DE2440795C3

DE2440795C3 - Temperaturabhängiger Spannungsgeber

Info

Publication number: DE2440795C3
Application number: DE2440795A
Authority: DE
Inventors: Carl Franklin Somerset N.J. Wheatley Jun. (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-08-27
Filing date: 1974-08-26
Publication date: 1980-04-17
Also published as: US3851241A; FR2242673A1; JPS5521293B2; FR2242673B1; SE7410731L; IT1020199B; CA1065966A; GB1469984A; NL7411335A; JPS5051776A; SE390843B; DE2440795B2; DE2440795A1

Description

Die Erfindung betrifft einen temperaturabhängigen Spannungsgeber nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Druckschrift IEEE Journal of Solid State Circuits, Band SC-I, Nr. 1,1966, Seiten 8 bis 13, ist eine Schaltungsanordnung mit einem Temperaturfühler und -regler bekannt, bei der ein mit zwei Transistoren bestückter Differenzverstärker eine temperaturunabhängige Bezugsspannung mit einer temperaturabhängigen Spannung vergleicht Die am Ausgang dieses Differenzverstärkers auftretende temperaturabhängige Spannung dient der Steuerung eines Heizelements, mit dessen Hilfe die Temperatur der Schaltungsanordnung konstant gehalten werden kann.

Spannungsgeber, die eine sich linear mit der Temperatur eines Fühltransistors ändernde Spannung liefern, eignen sich als Thermometer. Dabei kann als Anzeigevorrichtung ein einfaches Voltmeter dienen, das die Spannung mißt und so geeicht sein kann, daß es die Temperatur direkt anzeigt Spamiungsgeber, deren erzeugte Bezugsspannungen sich in voraussagbarer Weise in Abhängigkeit von Baueiementtemperaturen ändern, werden außerdem in vielen Fällen angewendet, wo es gilt, das Arbeiten anderer elektronischer Geräte zu kompensieren, so daß sich Betriebseigenschaften ergeben, die sich bei Abkühlung oder Erwärmung des Gerätes in kontrollierter Weise ändern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spannungsgeber zu schaffen, bei dem die Bestimmung der abgegebenen Spannung (nachfolgend auch Bezugsspannung genannt) nicht von der Anpassung der temperaturabhängigen Betriebseigenschaften von Bauelementen unterschiedlicher Art, beispielsweise eines Transistors und eines Widerstands, abhängig ist. Es ist nämlich wünschenswert, daß die Bezugsspannung stattdessen durch Vergleichen der Betriebseigenschaften mit der Temperaturänderung gleichartiger Bauelemente gewonnen wird, die gleichzeitig im Zuge ein und desselben Fertigungsverfahrens hergestellt worden sind. Solche Schaltungsanordnungen könnten dann ohne das Erfordernis individueller Einstellungen mavsengefertigt werden. Man könnte auf diese Weise z. B. eine Anordnung erhalten, die sich ohne weiteres als monolithisch integrierte Halbleiterschaltung nach Serienfertigungsverfahren herstellen läßt.

Diese Aufgabe wird crfindtingsgcmäß bei einem Spiannungsgeber der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs I gelöst.

Die BezugEspannung wird hierbei von der Differenz der Basis-Emitter-Spannungen abgeleitet, die den beiden Transistoren über den Gegenkopplungszweig zugeleitet wird, so daß die Stromdichten in den Basis-Emitter-Obergängen dieser Transistoren in einem vorbestimmten Verhältnis ungleich gehalten werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt in

Fig. 1 das Schaltschema eines erfindungsgemäßen Spannungsgebers, der sich als monolithisch integrierte Halbleiterschaltung ausführen läßt,

Fig.2 teilweise in Blockform eine Versehaltungsmöglichkeit des Spannungsgeber nach Fig. 1 zur Erzeugung einer Spannung, die sich linear mit der gemessenen Temperatur ändert,

F i g. 3 das Spannungs/Temperatur-Diagramm für die Anordnung nach F i g. 2,

Fig.4, 6, 8 und 10 teilweise in Blockform Verschaltungsmögiichkeiten des Spannungsgebers nach Fig.! zur Erzeugung von Spannungen, die sicii jeweils nichtlinear mit der Temperatur ändern,

Fig.5, 7, 9 und 11 die entsprechenden Spannungs/ Temperatur-Diagramme und

Fig. 12 das Schaltschema eines Spannungsgebers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Der Spannungsgeber 10 nach F i g. 1 erzeugt zwischen seinen Anschlußklemmen 11 und 12 bei Anschluß an eine Betriebsstromquelle (nicht gezeigt) eine temperaturabhängige Spannung. Die Betriebsstromquelle sollte einen so hohen Innenwiderstand haben, daß eine Nebenschlußregelung möglich ist, und so gepolt sein, daß die Anschlußklemme 11 positiv gegenüber der Anschlußklemme 12 ist. Der Spannungsgeber 10 kann als monolithisch integrierte Halbleiterschaltung mit an die Anschlußklemme 12 angeschlossenem Substrat ausgebildet sein. Aufgrund der kleinen Abmessungen und der guten Wärmeleitfähigkeit solcher monolithisch integrierter Halbleiterschaltungen kann die Temperatur der gesamten Anordnung und der in ihr vorhandenen Bauelemente durch Ändern der thermischen Umgebung schnell verändert werden.

Aufgrund der ohmschen Spannungsteilerwirkung von Widerständen 15, 16 und 17 erscheint zwischen den Spannungsteiler-Anschlußklemmen i3 und 14 ein Bruchteil V13.M der Spannung Vn.12 zwischen den Anschlußklemmen 11 und 12. Die Widerstandswerte der Widerstände 15, 16 und 17 betragen /?is, R\t bzw. R\y. Ferner beträgt:

V₁₃

H)

50

Diese Teilspannung V_u.|₄ liegt zwischen den Basen von PNP-Transistoren 19 und 18, die als emittergekoppelter Differenzverstärker 20 geschaltet sind.

Die Kollektorströme der Transistoren 18 und 19 werden mit Hilfe eines Stromverstärkers 21 differentiell verglichen, der den Kollektorstrom des Transistors 19 _M umkehrt und zum Kollektorstrom des Transistors 18 hinzufügt. Das Resultat dieses Differcnzvergleiches ist ein Fchlersignalstrom. der dem Eingangskreis eines weiteren Stromverstärkers 24 zugeleitet wird. Der verstärkte Fehleisijnalslrom im Ausgangskreis des e,-, Stromverstärkers 24 wird den Anschlußklemmen U und 12 zugeleitet und bcwirxl eine Nebenschlußregelung der Spannung /wischen diesen Anschlußklemmen 11 und 12 im Sinne einer Verringerung des verstärkten Fehlersignalstromes durch Gegenkopplung.

Der verstärkte Fehlersignalstrom ist nur dann minimal, wenn die Kollektorströme der Transistoren 18 und 19 im richtigen Verhältnis zueinander stehen, so daß ihr Differenzvergleich ein nur sehr kleines Fehlersignal ergibt. Dies entspricht einem Zustand, bei dem die Dichte des durch den Basis-Emitterübergang des Transistors 19 fließenden Stromes kleiner als die Dichte des durch den Basis-Emitterübergang des Transistors 18 fließenden Stromes ist. Damit dieser Zustand sich einstellt, müssen die Basis-Emitterspannungen Vbem und Vßfi9 der Transistoren 18 bzw. 19 um einen bestimmten Betrag Δ Vbe voneinander abweichen. Aus den Grundgleichungen für die Bipolartransistorwirkung ergibt sich:

= W_m = ---In 11 (2) 4

Darin bedeuten:

k die Boltzmannsche Konstante,

T die absolute Temperatur,

q die Ladung eines Elektrons und

η das Verhältnis der Dichte des durch den Basis-Emitterübergang des Transistors 18 fließenden Stromes zur Dichte des durch den Basis-Emitterübergang des Transistors 19 fließenden Stromes.

Bei 300 K ist Δ Vbe gleich 26 In η Millivolt. Diese Spannung Δ Vbe, die sich direkt proportional mit der Temperatur ändert, bestimmt den Wert der Spannung V13.14, die vom Spannungsteiler mit den Widerständen 15, 16 und 17 geliefert werden muß. Dieser Spannungsteiler bestimmt die Beziehung von Vl M₂ zu Vl₃-M, die ihrerseits diejenige Änderung von Vn. 12 mit der Temperatur bestimmt, die erforderlich ist, um eine Spannung V13.14 zu liefern, die sich lin°.ar rnk der Temperatur ändert, so daß sich ein solcher Wert Δ V_BE ergibt, daß das Fehlersignal in dem die Spannung Vn.|₂ regelnden Gegenkopplungsweg herabgedrückt wird.

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 steht die effektive Fläche des Basis-Emitterübergangs des Transistors 19 im Verhältnis 16:4 zur effektiven Fläche des Bais-Emitterübergangs des Transistors 18. (Die in kleinen Kreisen stehenden Zahlen bei den Basis-Emitterübergängen bestimmter PNP-Transistoren sowie bestimmter NPN-Transistoren zeigen die relativen Flächen der Basis-Emitterübergänge der betreffenden Transistoren an.) Durch Differenzvergleich der Kollektorströme der Transistoren 18 und 19 wird ein Fehlersignal erhalten, mit dessen Hilfe diese Ströme im wesentlichen gleich gemacht werden. Bei gleichen Kollektorströmen der Transistoren 18 und 19 sind auch die durch ihre Basis-Emitterübergänge fließenden Ströme (d. h. ihre Emitterströme) gleich. Da jedoch die effektive Fläche des Basis-Emitterüberganges des Transistors 19 viermal so groß ist wie die des Transistors 18, iu bei gleichen Emitterströmen die Dichte des durch den Basis-Emitterübergang des Transistors 18 fließenden Stromes viermal so groß wie die Dichte des durch den Basis-EmitterJbergang des Transistors 19 fließenden Stromes, d. h. n = 4. Demnach sollte V|M4 gleich 36 Millivolt bei 300 K sein, damit die Kollektorströme /c ie und /πι der Transistoren 18 bzw. 19 gleich sind, /rie ist gleich /ri9, wenn Vn. 12 gleich 3 Volt, bei den angegebenen Werten von /?i5, R\b und R₁₇. ist.

Der Strom /( 19 gelangt zum Eingang des Stromverstärkers 21. der einen Stromverstärkungsfaktor von annähernd - 1 aufweist. Der Ausgang des Stromverstärkers 21 ist an den Kollektor des Transistors 18 angeschlossen, so daß der umgekehrte Kollektorstrom — /f |q des Transistor?, 19 zu /< te. dem Kollektorstrom des Transistors 18. addiert wird. Der Stromverstärker 21 enthält einen Transislor 22, dessen Basis-Emitterübergang ein als Diode geschalteter Transistor 23 parallel geschaltet ist. welche Anordnung bekanntlich einen Stromverstärkungsfaktor von nahezu gleich —I aufweist, wenn die Transistoren 22 und 23 Emitterschaltungs-Durchlaßstromverstärkungen von mindestens normaler Höhe (d. h. hr_c mehr als 30) aufweisen. Wenn Ic ι* gleich /<i» ist, so erhält aufgrund des Kirchhoffschen Slromgesetzes der Eingangskreis des nachgeschalteten Stromverstärkers 24 im wesentlichen keinen Eingangsstrorn. Der Stromverstärker 24 besteht ?jjs in rrnU'c**- schaltung angeordneten Verstärkertransistoren 25, 26 und 27. die in direkt gekoppelter Kaskade geschaltet sind.

Der Ausgangskreiü des Stromverstärkers 24 ist zwischen die Anschlußklemmen Il und 12 geschaltet. Wenn Kn _M gleich oder kleiner als derjenige Wert von Δ\'Ήι ist. der erforderlich ist. um /cn gleich lew zu halten, so wird dem Eingangskreis des Stromverstärkers 24 kein irgendwie bedeutsamer Eingangsstrom angeliefert, und der Ausgangskreis dieses Stromverstärkers liefert keinen regelnd nuf Vn ^einwirkenden Stromfluß. Wenn Vn₁₄ als Bruchteil von V,_M2 über denjenigen Wert von Δ V_Btanzusteigen bestrebt ist, der erforderlich ist. um /( ι« und /<-i<» gleich zu halten, so übersteigt der vom Transistor 18 gelieferte Strom l₍\s den vom Ausgangskreis des Stromverstärkers 21 verlangten Wert von — /(i<>. Dem Eingang des Stromverstärkers 24 wird daher ein Eingangsstrom von entsprechender Größe angeliefert. Dieser S'rorn. verstärkt um den Stromverstärkungsfaktor des Stromverstärkers 24. der über 100 000 beträgt, bewirkt eine Ableitung des den Anschlußklemmen ti und 12 zugeleiteten Betriebsstromes, wodurch V_n |2 verringert wird. Dadurch wird der Gegenkopplungsweg geschlossen, über den VV 12 herabgesenkt wird, bis dessen Bruchteil Vn n im wesentlichen gleich demjenigen Wert von Δ V_ßf ist. der erforderlich ist. um Ic n gleich h 19 zu machen.

Wenn jetzt die Temperatur über 300 K ansteigt, so steigt Δ Vßf. gemäß Gleichung (2) linear mit der Temperatur von seinem Wert von 36 Millivolt an. Da durch die Gegenkopplung V_n ,4 so verändert wird, daß sich ein Wert J V_BF ergibt, der linear mit der Temperatur ansteigt, und da V₁₁ ι ein fester Bruchteil von V₁₁.1;. gegeben gemäß Gleichung (!). ist. muß die Gegenkopplung einen linearen Anstieg von V⁷Hi₂ mit der ansteigenden Temperatur ermöglichen. Aus den gleichen Gründen sinkt bei Temperaturabfall unter 300 K der Wert Δν_ΒΕ linear mit der Temperatur gemäß Gleichung (2) unter 36 Millivolt ab. Der Bereich der linearen Änderung von V_n.12 mit der Temperaturänderung umfaßt den gesamten Betriebsteniperaturbereich der integrierten Schaltung. Die Schaltung arbeitet mit einer Spannung V_{n i:} bis herunter zu 1.27 Volt, was einer Temperatur von 127 K (— 146" C) entspricht.

Es sollen jetzt bestimmte Einzelheiten der spezieilen Schaltungsanordnung 10 betrachtet werden. Durch eine ZW sehen die Anschlußklemmen W und 12 geschaltete Z-Diode 28 werden Rinschwingvorgänge unterdrückt. Ferner wird. 'Aenn fälschlicherweise ein negativer Bemebsstrom /wischen den Anschlußklemme" 11 und 12 fließt, die Diode 28 in Durchlaßrichtung gespannt, wodurch verhindert wird, daß die Spannung zwischen den Anschlußklemmen 11 und 12 den Wert von 0,7 Volt übersteigt. Dadurch wird ein /erstörender Durchbruch anderer Schaltungselemente verhindert.

Trotz der Änderung von V_{H 12} werden die zusammengeschalleten Emitter der Transistoren 18 und 19 vom Kollektor eines Transistors 29 mit einem im wesentlichen konstanten Strom gespeist. Zu diesem Zweck sind

in Stufen, die jeweils mehr oder weniger logarithmischen auf den zugeleiteten Einpangsstrom ansprechen, in Kaskade geschaltet.

Ein Widerstand 30 und ein als Diode geschalteter Transistor 31 sind in Reihe zwischen die Anschlußklcm-

i) men 11 und 12 geschaltet. Durch die Verbindung zwischen Kollektor und Basis des Transistors 31 erhält dieser eine Gegenkopplung, durch die seine Basis-Fmittrrsniinnnnp (Vgjji) und seine Kollektor-Emitterspannung auf ungefähr 0.65 Volt, im Falle eines

jii Siliciumtransistors, gehalten werden. Der Spannungsabfall am Widerstand 30 ist gleich VnI₂- VWn. Aufgrund des Ohmschen Gesetzes bestimmt dieser Spannungsabfall, dividiert durch den Wert Rm des Widerstands 30. den Kollektorstrom /πι des Transistors 31:

I,

Der Transistor 31 hält aufgrund seiner Kollektor-Ba-

)ii sisf Gegenkopplung lci\ auf diesem Wert, der sich linear und nahezu proportional mit \Ί .|₂ ändert.

V_m j, ändert sich logarithmisch mi^J /₍j|. Die logarithmische Änderung des Basis-Emitter-Spannungsabfalls eines Bipolartransistors mit dem Basis-,

r> dem Kollektor- und dem Emitterstrom ist bekannt. Bei Anwendung auf eine Halbleitersperrschicht (PN-Übergang) verursacht V_ef j, einen Stromfluß durch die Sperrschicht, der im linearen Verhältnis zu Ich steht Bei Anwendung auf ein Ohmsches Widerstandselement

■in verursacht V_w j, einen logarithmischen Strom in diesem Widerstandselement. Der Widerstandswert des Widerstands 33 ist etwas höher als der Wcchsclstromwiderstand der paralleigeschalteten Basis-Emitteriibergänge der Transistoren 32 und 37. gesehen von ihren Emittern

i\ aus. und der Widerstand 33 liegt in Reihe mit diesen parallelgeschalteten Übergängen und empfängt Vbeu. Folglich neigen die Emitterströme in den Basis-Emitterübergängen der Transistoren 32 und 37 und im Widerstand 33 dazu, in einem mehr logarithmischen als

ν linearen Verhältnis zu Im zu stehen. Der K· "'ektorstrom lev des Transistors 37 ist — abgesehen von dem vernachlässigbar kleinen Basisstrom dieses Transistors — gleich seinem Emitterstrom und ändert sich daher gleichartig mit lau Der Kollektorstrom lan des

ν-, Transistors 32 ist — abgesehen von dem vernachlässigbar kleinen Basisstrom dieses Transistors — gleich seinem Emitterstrom und ändert sich daher ebenso gleichartig mit lci\-

Der Strom Ich w'ird vom Kollektor eines Tiansistors

>-:> 34 abgenommen, der mit Koliektor-Basis-Gegenkopplung arbeitet, um seine Stromleitung entsprechend den Anforderungen für Ar 52 zu regeln. Der Basis-Emitter-Spannungsabfall Vbem des Transistors 34 ändert sich logarithmisch mit dem Kollektorstrom dieses Transi-

-" siors. der. abgesehen von den Anteilen der Basissirörne der Transistoren 34, 29 und 36. gleich Icrt ist. Unter der Voraussetzung, daß die Transistoren 34, 29 und 36 erhebliche Emitterschallungs-Durchlaßslromverstär-

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kungsfiiktoren aufweisen (d. h. mehr als ungefähr 30). können die Basisstromanteile vernachlässigt werdet·· Der Transistor 34 arbeitet mit dem Transistor 29 und dem Widerstand 35 in weitgehend der gleichen Weise zusammen wie der Transistor 31 mit den Transistoren 32 und 37 und dem Widerstand 33, so daß der kollektorstroni lew des Transistors 29 sich mit Ic» irgendwo zwischen linear und logarithmisch ändert.

Der Basis-Emitterkreis des Transistors 36 mit dessen Rasis-Emitterübergang und dem Wi-.li!rstand 47. vorge spannt um V_flf m, entspricht genau dem Basis-Emitterkreis des Transistors 29 mit dessen Basis-Emitterübergang und dem Widerstand 35. Der Kollektorstrom /(-j₆ des Transistors 36 spricht auf Ic» in der selben Weise an wie Ic2o- Sowohl Im als auch Icm> ändert sich mit Vn 12 mehr entsprechend einer In-Funktion als entsprechend einer linearen Funktion, h ₂q und /<κ,, obwohl nicht

cinh nii'hl c»»lir clarl h«>i Transistors 18 einen Überschußstrom gleich /«22 + /«23. der als Basisstrom des Transistors 25 auftritt.

Dieser Strom ist jedoch gerade noch nicht groß genug, um einen Stromfluß im Ausgangskreis des Stromverstärkers 24 hervorzurufen. Ehe der Basisstrom vom Transistor 26 entnommen wird, muß der dem Transistor 25 angelieferte Basisstrom so groß werden, daß er ausreicht, um zu bewirken, daß der Kollektorstrombedarf des Transistors 25 den vom Transistor 36 gelieferten Kollektorstrom übersteigt. Nur wenn von seiner Basis ein Strom abgenommen wird, liefert der Transistor 26 einen ausreichenden Kollektorstrom. um den Kollektorstrom des »Niederzieh«-Transistors 37 /u überwinden und den Transistor 27 mit Basisstrom zu beliefern. Nur wenn der Kollektor des Transistors 26 Basisstrom liefert, wird der Transistor 27 in den leitenden Zustand gespannt und zur Entnahme von L tnrtl >-*-wn

tnr UproKi(i»7iinn won V/.. . , uprnn-

ansteigendem Vi 112 mit steigender Temperatur.

Der Transistor 32 hat einen größerflächigen Basis-Emitterübergang als der Transistor 31 (Verhältnis 4 _: |), um zu verhindern, daß wegen des Vorhandenseins des gegenkoppelnden Emitterwiderstands 33 im Emitterkreis des Transistors 32 der Wert von lc»lla\ zu klein wird. Bei 300 K und /cji annähernd gleich 50 Mikroampere sind /(32 und Ich ebenfalls annähernd gleich 50 Mikroampere. Die Transistoren 29 und 36 haben größerflächige Basis-Emitterübcrgänge als der Transistor 34, um zu verhindern, daß infolge der Drosselung der Stromleitung in den Transistoren 29 und 36 durch die Widerstände 35 bzw. 47 die Werte von IckIIcm und Indien zu klein werden. Unter diesen Voraussetzungen sind /< 20 und lot über den gesamten Normalbereich von V₁, ₁₂ je gleich annähernd 10 Mikroampere.

Die Stromverstärkung des Stromverstärkers 21 beträgt nicht ganz genau - 1. Der Kollektorstrom des Transistors 19 erscheint nicht vollständig als Kollektorstrom /c23 des Transistors 23. Vielmehr liefert der Kollektorstrom des Transistors 19 auch die Basisströme der Transistoren 22 und 23 (fg:: bzw. /ß₂₃). Der Stromverstärkungsfaktor C21 des Stromverstärkers 21 ist durch folgende Gleichung gegeben:

^G ";^{2 (41}

Wenn die Transistoren 22 und 23 völlig gleich sind (eine Voraussetzung die in weitgehender Übereinstimmung mit der Wirklichkeit ist), so sind I_C22- der Kollektorstrom des Transistors 22, und Ic2i um den gleichen Faktor Λ/^νρν. der gleich den Emitterschaltungs-Durchlaßstromverstärkungsfaktoren dieser Transistoren ist, größer als die entsprechenden Basisströme Ib 22 und 'β 23:

G₂₁ =

Die einander entsprechenden Strome der Transistoren 22 und 23 sollten gleich sein, da ihre Basis-Emitter-Spannungsabfälle durch die Parallelschaltung der Basis-Emitterübergänge gleich gehalten werden. Es ist daher:

G₂₁ = τ ■—F

+ Ir23 +

Wenn die Kollektorstrome der Transistoren 19 und 18 gleich sind, so ergibt die Addition des Kollektorstromes des Transistors 22 zum Kollektorstrom des

Der Emitterschaltungs-Durchlaßstromverstärkungsfaktor hfcuPN des Transistors 25 ist gleich dem der Transistoren 22 und 23. Bei Belieferung des Transistors 25 mit einem Basisstrom gleich /022+/b2j führt dieser Transistor einen Kollektorstrom /i^npn (/022+/β23>Dies entspricht einem KollektorstromfluQ im Transistor 25 gleich A/rNPN/s22 + /VeNP_N/02). der Summe der Kollektorströme der Transistoren 22 und 23. Die Summe der Kollektorströme der Transistoren 22 und 23 ist im wesentlichen gleich der Summe der Kollektorströme der Tiansistoren 18 und 19. Unter der Voraussetzung, daß die Transistoren 18 und 19 erhebliche Emitterschaltungs-Durchlaßstrom Verstärkungsfaktoren (Λ&.) aufweisen, sind ihre vereinigten Basisströme vernachlässigbar kleiner als ihre vereinigten Emitterströme, die vom Kollektorstrom des Transistors 29 geliefert werden. Der Kollektorstrom des Transistors 25 hat somit, wenn die Kollektorströme der Transistoren 18 und 19 gleich sind, im wesentlichen die gleiche Größe wie der Kollektorstrom des Transistors 29. Das heißt, genauer gesagt, der Kollektorstrom des Transistors 25 ist /ιλ·ρνρ/(/ϊμ>νρ + l)-mal so groß wie der Kollektorstrom des Transistors 29. wenn die gewünschte Voraussetzung gleicher Kollektorströme der Transistoren 18 und 19 gegeben ist.

Beim Transistor 36 ist der Basis-Emitterübergang in der gleichen Weise vorgespannt wie beim Transistor 29. so daß der Kollektorstrom des Transistors 36 die gleiche Größe hat wie der Kollektorstrom des Transistors 29. Der Kollektorstrom des Transistors 25 muß um den Faktor (/ifrPNP+ 1 )/Λμ>νρ ansteigen, damit er groß genug wird, um einen Basisstrom vom Transistor 26 zu entnehmen. Da der Faktor Λ^_ΡΝρ normalerweise den Wert 30 übersteigt, reicht ein Kollektorstromanstieg des Transistors 25 von etwas weniger als 3% aus. um eine Stromleitung in den Transistoren 26 und 27 hervorzurufen und dadurch eine Regelung von V\ ^₂ zu bewirken. Eine wesentlich kleinere prozentuale Änderung der Koüektorströme der Transistoren 22 und 23 reicht aus, um diesen Stromanstieg im Transistor 25 zustandezubringen, und zwar wegen der Gleichtaktunterdrückung, die sich ergibt, wenn der Differenzverstärker 20 mit dem Stromverstärker 21 zusammengeschaltet ist.

Der Kondensator 38 dient zur Beeinflussung der Phasengang-Charakteristik des Stromverstärkers 24 derart, daß die Stabilitätskriterien nach Nyquist in der Gegenkopplungs-Regelschleife erfüllt sind.

Fig.2 zeigt den Spannungsgeber 10 in Verbindung

ίο

mil einer Batterie 50 und einem Widerstandselement 51. dessen Widerstandswert so hoch bemessen ist, daß der Spannungsgeber 10 in der Lage ist, die zwischen seinen Anschlußklemmen 11 und 12 liegende Spannung Vn 12 zu regeln. Durch auftreffende Wärmeenergie 52 wird der Spannungsgeber tO erhitzt. Ein wie gezeigt über die Anschlußklemmen 11 und 12 geschaltetes Voltmeter 53 zeigt die Spannung (V) in Abhängigkeit von der Temperatur (77 des Spannungsgebers 10, entsprechend dem Diagramm nach F i g. 3, an. Die angezeigte Spannung ändert sich linear mit der Temperatur des Spanniingsgebers 10 ohne Änderung der Kurvenneigung über den gesamten Betriebsbereich des Spannungsgebers, da der ohmsche Spannungsteiler mit den Widerständen 15, 16 und 17 im Spannungsgeber 10 die Spannung Vnυ in einem festen Verhältnis zu demjenigen Wert Δ Vbf. proportioniert, der erforderlich ist, um /eis gleich lat zu halten, wobei sich dieser Wert Δ Vbe linear mit der Temperatur der Transistoren iö und i9 ändert. Ein Vorteil des .Spannungsgebers 10 besteht darin, daß es sich bei ihm um einen Zweipol handelt, der keine getrennten Anschlüsse für die Betriebsspannungsversorgung benötigt.

F i g. 4, 6, 8 und 10 zeigen verschiedene Abwandlungen der Anordnung nach Fig. 2, mit denen die Spannungs/Temperaturcharakteristik der Schaltung beeinflußt werden kann. Fig.5, 7, 9 und 11 zeigen die entsprecftenden Spannungs/Temperatur- Diagramme, die mit den Anordnungen nach Fig. 4, 6, 8 bzw. 10 erhalten werden. Bei diesen Ausführungsformen ist in den ohmschen Spannungsteiler mit den Widerständen 15, 16 und 17 ein Maßstabfaktor eingebaut, der sich ändert, wenn ein bestimmter voreingestellter Schwellwert von ViIiJ, V_M.i2, V,j.|₂ oder Vn-14 überschritten wird. (Es sind Vn.π die Spannung zwischen den Anschlußklemmen 11 und 13, V₁₄.₁₂ die Spannung zwischen den Anschlußklemmen 14 und 12, Vi 3.12 die Spannung zwischen den Anschlußklemmen 13 und 12, V||.|4 die Spannung zwischen den Anschlußklemmen 11 und 14.) Der Schwellenwert der Spannung (64, 74, 84 bzw. 94) wird durch eine Batterie (62,72,82,92) und den

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mehrfach verwenden, mit unterschiedlicher Spannung für jede Batterie und unterschiedlichen Werten für jeden Widerstand, um eine Charakteristik zu erhalten, die eine stückweise lineare Näherung einer gewünsch-■j ten Spannungs/Temperatur-Charakteristik darstellt. Die Anordnung nach F i g. 4 oder nach F i g. 6 kann mit der Anordnung nach F i g. 8 oder nach Fig. 10 unter Anwendung unterschiedlicher Schwellentemperaturen kombiniert werden, wodurch die Spannungs/Tempera-

M) tur-Kurve über einen bestimmten Zwischenbereich herabgedrückt oder angehoben wird. Andere bekannte Mittel zum Verändern des Maßstabfaktors eines Spannungsteilers in Abhängigkeit von Spannungen, die am gesamten Spannungsteiler oder an einem Teil davon

ι Ι anliegen, ergeben sich dem Fachmann ohne weiteres.

Fig. 12 zeigt eine gegenüber F i g. I abgewandelte Ausführungsform des Spannungsgebers 10'. Der Stromverstärker 2\' hat eine Stromverstärkung von —4, da die wirksame Basis-Eminerübergangsfiäche des Transi-

_>n stors 22' viermal so groß wie die des Transistors 23' ist. Der Stromverstärker 24 bewirkt daher eine Nebenschlußregelung von V||i2, bis lew ein Viertel so groß wie /eis· wird. Der Emitterstrom des Transistors 19' ist in diesem Fall Ά des Emitterstromes des Transistors 18'. Die Transistoren 18' und 19' sind gleich ausgebildet und haben gleiche Basis-Emitterübergangsflächen. Die Stromdichte im Transistor 18' ist daher viermal so groß wie im Transistor 19'. Das heißt, /7 = 4, wenn der verstärkte Fehlersignalstrom durch die hochverstärkende Gegenkopplungsschleife des Spannungsreglers erniedrigt wird. Als Folge davon wird Vum gleich einem Wert Δ Vbe von 36 Millivolt, wie im Falle der Ausführungsform nach Fig. 1. V₁₁₀₂ ändert sich mit der Temperatur bei den Ausführungsformen nach F i g. 1

π und 12 in weitgehend der gleichen Weise.

Die Wirkungsweise ist bei beiden Ausführungsformen gleichartig. Ein erster und ein zweiter Temperaturfühl-Transistor werden durch Gegenkopplung mit bestimmten VgpSpannungen beaufschlagt, so daß ihre Emitter-

4(i Kollektorströme in ein vorbestimmtes Verhältnis zueinander gebracht werden. Um eine solche Pr<,portio-

91) bestimmt. Diese Batterie (62, 72, 82, 92) liefert eine niedrigere Spannung als die Batterie 50. Wenn die Schwellenspannung (64, 74, 84, 94) überschritten wird, so wird die Diode (61, 71, 81, 91) leitend, und der Widerstand (63, 73, 83, 93) bildet einen Nebenschluß über einen Teil des ohmschen Spannungsteilers mit den Widerständen 15, 16 und 17, so daß die Neigung der Spannungs/Temperatur-Kurve der Anordnung verändert wird, sobald die Schwellenspannung (64, 74, 84,94) überschritten wird. Die Schwellenspannung (64, 74, 84 bzw. 94) wird jeweils bei einer entsprechenden Schwellentemperatur (65,75,85 bzw. 95) erreicht.
Man kann die verschiedenen Anordnungen jeweils

e I/ O vtrs tyrr

einen Differenzbetrag Δ Vbe, der sich direkt proportional zur Temperatur ändert, voneinander verschieden

4-, sein. Durch Beeinflussung des Maßstabsfaktors für diese Spannung Δ V_Be bei bekannter Änderung mit der Temperatur kann man die unterschiedlichsten temperaturabhängigen Spannungen erhalten.
Anordnungen, bei denen die Transistoren 18 und 19

-,ο sowie die Transistoren 22 und 23 eine unterschiedliche Geometrie ihrer Basis-Emittdrübergänge aufweisen, können ebenfalls hergestellt und nach den Arbeitsprinzipien der Anordnungen nach Fig. 1 und 12 betrieben werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Temperaturabhängiger Spannungsgeber mit einer ersten und einer zweiten an eine Betriebsstromquelle anschüeßbaren Anschlußklemme, zwischen denen eine temperaturabhängige Spannung auftritt, sowie einem ersten und einem zweiten Flächentransistor vom gleichen Leitungstyp, die in emitter-gekoppelter Differenzverstärkerschaltung ausgelegt sind und beide bei im wesentlichen der gleichen Temperatur betrieben werden, gekennzeichnet durch eine Vorspannungsschaltung (15, 16, 17), die zwischen die Basen der beiden Transistoren (19, 18; 19', 18') einen Bruchteil der zwischen den beiden Anschlußklemmen (11, 12) herrschenden Spannung legt; und durch einen Steuerverstärker (21,24) mit zwei Eingängen, die mit den Kollektorströmen des ersten Transistors (19; 19') bzw. des zweiten Transistors (18; 18') beaufschlagt sind, so daß der Steuerverstärker auf die Differenz der Kollektorströme anspricht und zur Bildung einer Gegenkopplung mit den vorgenannten Schaltungselementen einen zwischen die Anschlußklemmen geschalteten Ausgangskreis (27) aufweist und ferner die Verstärkung des Steuerverstärkers bezogen auf seine beiden Eingänge und die Flächen der Basis-Emitter-Obergänge der beiden Transistoren so bemessen sind, daß aufgrund der Gegenkopplung die Stromdichten in den Basis-Emitter-Übei gangen der beiden Transistoren in einem vorbestimmten, von Sins abweichenden Verhältnis zueinander gehalten werden und die beiden Transistoren (19, 18; 19', W) ein thermometrisches Element bilden. ji
2. Spannungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerverstärker (21, 24) einen ersten Stromverstärker (21; 21') und einen zweiten Stromverstärker (25,26,27) umfaßt, daß der erste Stromverstärker mit seinem Eingangskreis zwischen den Kollektor des ersten Transistors (19; 19') und die zweite Anschlußklemme (12) geschalte!

ist und einen zwischen den Kollektor des zweiten Transistors (18; 18') und die zweite Anschlußklemme (12) geschalteten Ausgangskreis aufweist und eine 4-, Stromverstärkung in einem solchen Sinn besitzt, daß die Ströme in seinem Eingangs- bzw. Ausgangskreis bezogen auf die zweite Anschlußklemme im selben Sinn fließen, und daß der zweite Stromverstärker mit einem Eingang (Basis 25) mit dem Kollektor des -,0 zweiten Transistors (18; 18') verbunden ist und einen Ausgangstransistor (27) aufweist, der zur Nebenschlußregelung der zwischen den Anschlußklemmen (M, 12) herrschenden Spannung zwischen diese geschaltet ist. > >
3. Spannungsgeber nach einem der Ansprüche I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsschaltung einen Spannungsteiler (15, 16, 17) umfaßt, der zwischen die erste Anschlußklemme (11) und die zweite Anschlußklemme (12) geschallet ist mi und einen ersten mit der Basis des ersten Transistors (19) verbundenen Spanniingsteileranschluß (13) sowie einen /weiten mit der Basis des /weiten Transistors (18) verbundenen Spanniingsteileranschluß (14) iuifwcist. h'.
4. Spiinnungsgcbcr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (15, 16, 17) ein Widcrsinndsspannungstcilcr ist, und daß /wischen einem der Spannungsteileranschlüsse (13 oder 14) und eine der Anschlußklemmen (11 oder 12) eine Schwellwertschaltung (61, 62, 63; 71, 72, 73; 81, 82, 83; 91,92, 93) geschaltet ist und das Teilerverhältnis des Widerstandsspannungsteilers ändert, wenn die Spannung über der Schwellwertschaltung einen Schwellwert übersteigt
5. Spannungsgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Schwellwertschaltung eine Diode (61; 71; 81; 91), eine Spannungsquelle (62; 72; 82; 92) und ein Widerstandselement (63; 73; 83; 93) aufweist, die in Reihenschaltung zwischen den ausgewählten Spannungsteileranschluß (13 oder 14) und die ausgewählte Anschlußklemme (U oder 12) geschaltet sind.