DE3213736A1 - Stromquelle und unter deren verwendung aufgebauter bezugsspannungsgenerator - Google Patents

Stromquelle und unter deren verwendung aufgebauter bezugsspannungsgenerator

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    • Y10S323/907—Temperature compensation of semiconductor

Description

HITACHI, LTD.
5-1,Marunouchi 1-chome, Chiyoda-ku,
Tokyo (Japan)
Stromquelle und unter deren Verwendung aufgebauter Be zugs spannungsgenerator
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine für Halbleiteranordnungen bestimmte Stromquellenschaltung und auf einen unter deren Verwendung aufgebauten Bezugsspannungsgenerat^r, und sie betrifft insbesondere einen Schaltungsaufbau, der sich gut für emittergekoppelte Logiken (ECL) eignet.
Halbleiteranordnungen und insbesondere integrierte Schaltungen unter Verwendung von ECL erfordern Stromquellen für ihre Stromversorgung, die sehr genau temperaturkompensiert sind und außerdem auch Änderungen in der von einer äußeren Spannungsquelle zugeführten Speisespannung mit hoher Genauigkeit zu kompensieren vermögen. Ein bei dieser Art von Schaltungen häufig verwendetes Prinzip für die Temperaturkompensation beruht darauf, daß jeder von zwei Transistoren, die mit unterschiedlicher Stromdichte betrieben werden, eine Basis/Eiritter-Spannung (VßE) mit unterschiedlichem
Temperaturkoeffizienten aufweist.
Ein Spannungsregler mit einer Stromquelle/ bei der die Temperaturkompensation auf diesem Prinzip beruht, ist in der US-PS 3 781 648 beschrieben. Bei dieser Art von Stromquelle wird die Stromdichte am Transistor durch den abgegebenen Strom beeinflußt. Daher müssen die Schaltungskonstanten für die endliche Abgabe einer bestimmten Stromstärke mit einem gewünschten Temperaturkoeffizienten justiert werden, und diese Justierung ist sehr schwierig und mühsam.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromquelle zu schaffen, bei der sich die Schaltungskonstanten in einfacher Weise auf einen gewünschten Stromwert mit einem gewünschten Temperaturkoeffizienten einstellen lassen und die unabhängig von Änderungen in der Umgebungstemperatur und der Speisespannung einen unter praktischen Gesichtspunkten im wesentlichen konstanten Strom abzugeben vermag.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Stromquelle, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung insbesondere im Hinblick auf deren Anwendung zur Schaffung einer Bezugsspannungsquelle ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung führt zu einer Stromquelle, zu der eine erste und eine zweite Anschlußleitung, zwischen denen eine äußere Speisespannungsquelle angeschlossen ist, ein Lastwiderstand, der mit einem Ende an die erste
Anschlußleitung angeschaltet ist, ein erster und ein zweiter Transistor, von denen jeder an seinem Kollektor mit dem anderen Ende des Lastwiderstandes und an seinem Emitter über jeweils einen strombegrenzenden Widerstand mit der zweiten Anschlußleitung verbunden ist, eine mit der Basis des ersten Transistors verbundene erste Vorspannungsschaltung zum Vorspannen des Basispotentials dieses Transistors in Bezug auf das Potential an der zweiten Anschlußleitung durch einen Vorwärts-Spannungsabfall an einem einzelnen PN-Übergang und eine mit der Basis des zweiten Transistors verbundene Vorspannungsschaltung zum Vorspannen des Basispotentials dieses Transistors in Bezug auf das Potential an der zweiten Anschlußleitung durch einen Vorwärts-Spannungsabfall an einer Mehrzahl von PN-Übergängen gehören. Dabei weist der durch den ersten Transistor zur Last fließende Strom eine positive Teiuperaturabhängigkeit von der Sperrschichttemperatur der Transistoren und Vorspannungselemente auf, während der durch den zweiten Transistor in die Last fließende Strom eine negative Temperaturabhängigkeit von der Sperrschichttemperatur zeigt, so daß der <„ast ein Strom mit einem minimalen Temperaturkoeffizienten zugeführt werden kann, indem das Verhältnis der jeweils durch den ersten und den zweiten Transistor fließenden Ströme eingestellt wird, wobei dieser Strom außerdem im wesentlichen unempfindlich ist gegenüber Temperaturänderungen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Ziele, Merkmale und Vorteile wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen; in dieser zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild für ein erstes Beispiel einer Stromquelle in bisher bekannter Ausführung;
Fig. 2 ein Schaltbild für ein weiteres Beispiel einer Stromquelle bisher bekannter Art;
Fig. 3 ein Schaltbild für ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stromquelle in erfindungsgemäßer Ausführung;
Fig. 4 Charakteristiken für die Ausgangsströme der Schaltung von Fig. 3;
Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Änderung des Laststromverhältnisses cC bei Änderungen der Speisespannung;
Fig. 6 ein Schaltbild für ein zweites Ausführungsbeispiel einer Stromquelle gemäß der Erfindung;
Fig. 7 ein Schaltbild für ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 8 ein Schaltbild für den praktischen Aufbau eines Bezugsspannungsgenerators gemäß der Erfindung.
In der in Fig. 1 dargestellten Schaltung für eine Stromquelle bisher bekannter Art ist der Kollektor eines Transistors Q2 über einen Lastwiderstand R5 geerdet, während der Emitter dieses Transistors Q2 über einen Widerstand R4 mit einem Anschluß 11 verbunden ist/ an dem eine negative Spannung V von einer äußeren Speisespannungsquelle anliegt. Eine Serienschaltung aus einem Widerstand Rc und einem Transistor Q,, der nach Art einer Diode unter unmittelbarer Verbindung seiner Basis mit seinem Kollektor verwendet wird, ist zwischen dem Anschluß
— ο —
und Erde eingefügt. Der Verbindungepunkt zwischen dem Transistor Q1 und dem Widerstand R6 ist mit dar Basis des Transistors Q2 verbunden.
Für die in Fig. 1 dargestellte Schaltung berechnet sich der durch den Lastwiderstand R5 fließende Strom I zu:
wobei VßEi der Basis/Emitter-Spannungsabfall für den Transistor Q1 und VBE2 der Basis/Emitter-Spannungsabfall für den Transistor Q2 ist. Wie die vorstehende Gleichung (1) zeigt/ läßt sich ein konstanter Strom erhalten, wenn die Emitterstromdichte für den Transistor größer gemacht wird als die für den Transistor Q2. Jedoch hat der Basis/Emitcer-Spannungsabfall V_„ eines Transistors oder ein Vorwärts-Spannungsabfall an einem PN-Übergang einen negativen Temperaturkoeffizienten von etwa 1 mV/Grad gegenüber der Sperrschichttemperacur. Der Temperaturkoeffizient, nähert sich dem Wert Null, wenn die Stromdichte größer wird. Der aus der Gleichung (1) abgeleitete Strom I zeigt einen positiven Temperaturkoeffizienten.
Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung für eine zweite bekannte Stromquelle unterscheidet sich von der in Fig.1 dadurch, daß zwischen der Basis des Transistors Q2 und dem Anschluß 11 eine Serienschaltung aus zwei jeweils zu einer Diode verbundenen Transistoren Q12 und Q13 eingefügt ist. Bei dieser Stromquelle heben sich
der Basls/Emltter-Abfall des Transistors Q2 und der Vorwärts-Spannungsabfall des Transistors Q12 gegenseitig auf, und daher läßt sich der in den Lastwiderstand R5 fließende Strom I im wesentlichen wiedergeben durch die nachstehende Gleichung:
1 " VBE(Q13)/R4 (2),
wobei Vr£/qi3) den Basis/Emitter-Spannungsabfall für den zu einer Diode verbundenen Transistor Q13 bezeichnet.
Demgemäß hat der durch den Lasttransistor R. fließende Strom I einen negativen Temperaturkoeffizienten.
Das in Fig. 3 veranschaulichte erste Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist praktisch so aufgebaut, daß die Schaltungen von Fig. 1 und Fig. 2 einander parallel geschaltet sind. In Fig. 3 sind zwei Transistoren Q5 und Q- an ihren Kollektoren mit dem zweiten Ende eines LastwiderStandes R1- verbunden, der an seinem ersten Ende an Erde liegt. Die Emitter der Transistoren Q5 und Q7 sind über einen Widerstand Rg bzw. über einen Widerstand R10 an eine Verbindungsleitung 12 angeschlossen, die ihrerseits mit dem Anschluß 11 verbunden ist, an dem die negative Spannung V von der Speisespannungsquelle anliegt. Eine erste Vorspannungsschaltung mit einer Serienschaltung aus einem Widerstand R9 und einem zu einer Diode verbundenen Transistor Q6 und eine zweite Vorspannungsschaltung mit einer Serienschaltung aus einem Widerstand R7, eine»
zu einer Diode verbundenen Transistor Q- und einem zu einer Diode verbundenen Transistor Q, liegen zwischen der Verbindungsleitung 12 und Erde. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R9 und dem Transistor Q6 ist mit der Basis des Transistors Q7 verbunden, während an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R7 und dem Transistor Q3 die Basis des Transistors Q5 angeschlossen ist.
In dem Schaltbild von Fig. 3 lassen sich die jeweils zu einer Diode verbundenen Transistoren Q3, Q4 und Q, als Transistoren mit unmittelbarer Verbindung
zwischen Basis und Kollektor auch durch normale PN-Flächendioden ersetzen.
Der in der Schaltung von Fig.3 in den Lastwiderstand R11 fließende Strom I ergibt sich als die Summe derjströme I nach den Gleichungen (1) und (2), und er läßt sich leicht gegenüber Temperaturänderungen stabilisieren.
Die Darstellurc- in Fig. 4 zeigt, wie sie ein Laststromverhältnis cC verändert, wenn die Speisespannung V am Anschluß 11 zwischen -4,68 V und -5,72 V und die Sperrschichttemperatur zwischen 0 C und 110 C variiert, wobei ein Mittelwert für die Speisespannung V von -5,2 V angenommen und die Temperatur anhand der Sperrschichttemperatur T. ausgedrückt ist und der Strom I bei 50 0C den Wert 1,0 annimmt. In der graphischen Darstellung von Fig.4 bezeichnen gestrichelte Linien die Charakteristik für die Schaltung von Fig. 1, wenn die Größe des Emitters für den Transistor Q2 das Vierfache von der für den Transistor Q- beträgt, was
V * Μ« W*
- 12 -
In der Praxis durch eine Parallelschaltung von vier Transistoren der gleichen Größe wie der des Transistors Q zur Schaffung des Transistors Q2 realisiert werden kann, und die Widerstände R4 und Rg Werte von 131,7 Ohm bzw. 14,55 k Ohm aufweise, so daß die Emitterströme für beide Transistoren Q1 und Q2 0?3 mA betragen. Ausgezogene Linien in Fig. 4 bezeichnen die Charakteristiken für die Schaltung von Fig. 1, wenn die Transistoren alle die gleiche Emittergröße von 4 ,um aufweisen und ein Emitterstrom von 0,3 mA durch die Transistoren fließt, die Widerstände R1 und R3 also Werte von 11,9 k Ohm bzw. 2,6 k Ohm aufweisen.
Die Darstellung in Fig. 5 zeigt die mit der in Fig. 3 dargestellten Ausfuhrungsform der Erfindung erhaltenen experimentellen Ergebnisse für den Fall, daß sich der in der der Darstellung in Fig. 1 entsprechenden Schaltung erzeugte Strom und der in der der Darstellung in Fig. 2 entsprechenden Schaltung erzeugte Strom wie 1 : 1 erhalten. Bei diesem Experiment wies die Größe der Emitter der Transistoren
Q3 bis Q6 einen Wert von 4 ,um auf, während die Grüße des Emitters für den Transistor Q7 das Vierfaahe des Wertes für die übrigen Transistoren betrug und die Widerstände R7 bis R10 Werte von 1,9 k Ohm, 2,6 Ohm, 14,55 k Ohm bzw. 131,7 Ohm aufwiesen, so daß der Emitterstrom für alle Transistoren 0,3 mA betrug. Die Änderung des Stromes I mit der Änderung der Speisespannung V ist geringfügig größer als die bei der Schaltung nach Fig. 2. Die Änderung des Stromes I mit der Änderung der Sperrschichtemperatur ist sehr gering. Sie ist auf
einen Wert reduziert, der in der Praxis vernachlässigt werden kann.
In der Schaltung von Fig. 3 kann der in die Last fließende Strom I im wesentlichen konstant gemacht werden, indem das Verhältnis der durch die Transistoren Q5 und Q- fließenden Ströme auf einen geeigneten Wert eingestellt wird. Ein Strom I mit einem geeignet kleinen Temperaturkoeffizienten läßt sich in die Last einspeisen, indem das Stromverhältnis, also das Größenverhältnis für die Widerstände Rg und R10 passend gewählt wird. Wenn für den Lastwiderstand R--eine geeignete Größe ausgewählt wird, kann am Verbindungspunkt der Transistoren Q5 und Q- eine Bezugsspannung abgenommen werden, die hinsichtlich Temperaturänderungen und Speisespannungsänderungen kompensiert ist.
Die in Fig. 6 dargestellte zweite AusfUhrungsform der Erfindung ist zum Teil mit den gleichen Vorspannungselementen ausgerüstet wie die Stromquelle von Fig. 3. In Fig. 6 ist die Basis des Transistors Q- an den Verbindungspunkt c'cr Transistoren Q3 und Q. angeschlossen. Bei dieser Verbindung liegt an der Basis des Transistors Q5 eine Vorspannung, die dem Spannungsabfall an den PN-Übergangen der beiden Stufen mit den Transistoren Q3 und Q. entspricht. Die Basisvorspannung für den Transistor Q7 dagegen entspricht lediglich dem Spannungsabfall an dem PN-Übergang einer einzelnen Stufe, also einem einzigen PN-Übergang. Demgemäß kann wie bei dem Ausführungsbeispiel von Fig.3 ein temperaturkompensierter Strom I erhalten werden.
Die in Fig. 3 gezeigten Transistoren Q- und Q4 lassen sich durch andere geeignete Bauelemente ersetzen, die einen Vorwärts-Spannungsabfall an PN-übergängen einer Mehrzahl von Stufen zeigen, wofür ein Beispiel in Fig. 7 dargestellt ist. Bei dieser AusfUhrungsform wird anstelle der Transistoren Q, und Q. von Fig. 3 ein Transistor Q14 verwendet, bei dem Basis und Kollektor über einen Widerstand R12 und Basis und Emitter über einen Widerstand R13 verbunden sind. Bei der Schaltung von Fig. 3 hat der Spannungsabfall an der Kollektor/Emitter-Strecke des Transistors Q14 den Wert vbb(o ).(1+rI2/r13) in Bezug auf den Basis/Emitter-Spannungsabfall V-^(Q14). Demgemäß berechnet sich der in den Lastwiderstand R11 fließende strom I für die Schaltung von Fig. 7 zu:
R14
VRV(Q6) -VR,,(Q7)
R15
Entsprechend vermag die Schaltung von Fig. 7 wie die Schaltung nach Fig. 3 einen temperaturkompensierten Strom I abzugeben. Um einen Strom I zu erhalten, dessen Temperaturkoeffizient nahezu Null ist, empfiehlt es sich,das Widerstandsverhältnis R-,/R., auf einen Wert von
weniger als 1 einzustellen.
In Fig. 8 ist ein praktischer Aufbau für einen Bezugsspannungsgenerator unter Verwendung der Stromquelle von Fig.3 dargestellt. In der Schaltung von Fig. 8 kann eine Bezugs spannung V01, an einen Ausgangsanschluß 13
DO
über einen Emitterfolger abgenommen werden, der aus einem Transistor Q15 und einem Widerstand R14 aufgebaut ist. Die Bezugsspannung VßB ist dabei die um den Emitter/Basis-Spannungsabfall VßE am Transistor Q^5 verminderte Kollektorspannung am Transistor Q7. Dabei weist der Spannungsabfall Vn„ einen negativen Temperaturkoeffizienten auf. Um eine temperatürkompensierte Bezugsspannung V00 zu erhalten, muß der durch den Lastwiderstand R1- fließende Strom I einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, dessen Größe ausreicht, um den Temperaturkoeffizienten für den Spannungsabfall V1317 am Transistor Q^c zu versetzen.

Claims (9)

1. Stromquelle mit einem Lastwiderstand, von dem ein Ende mit der einen von zwei Anschlußleitungen verbunden ist, zwischen denen eine Spannung von einer äußeren Speisespannungsquelle anliegt, und mit wenigstens einem Transistor, der emitterseitig über einen strombegrenzenden Widerstand mit der zweiten Anschlußleitung und kollektorseitig mit dem anderen Ende des LastwiderStandes verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei Transistoren (Q5 und Q7) parallel zueinander mit ihren Kollektoren an das zweite Ende des Lastwiderstandes (R11) angeschlossen und über einen Widerstand (RQ, R-rt) mit der zweiten Anschluß-
O JfJ
leitung (12) verbunden iind
und
daß mit der Basis des einen Transistors (Qy) eine erste Vorspannungsschaltung (Qg, Rg; Q4, R7) zum Vorspannen des Basispotentials dieses Transistors (Q7) gegenüber dem Potential an der zweiten Anschlußleitung (12) durch den Vorwärts-Spannungsabfall an einem einzelnen PN-Übergang und mit der Basis des anderen Transistors (Q5) eine zweite Vorspannungsschaltung (Q3, Q4, R7; Q14, R7, R12, R13) zum Vorspannen des Basispotentials dieses Transistors (Q5) gegenüber dem Potential an der zweiten Anschlußleitung (12) durch den Vorwärts-Spannungsabfall an einer Mehrzahl von PN-Übergängen verbunden ist.
81-A6672-O3-DfF
2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Vorspannungsschaltung einen zwischen der Basis des einen Transistors (Q7) und der ersten Anschlußleitung liegenden Widerstand (Rg) und eine zwischen der Basis dieses Transistors (Q-) und der zweiten Anschlußleitung (12) eingeschaltete Diode (Q6) aufweist.
3. Stromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß als Diode zwischen der Basis des einen Transistors (Q-) und der zweiten Anschlußleitung (12) ein Transistor (Qg) vorgesehen ist, dessen Kollektor und Basis miteinander verbunden sind.
4. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der beiden Transitoren (Q5 und Q7) an seinem Emitter über je einen eigenen strombegrenzenden Widerstand (Rg bzw. R10) mit der zweiten Anschlußleitung (12) verbunden ist.
5. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Vorspannungsschaltung einen zwischen der Basis des anderen Transistors (Qc) und der ersten Anschlußleitung liegenden Widerstand (R7) und eine Serienschaltung mit zwei Dioden (Q3, Q4) zwischen der Basis dieses Transistors (Q5) und der zweiten Anschlußleitung (12) aufweist.
6. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Vorspannungsschaltung einen an seinem Kollektor mit der Basis des anderen Transistors (Q5) und an seinem Emitter mit der zweiten Anschlußleitung (12) verbundenen dritten Transistor (Q14) mit zwischen seinem Emitter und seiner Basis und zwischen seiner Basis und seinem Kollektor eingeschalteten Widerständen (R-I2 bzw· R13^ aufweist.
7. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Vorspannungsschaltung einen zwischen der Basis des anderen Transistors (Q5) und der ersten Anschlußleitung liegenden Widerstand (R7) und eine Serienschaltung mit zwei Dioden (Q3, W4) zwischen der Basis dieses Transistors (Qc) und der zweiten Anschlußleitung (12) und die erste Vorspannungsschaltung eine Verbindung zwischen dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden (Q3 und Q.) und einem Anschlußpunkt für den einen Tra >jistor (Q-) aufweist.
8. Bezugsspannungsgenerator mit einer Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Verbindungspunkt zwischen dem Lastwider stand ( und den Kollektoren der beiden Transistoren (Q5 und Q-) als Ausgangsanschluß herausgeführt sind.
9. Bezugsspannungsgenerator mit einer Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einen Verbindungspunkt zwischen dem Lastwider stand (R11) und den Kollektoren der beiden Transistoren (Qc und Q7) ein Emitterfolger (Q15* R-14) als Signalausgang angeschlossen ist.
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