DE3600823A1

DE3600823A1 - Schaltung zur erzeugung einer referenzspannung

Info

Publication number: DE3600823A1
Application number: DE19863600823
Authority: DE
Inventors: Takeshi Tokio/Tokyo Hachimori
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1985-01-24
Filing date: 1986-01-14
Publication date: 1986-07-31
Anticipated expiration: 2006-01-15
Also published as: NL194100C; GB8601422D0; JPH0690656B2; AT402118B; GB2170333A; CA1234188A; JPS61170816A; DE3600823C2; GB2170333B; ATA9686A; NL194100B; US4638239A; NL8600034A; FR2576431B1; FR2576431A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung, insbesondere einer Referenzspannung mit niedrigem Pegel.

Wenn das Signalverarbeitungssystem eines Rundfunkempfängers als integrierte Schaltung (IC) ausgebildet ist, muß auf dem IC eine Referenzspannungsquelle vorgesehen sein, die dazu dient, einen auf dem IC vorhandenen Transistor vorzuspannen, oder dazu, die Pegel bestimmter Signale mit der Referenzspannung zu vergleichen oder relativ zu dieser zu verschieben. Bei einem Rundfunkempfänger, der beispielsweise mit zwei Trockenbatterien der Größe AA betrieben werden kann, beträgt die Referenzspannung dementsprechend etwa 1,0 bis 1,5 V.

In diesem Zusammenhang sind Schaltungen zur Erzeugung einer Referenzspannung bekannt, die aus einem Widerstand und einer einzelnen oder zwei Dioden bestehen, die zwischen einem Versorgungsanschluß (Eingangsklemme) und Masse in Reihe geschaltet sind. Die Referenzspannung wird von dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand und der Diode bzw. den Dioden abgegriffen. Derartige Schaltungen sind jedoch temperaturabhängig und haben eine ungünstige Temperaturcharakteristik.

Es wurden auch Referenzspannungsgeneratorschaltungen mit günstigerer Temperaturcharakteristik vorgeschlagen, die jedoch den Nachteil haben, daß die Referenzspannung in beträchtlichem Ausmaß von der Eingangsspannung bzw. deren Änderungen abhängig ist.

£J Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung anzugeben, die eine besonders gute Temperaturcharakteristik besitzt und die von Spannungsänderungen am Eingang im wesentlichen unabhängig

arbeitet. Dabei soll die Schaltung vorzugsweise auch in der Lage sein, eine Referenzspannung mit niedrinem Penal zu liefern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltung zur Erzeunung einer Referenzspannung mit einer Einnangsklemme, an die die Spannung einer Versorgungsquelle anlenbar ist, dip Änderungen unterworfen sein kann, mit einer Aiisnanosklemn« , an der eine stabile Ausgangssnannung aboreifbar ist, so»iie mit einem Steuertransistor, dessen Kollektor-Emitter-Stre'<ke zwischen der Ausgangsklemme und der Eingangsklemme liegt, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch

einen Stromdetektor-Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit einem ersten und einem zweiten Widerstand zwischen der Ausgangsklemme und Masse liegt und dessen Basis mit dem Verbindungspunkt der aus dem ersten und dem zweiten Widerstand bestehenden Reihenschaltung verbunden ist,

einen dritten Transistor, dessen Basis-Emitter-Strecke parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Stromdetektor-Transistors geschaltet ist und dessen Emitterfläche um den Faktor n_ größer ist als die Emitterfläche des Stromdetektor-Transistors,

einen vierten Transistor, der vom selben Leitfähink^Qits~ typ ist wie der Stromdetektor-Transistor und dessen Basis mit der Basis des Stromdetektor-Transistors verbunden ist,

sowie Detektormittel zur Erfassuna der Differenz zwischen einem dem Kollektorstrom des dritten Transistors entsprechenden Signal und einem dem Kollektorstrom des vierten Transistors entsprechenden Signal, die der Basis des Steuertransistors ein der genannten Differenz entsprechendes negatives Rückkopplungssignal zuführen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen clnr Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hier ausdrücklich verwiesen wird.

BAD ORIGINAL

Im folqenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fiq. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung zur Erzeugung einer Referenzspann u η q,

Fig. 2 zeigt eine Kennlinie von Strömen der Schaltung nach Fig. 1,

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeipiel der Referenzspannungsgeneratorschaltung gemäß der Erfindung,

Fiq. 4 zeiqt ein drittes Ausführunqsbeispiel der Schaltung qemäß der Erfindunq,

Die in Fiq. 1 dargestellte Schaltunq zur Referenzsoannungserzeuquno besitzt eine Ausganqsklemme Tj, an der eine Referenzspannunq abgenommen werden kann, sowie eine Eingangs-

2^r- klemme T₉, die mit einer Trockenbatterie oder einem ähnlichen Element verbunden ist und der eine Eingangsspannung (die Spannunq einer Versorgungsquelle) zugeführt wird. Zwischen diesen Klemmen Tj und T2 liegt die Kollektor-Emitter-Strecke eines Steuertransistors Q7.

Zwischen der Klemme Tj und Masse befindet sich eine aus einem Widerstand Ri mit einem vergleichsweise hohen Widerstandswert, z.B. 12,6 KOhm, einem Widerstand R2 mit vergleichsweise niedrigem Widerstandswert, z.B. 820 Ohm, und

3P der Kollektor-Emitter-Strecke eines Stromdetektor-Transistors Qj bestehende Reihenschaltung. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand Ri und dem Widerstand Ro ist mit der Basis des Transistors Qj verbunden. Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Qj ist zu der Basis-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors Qc parallel geschaltet, so daß eine Stromspieqelungsschaltunq 1 entsteht, deren Referenz-Dotential von Masse qebildet ist.

_ Tp> —

-7-

Der Kollektor des Transistors Q^ ist ferner mit der Basis eines Transistors Q2 verbunden, dessen Emitter mit Masse und dessen Kollektor mit dem Kollektor eines Transistors P-* ion Verbindunn steht.
5

Der Transistor Π3 verwendet die Klemme T-] als Refernnzmtential und bildet zusammen mit einem Transistor O^ eine Stronspiegelungsschaltunq 2. Deshalb sind die Basiselektroden der Transistoren Q-j und Q^ miteinander und mit dem KoI-lektor des Transistors Q-z verbunden, während die Emitter der Transistoren Q-j und Q^ miteinander und mit der Klemme Ti in Verbindung stehen.

Als Detektormittel eines invertierenden Verstärkers dient ein Transistor Qg, dessen Emitter mit Masse und dessen Basis mit den Kollektoren der Transistoren Q^ und Q_s verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q^ ist mit der Basis des Steuertransistors Q-j verbunden.

Die vorangehend beschriebene Schaltung ist als integrierte Schaltung (IC) auf einem Halbleiterchip ausgebildet, wnbei die Emitterfläche (Fläche der Emitter-Basis-Verbindunn) des Transistors Q2 um den Faktor n_ (η > 1) größer ist als die Emitterfläche des Transistors Qi.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltunn sei der Kollektorstrom des Transistors Q^ mit i^ und der Kollektorstrom des Transistors Oo mit in bezeichnet. Da die Transistoren Qj und Q5 die Stromspiegelungsschaltunc 1 bilden, ist auch der Kollektorstrom des Transistors Q₅ qleich i-^. Da außerdem der Kollektorstrom I2 des Transistors Qn gleich den Kollektorstrom des Transistors Qj ist und die Transistoren Q-j und Q4 die Stromspiegelungsschaltunq ?. bilden, ist der Kollektorstrom des Transistors Q^ qleich dem Kollektorstrom Ϊ2· Infolgedessen fließt die Differenz (in - in) zwischen den Kollektorströmen ±2 und i-^ zu der Basis des Transistors

SAD ORIGINAL

Falls der Kollektorstrom i^ anwächst oder der Kollektorstrom ^2 abnimmt, wird der Differenzstrom (12 - ij) kleiner, so daß der Kollektorstrom des Transistors Qg abnimmt und die Impedanz des Transistors Qy größer wird. Eine Verringerung der Spannung an der Klemme Ti führt zu einer Verringerung des Kollektorstroms i^ und zu einer Vergrößerung des Kollektorstroms in. Somit ist eine negative Rückkopplung gegeben, die die Kollektorströme i^ und I2 auf konstante Werte stabilisiert.

Mit anderen Worten: Wenn die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q-^ mit Vß^ und die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q2 mit Vnro bezeichnet werden, gelten folgende Gleichungen:

^Ro^ii+Vnpo · · · · \ i y

= ^υτ * ^ln ^l^Sl^ ....(ii)

BE2 = ^j . In [i2/(n. 152)] . ...(iii)

in denen Vj =KT/q (T: absolute Temperatur) und igi» ig2 ^■'■^e Sättigungsströme der Transistoren Qj^ bzw. Q2 sind. Aus den Gleichungen (i) bis (iii) läßt die folgende Gleichung herleiten:

Vy.In (i]./isi) ⁼ ^2^1 ⁺ ^j*''"¹¹ i2/^ⁿ^S2^

..Vj.In η . ΐ]/Ϊ2· ⁱSl^//iSl ⁼ ^2"-"-I ....(iv)

Falls die Transistoren Q^ und Q2 beispielsweise einander benachbart auf demselben IC ausgebildet sind, ist die Bedingung Icq = i^ erfüllt. Damit läßt die Gleichung (iv) folgendermaßen umschreiben:

Vj.In (nijyi2) = ^2"*1 ....(v)

Eine Modifizierung der Gleichung (v) liefert:

In Cn-I₁Zi₂ = R₂-I₁ZUT)
n.i₁Zi2 = ^exP (R₂-i;[ZUT)
.'.i₂ = n.i·^ exp (-R₂-I₁ZVT)

Der Strom i₂ zeigt dementsprechend eine negative Kennlinie, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Deshalb werden die Ströme I₁ und i₂ in einem Punkt A im negativen Bereich des Stroms i₂ stabilisiert, in dem

I₁ = i₂ . . . . (vi)

Falls die Spannung an der Klemme T₁ mit U bezeichnet wird, gilt folgende Gleichung:

U = Rj-ii + Vg]T₁ ....(vii)

Die Substituierung der Gleichung (vi) in Gleichung (v) liefert:

UT.In η = R2-i-l ....(viii)

Wenn man dann Gleichung (viii) in Gleichung (vii) substituiert, erhält man

U= (R₁ZR₂) UT.In η + U_ßE1 (ix)

Der Temperaturkoeffizient dUZdT der Spannung U ergibt durch Differenzieren der Gleichung (ix) nach der Temperatur T:

_jiu_ ₌ J<_ · JU m _{n +}^_-i ...._(x,

dT q R₂ dT

Aus Gleichung (χ) läßt sich die Bedingung, unter der der

Temperaturkoeffizient dUZdT zu Null wird, folgendermaßen ausdrücken:

l _{ln n +}^
R₂ dT

Ri dV_Rri

1 In η = - ^i · -9_ (xi)

R₂ dT K

Mit anderen Worten: Wenn die Bedingung von Gleichung (xi) erfüllt ist, besitzt die Spannung V keine Temperaturabhän gigkeit.

Im allgemeinen gilt

dV_BE1/dT = - 1,8 bis - 2,0 (mV/°C) 10

Damit wird aus Gleichung (xi) die folgende Gleichung

i In η = 1,8 χ 10~³ χ ^ = 20,86 ....(xii)

^R2 8,63 χ 10~⁵

Normalerweise lassen sich in dem IC das Widerstandsverhältnis Ri/R₂ und das Flächenverhältnis ji relativ leicht mit gewünschten Werten realisieren, wobei ihre Streuungen hinreichend gut unterdrückt werden können. Da sich dementsprechend die Bedingung der Gleichung (xii) relativ leicht realisieren läßt, läßt sich auch die Bedingung nach Gleichung (xi) erfüllen. Deshalb zeigt die Ausgangsspannung keine Temperaturabhängigkeit.

Falls VT = 0,026 (V) und Vg_El = 0,683 (V) ist, ergeben die Gleichungen (ix) und (xii)

V = 0,026 χ 20,86 + 0,683 = 1,225 (V).

Die oben beschriebene Schaltung gemäß der Erfindung ermöglicht also die Erzeugung einer Referenzspannung V ohne Temperaturgang, einer Spannung also, die stabil bleibt,

- rf-

wenn Temperaturänderungen auftreten. Außerdem kann diese Referenzspannung V einen niedrigen Pegel, z.B. 1,225 V, haben und eignet sich deshalb für eine integrierte Schaltunq, die mit niedriger Spannung betrieben werden kann. 5

Die Transistoren Qj bis Q^ werden mit der stabilen Referenzspannung V betrieben. Selbst wenn die Spannung an der Eingangsklemme To sich ändert, arbeiten deshalb die Transistoren Qi bis Qc stabil mit nur geringer Spannungsabhängigkeit. Da die an der Eingangsklemme T2 anliegende Spannung über den Transistor Qy als Spannung V an die Ausgangsklemme Ti geliefert wird, ist es außerdem möglich, einen der Spannung entsprechenden Strom abzuleiten.

Im oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel muß der Widerstand Rj einen relativ großen Wert haben und beansprucht daher eine relativ große Fläche auf dem IC-Halbleiterchip. Dieser muß deshalb vergleichsweise groß sein. Wenn hingegen die Basis-Emitter-Strecke eines oder mehrerer zusätzlicher Transistoren, die dieselbe Charakteristik haben wie der Transistor Qj, zur Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q^ parallel geschaltet werden, kann das Verhältnis der von dem Widerstand Rj beanspruchten Fläche relativ zur Gesamtfläche des IC-Halbleiterchips verringert und letzterer damit kleiner werden. Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung, in der diejenigen Teile, die der Schaltung nach Fig. 1 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen tragen wie dort und im einzelnen nicht mehr beschrieben werden, ist die Basis-Emitter-Strecke eines zusätzlichen Transistors Qg zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Qj parallel geschaltet. In diesem Fall ist der Kollektor des Transistors Qq mit dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen Rj und R2 verbunden.

Da bei der Schaltung nach Fig. 3 der Widerstandswert von Widerstands R₂ sehr klein ist, ist der Kollektorstrom ij' des Transistors Qg nahezu gleich dem Strom ij, so daß der

durch den Widerstand R^ etwa den Wert 2ij hat. Infolgedessen kann der Widerstandswert des Widerstands Ri in Fig. 3 gegenüber dem Wert des Widerstands R-i in Fig. 1 etwa um die Hälfte kleiner sein, so daß die von dem Widerstand R^ auf dem IC-Halbleiterchip beanspruchte Fläche verringert werden kann. Falls parallel zu dem Q-^ mehrere Transistoren angeordnet sind, kann das Verhältnis der von dem Widerstand R-^ beanspruchten Fläche zu Gesamtfläche des IC-Halbleiterchips natürlich wesentlich stärker reduziert werden.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem wieder die den Schaltungen nach Fig. 1 und 3 entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie dort und diese im einzelnen nicht mehr beschrieben werden

sollen, werden die Kollektorströme x^ und i·^ der Transistoren Qo und Q5 durch Widerstände R7 und Ra in entsprechende Spannungen umgewandelt. Die den Kollektorströmen i£ und ij entsprechenden Spannungen werden an den (-)- bzw. den (-)-Eingang eines Differentialverstärkers 3 angelegt. Die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers 3 wird der Basis des Steuertransistors Qy zugeführt. Dementsprechend wird der Steuertransistor Qy durch ein Ausgangssignal des Differentialverstärkers 3 angesteuert, das der Differenz zwischen den an den Widerstanden R^ und R^ auftretenden Spannungen enspricht.

Die erfindungsgemäße Schaltung liefert eine Referenzspannung V, die keinerlei Temperaturabhängigkeit besitzt und die selbst dann stabil ist, wenn sie Temperaturänderungen unterworfen wird. Da diese Referenzspannung V niedrig ist, z.B. 1,225 U beträgt, eignet die Schaltung sich insbesondere auch für integrierte Schaltungen, die mit niedrigen Spannungen arbeiten.

Da außerdem die Transistoren Q·^ bis Q^ mit der stabilen Referenzspannung V versorgt werden, ist stabiler Betrieb selbst dann gewährleistet, wenn sich die Versorgungsspan-

3600323

nung an der Eingangsklemme T2 ändert. Da die Versorgungsspannung an der Eingangsklemme T2 über den Transistor Qy auf die Spannung an der Ausgangsklemme T·^ eingestellt wird, läßt sich außerdem ein der Spannung V entsprechender Strom ableiten.

Claims

Patentansprüche 10 15

1. Schaltung zur Erzeugung einer Referenzspannung

mit einer Eingangsklemme, an die die Spannung einer Versorgungsquelle anlegbar ist, die Änderungen unterworfen sein kann,

mit einer Ausgangsklemme, an der eine stabile Ausgangsspannung abgreifbar ist,

sowie mit einem Steuertransistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen der Ausgangsklemme und der Eingangsklemme liegt, gekennzeichnet durch

einen Stromdetektor-Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit einem ersten und einem zweiten Widerstand zwischen der Ausgangsklemme und Masse liegt und dessen Basis mit dem Uerbindungspunkt der aus dem ersten und dem zweiten Widerstand bestehenden Reihenschaltung verbunden ist,

einen dritten Transistor, dessen Basis-Emitter-Strecke parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke des Stromdetektor-

Transistors geschaltet ist und dessen Emitterfläche um den Faktor n_ größer ist als die Emitterfläche des Stromdetektor-Transistors,

einen vierten Transistor, der vom selben Leitfähigkeitstyp ist wie der Stromdetektor-Transistor und dessen Basis mit der Basis des Stromdetektor-Transistors verbunden ist,

sowie Detektormittel zur Erfassung der Differenz zwischen einem dem Kollektorstrom des dritten Transistors entsprechenden Signal und einem dem Kollektorstrom des vierten Transistors entsprechenden Signal, die der Basis des Steuertransistors ein der genannten Differenz entsprechendes negatives Rückkopplungssignal zuführen.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdetektor-Transistor eine Basis-Emitter-Strecke besitzt und daß ferner wenigstens ein zusätzlicher Transistor vorgesehen ist, der die gleiche Kennlinie hat wie der Stromdetektor-Transistor und dessen Kollektor mit dem genannten Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zwieten Widerstand verbunden ist, wobei die Basis-Emitter-Strecke jedes der zusätzlichen Transistoren zur der Basis-Emitter-Strecke des Stromdetektor-Transistors parallel geschaltet ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel einen dritten Widerstand umfassen, der mit dem Kollektor des dritten Transistors verbunden ist, sowie einen vierten Widerstand, der mit dem Kollektor des vierten Transistors verbunden ist, und daß der Kollektorstrom des dritten und des vierten Transistors durch den dritten bzw. vierten Widerstand in entsprechende Spannungen konvertierbar sind.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel ferner einen Differentialverstärker mit zwei Eingängen umfassen, an denen die von dem dritten bzw. dem vierten Widerstand konvertierten Spannungen anliegen,

^; "[ 3 _ ^{: :} 3600323

und daß das Ausgangssignal des Differentialverstärkers als negatives Rückkopplungssignal an der Basis des Steuertransistors anliegt.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel einen fünften Transistor umfassen, dessen Kollektor-Emitter-Strecke zwischen die Basis des Steuertransistors und Masse geschaltet ist, sowie einen sechsten und einen siebten Transistor, die eine Stromspiegelungsschaltung bilden und deren Kollektoren mit den Kollektoren des dritten bzw. des vierten Transistors verbunden sind, wobei die Basis des fünften Transistors mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kollektoren des siebten und des vierten Transistors verbunden ist.