DE3001552A1

DE3001552A1 - Geregelte spannungsquelle

Info

Publication number: DE3001552A1
Application number: DE19803001552
Authority: DE
Inventors: Adrian Paul Brokaw
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 1979-01-17
Filing date: 1980-01-17
Publication date: 1980-07-31
Also published as: CA1142607A; DE3001552C2; GB2040087A; NL8000273A; FR2447059B1; US4250445A; GB2040087B; FR2447059A1; JPS55102025A; JPH0261053B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine geregelte Spannungsquelle nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Festkörper-Spannungsquellen in integrierter Schaltkreistechnik mit Bandlückenverhalten (band-gap), die eine Ausgangsspannung liefern, welche im wesentlichen bei Temperaturänderungen konstant bleibt. Derartige Referenzspannungsquellen sind mit einer Temperaturkompensationseinrichtung versehen, um Änderungen in der Ausgangsspannung bei Temperaturänderungen auf einem Minimum zu halten.

Integrierte Festkörper-Referenzspannungsquellen sind entwickelt worden, die von einer bestimmten temperaturabhängigen Charakteristik der Basis/Emitter-Spannung V„_E eines Transistors Gebrauch machen. Beispielsweise wird in der US-PS 3 617 859 eine integrierte Referenzspannungsquelle beschrieben, bei welcher ein als Diode betriebener Transistor und ein zweiter Transistor mit unterschiedlichen Stromstärken betrieben werden, um eine Spannung über einem Widerstand zu bilden, die der Differenz der entsprechenden Basis/Emitter-Spannungen Δ Vg_E proportional ist. Diese Differenzspannung besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten TC und ist in Reihe zu der Spannung V_ßE eines dritten Transistors geschaltet. Die letztere Spannung besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten, der dem positiven Temperaturkoeffizienten der ersten Spannung entgegenwirkt, um eine zusammengesetzte Spannung mit einem relativ niedrigen Temperaturkoeffizienten zu erzeugen, die als Ausgangsspannung der Referenzspannungsquelle dient.

In der US-PS 3 887 863 ist eine Referenzspannungsquelle mit drei Anschlüssen dargestellt und beschrieben worden, die eine Bandlückenzelle verwendet, welche nur zwei Transistoren be-

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nötigt. Diese Transistoren besitzen einen gemeinsamen Basisanschluß und das Verhältnis der Stromstärken der beiden Transistoren wird automatisch durch einen Operationsverstärker auf einem gewünschten Wert gehalten, der die Kollektorströme der beiden Transistoren erfaßt. Eine Spannung entsprechend der Differenz der Basis/Emitter-Spannungen Λ γ der beiden Transistoren wird über einem Widerstand gebildet und diese Spannung ist in Reihe zu der Spannung V-gg eines der beiden Transistoren geschaltet, was zu einer zusammengesetzten Ausgangsspannung mit einem sehr geringen Temperaturkoeffizienten führt.

Die mathematischen Beziehungen im Hinblick auf die temperaturabhängige Spannungsänderung in Bandlückenanordnungen werden im allgemeinen für die Zwecke einer Analyse vereinfacht, indem bestimmte Ausdrücke der Grundgleichung unterdrückt werden, die für sekundäre, nicht bedeutende Effekte stehen. Beispielsweise wird in der vorstehend erwähnten US-PS 3 617 859 in Spalte 4, Zeile 6, erläutert, daß die letzten beiden Ausdrücke der vorgegebenen Gleichung gestrichen werden, da sie als unbedeutend erachtet werden. Obgleich die Auswirkungen solcher sekundärer Ausdrücke geringfügig sind, sind sie jedoch tatsächlich vorhanden und können in bestimmten Anwendungsfällen von Bedeutung sein. Es ist daher wünschenswert, Mittel vorzusehen, um Veränderungen in der Ausgangsspannung aufgrund solcher sekundärer und gegenwärtig unkompensierter Effekte zu vermeiden.

Die mathematische Analyse des Problemes bei Aufrechterhaltung der gemeinhin unterdrückten Ausdrücke ist etwas verwickelt, wie dies aus dem in dem IEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-9, Nr. 6, vom Dezember 1974, erschienenen Artikel mit dem

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Titel "A Simple Three-Terminal IC Band-gap Reference" entnommen werden kann. Nichtsdestoweniger können geeignete Ausdrücke für die Aus gangs spannung entwickelt v/erden und die ersten und zweiten Ableitungen derselben im Hinblick auf die Temperatur können durch die nachstehenden, diesem Artikel entnommenen Gleichungen 12 bis 14 dargestellt werden:

^{E v +} (^V - V ^{+ (ffl}-¹⁾

i - Έ- <^VBEo - V ⁺ <^Ρ1

₊ ^ ^R1 k ^±

T + (m - 1) § in η£ - 1 (13)

Mit Werten von m größer als 1 (eine realistische Annahme) umfaßt die Gleichung (14) einen von Null verschiedenen Temperaturkoeffizienten bei Temperaturen, die von T verschieden sind. Es geht jedoch aus den vorstehenden Betrachtungen klar hervor, daß die Ausgangsspannung mit der Temperatur in einer solchen Weise variiert, daß eine exakte Kompensation für eine solche Variation einen sehr aufwendigen Schaltkreis erfordert, der für die meisten Anwendungsfälle zu kostspielig ist.

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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bezugsspannungsquelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Kompensation für die ihr anhaftende Temperaturcharakteristik aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Es ist festgestellt worden, daß die endgültige Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur unter Einschluß der zuvor erwähnten sekundären Effekte in erster Näherung eine parabolische Form um die Nenntemperatur T aufweist. Es ist ferner gefunden worden, daß eine sehr gute Kompensation für die Effekte der zweiten Ordnung durch eine sehr einfache Änderung des Grundschaltkreises erzielt werden kann. Insbesondere hat es sich herausgestellt, daß das Problem im wesentlichen gelöst werden kann, indem in der Bandlückenzelle ein zusätzlicher Widerstand vorgesehen wird, der einen positiveren Temperaturkoeffizienten als der erste Widerstand aufweist, welcher gewöhnlicherweise einen Temperaturkoeffizienten TC von etwa Null besitzt. Dieser zusätzliche Widerstand ist in Reihe zu dem bereits vorgesehenen Widerstand geschaltet, der den Strom PTAT aufnimmt, d.h. den Strom, der aufgrund der Spannungsdifferenz AVgg der beiden Transistoren gebildet wird. Der positive Temperaturkoeffizient TC dieses zusätzlichen Widerstandes erzeugt zusammen mit dem durch ihn hindurchfließenden Strom PTAT eine Spannung, wobei die Gleichung für diese Spannung einen parabolischen Ausdruck enthält. Die Schaltkreiselemente können so angeordnet werden, daß die zusätzliche Spannungskomponente,die auf diesen parabolischen Ausdruck zurückzuführen ist, im wesentlichen den Veränderungen der zweiten Ordnung der Spannung entgegenwirkt, die durch den zuvor beschriebenen Grundschaltkreis erzeugt wird.

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Bei der Ausführung der Erfindung wird in einem ersten Ausführungsbeispiel eine erste Spannung über einem ersten Widerstand gebildet, indem ein der Temperatur proportionaler Strom über den ersten Widerstand fließt. Eine zweite Spannung wird über einem zweiten Widerstand gebildet, der einen positiveren Temperaturkoeffizienten als der erste Widerstand aufweist, indem ein der Temperatur proportionaler Strom durch diesen Widerstand hindurchfließt. Diese ersten und zweiten Spannungen werden additiv an die Spannung V_BE eines Transistors angeschlossen, um den negativen Temperaturkoeffizienten der Emitter/Basis-Spannung dieses Transistors in die sich ergebende zusammengesetzte Spannung einzuführen. Die endgültige Ausgangsspannung bildet eine gute Kompensation für die Effekte zweiter Ordnung, die, wie zuvor beschrieben, durch den Grund-Kompensationsschaltkreis nicht korrigiert werden.

Die einzige Zeichnung der vorliegenden Anmeldung zeigt ein Schaltkreisdiagramm einer Bandlückenzelle, wie sie in der zuvor erwähnten US-PS 3 887 863 beschrieben ist und die eine Modifikation aufweist, um eine weitere Temperaturkompensation in Übereinstimmung mit der Erfindung zu erzielen.

Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung werden anhand einer Bandlückenzelle beschrieben, wie sie in der US-PS 3 887 863 dargestellt und beschrieben ist. Es sei jedoch darauf verwiesen, daß die vorliegende Erfindung auch bei anderen Bezugsspannungsquellen, wie beispielsweise derjenigen gemäß der US-PS 3 617 859, Anwendung finden kann.

Die einzige Figur der beiliegenden Zeichnung ist identisch mit Fig. 1 der zuvor erwähnten US-PS 3 887 863 mit der Ausnahme, daß der Widerstand R^ gemäß dem erwähnten Patent bei dem neuen

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Schaltkreis durch zwei getrennte Widerstände R_a und R^ ersetzt worden ist, die Charakteristiken aufweisen, welche nachfolgend noch in näheren Einzelheiten erläutert werden. ¥ie in dem erwähnten Patent beschrieben, wird der durch den Widerstand R₁ fließende Strom durch den Strom PTAT gebildet, der der Differenzspannung ΔΥ_ΒΕ der Transistoren Q₁ und Q₂ proportional ist, wodurch über dem Widerstand R₁ eine Spannung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten TC gebildet wird. Diese Spannung ist in Reihe zu der Spannung V-g- des Transistors GL geschaltet, die einen anhaftenden negativen Temperaturkoeffizienten TC besitzt. Die Ausgangsspannung V . an der Basis des Transistors Q₁ umfaßt somit Komponenten mit positivem und negativem Temperaturkoeffizienten, die einander entgegenwirken, um temperaturabhängige Veränderungen der Spannung auf einem Minimum zu halten.

Die Schaltkreisanordnung mit dem Widerstand R₁ gemäß der zuvor erwähnten US-PS 3 887 863 eliminiert nahezu jede Veränderung in der Ausgangsspannung aufgrund von Temperaturänderungen. Es verbleiben jedoch geringe Änderungen in der Ausgangsspannung aufgrund sekundärer Effekte, die normalerweise bei der üblichen Analyse des Schaltkreises vernachlässigt werden. Diese geringen Änderungen sind auf eine angenähert parabolische Funktion um die Nenn-Betriebstemperatur des Schaltkreises zurückzuführen. Es hat sich herausgestellt, daß diese sekundären Effekte effektiv kompensiert werden können, indem für den Widerstand R₁ ein Paar von in Reihe' geschalteten Widerständen R„ und R-, verwendet

CL D

wird, wobei R, einen großen positiven Temperaturkoeffizienten und R den gleichen Temperaturkoeffizienten wie die Ursprung-

liehen Widerstände R₁ und R₂ (z.B. Null) besitzt. Die Spannung über dem Widerstand R, mit positivem Temperaturkoeffizienten,

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wobei durch diesen Widerstand der Strom PTAT fließt, enthält einen parabolischen Ausdruck und die Spannungskomponente entsprechend diesem Ausdruck kann so bemessen werden, daß sie die anhaftende parabolische Veränderung der Spannung der zuvor beschriebenen Bandlückenzelle kompensiert, was zu einer nahezu perfekten Referenzspannungsquelle mit einem Temperaturkoeffizienten von Null führt.

Um diese Betrachtungen in näheren Einzelheiten zu erläutern, wobei der Widerstand R₁ aus den beiden Widerstandsabschnitten R und R, zusammengesetzt ist und R den gleichen Temperaturkoeffizienten wie R₂, R-j^ aber einen sehr großen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, kann auf folgende Gleichung Bezug genommen werden:

(m-1)

^dR

wobei A das Flächenverhältnis (oder das Stromstärkenverhältnis) der beiden Transistoren vorgibt und m und T die übliche Bedeur tung besitzen.

Mit R^ in dem Schaltkreis verändert sich die optimale Ausgangsspannung V und führt zu einem Temperaturkoeffizienten TC von Null bei der Temperatur T gemäß folgender Gleichung:

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- ίο -

^Λ -

d²R_b T² d² dT^{2 R}2 dT

2+

T dR, T

dT R₂" dT~ / (2)

Unter Vernachlässigung des Temperaturkoeffizienten TC von R₂ und mit R,.PTAT (beispielsweise ein Aluminiumwiderstand) führt die Gleichung (1) zu:

(m-1) R₂ '

^Rb =

und Gleichung (2) führt zu:

Ein Aluminiumwiderstand kann für die meisten praktischen Anwendungsfälle zu groß sein. Wenn ein eindiffundierter Widerstand benutzt wird, so weist sein Widerstand über der Temperatur folgende Funktion auf:

^Rb ^{= R}o ^{(1 + xt + Yt2) (5)}

wobei t die Temperatur in bezug auf 25⁰C darstellt. Infolge der Definition der Funktion bei 25°C können die relativen Ableitungen bei dieser Temperatur ermittelt werden. Diese ergeben sich zu:

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d~T~ ^{= X}

1 d^2Rb ^
^b

Es hat sich herausgestellt, daß bei bestimmten kommerziellen Standardprozessen X einen Wert von ungefähr 1,65 x 10 und Y einen Wert von ungefähr 5,36 χ 10" aufweist.Dünnfilm-Widerstandsmaterial ^ührt zu einem X-Wert, der mehr als 30mal kleiner ist. Da die Korrektur im besten Fall eine Annäherung zweiter Ordnung ist, können die Temperaturkoeffizienten von Dünnfilm-Widerständen vernachlässxgt werden, so daß sich die Gleichungen (1) und (2) folgendermaßen darstellen:

^Rb " "2Ί3ΪΑ" C 1,93537?; (8)

V₀ = V_G0 + ψ (m-1) (0,602623) (9)

Unter Verwendung von m = 1,8, A = 6,76, R₂ = 500 Ohm und T = 298° ergibt sich:

R^ = 54 0hm
V_n = 1,2174 V

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Durch Vorgabe eines positiven Temperaturkoeffizienten TC erster Ordnung für den Widerstand R^ kann eine Kompensation zweiter Ordnung gebildet werden, da der durch den Widerstand R, fließende Strom einen positiven Temperaturkoeffizienten TC erster Ordnung besitzt. In gleicher Weise kann eine Kompensation dritter Ordnung bewirkt werden, indem ein Widerstand mit einem Temperaturkoeffizienten TC zweiter Ordnung verwendet wird, wenn dies bei einer vorgegebenen Anforderung geeignet erscheint.

Das beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet einen Widerstand R . der zwei in Reihe geschaltete Widerstände R und

Rv₁ umfaßt, wobei R den gleichen Temperaturkoeffizienten TC υ a

wie der Widerstand R₂ aufweist,und der Widerstand R^ einen bedeutend positiveren Temperaturkoeffizienten TC als R_a und R₂ besitzt. Es können noch weitere Konfigurationen verwendet werden, wobei es in erster Linie von Bedeutung ist, daß die Ausgangsspannung eine Korrekturkomponente besitzt, die dadurch gebildet wird, daß ein Strom mit positivem Temperaturkoeffizienten durch einen Widerstand mit einem Temperaturkoeffizienten fließt, der positiver als derjenige der anderen spannungsbildenden Wider stände in dem Schaltkreis ist. Ein solcher Aufbau führt zu einer Temperaturkorrektur höherer Ordnung, wodurch eine genauere Spannungsbezugsquelle gebildet wird.

Obgleich ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung vorstehend in näheren Einzelheiten beschrieben worden ist, sei betont, daß dies nur zum Zwecke der Darstellung der Erfindung geschah und nicht notwendigerweise als einschränkend anzusehen ist. Verschiedene Modifikationen können durch den Fachmann im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden, um eine Anpassung an die Erfordernisse bestimmter Anwendungsfälle zu treffen.

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Claims

-ί BUf Her wv.,.:,„e..oIS:;o.c.i-. 2/ - Tel. 617079 16. Januar 1980 GzH/Ra. Analog Devices, Inc., Norwood, Mass. 02062 / USA Geregelte Spannungsquelle Patentansprüche

1./Geregelte Festkörper-Spannungsquelle mit ersten und zweiten ^—' Transistoren, (Se mit verschiedenen Stromstärken betrieben werden und mit einem zugeordneten Schaltkreis verbunden sind, um einen Strom mit positivem Temperaturkoeffizienten zu bilden, der der Differenz der entsprechenden Basis/Emitter-Spannungen dieser Transistoren proportional ist, wobei der Strom über wenigstens einen Widerstand fließt, um eine entsprechende Spannung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten zu bilden, mit Mitteln, um die Spannung mit positiven Temperaturkoeffizienten mit einer Spannung mit negativen Temperaturkoeffizienten zu kombinieren, die von der Basis/Emitter-Spannung eines Transistors hergeleitet wird, um eine zusammengesetzte temperaturkompensierte Ausgangsspannung zu bilden, gekennzeichnet durch einen weiteren Widerstand in dem zugeordneten Schaltkreis, der zu dem einen Widerstand in Reihe geschaltet ist, um eine zusätzliche Spannung zu erzeugen, die mit der Spannung mit negativem Temperaturkoeffizienten zur Erzeugung der zusammengesetzten Ausgangsspannung kombiniert wird;

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wobei der zusätzliche Widerstand einen positiveren Temperaturkoeffizienten als der eine Widerstand aufweist.

2. Spannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Widerstand einen großen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.

3. Spannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten mit Komponenten sowohl erster als auch zweiter Ordnung aufweist.

4. Geregelte Festkörper-Spannungsquelle mit ersten und zweiten Transistoren, mit einer ersten Widerstandsanordnung zwischen dem Emitter des ersten Transistors und einer Bezugsspannungsleitung, mit einer zweiten Widerstandsanordnung zwischen den Emittern der Transistoren und mit einer Steuereinrichtung zur Bildung eines vorbestimmten von Eins abweichenden Verhältnisses der Stromstärken für die durch die Emitter der zwei Transistoren verlaufenden Ströme, wobei der durch die erste Widerstandsanordnung fließende Strom einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und eine entsprechende Spannung über der ersten Widerstandsanordnung in Reihe zu der Basis/Emitter-Spannung des ersten Transistors erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Widerstandsanordnung einen positiven Nutz-Temperaturkoeffizienten besitzt.

5. Spannungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Widerstandsanordnung erste und zweite Widerstände umfaßt, wobei einer einen Temperaturkoeffizienten besitzt, der positiver als der des anderen Widerstandes ist.

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