dioden D₁ und D₂ vorgesehen (ic = 1, m = 1 = 0, « = 2). Die Kathode der zweiten, in Flußrichtung betriebenen Diode D₂ ist an die Anode der Z-Diode Z₁ angeschlossen. Die Kathode der Z-Diode Z₁ ist an den nicht invertierenden Differenzeingang eines Operationsverstärkers O₁ angeschlossen, dessen Ausgang und dessen invertierender Differenzeingang an dasjenige Ende des ersten ohmschen Widerstandes R₁ des Spannungsteilers angeschlossen sind, welches nicht mil dem zweiten ohmschen Widerstand R₂ verbunden ist.

Werden im Falle der Ausbildung der Schaltungsanordnungen nach F i g. 2 bis 11 als monolithisch integrierte Schaltungen Emitterdioden als in Flußrichtung betriebene Dioden verwendet und die Widerstände R₁, R₂ mittels der Basisdiffusionszone gebildet, so sin 1 die unvermeidlichen Bahnwiderstände der in Flußrichtung betriebenen Dioden als ein Teilwiderstand des Widerstandes R₁ und oder R₂ in ihrem thermischen Verhalten einander gleich.

In konventionellen Schaltungen kann mittels eines Potentiometers abgeglichen werden; exakter ist der Abgleich von Schichtwiderständen mittels eines Sandoder Laserstrahles oder durch elektrochemisches Ätzen bzw. Oxydieren der Widerstände R, und oder R₂.

In monolithisch integrierten Schaltungen unterteilt man zum Zwecke des Abgleichs zweckmäßigerweise die Widerstände R₁ und oder R₂ in mehrere Teilwiderstände, die mit Ausnahme des ersten Teilwiderstandes einzeln durch leitfähige Brücken kurzgeschlossen sind. Fig. 12 zeigt eine solche Anordnung für den Widerstand R₁. Die Teilwiderstände sind dabe mit R₁,,. R_n. R₁,. R₁, .. R₁,, bezeichnet R₁₀ stellt der kleinstmöglichen Wert für den Widerstand R, dai und ist nicht kurzgeschlossen. Vorteilhaft werden dii kurzgeschlossenen Teilwiderstände R₁₁. R₁₂. R₁, .. so abgestuft, daß sich ihre Widerstandswerte ww 12:4:8... verhalten. Je genauer die Referenz spannung I₁₀ eingestellt werden soll, desto meh Teilwiderstände sind erforderlich. Der Abgleichvor gang ist zweckmäßig mit dem Vormessen der Chip auf dem Waferprober gekoppelt. Die Meßeinrichtunj des Waferprobers mißt den Istwert der Referenz spannung I₁₀. Ein mit der Meßeinrichtung gekoppelte Rechner berechnet aus der Differenz zwischen Ist und Sollwert, welche Kombination von Teilwider ständen /um kleinstmogiichen Teilwiderstand R, bzw. Rj,, /rgeschaltet werden muß. um den vorge schricbenen Sollwert zu erreichen, bei welchem (Hei chung (16) erfüllt wird. Mit einem Stromstoß werde dann die /u entfernenden Brücken, beispielsweis ß_u und ß,, (F 1 g. 12), abgebrannt.

Sind relativ niederohmige Widerstände erforderlich, so können diese durch die Parallelschaltung von zwei und mehr Widerständen R₁₁₁, R₁₁₂ . ·. gleicher Geometrie entsprechend F i g. 13 gebildet werden.

In der Anordnung nach Fig. 14 lassen sich durch Abtrennen hochohmiger Widerstände geringfügige Änderungen des Widerstandes erreichen; ist z. B. A₁₁, 200 Ohm und R₁₁₂ 1800 Ohm, so ändert sich der Wert dieser Anordnung von 180 Ohm auf 200 Ohm, wenn die Brücke B aufgetrennt wird.

Als Anwendungsbeispiel der erfindungsgemäßen Referenzgleichspannungsquelle ist in F i g. 15 eine zur Stabilisierung einer Spannung dienende Schaltung angegeben, die aus der Referenzgleichspannungsquelle und einem Spannungsregler besteht. U_t ist die nichtstabilisicrte Eingangsspannung, U_A die stabilisierte Ausgangsspannung. Die nichtstabilisierte Eingangsspannung U_E ist an die für die Versorgungsspannung vorgesehenen Klemmen 1, 2 eines Operationsverstärkers O₂ gelegt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers O₂ ist an die Referenzspannung U₁ angeschlossen, die an dem den beiden ohmschen Widerständen R₁, R₂ gemeinsamen Punkt des Spannungsteilers der Referenzgleichspannungsquelle abgegriffen ist, wobei die Referenzgleichspannungsquelle in ihren beiden Stromzweigen eine Diodenkombination enthält, die der Gleichung (15) genügt. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers O₂ ist mit dem den beiden ohmschen Widerständen R₃, R₄ gemeinsamen Punkt eines zweiten Spannungsteilers verbunden. Der Ausgang 3 des Operationsverstärkers O₂ ist mit dem freien Ende des Widerstandes R₃ verbunden. Das freie Ende des Widerstandes R₄ ist an die zweite Klemme 2 der Versorgungsspannung und außerdem an denjenigen Verbindungspunkt 4 der beiden Stromzweige der Referenzspannungsquelle angeschlossen, in dem die ft-te Z-Diode des ersten Stromzweiges mit der n-ten in Flußrichtung betriebenen Diode des zweiten Stromzweiges verbunden ist (im Ausführungsbeispiel handelt es sich um den Verbindungspunkt der einzigen Z-Diode Z, mit der zweiten in Flußrichtung betriebenen Diode D₂). Die stabilisierte Ausgangsspannung U _A des Spannungsstabilisators ist zwischen dem Ausgang 3 des Operationsverstärkers O₁ und der zweiten Klemme 2 der Versorgungsspannung abgegriffen.

Zur weiteren Verdeutlichung ist in F i g. 16 eii Spannungsstabilisator dargestellt, in welchem dei Operationsverstärker O₂ aus F i g. 15 von dem aus der beiden Transistoren T₂ und T₃ und dem Wider stand R₅ gebildetenden Differenzverstärker und derr über einen Widerstand/^ von dem Differenzverstärker gesteuerten Transistor Ti gebildet wird.

Die stabilisierte Ausgangsspannung U₄ der in den Fig. 15 und 16 dargestellten Spannungsstabilisa-

ίο toren wird durch Variation des Spannungsteilers R^R₂ der Referenzgleichspannungsquelle abgeglichen. Dabei ist folgendermaßen vorzugehen: Aus dem gewünschten Temperaturkoeffizienten der stabilisierten Ausgangsspannung U_A, der gleich dem Temperaturkoeffizienten

E der Referenzspannung U₁ ist, wird mit Hilfe von Gleichung (16) die Referenzspannung U₁₀ für die Bezugstemperatur T₀ berechnet. Dann wird der zweite Spannungsteiler R₃, R₄ so dimensioniert, daß sich die gewünschte Ausgangsspannung U_Λ ergibt, wenn die

Referenzspannung den Wert U₁₀ aufweist. Dies ist der Fall, wenn das Teilerverhältnis

- 1

(28)

ist. Wird nun die stabilisierte Ausgangsspannung U₄ durch Variation des Spannungsteilers R₁, R₂ auf den gewünschten Wert abgeglichen, so hat die Referenzspannung U₁₀ den richtigen Wert, der durch Glei-

chung(16) vorgeschrieben ist, und der Temperaturkoeffizient von Referenzspannung und stabilisierter Ausgangsspannung hat ebenfalls den gewünschten Wert.
Bei den beschriebenen Schaltungsanordnungen kann als Z-Diode die Emitter-Basis-Strecke eines Transistors verwendet werden. Als in Flußrichtung betriebene Dioden können Dioden mit pn-Ubergängen oder Metall-Halbleiter-Kontakte oder eine Kombination von Halbleiter-Kontakten und von Dioden mit pn-Ubergängen verwendet werden. Jede Diode kann auch durch die in Flußrichtung gepolte Basis-Emitter-Strecke eines Transistors gebildet werden, wobei die Kollektoren dieser Transistoren unter Umständen für weitere Zwecke benutzt werden können, z. B. für die Erzeugung eines Konstantstromes, wie in F i g. 6 angedeutet.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Referenzgleichspannungsquelle, welche in einem ersten Stromzweig die Reihenschaltung aus einer Anzahl / hintereinandergeschalteter, in Flußrichtung betriebener Dioden und aus einer Anzahl k hintereinandergeschalteter Z-Pioden und in einem zweiten Stromzweig, welcher parallel zum «rsten Stromzweig angeordnet ist, die Reihenschaltung aus einer Anzahl m hintereinandergeschalteter, in Flußrichtung betriebener Dioden, aus einem aus zwei ohmschen Widerständen bestehenden Spannungsteiler und aus einer Anzahl η hintereinandergeschalteter, ebenfalls in Flußrichtung betriebener Dioden in der vorgenannten Reihenfolge enthält, wobei k ^ 1, m ^ 0, / ^ ΰ und η ^ 1 gewählt ist und die Referenzspannung zwischen dem den beiden ohmschen Widerständen gemeinsamen Punkt und demjenigen gemeinsamen Punkt der beiden Stromzweige abgegriffen ist, mit dem das eine Ende der Reihenschaltung der η in Flußrichtung betriebenen Dioden des zweiten Stromzweiges verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Anzahl /, fc. m und η der in den beiden Stromzweigen enthaltenen Dioden so gewählt ist. daß die Bedingung

- A₁₁)

wenigstens annähernd erfüllt ist, wobei B der spannungsabhängige Anteil des Temperaturkoeffizienten der Z-Dioden in Volt pro Grad Kelvin, A der konstante Anteil des Temperaturkoeffizienten der Z-Dioden in Grad Kelvin"¹, A₀ der Temperaturkoeffizient der in Flußrichtung betriebenen Dioden in Grad Kelvin'¹ und U₀₀ die Flußspannung der in Flußrichtung betriebenen Dioden in Volt bei der Bezugstemperatur ist, wobei diese Dioden so bemessen und die Ströme in den beiden parallelen Stromzweigen so festgelegt sind, daß die Flußspannungen dieser Dioden wenigstens annähernd gleich sind.

2. Referenzgleichspannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußspannung U₀₀ und der Temperaturkoeffizient A₀ der in Flußrichtung betriebenen Dioden über die Stromdichte so gewählt sind, daß die Bedingung

m + η — /

(A- A₀)

55

für die 'ev.^Hge Anzahl /, /c, m und η der in den beiden Stromzweigen enthaltenen Dioden genau erfüllt it.

3. Referenzgleichspannungsquelle nach Anspruch 1 oder 2 in auf Siliziumbasis ausgeführter Technik, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Anzahl /, K m und η der in den beiden Stromzweigen enthaltenen Dioden mindestens annähernd durch die Bedingung

65 in + η — I _

k ²

verknüpft ist.

4. Referenzgleichspannungsqueüe nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Stromzweig eine einzige Z-Diode (Z₁) vorgesehen ist, daß parallel zu dieser Z-Diodt in Richtung des positiven Stromes die Reihenschaltung aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen (R₁, R,t bestehenden Spannungsteiler und aus zwei zueinander in Reihe liegenden, in Flußrichtung betriebenen Dioden (Z)₁, D₂) vorgesehen ist und daß eine dritte, beiden Stromzweigen gemeinsame, in Flußrichtung betriebene Diode (D₃.*) von dem Verbindungspunkt zwischen der Kathode der zweiten, in Flußrichtung betriebenen Diode (D₂) und der Anode der Z-Diode (Z₁) zum Fußpunkt der Referenzgleichspannungsquelle führt (fc=l, _Λ, = 0, /=1, u = 3)(Fig. 4).

5. Referenzgleichspannungsquelle nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Stromzweig eine einzige Z-Diode (Z₁) vorgesehen ist und daß parallel zu dieser Z-Diode in Richtung des positiven Stromes als zweiter Stromzweig die Reihenschaltung aus einer ersten, in Flußrichtun^Z betriebenen Diode in Form der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (T₁1. aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen (R₁, R₁) bestehenden Spannungsteiler und aus einer zweiten, in FluCrici.tung betriebenen Diode (D₁) vorgesehen ist (k = 1. / = 0. m = η = 1) (F i g. 6).

6. Referenzgleichspannungsquelle nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Stromzweii: eine einzige Z-Diode [Z₁) vorgesehen ist. daß im zweiten Stromzweig in Richtung des positiven Stromes die Reihenschaltung aus dem aus den beiden ohmschen Widerständen (A₁. R₂) bestehenden Spannungsteiler und aus zwei zueinander in Reihe liegenden, in Flußrichtung betriebenen Dioden (D₁. D₂) vorgesehen ist (k = !. _m = / = 0. η = 2). daß die Kathode der zweiten, in Flußrichtung betriebenen Diode (D₂) an die Anode der Z-Diode (Z₁) angeschlossen ist und daß ferner die Kathode der Z-Diode (Z,) an den nicht invertierenden Differenzeingang eines Verstärkers (O₁) angeschlossen ist. dessen Ausgang und dessen invertierender Differenzeingang an dasjenige Ende des ersten ohmschen Widerstandes (R₁) des Spannungsteilers angeschlossen sind, welches nicht mit dem zweiten ohmschen Widerstand (R₂) verbunden ist (Fig 11).

7. Verfahren zur Herstellung einer Referenzgleichspannungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilerverhältnis des Spannungsteilers (R₁, R₂) bei der Bezugstemperatur durch Abgleichen so lange verändert wird, bis die Referenzspannung bei dieser Bezugstemperatur den festen, durch die Bedingung

t',„ =

A-A₀ A-E

bestimmten Wert erreicht hat, wobei U_w die Referenzspannung bei der Bezugstemperatur in Volt und E der gewünschte Temperaturkoeffizient der Referenzspannung in Grad Kelvin"¹ ist.