DE4034371C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Stromquellenschaltung mit
einem ersten, zweiten, dritten und vierten Feldeffekttransistor
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
Eine solche Stromquellenschaltung ist aus der Zeitschrift
"IEEE Journal of Solid States Circuits", Vol. SC-12,
No. 3, Juni 1977, Seiten 224 bis 231, insbesondere Fig. 8 auf
Seite 228 bekannt. Diese Schaltung zeigt die Fig. 1,
wonach die Feldeffekttransistoren T1 bis T4 zusammen
mit dem Widerstand R1 eine Referenzstromquelle bilden.
Hierbei stellen die beiden n-Kanaltransistoren T1 und
T2 einen ersten Stromspiegel dar. Die beiden
p-Kanaltransistoren T3 und T4 bilden zusätzlich einen
zweiten Stromspiegel.
Für den ersten Stromspiegel "T1, T2" gilt:
wobei W/L [·] die Kanalbreiten/Kanallängen-Verhältnisse
der Transistoren T1 bzw. T2 angeben. Aus gleichen Transistorgrößen
für T1 und T2 ergeben sich auch gleiche
Ströme i2 und i1.
Für den Strom i1 im Zusammenhang mit dem zweiten Stromspiegel
"T3, T4" ergibt sich ein Wert nach folgender
Formel:
wobei K die Bolzmannkonstante, T die absolute Temperatur
und q die Elektronenladung angibt. Mit einem Widerstand
von R1 = MΩ und einem W/L-Verhältnis der beiden
Transistoren T4 und T3 von 8 ergibt sich dabei bei
Raumtemperatur von 300 K für i1 ein Strom
von 5,4 · 10-8 A.
Die obige Gleichung (2) gilt so lange, wie sich die beiden
Transistoren T3 und T4 im Bereich schwacher Inversion
befinden. Aus dieser Gleichung ist weiterhin ersichtlich,
daß der Strom i1 bei Raumtemperatur einen
positiven Temperaturkoeffizienten von ca. +3000 ppm/K
aufweist, sofern der Widerstand R1 als konstant und
temperaturunabhängig angenommen wird. Für den Widerstand
R1 wird meist ein p-well-Widerstand verwendet,
der einen positiven Temperaturgang aufweist. Daraus ergibt
sich für den Strom i1 typischerweise ein negativer
Temperaturkoeffizient im Bereich von ca. -5000 bis
-15 000 ppm/K.
Gemäß Fig. 1 wird über einen n-Kanal-Feldeffekttransistor
T5 der Referenzstromquelle ein Strom i3 entnommen,
der je nach gewähltem Größenverhältnis des ersten
Stromspiegels (W/L [T5]/W/L [T1]) einen Bruchteil oder
ein Vielfaches des Stromes i1 beträgt, wobei natürlich
der Strom i3 die gleiche Temperaturabhängigkeit wie der
Strom i1 aufweist.
Wie oben gezeigt wurde, beträgt der Strom i1 bei der
angegebenen Schaltungsdimensionierung 54 nA; da jedoch
die Ströme i2 und i1 gleich groß sind, verbraucht diese
Referenzstromquelle nach Fig. 1 selbst bereits einen
Strom von ca. 0,1 µA. Diese Stromaufnahme ist jedoch
für viele Anwendungen zu groß.
Eine Möglichkeit, den Stromverbrauch dieser bekannten
Referenzstromquelle zu reduzieren, besteht darin, das
W/L-Verhältnis der beiden Transistoren T4 und T3 zu reduzieren.
Damit verringert sich der Spannungsabfall
über dem Widerstand R1 und damit bei gegebenem Widerstand
R1 auch die Stromaufnahme der Schaltung. Dieser
Möglichkeit sind jedoch enge Grenzen gesetzt, da sich
bei sehr kleinem W/L-Verhältnis der Transistoren T4 und
T3 sehr große prozentuale Streuungen des Spannungsabfalles
an diesem Widerstand R1 und damit auch für den
Strom i1 ergeben.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Widerstandswert
von R1 auf beispielsweise 10 MΩ zu erhöhen,
womit die Stromaufnahme der Referenzstromquelle auf ca.
10 nA sinkt, der somit auch bei "low
power"-Schaltkreisen toleriert werden kann.
Da dieser Widerstand R1 jedoch üblicherweise - wie
schon oben ausgeführt - durch einen p-well-Widerstand
gebildet wird und dessen Flächenwiderstand technologiebedingt
bedingt nur ca. 2 kΩ/ beträgt, würde für einen solchen
Widerstand selbst eine unverhältnismäßig große Chipfläche
(ca. 1 mm²) benötigt, was natürlich ebenfalls unerwünscht
ist.
Schließlich besteht noch die Möglichkeit zur Reduzierung
der Stromaufnahme in der Verwendung eines ebenfalls
hochohmigen Widerstandes R1, wobei dieser Widerstand
durch eine speziell erzeugte Schicht, beispielsweise
implantiertes Polysilizium mit hohem Flächenwiderstand
und damit geringem Platzbedarf realisiert
wird. Die Bereitstellung eines solchen Hochohm-
Polywiderstandes erfordert jedoch eine spezielle
Maske sowie zusätzliche Prozeßschritte und verursacht
damit erhöhte Kosten. Ein solcher Widerstand kann
außerdem nur mit relativ großen Toleranzen hergestellt
werden. Damit ist auch der über den Transistor T5 entnehmbare
Strom i3 ebenfalls großen Streuungen unterworfen
und die Schaltung daher nicht für Anwendungen geeignet,
bei denen der Strom i3 einen weitgehend konstanten
Wert aufweisen soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
Stromquellenschaltung der eingangs genannten Art zu
schaffen, die eine Stromentnahme erlaubt, deren Strom
weitgehend konstant ist bei insgesamt geringem Stromverbrauch
durch die Stromquellenschaltung.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruches 1 gelöst.
Demnach besteht das Wesen der Erfindung darin, den Widerstand
R1 nach Fig. 1 durch eine geschaltete Kapazität
nachzubilden. Da bei vielen integrierten Schaltungen
eine stabile Quarzfrequenz von beispielsweise
32,768 kHz zur Verfügung steht, kann hier mit einer
kleinen Kapazität von einigen pF leicht ein Widerstand
von ca. 10 MΩ realisiert werden. Beispielsweise ergibt
sich mit einer Frequenz f von 32,768 kHz und einem
Kapazitätswert von 3 pF ein kapazitiver Widerstand von
10,1 MΩ.
Hierbei ist besonders der geringe Chipflächenbedarf
eines solchen Kondensators von 3 pF zu erwähnen, der
somit nur einen Bruchteil (weniger als 1%) der Fläche
eines ohmschen (p-well-)Widerstands mit dem selben
Widerstandswert benötigt.
Weiterhin wird für eine solche Kapazität üblicherweise
als Dielektrikum eine dünne Silizium-Dioxydschicht
(Gate-Oxid) verwendet, die bei der Herstellung einer
integrierten CMOS-Schaltung ohnehin erzeugt wird. Die
Schichtdicke dieses Oxids beträgt typischerweise einige
100 Å und wird innerhalb enger Toleranzgrenzen von
weniger als +/- 5% gefertigt. Damit lassen sich also
ohne zusätzliche Prozeßschritte Kapazitäten mit sehr
geringen Streuungen des Absolutwerts herstellen, so daß
sich unter der Maßgabe einer konstanten Taktfrequenz
eine Referenzstromquelle mit geringen Streuungen des
durch den Transistor T5 entnommenen Stroms i3 bei geringem
Stromverbrauch der Schaltung selbst von z. B.
weniger als 10 nA und geringem Chipflächenbedarf herstellen
läßt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches
2 eine Stromquellenschaltung angegeben,
die einen Ausgangsstrom mit voreinstellbarem Temperaturkoeffizienten
liefert. Der Temperaturkoeffizient
dieses Ausgangsstromes wird durch die in der von dem
zweiten Stromspiegel gesteuerten Schaltungsanordnung
vorgesehenen Kondensatoren bestimmt, wobei dessen Vorzeichen
durch die Phasenlage der dieser Schaltungsanordnung
zugeführten Taktsignale vorgegeben ist.
Durch eine Anordnung weiterer solcher von dem zweiten
Stromspiegel gesteuerten Schaltungsanordnungen lassen
sich bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der
Erfindung mehrere Ausgangsströme mit wählbarem Temperaturkoeffizienten
und Vorzeichen entnehmen. Somit können
auf einer integrierten Schaltung Stromquellen mit unterschiedlichem
Temperaturgang zur Verfügung gestellt
werden.
Weiterhin wird nach den kennzeichnenden Merkmalen der
Patentansprüche 4 und 5 eine weitere Möglichkeit
zur Erzeugung von Ausgangsströmen mit unterschiedlichen
negativen Temperaturkoeffizienten gegeben, wobei
deren Werte durch die Dimensionierung der Transistoren
der beteiligten Stromspiegeln vorgegeben wird.
Schließlich sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale der
Patentansprüche 6 und 7 gegeben.
Im folgenden soll die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung
mit ihren Vorteilen anhand von Ausführungsbeispielen
im Zusammenhang mit den Figuren erläutert
und dargestellt werden. Es zeigt:
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Stromquellenschaltung,
Fig. 3 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles
der Erfindung zur Erzeugung von Ausgangsströmen
mit vorbestimmten Temperaturkoeffizienten,
Fig. 4 Spannungs-Zeit-Diagramme zur Erläuterung der
Funktionsweise der Schaltung nach Fig. 3,
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
zur Erzeugung von Ausgangsströmen mit
negativem Temperaturkoeffizienten.
Fig. 6 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles
der Erfindung zur Erzeugung eines
Stromes mit negativem Temperaturkoeffizienten,
und
Fig. 7 ein Schaltbild zur Erzeugung von mehreren
Strömen mit unterschiedlichen negativen Temperaturkoeffizienten.
In den Figuren sind Bauelemente mit einander entsprechenden
Funktionen mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Stromquellenschaltung
nach Fig. 2 entspricht demjenigen gemäß
Fig. 1 mit 5 Feldeffekttransistoren T1 bis T5. Die
beiden n-Kanaltransistoren T1 und T2 bzw. die beiden
p-Kanaltransistoren T3 und T4 bilden einen ersten bzw.
zweiten Stromspiegel, wozu die Steuerelektrode des
Transistors T1 mit dessen Drain-Elektrode und die
Steuerelektrode des Transistors T3 ebenfalls mit dessen
Drain-Elektrode verbunden sind. Ferner sind die Steuerelektroden
der einen Stromspiegel bildenden Transistoren
T1 und T2 bzw. T3 und T4 miteinander verbunden. Die
beiden Transistoren T2 und T3 sind über ihre Kanalstrecken
in Reihe geschaltet und verbinden das Bezugspotential
der Schaltung mit einer Betriebsspannungsquelle
VDD, indem der Transistor T2 mit seiner
Source-Elektrode auf dem Bezugspotential und die
Source-Elektrode des Transistors T3 auf dem Betriebspotential
liegt. Hierdurch bilden diese beiden Transistoren
T2 und T3 einen das Bezugspotential mit dem Betriebsspannungspotential
VDD verbindenden Hauptstromzweig
2. Ein weiterer hierzu paralleler Hauptstromzweig
1 wird durch eine Serienschaltung des Transistors
T1, des Transistors T4, einem Widerstand R2 sowie
zwei mit ihren Kanalstrecken in Reihe geschalteten
p-Kanaltransistoren T6 und T7, wobei sie ausgehend vom
Bezugspotential der Schaltung in der angeführten Reihenfolge
miteinander verbunden sind, wobei die
Source-Elektrode des Transistors T6 auf dem Betriebspotential
der Betriebsspannungsquelle VDD liegt. Schließlich
ist ein n-Kanaltransistor T5 vorgesehen, dessen
Gate-Elektrode mit dem ersten Stromspiegel über die
Gate-Elektrode des Transistors T1 verbunden ist und
dessen Source-Elektrode ebenfalls auf dem Bezugspotential
der Schaltung liegt. Der Drain-Elektrode dieses
Transistors T5 kann ein Strom i3 entnommen werden, dessen
Größe demjenigen in dem Hauptstromkreis 1 fließenden
Strom i1 bei gleicher Dimensionierung der Transistoren
T1 und T5 entspricht. Im Gleichgewichtszustand
der Schaltung entspricht der Strom i1 dem im
Hauptstromkreis 2 fließenden Strom i2.
Weiterhin ist nach Fig. 2 ein erster und zweiter Kondensator
C1 und C2 vorgesehen, wobei der erste Kondensator
C1 parallel zur Kanalstrecke des Transistors T6
angeordnet ist und der zweite Kondensator C2 mit seinem
ersten Anschluß auf dem Bezugspotential der Schaltung
liegt und mit seinem zweiten Anschluß an die Steuerelektrode
des ersten bzw. zweiten Transistors T1 bzw.
T2 angeschlossen ist.
Den beiden Steuerelektroden der Transistoren T6 und T7
werden jeweils zueinander gegenphasige Taktsignale Cl1
und Cl2 zugeführt, das heißt, erhält die Gate-Elektrode
des Transistors T7 ein Low-Signal (L-Pegel) liegt
gleichzeitig an der Gate-Elektrode des anderen Transistors
T6 ein High-Signal (H-Pegel) an.
Im folgenden soll nun die Funktionsweise der Schaltungsanordnung
nach Fig. 2 erläutert werden:
Der Kondensator C1 wird durch den Transistor T6 während der Taktphase mit L-Pegel entladen, da der Transistor T6 leitend geschaltet ist und gleichzeitig der Transistor T7 im gesperrten Zustand ist. In der sich daran anschließenden Taktphase erhält die Steuerelektrode des Transistors T6 einen H-Pegel und gleichzeitig die Gate-Elektrode des Transistors T7 einen L-Pegel, wodurch sich nun der Kondensator C1 bis auf einen Spannungswert VC auflädt, der sich aus den Größenverhältnissen der Transistoren T1 bis T4 ergibt.
Der Kondensator C1 wird durch den Transistor T6 während der Taktphase mit L-Pegel entladen, da der Transistor T6 leitend geschaltet ist und gleichzeitig der Transistor T7 im gesperrten Zustand ist. In der sich daran anschließenden Taktphase erhält die Steuerelektrode des Transistors T6 einen H-Pegel und gleichzeitig die Gate-Elektrode des Transistors T7 einen L-Pegel, wodurch sich nun der Kondensator C1 bis auf einen Spannungswert VC auflädt, der sich aus den Größenverhältnissen der Transistoren T1 bis T4 ergibt.
Der Widerstand R2 in dem Hauptstromzweig 1 hat bei dieser
Schaltung lediglich die Funktion einer Strombegrenzung
und soll verhindern, daß beim Flankenwechsel des
Taktsignales Cl1 von H- auf L-Pegel in den Transistoren
T1 bis T4 kurzzeitig ein überhöhter Stromfluß auftritt.
Der Wert dieses Widerstandes R2 ist dabei unkritisch
und kann daher z. B. durch einen entsprechend
dimensionierten p-Kanaltransistor T7 selbst gebildet
werden, der den gewünschten Widerstandswert im leitenden
Zustand aufweist. Da bei dieser Schaltung im Vergleich
zu derjenigen nach Fig. 1 der Strom i1 nicht
zeitlich konstant ist, sondern im Rhythmus der angelegten
Taktfrequenz pulsiert, der über T5 entnommene
Strom i3 jedoch normalerweise keine zeitlichen Schwankungen
aufweisen soll, ist der schon oben erwähnte Kondensator
C2 vom gemeinsamen Gate-Anschluß der Transistoren
T1, T2 und T5 als Glättungskapazität nach dem
Bezugspotential geschaltet, deren Wert sich ebenfalls
in der Größenordnung von einigen pF bewegt.
Mit der nach Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Schaltung
läßt sich also bei minimalem Flächenbedarf und geringem
Stromverbrauch ein Ausgangsstrom i3 erzeugen,
der nur geringe fertigungsbedingte Toleranzen aufweist
und dessen Absolutwert nahezu ausschließlich von den
gewählten Transistordimensionen der Transistoren T1 bis
T5, dem Kapazitätswert des Kondensators C1 und der Frequenz
des angelegten Taktsignales Cl1 und Cl2 abhängt.
Der erreichbare Temperaturkoeffizient des Ausgangsstroms
i3 ist dabei jedoch fest vorgegeben und liegt
bei ca. +3000 ppm/K, da der verwendete Kondensator C1
selbst nur einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten
aufweist.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 enthält mit den
Schaltelementen T1 bis T7, C1 und C2 sowie R2 einen
Schaltungsteil, der der Schaltungsanordnung nach Figur
2 entspricht. Deshalb wird dieser Schaltungsteil im
folgenden nicht mehr erläutert werden. Darüber hinaus
enthält diese Schaltungsanordnung einen von dem ersten
Stromspiegel T1 und T2 gesteuerten Stromquellentransistor
T8, der als n-Kanalfeldeffekttransistor ausgebildet
ist. Dieser Transistor T8, der mit seiner
Source-Elektrode auf dem Bezugspotential der Schaltung
liegt, liefert einen Emitter-Strom i4 für einen
npn-Bipolar-Transistor Q1, der als Referenzspannungsquelle
Qref dient. Hierzu liegt dessen Basis- als auch
dessen Kollektor-Elektrode auf dem Potential der Betriebsspannungsquelle
VDD, um hierdurch die als temperaturabhängige
Referenzspannung benötigte Basis-
Emitter-Spannung VBE des Transistors Q1 am Schaltungsknoten
K1 zu erzeugen. Eine Serienschaltung aus
zwei Feldeffekttransistoren T9 und T10 verbindet diesen
Schaltungsknoten K1 mit der Betriebsspannungsquelle
VDD, wobei der mit diesem Potential verbundene
Transistor T9 vom p-Kanaltyp und der mit dem Schaltungsknoten
K1 verbundene Transistor T10 vom n-Kanaltyp
ist. Der Verbindungspunkt der beiden Kanalstrecken dieser
Transistoren T9 und T10 führt auf einen Anschluß K3
einer Schaltungsanordnung 3. Die beiden Steuerelektroden
dieser beiden Transistoren T9 und T10 sind miteinander
verbunden und werden mittels eines Taktsignales
Cl1 angesteuert. Hierdurch wird der Anschluß
K3 in Abhängigkeit vom Zustand dieses Taktsignales
Cl1 entweder an die Referenzspannung VBE
(Cl1 = H-Pegel) bzw. auf die Betriebsspannungsquelle
VDD (Cl1 = L-Pegel) geschaltet.
Der Schaltungsanordnung 3 kann ein Strom i5 entnommen
werden, dem, wie weiter unten gezeigt wird, ein bestimmter
Temperaturkoeffizient aufgeprägt werden kann.
Hierzu enthält diese Schaltungsanordnung 3 einen von
dem zweiten Stromspiegel T3 und T4 gesteuerten Stromquellentransistor
T13 vom p-Kanaltyp, dessen
Drain-Elektrode den besagten Ausgangsstrom i5 liefert
und dessen Source-Elektrode über eine Serienschaltung
aus zwei p-Kanaleffekttransistoren mit der
Betriebsspannungsquelle VDD verbunden ist. Der Steuerelektrode
des Transistors T11 wird das Taktsignal Cl1
und der Steuerelektrode des Transistors T12 das zum
Taktsignal Cl1 gegenphasige Taktsignal Cl2 oder umgekehrt
dem Transistor T11 das Taktsignal Cl2 und dem
Transistor T12 das Taktsignal Cl1 zugeführt. Der Anschluß
der Taktsignalleitungen erfolgt an die Anschlüsse
K5 und K6 der Schaltungsanordnung 3. Die Entnahme
des Ausgangsstromes i5 erfolgt an einem Anschluß
K7.
Ein erster Kondensator C4 dieser Schaltungsanordnung 3
liegt entsprechend dem Kondensator C1 parallel zur Kanalstrecke
des Transistors T11, während ein zweiter
Kondensator C3 den Verbindungspunkt K4 der beiden
Kanalstrecken der Transistoren T11 und T12 mit dem
Knotenpunkt K3 verbindet.
Die Funktionsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 3
ist folgende:
Die Feldeffekttransistoren T11, T12 und T13 sowie die Kondensatoren C3 und C4 liefern im Zusammenwirken mit der zuvor beschriebenen Schaltung nach Fig. 2 einen Ausgangsstrom i5, dessen Temperaturverlauf im wesentlichen durch die Dimensionierung der Kondensatoren C3 und C4 sowie durch die Referenzspannung VBE und deren Temperaturabhängigkeit vorgegeben ist.
Die Feldeffekttransistoren T11, T12 und T13 sowie die Kondensatoren C3 und C4 liefern im Zusammenwirken mit der zuvor beschriebenen Schaltung nach Fig. 2 einen Ausgangsstrom i5, dessen Temperaturverlauf im wesentlichen durch die Dimensionierung der Kondensatoren C3 und C4 sowie durch die Referenzspannung VBE und deren Temperaturabhängigkeit vorgegeben ist.
Die Basis-Emitter-Spannung VBE des in integrierter
CMOS-Technik hergestellten Vertikal-npn-Transistors Q1
ist bei gegebenem Fertigungsprozeß mit den über mehrere
Fertigungslose zu erwartenden Parameterstreuungen nur
geringen Schwankungen unterworfen. Der Absolutwert und
Temperaturverlauf dieser Spannung werden darüber hinaus
nur noch von der Stromdichte, also vom Verhältnis der
Emitterfläche des Transistors Q1 zum Emitter-Strom i4
beeinflußt. Da der Strom i4, dessen Größe mit der Größe
des Stromes i1 bei gleicher Dimensionierung der Transistoren
T1 und T8 übereinstimmt, jedoch nur geringen
Fertigungsstreuungen unterworfen ist, können Absolutwert
und Temperaturabhängigkeit der Referenzspannung
VBE der Referenzspannungsquelle Qref bei gegebener
Schaltungsdimensionierung sehr genau vorausbestimmt
werden.
Läßt man den Kondensator C3 der Schaltungsanordnung 3
zunächst außer acht, so stellt man fest, daß die Anordnung
der Schaltelemente T11, T12, T13 und C4 genau der
Schaltungsanordnung den Schaltelementen T4, T6, T7 und
C1 entspricht, das heißt, bei gleicher Dimensionierung
des Kondensators C4 der Transistoren T11 bis T13 wie
der Kondensator C1 und die Transistoren T4, T6 und T7
wird der Ausgangsstrom i5 und dessen Temperaturverlauf
dem Strom i1 entsprechen.
Die Diagramme a, b nach Fig. 4 zeigen den Pegelverlauf
der zueinander gegenphasigen Taktsignale Cl1 und Cl2.
Das Spannungsdiagramm c zeigt dabei den Spannungsverlauf
VC4 des Kondensators C4. Zum Zeitpunkt t₁ würde
dieser Kondensator C4-C3 ist dabei nicht vorhanden -
um einen Spannungsbetrag -VC4 bis auf eine Endspannung
-Vend zum Zeitpunkt t₂ aufgeladen.
Wenn nun der Kondensator C3 mit in die Betrachtung genommen
wird, geschieht unter der Annahme, daß die Transistoren
T9, T10 und T11 mit dem Taktsignal Cl1 gemäß
der Fig. 4a und T12 mit dem invertierten Taktsignal
Cl2 gemäß Fig. 4b angesteuert werden, folgendes:
Während das Taktsignal Cl1 auf L-Pegel liegt, wird der
Kondensator C4 über den Transistor T11 nach dem Betriebspotential
VDD entladen und gleichzeitig der
Schaltungsknoten K3 ebenfalls über den Transistor T9
auf dem Betriebspotential VDD gehalten, das heißt, der
Kondensator C3 wird ebenfalls entladen. Beim Flankenwechsel
des Taktsignales Cl1 von L- auf H-Pegel wird
der Schaltungsknoten K3 an die Referenzspannung VBE geschaltet
und damit der Kondensator C4 über die Koppelkapazität
C3 schlagartig auf eine Differenzspannung
-VC4 aufgeladen, wobei sich für diese
Differenzspannung -VC4 folgender Wert ergibt:
Der Spannungsverlauf an diesem Kondensator C4 ist mit
dem Spannungsdiagramm d nach Fig. 4 dargestellt. Hieraus
ist ersichtlich, daß die weitere Spannungsänderung
-VC4 bis zum Endwert -Vend aufgrund der
Anfangsspannung -VC4 kleiner als im Spannungsdiagramm
c ohne die Kompensation durch den Kondensator C3
ist. Daraus ergibt sich zunächst, daß der entnehmbare
Strom i5 kleiner ist als der Strom i1.
Da die Differenzspannung -VC4 - wie aus der Gleichung
(3) ersichtlich - einem Bruchteil der Referenzspannung
VBE entspricht, folgt diese Differenzspannung
-VC4 auch dem Temperaturverlauf dieser Referenzspannung
VBE, das heißt, mit zunehmender Temperatur
wird die Differenzspannung -VC4 ebenfalls kleiner.
Dadurch wird jedoch die Ladespannung -VC4 größer, das
heißt, die Umladung des Kondensators C4 vom Anfangswert
-VC4 bis zum Endwert -Vend erfolgt über
einen größeren Spannungsbereich und damit vergrößert
sich auch der entnehmbare Strom i5. Für den Ausgangsstrom
i5 ergibt sich somit ein positiver Temperaturkoeffizient,
wobei dessen Wert bei bekanntem Temperaturverlauf
der Referenzspannung VBE nur vom Verhältnis der
Kapazitätswerte der Kondensatoren C3 und C4 bestimmt
wird.
Werden dagegen in der Schaltung nach Fig. 3 die Taktsignale
an den Klemmen K5 und K6 vertauscht, das heißt,
der Transistor T11 erhält das Taktsignal Cl2 und der
Transistor T12 das Taktsignal Cl1, so wird dadurch ein
negativer Temperaturkoeffizient für den Ausgangsstrom
i5 erzielt. Der entsprechende Spannungsverlauf an
dem Kondensator C4 ist in dem Diagramm e der Fig. 4
dargestellt.
Wenn das Taktsignal Cl1 zum Zeitpunkt t₁ auf H-Pegel
schaltet, liegt der Anschluß K3 über den leitend geschalteten
Transistor T10 an der Referenzspannung VBE,
während gleichzeitig der Kondensator C4 über den Transistor
T11 nach dem Betriebspotential VDD entladen
wird, da das Taktsignal Cl2 auf L-Pegel schaltet, das
heißt, der Kondensator C3 wird gleichzeitig auf die Referenzspannung
VBE aufgeladen.
Nun wird beim Flankenwechsel des Taktsignales Cl2 von
L- auf H-Pegel der Transistor T11 gesperrt. Gleichzeitig
wechselt jedoch das Taktsignal Cl1 von H- auf
L-Pegel, wodurch der Schaltungsknoten K3 über den Transistor
T9 an das Betriebsspannungspotential VDD geschaltet
wird. Somit sind zu diesem Zeitpunkt die beiden
Kondensatoren C3 und C4 parallel geschaltet und da
der Kondensator C3 zuvor auf die Referenzspannung VBE
aufgeladen war, wird die Parallelschaltung der beiden
Kondensatoren C3 und C4 auf die Spannungsdiffererenz
+VC4 umgeladen. Die Aufladung dieses Kondensators
C4 bis zum Spannungsendwert -Vend erfolgt also
über einen weiteren Spannungsbereich -VC4 als bei der
Schaltung ohne Temperaturkompensation nach Fig. 4c und
der entnehmbare Ausgangsstrom i5 ist daher zunächst
größer. Bei erhöhter Temperatur wird jedoch die Referenzspannung
VBE kleiner und damit reduziert sich auch
die anfängliche Ladespannung +VC4, das heißt, die Umladung
des Kondensators C4 vom Anfangsspannungswert
+VC4 bis zum Spannungsendwert -Vend erfolgt mit
steigender Temperatur über einen kleineren Spannungsbereich
und damit wird der entnehmbare Strom i5 mit
zunehmender Temperatur ebenfalls kleiner, das heißt,
für i5 ergibt sich damit ein negativer Temperaturkoeffizient.
Werden parallel zu den Klemmen K2, K3, K5 und K6 der
Schaltungsanordnung 3 nach Fig. 3 weitere solche
Schaltungsanordnungen 3₁, 3₂, 3₃, . . . parallel angeschlossen,
können auf ein und derselben integrierten
Schaltung, Ausgangsströme i5, i5₁, i5₃, . . . i5₃, . . . mit unterschiedlichem
Temperaturverhalten erzeugt werden.
Eine solche Stromquellenschaltung ist in Fig. 5 dargestellt,
wobei die Referenzspannungsquelle Qref sowie
die Schaltelemente T1 bis T7, C1 und C2 nicht dargestellt
sind. Jede dieser Schaltungsanordnungen
3 nach Fig. 3. Sie enthalten somit Transistoren
T11₁, T12₁, T13₁, T11₂, T12₂, T13₂, . . . und Kondensatoren
C3₁, C4₁, C3₂, C4₂, . . . An den Klemmen K7₁,
K7₂, K7₃, . . .
entnehmbar.
Die Fig. 6 zeigt nun eine Schaltung, mit der die
Stromquellenschaltung nach Fig. 3 zur Erzeugung eines
Ausgangsstromes mit negativen Temperaturkoeffizienten
ergänzt werden kann. Hierbei sei vorausgesetzt, daß die
Schaltung nach Fig. 3 einen Ausgangsstrom i5 mit positivem
Temperaturkoeffizienten liefert. In der Fig. 6
sind anstelle der Stromquellenschaltung nach Fig. 3
lediglich die den Ausgangsstrom i3 und den Ausgangsstrom
i5 liefernde Schaltungszweige dargestellt. Der
Ausgangsstrom i3 stellt den Eingangsstrom für einen aus
zwei p-Kanalfelddeffekttransistoren aufgebauten Stromspiegel
dar, während der Ausgangsstrom i5 als Eingangsstrom
in einen weiteren aus zwei
n-Kanalfeldeffekttransistoren T14 und T15 aufgebauten
weiteren Stromspiegel geführt ist. Der erste Stromspiegel
T16, T17 ist an die Betriebsspannungsquelle VDD
angeschlossen und liefert über den Transistor T17 einen
Ausgangsstrom i6. Der zweite Stromspiegel T14, T15 ist
dagegen an das Bezugspotential der Schaltung angeschlossen
und liefert über den Transistor T15 einen
Ausgangsstrom i7. Diese beiden Ausgangsströme i6 und i7
werden an einem Schaltungsknoten K8 zu einem Ausgangsstrom
i8 summiert.
Da der Ausgangsstrom i3 und damit auch der Ausgangsstrom
i6 einen sehr geringen positiven Temperaturkoeffizienten
aufweist, der Ausgangsstrom i5 dagegen je
nach Dimensionierung der Kondensatoren C3 und C4 einen
sehr großen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen
kann, wird der der Schaltung nach Fig. 6 entnehmbare
Gesamtausgangsstrom i8, der die Differenz des Stromes
i6 und des Stromes i7 darstellt, einen negativen
Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei der Wert dieses
Temperaturkoeffizienten nur von der Dimensionierung
der Transistoren T15 und T17 vorgegeben wird.
So ist es beispielsweise möglich, diese Transistoren
T15 und T17 so zu bemessen, daß der Strom i7 bei
einer bestimmten Temperatur größer wird als der
Strom i6. Wird dem Schaltungsknoten K8 in diesem Fall
kein Strom entnommen, wird also dieser Schaltungsknoten
K8 nicht durch beispielsweise einen angeschlossenen
Stromspiegel belastet, so liegt das Spannungspotential
an diesem Schaltungsknoten K8 unterhalb einer durch die
Dimensionierung vorgegebenen Grenztemperatur auf dem
Spannungspotential der Betriebsspannungsquelle VDD und
wechselt beim Überschreiten dieser Grenztemperatur auf
das Bezugspotential der Schaltung. Auf diese Weise kann
mit dieser Schaltung mit einfachen Mitteln ein Temperatursensor
hergestellt werden.
Die Fig. 7 zeigt eine nach Fig. 6 erweiterte Schaltung,
in dem weitere Transistoren T15₁, T15₂, T15₃, . . .
und T17₁, T17₂, T17₃, . . . als von den Stromspiegeln gesteuerten
Stromquellentransistoren vorgesehen sind. Die
paarweise zugeordneten Stromquellentransistoren T15₁,
T17₁ und T15₂, T17₂ und T15₃, T17₃ liefern jeweils
einen Ausgangsstrom i7₁, i6₁ und i7₂, i6₂ und i7₃, i6₃,
die jeweils in einem Schaltungsknoten K8₁, K8₂ und K8₃
zur Erzeugung eines Ausgangsstromes i8₁, i8₂ und i8₃
aufsummiert werden, wobei diese Ausgangsströme i8₁, i8₂
und i8₃ unterschiedliche negative Temperaturkoeffizienten
aufweisen, wobei auch hier die Werte dieser Temperaturkoeffizienten
nur von der Dimensionierung der
Transistoren T15₁ bis T15₃ und T17₁ bis T17₃ vorgegeben
wird.
Die vorstehend beschriebenen Schaltungen, die in integrierter
CMOS-Technik aufgebaut sind, können entgegen
den dargestellten Verhältnissen auch mit anderer Polung
der Betriebsspannungsquelle VDD betrieben werden, indem
die p- und n-Kanaltransistoren vertauscht werden sowie
eine Änderung des Bezugspunktes der Referenzspannung
VBE, der Kondensatoren C1 und C4 von +VDD
nach -VDD vorgenommen wird.
Claims (7)
1. Stromquellenschaltung mit einem ersten, zweiten,
dritten und vierten Feldeffekttransistor (T1, T2, T3,
T4), wobei der erste und zweite Feldeffekttransistor
(T1, T2) von einem ersten Kanaltyp und der dritte und
vierte Feldeffekttransistor (T3, T4) von einem zweiten
Kanaltyp sind und die in Serie geschalteten Kanalstrecken
des ersten und vierten bzw. des zweiten und
dritten Feldeffekttransistors (T1, T4; T2, T3) einen
ersten bzw. zweiten Hauptstromzweig (1, 2) bilden und
wobei zur Bildung eines ersten bzw. zweiten Stromspiegels
die Steuerelektrode des ersten bzw. dritten Feldeffekttransistors
(T1, T3) mit dem ersten Hauptstromzweig
(1) und der Steuerelektrode des zweiten Feldeffekttransistors
(T2) bzw. mit dem zweiten Hauptstromzweig
(2) und der Steuerelektrode des vierten
Feldeffekttransistors (T4) verbunden ist und zur Entnahme
eines ersten Stromquellenstromes (i3) ein fünfter
Feldeffekttransistor (T5) von dem ersten Stromspiegel
(T1, T2) gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß
ein erstes Paar von Feldeffekttransistoren (T6, T7)
vorgesehen ist, wobei diese Feldeffekttransistoren (T6,
T7) als Serienschaltung in den ersten Hauptstromkreis
(1) zwischen dem vierten Feldeffekttransistor
(T4) des zweiten Stromspiegels (T3, T4)
und einer Betriebsspannungsquelle (VDD) geschaltet
sind, daß ein erster Kondensator (C1) parallel zur
Kanalstrecke desjenigen Feldeffekttransistors (T6) des
ersten Feldeffekttransistorpaares (T6, T7) geschaltet
ist, der mit der Betriebsspannungsquelle (VDD) verbunden
ist, daß ein zweiter Kondensator (C2) die verbundenen
Steuerelektroden des ersten und zweiten Feldeffekttransistors
(T1, T2) mit dem Bezugspotential der Schaltung
verbindet und daß den Steuerelektroden der Feldeffekttransistoren
(T6, T7) des ersten Feldeffekttransistorpaares
gegenphasige Taktsignale (Cl1, Cl2) zugeführt
werden.
2. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Referenzspannungsquelle (Qref)
sowie ein zweites Feldeffekttransistorpaar (T9, T10)
vorgesehen sind, wobei diese beiden Feldeffekttransistoren
vom entgegengesetzten Kanaltyp sind und die Serienschaltung
dieser beiden Feldeffekttransistoren an
die Referenzspannungsquelle (Qref) angeschlossen ist
und den verbundenen Steuerelektroden dieser beiden
Feldeffekttransistoren (T9, T10) ein gemeinsames Taktsignal
(Cl1) zugeführt wird und daß eine Schaltungsanordnung
(3) mit folgenden Merkmalen vorgesehen ist:
- a) zur Entnahme eines zweiten Stromquellenstromes (i5) umfaßt diese Schaltungsanordnung (3) einen von dem zweiten Stromspiegel (T3, T4) gesteuerten Stromquellentransistor (T13) sowie ein drittes Feldeffekttransistorpaar (T11, T12), wobei die Serienschaltung dieser beiden Feldeffekttransistoren (T11, T12) den Stromquellentransistor (T13) mit der Betriebsspannungsquelle (VDD) verbindet,
- b) weiterhin ist ein erster und zweiter Kondensator (C3, C4) vorgesehen, wobei jeweils der eine Anschluß der beiden Kondensatoren (C3, C4) an den Verbindungspunkt (K4) der beiden Feldeffekttransistoren des dritten Feldeffekttransistorpaares (T11, T12) angeschlossen ist und der andere Anschluß des ersten bzw. zweiten Kondensators (C3, C4) mit dem Verbindungspunkt der beiden Feldeffekttransistoren des zweiten Feldeffekttransistorpaares (T9, T10) verbunden ist bzw. auf dem Potential der Betriebsspannungsquelle (VDD) liegt.
- c) die Ansteuerung des dritten Feldeffekttransistorpaares (T11, T12) erfolgt durch Steuerung der Steuerelektroden mit gegenphasigen Taktsignalen (Cl1, Cl2).
3. Stromquellenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Entnahme weiterer Stromquellenströme
(i5, i5₂, . . .) weitere Schaltungsanordnungen
(3₁, 3₂, . . .) mit jeweils einem Stromquellentransistor
(T13₁, T13₂, . . .) einem dritten Feldeffekttransistorpaar
(T11₁, T12₁; T11₂, T12₂; . . .) sowie einem
ersten und zweiten Kondensator (C3₁, C4₁; C3₂, C4₂;
. . .) mit den Merkmalen nach Anspruch 2a), 2b), 2c) vorgesehen sind.
4. Stromquellenschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein dritter Stromspiegel (T16, T17)
vorgesehen ist, dem als Eingangsstrom der erste Stromquellenstrom
(i3) zugeführt wird, daß ein vierter
Stromspiegel (T14, T15) vorgesehen ist, dem als Eingangsstrom
der zweite Stromquellenstrom (i5) zugeführt
wird und daß zur Entnahme eines dritten Stromquellenstromes
(i8) die Ausgangsströme der beiden Stromspiegel
auf einen gemeinsamen Knotenpunkt (K8) geführt werden.
5. Stromquellenschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der dritte Stromspiegel (T16, T17)
eine erste Gruppe von Stromquellentransistoren (T17,
T17₂, . . .) und der vierte Stromspiegel (T14, T15) eine
zweite Gruppe von Stromquellentransistoren (T15₁, T15₂,
. . .) ansteuern und daß zur Entnahme weiterer dritter
Stromquellenströme (i8₁, i8₂, . . .) die Ausgangsströme
der paarweise aus der ersten und zweiten Gruppe zusammengefaßten
Stromquellentransistoren jeweils auf einen
gemeinsamen Knotenpunkt (K8₁, K8₂ . . .) geführt werden.
6. Stromquellenschaltung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromquellentransistor
(T8) vorgesehen ist, der vom ersten
Stromspiegel (T1, T2) angesteuert ist, der vom ersten
Stromspiegel (T1, T2) angesteuert wird und daß als Referenzspannungsquelle
(Qref) ein als Diode geschalteter
Bipolar-Transistor (Q1) mit seiner Emitter-Kollektor-
Strecke in Reihe zum Stromquellentransistor (T8)
angeordnet ist, wobei die Kollektorelektrode auf dem
Potential der Betriebsspannungsquelle (VDD) liegt und
an der Emitter-Elektrode die Referenzspannung VBE
abgreifbar ist.
7. Stromquellenschaltung nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellenschaltung
in CMOS-Technologie realisiert ist.
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