DE2429310C3

DE2429310C3 - Monolithisch integrierbare Serienregelschaltung

Info

Publication number: DE2429310C3
Application number: DE2429310A
Authority: DE
Inventors: Henry Martin Boca Raton Fla. Kleinman
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1973-06-26
Filing date: 1974-06-19
Publication date: 1982-02-25
Also published as: DE2429310B2; FR2235418A2; JPS5069541A; GB1434444A; FR2235418B2; DE2429310A1; IT1015350B; CH579797A5; US3828240A

Description

Betriebsdauer möglichst ausschließlich dem zu betreibenden Geial und dessen Schaltung zugute kommen soll, darf die Serienregelschaltung nur einen äußerst geringen Querstrom ziehen, d. h. dieser Querstrom sollte zwischen 1 und ΙΟμΑ liegen. Die Schaltungen nach dem bekannten Stand der Technik genügen im Gegensatz zur Schaltung nach dem Hauptpatent dieser Anforderung nicht.

Die Schaltung nach dem Hauptpatent hat jedoch noch den Nachteil, daß die Ausgangsspannung tempera- ίο turabhängig ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Schaltung nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß die Ausgangsspannung möglichst gut temperaturkompeiv.iert ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Schaltung nach dem Hauptpatent, und

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der prfindurigsgemäßen Schaltung.

In Fig. 1 ist zum besseren Verständnis nocnmals die Serienregelschaltung nach dem Hauptpatent gezeigt, die aus dem Haupt- bzw. Längstransistor 71. dessen Emitter an der Eingangsspannung U 1 angeschlossen ist und dessen Kollektor an der geregelten Ausgangsspannung U 2 liegt, besteht.

Zwischen der geregelten Ausgangsspannung U2 und dem Schaltungsnullpunkt liegt der aus den Widerständen R 1 und R 2 bestehende Spannungsteiler, an dessen Abgriff, der vom Verbindungspunkt der beiden Widerstände gebildet wird, die Basis des Referenztransistors 73 liegt. Der Emitter des Referenztransistors 7 3 ist J5 ebenfalls an der geregelten Ausgangsspannung U 2 angeschlossen. Die Basis-Emitter-Schwellspannung des Referenztransistors dient bei der Schaltung nach dem Hauptpatent als Referenzspannung für die Regelschaltung.

Der Kollektor des Referenztransistors T3 ist mit der Basis des Hilfstransistors T2 verbunden, dessen Kollektor am Schaltungsnullpunkt und dessen Emitter mit der Basis des Haupttransistors Ti verbunden ist.

Die Schaltung nach dem Hauptpatent geht von der 4S Erkenntnis aus. daß ein niedriger Qu^rstrom zwischen I und ΙΟμΑ dann erreicht wird, wenn der gemeinsame Verbindungspunkt von Basis des Hilfstransistors 72 und Kollektor des Referenztransistors 73 mit einem konstanten Strom gespeist wird. Die Regelwirkung der w erfindungsgemäßen Schaltung ergibt sich somil dadurch, daß bei steigender Ausgangsspannung i/2 der Referen/transistor Γ3 vom konstanten Strom mehr beansprucht, so d.iß im Hilfstransistor 7~2 weniger Strom fließt, der iv einer Erhöhung des Ausgangsw ider- i"> Standes des Haupttransistors führt, wodurch die Vergrößerung der Ausgangsspannung i/2 wieder ausgeglichen wird.

Der gemeinsame Verbindungspunkt von Basis des Hilfstransistors TI und Kollektor des Referenztransi f>o slors Ti wird demzufolge beim Hauptpatent vom Kollektor des weiteren Transistors 75 gespeist, der als Konstantslrömquelle betrieben ist und der zu Haupt-, Hilfs* und Referenztransistor komplementär ist. Der Emitter des Transistors T5 ist mit dem Schaltungsnull· punkt verbunden, während seine Basis an einer konstanten Spannung liegt. Hierzu ist der als Diode geschaltete Transistor 74 vorgesehen, der ebenfalls zu Haupt-, Hilfs- und Referenztransistor komplementär ist, d. h. die beiden Transistoren 74 und 75 sind von gleichem Leitungstyp.

Der Emitter des als Diode geschalteten Transistors 74 ist mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden, während Basis und Kollektor miteinander verbunden sind und über den Vorwiderstand R 3 an der ungeregelten Eingangsspannung U\ liegen.

Bei einer nach dem Hauptpatent in Bipolartechnik monolithisch integrierten Schaltung zur Regelung der Ausgangsspannung auf 1,1 V bei einer anfänglichen Eingangsspannung von 1,5 V (Braunstein-Monozelle) für eine maximale Stromentnahme von 0,5 mA sind die drei in der Schaltung vorhandenen Widerstände durch diffundierbare Halbleiterzonen realisiert worden und hatten folgende Widerstandswerte:

R\ und R 2 je820kOhm,
R 3 1 MOhm.

In dieser Schaltung fließt über den Vorwiderstand R 3 und den Transistor 74 ein Quersi.-jm von etwa I μΑ. Ein Strom gleicher Größe, also von 1 μ. ν, fließt über die Kollektor-Emitter-Strecke des Konstantstromtransistors 75, welcher Strom sich dann über die Basis-Emitter-Strecke des Hilfstransistors 72 und die Kollektor-EmitiLi-Strecke des Vergleichstransistors 73 aufteilt. Im Spannungsteiler aus den Widerständen R 1 und R 2 fließt ein Querstrom von etwas weniger als 1 μΑ, während über die Kollektor-Emitter-Strecke des Hilfstransistors 72 der von der Strombelastung der Serienregelschaltung abhängende Basisstrom des Haupttransistors 71 fließt.

Im Ausfuhrungsbeispiel nach dem Hauptpatent fließt somit bei Leerlauf ein Querstrom von nicht ganz 3 μΑ. der bei Belastung um einen Anteil zunimmt, der gleich dem Belastungsstrom geteilt durch den Stromverstärkungsfaktor in Emitferschaltung des Haupttransistors 71 ist.

Der erwähnte Nachteil der Schaltung nach dem Hauptpatent. eine temperaturabhängige Eingangsspannung zu liefern, ist i'arauf zurückzuführen, daß der Temperaturkoeffizient der Basis-Emitter-Schwellspannung des Referenztra'isistors 73 negativ ist. so daß die Referenzspannung b.·. steigender Temperatur fällt.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung nach der Erfindung löst das aufgezeigte Problem der Temperaturabhängigkeit dadurch, daß der Referenztransistor 73 durch eine Referenzspannungsquelle mit positivem Temperaturkoeffizienten der Spannung ersetzt ist und daß dieser positive Temperaturkoeffizient durch eine Referenz Spannungsquelle rmt einem negativen Temperaturkoef fizienten der Spannung kompensiert ist.

In F ι g. 2 sind die Schaltelemente der F ι g. 1 nochmals jjezc gi und zusätzlich die Transistoren 76. 77 und TS. Der dritte komplementäre Transistor 76 ist bt/i'glich seiner Basis mii der Basis des komp'ementäien Transistors 75 und bezüglich seines Emitters mit dem Emitter des komplementären Transistors 75. also auch mit dem Schalungsnullpunkt. verbunden und arbeitet somit in gleicher Weise wie der Transistor 75. nämlich als Konstanteiromquelle für den zusätzlichen Referenztransistor 77.

Der zusätzliche Referenztransistor ti ist derart zwischen der Basis des Referenztransistors 73 und dem Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen R I, /?2 eingefügt, daß sein Emitter mit der Basis des Referenztransistors 73, seine Basis mit dem Spannungsleilerabgriff und sein Kollektor mit der Ausgangs-

spannung t/2 verbunden ist. Der zusätzliche Referenztransistor Tl ist zum Referenztransistor Γ3 komplementär, im Ausführungsbeipsiel der Fig,2 also ein pnp-Transistor.

In Fig. 2 hat jeder der beiden Referehzlransistoren T3. Tl einen negativen Temperaturkoeffizienten seiner Basis-Emitter-Schwellspannung, wobei im Gegensatz zur Schaltung nach dem Hauptpatent an der entspre* chenden Stelle der Schaltung die Differenz der beiden Schwellspannungen wirksam ist.

Obwohl der Temperaturkoeffizient der Basis-Emitter-Spannung beider Referenztransistoren jeweils negativ ist, hat die Differenz zwischen der Basis-Emitter-Spannung des Referenztransistors TZ und der Basis* Emitter-Spannung des zusätzlichen Referehzlransistors Ti, wie gezeigt werden kann, einen positiven Temperaturkoeffizienlen. So beträgt in einem typischen Ausführungsbeispiel die Basis-Emitter-Spannung des Referenztransistors T3 bei Raumtemperatur ungefähr 600 mV* und die des zusätzlichen Refefenzlrarisistofs Tf 500 mV. Bei steigender Temperatur fällt die Basis-Emitter-Spannung des Referenztransistors Γ3 auf 550 mV und die des zusätzlichen Referenztransistors T7 auf 440 mV. Während daher die Differenz der Basis-Emitter-Spannung Raumtemperatur 100 mV beträgt, ist die Differenz bei erhöhter Temperatur nun 110 mV. Da die Differenz der Basis-Emitter-Spannungen angestiegen ist, ist die Aussage berechtigt, daß die Kombination der beiden Referenztransisloren Γ3, Tl einen positiven Temperaturkoeffizienten der wirksamen »Basis-Emiller'Spannung«, nämlich der Differenz der beiden Basis-Emitter-Spannungen, aufweist.

Als Referenzspannungsquelle mit negativem Temperaturkoeffizlenien ist in Fig. 2 zwischen den Schaltungsnullpunkt und den Spannungsteiler aus den Widerständen Rl, R 2 der zweite Hilfstransistor T8

in eingefügt, der durch Verbindung seiner Basis mit seinem Kollektor als Diode geschaltet ist und der vom gleichen Leitungstyp wie Haupt-, Referenz- und Hilfstransistor, also im Ausführungsbeispiel der Fig.2 ein npn-Transistor ist. Der Transistor TS weist einen negativen Temperaturkoeffizienten seiner Basis-Emilter^Spantiung auf, der den resultierenden positiven Temperaturkoeffizienlen der Kombination aus den beiden Transistoren Γ3, Tl ausgleicht. Da somil die Gesamtfeferenzspannung relativ stabil gehalten wird, bleibt auch die

2ö Äusgangsspaanung Ulstabil.

Obwohl die erfindungsgemäße Schaltung ihr spezifisches Anwendungsgebiet bei allen kleinbatteriebetriebenen Anordnungen, wie z. B. Armbanduhren, medizinischen Sonden usw. hat, ist sie selbstverständlich ohne weiteres auch bei allen Serienregelschaltungen anwendbar, bei denen ein geringer Ruhestromverbrauch wichtig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierbare Serienregelschaltung zum Erzeugen einer in ihrer Amplitude konstanten, in der Größenordnung von 1 V liegenden geregelten Ausgangsspannung aus einer in ihrer Amplitude schwankenden Eingangsspannung mit einem Haupttransistor, dessen Emitter an der Eingangsspannung und dessen Kollektor an der Ausgangsspannung liegt, ferner mit einem Referenztransistor gleichen Leitungstyps, dessen Basis-Emitter-Spannung als Referenzspannung dient, dessen Basis am Abgriff eines zwischen dem Schaltungsnullpunkt und der Ausgangsspannung angeordneten Spannungsteilers liegt und dessen Kollektor mit der u Basis des Haupttransistors über einen Hilfstransistor gleichen Leitungstyps in Verbindung steht, dessen Basis am Kollektor des Referenztransistors und dessen Emitter am Kollektor des Haupttransistors liegt, wob<*i nach Patent 22 18 308 der Emitter des Referenzi.-ansistors an der geregelten Ausgangsspannung angeschlossen ist, der Kollektor des Hilfstransistors am Schaltungsnullpunkt liegt und die Basis des Hilfstransistors und der Kollektor des Referenztransistors vom Kollektor eines weiteren, zu Haupt-, Referenz- und Hilfstransistor komplementären Transistors mit eh.em konstanten Strom gespeist sind, dessen Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen Basis an einer konstanten Spannung liegt, die von einem ebenfalls komplementären, durch Verbindung von Kollektor und Basis als Diode gescualteten Transistor erzeugt ist. dessen Emitter am Schaltungsnullpb kt und dessen Kollektor und Basis über einen Vorwiderstand an der Eingangsspannung liegt, duiurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des Referenztransistors (T3) und dem Abgriff des Spannungsteilers (R 1. R 2) ein zusätzlicher, zum Referenztransistor komplementärer Referenztransistor (Tl) derart eingefügt ist. daß dessen Emitter mit der Basis des Referenztransistors, dessen Basis mit dem Spannungsteilerabgriff und dessen Kollektor mit der Ausgangsspannung (L) 2) direkt verbunden ist. daß der Emitter des zusätzlichen Referenztransistors über eine Konstantstromquelle mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden ist und daß zwischen dem Schaltungsnullpunkt und dem Spannungsteiler eine Referen/spannungsquelle mit negativem Temperaturkoeffizient eingefügt ist.

2. Serienregelschaltung nach Anspruch 1. dadurch >o gekennzeichnet, daß die /weite Referenzspannungsquelle aus einem /weiten, durch Verbindung von Kollektor und Basis als Diode geschalteten Transistor (T8) vom gleichen Leitungstyp wie Haupt . Referenz· und Hilfstransistor besteht. ii

3. Serienregelschahung nach Anspruch 1 oiler 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstrom quelle aus einem dritten komplementären Transistor (Tf)) besteht, dessen Kollektor mit dem Kollektor des /weiten Referen/transistors (Tl) verbunden ist und dessen Basis-Lmitter-Streckeder Basis-Lmitlcr-Strecke des weiteren komplementären Transistors (TS) parallel geschaltet ist.

65

Aus den deutschen OffenlegUMgsschrifien 15 13 319 und 19 63 650 sind Serienregelschaltungen zum E

gen geregelter Spannungen in der Größenordnung von 1 V bekannt. Hierbei wird die Basis-Emitter-Schwellspannung des Vergleichs- bzw. Referenztransistors als Referenzspannung benutzt, da es für Spannungen in der Größenordnung von 1 V keine Bauelemente mit Zener-Charakteristik gibt.

Bei der Schaltung nach der Offenlegungsschrift 15 13 319 sind Haupt- bzw. Längstransistor und Referenztransistor komplementär zueinander während diese beiden Transistoren nach der Offenlegungsschrift 19 63 650 vom gleichen Leitungstyp sind. Jede der beiden bekannten Schaltungen enthält noch einen Hilfstransistor, der im Falle der erstgenannten Offenlegungsschrift vom Leitungstyp des Referenztransistors ist, während er im Fall der zweitgenannten Offenlegungsschrift zu Haupt- und Referenztransistor komplementär ist.

Dieser Hilfstransistor erfüllt in der Schaltung nach der erstgenannten Offenlegungsschrift lediglich den Zweck der Phasenumkehr, um zum beabsichtigten Regelverhalten zu gelangen. Der Hilfstransistor nach der zweitgenannten Offenlegungsschrift soll dagegen zu einer Vergrößerung der Regelsteilheit beitragen.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik betrifft das Hauptpatent 22 18 308 eine monolithisch integrierbare Serienregelschaltung zum Erzeugen einer in ihrer Amplitude konstanten, in der Größenordnung von 1 V liegenden geregelten Ausgangsspannung aus einer in ihrer Amplitude schwankenden Eingangsspannung mit einem Haupttransistor, dessen Emitter an der Eingangsspannur,g und dessen Kollektor an der Ausgangsspannung liegt, ferner mit einem Referenztransistor gleichen Leitungstyps, dessen Basis-Emitter-Spannung als Referenzspannung dient, dessen Basis am Abgriff eines zwischen dem Schaltungsnullpunkt und der Ausgangsspannung angeordneten Spannungsteilers liegt und dessen Kollektor mit der Basis des Haupttransistors über einen Hilfstransistor gleichen Leitungstyps in Verbindung steht, dessen Basis am Kollektor des Referenztransistors und dessen Emitter am Kollektor des Haupttransistors liegt, die dadurch gekennzeichnet ist. daß der Emitter des Referenztransistors an der geregelten Ausgangsspannung angeschlossen ist. daß der Kollektor des Hilfstransistors am Schaltungsnullpunkt liegt und daß die Basis des Hilfstransistors und der Kollektor des Referen/transistors vom Kollektor eines weiteren /u Haupt-. Referenz- und Hilfstransistor komplementären Transi stors mit einem konstanten Strom gespeist sind, dessen Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen Basis an einer konstanten Spannung liegt, die von einem ebenfalls komplementären, durch Verbindung von Kollektor und Basis als Diode geschalteten Transistor erzeugt ist. dessen Emitter am Schallungsnullpunkt und dessen Kollektor und Basis über einen Vorwiderstand an der Eingangsspannung liegen.

Die eingangs erwähnten bekannten Schaltungen Sinti ebenso wie die Schaltung nach dem Hauptpatent dafür vorgesehen, die während ihrer Entladung in biittenebe tnebenen Geräten langsam absinkende Versorgungs spannung von Muno^ellen oder Akkumulatoren kon= slant zu halten und auch eine Auswechselbarkeil dec verschiedenen handelsüblichen Monozellen oder Akkumulatoren gegeneinander zu gewährleisten, da deren Nennspannungen unterschiedlich sind.

Da es sich bei diesen Batterien jedoch meist um solche kleinen Enefgieinhälls handelt, deren gesamter Strom wegen der Länge der zur Verfügung stehenden