DE3023119A1

DE3023119A1 - Bezugsspannungsgenerator

Info

Publication number: DE3023119A1
Application number: DE19803023119
Authority: DE
Inventors: Katsumi Nagano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-06-27
Filing date: 1980-06-20
Publication date: 1981-01-08
Also published as: JPS564818A; JPS6326895B2; US4319180A; DE3023119C2

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bezugsspannungsgenerator, insbesondere auf einen Bezugsspannungsgenerator, der sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet, und der eine niedrige Bezugsspannung abgeben kann.

Auf dem Gebiet der Halbleitertechnik schreitet die Entwicklung in jüngster Zeit fort von integrierten Schaltungen über integrierte Großschaltkreise (LSI-Schaltkreise) zu integrierten Größtschaltkreisen (VLSI-Schaltkreise), bei denen eine große Anzahl von Halbleiterelementen auf einem einzelnen Chip untergebracht sind. Bei solchen integrierten Schaltungen ituiß jedes Halbleiterelement von einer Bezugs spannung mit vorgegebenem Pegel vorgespannt werden. Hierzu wurden bisher verschiedene BezugsSpannungsgeneratoren vorgeschlagen. So z. B. zeigt eine Diskussion von R. J. Widlar mit dem Titel "New Developments in IC Voltage Regulators", veröffentlicht in IEEE journal of solid-state circuits, VoI SC-6, Nr. 1, Februar 1971, eine Schaltung zum Erzeugen einer Bezugsspannung entsprechend der extrapolierten Energieband-Lücken-Spannung eines Halbleiterelements. Da der herkömmliche Bezugsspannungsgenerator eine Bezugsspannung erzeugt, deren Pegel über einem Volt liegt, sollte die Energiequelle für diese Schaltung einen

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höheren Pegel als ein Volt haben. Wenn in dem Fall, daß der herkömmliche Bezugsspannungsgenerator in einer Uhr oder einer Kamera verwendet wird, die Speisespannung sinkt, wird der Bezugsspannungsgenerator gesperrt. Dies hat zur Folge, daß, je höher der Pegel der Bezugsspannung ist, den der Bezugsspannungsgenerator erzeugen soll, desto enger der Bereich ist, in dem der Bezugsspannungsgenerator betrieben werden kann, da die Notwendigkeit besteht, eine Energiequelle zur Verfügung zu stellen, die einen höheren Spannungspegel hat. Wird eine integrierte Schaltung von einer hohen Spannung vorgespannt, so muß jedes Halbleiterelement eine höhere Durchbruchspannung haben, was zur Folge hat, daß der Größenumfang der Schaltung ansteigt und daher der Integrationsgrad abnimmt. Beim Vorspannen mit einer höheren Spannung verbraucht eine integrierte Schaltung auch mehr Leistung, und die Temperatur steigt aufgrund joulescher Wärme an. Diese unerwünschten Umstände verschlechtern die Eigenschaft der entsprechenden Halbleiter-.elemente und führen zu einer Abnahme der Zuverlässigkeit der integrierten Schaltung.

Es ist demnach ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Bezugsspannungsgenerator anzugeben, der eine ausgezeichnete Temperaturkennlinie aufweist und mit dem eine Bezugsspannung niedrigen Pegels erzeugt werden kann.

Hierzu schafft die vorliegende .Erfindung einen Bezugsspannungsgenerator, der folgende Merkmale aufweist:

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Einen ersten und zweiten Energiequellenanschluß, eine Konstantstromquelle und einen Spannungsteiler, der zwischen den ersten und zweiten Energiequellenanschluß geschaltet ist, einen ersten Transistor, dessen Basis an dem Spannungs- Teilungspunkt des Spannungsteilers, dessen Kollektor an den Verbindungspunkt zwischen der Konstantstromquelle und dem Spannungsteiler und dessen Emitter an den zweiten Energiequellenanschluß angeschlossen ist,

einen zweiten Transistor, dessen Basis an die Basis des ersten Transistors und dessen Emitter an den zweiten Energiequellenanschluß über einen Widerstand angeschlossen ist, einen dritten Transistor, dessen Basis an den Kollektor des ersten Transistors, und dessen Emitter an den Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen ist, und eine Ausgangsklemme, die an den Emitter des dritten Transistors angeschlossen ist.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsskizze eines Bezugs

spannungsgenerators nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine grafische Darstellung zum Veran

schaulichen der Eigenschaften eines in

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dem Bezugsspannungsgenerator nach Fig. 1 verwendeten Transistors.

Fig. 1 zeigt die Ausgestaltung eines Bezugsspannungsgenerators nach der vorliegenden Erfindung. Einem Energiequellenanschluß 10 wird eine Spannung +V-- eingeprägt. Der Anschluß 10 ist an eine Klemme einer Konstantstromquelle 12 angeschlossen, Deren andere Klemme ist über eine aus Widerständen 14 und 16 bestehende Serienschaltung an einen Energiequellenanschluß 18 angeschlossen. Dem Energiequellenanschluß 18 ist eine Spannung -V eingeprägt. Der Verbindungspunkt der Widerstände 14 und ist an die Basis eines NPN-Transistors 20 angeschlossen, dessen Kollektor am Verbindungspunkt zwischen der Konstantstromquelle 12 und dem Widerstand 14 liegt. Der Emitter des Transistors 12 liegt an dem Energiequellenanschluß 18. Der Verbindungspunkt der Widerstände 14 und 16 ist ferner an die Basis eines NPN-Transistors 22 angeschlossen, dessen Kollektor an den Emitter eines NPN-Transistors 24 angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors 22 liegt über einen Widerstand 26 an dem Energiequellenanschluß 18. Die Basis des Transistors 24 ist an den Kollektor des Transistors 20 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors 24 liegt an dem Energiequellenanschluß TO. Ein Ausgangsanschluß 28 steht mit dem Emitter des Transistors 24 in Verbindung.

Im folgenden soll die Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten

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Bezugsspannungsgenerators erläutert werden. Die Basis-Emitter Spannung V eines Bipolartransistors drückt sich folgendermaßen aus:

^VBE = ^Vgo ⁽¹ - ^ ^{+ V}BEO ^) ⁺ ψ ** <T"> ⁺ f

wobei:

V = die extra-polierte Energieband-Lücken-Spannung für das Halbleitermaterial beim absoluten Nullpunkt

q = Ladung eines Elektrons

η = eine Konstante, die von der Ausgestaltung des

Transistors abhängt (für IC-Transistoren etwa 1,5) k = Boltzmann-Konstante

T und

T„ = absolute Temperaturen

I^ = Kollektorstrom

I_c = Kollektorstrom bei der Temperatur T_Q = Basis-Emitter-Spannung bei T„ und I,-,-

Bei der Schaltung nach Fig. 1 soll nun angenommen werden, daß die Kollektorströme der Transistoren 20 und 24 I₁ bzw. I_r_ sind. Die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 20 und 24 werden als V__. und V₁₃^₀ bezeichnet. Dann können die Basis-Emitter-Spannungen V . und V₃ mit der obigen Gleichung (1) wie folgt ausgedrückt werden:

G 30062/0802

V = ν d - X) + ν (X) ₊ ^/n- isi BE1 go Τ_α^ BEO ¹T^ q ^ I

^VBE3 ⁼ % ⁽¹ - T^ ^{+ V}BEO ^ ⁺ f

Der dritte Term auf der rechten Seite in Gleichung (1) hat einen äußerst kleinen Wert und wurde in den Gleichungen (2) und (3) vernachlässigt.

Eine an dem Ausgangsanschluß 28 erzeugte Bezugsspannung V - kann wie folgt ausgedrückt werden:

^Vref ^{= (1 +<y) V}BE1 - ^VBE3

wobei 06 = R₁/R„ (R₁ ist der Wert des Widerstands 14, R„ ist der Wert des Widerstands 16).

Durch Substituieren der Gleichungen (2) und (3) kann die Gleichung (4) ausgedrückt werden durch folgende Beziehung:

^Vref

wobei:

f t η ψ- "(6)

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AV_n„ bezeichnet eine Differenz zwischen der.Basis-Emitter-Spannung des Transistors 12 und des Transistors 24 und besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten. Die Basis-Emitter-Spannung V besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten. Wenn daher der Koeffizient ^ in Gleichung (5) auf einen geeigneten Wert gewählt wird, dann besteht die Möglichkeit, den Temperaturkoeffizienten der Bezugsspannung V ,- auf null herabzusetzen, d. h. , die Bezugsspannung V ,_ auf einen vorgegebenen Pegel einzustellen. Um den Temperaturkoeffizienten auf null herabzusetzen, ist es angebracht, die folgende Gleichung, die durch Differenzieren der Bezugsspannung V ,-gemäß Gleichung (5) nach der Temperatur T erhalten wird, gleich null zu setzen:

^ ♦

^ I ^ _t _1n £, ₊ |_{/n (7)}

^{üi 1}O ¹O ^{q X}C0 ^{q X}C3

Unter der Annahme I₁ *= I_n besitzt β η -— einen Wert von

ei cu i_co

etwa null. Daher kann die Gleichung (7) verkürzt werden zu:

ref -. . \o ^VBEO, k _o C1
= ⁰^ (- τ ~T— ^] σ ^ ⁿ ϊ

ö j- J-Q J-Q q J-C3

Daher kann die verbleibende Bedingung, um den Temperaturkoeffizienten der Bezugsspannung V _f auf den Wert null zu
vermindern, durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

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ψ -

C3

(9)

Durch Einsetzen der Gleichung (9) kann man die Gleichung (5) wie folgt anschreiben:

^Vr_ef -*Ko ""ir' * Vo Φ j - *' <-% * ^f> =-V

(10)

Anders ausgedrückt: der Temperaturkoeffizient der Bezugsspannung Vf kann auf null herabgesetzt werden, wenn die Bezugsspannung V _f auf einen Wert eingestellt wird, der <3£ -mal größer ist als der der Energieband-Lücken-Spannung V

Im folgenden soll eine konkrete Ausführungsform eines Bezugsspannungsgenerators erläutert werden, wobei gewünscht ist, eine Bezugsspannung V - von 200 mV zu erzeugen. Fig. 2 zeigt die Eigenschaften eines NPN-Transistors, der in einem erfindungsgemäßen Bezugsspannungsgenerator verwendet wird. Unter der Annahme, daß T_Q = 298°K und I = 10 μΑ sind, zeigt Fig. 2 den Temperaturverlauf der Beziehung zwischen der Basis-Emitter-Spannung V_o„ und dem Kollektorstrom I„ eines Transistors,

JÖÜ C

wenn die Spannung V „_^ als eine Bezugs spannung genommen wird.

JBIiU

Die kleinen Kreise kennzeichnen einen tatsächlich gemessenen Wert, die schwarzen Punkte stellen einen aus Gleichung (1); errechneten Wert dar. Beim Auslegen eines Bezugsspannungsgenerators werden die verschiedenen Werte anderer Halbleiterelemente als der Transistor 20, bei dem angenommen wird, daß I_.. einen

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Wert von 50 μ,Α bei T = 298° K hat, auf der Grundlage des Transistors 20 wie folgt bestimmt. Diesmal wird die Spannung V₁ aus Gleichung (2) auf 682 mV bestimmt. Wenn der Temperaturkoeffizient der Bezugsspannung V ,- auf null herabgesetzt wird, ergibt sich aus den Gleichungen (5) und (10) folgende Beziehung:

^Vref

Unter der Voraussetzung, daß V = 1,205 V, OC = 0,166 und

V j. = 0,2 V, dann bestimmt sich AV₀₁-, zu 86,8 mV aus Gleichung ret — iJti

(11). Wenn der Wer·
wird, ergibt sich:

(11). Wenn der Wert von A> V_o„ in Gleichung (6) eingesetzt

T = T

C3 C1

ΙτΦ

(mit V = — = 25,7 mV bei T = 298°K)

I_c3 = 1,71 μΑ

Die Transistoren 20 und 22 bilden gemeinsam eine Stromspiegel schaltung. Der Kollektorstrom 1^₂ des Transistors 22 hat denselben Wert wie der Kollektorstrom I _ des Transistors 24. Ferner haben die Basisspannungen der Transistoren 20 und denselben Pegel. Daher ergibt sich die Gleichung

^VBE1 ^{= V}BE2

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'Λ -

wobei:

^VBE2 ^{= Basis}~^Emitter~^sP^annun? des Transistors R_ = Wert des Widerstands

Durch Einsetzen von Gleichung (1) schreibt sich die Gleichung (12) wie folgt:

^R3 " I^ ^(VBE1 ^VBE2)

1 kT £ η =£1

- I_c3 * q C2

I_C3 * ^VBE (13)

Werden in die obige Gleichung (13)Av_D_ = 86,8 mV und I__. =

.D-Ci L-O

1,71 μΑ eingesetzt, dann bekommt R^ einen Wert von 50,8 kQ. Wenn der konstante Strom der Konstantstromquelle 12 mit I-bezeichnet wird, ergibt sich die Gleichung:

_BE1 ¹O - ¹CI ⁼ ⁽¹⁴⁾

^R1 Wird in obige Gleichung (14) eingesetzt:^= ^- = 0,166,

^R2 I_n = 100 μΑ, I„. = 50 μΑ und V_n^... = 682 mV, dann hat der

U L. I öt I

Widerstand R₁ einen Wert von 2,26 kO, und der Wert R„ besitzt einen Wert von 13,6 k Q.

Wenn ein Bezugsspannungsgenerator wie in Fig. 1 verschaltet _9/10 030062/0802

ist, besteht die Möglichkeit, eine niedrige Bezugsspannung von 200 mV zu erzeugen.

Nachstehend werden Ergebnisse von Untersuchungen mit dem erfindungsgemäßen Bezugsspannungsgenerator erläutert.

Tabelle 1 zeigt die Änderungen der Basis-Emitter-Spannungen V-^₁ und V_n„_ der Transistoren 20 und 24, ferner die Differen zen /\V_nri zwischen den Basis-Emitter-Spannungen ν_πτ-,1 und ν_πτ,3

d. h. die Spannungsabfälle, die am Widerstand 26 auftreten. Die Untersuchungen wurden bei Normaltemperatur (298⁰K) mit 20 Proben des Transistors 20 und ferner mit 20 Proben des Transistors 24 durchgeführt.

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Tabelle 1

^VBE1 (mV)	Zahl der Proben
(I₁^₁ = 50 μΑ) Cl
670	1
676	1
680	1
681	2
682	4
683	3
684	3
685	2
686	1
690	2

^VBE3 ^(mV)	Zahl der Proben
(I = 1 ,7 μΑ) Cj
586	1 1
595	I 1
598	2
599	2
600	5
601	2
602	1
603	2
604	1
605	1 ι
608	1 · 1 !
609	ι · ■.· ! . .. ., . f

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V-

Δν_ΒΕ (mv)	Zahl der Proben
81	1
83	2
84	13
85	3
87	1

Wie man aus Tabelle 1 ersieht, weisen die Transistoren 20 und 24 ziemlich beachtliche Schwankungen in den Basis-Emitter-Spannungen auf. Die Differenz zwischen den Basis-Emitter-Spannungen V^₁-,.. und V_,„_o der getesteten Proben der Transistoren

Βλ Ι Βοΐο

20 und 24 jedoch, die im wesentlichen denselben Wert hatten. Xz. B. 84) trat bei dem größeren Teil der getesteten Proben auf.

Tabelle 2 setzt die Versuchsergebnisse der Temperaturkennlinie der Bezugsspannung V _f fort. Der Test wurde mit 8 Probeexemplaren eines Bezugsspannungsgenerators durchgeführt.

030062/080 2

ψ -

Tabelle 2

V .. (mV) ref '	(T	0 358°K)	Zahl der Proben
197 198 199 200 201			1 2 . 3 1 1
^Vref ^(mV)	(T	= 298°K)	Zahl der Proben
199 200			CN VD
^Vref ^(raV)	(T	= 233°K)	Zahl der Proben
201 202 203			2 5 1

Aus der obigen Tabelle 2 wurde bestimmt, wie die Bezugsspannung V _f mit der Temperatur schwankt. Das Ergebnis ist in Tabelle 3 niedergelegt. Wenn die Temperatur sich beispielsweise von 298°K auf 233°K änderte, wurde die prozentuale Änderung der Bezugsspannung V _f durch folgende Formel definiert:

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ref

<²³³°^K>

(298°K)

χ 100

Tabelle 3

	(298°K -*	-233°K)	Zahl der Proben	-»■ 358°K)
Prozentuale von V_ref (%)	Änderung	1	Zahl der Proben
- 0/9		2	1
- 0,7		1	1
- 0,5		1	1
- 0,3		1	1
0,0		1	2
0,1		1	1
0,5 ·
	(298⁰K
Prozentuale von V_ref <%)	Änderung
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9

1/5

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Wie man aus Tabelle 3 ersieht, sitzt die Bezugsspannung, die von den erfindungsgemäßen Schaltungen erzeugt wird, eine hervorragende Temperaturkennlinie.

In dem obigen Ausführungsbeispiel wurden NPN-Transistoren verwendet. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, PNP-Transistoren zu verwenden. In diesem Fall ist es angebracht, die Polarität der den Energiequellenanschlüssen eingeprägten Spannung umzukehren.

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Leer

Claims

BLUMBACH < XJUS^V': - Büi-c^ilN · KRAMER ZWIRNER · HOFFMANN

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patcntconsult Radeckestraße 43 8000 tviündien 60 Telefon (039) 833603/383604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsolt rilconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561993 Telex 04-186237 Telegramme PatentconsuU

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha 80/87 45

Horkawa-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, 20. Juni 1980

Japan DR/ku

Bezugsspannungsgenerator

Patentansprüche

j 1. )ßezugsspannungsgenerator,
gekennzeichnet durch

einen ersten und zweiten Energiequellenanschluß (10, 18), eine Konstantstromquelle (12), deren eine Klemme an den ersten Energiequellenanschluß (10) angeschlossen ist, einen zwischen die Konstantstromquelle (12) und den zweiten Energiequellenanschluß (18) geschalteten Spannungsteiler (14, 16),

München: R. Kramer Dipl.-Ing. ■ W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · E. Hoffmann Dipl.-Ing. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof. Dr. jur. Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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einen ersten Transistor (20), dessen Basis an den Spannungs-Teilungspunkt des Spannungsteilers (14, 16), dessen Kollektor an den Verbindungspunkt zwischen der Konstantstromquelle (12) und dem Spannungsteiler (14, 16), und dessen Emitter an den zweiten Energiequellenanschluß (18) angeschlossen ist,

einen zweiten Transistor (22) , dessen Basis an die Basis des ersten Transistors (20) angeschlossen ist, eine Widerstandsanordnung (26) , die zwischen den zweiten Transistor (22) und den zweiten Energiequellenanschluß (18) geschaltet ist,

einen dritten Transistor (24), dessen Basis an den Kollektor des ersten Transistors (20), dessen Kollektor an den ersten Energiequellenanschluß (10), und dessen Emitter an den Kollektor des zweiten Transistors (22) angeschlossen ist, und

einen Ausgangsanschluß (28) , der an den Emitter des dritten Transistors (24) angeschlossen ist.
2. Beζugsspannungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Energiequellenanschluß (10) eina positive Spannung aufgeprägt ist, daß der zweite Energiequellenanschluß (18) mit einer negativen Spannung gespeist wird, und daß der erste bis dritte Transistor NPN-Transistoren sind.

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