DE3788033T2 - Voltage regulator with precision thermal current source. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Stromversorgungs-Schaltungen und insbesondere integrierte Schaltungen (IC), die zur Erzeugung von Strömen mit geregelter Größe und mit vorbestimmten Temperaturverhalten fähig sind, die geeignet sind, bei der Erzeugung einer Spannungsregler-Spannung verwendet zu werden, deren Größe und Temperatur-Koeffizient eingestellt werden kann.The invention relates to power supply circuits and, in particular, to integrated circuits (ICs) capable of generating currents of controlled magnitude and with predetermined temperature characteristics suitable for use in generating a voltage regulator voltage whose magnitude and temperature coefficient can be adjusted.
Es gibt viele Schaltungs- und Systemanwendungen, die Stromversorgungen oder -Quellen zum Zuführen von Strömen mit vorbestimmten Temperatur-Koeffizienten (TC) und geregelten Größen erfordern, und dabei unabhängig von der Versorgungsspannung sind. Insbesondere ist es manchmal erwünscht, eine Stromversorgungs-Schaltung zu benutzen, welche einen Strom mit einer Größe schafft, einen positiven TC besitzt, der sich direkt mit der absoluten Temperatur ändert. Der Strom kann benutzt werden, um den an den PN-Übergängen eines Differential-Transistorpaares vorhandenen negativen TC aufzuheben, z. B. um es zu ermöglichen, daß der Gewinn eines Differentialverstärkers, der ein Differential-Transistorpaar umfaßt, bei Temperaturänderungen im wesentlichen konstant bleibt. Da IC allgemein viele solche Differentialverstärker enthalten können, kann eine Stromquellen-Schaltung des vor stehend beschriebenen Typs erforderlich sein, der eine Vielzahl solcher Ströme schafft, die jeweils eine vorbestimmte Größe und einen damit verbundenen Temperatur-Koeffizienten besitzen. Eine Verwendung für solche thermische Stromquellen liegt in Verbindung mit anderen Schaltungen bei der Erzeugung einer regulierten Ausgangsspannung mit einem bekannten TC. Dieser thermische Strom kann benutzt werden, über einem Widerstand eine Spannung mit einem positiven TC zu erzeugen, die dann in Reihe mit der Basis/Emitter-Spannung mit negativem TC eines NPN-Transistors gesetzt wird, um eine Ausgangsspannung mit einem TC Null zu schaffen. Diese Arten von Spannungsreglern werden manchmal durch den Fachmann auf diesem Gebiet als Bandlücken-Spannungsregler bezeichnet.There are many circuit and system applications which require power supplies or sources for supplying currents having predetermined temperature coefficients (TC) and regulated magnitudes, and which are independent of the supply voltage. In particular, it is sometimes desirable to use a power supply circuit which provides a current of a magnitude having a positive TC which varies directly with absolute temperature. The current may be used to cancel the negative TC present at the PN junctions of a differential transistor pair, e.g. to enable the gain of a differential amplifier comprising a differential transistor pair to remain substantially constant with temperature changes. Since ICs may generally contain many such differential amplifiers, a current source circuit of the type described above may be required which provides a plurality of such currents, each having a predetermined magnitude and an associated temperature coefficient. One use for such thermal current sources is in conjunction with other circuits in producing a regulated output voltage having a known TC. This thermal current can be used to create a voltage with a positive TC across a resistor, which is then placed in series with the base/emitter voltage with a negative TC of an NPN transistor to create an output voltage with a zero TC. These types of voltage regulators are sometimes referred to by those skilled in the art as bandgap voltage regulators.
Spannungsregler nach dem Stand der Technik enthalten normalerweise ein Transistorpaar, das mit unterschiedlichen Stromdichten betrieben wird. Die beiden Transistoren sind mit zugeordneter Schaltung so verbunden, daß sie zwischen sich eine Spannung entwickeln, die proportional zur Differenz der jeweiligen Basis/Emitter-Spannungen (ΔVBE) ist. Diese Differenzspannung wird benutzt, um den Strom beim Emitter eines der Transistoren einzustellen, und besitzt einen positiven Temperatur-Koeffizienten (TC). Der thermische Emitterstrom wird benutzt, um eine Spannung zu erzeugen, die sich direkt mit der absoluten Temperatur ändert, die wiederum mit einer Spannung mit negativer TC kombiniert wird, um eine kombinierte Ausgangsspannung mit im wesentlichen einem TC von Null zu erzeugen.State of the art voltage regulators typically include a pair of transistors operating at different current densities. The two transistors are connected with associated circuitry to develop a voltage between them that is proportional to the difference in their respective base/emitter voltages (ΔVBE). This differential voltage is used to adjust the current at the emitter of one of the transistors and has a positive temperature coefficient (TC). The thermal emitter current is used to generate a voltage that varies directly with absolute temperature, which in turn is combined with a voltage with negative TC to produce a combined output voltage with essentially zero TC.
Obwohl die Regler nach dem Stand der Technik beträchtliche Vorteile besitzen, leiden die meisten, wenn nicht alle an ernsthaften Begrenzungen. Um beispielsweise Fehler beim thermischen Strom zu verhindern, die durch Differenzen der Kollektor/Emitter-Spannungen der beiden Transistoren verursacht werden, erfordern Regler nach dem Stand der Technik komplizierte Rückkopplung-Schemata, um eine Fehlanpassung der beiden Bauelemente zu verhindern. Diese Schemata sind nicht wünschenswerte bei der Auslegung von integrierten Schaltungen, da ungebührlich viel Chipfläche erforderlich ist. Zusätzlich können der Spannungspegel und der Temperatur-Koeffizient der geregelten Ausgangsspannung dieser Regler nach dem Stand der Technik nicht unabhängig eingestellt werden, sondern sind durch die Größe der Differenzspannung ΔVBE bestimmt. Dazu können Regler nach dem Stand der Technik keine geregelten Spannungen mit einstellbarem TC erzeugen, die unter dem Wert einer VBE-Spannung eines Transistors liegen.Although the prior art regulators have considerable advantages, most if not all suffer from serious limitations. For example, to prevent thermal current errors caused by differences in the collector/emitter voltages of the two transistors, prior art regulators require complicated feedback schemes to prevent mismatch of the two devices. These schemes are undesirable in integrated circuit design because they require an undue amount of chip area. In addition, the voltage level and temperature coefficient of the regulated output voltage of these prior art regulators cannot be independently adjusted, but are determined by the magnitude of the differential voltage ΔVBE. In addition, prior art regulators cannot produce regulated voltages with adjustable TC that are below the VBE voltage of a transistor.
Damit besteht ein Bedarf nach einer verbesserten integrierten Thermostromquellen-Schaltung, die die Probleme der thermischen Stromquellen-Schaltungen nach dem Stand der Technik überwindet.Thus, there is a need for an improved integrated thermal current source circuit that overcomes the problems of the state-of-the-art thermal current source circuits.
Ein zusätzlicher Bedarf besteht nach einer Reglerschaltung, die nicht an den erwähnten Begrenzungen der Regler nach dem Stand der Technik leidet und keine komplizierte Rückkoppel- Schaltung erfordert, um eine Ausgangsspannung zu schaffen, die unter Benutzung einer thermischen präzisions-Stromquelle auf jede Spannung und jeden Temperatur-Koeffizienten eingestellt werden kann.An additional need exists for a regulator circuit that does not suffer from the aforementioned limitations of the prior art regulators and does not require a complex feedback circuit to provide an output voltage that can be tuned to any voltage and temperature coefficient using a precision thermal current source.
Es ist dementsprechend ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Thermostromquellen-Schaltung zu schaffen.It is accordingly an object of the present invention to provide an improved thermocurrent source circuit.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung zum Erzeugen eines Stromes mit einer geregelten Größe und einem geregeltem Temperatur-Koeffizienten zu schaffen, die zur Herstellung in Form einer integrierten Schaltung geeignet ist.It is a further object of the present invention to provide a circuit for generating a current having a controlled magnitude and a controlled temperature coefficient, which is suitable for manufacture in the form of an integrated circuit.
Entsprechend den vorstehenden und anderen Zielen wird ein Thermo-Stromversorgungs-Schaltung geschaffen, welche umfaßt:In accordance with the above and other objects, there is provided a thermo-power supply circuit comprising:
Thermische Stromversorgungs-Schaltung, welche umfaßt:Thermal power supply circuit comprising:
erste und zweite Transistoren, deren Basisanschlüsse miteinander gekoppelt sind und die mit unterschiedlichen vorbestimmten Stromdichten betrieben werden, um eine Differenzspannung mit einem vorbestimmten positiven Temperatur-Koeffizienten zwischen ihren Emittern zu erzeugen;first and second transistors having their bases coupled together and operating at different predetermined current densities to produce a differential voltage having a predetermined positive temperature coefficient between their emitters;
einen ersten Widerstand, der mit dem Emitter des ersten Transistors gekoppelt ist, um als Senke für den Strom von diesem zu wirken;a first resistor coupled to the emitter of the first transistor to sink current therefrom;
einen zweiten Widerstand, der mit dem Emitter des zweiten Transistors gekoppelt ist, um als Senke für einen Anteil des Stroms von diesem zu wirken;a second resistor coupled to the emitter of the second transistor to sink a portion of the current therefrom;
einen dritten Transistor, dessen Kollektor/Emitter-Strecke zwischen dem Emitter des zweiten Transistors und einem Schaltungsknoten (Iout) gekoppelt ist; unda third transistor whose collector/emitter path is coupled between the emitter of the second transistor and a circuit node (Iout); and
Rückkopplungs-Schaltungsmittel, das mit dem Kollektor des zweiten Transistors gekoppelt ist und auf den zweiten Transistor reagiert, um ein Rückkoppelsignal zu der Basis des dritten Transistors zu schaffen, so daß der letztere Strom von dem Emitter des zweiten Transistors einer vorbestimmten Größe senkt, die proportional zu der Differenzspannung und umgekehrt proportional zum Wert des zweiten Widerstandes ist, welcher Strom durch den dritten Transistor zu dem Schaltungsknoten flieht und den vorbestimmten positiven Temperatur-Koeffizienten besitzt.Feedback circuit means coupled to the collector of the second transistor and responsive to the second transistor for providing a feedback signal to the base of the third transistor such that the latter sinks current from the emitter of the second transistor of a predetermined magnitude proportional to the differential voltage and inversely proportional to the value of the second resistor, which current flows through the third transistor to the circuit node and has the predetermined positive temperature coefficient.
Es wird ebenfalls ein verbesserter Spannungsregler beschrieben, der eine Thermostromquelle erfindungsgemäßer Art umfaßt. Der Spannungsregler schafft eine Ausgangsspannung, die auf einen vorbestimmten Spannungspegel und einen vorbestimmtem Temperatur-Koeffizienten eingestellt werden kann.An improved voltage regulator is also described which includes a thermocurrent source according to the invention. The voltage regulator provides an output voltage which can be set to a predetermined voltage level and a predetermined temperature coefficient.
Fig. 1 ist ein schematisches Schaubild, das eine thermische Stromversorgung nach der vorliegenden Erfindung darstellt;Fig. 1 is a schematic diagram illustrating a thermal power supply according to the present invention;
Fig. 2 ist ein schematisches Schaubild, das eine zweite thermische Stromversorgung nach der Erfindung darstellt;Fig. 2 is a schematic diagram illustrating a second thermal power supply according to the invention;
Fig. 3 ist ein schematisches Schaubild, das eine dritte thermische Stromversorgung nach der Erfindung darstellt; undFig. 3 is a schematic diagram showing a third thermal power supply according to the invention; and
Fig. 4 ist ein schematisches Schaubild, das einen Spannungsregler darstellt, der die thermische Stromversorgung aus Fig. 3 enthält.Fig. 4 is a schematic diagram illustrating a voltage regulator incorporating the thermal power supply of Fig. 3.
Wendet man sich nun den Figuren zu, so sind hier verschiedene Ausführungen von Thermostromquellen nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, die zur Herstellung in Form integrierter Schaltungen geeignet sind und zur Errichtung einer regulierten Spannung benutzt werden. Es ist zu verstehen, daß entsprechende in Bezug auf die Figuren beschriebene Bestandteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Fig. 1 stellt die grundsätzlichen Bestandteile und eine Verbindung einer Referenzzelle 12 der thermischen Stromquelle 10 dar. Die Stromquelle 10 ist geeignet, einen Vielfachausgang zu Mehrfachstromquellen wie NPN-Transistoren 14, 16 und 18 zu schaffen, die mit ihr an Klemme 20 gekoppelt sind. Die Kollektoren der Stromquellen-Transistoren sind mit jeweiligen Stromverwendungs-Schaltungen 22, 24 und 26 verbunden, von denen jede einen Strom mit einer vorbestimmten Temperaturcharakteristik erfordert, der sich mit der absoluten Temperatur ändert.Turning now to the figures, there are shown various embodiments of thermal current sources in accordance with the present invention which are suitable for manufacture in integrated circuit form and used to establish a regulated voltage. It is to be understood that like components described with respect to the figures are designated by like reference numerals. Fig. 1 illustrates the basic components and a connection of a reference cell 12 of thermal current source 10. Current source 10 is adapted to provide a multiple output to multiple current sources such as NPN transistors 14, 16 and 18 coupled to it at terminal 20. The collectors of the current source transistors are connected to respective current utilization circuits 22, 24 and 26, each of which requires a current with a predetermined temperature characteristic that varies with the absolute temperature.
Die Referenzzelle 12 der thermischen Stromquelle 10 enthält ein Paar NPN-Transistoren 28 und 30, deren Emitter jeweils über Widerstände 32 bzw. 34 mit der Basis eines NPN-Transistors 36 verbunden sind. Die Kollektor/Emitter-Strecke des Transistors 36 ist zwischen dem Emitter des Transistors 30 und dem negativen Stromversorgungsleiter 38 gekoppelt, dem eine negative oder Massereferenzspannung -V zugeführt wird. Der Transistor 28 ist als Diode geschaltet, wobei sein Kollektor und sein Basis-Anschluß mit dem Basis-Anschluß des Transistors 30 verbunden sind. Ein Paar stromquellen 40 und 42 führen Ströme I&sub1; und I&sub2; zu den Kollektoren der Transistoren 28 bzw. 30 und sind mit einem Versorgungsleiter 44 verbunden, dem eine positive Betriebsspannung Vcc zugeführt wird. Rückkopplung zur Basis des Transistors 36 wird durch einen Puffer-NPN-Transistor geschaffen, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 30 gekoppelt ist und dessen Kollektor/Emitter-Strecke zwischen dem Leiter 44 und dem Ausgangsknoten 20 (zur Basis des Transistors 36) in Reihe mit dem Widerstand 48 zum negativen Versorgungsleiter 38 geschaltet ist.The reference cell 12 of the thermal current source 10 includes a pair of NPN transistors 28 and 30 having their emitters connected to the base of an NPN transistor 36 through resistors 32 and 34, respectively. The collector/emitter path of transistor 36 is coupled between the emitter of transistor 30 and the negative power supply conductor 38 to which a negative or ground reference voltage -V is applied. Transistor 28 is diode-connected with its collector and base terminals connected to the base terminal of transistor 30. A pair of current sources 40 and 42 supply currents I₁ and I₂ to the collectors of transistors 28 and 30, respectively, and are connected to a supply conductor 44 to which a positive supply voltage Vcc is applied. Feedback to the base of transistor 36 is provided by a buffer NPN transistor is created, the base of which is coupled to the collector of transistor 30 and the collector/emitter path between conductor 44 and output node 20 (to the base of transistor 36) is connected in series with resistor 48 to the negative supply conductor 38.
Das Konzept der vorliegenden Erfindung besteht aus (1) der Entwicklung einer Differenzspannung mit einem positiven Temperatur-Koeffizienten (TC), (2) der Benutzung der Differenzspannung, um den Strom einzustellen, der in den Kollektor des Transistors 36 fließt, wobei der Kollektorstrom eine Größe besitzt, die sich mit der absoluten Temperatur ändert, (3) den Basis/Emitter-Spannungsabfall VBE des Transistors mit negativem TC auszunützen, um einen Strom mit einem negativen TC durch den Widerstand 56 zu entwickeln und (4) die beiden Ströme am Knoten 62 zu summieren, um eine kombinierte Spannung zu schaffen, deren Wert und Spannungskoeffizient steuerbar sind.The concept of the present invention consists of (1) developing a differential voltage with a positive temperature coefficient (TC), (2) using the differential voltage to adjust the current flowing into the collector of transistor 36, the collector current having a magnitude that varies with absolute temperature, (3) exploiting the base-emitter voltage drop VBE of the negative TC transistor to develop a current with a negative TC through resistor 56, and (4) summing the two currents at node 62 to create a combined voltage whose value and voltage coefficient are controllable.
Eine Differenzspannung wird bei der vorliegenden Erfindung durch den Betrieb der Transistoren 28 und 30 mit unterschiedlichen Stromdichten erzeugt, die, wie verstanden wird, eine positive Differenzspannung VBE zwischen den Emittern der beiden Transistoren erzeugen. Bei der vorliegenden Erfindung wird der Transistor 28 mit einer niedrigeren Stromdichte als der Transistor 30 betrieben, indem seine Emitterfläche N mal größer als die Emitterfläche des Transistors 30 gemacht wird (wobei N eine positive Zahl ist) und I&sub1; gleich I&sub2; gesetzt wird. Wenn der Widerstand 32 gleich dem Widerstand 34 ist, wird die über der Basis/Emitter-Strecke des Transistors 28 und dem Widerstand 32 entwickelte Spannung gleich der über der Basis/Emitter-Strecke des Transistors 30 und dem Widerstand 34 entwickelten Spannung sein. Da jedoch der Transistor 28 mit der geringeren Stromdichte betrieben wird, wird seine Basis/Emitter-Spannung geringer als die Basis/Emitter- Spannung des Transistors 30 sein, wodurch eine Ruhestellung der vorerwähnten Differenzspannung zwischen deren Emittern eingerichtet wird. Anfangs wird jedoch der Transistor 28, da er den gesamten Strom I&sub1; senkt und als eine Diode betrieben wird, die Spannung zur Vorspannung des Transistors 30 einstellen. Da der Emitter des Transistors 30 (1/N) mal kleiner als der Emitter des Transistors 28 ist, wird der erstere anfangs einen geringeren Kollektorstrom senken, als es der Größe von I&sub2; entspricht. Das läßt die Kollektorspannung des Transistors 30 ansteigen, was wiederum den Rückkoppel-Transistor 46 anschaltet. Der Transistor 46 wird dann Basisansteuerstrom zum Transistor 36 liefern und ihn dadurch leitend machen, um einen Strom IT an seinem Kollektor vom Emitter des Transistors 30 zu senken, bis der Stromfluß durch den letzteren gleich dem Strom I&sub2; ist, und dieser gleich I&sub1;. Durch Einprägen des Stromes den Transistor 30 zur gleichen Größe wie dem Stromfluß durch den Transistor 28 wird die Schaltungsrückkoppel-Wirkung die Differenzspannung VBE zwischen den Emittern derselben erzeugt. Das richtet den durch den Transistor 36 gesenkten Strom IT ein. So kann aus dem Vorstehenden gezeigt werden, daß der Ruhebetriebszustand ist:A differential voltage is produced in the present invention by operating transistors 28 and 30 at different current densities which, as will be understood, produce a positive differential voltage VBE between the emitters of the two transistors. In the present invention, transistor 28 is operated at a lower current density than transistor 30 by making its emitter area N times larger than the emitter area of transistor 30 (where N is a positive number) and setting I1 equal to I2. If resistor 32 is equal to resistor 34, the voltage developed across the base/emitter junction of transistor 28 and resistor 32 will be equal to the voltage developed across the base/emitter junction of transistor 30 and resistor 34. However, since the transistor 28 is operated with the lower current density, its base/emitter voltage will be lower than the base/emitter voltage of the transistor 30, thereby maintaining a rest position of the aforementioned differential voltage between their emitters Initially, however, transistor 28, sinking all of the current I₁ and operating as a diode, will set the voltage to bias transistor 30. Since the emitter of transistor 30 is (1/N) times smaller than the emitter of transistor 28, the former will initially sink a smaller collector current than the magnitude of I₂. This will cause the collector voltage of transistor 30 to rise, which in turn will turn on feedback transistor 46. Transistor 46 will then supply base drive current to transistor 36, thereby rendering it conductive to sink a current IT at its collector from the emitter of transistor 30 until the current flow through the latter is equal to current I₂, which is equal to I₁. By impressing the current through transistor 30 to the same magnitude as the current flowing through transistor 28, the circuit feedback effect will produce the differential voltage VBE between their emitters. This establishes the current IT sunk by transistor 36. Thus, from the above, it can be shown that the quiescent operating condition is:
I&sub1;R&sub3;&sub2; + VBE28 = VBE30 + (I&sub2; - IT)R&sub3;&sub4; undI₁R₃₂ + VBE28 = VBE30 + (I₂ - IT)R₃₄ and
VBE30 - VBE28 = ΔVBE, und dann,VBE30 - VBE28 = ΔVBE, and then,
da I&sub1;R&sub3;&sub2; = I&sub2;R&sub3;&sub4;,since I₁R₃₂ = I₂R₃₄,
IT = ΔVBE/R&sub3;&sub4; :IT = ΔVBE/R₃₄ :
wobei ΔVBE = (KT/q)1n N;where ΔVBE = (KT/q)1n N;
K = Boltzmann-KonstanteK = Boltzmann constant
T = absolute TemperaturT = absolute temperature
q = Elektronenladung.q = electron charge.
Daher ist IT ein thermischer Strom mit einer Größe, die steuerbar durch den Wert von R&sub3;&sub4; eingestellt werden kann und die sich in direkter Beziehung zur absoluten Temperatur ändert. Der NPN-Transistor 46 schafft einen Rückkoppelstrom zum Vorspannen der Basis des Transistors 36, um sicherzustellen, daß sie den korrekten Kollektorstrom senkt. Der Transistor 46 puffert die Ausstrahl-Basisströme der Stromversorgungs- Transistoren 14, 16 und 18 gegen die Beeinflussung des Betriebs der Transistoren 28 und 30. Der Widerstand 48 ist so ausgewählt, daß er einen größeren Strom senkt, als die Summe der Ströme beträgt, welche durch die Widerstände 32 und 34 fließen, um den richtigen Vorspannstrom in den Transistor 46 sicherzustellen. Durch Erden des Emitters des Transistors 36 und Koppeln der Basen der Stromquellen-Transistoren 14, 16 und 18 mit der Klemme 20, werden alle Kollektorströme der letzteren zu Thermoströmen, die sich so ändern, wie sich IT ändert. Diese Ströme können in so ein Verhältnis gebracht werden, daß sie jede gewünschte Größe einnehmen, beispielsweise dadurch, daß Emitter-Widerstände oder ein Emitterflächen-Verhältnis benutzt werden. So besitzt der Transistor 16 einen Widerstand 46 in seinem Emitterweg und der Transistor 18 ist mit Mehrfachemittern dargestellt. Die thermischen Stromquellenzelle 12 ist relativ unabhängig von Änderungen der Stromversorgungs-Spannung, da die Kollektor/Emitter-Spannungen der Transistoren 28 und 30 gut angepaßt sind, weil die Kollektorbasisspannung der beiden Transistoren im wesentlichen gleich Null ist.Therefore, IT is a thermal current having a magnitude that can be controllably adjusted by the value of R34 and that varies in direct relation to absolute temperature. The NPN transistor 46 provides a feedback current to bias the base of transistor 36 to ensure that it sinks the correct collector current. The transistor 46 buffers the radiating base currents of the power supply Transistors 14, 16 and 18 from interfering with the operation of transistors 28 and 30. Resistor 48 is selected to sink a current greater than the sum of the currents flowing through resistors 32 and 34 to insure the proper bias current in transistor 46. By grounding the emitter of transistor 36 and coupling the bases of current source transistors 14, 16 and 18 to terminal 20, all of the collector currents of the latter become thermocurrents which vary as IT varies. These currents can be ratioed to be of any desired magnitude, for example by using emitter resistors or an emitter area ratio. Thus transistor 16 has resistor 46 in its emitter path and transistor 18 is shown with multiple emitters. The thermal current source cell 12 is relatively independent of changes in the power supply voltage because the collector/emitter voltages of the transistors 28 and 30 are well matched because the collector-base voltage of the two transistors is essentially zero.
In Fig. 2 ist ein Paar NPN-Transistoren 50 und 52 gezeigt, welches die Genauigkeit der thermischen Stromquelle 10 verbessert. Der Transistor 50, dessen Kollektor/Emitter-Strecke zwischen dem Stromversorgungs-Leiter 44 und den Basisanschlüssen der Transistoren 28 und 30 und dessen Basis an der Stromquelle 40 angeschlossen ist, puffert die Basisströme für die letztgenannten Transistoren, um einen Fehler zwischen I&sub1; und I&sub2; zu verringern. In gleicher Weise puffert der Transistor 52, dessen Kollektor/Emitter-Strecke zwischen dem Stromversorgungs-Leiter 44 und der Basis des Transistors 46 angeschlossen ist, und dessen Basis mit der Stromquelle 42 verbunden ist, den Basisstrom des Transistors 46.In Fig. 2, a pair of NPN transistors 50 and 52 are shown which improve the accuracy of the thermal current source 10. The transistor 50, with its collector/emitter connected between the power supply conductor 44 and the base terminals of the transistors 28 and 30 and its base connected to the current source 40, buffers the base currents for the latter transistors to reduce an error between I1 and I2. Similarly, the transistor 52, with its collector/emitter connected between the power supply conductor 44 and the base of the transistor 46 and its base connected to the current source 42, buffers the base current of the transistor 46.
Fig. 3 zeigt eine thermische Stromquelle 54, welche einen Ausgangsstrom Iout schafft, der einen einstellbaren Temperatur-Koeffizienten besitzt mit Benutzung vorstehend beschriebenen Konzepte bezüglich der Stromquelle 10. Die thermische Stromquelle 54 enthält einen zusätzlichen Widerstand 54, der zwischen Basis und Emitter des Transistors 36 der Referenzzelle 12 angeschlossen ist. Iout ist deswegen:Fig. 3 shows a thermal current source 54 which provides an output current Iout having an adjustable temperature coefficient using concepts described above with respect to the current source 10. The thermal Current source 54 contains an additional resistor 54 which is connected between the base and emitter of transistor 36 of reference cell 12. Iout is therefore:
Iout = TT + VBE36/R&sub5;&sub6;; undIout = TT + VBE36/R₅₆; and
Iout = ΔVBE/R&sub3;&sub4; + VBE36/R&sub5;&sub6;,Iout = ΔVBE/R₃₄ + VBE36/R₅₆,
wobei VBE36 die Basis/Emitter-Spannung des Transistors 36 ist; und R56 der Widerstandswert des Widerstands 56 ist.where VBE36 is the base/emitter voltage of transistor 36 ; and R56 is the resistance of resistor 56.
Da VBE einen positiven TC und VBE36 einen negativen TC besitzt, kann die Auswahl des Verhältnisses von R34 zu R56 den TC von Iout entweder positiv, negativ oder auch zu Null einstellen. Es ist zu verstehen, daß VBE des Transistors 36 gut gesteuert ist, da der Kollektorstrom desselben als VBE/R34 bekannt ist.Since VBE has a positive TC and VBE36 has a negative TC, the selection of the ratio of R34 to R56 can set the TC of Iout either positive, negative, or even zero. It can be understood that VBE of transistor 36 is well controlled since its collector current is known as VBE/R34.
Beispielsweise wurden Widerstände 32 und 34 vorstehend dargestellt als mit der Basis des Transistors 36 verbunden. Es ergibt sich jedoch aus der vorliegenden Beschreibung, daß die Widerstände 32 und 34 auch an einem gemeinsamen Knotenpunkt mit irgendeiner Referenzspannungsquelle verbunden sein können, solange der Transistor 30 davor geschützt wird, in die Sättigung zu gehen. Es ist auch zu verstehen, daß der Transistor 52 benutzt werden kann, um den Transistor 46 zu puffern, wie in Fig. 2 dargestellt.For example, resistors 32 and 34 were shown above as being connected to the base of transistor 36. However, it will be appreciated from the present description that resistors 32 and 34 may also be connected at a common node to any reference voltage source as long as transistor 30 is protected from going into saturation. It is also to be understood that transistor 52 may be used to buffer transistor 46 as shown in Figure 2.
Fig. 4 stellt den Spannungsregler 60 der vorliegenden Erfindung dar, der die vorstehend beschriebene thermische Stromquelle 54 enthält. Bei der bevorzugten Ausführung ist der Ausgangsknoten 62 in Reihe mit einem zusätzlichen Widerstand 64 angeschlossen. Der Transistor 52, dessen Basis/Emitter- Strecke zwischen dem Kollektor des Transistors 30 und der Basis des Transistors 46 angeschlossen ist und dessen Kollektor mit dem Leiter 44 gekoppelt ist, puffert weiterhin den Kollektor des Transistors 30 gegen die Auswirkungen von Lastströmen ab, die am Knoten 66 zu einem daran angeschlossenen Lastmittel gezogen werden. Zusätzlich stellt der Transistor 52 auch sicher, daß die Kollektorspannung des Transistors 30 gleich der Kollektorspannung des Transistors 28 ist, um eine Fehlanpassung zwischen den beiden Transistoren zu verhindern. Der Widerstand 68 ist zwischen dem Emitter des Transistors 52 und der Ausgangsklemme 62 angeschlossen, an der eine regulierte Ausgangsspannung Vout erzeugt wird.Fig. 4 illustrates the voltage regulator 60 of the present invention incorporating the thermal current source 54 described above. In the preferred embodiment, the output node 62 is connected in series with an additional resistor 64. The transistor 52, whose base/emitter path is connected between the collector of the transistor 30 and the base of the transistor 46 and whose collector is coupled to the conductor 44, further buffers the collector of the transistor 30 against the effects of load currents drawn at node 66 to a load connected thereto. In addition, the transistor 52 also ensures that the collector voltage of transistor 30 is equal to the collector voltage of transistor 28 to prevent mismatch between the two transistors. Resistor 68 is connected between the emitter of transistor 52 and output terminal 62 at which a regulated output voltage Vout is produced.
Eine Spannung wird über den Widerstand 64 entwickelt, die proportional zum Strom Iout ist, kombiniert mit der VBE des Transistors 36, um die kombinierte Spannung Vout zu ergeben. Damit wird Vout gleich:A voltage is developed across resistor 64 that is proportional to current Iout, combined with the VBE of transistor 36 to give the combined voltage Vout. This makes Vout equal to:
Vout = VBE36 (1 + R64/R56) + ΔVBE R64/R34, (4)Vout = VBE36 (1 + R64/R56) + ΔVBE R64/R34, (4)
wobei R64 der Widerstandswert des Widerstandes 64 ist.where R64 is the resistance value of resistor 64.
Damit kann durch richtige Auswahl der Widerstands-Verhältniswerte Vout auf irgendeine gewünschte Spannung eingestellt werden und auf irgendeinen Temperatur-Koeffizienten, unabhängig voneinander.Thus, by properly selecting the resistance ratio values, Vout can be set to any desired voltage and to any temperature coefficient, independently of each other.
Es ist zu verstehen, daß obwohl Vout am Ausgang 66 bei der bevorzugten Ausführung abgenommen wird, eine regulierte Ausgangsspannung, die als Ausgangsspannung des Reglers benutzt werden kann, auch an dem Knoten 62 erzeugt wird.It will be understood that although Vout is taken from output 66 in the preferred embodiment, a regulated output voltage that can be used as the output voltage of the regulator is also produced at node 62.
So ist das vorstehend Beschriebene ein neuartiger Spannungsregler, der eine thermische Stromquelle zum Schaffen eines thermischen Stromes mit einstellbaren Temperatur-Koeffizienten umfaßt und Mittel zum Entwickeln einer zu dem thermischen Strom proportionalen Spannung und zum Kombinieren der Spannung mit einer weiteren Spannung, die einen unterschiedlichen Temperatur-Koeffizienten besitzt, um eine kombinierte Spannung zu erzeugen, deren Größe und Temperatur-Koeffizient unabhängig voneinander gesteuert werden können.Thus, what is described above is a novel voltage regulator comprising a thermal current source for providing a thermal current having adjustable temperature coefficients and means for developing a voltage proportional to the thermal current and combining the voltage with another voltage having a different temperature coefficient to produce a combined voltage whose magnitude and temperature coefficient can be independently controlled.
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