DE3001552C2 - - Google Patents
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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
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 (3)
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.
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