DE3240958A1

DE3240958A1 - Referenzspannungserzeuger

Info

Publication number: DE3240958A1
Application number: DE19823240958
Authority: DE
Inventors: Kohji Itami Hyogo Shinomiya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-11-06
Filing date: 1982-11-05
Publication date: 1983-05-19
Also published as: DE3250027C2; DE3250026C2; US4472675A; NL188818B; JPH0143324B2; JPS5880718A; NL8204317A; NL188818C; DE3240958C2

Description

Referenzspannungserzeuger

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Referenzspannungserzeuger gemäß des Oberbegriffes des Anspruches 1. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Referenzspannungserzeuger zum Erzeugen einer Konstantspannung, die unabhängig von Spannungsvariationen der Stromversorgung, Änderungen der Umgebungstemperatur und dergleichen ist.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines in einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildeten Referenzspannungserzeugers. Die Spannung einer Spannungsquelle wird zwischen den Klemmen Tl und T2 angelegt. Eine Referenzspannung wird ebenfalls an den Klemmen Tl und T2 abgegriffen. Die Klemme T2 stellt die Klemme auf der Erdungsseite dar.

Fig. 2 ist eine Grundschaltung, die das Grundprinzip eines herkömmlichen Referenzspannungserzeugers darstellt. Die Spannung einer Spannungsquelle wird zwischen den Klemmen Tl und T2 angelegt. Eine Referenzspannung wird zwischen den Klemmen T3 und T2 abgegriffen. Die Klemme T2 stellt die Klemme auf der Erdungsseite dar. Das Grundprinzip des herkömmlichen Spannungserzeugers wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben.

Eine Basis eines Transistors QPI ist mit einer Basis eines

BAD ORIGfNAL

Transistors Q22 verbunden. Ein Kollektor des Transistors Q21 ist mit dessen Basis verbunden, so daß der Transistor Q21 eine Diodenwirkung aufweist. Ferner sind die Emitter dieser Transistoren miteinander über einen Widerstand R23 verbunden. Der Transistor Q21 wird/einer relativ großen Stromdichte Jl betrieben, wogegen der Transistor Q22 mit einer relativ kleinen Stromdichte J2, beispielsweise J2 =1 _T1

TO ' ^J1» betrieben wird. Eine Differenz AV_np zwischen einer Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q21 und einer Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q22 wird allgemein dargestellt durch

J2.

wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur und q die Ladung eines Elektrones darstellt»

ß_E wird an den Widerstand R23 angelegt. Immer dann, wenn ein Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q22 genügend groß ist, wird ein von AV_O„ und dem Widerstand R23 bestimmter

ÖL·

Strom gleich einem Kollektorstrom I_roo des Transistors Q22.

Λ V

Damit wird die Gleichung I_c22 ⁼ BE aufgestellt. Damit wird ein Spannungsabfall V_o„„ des mit dem Kollektor des Transistors Q22 verbundenen Widerstandes R2

(2)

Andererseits wird der Kollektorstrom I„p„ des Transistors Q22 an die Basis eines Transistors Q23 angelegt und damit fließt ein verstärkter Strom durch den Transistor 023«, Die Basis-Emitter-Spannung V des Transistors Q23 wird allgemein dargestellt durch ' .

^VBE	kT	^vgo	(1 -	^{+ V}BEO *	T
	¹C

ο ^

¹CO

wobei V „ eine Extrapolationsspannung eines im Halbleitermaterial bei T = O⁰K vorliegenden Energiebandabstandes, η eine von den Herstellungsbedingungen eines Transistors abhängige Konstante, I_n einen Kollektorstrom und I~_ einen Kollektorstrom bei T = O⁰K darstellen. Ferner stellt ν_ητ_,_ die Basis-Emitter-Spannung bei T = O⁰K dar. Die letzten beiden Terme in der Gleichung (3) sind vernachlässigbar, da diese Terme bei einer Variation des Kollektorstromes I_n bei einer absoluten Temperatur genügend klein sind. Daher kann Gleichung (3) folgendermaßen kurz dargestellt werden:

¹BE = ^Vg0 ⁽¹ - 4- > ^{+ V}BEO ' 4- ⁽⁴⁾

¹O ¹O

Ein Ende des Widerstandes R22 ist mit einer Klemme T3 und das andere Ende mit der Basis des Transistors Q23 verbunden, Ein Emitter des Transistors Q 23 ist mit der Klemme T2 verbunden. Damit wird eine zwischen den Klemmen T3 und T2 abgegriffene Referenzspannung V „ durch folgende Gleichung ausgedrückt:

^Vref = ^VR22 ^{+ V}BE

Einsetzen der Gleichungen (1), (2) und (4) in Gleichung (5) ergibt:

BAD ORlGIiSlAL

V = ^R22 · *^T g Jl

ref R23 q -*-ⁿ ~"j2"

T ·

^VBE * ~T . ·.. (6

Um einen Temperaturkoeffizient der Referenzspannung V _f zu bestimmen, wird durch Differenzieren der Gleichung (6) nach der absoluten Temperatur T folgende Gleichung erhalten:

R22 _k η , Jl "

R23 ' q ^X J2

Damit die Änderung der Referenzspannung V bei einer Temperei

_re T

raturänderung zu 0 wird, ist die Bedingung ref _ q

erforderlich.
Insbesondere gilt

^V70 _L ^VBEO

R23 * "ς" *ⁿ ~J2 τ~ ⁺ ⁼ °

das heißt,

^Vg0 R23 q ^£ J2 ^VBE0

ist eine erforderliche Bedingung dafür, daß die Änderung der Referenzspannung V „ bei Temperaturänderung zu 0 wird.

Unter Bezug auf die Gleichungen (1) und (2) stellt der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung (7) einen Spannungsabfall V_DOO des Widerstandes R22 dar. Der zweite Term auf

tic-c.

der rechten Seite von Gleichung (7) stellt die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 023 dar. Damit stellt die gesamte

rechte Seite der Gleichung (7) eine Spannung zwischen den Klemmen T3 und T2, d.h., eine Referenzspannung V _ dar. Daher muß, damit Gleichung (7) befriedigt ist, so daß die Änderung der Referenzspannung bei Temperaturänderung 0 wird, gelten, daß

^Vref ^{= V}g0

Insbesondere kann bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung die Referenzschaltung V „in bezug auf eine Temperaturvariation durch Setzen von V _ = V ~ konstant gehalten werden.

Wie oben beschrieben wurde, besitzt V_Rjr einen negativen Temperaturkoeffizient (siehe Gleichung (4) ) und Δν_ητ7 einen positiven Temperaturkoeffizient (siehe Gleichung (1) ). Wenn daher diese beiden Spannungen derart addiert werden, daß eine Spannungsänderung aufgrund einer Temperaturänderung eliminiert wird, dann wird die summierte Spannung unabhängig von der Temperaturänderung. Dies ist das Prinzip des in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Referenzspannungserzeugers.

Beim auf diesem Prinzip aufgebauten herkömmlichen Referenz-Spannungserzeuger muß die in Gleichung (8) gezeigte Bedingung V _ = V ₀ erfüllt sein. Damit kann nur der Spannungswert, der einer Extrapolationsspannung eines Energiebandabstandes gleich ist, als Referenzspannung V ». gewählt werden. Beispielsweise kann eine integrierte SiIicium-Halbleiterschaltung nur etwa 1,205 V als Referenzspannung annehmen, da eine Extrapolationsfipannung V _n eines Energiebandabstandes von Silicium 1,205 V beträgt.'

Damit kann der herkömmliche Referenzspannungserzeuger nur einen vom Halbleitermaterial abhängigen einzigen Referenz-

BAD ORfGINAL

-Ii-

spannungswert aufweisen. Daher ist es-bisher erforderlich, eine Pegelverschiebeschaltung bzw. eine Koppelschaltung in einer späteren oder folgenden Stufe des Referenzspannungserzeugers vorzusehen, um eine in einem Schaltungsaufbau erforderliche gewünschte Referenzspannung zu erhalten. Ferner gibt es dann, wenn die Spannung der Spannungsversorgung geringer ist als eine Extrapolationsspannung eines Energiebandabstandes, das ernste Problem, daß der o'ben beschriebene herkömmliche Referenzspannungserzeuger nicht direkt verwendet werden kann.

Es ist daher die Hauptaufgabe der Erfindung, einen Referenzspannungserzeuger der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der in der Lage ist, direkt einen bei einer Schaltungskonstruktion erforderlichen Referenzspannurigswert zu liefern. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, einen Referenzspannungserzeuger zu schaffen, der in der Lage ist, eine Referenzspannung selbst dann zu liefern, wenn der Spannungswert einer Spannungsversorgung kleiner ist als ein Extrapolati onsspannungwert eines Energiebandabstandes eines Halbleiters.

Diese Aufgabe wird durch einen Referenzspannungserzeuger der eingangs beschriebenen Art gelöst, der gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1. .

Das Verhältnis von erstem Strom und zweitem Strom wird gleich dem Verhältnis der ersten Spannung zur zweiten Spannung gemacht und die Stromdichte des zweiten Transistors wird verschieden von der Stromdichte des .dritten Transistors gemacht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die

BAD ORfGfNAL-

* 12:"- ■

erste, die zweite und die dritte Umwandlung jeweils mittels eines ersten, zweiten bzw. dritten Widerstandes mit jeweils dem gleichen Temperaturkoeffizient durchgeführt. Ferner weisen die ersten und zweiten Wandlereinrichtungen eine negative Rückkopplungsschleife unter Verwendung eines Stromspiegels auf.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Beispieles eines herkömmlikchen Referenzspannungserzeugers;

Fig. 2 ein Grundschaltbild zur Erläuterung des Grundprinzipes eines herkömmlichen Referenzspannungserzeugers;

Fig. 3 ein Beispiel eines Grundschaltbildes zur Erläuterung des Grundprinzipes eines erfindungsgemäßen Referenzspannungserzeugers ;
und

Fig. 4 ein abgewandeltes Schaltbild, in dem die in Fig. 3. gezeigte Grundschaltung des erfindungsgemäßen Referenz-Spannungserzeugers zu einer praktischen Schaltung abgewandelt wurde.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Prinzipschaltbildes zur Erläuterung des Grundprinzipes eines erfindungsgemäßen Referenzspannungserzeugers. Unter Bezug auf Fig. 3 soll im folgenden das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.

Fünfte bis siebte PNP-Transistoren Q5 bis Q7, deren Emitter mit einer Klemme Tl einer Spannungsversorgung verbunden sind, bilden einen ersten Stromspiegel. Kollektor und Basis des

BAD ORIGINAL

sechsten Transistors Q6 sind kurzgeschlossen, so daß dieser eine Diodenwirkung besitzt. Die Kollektorströme des fünften und siebten Transistors Q5 und Q7 fließen jeweils in Abhängigkeit eines Kollektorstromes des sechsten Transistors Q6. In ähnlicher Weise bilden neunte bis dreizehnte PNP-Transistoren Q9 bis 013, deren Emitter jeweils mit der Klemme Tl einer Spannungsversorgung verbunden sind, einen zweiten Stromspiegel. Der Kollektor und die Basis des elften PNP-Transistors QIl sind kurzgeschlossen, so daß dieser eine Diodenwirkung aufweist. Die Kollektorströme der vier Transistoren Q9, QlO, Q12 und Q14 fließen in Abhängigkeit eines Kollektorstromes des elften Transistors QIl.

Eine Basis des zweiten NPN-Transistors Q? und eine Basis des dritten NPN-Transistors Q3 sind miteinander verbunden.

Ferner ist ein Kollektor und eine Basis des zweiten Transistors Q2 kurzgeschlossen, so daß dieser eine Diodenwirkung aufweist. Ein Emitter des zweiten Transistors Q2 ist mit einem Ende des zweiten Widerstandes R2 verbunden. Das andere Ende des zweiten Widerstandes R2 ist mit einem Emitter des dritten Transistors Q3 sowie mit der Erdungsklemme T2 verbunden. Der Kollektor des zweiten Transistors Q2 ist mit dem Kollektor des im zweiten Stromspiegel enthaltenen Transistors QlO verbunden. Der Kollektor des dritten Transistors Q3 ist mit dem Kollektor des im zweiten Stromspiegel enthaltenen neunten Transistors 09 verbunden.

Der dritte Transistor Q3 wird mit einer relativ großen Stromdichte Jl betrieben. Andererseits wird der zweite Transistor Q2 mit einer relativ geringen Stromdichte J2 betrieben. FoI-. gende Lösungswege werden zum P'estsetzen der Stromdichte Jl und J2 in Betracht gezogen. Der erste ist ein Lösungsweg zur geeigneten Wahl eines Verhältnisses einer Baais-Emitter-Übergangszone des Transistors Q9 und einer Basis-Emitter-

Übergangszone des Transistors QlO. Der zweite ist ein Lösungsweg zur geeigneten Wahl eines Verhältnisses einer Basis-Emitter-Übergangszone des Transistors Q2 und einer Basis-Emitter-Übergangszone des Transistors Q3. Vorzugsweise kann die Stromdichte Jl des dritten Transistors Q3 etwa auf den zehnfachen Wert der Stromdichte J2 des zweiten Transistors Q2 festgesetzt werden. Damit kann ein geeigneter Wert von AVt,t? erhalten werden und die, Schaltungskonstruktion ist daher einfach. Theoretisch kann jedoch eine Schaltung auch dann betrieben werden, wenn Jl > J2 ist. Entgegengesetzt zum gezeigten Aufbau kann der zweite Widerstand R2 zwischen den Emitter des dritten Transistors Q3 und die Erdungsklemme T2 geschaltet sein. Dies ist der gleiche Aufbau wie bei dem in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Gerät. In diesem Fall ist es erforderlich, die Stromdichte des zweiten Transistors Q2 größer als die Stromdichte des dritten Transistors Q3 zu machen.

Ein von einer gestrichtelten Linie in Fig. 3 umrandetes Geb.ie.t ,20 zeigt eine_: Schaltung zum Erzeugen eines Stromes mit positivem Temperaturkoeffizient. Das Grundprinzip ist das gleiche, wie im herkömmlichen Fall. Die Differenz Δν_π_ zwisch.en .,den,Basis-Emitter-Spannungen eines Paares von Transistoren Q2 und Q.3 wird, wie bereits in Verbindung mit der herkömmlichen. Technik beschrieben wurde, durch folgende Gleichung

2b (9) dargestellt:

Λ V_E = -^-i_n4- ... (9)

HL· q . J2

Die Poten tialdif ferenz Δν_οτ, wi rd an den zwei ten Widerstand _.,-. R2 angeregt« Daher fließt ein durch die folgende Gleichung (ίο) dargestellter Strom I in den Widerstand R2:

BAD ORIGINAL

-ib- : .

τ = '* '^v = ^- · kT p JI Jt<^ ßt R2 q J2

Wie aus der Gleichung (10) ersichtlich ist, besitzt der Strom I₁J, einen positiven Temperaturkoeffizient im Hinblick auf eine absolute Temperatur T.

In der in Fig. 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zu dem Zweck, einen Strom I₁. mit positivem Temperaturkoeffizient in stabiler Weise zu erzeugen, eine im folgenden beschriebene negative Rückkopplungsschleifenschaltung vorgesehen. Insbesondere wird ein Strom des zweiten Stromspiegels, der in einer im folgenden beschriebenen Weise bestimmt wird, an die Basis des achten Transistors QS zur Stromverstärkung zusammen mit dem dritten Transistor Q3 über den neunten Transistor Q9 angelegt. Damit fließt ein verstärkter Kollektorstrom in den Transistor Q8. Der Kollektorstrom des Transistors Q8 ist ein Kollektorstrom des Referenztransistors QIl des zweiten Stromspiegels. In derartiger Weise wird ein Strom des zweiten Stromspiegels durch einen stromverstärkenden Transistor Q8 und einen Referenztransistor Q3 im zweiten Stromspiegel gesteuert. Der derart bestimmte Strom des zweiten Stromspiegels wird an den zweiten Transistor Q2 über den zehnten Transistor QlO sowie an den dritten Transistor Q3 und die Basis des achten Transistors Q8 über den neunten Transistor Q9, wie oben beschrieben, angelegt. Der damit angelegte Kollektorstrom des zweiten Transistors Q2 ist ein Basisstrom des dritten Transistors Q3„· Immer, wenn der Strom ansteigt, steigt auch der Kollektorstrom des dritten Transistors Q3 an. Damit wird ein der Basis des stromverstärken-" den Transistors Q8 zugeführter Strom kleiner. Deshalb sinkt der Kollektorstrom des Transistors Q8, d.h., der Strom des zweiten Stromspiegels. Daher sinkt auch ein dem zweiten Transistor Q2 über den Transistor QlO im zweiten Stromspiegel zugeführter Strom. Auf diese Weise ist eine negative Rück-

kopplungsschleife gebildet.

In der oben beschriebenen Weise wird ein stabiler Strom einem Paar von Transistoren Q2 und Q3 zugeführt. Damit nehmen die Stromdichte J2 des Transistors 02 und die Stromdichte J3 des Transistors Q3 einen stabilen Wert an. Als Folge davon nimmt die Differenz AVV₁₁-, zwischen den Basis-Emitter-Spannungen dieser beiden Transistoren einen stabilen Wert an. Derart wird auf stabile Weise ein Strom I- erzeugt, der einen positiven Temperaturkoeffizient aufweist und von der Potentialdifferenz AV_,„ und dem Betrag des Widerstandes R2 be-

DiL

stimmt wird. Mit anderen Worten wird ein Strom in jedem Teil des zweiten Stromspiegels durch die Potentialdifferenz Δν_ηΓ, und den Widerstand R2 bestimmt. Damit wird der Strom des zweiten Stromspiegels durch den folgenden Ausdruck (11) dargestellt, in der m für eine Proportionalitätskonstante steht:

m . I₁, (11)

Die Proportionalitätskonstante m kann in geeigneter Weise beispielsweise durch Veränderung der Basis-Emitter-Übergangszone jedes Transistors im zwei ten■Stromspiegel eingestellt werden.

Im Prinzip ist es möglich, einen Strom I- mit positivem Temperaturkoeffizient herzustellen oder zu erzeugen, ohne daß der zweite Stromspiegel und ein stromverstärkender Transistor 08 verwendet werden, da ein Strom mit einem positivem Temperaturkoeffizient in den Widerstand Rl dadurch fließt, daß ein Konstantstrom in ein Paar von Transistoren 02 und 03 fließt. Daher kann ein Strom von einer auf Konstantstrom regu-

BAD ORIGINAL

lierten Stromquelle den Transistoren Q2 und Q3 zugeführt werden. In einem solchen Fall kann ein in den Widerstand Rl fließender Strom direkt als Strom mit positivem Temperatur- -koeffizient abgegriffen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 gezeigt ist, ist jedoch eine negative Rückkopplungsschleife unter Verwendung eines Stromspiegels und eines stromverstärkenden Transistors gebildet, so daß ein Strom I„ mit positivem Temperaturkoeffizient in stabiler Weise erzeugt wird. Die Vorteile der Ausführungsform sind folgende: Zunächst ist es möglich, den Stromverbrauch zu reduzieren, da der gesamte Strom durch einen Stromspiegel fließt. Zweitens schwankt das Potential des Kollektors des Transistors Q3 nicht so weit, da das Potential von einem Basispotential eines stromverstärkenden Transistors Q8 bestimmt wird_o Damit kann eine stabile Potentialdifferenz AV_R„ zwischen einer Basis und einem Emitter erhalten werden, da eine Schaltung mit einem Kollektorpotential des Transistors Q2 betrieben werden kann, das gleich dem Kollektorpotential des Transistors Q3 ist. Aus diesem Grunde kann eine extrem stabile Referenzspannung auch dann erhalten werden, wenn eine starke und häufige Schwankung der Spannung einer Spannungsversorgung auftritt.

Ein von einer gestrichtelten Linie in Fig. 3 umgrenztes Gebiet 30 stellt eine Schaltung zum Herstellen oder Erzeugen eines Stromes mit negativem Temperaturkoeffizient dar. Der Kollektor des ersten NPN-Transistors Ql ist mit der Basis des vierten NPN-Transistors Q4 und der Kollektor des zwölften Transistors Q12 im zweiten Stromspiegel mit deren Verbindung verbunden. Der Kollektor des vierten Transistors Q4 ist mit dem Kollektor des sechsten Transistors Q6 im ersten Stromspiegel und dessen Emitter mit der ErdunRsklemme T2 verbunden. Die Basis des ersten Transistors Ql ist mit dem Kollektor des fünften

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Transistors 05 im ersten Stromspiegel.und einem Ende des ersten Widerstandes Rl verbunden. Das andere Ende des ersten Widerstandes Rl und der Ermitter des ersten Transistors Ql sind jeweils mit der Erdungsklemme T2 verbunden.

Im oben beschriebenen Aufbau wird der erwähnte Strom m . I™ des zweiten Stromspiegels vom Kollektor des zwölften PNP-Transistors Ql2 im zweiten Stromspiegel dem Kollektor des ersten NPN-Transistors Ql und der Basis des vierten NPN-Transistors Q4 zugeführt. Die .Konstante m wird in diesem Fall durch eine geeignete Bestimmung des Verhältnisses einer Basis-Emitter-Übergangszone des Referenztransistors QIl und einer Basis-Emitter-Übergangszone des zwölften Transistors Q12 im zweiten Stromspiegel festgelegt.

Immer wenn ein Stromverstärkungsfaktor des stromverstärkenden Transistors Q4 genügend groß ist, wird der überwiegende An- ~—teil dels Stromes m . Ι_φ dem ersten Transistor Ql zugeführt. Durch diesen Strom wird die Basis-Emitter-Spannung ν_ΏΤ7 des

rSJi

ersten Transistors Ql festgelegt beziehungsweise eingestellt. Die Spannung V_ßE wird in vereinfachter Weise durch die folgende Gleichung (12) dargestellt, wie in Verbindung mit der herkömmlichen Technik beschrieben wurde.

^VBE ^{= V}g0 ι¹" -TT") ^{+ V}BE0

Die Spannung V_OT, wird an den, ersten Widerstand Rl angelegt. JqIl

Als Folge davon fließt ein Strom I^ , der durch die Gleichungen (13) und (14) dargestellt ist, in den Widerstand Rl.

ORIGINAL

- xi? -

^Vg0 I¹" "T^"/" ^V

Rl ί ^Vg0 I¹" "T^"/" ^VBEO

3LV ,7 - τ_ ■ - ■ - (14)

Wie aus Gleichung (14) ersichtlich ist, besitzt der Strom Ip einen negativen Temperaturkoeffizient bezüglich einer absoluten Temperatur T. "

Zu dem Zweck, den Strom I» mit negativem Temperaturkoeffizient in stabiler Weise zu erzeugen, ist eine negative Rückkopplungsschleife in gleicher Weise wie im Fall der Erzeugung des oben beschriebenen Stromes I„ mit positivem Temperaturkoeffizient vorgesehen. Insbesondere wird ein Strom des ersten Stromspiegels durch den stromverstärkenden Transistor Q4" und den Referenztransistor Q6 des ersten Stromspiegels gesteuert.

Der Strom wird der Basis des ersten Transistors Ql und dem ersten Widerstand Rl über den fünften Transistor Q5 zugeführt. Der dem Widerstand Rl zugeführte Strom ist ein auf der Basis der Basis-Emitter-Spannung V_BE des ersten Transistors Ql in den Widerstand Rl fließender Strom Ip .-Wenn die Stromstärke ansteigt, steigt auch der Kollektorstrom des ersten Transistors Ql an und der der Basis des stromverstärkenden Transistors Q4 zugeführte Strom nimmt ab. Damit nimmt die Stromstärke des ersten Stromspiegels ab.

Damit wird in stabiler Weise ein Strom mit einem negativen Temperaturkoeffizient erzeugt. Irisbesondere wird ein Strom jedes Teiles des ersten Stromspiegels durch die Basis-^Emitter-Spannung V_n„ des ersten Transistors Ql und den ersten Wider-

stand Rl bestimmt. Daher wird die Stromstärke des ersten Stromspiegels dargestellt durch

a . Ip, ..... (15)

wobei a eine Proportionalitätskonstante ist. Die Proportio-

-. 2Ό -

nalitätskonstante a kann in geeigneter Weise beispielsweise durch Veränderung einer Basis-Emitter-Übergangszone jedes im ersten Stromspiegel vorgesehenen Transistors bestimmt werden.

Zu dem Zweck, die Basis-Emitter-Spannung V „ konstant zu

Ij Si,

halten, ist es erforderlich, den Kollektorstrom des ersten Transistors Ql so weit wie möglich aufrecht zu erhalten. Daher wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Strom des zweiten Stromspiegels als Kollektorstrom des Transistors Ql über den Transistor Q12 zugeführt. Wenn jedoch eine geregelte Konstantstromquelle unabhängig davon vorgesehen ist, kann ein Strom von der geregelten Konstantstromquelle dem Transistor Ql zugeführt werden. In einem solchen Fall kann zwischen den Transistoren Ql und Q4 und einer Spannungsversorgungsklemme Tl eine geregelte Konstantstromquelle anstelle des Transistors Q12 vorgesehen sein.

Danach werden der Strom I„ mit positivem Temperaturkoeffizient und der Strom I« mit negativem Temperaturkoeffizient, wie sie in der oben beschriebenen Weise erzeugt worden sind, zusammengesetzt. Insbesondere ist ein Kollektor des siebten Transistors Q7 im ersten Stromspiegel mit dem dreizehnten Transistor Q13 im zweiten Stromspiegel verbunden. Deren Verbindung ist mit einer Referenzspannungs-Ausgangsklemme T3 sowie über den dritten Widerstand R3 mit der Erdungsklemme T2 verbunden. Damit fließt ein Strom a . I^ + m . I™, die Summe des durch Gleichung (15) dargestellten Stromes a . I^ des ersten Stromspiegels und des durch Gleichung (11) dargestellten Stromes m . I,., im zweiten Stromspiegel. Die Proportionalitätskonstante a kann in diesem Fall auf einen geeigneten Wert durch geeignete Wahl des Verhältnisses der Basis-Emitter-Übergangszone des sechsten Transistors Q6 und der Basis-Emitter-Übergangszone des siebten Transistors Q7 im ersten Stromspiegel

eingestellt werden. Ebenso kann die Proportionalitätskonstante m in diesem Fall auf einen geeigneten Wert durch günstige Wahl des Verhältnisses der Basis-Emitter-Übergangszone des elften Transistors QIl und der Basis-Emitter-Übergangszone des dreizehnten Transistors Q13 im zweiten Stromspiegel eingestellt werden.

Auf diese Weise wird eine von der folgenden Gleichung (16) dargestellte Referenzspannung' V _f zwischen den beiden Enden des dritten Widerstandes R3 erzeugt.

V_ref = R3 (a . Ip + m . I_T> . (16)

Durch Einsetzen der Gleichungen (10) und (13) in die Gleichung (16) wird Gleichung (16) in folgender Weise modifiziert;

(17)

Zum Zweck größerer Einfachheit wird durch Setzen von a = m = 1 Gleichung (17) in folgender Weise vereinfacht:

V - ^R3 R3

ref " Rl · ^VBE ⁺ T*2

Unter Bezug auf die Gleichungen (9) und (12) wird Gleichung (18) im folgenden weiter modifiziert zu:

. R3 kT λ Jl
⁺ "R2~ * ""ς— ^ⁿ ~J2

Zu dem Zweck, einen Temperaturkoeffizient von Gleichung (19) zu bestimmen, wird Gleichung (19) nach einer absoluten Temperatur T differenziert. Als Ergebnis wird folgende Gleichung (20) erhalten:

^u ref _ R3 / gO _J ^VBEO \ , R3 k η Jl

^T Rl V T_n ^ T_n J^ R2 ' ~^X J2~

Nimmt man die rechte Seite von Gleichung (20) zu 0 an, dann kann folgende Bedingung daraus erhalten werden:

kT
g0 ^VBEO R2 ' q -<ⁿ J2 **·

Durch Modifizieren von Gleichung (21) erhält man die folgende Gleichung (22):

kT
V V Jp η

Rl ⁼ ~1Ü~ ⁺ _R2 ... (22)

Durch Dividieren beider Seiten von Gleichung (22) durch Ιλ wird folgende Gleichung (23) erhalten:

^Vg0 = ^VBEO 1 ^Λ ^VBE I^Rl I„R1 ⁺ I, · R2 ·'· ⁽²³⁾

Unter Verwendung der Gleichungen (10) und (13) wird Gleichung (23) in folgender Weise modifiziert:

^Vg0 ~ ^VBEO ^VBEO

Setzen von V_T = V_gQ - V_BEQ ergibt:

Gleichung (26) zeigt, daß der zusammengesetzte Strom des ersten Stromes Ia mit negativem Temperaturkoeffizient und des zweiten Stromes I™ mit positivem Temperaturkoeffizient temperaturkompensiert ist, wenn das Verhältnis des ersten Stromes I^ und des zweiten Stromes I™ gleich ist dem Verhältnis der Spannung V_nr. und der Spannung V_m = V „ - V

In der ersten und zweiten Wandlereinrichtung werden jeweils ein erster Widerstand Rl und ein zweiter Widerstand R2 zum Wandeln einer Spannung in einen Strom verwendet. Der dritte Widerstand R3 wird als dritte Wandlereinrichtung zum Wandeln bzw. Umformen des dritten Stromes, der einen aus dem ersten Strom und dem zweiten Strom zusammengesetzten Strom darstellt, in eine Referenzspannung verwendet. Damit ist es zu dem Zweck, die Temperaturkoeffizienten der entsprechenden Widerstände gegeneinander aufzuheben, notwendig, daß die Temperaturkoeffizienten der Widerstände Rl, R2 und R3 alle gleich sind. Immer dann, wenn der Referenzspannungserzeuger in einer integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut ist, kann diese Bedingung einfach erfüllt werden. Es ist jedoch auch möglich, diese

Bedingung selbst dann zu erfüllen, wenn der Referenzspannungserzeuger nicht in bzw. mit einer integrierten Halbleiterschaltung gebildet ist.

Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung ist eine abgewandelte Schaltung, bei der die Prinzipschaltung des in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemäßen Referenzspannungserzeugers zu einer praktischen Schaltung abgewandelt ist. Die Widerstände R6 bis R14 sind jeweils zwischen eine Spannungsversorgungsklemme Tl und einen Emitter jedes der Transistoren geschaltet, die den ersten und zweiten Stromspiegel bilden. Diese Widerstände sind symmetrierte Widerstände zum Betrieb des ersten und zweiten Stromspiegels in stabiler Weise.

Eine Startschaltung für eine Schaltung, die einen Strom mit positivem Temperaturkoeffizient erzeugt, wie sie im in Fig.3 gezeigten, von einer gestrichelten Linie umgrenzten Gebiet 20 gezeigt ist, ist in dem durch eine gestrichtelte Linie umgrenzten Bereich 40 gezeigt. Ein zwischen dem Emitter des Transistors Q8 und eine Erdungsklemme 12 geschalteter Widerstand R9 und ein zwischen den Kollektor des Transistors Q9 und den Kollektor des Transistors QlO geschalteter Kondensator Cl bilden eine Phasenausgleichsschaltung für eine Schaltung, die einen Strom mit positivem Temperaturkoeffizient erzeugt. Ein zwischen den Emitter des Transistors Q4 und der Erdungsklemme T2 geschalteter Widerstand R15 und ein zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors Ql geschalteter Kondensator CP bilden eine Phasenausgleichsschaltung für eine einen Strom mit negativem Temperaturkoeffizient erzeugende Schaltung.

Im Betrieb wird eine Netzspannung zwischen die Klemmen Tl und T2 angelegt. Als Folge davon fließt zunächst ein sehr kleiner Strom zur Basis des zweiten Stromspiegels mittels der "Startschaltung". Danach beginnt die einen Strom mit positivem

BAD ORIGINAL

32^0958

Temperaturkoeffizient erzeugende Schaltung zu arbeiten und ein Strom mit positivem Temperaturkoeffizient fließt von jedem Kollektor der Transistoren Qi2 und Q13. Ein Strom vom Kollektor des Transistors Q12 verursacht den Betriebsbeginn der einen Strom mit negativem Temperaturkoeffizient erzeugenden Schaltung, so daß ein Strom mit negativem Temperaturkoeffizient vom Kollektor des Transistors Q7 fließt. Der Strom mit positivem Temperaturkoeffizient und der Strom mit negativem Temperaturkoeffizient werden tiann zusammengesetzt und der zusammengesetzte Strom wird dem Widerstand R3 zugeleitet, so daß die entsprechende Spannung erzeugt wird. Die Spannung wird zwischen den Klemmen T3 und T2 abgegriffen, wodurch man eine temperaturkompensierte Referenzspannung erhält.

Mit dem erfindungsgemäßen Referenzspannungserzeuger kann eine temperaturkompensierte und gegenüber Spannungsschwankungen der Spannungsversorgung sehr stabile Spannung erhalten werden. Ferner ist es möglich-, den Stromverbrauch su reduzieren, da der gesamte Strom mit Ausnahme eines durch den Widerstand R4 in der treibenden Startschaltung 40 fließenden Stromes durch einen Stromspiegel fließt. Wenn der Referenzspannungserzeuger gemäß der vorliegenden Erfindung in einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet ist, kann die Schaltung mit einer Spannung einer Spannungsquelle betrieben werden, die geringer ist. als eine Extrapolationsspannung Vq eines Energiebandabstandes des als Halbleitermaterial verwendeten Halbleiters. Allgemein ist im Falle von Silicium (Si) V _ gleich 1,205 V; ein Betrieb ist jedoch auch ohne irgendwelche Verschlechterung der Eigenschaften nach der erfindungsgemäßen Schaltung auch dann möglich, wenn die Spannung einer Spannungsversorgung auf etwa 0,9 V verringert wird. Ferner ist es bei der vorliegenden Erfindung ein sehr vorteilhafter Effekt, daß die gewünschte Referenzspannung innerhalb eines Bereiches einer Spannung einer Spannungsversorgung frei erzeugt werden kann.

Claims

fH3 Γ""¹ LZJ p= ^B

PATENTANWALT DIPL.-PHYS..LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 9O

*FO 14-2582 P/K/hu

Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo/Japan

Referenzspannungserzeuger

PATENTANSPRÜCHE

ι IJ Referenzspannungserzeuger zum Erzeugen einer von Änderungen der Umgebung unabhängigen Konstantspannung, mit einem ersten Transistor (Ql) und. einem Paar eines zweiten und dritten Transistors (Q2, Q3), deren Basis miteinander verbunden ist, gekennzeichnet durch eine erste Wandlereinrichtung (30) zum Wandeln einer ersten Spannung, die eine Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors (Ql) darstellt, in einen ersten Strom, eine zweite Wandlereinrichtung (20) zum Wandeln einer zweiten Spannung, die eine Differenzspannung zwischen einer Basis-Emitterr-Spannung des zweiten Transistors (Q2) und einer Basis-Emitter-Spannung des dritten Transistors (Q3) darstellt, in einen zweiten Strom, wobei ein Verhältnis von erstem und zweitem Strom gleich dem Verhältnis der ersten Spannung und einer Spannung gemacht wird, zu der die erste Spannung von einer'Extrapolationsspannung eines Energiebandabstandes eines Halbleitermateriales des ersten, zweiten und dritten Tran-

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H.PRÜFER · D-βΟΟΟ MÜNCHEN_©O · W.ILLROIDERSTR. 8 · TEL. (0B9) S4O64O

sistors (Ql, Q2 und Q3) abgezogen wird und wobei eine Stromdichte des zweiten Transistors (Q2) gleich einer Stromdichte des dritten Transistors (Q3) gemacht wird, durch eine Einrichtung zum Zusammensetzen des ersten und zweiten Stromes zum Erzeugen eines dritten Stromes und eine dritte Wandlereinrichtung zum Umwandeln des dritten Stromes in eine Referenzspannung.
2. Referenzspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzspannungserzeuger in einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet ist.
3. Referenzspannungserzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wandlereinrichtung (30) einen ersten Widerstand (Rl) aufweist, der mit der Basis des ersten Transistors (Ql) verbunden ist, so daß der erste Strom fließt, daß die zweite Wandlere.inrichtung (20) einen zweiten Widerstand (R2) aufweist, der mit einem Emitter von einem der zweiten und dritten Transistoren (Q2 und Q3) verbunden ist, der eine geringere Stromdichte als die des anderen aufweist, so daß der zweite Strom fließt, daß die dritte Wandlereinrichtung einen dritten Widerstand (R3) aufweist, an.den der dritte Strom angelegt wird, so daß· eine Referenzspannung von beiden Enden des dritten Widerstandes (R3) abgegriffen wird, und daß Temperaturkoeffizienten des ersten, zweiten und dritten Widerstandos (Rl, R? und R3) einander gleich groß sind.
4. Referenzspannungserzeuger'nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wandlereinrichtung (30) einen vierten Transistor (Q4) und einen· ersten Stromspiegel aufweist, der fünfte bis siebte Transistoren (Q5, 06 und Q7) enthält, von denen der sechste Transistor (Q6) mit einer Diodenwirkung als Referenz verwendet wird, wobei eine Spannung einer Spannungsversorgung an die Emitter des fünften bis siebten Tran-

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sistors (Q5, Q6 und Q7) angelegt, ein.Kollektor des sechsten Transistors (Q6) mit einem Kollektor des vierten Transistors (Q4) verbunden, eine Basis des vierten Transistors (04) mit einem Kollektor des ersten Transistors (Ql) verbunden, eine Basis des ersten Transistors (Ql) mit einem Kollektor des fünften Transistors (Q5) und einem Ende des ersten Widerstandes (Rl) verbunden und das andere Ende des ersten Widerstandes (Hl), ein Emitter des vierten Transistors (Q4) und ein Emitter des ersten Transistors (Ql) mit der Erde verbunden sind, daß die zweite Wandlereinrichtung/einen achten Transistor XQ8) und einen zweiten Stromspiegel mit. neunten bis dreizehnten Transistoren (Q9, QlO, QIl, Q12 und Ql 3)" aufweist, von. denen der elfte Transistor (QIl) mit einer Diodenwirkung als Referenz verwendet wird, wobei eine Spannung einer Spannüngsversorgung an die Emitter des neunten bis dreizehnten Transistors (Q9, QlO, QIl, Q12 und Q13) angelegt, ein Kollektor des elften Transistors (QIl) mit einem Kollektor des achten Transistors (Q8) verbunden, eine Basis des achten Transistors (Q8) mit einer Verbindung eines Kollektors des neunten Transistors (Q9) und eines Kollektors des dritten Transistors (Q3) verbunden, ein Kollektor des zehnten Transistors (QlO) mit einem Kollektor des zweiten Transistors (Q2) verbunden, der Emitter des zweiten Transistors (Q2) über den zweiten Widerstand (R2) mit der Erde verbunden, der Emitter des achten Transistors (Q8) und der Emitter des dritten Transistors (Q3) mit der Erde verbunden, ein Kollektor des zwölften Transistors (Q12) mit einer Verbindung eines Kollektors des ersten Transistors (Ql) und einer Basis des vierten Transistors (Q4) verbunden ist, die Vorrichtung zum Erzeugen des dritten Stromes die Kollektorströme des siebten und des dreizehnten Transistors (Q7 und Q13) durch Verbinden des Kollektors des siebten Transistors (Q7) mit dem Kollektor des dreizehnten Transistors (Q13) addiert und wobei ein Ende des dritten Widerstandes (R3) mit einer Verbindung des Kollek--

tors des siebten Transistors (Q7) und-des Kollektors des dreizehnten Transistors (Q13) verbunden und dessen anderes Ende geerdet ist.
5. Referenzspannungserzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wandlereinrichtung (30) einen vierten Transistor (04) und einen ersten Stromspiegel mit fünften bis siebten Transistoren (Q5,_§Q6 und Q7) aufweist, von denen der sechste Transistor (Q6) mit einer Diodenwirkung als Referenz verwendet wird, wobei eine Spannung einer Spannungs-Versorgung an die Emitter des fünften bis siebten Transistors (Q5, Q6 und Q7) angelegt, ein Kollektor des sechsten Transistors (Q6) mit einem Kollektor des vierten Transistors (Q4), eine Basis des vierten Transistors (04) mit einem Kollektor des ersten Transistors (Ql), eine Basis des ersten Transistors (Ql) mit einem Kollektor des fünften Transistors (Q5) und einem Ende des ersten Widerstandes (Rl) verbunden ist und das andere Ende des ersten Widerstandes (Rl), ein Emitter des vierten Transistors (Q4) und ein Emitter des ersten Transistors (Ql) geerdet ist, daß die zweite Wandlereinrichtung (20) einen achten Transistor (Q8) und einen zweiten Stromspiegel mit neunten bis dreizehnten Transistoren (Q9, QlO, QIl, Q12 und 013) aufweist, von denen der elfte Transistor (QIl) mit einer Diodenwirkung als Referenz verwendet wird, wobei eine Spannung einer Spannungsversorgung an die Emitter des neunten bis dreizehnten Transistors (Q9, QlO, QIl, Q12 und Q13) angelegt, ein Kollektor des elften Transistors (QIl) mit einem Kollektor des achten Transistors (08), eine Basis des achten Transistors (08) mit einer Verbindung des Kollektors des neunten Transistors (09) mit einem Kollektor des dritten Transistors (03), ein Kollektor des zehnten Transistors (QlO) mit einem Kollektor des zweiten Transistors (Q?) verbunden, der Emitter des achten Transistors (Q8) und der Emitter des zweiten Transistors (Q2) geerdet,

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der Emitter des dritten Transistors (03) über den zweiten
Widerstand (R2) geerdet und ein Kollektor des zwölften Transistors (Q12) mit einer Verbindung eines Kollektors des ersten Transistors (Ql) mit einer Basis des vierten Transistors
(Q4) verbunden ist, daß die Einrichtung zum Erzeugen des

dritten Stromes die Kollektorströme des siebten und des dreizehnten Transistors (07 und Q13) durch Verbindung des Kollektors des siebten Transistors (Q7) mit dem Kollektor des dreizehnten Transistors (Q13) summiert und daß ein Ende des dritten Widerstandes (R3) mit einer Verbindung des Kollektors des siebten Transistors (07) mit dem Kollektor des dreizehnten
Transistors (Q13) verbunden und das andere Ende geerdet ist.