DE2938849C2

DE2938849C2 - Arrangement for generating a temperature-compensated DC voltage

Info

Publication number: DE2938849C2
Application number: DE19792938849
Authority: DE
Inventors: Barrie Gilbert; Peter R Holloway
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 1978-09-27
Filing date: 1979-09-26
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 1999-09-27
Also published as: NL7907161A; DE2938849A1; GB2032659A; FR2437656B1; GB2032659B; JPS5556212A; JPH0135364B2; CA1141820A; FR2437656A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erzeugung einer temperaturkompensierten Gleichspannung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an arrangement for Generation of a temperature compensated DC voltage according to the generic term of Claim 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 40 99 115 bekannt. Auch dort werden zwei Spannungsquellen verwendet, von denen eine einen positiven Temperaturkoeffizienten und die andere einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, wobei beide Spannungsquellen zusammengeschaltet werden, um eine kompensierte zusammengesetzte Ausgangsspannung zu erzeugen.Such a circuit arrangement is from the US-PS 40 99 115 known. There will also be two Power sources are used, one of which is one positive temperature coefficient and the other has a negative temperature coefficient, with both voltage sources connected together to be a compensated compound To generate output voltage.

Obwohl im Stand der Technik die Bezugsspannungsquellen so eingestellt werden können, daß sie eine nahezu vollkommene Kompensation vorgeben, ergibt sich ein spezielles Problem bezüglich der Durchführung dieser Einstellung. Insbesondere müssen zwei Werte eingestellt werden, nämlich der Wert der Ausgangsspannung und der Wert der erforderlichen Kompensation, um eine Aufhebung der Temperaturkoeffizienz zu erzielen. Diese beiden Einstellungen wirken gegenseitig aufeinander ein. Wenn man die Ausgangsspannung auf einen bestimmten Wert einstellt und sodann die Kompensation einstellt, so findet man, daß die Kompensationseinstellung die Ausgangsspannung verändert hat, so daß diese sich nicht mehr auf dem eingestellten Wert befindet. Die gleichen Probleme ergeben sich bei umgekehrter Einstellung.Although in the prior art Reference voltage sources can be set so that they are almost perfect compensation pretend there is a special problem regarding the implementation of this setting. In particular, two values must be set namely the value of the output voltage and the value the compensation required to cancel to achieve the temperature coefficient. These two Settings interact with each other. If you set the output voltage to a certain one Value and then the compensation , it is found that the Compensation setting the output voltage has changed, so that this no longer on the set value. The same problems result from the reverse setting.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Erzeugung einer temperaturkompensierten Bezugsspannung anzugeben, bei der die Einstellung nur mit einem Einstellelement vorgenommen werden kann und die Bezugsspannung nur einen minimalen Temperaturkoeffizienten aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind den Unteransprüchen entnehmbar.It is the object of the present invention, a Arrangement for generating a specify temperature-compensated reference voltage, where the setting with only one Adjustment element can be made and the Reference voltage only a minimal Has temperature coefficient. The solution to this Task succeeds according to the characteristic features of claim 1. Advantageous embodiments the circuit arrangement according to the invention are the Removable subclaims.

Bezugsspannungen für integrierte Bauelemente besitzen üblicherweise eine aus Halbleiterschichten bestehende Spannungsquelle, beispielsweise eine Zenerdiode, die jedoch einen signifikanten Temperaturkoeffizienten besitzt, der eine Kompensation erforderlich macht. Für viele Bezugsspannungs-Anordnungen kann der Verlauf der Spannung über der Temperatur durch folgende Gleichung angegeben werden:Reference voltages for integrated components usually have one of semiconductor layers existing voltage source, for example a Zener diode, however, a significant one Has temperature coefficient, the one Compensation requires. For many Reference voltage arrangements can change the course of the Voltage over temperature by following Equation can be given:

V_dev=V_K+α (T-T_K) (1)V _dev = V _K + α (TT _K ) (1)

wobei
V_dev=die Anschlußspannung der Vorrichtung bei irgendeiner Temperatur T ist und
V_K und T_K eine konstante Spannung beziehungsweise Temperatur ist, und
α=ein Koeffizient ist, der entsprechend der Herstellung der Vorrichtung variiert.in which
V _dev = the terminal voltage of the device at any temperature T and
V _K and T _{K is} a constant voltage or temperature, and
α = a coefficient that varies according to the manufacture of the device.

Um eine Kompensation der bei Temperaturänderungen auftretenden Spannungsänderungen vorzusehen, kann das Ausgangssignal einer solchen Vorrichtung der Spannung eines Kompensations-Spannungskreises überlagert werden, wobei dieser Kreis, wie zum Beispiel ein "band-gap"-Übergang, einen Temperaturkoeffizienten besitzt, der hinsichtlich des Vorzeichens (Neigung) entgegengesetzt verläuft und einen geeigneten Maßstabsfaktor vorgibt, um einen spezifischen Ausgangs-Spannungspegel zu erzeugen. Die Charakteristik einer solchen kompensierten Bezugsspannungs-Vorrichtung kann durch folgende Gleichung vorgegeben sein:To compensate for temperature changes to provide occurring voltage changes the output signal of such a device Voltage of a compensation voltage circuit are superimposed, this circle, such as Example a "band-gap" transition, one Has temperature coefficient with respect to opposite to the sign (inclination) and specifies an appropriate scale factor to a specific output voltage level produce. The characteristic of such a compensated reference voltage device can by the following equation can be specified:

V_ref-λ[(V_GO-βT)σ+V_K+α(T-T_K)] (2)V _ref -λ [(V _GO -βT) σ + V _K + α (TT _K )] (2)

wobei
V_GO=die "band-gap"-Spannung
β=der Temperaturkoeffizient eines in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Überganges,
σ=ein Proportionalitäts-Faktor zwischen der Bezugsspannungsvorrichtung und der Kompensationsvorrichtung, und
λ=ein Gesamt-Maßstabsfaktor, der benötigt wird, um einen spezifischen Spannungswert zu erhalten, ist.in which
V _GO = the "band-gap" voltage
β = the temperature coefficient of a pn junction biased in the forward direction,
σ = a proportionality factor between the reference voltage device and the compensation device, and
λ = an overall scale factor needed to obtain a specific voltage value.

Eine solche Vorrichtung besitzt zwei Freiheitsgrade bezüglich der Einstellung, die symbolisch durch das Zeichen σ (Neigung, Steigung) und λ (Maßstabsfaktor) in der obigen Gleichung (2) vorgegeben sind. Zum Einstellen der Vorrichtung auf eine spezifische Arbeitscharakteristik bedarf es der Einstellung beider Faktoren σ und λ, um die spezifische Ausgangsspannung V_ref zu erhalten. Dieses aufwendige Einstellverfahren wird mit der vorliegenden Erfindung vermieden.Such a device has two degrees of freedom with regard to the setting, which are symbolically given by the characters σ (inclination, slope) and λ (scale factor) in the above equation (2). To set the device to a specific working characteristic, it is necessary to set both factors σ and λ in order to obtain the specific output voltage V _ref . This complex setting method is avoided with the present invention.

In Übereinstimmung mit einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß mit Vorteil im höchsten Maße befriedigende Resultate durch eine Technik erhalten werden können, bei der die Einstellung der Bezugsspannung durch ein einzelnes Element des Schaltkreises erfolgt, um dabei gleichzeitig die beiden variablen Faktoren (gegeben durch λ und σ in Gleichung (2)) zu ändern, wobei diese Faktoren die Ausgangsspannung und die Temperatur-Charakteristiken der Bezugsspannung steuern. Bei einer Weiterbildung der Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Einstellung durch einen Trimm-Widerstand vorgesehen, der die Bezugs-Ausgangsspannung auf den spezifischen Wert bringt, und der gleichzeitig den Temperaturkompensations-Steuerkreis ändert, um so eine optimale Temperaturkompensation an dem Punkt vorzugeben, an dem die Ausgangs-Bezugsspannung gleich dem spezifischen Wert ist. In line with an important aspect of The present invention has been found to use Benefit highly satisfactory results can be obtained by a technique in which the setting of the reference voltage by a single element of the circuit is made to the two variable factors at the same time (given by λ and σ in equation (2)) change, these factors the output voltage and the temperature characteristics of the Control the reference voltage. If the Invention according to a preferred embodiment the invention is an adjustment by one Trim resistor provided the Reference output voltage to the specific value brings, and at the same time the Temperature compensation control circuit changes so optimal temperature compensation at that point to specify at which the output reference voltage is equal to the specific value.

Mit anderen Worten, es wurde gefunden, daß die zwei Freiheitsgrade, die bislang dazu verwendet worden sind, die komplette Einstellung ihrer Bezugsspannung vorzunehmen, zu einem einzigen Freiheitsgrad vermindert werden können, um so mit Vorteil die Qualität der Bezugsspannung und zur gleichen Zeit das Verfahren der Durchführung zu vereinfachen. Die Reduzierung der Einstellprozedur auf einen einzigen Freiheitsgrad kann im mathematischen Sinne so verstanden werden, daß die Variable λ von der Größe σ abhängig gemacht wurde, und zwar durch die Topologie des zugeordneten Steuerkreises für die Kompensations-Spannungsquelle. Diese Abhängigkeitsbeziehung kann wie folgt ausgedrückt werden:In other words, it was found that the two degrees of freedom, that have been used to date, the complete Adjust their reference voltage to make a single Degree of freedom can be reduced, so the advantage Quality of the reference voltage and at the same time the process to simplify implementation. The reduction of the adjustment procedure to a single degree of freedom in mathematical The meaning should be understood in such a way that the variable λ is of size σ was made dependent, namely by the topology of the assigned Control circuit for the compensation voltage source. These Dependency relationship can be expressed as follows:

wobei V_ref′=die spezifische Ausgangsspannung ist.where V _{ref ′} = the specific output voltage.

Die Ausgangsspannung kann dann wie folgt ausgedrückt werden:The output voltage can then be expressed as follows:

Dadurch ergibt sich der endgültige Ausdruck:This gives the final expression:

wobei σ=der verbleibende Einstell-Parameter ist. where σ = the remaining setting parameter.

In Übereinstimmung mit einem wichtigen Aspekt der Erfindung macht die Einstellung des Wertes V_ref auf den spezifizierten Wert (α-βσ) zu Null, d. h., indem man βσ=α setzt, wird die gewünschte Gleichheit innerhalb der Grenzen des Modells erzielt.In accordance with an important aspect of the invention, setting the value V _ref to the specified value (α-βσ) zero, ie by setting βσ = α, the desired equality is achieved within the limits of the model.

Weitere ausgestaltende Merkmale sowie weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.Further design features and further advantages of the invention result from the description of in the drawing illustrated embodiments.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltbild zum Darstellen der Grundanordnung einer bevorzugten Ausführungssform der Erfindung, Fig. 1 is a simplified diagram showing the basic arrangement of a preferred Ausführungssform the invention,

Fig. 2 ein Schaltbild, das Details der Bezugsspannung zeigt, und zwar basierend auf der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, und FIG. 2 is a circuit diagram showing details of the reference voltage based on the circuit shown in FIG. 1, and

Fig. 3 ein Diagramm, das die Spannung-Temperaturabhängigkeit verschiedener Klassen von Spannungsquellen darstellt. Fig. 3 is a diagram illustrating the voltage-temperature dependence of different classes of voltage sources.

In Fig. 1 weist die Bezugsspannung in Übereinstimmung mit den Prinzipien dieser Erfindung eine Zenerdiode-Spannungsquelle 10 auf, wobei eine Elektrode der Diode an die Ausgangsleitung 12 eines Operationsverstärkers 14 angeschlossen ist. Die andere Elektrode der Diode ist über einen negativen Rückführkreis mit dem invertierenden Eingangsanschluß 16 des Verstärkers verbunden, wobei dieser Anschluß seinerseits über einen Widerstand 18 mit einer gemeinsamen Verbindungsleitung bzw. mit der Masse 20 verbunden ist. In Fig. 1, in accordance with the principles of this invention, the reference voltage has a zener diode voltage source 10 with one electrode of the diode connected to the output line 12 of an operational amplifier 14 . The other electrode of the diode is connected via a negative feedback circuit to the inverting input connection 16 of the amplifier, this connection in turn being connected to a common connecting line or to ground 20 via a resistor 18 .

Die Zenerdiode 10 ist als Teil eines IC-Chips ausgebildet, zusammen mit dem zugeordneten Steuerkreis nach Fig. 2. Der Chip weist ferner die anderen nicht dargestellten Schaltkreise auf, die die zu erzeugende, stabilisierte Bezugsspannung benötigen, wie es noch erläutert werden wird. Vorzugsweise wird die Zenerdiode als eine "buried-layer"-Einrichtung ausgebildet.The zener diode 10 is designed as part of an IC chip, together with the associated control circuit according to FIG. 2. The chip also has the other circuits, not shown, which require the stabilized reference voltage to be generated, as will be explained below. The zener diode is preferably designed as a “buried layer” device.

Das Potential des nicht-invertierenden Anschlusses 22 des Verstärkers 14 wird durch einen generell mit 24 bezeichneten Steuerkreis festgehalten, wobei dieser Steuerkreis eine zweite Spannungsquellen- Anordnung enthält. Dieser Steuerkreis weist zwei in Reihe verbundene, gegenseitig abgeglichene Transistoren Q₁ und Q₂ auf, die jeweils einen Emitter-Widerstand R₁ bzw. R₂ besitzen. Der Kollektor des Transistors Q₂ ist mit der Ausgangsleitung 12 verbunden, wogegen der Emitter-Widerstand R₁ an Masse liegt. Es ist weiterhin ein aus drei Widerständen 26, 28, 30 bestehender Spannungsteiler vorgesehen, um die Basisspannungen der Transistoren Q₁, Q₂ auf vorbestimmten Pegeln zu halten, wie es noch erläutert werden wird. Der Rückkoppelkreis des Operationsverstärkers 14 hält die Eingangsanschlüsse 16 und 22 auf demselben Potential, so daß die Verstärkerausgangsspannung V_o als die Summe der Dioden-Spannung V_z und der an dem nicht-invertierenden Eingang 22 angelegten Spannung angesehen werden kann. Es ist zu bemerken, daß in dem speziellen hier dargestellten Schaltkreis vom Brückentyp die Spannung am Eingang bzw. Anschluß 22 auch von der Ausgangsspannung V_o abhängig ist. Diese Abhängigkeit ist jedoch kein Erfordernis für die vorliegende Erfindung und es können auch andere Typen von Schaltkreisen benutzt werden, um die Zener-Spannung mit einer Kompensations-Spannung zu kombinieren. The potential of the non-inverting connection 22 of the amplifier 14 is fixed by a control circuit, generally designated 24 , this control circuit containing a second voltage source arrangement. This control circuit has two series-connected, mutually balanced transistors Q₁ and Q₂, each having an emitter resistor R₁ and R₂. The collector of the transistor Q₂ is connected to the output line 12 , whereas the emitter resistor R₁ is connected to ground. There is also a voltage divider consisting of three resistors 26, 28, 30 to keep the base voltages of the transistors Q 1, Q 2 at predetermined levels, as will be explained. The feedback circuit of the operational amplifier 14 holds the input terminals 16 and 22 at the same potential so that the amplifier output voltage V _{o can be} viewed as the sum of the diode voltage V _z and the voltage applied to the non-inverting input 22 . It should be noted that in the special bridge-type circuit shown here, the voltage at the input or terminal 22 is also dependent on the output voltage V _o . However, this dependency is not a requirement for the present invention and other types of circuitry can be used to combine the Zener voltage with a compensation voltage.

Die Ausgangsspannung V_o kann dargestellt werden als eine Funktion von Schaltungselement-Werten und signifikanten Parametern, wie es im nachfolgenden diskutiert wird. Eine detaillierte Ableitung der Beziehungen ist in dem Anhang an dem Ende der Beschreibung gegeben. Wie in dieser Ableitung gezeigt, kann die Ausgangsspannung ausgedrückt werden durch:The output voltage V _o can be represented as a function of circuit element values and significant parameters, as discussed below. A detailed derivation of the relationships is given in the appendix at the end of the description. As shown in this derivation, the output voltage can be expressed by:

wobei
V_z=die Zenerdioden-Spannung,
V_be=die Basis-Emitter-Spannung (von Q₁ oder Q₂)
σ=der Proportionalitäts-Faktor für die Basis-Spannung von Q₂ (d. h. V_b2=σ V_o),
ε=der Proportionalitäts-Faktor für die Basis-Spannung von Q₁, und
R₁ und R₂=die Widerstandswerte sind.in which
V _z = the Zener diode voltage,
V _be = the base-emitter voltage (from Q₁ or Q₂)
σ = the proportionality factor for the basic stress of Q₂ (ie V _b2 = σ V _o ),
ε = the proportionality factor for the base voltage of Q₁, and
R₁ and R₂ = the resistance values.

Um einen Satz von Beziehungen für die Null-Temperaturkompensation zu bestimmen, kann die Ableitung der Gleichung (1A) nach der Temperatur gebildet werden und zu Null gesetzt werden, um so die Beziehung vorzugeben:To a set of relationships for zero temperature compensation to determine the derivative of equation (1A) according to temperature are formed and set to zero so that the Specify relationship:

wobeiγ=als Ausdruck V_be definiert ist, der ungefähr gleich dem Wert (V_GO-V_beo)/T_o; und wobei
α=wie vorhergehend beschrieben gleich dem Wert V_z; und
V_GO=die "band-gap"-Spannung ist.where γ = is defined as the expression V _be , which is approximately equal to the value (V _GO -V _beo ) / T _o ; and where
α = equal to the value V _z as described above; and
V _GO = the "band-gap" voltage.

Um die weiteren notwendigen Inhalte für die Bedingungen des Zustandes der Null-Temperatur-Kompensation zu entwickeln, kann die Gleichung 1A daher geschrieben werden als:To the other necessary content for the conditions of the state to develop the zero temperature compensation Equation 1A can therefore be written as:

wobei V_K und T_K Konstanten sind (siehe Gleichung (1) oben) und wobei T die Temperatur der Einrichtung ist. where V _K and T _{K are} constants (see equation (1) above) and where T is the temperature of the device.

Unter Verwendung der Gleichung (2A) kann die Gleichung (3A) wie folgt geschrieben werden:Using equation (2A), equation (3A) can can be written as follows:

wobei V_K, T_K, δ, ε und γ Konstanten sind.where V _K , T _K , δ, ε and γ are constants.

Indem man die Ableitung der Gleichung (4A) nach α bildet und diese gleich Null setzt, erzielt man die Beziehung:By taking the derivative of equation (4A) according to α and this equals zero, you get the relationship:

Wenn diese Beziehung hergestellt ist, ist V_o unabhängig von α. Das bedeutet, daß der Steuerkreis dann das gewünschte Resultat liefern kann, unabhängig von der speziellen Zenerdiode, mit der er verwendet wird.When this relationship is established, V _{o is} independent of α. This means that the control circuit can then deliver the desired result regardless of the particular zener diode with which it is used.

Da die vorgegebenen Parameter für irgendeinen Wert von α gültig sein müssen, kann eine weitere Beziehung für ε und δ gefunden werden, indem man in der Gleichung (4a) α=0 setzt. Dabei ergibt sich der Ausdruck:Because the given parameters are valid for any value of α another relationship can be found for ε and δ, by setting α = 0 in equation (4a). Here results the expression:

Die Gleichungen (5A) und (6A) können dann für ε und δ aufgelöst werden, wodurch sich ergibt:Equations (5A) and (6A) can then be solved for ε and δ which results in:

ε=(V_GO-γT_K)/V_o (7A)ε = (V _GO -γT _K ) / V _o (7A)

Die vorgenannten Beziehungen wurden abgeleitet, um eine Null- Temperatur-Kompensation der spezifizierten Ausgangsspannung durchzuführen. Es können jedoch durch dieselbe Technik modifizierte Beziehungen abgeleitet werden für andere Arten einer gewünschten Steuerung des Temperaturkoeffizienten, abhängig von der Einstellung der Ausgangsspannung auf einen spezifischen Wert. Beispielsweise gibt es Anwendungen, bei denen ein spezifischer nicht nach Null gehender Temperaturkoeffizient bei der spezifizierten Bezugsspannung notwendig ist, beispielsweise für den Zweck, um die Charakteristiken verschiedener Kreise aneinander anzupassen. Weiterhin kann die Steuerfunktion, die vorstehend beschrieben wurde, bei Anwendungen zum Tragen kommen, bei denen unterschiedliche Ausgangsspannungen für individuelle Einheiten einer Gruppe notwendig sind, wobei jede dieser Ausgangsspannungen eine unterschiedliche Temperatur-Kompensation benötigt. Die spezifische Art und Weise, in der die Erfindung verwendet wird, hängt daher von dem bei der speziellen Anwendung zu lösenden Problem ab. The above relationships were derived to zero Perform temperature compensation of the specified output voltage. However, it can be modified by the same technique Relationships are derived for other types of a desired one Control of the temperature coefficient, depending on the setting the output voltage to a specific value. For example, there are applications where a specific non-zero temperature coefficient at the specified Reference voltage is necessary, for example for the purpose to match the characteristics of different circles. Furthermore, the control function described above was used in applications where different Output voltages for individual units of one Group are necessary, each of these output voltages one different temperature compensation required. The specific How the invention is used depends hence the problem to be solved in the specific application from.

Im Fall der Fig. 1, einem Schaltkreis, der dazu verwendet wird, eine Null-Temperatur-Kompensation darzustellen, können die numerischen Werte für ε und δ erhalten werden, indem man in die Gleichung (7A) und (8A) experimentell bestimmte Werte für V_K und T_K einsetzt, zusammen mit dem bekannten Wert von V_GO, einem gerechneten Wert für γ (unter Verwendung der Definition in Gleichung (1A) mit einem bekannten Wert von V_beo), und dem gewünschten Wert von V_o. Die Werte für V_K und T_K wurden experimentell anhand von Spannungstemperatur-Messungen an einer großen Zahl von Zenerdioden bestimmt, wobei typische extra gepolte Werte sind: V_K=4,74 und T_K=-383°K. Der Wert von V_beo ist 0,655 und der Wert für T_o=300°K. Unter Verwendung eines spezifischen Wertes V_o=10 werden die Proportionalitäts-Faktoren:In the case of Fig. 1, a circuit used to represent zero temperature compensation, the numerical values for ε and δ can be obtained by experimentally determining values for equations (7A) and (8A) V _K and T _K , together with the known value of V _GO , a calculated value for γ (using the definition in equation (1A) with a known value of V _beo ), and the desired value of V _o . The values for V _K and T _K were determined experimentally using voltage temperature measurements on a large number of Zener diodes, typical typical polarized values being: V _K = 4.74 and T _K = -383 ° K. The value of V _beo is 0.655 and the value for T _o = 300 ° K. Using a specific value V _o = 10, the proportionality factors become:

ε=0,1960ε = 0.1960

δ=0,7220.δ = 0.7220.

Indem man nun die Widerstände 26, 28 und 30 entsprechend so wählt, daß man Basisspannungen V_b1 bzw. V_b2 von 1,960 und 7,220 Volt erhält, ergibt die Schaltkreisanordnung nach Fig. 1 eine optimale Temperatur-Kompensation, wenn einer oder der andere Emitter-Widerstand R₁ oder R₂ so eingestellt ist, daß sich die spezifische Ausgangsspannung von 10 Volt ergibt. Welcher der Widerstände R₂ oder R₁ getrimmt wird, hängt davon ab, ob die anfängliche Messung der Ausgangsspannung einen Wert ergibt, der unterhalb oder oberhalb von 10 Volt liegt. By now selecting resistors 26, 28 and 30 accordingly so that base voltages V _b1 and V _b2 of 1.960 and 7.220 volts are obtained, the circuit arrangement according to FIG. 1 provides optimal temperature compensation if one or the other emitter Resistor R₁ or R₂ is set so that the specific output voltage of 10 volts results. Which of the resistors R₂ or R₁ is trimmed depends on whether the initial measurement of the output voltage gives a value that is below or above 10 volts.

Für einen experimentell ausgemessenen Bereich von α bei einer großen Zahl von Einheiten der Klasse von Zenerdioden, die mit einem IC-Prozeß erzeugt werden, wie in dieser Anmeldung beschrieben wird, sind die entsprechenden Werte von R₂/R₁ vom praktischen Interesse. Indem man die Gleichung (2A) den gemessenen Bereich von Werten für α entsprechend den gemessenen Zener-Spannungen von V_z (bei 300°K) von 6,0 bis 6,6 ersetzt, wurde gefunden, daß:
Das Minimum von R₂/R₁=1,966 (für V_z=6,0) und
das Maximum von R₂/R₁=2,426 (für V_z=6,6) ist.For an experimentally measured range of α with a large number of units of the class of Zener diodes, which are produced by an IC process, as described in this application, the corresponding values of R₂ / R₁ are of practical interest. By replacing equation (2A) the measured range of values for α corresponding to the measured Zener voltages of V _z (at 300 ° K) from 6.0 to 6.6, it was found that:
The minimum of R₂ / R₁ = 1.966 (for V _z = 6.0) and
the maximum of R₂ / R₁ = 2.426 (for V _z = 6.6).

Die Fig. 2 zeigt Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung für die Bezugsspannung, die die Anordnung nach Fig. 1 enthält, und die gemäß dem oben beschriebenen arbeitet. In der Fig. 2 bilden die Elemente Q₁₁₂ und Q₁₁₃ die Grundelemente des Operationsverstärkers 14. Die Zenerdiode D_z hat Kelvin-Verbindungen, wobei die Kraft- und Fühlelektroden (force and sense electrodes) im wesentlichen auf demselben Potential liegen. Die eine der Elektroden ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß 16 und die andere der Elektroden über einen Widerstand R₁₄₃ (Bezugszeichen 18 in Fig. 1) mit der gemeinsamen Leitung 20 verbunden. Es entsprechen dabei die Transistoren Q₁₁₅ und Q₁₁₆ den Transistoren Q₂ und Q₁ der Fig. 1, die Widerstände R₁₃₈ und R₁₃₉ den Widerständen R₂, R₁, die Widerstände R₁₃₅, R₁₃₆ und R₁₃₇ den Widerständen 26, 28 und 30. FIG. 2 shows details of a preferred embodiment of the circuit for the reference voltage, which contains the arrangement according to FIG. 1 and which operates according to that described above. In Fig. 2, the elements Q₁₁₂ and Q₁₁₃ form the basic elements of the operational amplifier 14th The Zener diode D _z has Kelvin connections, the force and sense electrodes being essentially at the same potential. One of the electrodes is connected to the inverting input terminal 16 and the other of the electrodes via a resistor R₁₄₃ (reference numeral 18 in Fig. 1) to the common line 20 . The transistors Q₁₁₅ and Q₁₁₆ correspond to the transistors Q₂ and Q₁ of FIG. 1, the resistors R₁₃₈ and R₁₃₉ the resistors R₂, R₁, the resistors R₁₃₅, R₁₃₆ and R₁₃₇ the resistors 26, 28 and 30 .

Der Verstärkerkreis nach Fig. 2 ist im wesentlichen symmetrisch abgeglichen. Transistor Q₁₀₇ gibt einen Kollektorstrom an die Transistoren Q₁₁₂ und Q₁₁₃ ab. Der Kollektor von Q₁₁₄ erhält die Emitter-Ströme von Q₁₁₂ und Q₁₁₃ und gibt eiene Einstellung vor, um den Gesamtstrom richtig zu stellen. Die Basis Q₁₁₄ wird durch den Strom des linksseitigen Kollektors von Q₁₀₇ über den Spannungs- Übersetzungstransistor Q₁₀₈ und dem Pinch-Widerstand R₁₄₀ gesteuert.The amplifier circuit of Fig. 2 is substantially aligned symmetrically. Transistor Q₁₀₇ outputs a collector current to the transistors Q₁₁₂ and Q₁₁₃. The collector of Q₁₁₄ receives the emitter currents of Q₁₁₂ and Q₁₁₃ and gives a setting to correct the total current. The base Q₁₁₄ is controlled by the current of the left-hand collector of Q₁₀₇ through the voltage translation transistor Q₁₀₈ and the pinch resistor R₁₄₀.

Q₁₀₉ und Q₁₁₀ sind Puffer-Transistoren. Der Strom in Q₁₀₉ wird durch Q₁₀₅ gesteuert, der mit Q₁₀₄ abgeglichen ist, um so gleiche Ströme vorzugeben. Der Q₁₀₄-Strom geht durch Q₁₀₆ hindurch, der mit Q₁₀₇ abgeglichen ist, so daß der Strom durch Q₁₀₇ und der Strom durch Q₁₀₉ gleich sind und auch gleich dem Strom von Q₁₁₄ sind. Dadurch können, selbst, wenn die Basisströme von Q₁₀₉ und Q₁₁₄ Fehler enthalten können, diese Fehler ausgeglichen werden im Hinblick auf Q₁₁₂ und Q₁₁₃, so daß sie wegen der Schaltkreis-Symmetrie dahingehend tendieren, daß sie sich auslöschen.Q₁₀₉ and Q₁₁₀ are buffer transistors. The current in Q₁₀₉ will controlled by Q₁₀₅, which is compared with Q₁₀₄, so the same To specify currents. The Q₁₀₄ current passes through Q₁₀₆, the is balanced with Q₁₀₇, so that the current through Q₁₀₇ and Current through Q₁₀₉ are the same and also equal to the current of Q₁₁₄ are. This allows, even if the base currents of Q₁₀₉ and Q₁₁₄ errors can contain, these errors are compensated in terms of Q₁₁₂ and Q₁₁₃, so that because of the circuit symmetry tend to wipe themselves out.

Q₁₀₃ trägt irgendeinen zusätzlichen Strom, der von Q₁₁₅ und Q₁₁₆ benötigt wird. Q₁₁₁ gibt einen Schutz für den Ausgangs-Puffer Q₁₁₀. Der linksseitige Emitter von Q₁₀₉ dient als Starthilfe für den Schaltkreis.Q₁₀₃ carries any additional current, that of Q₁₁₅ and Q₁₁₆ is needed. Q₁₁₁ provides protection for the output buffer Q₁₁₀. The left-hand emitter from Q₁₀₉ serves as a starting aid for the circuit.

Die Fig. 3 zeigt graphisch die Beziehungen zwischen Spannung und Temperatur, die weiter oben in Bezug auf die Fig. 1 diskutiert wurden und die dazu dienen, ein Optimum an Temperatur-Kompensation bei der Einstellung der Bezugs-Ausgangsspannung auf ihren spezifischen Wert zu gewährleisten. FIG. 3 graphically shows the relationships between voltage and temperature which were discussed above with reference to FIG. 1 and which serve to ensure optimum temperature compensation when the reference output voltage is set to its specific value.

Die Darstellung zeigt zwei gerade Linien Z₁ und Z₂, die die Grenzlinien des Bereiches der Spannungs-Temperatur-Charakteristik-Kurven einer Vielzahl von "buried"-Zenerdioden darstellen. Die Steigung dieser Linien (α₁ und α₂) stellen die Ableitung der im vorstehenden diskutierten Spannungs-Temperatur-Beziehung dar. Eine Extrapolierung dieser Linien (und nicht gezeigter Linien für intervenierende Daten) nach der linken Seite führt zu einem Schnitt in einem gemeinsamen Bereich; zentriert um eine spezielle Spannung V_K und eine entsprechende Temperatur T_K. (Es ist anzumerken, daß für die hier dargestellten gemessenen Daten der Schnitt bei einer Temperatur liegt, der unterhalb des absoluten Null-Punktes ist, wodurch er keine physikalische Bedeutung hat, jedoch einen wesentlichen Einfluß auf das Konzept hat.) Mit einem gemeinsamen Schnittpunkt und der Gleichung der Geraden kann die Spannungs-Temperatur-Gleichung dieser als Spannungsquelle verwendeten Zenerdioden-Klasse, wie es bereits im vorstehenden angegeben wurde, wie folgt dargestellt werden:The illustration shows two straight lines Z₁ and Z₂, which represent the boundary lines of the range of the voltage-temperature characteristic curves of a variety of "buried" Zener diodes. The slope of these lines (α₁ and α₂) is the derivative of the voltage-temperature relationship discussed above. Extrapolating these lines (and lines not shown for intervening data) to the left results in a cut in a common area; centered around a special voltage V _K and a corresponding temperature T _K. (It should be noted that for the measured data shown here, the cut lies at a temperature which is below the absolute zero point, as a result of which it has no physical significance, but does have a significant influence on the concept.) With a common cut point and From the equation of the straight line, the voltage-temperature equation of this Zener diode class used as the voltage source, as already stated above, can be represented as follows:

V_dev=V_K+α(T-T_K)V _dev = V _K + α (TT _K )

wobei α jeweils die Steigung der Kurven darstellt.where α represents the slope of the curves.

Die Fig. 3 zeigt zwei zusätzliche gerade Linien J₁ und J₂, die den Bereich der Spannungs-Temperatur-Charakteristik-Kurven für die Spannung angeben, die mit der Zenerspannung kombiniert wird und die von der Kompensations-Spannungsquellen-Anordnung 24 abgeleitet wird, die einen pn-Übergang mit einem "band-gap" enthält. Diese Linien schneiden sich ebenfalls in einem gemeinsamen Bereich und der Steuerkreis der kompensierenden Spannungsquellen-Anordnung ist so aufgebaut, daß dieser gemeinsame Bereich bei einer Temperatur von T_K liegt, d. h., auf derselben vertikalen Linie, auf der der gemeinsame Bereich des Schnittes der Zener-Charakteristiken- Kurven Z₁ und Z₂ liegt. Der Steuerkreis ist weiterhin so angeordnet, daß er den gemeinsamen Schnittpunkt auf die Kompensationsspannung V_J legt, die eine derartige Größe hat, daß, wenn V_J mit V_K kombiniert wird, die zusammengesetzte Spannung gleich der spezifizierten Bezugsausgangsspannung, in diesem Fall 10 Volt, ist. Fig. 3 shows two additional straight lines J₁ and J₂, which indicate the range of voltage-temperature characteristic curves for the voltage, which is combined with the Zener voltage and which is derived from the compensation voltage source arrangement 24 , the one contains a pn junction with a "band-gap". These lines also intersect in a common area and the control circuit of the compensating voltage source arrangement is constructed such that this common area lies at a temperature of T _K , ie on the same vertical line on which the common area of the intersection of the zener Characteristic curves Z₁ and Z₂ lies. The control circuit is further arranged to place the common intersection on the compensation voltage V _J , which is of such a magnitude that when V _{J is} combined with V _K the composite voltage is equal to the specified reference output voltage, in this case 10 volts, is.

Bei der vorliegenden Anordnung bewirkt daher die Einstellung der Bezugsspannung zwecks Erhalt eines spezifizierten Ausgangswertes von 10 Volt, indem man die Steigung der Kompensations- Spannungsquellen-Linien innerhalb des Bereiches zwischen J₁ und J₂ ändert, automatisch eine endgültig eingestellte Steigung der Kurve J_N, die eine invers angepaßte, d. h., eine komplementäre Beziehung zu der Steigung der Linie Z_N der Charakteristik-Kurve der speziellen Zenerdiode ist, die die Basisquelle für die Bezugsspannung bildet. Auf diese Weise wird daher der Temperatur- Koeffizient der Bezugsspannung optimiert auf oder sehr nahe um Null, indem man die Ausgangsspannung auf den spezifizierten Wert von hier 10 Volt trimmt.In the present arrangement, therefore, the adjustment of the reference voltage to obtain a specified output value of 10 volts by changing the slope of the compensation voltage source lines within the range between J₁ and J₂, automatically causes a final slope of the curve J _N , the one inversely matched, that is, a complementary relationship to the slope of the line Z _{N of} the characteristic curve of the particular zener diode that forms the base source for the reference voltage. In this way, the temperature coefficient of the reference voltage is therefore optimized to or very close to zero by trimming the output voltage to the specified value of 10 volts here.

Wenngleich im vorliegenden ein spezifisches bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben wurde, ist es verständlich, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist, sondern daß auch andere Ausführungsformen innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind. So ist verständlich, daß die Erfindung dazu verwendet werden kann, die unterschiedlichsten Typen von Grund-Spannungsquellen zu kompensieren, und daß die Kompensationsanordnung die unterschiedlichsten Arten von Kompensations- Spannungsquellen-Anordnungen, die mit der Grundspannungsquelle arbeiten, verwenden können. Es kann weiterhin eine große Vielzahl von Steuerkreisen vorgesehen werden, um das Grundkonzept der Erfindung durchzuführen. Die im vorliegenden offenbarte Erfindung kann dabei den Fachmann zu den verschiedensten Anwendungen anregen.Although in the present a specific preferred embodiment the invention has been described in detail, it is understandable that the invention is not limited to but that other embodiments within the frame the invention are possible. So it is understandable that the invention different types can be used to compensate for basic voltage sources, and that the compensation arrangement the most diverse types of compensation Voltage source arrangements with the basic voltage source work, can use. There can still be a wide variety of control circuits are provided to the basic concept of To implement invention. The invention disclosed herein can stimulate the specialist in a wide variety of applications.

Im vorliegenden wurde eine temperaturkompensierte IC-Bezugsspannung beschrieben, die eine Zenerdiode aufweist, die als eine prinzipielle Spannungsquelle dient in Verbindung mit einer Kompensations- Spannungsquelle, mit einem Transistor, der einen in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Übergang aufweist und in Verbindung mit einem Steuerkreis. Die Kompensationsspannung wird mit der Zenerspannung aufsummiert, um so eine Bezugsspannung vorzugeben. Die Kompensationsspannungsquelle weist ein Einstellelement auf, um die Bezugs-Ausgangsspannung auf einen spezifizierten Wert zu trimmen, und der Steuerkreis arbeitet mit dem Einstellelement derart zusammen, daß er automatisch eine optimale Temperatur- Kompensation erzeugt, wenn die Bezugs-Ausgangsspannung auf den spezifizierten Wert eingestellt ist. In the present case, a temperature-compensated IC reference voltage was used described, which has a Zener diode, which as a principle voltage source serves in connection with a compensation Voltage source, with a transistor, the one in the forward direction has biased pn junction and connected with a control circuit. The compensation voltage is with the Zener voltage summed up in order to specify a reference voltage. The compensation voltage source has an adjusting element to set the reference output voltage to a specified value to trim, and the control circuit works with the adjusting element together in such a way that it automatically Compensation is generated when the reference output voltage is on the specified value is set.

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Da die Eingangsanschlüsse des Verstärkers 14 auf demselben Potential liegen, können die folgenden Gleichungen wie folgt geschrieben werden:Since the input terminals of amplifier 14 are at the same potential, the following equations can be written as follows:

Indem man in Gleichung (1A) diese Werte für V_z und R₂/R₁ einsetzt, ergibt sichBy using these values for V _z and R₂ / R₁ in equation (1A), the result is

durch Auflösen des Zählers ergibt sich:dissolving the counter results in:

so daß die Spannung eine Funktion von α ist gemäß der Beziehung:so that the voltage is a function of α according to the relationship:

V_K, T_K, σ, ε, γ=Konstante.V _K , T _K , σ, ε, γ = constant.

Indem man die Ableitungen nach α bildet, ergibt sich:By forming the derivatives according to α, we get:

Indem man die Ableitungen gleich Null setzt und die Gleichung auflöst, ergibt sich:By setting the derivatives equal to zero and the equation dissolves, the following results:

Claims

1. Arrangement for generating a temperature-compensated direct voltage with an operational amplifier, the output of which supplies the temperature-compensated direct voltage and at whose two inputs there is essentially the same potential, characterized in that
that one input ( 16 ) of the operational amplifier ( 14 ) receives a potential via a zener diode ( 10 ), and that a control circuit ( 24 ) generating a compensation voltage is arranged, which comprises the following components:
a transistor (Q1) which is connected with its collector / emitter path between the temperature-compensated direct voltage and a reference potential, and
at least one resistance adjusting element (R1, R2) connected in series with the collector / emitter path of the transistor (Q1) in order to adjust the magnitude of the current through the transistor, the base of the transistor being connected to a voltage divider ( 26, 28, 30 ) , which is operated between the temperature-compensated DC voltage and the reference potential, and
that the other input ( 22 ) of the operational amplifier ( 14 ) is connected to a circuit point which has a voltage which is controlled by the at least one resistance setting element (R1, R2) and the series-connected transistor (Q1).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that a further transistor (Q2) with its collector / emitter path is connected in series with the collector / emitter path of the first transistor (Q1), the base of which is also connected to the voltage divider ( 26, 28, 30 ) connected.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the one input ( 16 ) of the operational amplifier ( 14 ) is connected via a resistor ( 18 ) to the reference potential ( 20 ), and that the series connection of the two collector / emitter paths (Q1, Q2 ) with associated emitter resistors as resistance setting elements (R1, R2) between the temperature-compensated direct voltage and the reference potential, the other input ( 22 ) of the operational amplifier ( 14 ) with the connection point of the second emitter resistor (R2) to the collector of the first transistor ( Q1) is connected and to the series circuit of a third, fourth and fifth resistor ( 26, 28, 30 ) to form the voltage divider between the temperature-compensated direct voltage and the reference potential, the base of the second transistor (Q2) being connected to the connection point of the third to the fourth resistor and the base of the first transistor (Q1) with the connection point of the fourth is connected to the fifth resistor.