DE3240958C2

DE3240958C2 -

Info

Publication number: DE3240958C2
Application number: DE3240958A
Authority: DE
Inventors: Kohji Itami Hyogo Jp Shinomiya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-11-06
Filing date: 1982-11-05
Publication date: 1990-07-12
Also published as: DE3240958A1; JPS5880718A; JPH0143324B2; NL188818C; NL188818B; NL8204317A; US4472675A; DE3250027C2; DE3250026C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Referenzspannungserzeuger zum Erzeugen einer temperaturunabhängigen Konstantspannung.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines als integrierte Halbleiter schaltung ausgebildeten herkömmlichen Referenzspannungser zeugers. Die Spannung einer Spannungsquelle wird zwischen Anschlüssen T 1 und T 2 angelegt. An den Anschlüssen T 1 und T 2 wird eine Referenzspannung abgegriffen. Der Anschluß T 2 ist geerdet.

Fig. 2 zeigt das Grundprinzip eines herkömmlichen Referenzspannungserzeugers (US-Z- IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Vol. SC-6, No. 1, February 1971, S. 2-4). Die Spannung einer Spannungs quelle wird zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2 angelegt. Eine Referenzspannung wird zwischen den Anschlüssen T 3 und T 2 abgegriffen. Der Anschluß T 2 ist geerdet.

Die Basis eines Transistors Q₂₁ ist mit der Basis eines Transistors Q 22 verbunden. Ein Kollektor des Transistors Q 21 ist mit dessen Basis verbunden, so daß der Transistor Q 21 eine Diodenwirkung aufweist. Ferner sind Emitter dieser Transistoren miteinander über einen Widerstand R 23 verbunden. Der Transistor Q 21 wird mit einer relativ großen Strom dichte J 1 betrieben, wogegen der Transistor Q 22 mit einer re tiv kleinen Stromdichte J 2, beispielsweise

betrieben wird. Eine Differenz Δ V _BE zwischen einer Basis- Emitter-Spannung des Transistors Q 21 und einer Basis-Emitter- Spannung des Transistors Q 22 wird allgemein dargestellt durch

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

Δ V _BE wird an den Widerstand R 23 angelegt. Immer dann, wenn ein Stromverstärkungsfaktor des Transistors Q 22 genügend groß ist, wird ein von Δ V _BE und dem Widerstand R 23 bestimmter Strom gleich einem Kollektorstrom I _{C 22} des Transistors Q 22. Damit wird die Gleichung

aufgestellt. Damit wird ein Spannungsabfall V _{R 22} des mit dem Kollektor des Tran sistors Q 22 verbundenen Widerstands R 22:

Andererseits wird der Kollektorstrom I _{C 22} des Transistors Q 22 an die Basis eines Transistors Q 23 angelegt und damit fließt ein verstärkter Strom durch den Transistor Q 23. Die Basis-Emitter-Spannung V _BE des Transistors Q 23 wird allge mein dargestellt durch

wobei V _{g 0} eine Extrapolationsspannung eines im Halbleiter material bei T=0°K vorliegenden Energiebandabstandes, n eine von den Herstellungsbedingungen eines Transistors ab hängige Konstante, I _C einen Kollektorstrom und I _{C 0} einen Kollektorstrom bei T=0°K darstellen. Ferner stellt V _{BE 0} die Basis-Emitter-Spannung bei T=0°K dar. Die letzten bei den Terme in der Gleichung (3) sind vernachlässigbar, da diese Terme bei einer Variation des Kollektorstromes I _C bei einer absoluten Temperatur genügend klein sind. Daher kann Gleichung (3) folgendermaßen kurz dargestellt werden:

Ein Ende des Widerstandes Q 22 ist mit einer Klemme T 3 und das andere Ende mit der Basis des Transistors Q 23 verbunden. Ein Emitter des Transistors Q 23 ist mit der Klemme T 2 ver bunden. Damit wird zwischen den Klemmen T 3 und T 2 abge griffene Referenzspannung V _ref durch folgende Gleichung ausgedrückt:

V _ref = V _{R 22} + V _BE (5)

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

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

Damit die Änderung der Referenzspannung V _ref bei einer Tempe raturänderung zu 0 wird, ist die Bedingung

erforderlich.

Insbesondere gilt

das heißt,

ist eine erforderliche Bedingung dafür, daß die Änderung der Referenzspannung V _ref 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 Spannungs abfall V _{R 22} des Widerstandes R 22 dar. Der zweite Term auf der rechten Seite von Gleichung (7) stellt die Basis-Emitter- Spannung des Transistors Q 23 dar. Damit stellt die gesamte rechte Seite der Gleichung (7) eine Spannung zwischen den Klemmen T 3 und T 2, d. h., eine Referenzspannung V _ref dar. Da her muß, damit Gleichung (7) befriedigt ist, so daß die Än derung der Referenzspannung bei Temperaturänderung 0 wird, gelten, daß

V _ref= V _{g 0} (8)

Insbesondere kann bei der in Fig. 2 gezeigten Schaltung die Referenzschaltung V _ref in bezug auf eine Temperaturvariation durch setzen von V _ref=V _{g 0} konstant gehalten werden.

Wie oben beschrieben wurde, besitzt V _BE einen negativen Tempe raturkoeffizienten (siehe Gleichung (4) und Δ V _BE einen posi tiven Temperaturkoeffizienten (siehe Gleichung (1)). Wenn da her diese beiden Spannungen derart addiert werden, daß eine Spannungsänderung aufgrund einer Temperaturänderung elimi niert 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 _ref=V _{g 0} erfüllt sein. Damit kann nur der Spannungswert, der einer Extrapolationsspannung eines Energiebandabstandes gleich ist, als Referenzspannung V _ref gewählt werden. Bei spielsweise kann eine integrierte Silicium-Halbleiterschal tung nur etwa 1,205 V als Referenzspannung annehmen, da eine Extrapolationsspannung V _{g 0} eines Energiebandabstandes von Silicium 1,205 V beträgt.

Damit kann der herkömmliche Referenzspannungserzeuger nur einen vom Halbleitermaterial abhängigen einzigen Referenz spannungswert aufweisen. Daher ist es bisher erforderlich, eine Pegelverschiebeschaltung bzw. eine Koppelschaltung in einer späteren oder folgenden Stufe des Referenzspannungs erzeugers vorzusehen, um eine in einem Schaltungsaufbau er forderliche gewünschte Referenzspannung zu erhalten. Ferner gibt es dann, wenn die Spannung der Spannungsversorgung ge ringer ist als eine Extrapolationsspannung eines Energieband abstandes, das ernste Problem, daß der oben beschriebene herkömmliche Referenzspannungserzeuger nicht direkt verwen det werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Referenzspannungserzeuger zu schaffen, der in der Lage ist, eine beliebige, temperatur unabhängige Referenzspannung zu erzeugen, die unabhängig ist von Versorgungsspannungsschwankungen.

Diese Aufgabe wird durch einen Referenzspannungserzeuger mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist in Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Im weiteren erfolgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispieles an Hand der Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Beispieles eines herkömmlichen Referenzspannungserzeugers;

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

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

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

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind fünfte bis siebte PNP-Transistoren Q 5 und Q 7, deren Emitter mit einem Anschluß T 1 einer Spannungsversorgung verbunden und bilden einen ersten Stromspiegel. Kollektor und Basis des sechsten Transistors Q 6 sind kurzgeschlossen, so daß dieser eine Diodenwirkung besitzt. Die Kollektorströme des fünften und siebten Transistors Q 5 und Q 7 fließen jeweils in Abhän gigkeit eines Kollektorstromes des sechsten Transistors Q 6. In ähnlicher Weise bilden neunte bis dreizehnte PNP-Tran sistoren Q 9 bis Q 13, deren Emitter jeweils mit dem Anschluß T 1 einer Spannungsversorgung verbunden sind, einen zweiten Stromspiegel. Der Kollektor und die Basis des elften PNP- Transistors Q 11 sind kurzgeschlossen, so daß dieser eine Diodenwirkung aufweist. Die Kollektorströme der vier Tran sistoren Q 9, Q 10,Q 12, und Q 14 fließen in Abhängigkeit eines Kollektorstromes des elften Transistors Q 11

Eine des zweiten NPN-Transistors Q 2 und eine Basis des dritten NPN-Transistors Q 3 sind miteinander verbunden. Ferner ist ein Kollektor und eine Basis des zweiten Transistors Q 2 kurzgeschlossen, so daß dieser eine Diodenwirkung aufweist. Ein Emitter des zweiten Transistors Q 2 ist mit einem Ende des zweiten Widerstandes R 2 verbunden. Das andere Ende des zweiten Widerstandes R 2 ist mit einem Emitter des dritten Transistors Q 3 sowie mit dem geerdeten Anschluß T 2 verbunden. Der Kollektor des zweiten Transistors Q 2 ist mit dem Kollektor des im zweiten Stromspiegel enthaltenen Transistors Q 10 ver bunden. Der Kollektor des dritten Transistors Q 3 ist mit dem Kollektor des im zweiten Stromspiegel enthaltenen neunten Transistors Q 9 verbunden.

Der dritte Transistor Q 3 wird mit einer relativ großen Strom dichte J 1 betrieben. Andererseits wird der zweite Transistor Q 2 mit einer relativ geringen Stromdichte J 2 betrieben. Fol gende Lösungswege werden zum Festsetzen der Stromdichte J 1 und J 2 in Betracht gezogen. Der erste ist ein Lösungsweg zur geeigneten Wahl eines Verhältnisses einer Basis-Emitter- Übergangszone des Transistors Q 9 und einer Basis-Emitter- Übergangszone des Transistors Q 10. Der zweite ist ein Lösungs weg zur geeigneten Wahl eines Verhältnisses einer Basis- Emitter-Übergangszone des Transistors Q 2 und einer Basis- Emitter-Übergangszone des Transistors Q 3. Vorzugsweise kann die Stromdichte J 1 des dritten Transistors Q 3 etwa auf den zehnfachen Wert der Stromdichte J 2 des zweiten Transistors Q 2 festgesetzt werden. Damit kann ein geeigneter Wert von Δ V _BE erhalten werden und die Schaltungkonstruktion ist da her einfach. Theoretisch kann jedoch eine Schaltung auch dann betrieben werden, wenn J 1<J 2 ist. Entgegengesetzt zum ge zeigten Aufbau kann der zweite Widerstand R 2 zwischen den Emitter des dritten Transistors Q 3 und die Erdungsklemme T 2 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 Q 2 größer als die Stromdichte des dritten Transistors Q 3 zu machen.

Ein von einer gestrichelten Linie in Fig. 3 umrandetes Ge biet 20 zeigt eine Schaltung zum Erzeugen eines Stromes mit positivem Temperaturkoeffizienten. Das Grundprinzip ist das gleiche wie im herkömmlichen Fall. Die Differenz Δ V _BE zwi schen den Basis-Emitter-Spannungen eines Paares von Transistoren Q 2 und Q 3 wird, wie bereits in Verbindung mit der her kömmlichen Technik beschrieben wurde, durch folgende Gleichung (9) dargestellt:

Die Potentialdifferenz Δ V _BE wird an den zweiten Widerstand R 2 angelegt. Daher fließt ein durch die folgende Gleichung (10) dargestellter erster Strom I _T in den Widerstand R 2

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

In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist zu dem Zweck, einen Strom I _T mit positivem Temperaturkoeffizienten in stabiler Weise zu erzeugen, eine im folgenden beschriebene negative Rückkopplungsschleifenschal tung vorgesehen. Insbesondere wird ein Strom des zweiten Strom spiegels, der in einer im folgenden beschriebenen Weise be stimmt wird, an die Basis des achten Transistors Q 8 zur Strom verstärkung zusammen mit dem dritten Transistors Q 3 über den neunten Transistor Q 9 angelegt. Damit fließt ein verstärkter Kollektorstrom in den Transistor Q 8. Der Kollektorstrom des Transistors Q 8 ist ein Kollektorstrom des Referenztransistors Q 11 des zweiten Stromspiegels. In derartiger Weise wird ein Strom des zweiten Stromspiegels durch einen stromverstärken den Transistors Q 8 und einen Referenztransistors Q 3 im zweiten Stromspiegel gesteuert. Der derart bestimmte Strom des zwei ten Stromspiegels wird an den zweiten Transistor Q 2 über den zehnten Transistor Q 10 sowie an den dritten Transistor Q 3 und die Basis des achten Transistors Q 8 über den neunten Tran sistor Q 9, wie oben beschrieben, angelegt. Der damit ange legte Kollektorstrom des zweiten Transistors Q 2 ist ein Basisstrom des dritten Transistors Q 3. Immer, wenn der Strom ansteigt, steigt auch der Kollektorstrom des dritten Tran sistors Q 3 an. Damit wird ein der Basis des stromverstärken den Transistors Q 8 zugeführter Strom kleiner. Deshalb sinkt der Kollektorstrom des Transistors Q 8, d. h., der Strom des zweiten Stromspiegels. Daher sinkt auch ein dem zweiten Tran sistor Q 2 über den Transistor Q 10 im zweiten Stromspiegel zugeführter Strom. Auf diese Weise ist ein negative Rück kopplungsschleife gebildet.

In der oben beschriebenen Weise wird ein stabiler Strom einem Paar von Transistoren Q 2 und Q 3 zugeführt. Damit nehmen die Stromdichte J 2 des Transistors Q 2 und die Stromdichte J 3 des Transistors Q 3 einen stabilen Wert an. Als Folge davon nimmt die Differenz Δ V _BE zwischen den Basis-Emitter-Span nungen dieser beiden Transitoren einen stabilen Wert an. Derart wird auf stabile Weise der Strom I _T erzeugt, der einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist und vor der Poten tialdifferenz Δ V _BE und dem Betrag des Widerstandes R 2 be stimmt wird. Mit anderen Worten wird ein Strom in jedem Teil des zweiten Stromspiegels durch die Potenialdifferenz Δ V _BE und den Widerstand R 2 bestimmt. Damit wird der Strom des zweiten Stromspiegels durch den folgenden Ausdruck (11) dargestellt, in der m für eine Proportionalitätskonstante steht:

m · I _T (11)

Die Proportionalitätskonstante m kann in geeigneter Weise beispielsweise durch Veränderung der Basis-Emitter-Übergangs zone jedes Transistors im zweiten Stromspiegel eingestellt werden.

Im Prinzip ist es möglich, einen Strom I _T mit positivem Tempe raturkoeffizient herzustellen oder zu erzeugen, ohne daß der zweite Stromspiegel und ein stromverstärkender Transistor Q 8 verwendet werden, da ein Strom mit einem positivem Tem peraturkoeffizient in den Widerstand R 1 dadurch fließt, daß ein Konstantstrom in ein Paar von Transistoren Q 2 und Q 3 fließt. Daher kann ein Strom von einer auf Konstantstrom regu lierten Stromquelle den Transistoren Q 2 und Q 3 zugeführt werden. In einem solchen Fall kann ein in den Widerstand R 1 fließender Strom direkt als Strom mit positivem Temperatur koeffizient abgegriffen werden.

In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist eine negative Rückkopplungs schleife unter Verwendung eines Stromspiegels und eines strom verstärkenden Transistors gebildet, so daß ein Strom I _T mit positivem Temperaturkoeffizienten in stabiler Weise erzeugt wird. Die Vorteile der Ausführungsform sind folgende: Zu nächst ist es möglich, den Stromverbrauch zu reduzieren, da der gesamte Strom durch einen Stromspiegel fließt. Zweitens schwankt das Potential des Kollektors des Transistors Q 3 nicht so weit, da das Potential von einem Basispotential eines stromverstärkenden Transistors Q 8 bestimmt wird. Damit kann eine stabile Potentialdifferenz Δ V _BE zwischen einer Basis und einem Emitter erhalten werden, da eine Schaltung mit einem Kollektorpotential des Transistors Q 2 betrieben werden kann, das gleich dem Kollektorpotenial des Transistors Q 3 ist. Aus diesem Grunde kann eine extrem stabile Referenz spannung auch dann erhalten werden, wenn eine starke und häufige Schwankung der Spannung einer Spannungsversorgung auf tritt.

Ein von einer gestrichelten Linie in Fig. 3 umgrenztes Gebiet 30 stellt eine Schaltung zum Herstellen oder Erzeugen eines Stromes mit negativem Temperaturkoeffizienten dar. Der Kollektor des ersten NPN-Transistors Q 1 mit der Basis des vierten NPN-Transistors Q 4 und der Kollektor des zwölften Transistors Q 12 im zweiten Stromspiegel mit deren Verbindung verbunden. Der Kollektor des vierten Transistors Q 4 ist mit dem Kollektor des sechsten Transistors Q 6 im ersten Stromspiegel und dessen Emitter mit dem Anschluß T 2 verbunden. Die Basis des ersten Transistors Q 1 ist mit dem Kollektor des fünften Transistors Q 5 im ersten Stromspiegel und einem Ende des ersten Widerstandes R 1 verbunden. Das andere Ende des ersten Widerstandes R 1 und der Emitter des ersten Transistors Q 1 sind jeweils mit dem Anschluß T 2 verbunden.

Im oben beschriebenen Aufbau wird der Strom m · I _T des zweiten Stromspiegels vom Kollektor des zwölften PNP- Transistors Q 12 im zweiten Stromspiegel dem Kollektor des ersten NpN-Transistors Q 1 und der Basis des vierten NPN- Transistors Q 4 zugeführt. Die Konstante m wird in diesem Fall durch eine geeignete Bestimmung des Verhältnisses einer Basis- Emitter-Übergangszone des Referenztransistors Q 11 und einer Basis-Emitter-Übergangszone des zwölften Transistors Q 12 im zweiten Stromspiegel festgelegt.

Immer wenn ein Stromverstärkungsfaktor des stromverstärkenden Transistors Q 4 genügend groß ist, wird der überwiegende An teil des Stromes m · I _T dem ersten Transistor Q 1 zugeführt. Durch diesen Strom wird die Basis-Emitter-Spannung V _BE des ersten Transistors Q 1 festgelegt beziehungsweise eingestellt. Die Spannung V _BE wird in vereinfachter Weise durch die fol gende Gleichung (12) dargestellt, wie in Verbindung mit der herkömmlichen Technik beschrieben wurde.

Die Spannung V _BE wird an den ersten Widerstand R 1 angelegt. Als Folge davon fließt ein zweiter Strom I _β, der durch die Glei chungen (13) und (14) dargestellt ist, in den Widerstand R 1.

Wie aus Gleichung (14) ersichtlich ist, besitzt der Strom I _β einen negativen Temperaturkoeffizient bezüglich einer absolu ten Temperatur T

Zu dem Zweck, den Strom I _β mit negativem Temperaturkoeffizienten in stabiler Weise zu erzeugen, ist eine negative Rückkopplungs schleife in gleicher Weise wie im Fall der Erzeugung des oben beschriebenen Stromes I _T mit positivem Temperaturkoeffi zienten vorgesehen. Insbesondere wird ein Strom des ersten Strom spiegels durch den stromverstärkenden Transistors Q 4 und den Referenztransistors Q 6 des ersten Stromspiegels gesteuert. Der Strom wird auf der Basis des ersten Transistors Q 1 und dem ersten Widerstand R 1 über den fünften Transistors Q 5 zugeführt. Der dem Widerstand R 1 zugeführte Strom ist ein auf der Basis der Basis-Emitter-Spannung V _BE des ersten Transistors Q 1 in den Widerstand R 1 fließender Strom I _β.

Wenn die Stromstärke ansteigt, steigt auch der Kollektor strom des ersten Transistors Q 1 an und der der Basis des stromverstärkenden Transistors Q 4 zugeführte Strom nimmt ab. Damit nimmt die Stromstärke des ersten Stromspiegels ab.

Damit wird in stabiler Weise ein Strom mit einem negativen Temperaturkoeffizienten erzeugt. Insbesondere wird ein Strom jedes Teiles des ersten Stromspiegels durch die Basis-Emitter- Spannung V _BE des ersten Transistors Q 1 und den ersten Wider stand R 1 bestimmt. Daher wird die Stromstärke des ersten Stromspiegels dargestellt durch

a · I _β (15)

wobei a eine Proportionalitätskonstante ist. Die Proportio nalitätskonstante a kann in geeigneter Weise beispielsweise durch Veränderung einer Basis-Emitter-Übergangszone jedes im ersten Stromspiegel vorgesehenen Transistors bestimmt wer den.

Zu dem Zweck, die Basis-Emitter-Spannung V _BE konstant zu halten, ist es erforderlich, den Kollektorstrom des ersten Transistors Q 1 so weit wie möglich aufrecht zu erhalten. Da her wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Strom des zweiten Stromspiegels als Kollektorstrom des Transistors Q 1 über den Transistor Q 12 zugeführt. Wenn jedoch eine geregelte Konstantstromquelle unabhängig davon vorgesehen ist, kann ein Strom von der geregelten Konstantstromquelle dem Tran sistor Q 1 zugeführt werden. In einem solchen Fall kann zwi schen den Transistoren Q 1 und Q 4 und dem Anschluß T 1 eine geregelte Konstantstromquelle anstelle des Transistors Q 12 vorgesehen sein.

Danach werden der erste Strom I _T mit positivem Temperaturkoeffizienten und der zweite Strom I _β mit negativem Temperaturkoeffizienten, wie sie in der oben beschriebenen Weise erzeugt worden sind, zusammengesetzt. Insbesondere ist ein Kollektor des siebten Transistors Q 7 im ersten Stromspiegel mit dem dreizehnten Transistor Q 13 im zweiten Stromspiegel verbunden. Deren Ver bindung ist mit einem Referenzspannungs-Ausgangsanschluß T 3 sowie über den dritten Widerstand R 3 mit dem Anschluß T 2 verbunden. Damit fließt ein Strom a · I _β+m · I _T, die Summe des durch Gleichung (15) dargestellten Stromes a · I _β des ersten Stromspiegels und des durch Gleichung (11) dargestellten Stromes m · I _T im zweiten Stromspiegel. Die Proportionalitäts konstante a kann in diesem Fall auf einen geeigneten Wert durch geeignete Wahl des Verhältnisses der Basis-Emitter- Übergangszone des sechsten Transistors Q 6 und der Basis-Emitter- Übergangszone des siebten Transistors Q 7 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 Q 11 und der Basis-Emitter-Übergangszone des dreizehnten Transistors Q 13 im zweiten Stromspiegel ein gestellt werden.

Auf diese Weise wird eine von der folgenden Gleichung (16) dargestellte Referenzspannung V _ref zwischen den beiden En den des dritten Widerstandes R 3 erzeugt.

V _ref = R 3 (a · I _β + m · I _T) (16)

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

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

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

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

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

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

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

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

Setzen von V _T=V _{g 0}-V _{BE 0} ergibt:

Gleichung (26) zeigt, daß der zusammengesetzte Strom des zweiten Stromes I _β mit negativem Temperaturkoeffizienten und des ersten Stromes I _T mit positivem Temperaturkoeffizienten temperaturkompensiert ist, wenn das Verhältnis des zweiten Stromes I _β und des ersten Stromes I _T gleich ist dem Verhält nis der Spannung V _BE und der Spannung V _T=V _{g 0}-V _{BE 0}.

In der ersten und zweiten Wandlereinrichtung werden jeweils ein erster Widerstand R 1 und ein zweiter Widerstand R 2 zum Wandeln einer Spannung in einen Strom verwendet. Der dritte Widerstand R 3 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 Temperatur koeffizienten der Widerstände R 1, R 2 und R 3 alle gleich sind. Immer dann, wenn der Referenzspannungserzeuger in einer inte grierten Halbleiterschaltung aufgebaut ist, kann diese Bedin gung einfach erfüllt werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Bedingung selbst zu erfüllen, wenn der Referenzspannungs erzeuger nicht bzw. mit einer integrierten Halbleiter schaltung gebildet ist.

Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung ist eine abgewandelte Schal tung, bei der die Prinzipschaltung des in Fig. 3 gezeigten erfindungsgemäßen Referenzspannungserzeugers zu einer prakti schen Schaltung abgewandelt ist. Die Widerstände R 6 bis R 14 sind jeweils zwischen eine Spannungsversorgungsklemme T 1 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 Temperaturkoeffizienten erzeugt, wie sie im in Fig. 3 gezeigten, von einer gestrichelten Linie umgrenzten Gebiet 20 gezeigt ist, ist in dem durch eine gestrichelte Linie umgrenzten Bereich 40 gezeigt. Ein zwischen dem Emitter des Transistors Q 8 und dem geerdeten Anschluß T 2 geschalteter Wider stand R 9 und ein zwischen den Kollektor des Transistors Q 9 und den Kollektor des Transistors Q 10 geschalteter Kondensa tor C 1 bilden eine Phasenausgleichsschaltung für eine Schal tung, die einen Strom mit positivem Temperaturkoeffizienten erzeugt. Ein zwischen den Emitter des Transistors Q 4 und dem Anschluß T 2 geschalteter Widerstand R 15 und ein zwischen den Kollektor und die Basis des Transistors Q 1 geschalteter Kondensator C 2 bilden eine Phasenausgleichsschaltung für eine einen Strom mit negativem Temperaturkoeffizienten erzeugende Schaltung.

Im Betrieb wird eine Netzspannung zwischen den Anschlüssen T 1 und T 2 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 Temperaturkoeffizienten erzeugende Schaltung zu arbeiten und ein Strom mit positivem Temperaturkoeffizienten fließt von je dem Kollektor der Transistoren Q 12 und Q 13. Ein Strom vom Kollektor des Transistors Q 12 verursacht den Betriebsbeginn, der einen Strom mit negativem Temperaturkoeffizienten erzeugen den Schaltung, so daß ein Strom mit negativem Temperaturkoeffi zienten vom Kollektor des Transistors Q 7 fließt. Der Strom mit positivem Temperaturkoeffizienten und der Strom mit negativem Temperaturkoeffizienten werden dann zusammengesetzt und der zusammengesetzte Strom wird dem Widerstand R 3 zugeleitet, so daß die entsprechende Spannung erzeugt wird. Die Spannung wird zwischen den Anschlüssen T 3 und T 2 abgegriffen, wodurch man eine temperaturkompensierte Referenzspannung erhält.

Mit dem Referenzspannungserzeuger kann eine temperaturkompensierte und gegenüber Spannungsschwan kungen der Spannungsversorgung sehr stabile Spannung erhalten werden. Ferner ist es möglich, den Stromverbrauch zu redu zieren, da der gesamte Strom mit Ausnahme eines durch den Widerstand R 4 in der treibenden Startschaltung 40 fließenden Stromes durch einen Stromspiegel fließt. Wenn der Referenz spannungserzeuger in einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet ist, kann die Schaltung mit einer Spannung einer Spannungsquelle betrieben werden, die geringer ist als eine Extrapolationsspannung V _{g 0} eines Energiebandabstandes des als Halbleitermaterial verwendeten Halbleiters. Allgemein ist im Falle von Silicium (Si) V _{g 0} gleich 1,205 V; ein Betrieb ist jedoch auch ohne irgendwelche Verschlechterung der Eigenschaften nach der er findungsgemäßen Schaltung auch dann möglich, wenn die Span nung einer Spannungsversorgung auf etwa 0,9 V verringert wird. Ferner ist es ein sehr vorteilhafter Effekt, daß die gewünschte Referenzspannung innerhalb eines Bereiches einer Spannung einer Spannungsver sorgung frei erzeugt werden kann.

Claims

1. Referenzspannungserzeuger zum Erzeugen einer temperatur unabhängigen Konstantspannung, mit

- einem ersten Anschluß (T 1) und einem zweiten Anschluß (T 2) für die Versorgungsspannung,
- mit einer ersten Schaltung (20) zur Erzeugung eines ersten Stromes (I _T) mit positiven Temperaturkoeffizienten, bestehend aus
- einem zweiten Transistors (Q 2), dessen Emitter über einen zweiten Widerstand (R 2) mit dem zweiten Anschluß (T 2) verbunden ist und dessen Basis mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q 2) und mit der Basis eines dritten Transistors (Q 3) verbunden ist, dessen Emitter mit dem zweiten Anschluß (T 2) verbunden ist;
- einem achten Transistor (Q 8), dessen Basis mit dem Kollektor des dritten Transistors (Q 3) verbunden ist und dessen Emitter mit dem zweiten Anschluß (T 2) verbunden ist, sowie je einem
- neunten, zehnten und elften Transistor (Q 9, Q 10, Q 11), deren Emitter mit dem ersten Anschluß (T 1) verbunden sind und deren Basen miteinander verbunden sind, wobei der Kollektor des neunten Transistors (Q 9) mit der Basis des achten Transistors (Q 8) und mit dem Kollektor des dritten Transistors (Q 3) ver bunden ist, und der Kollektor des zehnten Transistors (Q 10) mit dem Kollektor des zweiten Transistors (Q 2) und der Kollektor des elften Transistors (Q 11) mit dem Kollektor des achten Transistors (Q 8) und der Basis des elften Transistors (Q 11) verbunden ist,
- wobei der erste Strom (I _T) der durch den zweiten Widerstand (R 2) fließende Strom ist
- mit einer zweiten Schaltung (30) zur Erzeugung eines zweiten Stromes (I _β) mit negativen Temperaturkoeffizienten, bestehend aus
- einem ersten Transistor (Q 1), dessen Basis über einen ersten Widerstand (R 1) mit dem zweiten Anschluß (T 2) verbunden ist und dessen Emitter mit dem zweiten Anschluß (T 2) verbunden ist;
- einem vierten Transistor (Q 4), dessen Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q 1) und dessen Emitter mit dem zweiten Anschluß (T 2) verbunden ist; sowie je einem
- fünften und sechsten Transistor (Q 5, Q 6), deren Basen mitein ander verbunden sind und deren Emitter zusammen mit dem ersten Anschluß (T 1) verbunden sind, wobei der Kollektor des fünften Transistors (Q 5) mit der Basis des ersten Transistors (Q 1), und der Kollektor des sechsten Transistors (Q 6) mit dem Kollektor des vierten Transistors (Q 4) und mit der Basis des sechsten Transistors (Q 6) verbunden ist,
- wobei der zweite Strom (I _β) der durch den ersten Widerstand (R 1) fließenden Strom ist und
- mit einem zwölften Transistor (Q 12), dessen Basis mit den Basen des neunten, zehnten und elften Transistors (Q 9, Q 10, Q 11), dessen Emitter mit dem ersten Anschluß (T 1) und dessen Kollektor mit dem Kollektor des ersten Transistors (Q 1) verbunden ist,
- mit einem siebten Transistor (Q 7), dessen Emitter mit dem ersten Anschluß (T 1) verbunden ist und dessen Basis mit den Basen des fünften und sechsten Transistors (Q 5, Q 6) verbunden ist, und dessen Kollektor über einen dritten Wider stand (R 3) mit dem zweiten Anschluß (T 2) verbunden ist,
- einem dreizehnten Transistor (Q 13), dessen Emitter mit dem ersten Anschluß (T 1) verbunden ist und dessen Basis mit den Basen des neunten, zehnten, elften und zwölften Transistors (Q 9, Q 10, Q 11, Q 12) verbunden ist, und dessen Kollektor mit einem dritten Anschluß (T 3), der mit dem Kollektor des siebten Transistors (Q 7) verbunden ist,
- wobei der erste Strom (I _T) und der zweite Strom (I _β) über den siebten und dreizehnten Transistor (Q 7, Q 13) von dem dritten Widerstand (R 3) zusammengefaßt werden und die Konstantspannung (Vref) am Emitter des siebten Transistors (Q 7) anliegt.

2. Referenzspannungserzeuger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Startschaltung (40), die folgende Bauelemente aufweist:

- einen vierzehnten Transistor (Q 14), dessen Emitter mit dem zweiten Anschluß (T 2), dessen Basis über einen vierten Widerstand (R 4) mit dem ersten Anschluß (T 1) und über einen fünften Widerstand (R 5) an den Kollektor des vierzehnten Transistors (Q 14) verbunden ist,
- einen fünfzehnten Transistor (Q 15), dessen Emitter mit dem zweiten Anschluß (T 2), dessen Basis mit dem Kollektor des vierzehnten Transistors (Q 14), und dessen Kollektor mit den Basen des neunten bis dreizehnten Transistors (Q 9 bis Q 13) verbunden ist;
- einen ersten Kondensator (C 1), der zwischen dem Kollektor des neunten Transistors (Q 9) und dem Kollektor des zehnten Tran sistors (Q 10) geschaltet ist;
- einen zweiten Kondensator (C 2), der zwischen den Kollektor und die Basis des ersten Transistors (Q 1) geschaltet ist,
- einen neunten Widerstand (R 9), der zwischen den Emitter des achten Transistors (Q 8) und den zweiten Anschluß (T 2) geschaltet ist;
- einen fünfzehnten Widerstand (R 15), der zwischen den Emitter des vierten Transistors (Q 4) und den zweiten Anschluß (T 2) geschaltet ist, und
- Widerstände (R 6 bis R 8, R 10 bis R 14), die zwischen den Emittern des fünften bis siebten und neunten bis dreizehnten Transistors (Q 5 bis Q 7, Q 9 bis Q 13) und den ersten Anschluß (T 1) geschaltet ist.