DE3001552C2

DE3001552C2 -

Info

Publication number: DE3001552C2
Application number: DE3001552A
Authority: DE
Inventors: Adrian Paul Burlington Mass. Us Brokaw
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 1979-01-17
Filing date: 1980-01-17
Publication date: 1989-05-11
Also published as: GB2040087B; NL8000273A; CA1142607A; FR2447059A1; JPS55102025A; JPH0261053B2; GB2040087A; DE3001552A1; US4250445A; FR2447059B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine geregelte Spannungsquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (US-PS 40 87 758 bzw. US-PS 38 87 863). 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 _BE eines Transistors Gebrauch machen. Beispielsweise wird in der US-PS 36 17 859 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 V _BE proportional ist. Diese Differenzspannungen besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten TC und ist in Reihe zu der Spannung V _BE 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 38 87 863 ist eine Referenzspannungsquelle mit drei Anschlüssen dargestellt und beschrieben worden, die eine Bandlückenzelle verwendet, welche nur zwei Transistoren benötigt. 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 Δ V _BE der beiden Transistoren wird über einem Widerstand gebildet und diese Spannung ist in Reihe zu der Spannung V _BE 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 36 17 859 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 Ausgangspannung 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 US-Z-IEEE Journal of Solid-State Circuits, Band SC-9, Nr. 6, vom Dezember 1974, erschienenen Artikel mit dem Titel "A Simple Three-Terminal IC Band-gap Reference" entnommen werden kann. Nichtsdestoweniger können geeignete Ausdrücke für die Ausgangsspannung entwickelt werden 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:

Mit Werten von m größer als 1 (eine realistische Annahme) umfaßt die Gleichung (14) einen von Null verschiedenen Temperaturkoeffizienten bei Temperaturen, die von T₀ 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.

Aus der US 40 87 758 und der US 39 76 896 sind temperaturstabilisierte Spannungsquellen bekannt, die der in der bereits beschriebenen US 38 87 863 ähnlich sind. Auch diese Spannungsquellen weisen zwei Transistoren und eine Widerstandsanordnung auf, die zwei Widerstände enthält, wovon einer zwischen den Emittern der beiden Transistoren angeordnet ist. Mit diesen Schaltanordnungen werden jedoch temperaturbedingte Änderungen zweiter Ordnung in der Spannung nicht kompensiert.

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 T₀ 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 Δ V _BE der beiden Transistoren gebildet wird. Der positive Temperaturkoeffizient TC dieses zusätzlichen Widerstands 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.

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 38 87 863 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 38 87 863 dargestellt und beschrieben ist. Es sei jedoch darauf verwiesen, daß die vorliegende Erfindung auch bei anderen Bezugsspannungsquellen, wie beispielsweise derjenigen gemäß der US-PS 36 17 859, Anwendung finden kann.

Die einzige Figur der beiliegenden Zeichnung ist identisch mit Fig. 1 der zuvor erwähnten US-PS 38 87 863 mit der Ausnahme, daß der Widerstand R₁ gemäß dem erwähnten Patent bei dem neuen Schaltkreis durch zwei getrennte Widerstände R _a und R _b ersetzt worden ist, die Charakteristiken aufweisen, welche nachfolgend noch in näheren Einzelheiten erläutert werden. Wie in dem erwähnten Patent beschrieben, wird der durch den Widerstand R₁ fließende Strom durch den Strom PTAT gebildet, der der Differenzspannung Δ V _BE 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 _BE des Transistors Q₁ geschaltet, die einen anhaftenden negativen Temperaturkoeffizienten TC besitzt. Die Ausgangsspannung V _out 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 38 87 863 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 _a und R _b verwendet wird, wobei R _b einen großen positiven Temperaturkoeffizienten und R _a den gleichen Temperaturkoeffizienten wie die ursprünglichen Widerstände R₁ und R₂ (z. B. Null) besitzt. Die Spannung über dem Widerstand R _b mit positivem Temperaturkoeffizienten, 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 _a R _b zusammengesetzt ist und R _a den gleichen Temperaturkoeffizienten wie R₂, R _b aber einen sehr großen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, kann auf folgende Gleichung Bezug genommen werden:

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

Mit R _b in dem Schaltkreis verändert sich die optimale Ausgangsspannung V₀ und führt zu einem Temperaturkoeffizienten TC von Null bei der Temperatur T₀ gemäß folgender Gleichung:

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

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:

R _b = R₀ (1 + Xt + Yt ²) (5)

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

und

Es hat sich herausgestellt, daß bei bestimmten kommerziellen Standardprozessen X einen Wert von ungefähr 1,65×10^-3 und Y einen Wert von ungefähr 5,36×10^-6 aufweist. Dünnfilm-Widerstandsmaterial führt 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 vernachlässigt werden, so daß sich die Gleichungen (1) und (2) folgendermaßen darstellen:

und

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

R _b= 54 Ohm
V₀= 1,2174 V

Durch Vorgabe eines positiven Temperaturkoeffizienten TC erster Ordnung für den Widerstand R _b kann eine Kompensation zweiter Ordnung gebildet werden, da der durch den Widerstand R _b 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 _a, der zwei in Reihe geschaltete Widerstände R _a und R _b umfaßt, wobei R _a den gleichen Temperaturkoeffizienten TC wie der Widerstand R₂ aufweist, und der Widerstand R _b 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 eine Widerstand mit einem Temperaturkoeffizienten fließt, der positiver als derjenige der anderen spannungsbildenden Widerstände in dem Schaltkreis ist. Ein solcher Aufbau führt zu einer Temperaturkorrektur höherer Ordnung, wodurch eine genauere Spannungsbezugsquelle gebildet wird.

Claims

1. Geregelte transistorisierte Festkörperspannungsquelle mit zwei mit unterschiedlichen Stromstärken zwischen den beiden Polen einer Spannungsquelle betriebenen Transistoren und mit einer Widerstandsanordnung, die einen einen Strom mit positiven Temperaturkoeffizienten führenden Widerstand zwischen den Emittern der beiden Transistoren und einen Widerstand R _a aufweist, der wenigstens einen Teil dieses Stromes führt und eine Spannung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten zur Kompensation eines negativen Temperaturkoeffizienten der Basis/Emitter-Spannung eines dieser Transistoren erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsanordnung einen in Reihe mit dem Widerstand R _a geschalteten Widerstand R _b aufweist, wobei der Widerstand R _b einen bedeutend positiveren Temperaturkoeffizienten als der Widerstand R _a aufweist.

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

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