DE3879089T2

DE3879089T2 - Spannungsregler.

Info

Publication number: DE3879089T2
Application number: DE8888480018T
Authority: DE
Inventors: Gene Joseph Gaudenzi; Susan Lynn Tempest
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1987-10-23
Filing date: 1988-08-16
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2008-08-17
Also published as: EP0313492A1; EP0313492B1; US4810962A; DE3879089D1; JPH01114919A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Spannungsregler und im besonderen auf einen Spannungsregler, der Schwankungen der Temperatur, der Stromversorgung und des Verfahrens ausgleicht.
Bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Schaltungen ist es notwendig, an einem gegebenen Punkt in einer Schaltung eine geregelte Spannung zur Verfügung zu stellen, die sich trotz Temperaturschwankungen und Schwankungen in der Stromzuleitung und dem Massepotential nicht ändert. Bei einer Anzahl von Anwendungsfällen muß die Schaltung, die die geregelte Spannung liefern soll, dies auch bei Stromentnahme gewährleisten.
Zusätzlich ist herausgefunden worden, daß es in vielen Änwendungsbereichen besonders kritisch ist, die Spannung zu steuern und dabei zu vermeiden, daß die Spannungsversorgung unter eine gegebene Schwellenspannung abfällt. Insbesondere ist herausgefunden worden, daß der höchste positive obere Pegel für Treiberausgangsleitungen und andere Leitungsspannungen dann auftritt, wenn die Spannungsversorgung auf ihren niedrigsten Spannungspegel abfällt.
In der Literatur "IBM Technical Disclosure Bulletin", Bd. 25, Nr. 9 vom Februar 1983, New York, Seite 4863 "Integrated transistor voltage/temperature regulator" von Cavaliere et al wird ein Beispiel für einen Spannungsregler beschrieben, der eine kontinuierliche Stromentnahme nicht absichert.
Das Problem, das durch die vorliegende Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, trotz Schwankungen in der Temperatur und in der Stromzuleitung eine geregelte Spannung zur Verfügung zu stellen, obwohl zur selben Zeit Strom entnommen wird. Die vorliegende Erfindung ist im besonderen darauf gerichtet, daß der Abfall der geregelten Spannung unter einen vorgegebenen Schwellenwert verhindert wird. Diese geregelte Spannung wird ohne den Einsatz von PNP-Transistoren erreicht.
Weiterhin ist es besonders wünschenswert, den höchsten positiven oberen Pegel für Treiberschaltungen und andere Schaltungen zur Leitungsspannungsbestimmung zu steuern. Dementsprechend wird die Leitungsschaltung auf Schwellwertbereiche angehoben, wodurch Schaltverzögerungen und die Wahrscheinlichkeit von Fehlschaltungen herabgesetzt werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Dieses Problem wird durch den Spannungsregler gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst, die in Anspruch 1 definiert wird und die umfaßt:
eine erste Spannungsversorgung;
einen ersten Knotenpunkt;
einen ersten Transistor mit einem Steueranschluß, der an dem ersten Knotenpunkt angeschlossen ist;
Mittel zur Veränderung des VBE-Spannungsabfalls des ersten Transistors in Abhängigkeit davon, ob sich der Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung oberhalb oder unterhalb einer Schwellenspannung befindet; und
Mittel zur Veränderung des Spannungspegels an dem stromemittierenden Anschluß des ersten Transistors, um im Zusammenhang mit der Veränderung des VBE-Spannungsabfalls der Änderung im Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung entgegenzuwirken. Der Spannungsregler umfaßt weiterhin Mittel zur Kompensation des Spannungspegels am ersten Knotenpunkt in bezug auf die VBE-Veränderungen, die durch Temperaturschwankungen verursacht wurden. Im besonderen umfaßt das VBE-Veränderungsmittel ein erstes Stromkanalmittel mit einem Stromsteueranschluß, der über eine erste Verbindungsschaltung an die erste Spannungsversorgung angeschlossen ist, wobei dann, wenn die erste Spannungsversorgung einen Spannungspegel unterhalb eines Schwellenwertes hat, das erste Stromkanalmittel einen Strom aus dem ersten Transistor zieht, der größer als der erste Strompegel ist, damit über dem ersten Transistor ein erster VBE-Spannungsabfall erfolgt; und ein zweites Stromkanalmittel mit einem Stromsteueranschluß, der über eine zweite Verbindungsschaltung an die erste Spannungsversorgung angeschlossen wird, wobei dann, wenn die erste Spannungsversorgung einen Spannungspegel oberhalb des Schwellenwertes hat, der zweite Stromkanal bei einem zweiten Pegel, der niedriger ist als der erste Pegel, einen Strom zieht, damit über dem ersten Transistor ein zweiter VBE-Spannungsabfall auftritt, der niedriger als der erste VBE-Spannungsabfall ist. Das erste Stromkanalmittel umfaßt einen zweiten Transistor und einen Strompfad vom stromemittierenden Anschluß des ersten Transistors zum Steueranschluß des zweiten Transistors, und das erste und das zweite Stromkanalmittel bilden einen Stromschaltpfad.
In einer speziellen Ausführung der vorliegenden Erfindung kann das Mittel zur Veränderung des Spannungspegels
einen dritten Transistor, dessen stromemittierender Anschluß so geschaltet ist, daß er die Spannung an dem stromemittierenden Anschluß des ersten Transistors beeinflußt; und
ein erstes Widerstandsmittel umfassen, dessen eines Ende mit dem Steueranschluß des dritten Transistors verbunden wird, damit die Spannung am Steueranschluß so vermindert wird, wie der Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung ansteigt.
Bei einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung kann der Spannungsregler
einen Knotenpunkt, der mit dem anderen Ende des ersten Widerstandsmittels verbunden ist;
ein zweites Widerstandsmittel, das zwischen der ersten Spannungsversorgung und dem zweiten Knotenpunkt geschaltet ist; ein Mittel, das Strom über den zweiten Knotenpunkt zieht, der durch Temperaturschwankungen nicht beeinflußt wird; umfassen, wobei die erste Verbindungsschaltung einen Transistor umfaßt, dessen Steueranschluß mit dem zweiten Knotenpunkt verbunden ist und der dazu dient, den Steueranschluß des ersten Stromsteuermittels mit Strom zu versorgen. Die zweite Verbindungsschaltung kann eine Spannungsteilerschaltung umfassen, deren eines Ende mit der ersten Spannungsversorgung verbunden ist und die einen Anschluß an einem Spannungsteilungspunkt umfaßt, so daß für den Fall, daß sich die erste Spannungsversorgung oberhalb des Schwellenwertes befindet, dann das zweite Stromkanalmittel mehr Stroh zieht als das erste Stromkanalmittel.
Bei einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung kann das zweite Stromkanalmittel so geschaltet werden, daß es Strom aus dem stromemittierenden Anschluß des dritten Transistors zieht.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Abbildung ist ein Schaltplan einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit einer spezifischen Schaltungsausführung beschrieben. Die Darlegungen der Erfindung des Einreichers sind jedoch nicht auf diese spezielle Schaltungsanordnung beschränkt, sondern sie können darüberhinaus in einer Anzahl von unterschiedlichen Schaltungsanordnungen realisiert werden. Zusätzlich wird die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einer Schaltung beschrieben, die unter Verwendung von NPN-Transistoren realisiert wurde. Für den Fachmann ist es natürlich selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf diesen speziellen Transistortyp beschränkt ist. Im Hinblick darauf können die in der Abbildung dargestellten NPN-Transistoren durch jede beliebige geeignete Schalteinrichtung ersetzt werden.
Es sollte noch angemerkt werden, daß bei der Auslegung der Ansprüche der Ausdruck "stromemittierender Anschluß" in den Ansprüchen dahingehend zu verstehen ist, daß er bipolare Emitter- Anschlüsse und Source-Anschlüsse von Feldeffekttransistoren einschließt. Gleichermaßen soll der Ausdruck "Steueranschluß" die Basisanschlüsse von bipolaren Transistoren und die Gate-Anschlüsse von Feldeffekttransistoren mit umfassen. Schließlich soll der Ausdruck "stromaufnehmender Anschluß" die Kollektoranschlüsse bei bipolaren Transistoren und die Drainanschlüsse bei Feldeffekttransistoren mit einschließen.
Wenn man nun Bezug nimmt auf die Fig. 1, dann ist dort eine Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zu dieser Ausführung gehören eine erste Spannungsversorgung 10, ein erster Knotenpunkt 12 und ein erster Transistor 14, bei dem ein Steueranschluß mit dem ersten Knotenpunkt 12, ein Kollektoranschluß über den Widerstand 15 mit der ersten Spannungsversorgung 10 und ein Emitteranschluß mit einem Knotenpunkt 16 verbunden sind. Weiterhin eingeschlossen ist eine Schaltung zur Realisierung eines Mittels zur Veränderung des VBE-Spannungsabfalls des ersten Transistors 14 in Abhängigkeit davon, ob der Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung 10 sich oberhalb oder unterhalb einer voreingestellten Schwellenspannung befindet. Diese Veränderung beim VBE-Spannungsabfall des ersten Transistors 14 kann von der Veränderung des Strompegels, der durch diesen Transistor gezogen wird, begleitet sein. Die Abbildung umfaßt weiterhin Mittel zur Veränderung des Spannungspegels am stromemittierenden Anschluß des ersten Transistors 14, um im Zusammenhang mit der Veränderung des VBE-Spannungsabfalls des ersten Transistors 14, der Änderung im Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung 10 entgegenzuwirken. Abschließend umfaßt diese Abbildung Mittel zur Kompensation des Spannungspegels am ersten Knotenpunkt hinsichtlich der VBE-Veränderungen, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden.
Das Mittel zur Veränderung des VBE-Spannungsabfalls des ersten Transistors 14 soll nun ausführlich diskutiert werden. Obgleich eine ganze Anzahl von Schaltungsanordnungen zur Realisierung dieser Funktion verwendet werden könnte, umfaßt bei einer bevorzugten Ausführung das Mittel zur VBE-Veränderung ein erstes Stromkanalmittel, das im allgemeinen dafür vorgesehen ist, die Einrichtungen innerhalb des Kästchens aus gestrichelten Linien 18 zu enthalten, und ein zweites Stromkanalmittel, das im allgemeinen dafür vorgesehen ist, die Einrichtungen innerhalb des Kästchens aus gestrichelten Linien zu enthalten. Das erste Stromkanalmittel hat einen Stromsteueranschluß 22, der über eine erste Verbindungsschaltung 24 an die erste Spannungsversorgung 10 angeschlossen ist. Bei der in der Abbildung gezeigten Ausführung wird diese erste Verbindungsschaltung durch einen Transistor 24 realisiert, dessen Kollektor mit der ersten Spannungsversorgung 10 und dessen Emitter mit dem Stromsteueranschluß 22 verbunden sind. Das erste Stromkanalmittel 18 ist so aufgebaut, daß für den Fall, wenn die erste Spannungsversorgung 10 einen Spannungspegel unterhalb eines voreingestellten Schwellenwertes hat, das erste Stromkanalmittel 18 Strom zieht, der größer ist als der erste Strompegel aus dem ersten Transistor 14, so daß damit ein erster VBE-Spannungsabfall über dem ersten Transistor erzeugt wird. Bei der in der Abbildung dargestellten Ausführung umfaßt das erste Stromkanalmittel einen zweiten Transistor 26 und einen Strompfad 28 vom stromemittierenden Anschluß 16 des ersten Transistors 14 zum Steueranschluß des zweiten Transistors 26. In dieser Ausführung ist der Kollektoranschluß des zweiten Transistors 26 mit der ersten Spannnungsversorgung 10 verbunden. Das erste Stromkanalmittel umfaßt weiterhin eine Stromquelle 30 und ein erstes Stromsteuermittel 32. In der in der Abbildung dargestellten Ausführung umfaßt die Stromquelle 30 einfach einen Widerstand 30, dessen eines Ende mit einer zweiten Spannungsversorgung 34 verbunden ist und dessen anderes Ende mit einem Anschluß 36 verbunden ist. Das erste Stromsteuermittel 32 wird mit Hilfe eines Transistors 32 realisiert, dessen Kollektor mit dem Emitter des zweiten Transistors 26 und dessen Emitter mit dem anderen Ende 36 des Widerstandes 30 verbunden sind. Die Basis des Transistors 32 wird mit dem Stromsteueranschluß 22 des ersten Stromkanalmittels 18 verbunden.
Das zweite Stromkanalmittel 20 umfaßt ein zweites Stromsteuermittel 40 einschließlich des Steueranschlusses 42 des zweiten Stromkanalmittels. Das zweite Stromsteuermittel 40 ist mit der Stromquelle 30 verbunden, damit es daraus entsprechend der Spannung am Steueranschuß 42 für das zweite Stromkanalmittel Strom zieht. Bei der in der Abbildung dargestellten Ausführung wird das zweite Stromsteuermittel 40 durch einen Transistor 40 realisiert, dessen Emitteranschluß mit dem Anschluß 36 für die Stromversorgung 30 verbunden ist. Der Basisanschluß für den Transistor 40 wird über eine Diode 44 (Transistor, bei dem Kollektor und Basis verbunden sind) mit dem Steueranschluß 42 für das zweite Stromkanalmittel 20 verbunden. Die Diode 44 ist dazu eingebaut, damit der VBE-Spannungsabfall des Transistors 24 kompensiert wird.
Das zweite Stromkanalmittel 20 umfaßt weiterhin Mittel zur Aufteilung des Stromes aus dem zweiten Stromsteuermittel 40 in einen ersten und einen zweiten Teilstrom, wobei der zweite Teilstrom an den stromemittierenden Anschluß 16 des ersten Transistors 14 angelegt wird. Es gibt eine ganze Anzahl von Anordnungen, die zur Ausführung dieser Stromaufteilungsfunktion benutzt werden könnten. Bei der in der Abbildung dargestellten Ausführung wird der Transistor 50 so angeordnet, daß sein Kollektoranschluß mit der ersten Spannungsversorgung 10 und sein Emitteranschluß mit dem Kollektoranschluß 48 für den Transistor des zweiten Stromsteuermittels verbunden werden. Dieser Transistor 50 wird dazu benutzt, den ersten Teilstrom zu ziehen. Eine zweite Einrichtung 52 wird ebenfalls mit dem Kollektoranschluß 48 für den Transistor 40 verbunden, um den zweiten Teilstrom zu ziehen. Bei der in der Abbildung dargestellten Ausführung wird diese zweite Einrichtung 52 durch eine Diode (ein Transistor, bei dem Basis und Kollektor verbunden sind) realisiert, wobei die Kathode dieser Diode 52 mit dem Anschluß 48 und die Anode der Diode 52 mit dem Anschluß 16 verbunden werden. Bei der in der Abbildung dargestellten Ausführung umfaßt die zweite Verbindungsschaltung zur Verbindung des Steueranschlusses 42 des zweiten Stromkanalmittels mit der ersten Spannungsversorgung 10 eine Spannungsteilerschaltung. Diese Spannungsteilerschaltung umfaßt einen Widerstand 60 und einen Widerstand 62. Der Widerstand 60 ist mit seinem einen Ende mit der ersten Spannungsversorgung 10 und mit seinem anderen Ende mit dem Steueranschluß 42 verbunden. Der Widerstand 62 ist mit seinem einen Ende mit dem Steueranschluß 42 und mit seinem anderen Ende mit der zweiten Spannungsversorgung 34 verbunden. Die Widerstandswerte für die Widerstände 60 und 62 sind so gewählt, daß für den Fall, wenn die erste Spannungsversorgung 10 einen Spannungspegel oberhalb des voreingestellten Schwellenwertes hat, dann die Spannung an dem Steueranschluß 42 so sein wird, daß das zweite Stromsteuermittel 40 mehr Stroh aus der Stromquelle 30 zieht als das erste Stromsteuermittel 32. Im wesentlichen werden die Widerstandswerte des Spannungsteilers so eingestellt, daß der vom Transistor 40 gezogene Strom den Strom einholt, der vom Transistor 32 bei einer voreingestellten Schwellenspannung an der ersten Spannungsversorgung 10 gezogen wird. Bei den ersten Spannungsversorgungspegeln oberhalb dieser Schwellenspannung wird der Transistor 40 fortlaufend mehr Strom aus der Stromquelle 30 ziehen, die zu dem Transistor 30 gehört. Eine typische Schwellenspannung für die erste Spannungsversorgung 10 könnte zum Beispiel 5 Volt betragen. Für diese Schwellenspannung könnten die Widerstände 60 und 62 die Werte 6 kOhm beziehungsweise 9,4 kOhm annehmen.
Es sollte noch angemerkt werden, daß das erste und das zweite Stromkanalmittel 18 und 20 so verbunden sind, daß sie eine Stromschaltanordnung bilden.
Wie oben schon angemerkt, umfaßt die Schaltung weiterhin Mittel zur Veränderung der Spannungspegel an dem stromemittierenden Anschluß 16 des ersten Transistors 14, damit den Änderungen im Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung 10 entgegengewirkt wird. Das Mittel zur Veränderung des Spannungspegels umfaßt in der Ausführung, wie sie in der Abbildung dargestellt ist, einen dritten Transistor, dessen stromemittierender Anschluß so geschaltet ist, daß er die Spannung an dem stromemittierenden Anschluß des ersten Transistors 14 direkt beeinflußt. Dieser dritte Transistor wird üblicherweise durch den Transistor 50 realisiert, der so angeordnet ist, daß sein Kollektor mit der ersten Spannungsversorgung 10 und sein Emitter mit dem Anschluß 48, an dem der erste Teilstrom anliegt, verbunden sind. Das Mittel zur Spannungpegelveränderung umfaßt weiterhin das Widerstandsmittel 64, das mit einem zweiten Knotenpunkt 66 (der eine Spannung hat, die ein Maß für den Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung 10 ist) und dem Steueranschluß des dritten Transistors 50 verbunden ist. Dieses Widerstandsmittel 64 bewirkt eine Änderung der Spannung an dem Steueranschluß des Transistors 50, damit den Änderungen des Spannungspegels der ersten Spannungsversorgung 10 entgegengewirkt wird.
Bei der in der Abbildung dargestellten Ausführung wird der zweite Knotenpunkt 66 über einen Widerstand 68 mit der ersten Spannungsversorgung 10 verbunden. Es ist auch ein Transistor enthalten, der über den Widerstand 68 und den zweiten Knotenpunkt 66 Strom zieht, damit man am zweiten Knotenpunkt einen Spannungspegel erreicht, der ein Maß für den Spannungspegel der ersten Stromversorgung 10 ist. In der in der Abbildung dargestellten Konfiguration ist der Transistor 70 so angeordnet, daß sein Kollektor mit dem zweiten Knotenpunkt 66 und sein Emitter mit der zweiten Spannungsversorgung 34 verbunden sind.
Wenn die Schaltung zur Veränderung der VBE-Spannung im Betrieb ist, dann veranlaßt im ersten Fall, bei dem die erste Spannungsversorgung eine Spannung oberhalb des voreingestellten Schwellenwertes hat, der Spannungsteiler, der aus den Widerständen 60 und 62 besteht, einen Anstieg der Spannung am Steueranschluß 42. Dieser Spannungsanstieg am Steueranschluß 42 wird über die Diode 44 an die Basis des zweiten Stromsteuertransistors 40 weitergeleitet, damit der von ihm gezogene Strom ansteigt. Diese erhöhte Spannung für die Basis des Transistors 40 führt dazu, daß die Spannung am Anschluß 36 um einen vergleichbaren Betrag ansteigt.
Dieser Spannungsanstieg am Anschluß 36 vermindert jedoch den VBE-Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen 22 und 36 für den ersten Stromsteuertransistor 32. Dementsprechend vermindert sich der durch den Transistor 32 gezogene Strom. Das Ergebnis dieser Schaltvorgänge besteht darin, daß durch den Transistor 40 mehr Strom über den Transistor 50 und die Diode 52 gezogen wird. Da jedoch dieser Strom in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird, ist der Anstieg des Stromes vernachlässigbar, der aus dem Emitteranschluß 16 des ersten Transistors 14 zur Anode der Diode 52 gezogen wird. Zusätzlich wird der durch die Diode 52 gezogene Strom durch die Tatsache begrenzt, daß der Transistor 40 zur Aufnahme eines gegebenen Strombetrages vorgespannt ist, und der größte Teil dieses Stromes wird vom Transistor 50 gezogen. In diesem Zusammenhang enthält der Strompfad für die Diode 52 den ersten Transistor 14 und den Widerstand 15. Üblicherweise ist der Widerstand 15 groß und hat die Größenordnung von 3 kOhm. Daher ist der Strompfad über die Diode 52 ein Pfad mit hoher Impedanz. Dementsprechend verändert sich der VBE- Spannungsabfall zwischen den Anschlüssen 12 und 16 bei erhöhten Spannungspegeln an der ersten Spannungsversorgung 10 nur gering.
Ein erhöhter Spannungspegel bei der ersten Spannungsversorgung 10 führt jedoch zu einer erhöhten Spannung am zweiten Knotenpunkt 66. Diese erhöhte Spannung am zweiten Knotenpunkt 66 wird über den Widerstand 64 an den Steueranschluß für den Transistor 50 angelegt, um die Leitfähigkeit des Transistors zu erhöhen. Es ist ebenfalls anzumerken, daß der zweite Stromsteuertransistor 40 aufgrund der Spannungsteilerwirkung der Widerstände 60 und 62 mehr Strom zieht. Daher wird über den Widerstand 64 zum Steueranschluß des Transistors 50 mehr Strom gezogen, was einen entgegengesetzt wirkenden Anstieg des Spannungsabfalls über dem Widerstand 64 verursacht. Die resultierende niedrigere Spannung an der Basis des Transistors 50 wird dann mittels eines VBE- Spannungsabfalls des Transistors 50 auf den Anschluß 48 umgesetzt. Diese niedrigere Spannung am Anschluß 48 wird durch den Diodenspannungsabfall der Diode 52 an den Anschluß 16 umgesetzt. Der erste Transistor 14 setzt diese niedrigere Spannung am Anschluß 16 durch einen VBE-Spannungsabfall an den ersten Knotenpunkt 12 um. Dementsprechend ist der Anstieg des Spannungspegels der ersten Spannungsversorgung 10 über ihre voreingestellte Schwelle durch einen erhöhten Spannungsabfall über dem Widerstand 64 und einen erhöhten VBE-Abfall über dem Transistor 50 (umgesetzt zum Anschluß 16) kompensiert worden. Der niedrige Strom über dem Transistor 14 stellt sicher, daß jegliche VBE- Änderung über dem ersten Transistor 14 ein Nennwert ist.
Gleichermaßen bewirkt das erste Stromkanalmittel 18 dann, wenn der Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung 10 unter den voreingestellten Schwellenpegel abfällt, daß darüber mehr Strom gezogen wird. In diesem Zusammenhang bewirkt der aus den Widerständen 60 und 62 bestehende Spannungsteiler, daß die Spannung von der ersten Spannungsversorgung 10 so geteilt wird, daß für den Fall, daß dieser Spannungsversorgungspegel unter den voreingestellten Schwellenpegel absinkt, die Spannung am Steueranschluß 42 einen solchen Wert hat, daß der Transistor 40 im zweiten Stromkanalmittel 20 weniger Strom zieht als der Transistor 32 im ersten Stromkanalmittel 18. Wenn über den Transistor 32 mehr Strom gezogen wird, dann führt dies dazu, daß über den Transistor 26 und besonders vom Emitteranschluß 16 über den Basisanschluß für den Transistor 26 mehr Strom gezogen wird. Weil der über die Basis des Transistors 26 gezogene Strom größer als der über die Diode 52 gezogene Strom ist, wenn sich die erste Spannungsversorgung 10 oberhalb ihres Schwellenpegels befindet, erhöht sich der VBE-Spannungsabfall für den ersten Transistor 14 um einen Betrag in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mV.
Zusätzlich wird dann, da über den Transistor 32 mehr und über den Transistor 40 des zweiten Stromkanalmittels 20 weniger Strom gezogen wird, weniger Strom über den Widerstand 64 und den Transistor 50 gezogen. Das Ergebnis dieses Vorganges besteht darin, daß es einen geringeren Spannungsabfall über dem Widerstand 64 gibt, so daß an der Basis des Transistors 50 eine höhere Spannung zur Verfügung steht. Diese höhere Spannung an der Basis des Transistors 50 wird dann durch einen VBE-Spannungsabfall hinunter an den Anschluß 48 umgesetzt, und er wird dann durch den Spannungsabfall der Diode 52 nach oben an den Emitteranschluß 16 umgesetzt. Dementsprechend wird sichtbar, daß ein niedriger Spannungspegel am zweiten Knotenpunkt 66, der mit der ersten Spannungsversorgung 10 verbunden ist, mit einem kleineren Spannungsabfall über den Widerstand 64 und die VBE des Transistors 50 an den Anschluß 48 umgesetzt wird. Die Spannung an dem Anschluß 48 wird dann über den Diodenspannungsabfall der Diode 52 und die VBE für den ersten Transistor 14 an den ersten Knotenpunkt 12 umgesetzt. Der größere Strom, der aus dem ersten Transistor 14 über die Basis des Transistors 26 gezogen wird, stellt sicher, daß der VBE-Spannungsabfall am ersten Transistor 14 erhöht wird. Damit wird ein Abfall des Spannungspegels der ersten Spannungsversorgung 10 unterhalb einer voreingestellten Schwelle am ersten Knotenpunkt 12 kompensiert.
Als zusätzliches Merkmal können Mittel zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit des Stromschalters vorgesehen werden, wenn der erste Stromkanal 18 den größten Anteil des Stromes im Vergleich zum zweiten Stromkanalmittel 20 zu leiten beginnt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Spannung am Steueranschluß 42 für das zweite Stromkanalmittel 20 gesenkt wird. In einer möglichen Ausführung kann dieses Mittel zur Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit einen Transistor 110 umfassen, dessen Basisanschluß so geschaltet ist, daß er Strom aus dem Steueranschluß 41 des zweiten Stromsteuermittels 20 zieht und dabei die Basisvorspannung für den Transistor 40 vermindert. In der in der Abbildung dargestellten Ausführung sind der Kollektor des Transistors 110 mit der ersten Spannungsversorgung 120 und sein Emitter mit dem Kollektor des ersten Stromsteuertransistors 32 verbunden. Dieser Transistor 110 wirkt so, daß er dann, wenn der Transistor 32 damit beginnt, den Hauptanteil des Stromes im Stromschalter zu leiten, er mehr Strom über den Widerstand 60 in den Spannungsteiler zieht, was zu einem schnellen Spannungsabfall an der Basis des Transistors 40 und einem kürzeren Stromschaltvorgang zwischen den Transistoren 40 und 32 führt. Der Einbau des Transistors 110 führt zu einer Verbesserung der Spannungsregelung um 3 bis 5 mV.
Wie schon früher angemerkt, umfaßt der vorliegende Spannungsregler weiterhin Mittel zur Kompensation des Spannungspegels des ersten Knotenpunktes 12 für VBE-Temperaturschwankungen in der Schaltung. Die Schaltung für die Temperaturkompensation wird mit dem zweiten Knotenpunkt 66 und dem Transistor 70 verbunden und arbeitet so, daß sichergestellt wird, daß VBE-Abweichungen beim Transistor 70 den Pegel des über den Widerstand 68 gezogenen Stromes nicht verändern. Diese Temperaturkompensationsschaltung umfaßt die Anordnung eines Widerstandes 72 und einer Diode 74 (ein Transistor, bei dem Kollektor und Basis verbunden sind), die mit der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors 70 parallel geschaltet sind. Die verwendete Diode 74 wird jedoch absichtlich so entworfen, daß sie eine viel leistungsfähigere Einrichtung als der Transistor 70 ist, so daß die VBE der Diode 74 niedriger ist als die VBE des Transistors 70. Diese niedrigere VBE für die Diode 74 stellt sicher, daß der Strom über den Widerstand 72 fließt. Es ist jedoch anzumerken, daß sich die beiden VBE in Abhängigkeit von einer Temperaturveränderung um den gleichen Betrag ändern werden, obwohl die VBE für die beiden Transistoren 70 und 74 unterschiedlich sind.
Die Schaltung umfaßt weiterhin einen zusätzlichen Widerstand 76, der zur Bildung einer Spannungsteilerschaltung mit dem Widerstand 72 in Reihe geschaltet ist, mit einem Transistor 78. Der Transistor 78 ist so angeordnet, daß sein Kollektoranschluß mit der ersten Spannungsversorgung 10, sein Basisanschluß mit dem zweiten Knotenpunkt 66 und sein Emitteranschluß mit dem einen Ende des Widerstandes 76 verbunden werden. Der Basisanschluß für den Transistor 70 ist mit dem Reihenschaltungsanschluß 80 zwischen den Widerständen 76 und 72 verbunden.
Durch die richtige Auswahl der Werte für die Widerstände 72 und 76 wird an der Basis des Transistors 70 eine gewünschte Vorspannung eingestellt, so daß ein gewünschter Spannungspegel am zweiten Knotenpunkt 66 zur Verfügung steht, wenn die erste Spannungsversorgung 10 sich an ihrem Schwellenpegel befindet. Beispielweise können bei einem Wert des Widerstandes 68 von 14 kOhm die Werte der Widerstände 76 und 72 bei 11,25 kOhm beziehungsweise 0,5 kOhm liegen.
Die vorstehende Schaltung arbeitet zur Erreichung der Temperaturkompensation wie folgt. Es ist zu sehen, daß jegliche Veränderung in den VBE für den Transistor 70 von einer identischen Veränderung in den VBE für die Diode 74 gefolgt ist, weil die Basis-Emitter-Verbindung des Transistors 70 parallel mit der Basis-Emitter-Schaltung für die Diode 74 verbunden ist. Im wesentlichen ist die Spannung über dem Widerstand 72 bei einem konstanten ersten Spannungsversorgungspegel konstant. Dementsprechend arbeitet der Widerstand 72 tatsächlich als konstante Stromquelle zur Bereitstellung einer Vorspannung am Transistor 70. Es sollte auch angemerkt werden, daß der Wert für den Widerstand 68 zweckmäßigerweise groß gewählt werden sollte, damit abgesichert wird, daß der durch den Transistor 70 gezogene Strom klein ist. Ein solch kleiner Strom über dem Transistor 70 minimiert auch jegliche auf die Temperatur zurückzuführende Veränderung der VBE des Transistors 70.
Es sollte angemerkt werden, daß die Spannungsteilerwirkung der Widerstände 72 und 76 in der Temperaturkompensationsschaltung ein zusätzliches Mittel zur Kompensation von Änderungen im Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung 10 bietet. Wenn zum Beispiel die Spannung der ersten Spannungsversorgung 10 über ihren voreingestellten Schwellenwert ansteigt, dann erhöht sich die Spannung am zweiten Knotenpunkt 66 dementsprechend. Dieser erhöhte Spannungspegel am zweiten Knotenpunkt 66 läßt den über den Transistor 78 in der Temperaturkompensationsschaltung gezogenen Strom ansteigen und erhöht die Spannung am Emitter des Transistor 78. Dementsprechend wird diese erhöhte Spannung am Emitter des Transistors 78 so geteilt werden, daß die Spannung am Steueranschluß 80 für den Transistor 70 wertmäßig ansteigt. Dementsprechend zieht der Transistor 70 über den Widerstand 68 mehr Strom, wobei die Spannung am Knotenpunkt 66 abfällt.
Gleichermaßen ist zu erkennen, daß der Spannungspegel am zweiten Knotenpunkt 66 wertmäßig abfallen wird, wenn der Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung 10 unter den voreingestellten Schwellenwert abfällt. Dies führt zu einer niedrigeren Spannung am Emitteranschluß des Transistors 78 und am Steueranschluß für den Transistor 70, so daß der Transistor 70 weniger Strom über den Widerstand 68 zieht. Dementsprechend steigt der Spannungspegel am zweiten Knotenpunkt 66 wertmäßig an.
Der Entwickler kann über den Kollektor- und Basisanschlüssen von ausgewählten Transistoren passenderweise Schottky-Dioden einfügen, um der Sättigung der Transistoren vorzubeugen. In der Abbildung ist eine Anzahl solcher Schottky-Dioden dargestellt.
Es gibt eine Vielzahl von Schaltungen, die so aufgebaut sein können, daß sie die geregelte Spannung an dem ersten Knotenpunkt 12 benutzen. Eine dieser vielen Schaltungen ist in der Abbildung dargestellt. Diese Schaltungsanordnung ist eine Darlington- Schaltung, die einen Transistor 90 zur Speisung der Basisanschlüsse einer Vielzahl von parallelgeschalteten Transistoren 92, 94, 96, 98, 100 und 102 umfaßt. Der Transistor 90 ist so angeordnet, daß sein Kollektoranschluß mit der ersten Spannungsversorgung 10, sein Basisanschluß mit dem Kollektoranschluß für den ersten Transistor 14 und sein Emitteranschluß mit dem ersten Knotenpunkt 12 verbunden sind. Die Transistoren 92 bis 102 sind alle parallelgeschaltet, wobei ihre Kollektoranschlüsse mit der ersten Spannungsversorgung 10, ihre Basisanschlüsse mit dem ersten Knotenpunkt 12 und ihre Emitteranschlüsse über einen Widerstand 104 mit der zweiten Spannungsversorgung 34 verbunden sind. Die Vielzahl der parallelgeschalteten Transistoren 92 bis 102 dient der Zuverlässigkeit der Aufteilung des von der Schaltung zur Verfügung gestellten Stromes. Die Spannung am ersten Knotenpunkt 12 wird durch einen VBE-Spannungsabfall hinunter zum dritten Knotenpunkt 106 umgesetzt, um sie für spätere Schaltungen zu nutzen.
Die vorliegende Spannungsregelungsschaltung ist gekennzeichnet durch die Kompensation von sowohl Temperatur- wie auch Stromzuleitungsschwankungen, damit am ersten Knotenpunkt 12 eine geregelte Spannung zur Verfügung steht. Diese Schaltung wird sowohl bei Stromaufnahme wie Stromabgabe eine geregelte Spannung liefern. Bei einer Ausführung dieser Schaltung war der Spannungspegel am ersten Knotenpunkt 12 bei der Verwendung einer Stromzuleitung, die zwischen 4,5 V und 5,5 V schwankte, bei einer Verschiebung des Massepotentials zwischen -O,015 V und +0,125 V und bei einem Temperaturbereich von 10ºC bis 100ºC genau geregelt.
Die vorliegende Spannungsregelungsschaltung kann bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Schaltungsanwendungen einschließlich Treibern und Empfängern genutzt werden. Diese Schaltung hat insbesondere die Fähigkeit, über den Transistor 14 zu jeder Zeit Strom aufzunehmen, während sie ihre Spannungsregelungsfunktion ausübt.
Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der Steuerung des höchsten positiven oberen Pegels für Treiberschaltungen und andere Schaltungen zur Bestimmung der Zuleitungsspannung. Dementsprechend können Sockel bei der Leitungsschaltung vermieden werden, wodurch Schaltverzögerungen herabgesetzt und die Wahrscheinlichkeit von Fehlschaltungen vermindert werden.
Aus der vorhergehenden Beschreibung ist zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung eine einzigartige Dreiwegemethode für die Spannungssteuerung am ersten Knotenpunkt 12 bietet. In dieser Hinsicht umfaßt die eine Methode die Verwendung des Stromschalters mit den Transistoren 32 und 40, die über den ersten Transistor 14 unterschiedliche Strombeträge ziehen und damit die VBE für diesen Transistor verändern. Zusätzlich bewirkt der Transistor 50 in Verbindung mit dem Widerstand 64 die Veränderung der Spannung am Emitteranschluß 16 für den ersten Transistor 14 in Übereinstimmung mit dem Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung 10. Schließlich bewirkt der Vorgang der Spannungsteilung der Widerstände 72 und 76 in ihrer Rückkopplungsbeziehung mit dem Transistor 70, dem Transistor 78 und dem zweiten Knotenpunkt 66 die Kompensation der Änderungen in der ersten Spannungsversorgung 10.
Eine zusätzliche Eigenschaft der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Stromschalter mit seinen dualen Verbindungen zum Emitteranschluß 16 in der Lage ist, über die Schaltung ungeachtet der Tatsache Strom aufzunehmen, ob sich die erste Spannungsversorgung 10 oberhalb oder unterhalb ihrer voreingestellten Schwellenspannung befindet. Zusätzlich umfaßt die Schaltung eine Temperaturkompensationsanordnung zur Kompensation der Veränderung der VBE des Transistors 70.

Claims

1. Spannungsregler zum Regeln der Spannung an einem ersten Knotenpunkt, der enthält:

eine erste Spannungsversorgung (10);

einen ersten Knotenpunkt (12);

einen ersten Transistor (14) mit einem Steueranschluß, der an dem ersten Knotenpunkt (12) angeschlossen ist;

eine Stromquelle (30);

dadurch gekennzeichnet, daß er enthält;

Mittel (18, 29) zum Variieren des Vbe-Spannungsabfalles an den ersten Transistor (14) in Abhängigkeit davon, ob der Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung über oder unter einer Schwellenspannung liegt, wobei die Mittel zum Variieren weiters ein erstes Stromkanalmittel (18) aufweisen, das einen Stromsteueranschluß (22) enthält, der über eine erste Verbindungsschaltung (24) an die erste Spannungsversorgung (10) angeschlossen ist, wodurch das erste Stromkanalmittel aus dem ersten Transistor (14), wenn die erste Stromversorgung einen Spannungspegel unter dem Schwellenwert besitzt, einen Strom zieht, der größer als ein erster Strompegel ist, um über dem ersten Transistor (14) einen ersten Vbe-Spannungsabfall bereitzustellen, die Vbe-Variationsmittel weiters ein zweites Stromkanalmittel (20) aufweisen, das einen Stromsteueranschluß (42) enthält, der über eine zweite Verbindungsschaltung (60) an die erste Spannungsversorgung (10) angeschlossen ist, wodurch das zweite Stromkanalmittel (20) aus dem ersten Transistor, wenn die erste Spannungsversorgung einen Spannungspegel über dem Schwellenwert besitzt, einen Strom mit einem zweiten Pegel zieht, der kleiner als der erste Pegel ist, um über den ersten Transistor (14) einen zweiten Vbe-Spannungsabfall bereitzustellen, der kleiner als der erste Vbe- Spannungsabfall ist, und das erste und zweite Stromkanalmittel (18, 20) einen Stromschalter bilden, und daß das erste Kanalmittel (18) einen zweiten Transistor (26) und einen Strompfad (28) vom stromemittierenden Anschluß des ersten Transistors (14) zu dem Steueranschluß des zweiten Transistors (26) aufweist, dessen Kollektoranschluß mit der ersten Spannungsversorgung verbunden ist, und

das erste Stromkanalmittel (18) die Stromquelle (30) und ein erstes Stromsteuermittel (32) enthält, wobei die Stromquelle einen ersten Widerstand (30) aufweist, der an einem Ende mit einer zweiten Spannungsversorgung (34) verbunden ist, wobei das erste Stromsteuermittel (32) ein Transistor ist, dessen Kollektor an den Emitter des zweiten Transistors (26) angeschlossen ist, dessen Emitter an das andere Ende des Widerstandes (30) angeschlossen ist und dessen Basis mit dem Stromsteueranschluß (22) des ersten Stromkanalmittels (18) verbunden ist, und

das zweite Stromkanalmittel (20) ein zweites Stromsteuermittel (40) enthält, das an die Stromquelle (30) angeschlossen ist, um daraus entsprechend der Spannung an dem Steueranschluß (42) des zweiten Stromkanalmittels Strom zu ziehen, wobei das zweite Stromsteuermittel (40) ein Transistor ist, dessen Emitter an das andere Ende (36) des Widerstandes (30) angeschlossen ist und dessen Basis mit dem Stromsteueranschluß (42) verbunden ist, und weiters Mittel (48, 50, 52) enthält, um den Strom aus dem Kollektor des Transistors des zweiten Stromsteuermittels (40) in einen ersten und einen zweiten Teilstrom zu teilen, wobei der zweite Teilstrom an den stromemittierenden Anschluß des ersten Transistors (14) gelegt wird, und

der Regler weiters Mittel (64) zum Variieren des Spannungspegels am stromemittierenden Anschluß des ersten Transistors (14) enthält, um in Kombination mit dem variierenden Vbe-Spannungsabfall, jeder Änderung des Spannungspegels der ersten Spannungsversorgung (10) entgegenzuwirken.

2. Spannungsregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Variieren des Spannungspegels enthält:

einen zweiten Knotenpunkt (66) mit einer Spannung, die den Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung (10) anzeigt,

ein erstes Widerstandsmittel (68), das zwischen der ersten Spannungsversorgung (10) und dem zweiten Knotenpunkt (66) geschalten ist,

Mittel (70) zum Ziehen eines Stromes durch das erste Widerstandsmittel (68),

einen dritten Transistor (50), dessen Kollektor an die erste Spannungsversorgung (10) angeschlossen ist, dessen Emitter an dem ersten Teilstrom angeschlossen ist und dessen Steueranschluß über einen Widerstand (64), der dazu betrieben wird, die Spannung an dem dritten Transistor (50) zu ändern, an den zweiten Knotenpunkt (66) angeschlossen ist.

3. Spannungsregler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Ziehen eines Stromes aufweist:

einen vierten Transistor (70), dessen stromaufnehmender Anschluß zur Stromaufnahme an dem zweiten Knoten (66) angeschlossen ist,

einen fünften Transistor (78), dessen Steueranschluß an den zweiten Knoten (66) angeschlossen ist;

ein zweites Widerstandsmittel (76), das zwischen dem stromemittierenden Anschluß des fünften Transistors (78) und dem Steueranschluß des vierten Transistors (70) geschalten ist,

ein drittes Widerstandsmittel (72) und eine Diode (74), die miteinander seriell geschalten sind, wobei dieses in Serie geschaltene zweite Widerstandsmittel (72) und die Diode (74) parallel mit dem Basis-Emitter-Anschluß des vierten Transistors (70) geschalten sind, wodurch die Diode (74) verglichen mit dem vierten Transistor (70) eine unterschiedliche Vbe besitzt;

wodurch die Diode (74) Vbe-Spannungsänderungen in dem vierten Transistor (70) kompensiert und wodurch eine Spannungsänderung an dem zweiten Knoten (66) am Steueranschluß des vierten Transistors (70) gleichartige Spannungsänderungen verursacht, um dabei den aus dem vierten Transistor (70) und dem zweiten Widerstandsmittel (68) gezogenen Strom zu verändern, damit die Spannungsänderung an dem zweiten Knoten (66) kompensiert wird.