DE3213502A1

DE3213502A1 - Temperaturkompensierter bezugsspannungsschaltkreis

Info

Publication number: DE3213502A1
Application number: DE19823213502
Authority: DE
Inventors: James R. 95014 Cupertino Calif. Kuo
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1982-04-10
Publication date: 1983-01-20
Also published as: FR2525364A1; GB2096803B; GB2096803A; US4368420A; CA1182167A; JPS581216A

Description

Die'Erfindung bezieht sich auf einen temperaturkompensierten Bezugssoannunqsschaltkreis und auf seine Anwendung bei einer Schaltung für die Steuerung von Versorgungsspannungen einer Belastung.

Eine Anzahl von Schaltkreisen ist bekannt,·mittels denen vorgegebene Bezugsspannungen bereitgestellt werden können. In der bekannten Diodonabfall-Bezugsspannungsschaltung werden beispei]awoise zwei in Serie geschaltete Dioden vorgesehen, um eine vorgegebene Bezugsspannung zu etablieren, doch ist diese» Bezugsspannung nicht temperaturkomensiert. Insbesondere im Falle von integrierten Schaltkreisen, die dazu dienen, Versorgungsleistungen für eine Belastung bereitzustellen, ändern sich die Betriebstemperaturen de.*; Schaltkreises während dessen Benutzung. In solchon Schal Ikrcisen ist es besonders wich-ILg, daß kritisch·» licxijqNNiMmiuriqen tciripcw.if-.urkompcnniert werden.

in Erkenntnis der Notwendigkeit für temperaturkomoensierte Bezugsspannungsschaltkreise stellt der.Widlar-Bandlücken-Bezugsspannungsschaltkreis eine temperaturkompensiert.e Referenzspannung bei der Siliziumbandlückenspannung von 1.31 Volt bereit. Der Widlar-Schaltkreis

ist beispielsweise beschrieben in Widlar, "New Developments in IG Voltage Regulators", TPJEE Journal of Solid State Circuits, Februar 1971, Band SC-b, Nr. 1, Seiten 2 bis 7. Der Widlar-Bandlücken-Bezugsspannungsschaltkreis ist jedoch frequenzempfindlich. Infolgedessen ist es erforderlich, einen ziemlich großen Metalloxid-Halbleiter-Kondensator (MOS-Kondensator) in dem Widlar-Schaltkreis vorzusehen, um eine Kompensation für unterschiedliche Frequenzen zu erzielen, die während der Benutzung des Schaltkreises auftreten können.

Ein besonders schwieriger Anwendungsfall für einen integrierten Schaltkreis,der Leistungssignale zu einer Last übertragen übertragen muß, liegt bei Treiberschaltkreisen für Thermodruckkopfelemente vor. Solche Thermodruckkopfelemente müssen jeweils schnell und in identischer Weise arbeiten, damit gleichförmige Zeichen mit akzeptabler Geschwindigkeit ausgedruckt werden. Demgemäß müssen Steuerschaltkreise für den Betrieb von Leistungstransistoren in derartigen integrierten Schaltkreisen ihre Steuersignale in gleichförmiger Weise liefern, unabhängig von Temperatur- und Signalfrequenzänderungen bei dem Einsatz der Schaltkreise. Zwar ist die Auslegung von Steuerschaltkreisen für solche Leistungstransistorsysteme eine hoch entwickelte Technik, doch besteht immer noch ein Bedürfnis für weitere Verbesserungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen temperaturkompensierten Bezugsspannungsschaltkreis zu schaffen, der frequenzunabhängig ist, ohne Anwendung der. Frequenzkompensation.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demgemäß umfaßt der Schaltkreis einen ersten Transistor mit einem positiven Stromtemperaturkoeffizienten, Mittel zum Einspeisen eines vorgegebenen

Stromes in diesen mit einem positiven Temperaturkoeffizienten behafteten Transistor, einen Transistor mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Basis Emitterspannung, und ein erstes Widerstandselement mit einem vorgegebenen Widerstandswert in Serienschaltung mit den Transistoren, wobei die temperaturkompensierte Bezugsspannung zwischen den Transistoren aufgebaut wird.

Die Unteransprüche definieren zweckmäßige Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung.

Nachstehend soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines integrierten Schaltkreises gemäß der Erfindung, Fig. 2 ist da« Schaltschema einer Ausführungs

form der Erfindung, verwirklicht in dem integrierten Schaltkreis nach Fig. 1,

Fig. 3 ist ein Wellenformdiagramm, das der Er-' läuterung der Betriebsweise der Schaltung ■ nach Fig. 2 dienen soll, und

Fig. 4 ist ein Schaltschema einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

in Fig. 1 ist ein üJockdiagramm eines integrierten Schaltkreises gemäß der Erfindung, zur Ansteuerung eines Thermodruckkopfes dargestellt. Ein +VCC Versorgungsabfühlverstärkerkreis 10 gemäß der Erfindung weist Ausgänge auf, die über Leitungen 12, 14 und 16 und 18 an Multiplex-Gatter 20, 6-Bit Speicherregister 22 und 6-Bit Seriell-Ein/Parallelausgangsschieberegister 24 angeschlossen ist.

Die Leitungen 26 verbinden das 6-Bit Speicherregister mit den Multiplexgatiern 20. Leitungen 28 verbinden das

6-Bit Speicherregister 22 mit dem 6-Bit Schieberegister 24. i)ie Leitungen 30 vorbinden die Multiplexgatter 20 mit offene Kollektoren aufweinenden Darlington Paar-Treibertransistoren 32 füi Thermodruckkopfelemente (nicht dargestellt), die als Belastung an die Darlington Paar-Transistoren 32 angeschlossen sind. Ein Dekoder 34 ist über Leitungen 36 mit den Mulitplex-Gattern 20 verbunden. Eingänge zu dem Dekoder 34 werden über Leitungen 38, 40 und 42 eingespeist. Ein Transferentsperreingang gelangt an das 6-Bit Speicherregister 22 über Leitung 44. Takt- und D.iteneingänqc werden auf Leitungen 46 bzw. 48 dem 6-Bit Seriell-Kin/Para1IoUiusganqsschioberegister 24 zugeführt. Zusätzlich zu den Parallelausgängen auf Leitungen 28 von dem Schieberegister 24 wird auch ein serieller Ausgang auf Leitung 50 dem Puffer 52 zugeführt für die Ausgangsübertragung des integrierten Schaltkreises auf Leitung 54.

Im Betrieb liefern die Darlington Paar-Ausgangstransistoren 32 Treibersigneile zu den Thermodruckkopfelementen, und soweit κ le durch den Dekoder 34 und die Multiplexgatter ausgewählt worden sind, und wenn die +VCC Versorqungsspannung oberhalb eines vorbestimmten Pegels liegt., festgestellt durch den Verst.'irkerkreis 10. Weitere Einzelheiten eines integrierten Schaltkreises mit dem Blockdiagramm nach Fig. 1 bilden den Gegenstand von parallelen Patentanmeldungen, so daß insoweit auf jene verwiesen werden darf.

Fig. 2 zeigt das Schaltschema des Abfühlverstärkerkreises 10 aus Fig. 1. Der Abfühlverstärkerkreis 10 umfaßt einen temperaturkompensierten Bezugsspannungskreis, der eine Bexugsspannung Vrei an der Basiselektrode des Transistors Qs7 bereitstellt. Die mit der Bezugsspannung Vref zu vergleichende Spannung wird an die Basiselektrode

des Transistors Qs6 geliefert. Wenn diese Basiselektrodenspannung niedriger als Vref ist, schaltet Transistor Qs7 durch und Qs6 sperrt. Man entnimmt der Ausführungsform nach Fig. 2, daß on sich hier um oinen Si liziumbandlückenspannungsbezugskieis handelt, d.h. daß Vref gleich 1,31 Volt ist. Abweichend jedoch von dem Windlar Bandlückenspannungsbezugskreis ist kein Kondensator für die Frequenzkombination erforderlich. Aus der nachfolgenden Erläuterung ergibt sich, daß Vref im wesentlichen beliebig bei einem etwas niedrigeren Wert als +VCC gewählt werden kann, daß jedoch bestimmte Vorteile darin liegen, qesehen von dem Standpunkt der Halbleiterphysik, wenn die Siliziumbandlückenspannung von 1,31 Volt verwendet wird.

Vref wird bereitgestellt durch Strom Ir durch die Strecke umfassend den Transistor Qsp3, Leitung 60, Widerstand Rs10 und Transistor Qs9 nach Masse über Leitung 62. Der Transistor Qsp3 hat einen positiven Stromtemperaturkoeffizienten. Der Transistor Qs9 hat einen negativen Temperaturkoeffizienten der Basisemitterspannung Vbe, erzielt dadurch, daß Qs9 als vertikaler NPN Transistor ausgebildet wird. Die Transistoren Qsp1 und Qsp2 sind seitliche PNP Transistoren, die jeweils identische Konfiguration wLe Trans i :*. I or o»p 3 aufweisen.

Die Transistoren Qs10 und Qs12 besitzen beide einen positiven Stromtemperaturkoeffizienten. Der Strom durch den Transistor Qs10 wird durch Qsp3 gespiegelt. Die Zufuhr des gespiegelten Stromes über Widerstand Rs10 bewirkt einen Spannungsabfall mit positiven Temperaturkoeffizienten. Dieser positive Spannungsabfall kompensiert den negativen Temperaturkoeffizienton von Vbe des Transistors Qs9.

Der Transistor Qs13 wird verwendet, um den Verstärker 10 zu starten. Wenn +VCC einen Schwellenpegel erreicht, der

das Dreifache von Vbe des Transistors Qs13 beträgt (das gilt für die dargestellte Schaltungsanordnung), dann leitet der Transistor. Der Transistor Qs13 liefert dann den Anlaufstrom für den Transistor Qs11, so daß die Stromflußstrecke einschließlich Transistor Qsp1, Leitung 64, Widerstand Rs12, Leitung 66, Transistor Qs12, Leitung 68 und Leitung 62 zu Masse den Endstrom von 0,15 mA führt. Dies resultiert in einem hinreichenden Spannungsabfall über Widerstand Rs12, um den Transistor Qs13 abzuschalten, weil die Basis des Transistors Qs13 bei 2,2 Volt mittels Schottky-Dioden 63 und 6 5 sowie Dioden Qds1 und Qds2 geklemmt liegt.

Die Emitterbreite des Tm ns is tors QsiO beträgt das Zweifache der Emitterbreite von Transistor Qs12. Da die Transistoren Qsp1 und Qsp2 identische Geometrien aufweisen, sind ihre Kollektorströme gleich, und die Emitterströme der Transistoren Qs10 und Qs12 sind ebenfalls gleich. Demgemäß beträgt die Stromdichte des Transistors Qs12 das Zweifache der des Transistors Qs10. Der Strom über die Strecke, bestehend aus Transistor Qsp2, Leitung 70, Transistor Qs11, Leitung 72, Transistor Qs10, Leitung 74, Widerstand Rs11 und Leitung 76 ist gleich dom Strom Ir in der Stromflußstrecke mit Transistoren Qsp3 und Qs9. Beide Ströme sind gleich kTln2/qRs11, worin k die Boltzmann¹sehe Konstante ist, T die absolute Temperatur und q die Elementarladung eines Elektrons. Domgemäß gilt Vref = Ir Rs10 + Vbe von Qs9 = RsK) . JcT . In2 + Vbο von Qs9. Der Stromfluß durch

Rs11 q

Widerstand Rs11 wird demgemäß dupliziert durch Widerstand Rs10. Im Ergebnis kann Vref auf die Handlückenspannung von 1,31 Volt gesetzt werden, indem man Rs10

Rs 11

entsprechend richtig boinißt.

KIg. 3 ist (.«in Wc I 1euformdiagramm für die Erläuterung des Betriebes und des Zeitablaufs während des Betriebes für den Abfühlverstärkerschaltkreis 10 nach Fig. 2. Bevor +VCC 4,2 Volt erreicht, wie bei 100 in der +VCC Kurve 101 in Fig. 3 erkennbar, sind die Transistoren Qsc und Qs1, Qs2, Qs3 und Qs4 gesättigt, wie bei 102 in der Wellenform 103 der Spannungen Vsc, Vs1, Vs2, Vs3 und Vs4 angedeutet ist, welche jeweils die Spannungen an den Klommen 104, 106, 108, 110 und 112 in Fig. 2 darshellen. Wenn +VCC 4,2 Volt erreicht, wird ein Spannungspogel von 1,31 Volt bei 121 zwischen den Widerstunden HsI¹S und Rs 16 erzeugt. Der Transistor Qs6 schaltei durch und verursacht Stromfluß in der Strecke, welche cien Widerstand Rs9, Leitung 114, Transistor Qs6, Leitung 116, Transistor Qs8 und Leitung 118 zu Masse umfaßt. Im Ergebnis wird der Transistor Qsp4 durchgeschaltet zum Erzeugen eines Stromflusses in Leitung 120, womit wiederum Transistor Qs5 eingeschaltet wird. Wenn Transistor Qs5 Sättigung erreicht, werden die Transistoren Qsc und Qs1, Qs2, Qs3 und Qs4 gesperrt, welche, wenn sie durchschalten, die Druckkopftreiberleistung sperren. Die Widerstände Rs17, Rs18 und Rs19 bauen richtige Spannungspegel an den BasisanuchliUsscn der Transistoren Qs5, Qsö,' Qs1, Qs2, Qs3 und Qs4 auf für den Betrieb, wie er oben geschildert wurde.

Die Wellenformen 122 und 124 zeigen die Spannungen an den Basisanschlüssen der Transistoren Qs6 bzw. Qs7 während des Betriebes der Schaltung.

Der Versorgungsspannungsabfühlverstärkerkreis nach BO Fig. 2 kann neben seiner Vorwendung für die Ansteuerung eines Systems 32 von Darlington Paar-Leistungstransistoren (Fig. 1) zum Ansteueren eines Thermodruckkopfes auch in

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~ M-

MOS-Schaltungen oder ladungsgekoppelten Schaltungen (CCD) für Speicherzwecke verwendet werden, um einen Transistor-Transistor-Logik-Kreis (TTJi) zu sperren, oder um andere Treiberstufen hinsichtlich einer Leistungsversorgung zu entsperren, womit man eine Einsparung an Leistung erzielen kann.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung, wobei der temperaturkompensierte Bezugsspannungskreis gemäß der Erfindung in einem programmierbaren Bezugsspannungskrois 200 verwirklicht wird. Die Elemente in dem linken Toil 202 dieses Schaltkreises sind identisch mit den entsprechenden Elementen der Schaltung nach Fig. 2 und deshalb werden auch dieselben Bezugszeichen verwendet. Sie arbeiten auch in derselben Weise wie die entsprechenden Elemente in Fig. 2, und deshalb braucht die Betriebsweise hier nicht nochmals erläutert zu werden. Die Transistoren Qsp5 bzw. Qsp6 sind zu den oben bereits erläuterten Transistoren Qs7 bzw. Qs6 hinzugefügt worden. Der Kondensator C1 verbindet den Kollektor und die Basis des Transistors Q£j6 . Darlington Paar-Transistoren Qs14 und Qs15 sind zwischen die +VCC Versorgung?;spannung und Mai;se geschaltet mittels Leitungen 204, 206, 207, Widerstand Rs20, Leitung 2I0, Widerstand Rs21, Leitung 212, Einstellwiderstand Rs22 und Leitung 214,

Im Betrieb liefert die Schaltung nach Fig. 4 eine Bezugsspannung Vo, die auf einen gewünschten Pegel eingestellt werden kann durch Einstellen des Widerstandes Rs22. Wenn die Spannung auf Leitung 212 höher ist als Vref, d.h. 1,31 Volt in dieser Ausführungsform, führt Qs6 mehr Strom, bis die Spannung bei 212 gleich Vref wird. Da die Veränderung des Wertes des Einstellwiderstandes Rs22 den Betriebspunkt der Schaltung verändert, bei welchem die Spannung an 212 gleich Vref wird, verändert eine solche

Einstellungsänderung ihrerseits die Ausgangsbezugsspannung Vo der Schaltung 200. Die Bezugsspannung Vo ist temperaturkompensiert wegen des Zusammenwirkens mit der temperaturkompensierten Bezugsspannung Vref und der Arbeitsweise des Verstärkerteils der Schaltung 200, die oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wurde.

Der Fachmann erkennt aus vorstehenden Erläuterungen, daß gemäß der Erfindung eine temperaturkompensierte Bezugsspannung bereitgestellt wird und ein Versorgungsspannungsabfühl verstärkerkreis geschaffen wurde, der in der Lage ist, die einleitend definierte Aufgabe der Erfindung zu lösen. Die temperaturkompensierte Bezugsspannung ist frequenzunabhängig, ohne das Erfordernis, daß ein Frequenzkompensationskondensator einzusetzen ist. Der Versorgungsspannungsabfühlverstärkerkreis mit dem Temperaturkompensationsbezugsspannungskreis gemäß der Erfindung ]iefert Steuerspannungssignale an äußere BeIastungsel(mente,und zwar an mindestens zwei unterschiedliehe Belastungselemento, je nach dem Pegel einer Versorgungsspannumj. Eine andere Ausführungsform der Schaltung liefert eine programmierbare temperaturkompensierte Ausgangsbezugsspannung an ein Belastungselement.

Leerseite

Claims

Ansprüche

Tempera¹ urkomporiK i'Mt cm Mf/.uqsspannung.sschaltkreis, gokennzeichm-t-. durch i'im.Mi ltüLcd Transistor mit einem positiven Stromtempcraturkocffizienten, durch Mittel zum Erzeugen eines vorgegebenen Stromes in dem Transistor mit positivem Stromtemperaturkoeffizienten, durch einen Transistor mit eAnem negativen Temperaturkoeffizienten seiner Basisemitterspannung, und durch ein erstes Widerstandselement mit einem vorgegebenen Widerstand in Serienschaltung mit den Transistoren, wobei die temperaturkompensierte Bezugisspannung zwischen den Transistoren erzeugt wird.
2) Temperaiurkompensi erter Bozugsspannungsschaltkreis nach Anspruch 1, diidurch qeknnnzei chnot, daß die Mittel umfassen: Ein erstes Trans ist.orr»aar in Para Llelschaltunq, welches eine vorgegebene Differenz in den Basisemitterspannungen während des Durchschaltzustandes aufweist, und jeweils einen positiven Stromtemperaturkoeffizienten besitzt, ein zweites Paar von den ersten, parallelgeschalteten Transistoren zum Einspeisen von Strom in das erste Paar, und ein zweites Widerstandselement mit einem Widerstand relativ zu dem Widerstand des ersten Widerstandselements derart, daß der Stromfluß durch das erste Widerstandselemeni die tomporaturkompensicrte Beζucrsspannung bildet.

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3)· Temperaturkompomsierter Bezugsspannungsschaltkreis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren mit positivem Temperaturkoeffizienten laterale PNP Transistoren sind.
£< 4) Temperaturkomponsierter Bezugsspannungsschaltkreis nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor mit necjcitivcm Temperaturkoeffizienten ein vertikaler NPN Transistor ist.
5) Temperaturkompensierter Bezugsspannungsschaltkreis

nach Anspruch 1 für die Verwendung als Versorgungsspannungsabfühlverstärkerkreis, gekennzeichnet durch Mittel zum Vergleich der Bezugsspannung und einer Versorgungsspannung, einen Ausgang zum Anschluß an eine Belastung, die mit der Versorgungsspannung zu speisen ist, und Mittel, angeschlossen zum Empfang eines Eingangs von den Vergleichsmitteln zum Entsperren des Ausgangs, wenn die Versorgungsspannung in einem vorgegebenen Verhältnis zu der Bezugsspannung steht.
6) Temperaturkompensierter Bezugsspannungsschaltkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichmittel erste und zweite Transistoren umfassen, die jeweils alternative Stromflußstrecken steuern, wobei der erste Transistor so angeschlossen Ist, daß er die Bezugsspannung .ils Steuere inqanq empfängt,und der zweite Tran-

2¹) sistor so angeschlossen ist, daß er die Versorgungsspannung als Steuereingang empfängt.
7) Temperaturkompensierter Bezugsspannungsschaltkreis nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen ersten Ausgangstransistor, angeschlossen zum Empfang der Versorgungsspannung und eines Steuersignals zum Durchschalten

des ersten Ausgangstransistors, wenn die Versorgungsspannung an dem zweiten Transistor mindestens gleich der Bezugsspannung an dem ersten Transistor ist.
8) Temperaturkompensierter Bezugsspannungsschaltkreis nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen zweiten Ausgangstransistor, angeschlossen zum Liefern eines Ausgangsstromes, wenn der erste Ausgangstransistor sperrt, und zum Sperren, wenn der erste Ausgangstransistor durchschaltet.
9) Temperaturkompensiortor Bozugsspannungsschaltkreis nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ein Wider- · Standselement mit einstellbarer Größe, das zwischen den ersten Ausgangstransistor und ein vorgegebenes Potential geschaltet ist, so daß die Ausgangsspannung des ersten Ausgangstransistors sowohl, variabel als auch temperaturkompensiert ist.
10) Temperaturkompensierter Bczugsspannungsschaltkreis nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgangstransistor einen Transistor eines Darlington-2ο Paars umfaßt.