DE4211644C2 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer konstanten Spannung - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer konstanten Spannung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer konstanten Spannung.
Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer derartigen herkömm­ lichen Schaltungsanordnung. Die dargestellte Schaltung hat eine von einer Quellenspannung (Stromzufuhr) unabhängige Vor­ spannungsschaltung 1, mit der eine Spannung VDD abgegeben werden kann und die eine konstante Vorspannung erzeugt. Außer­ dem ist eine Startschaltschaltung 2 vorgesehen, die die von der Stromzufuhr unabhängige Vorspannungsschaltung 1 starten kann, und zwar beim Beginn der Anlage der Quellenspannung VDD an diese Schaltung. (Die Schaltung 1 ist im übrigen in US-IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. Sc-14, Nr. 3, Juni 1979, Seiten 655-657, beschrieben).
Die von der Stromzufuhr oder Spannungszufuhr unabhängige Vor­ spannungsschaltung 1 hat ein Paar PMOS Transistoren PM1 und PM2, deren Quellenanschlüsse an die Quellenspannung ange­ schlossen sind. Ihre Toranschlüsse sind miteinander verbunden, um die Spannung VDD von der Spannungsquelle einzugeben.
Ein NMOS Transistor NM2 ist mit seinem Senkenanschluß gemein­ sam mit den Toranschlüssen der PMOS Transistoren PM1 und PM2 verbunden. Ein Senkenanschluß des PMOS Transistors PM2 und dessen Quellenanschluß sind über einen Widerstand R1 an einen Erdungsanschluß GND angeschlossen, um einen Bypass der Schal­ tung auszubilden. Ein NMOS Transistor NM1 ist mit seinem Tor­ anschluß und mit seinem Senkenanschluß an den Senkenanschluß des PMOS Transistors PM1 angeschlossen. Ein Toranschluß des NMOS Transistors NM2 und dessen Quellenanschluß sind an den Erdungsanschluß GND angeschlossen, um die Vorspannung über den gemeinsamen Verbindungspunkt n1 der Senke mit dem PMOS Transi­ stor PM1 abzugeben.
Die Startschaltung 2 hat einen Widerstand R2, dessen eine Seite mit dem Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist und der dadurch an der Quellenspannung VDD anliegt. Ein NMOS Tran­ sistor NM4 ist vorgesehen und dessen Senkenanschluß und Tor­ anschluß sind an die andere Seite des Widerstandes R2 ange­ schlossen. Der Quellenanschluß ist an den Erdungsanschluß angeschlossen, um als Stromquelle für einen Bypass zu dienen. Ein NMOS Transistor NM3 ist mit seinem Toranschluß an einen gemeinsamen Verbindungspunkt des Senkenanschlusses und des Toranschlusses des NMOS Transistors NM4 angeschlossen. Dessen Quellenanschluß ist an den Erdungsanschluß GND angeschlossen und dessen Senkenanschluß ist an eine gemeinsame Verbindung des Senkenanschlusses des NMOS Transistors NM2 mit den Tor­ anschlüssen der PMOS Transistoren PM1 und PM2 angeschlossen, und zwar in der Vorspannungsschaltung 1, um die Bypass-Strom­ schleife der Schaltung auszubilden, damit die Vorspannungs­ schaltung 1 bei Beginn der Anlage der Quellenspannung VDD an der Schaltung startet.
Der Betrieb dieser bekannten Schaltungsanordnung wird im fol­ genden beschrieben.
Zwei unterschiedliche Spannungen können am gemeinsamen Ver­ bindungspunkt n1 der Senken des PMOS Transistors PM1 und des NMOS Transistors NM1 in der Einschaltschaltung 1 auftreten. Die am Verbindungspunkt n1 anliegende Spannung ist nämlich die zu erhaltende Vorspannung oder sie beträgt 0 Volt. Falls die unabhängige Vorspannungsschaltung 1 bei Anliegen der Quellen­ spannung VDD an der Schaltung nicht startet, kann die Schaltung selbst keine Stromschleife ausbilden. Unter diesen Bedingungen ergibt sich, daß der Ausgang der Vorspannung am Verbindungs­ punkt n1 oder der Verbindungspunkt n1 der Senken des PMOS Transistors PM1 und des NMOS Transistors NM1 eine Vorspannung von 0 Volt haben.
Es besteht daher die Notwendigkeit, die von der Strom- oder Spannungszufuhr unabhängige Vorspannungsschaltung 1 zu star­ ten, und zwar unter Verwendung der Startschaltung 2. Bei An­ lage der Quellenspannung VDD in einem vorübergehenden Zustand an der Schaltung wird die Quellenspannung VDD an die Toran­ schlüsse der NMOS Transistoren NM3 und NM4 angelegt, und zwar über den Widerstand R2 in der Startschaltung 2, wodurch be­ wirkt wird, daß der NMOS Transistor NM3 sofort eingeschaltet wird. Als Ergebnis des Einschaltens des NMOS Transistors NM3 in der Einschaltschaltung 2 ergibt sich, daß die gemeinsame Verbindung der Senkenanschlüsse des PMOS Transistors PM2 und NMOS Transistors NM2 mit den Toranschlüssen der PMOS Tran­ sistoren PM1 und PM2 in der von der Zufuhr unabhängigen Vor­ spannungsschaltung 1 mit dem Erdungsanschluß GND verbunden wird. Daraus ergibt sich die Bypass-Stromschleife. Im Ergebnis liegt also die Erdungsspannung an den Toranschlüssen der PMOS Transistoren PM1 und PM2 an, wodurch die Schaltung eingeschal­ tet wird.
Jetzt wird die Quellenspannung VDD an die Toranschlüsse der NMOS Transistoren NM1 und NM2 über den eingeschalteten PMOS Transistor PM1 angelegt, wodurch die Schaltung eingeschaltet wird. Als Ergebnis wird die Quellenspannung VDD durch den Leitfähigkeitswert des PMOS Transistors PM1 und des NMOS Tran­ sistors NM1 geteilt, wodurch am Verbindungspunkt n1 eine Vor­ spannung erzeugt wird.
Wenn jetzt die Quellenspannung VDD einen stabilisierten Zustand erreicht, nachdem sie durch den anfänglichen Übergangszustand hindurch gegegangen ist, wird die Quellenspannung VDD an den Toranschluß des NMOS Transistors NM4 angelegt, und zwar über den Widerstand R2, wodurch die Schaltung eingeschaltet wird.
Als Ergebnis liegt eine niedrige Spannung am Toranschluß des NMOS Transistors NM3 an, wodurch die Schaltung ausgeschaltet wird. Dies beruht darauf, daß die Quellenspannung VDD durch den Widerstand R2 an den Erdungsanschluß GND kurzgeschlossen wird, und zwar durch den eingeschalteten NMOS Transistor NM4. Die Startschaltung 2 startet also die Vorspannungsschaltung 1 nicht mehr länger, weil der NMOS Transistor NM3 der Schaltung ausgeschaltet ist. Insbesondere wird die Ausbildung der By­ pass-Stromschleife durch den NMOS Transistor NM3 in der Start­ schaltung 2 nicht mehr länger ermöglicht. Im Ergebnis erzeugt die Vorspannungsschaltung 1 eine stabile Vorspannung, wobei die Stromschleife durch sich selbst aufrechterhalten bleibt.
Diese herkömmliche Schaltungsanordnung hat aber einen Nach­ teil, indem der NMOS Transistor NM4 in der Startschaltung 2 eingeschaltet ist, auch nachdem die Quellenspannung VDD stabi­ lisiert ist. Das Einschalten des NMOS Transistors NM4 unter dieser Bedingung bewirkt einen Stromfluß IS durch sich hin­ durch mit erhöhtem Stromverbrauch. Schwankt die Quellenspan­ nung VDD, so schwankt auch der Betrag des Stroms und daraus ergibt sich eine Beeinflussung der Vorspannung der Vorspan­ nungsschaltung 1. In anderen Worten gesagt, falls der Be­ triebsbereich der Quellenspannung VDD groß ist, so kann eine Schwankung in der Vorspannung auftreten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine unabhän­ gige Startschaltung für eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer konstanten Spannung vorzuschlagen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 das schon diskutierte Schaltdiagramm für eine herkömmliche Schaltungsanordnung;
Fig. 2 ein Schaltdiagramm einer erfindungsgemäßen, Schaltungsanordnung.
In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Schaltungsanordnung eine Vorspannungsschaltung 1 aufweist, die Spannung VDD von einer Leistungsquelle erhält und die eine konstante Vorspannung erzeugt. Außerdem ist eine Startschaltung 2 vorgesehen, die die Vorspannungsschaltung 1 startet, und zwar bei der Anlage der Quellenspannung VDD an die Schaltung.
Die Vorspannungsschaltung 1 hat ein Paar PMOS Transistoren PM1 und PM2, deren Quellenanschlüsse an die Spannungsquelle VDD angeschlossen sind. Deren Toranschlüsse sind miteinander ver­ bunden.
Ein NMOS Transistor NM2 ist vorgesehen, dessen Senkenanschluß an die gemeinsame Verbindung der Toranschlüsse der PMOS Tran­ sistoren PM1 und PM2 angeschlossen ist sowie an einen Senken­ anschluß des PMOS Transistors PM2. Dessen Quellenanschluß ist an einen Erdungsanschluß GND angeschlossen, und zwar über einen Widerstand R1, um einen Bypass auszubilden.
Es ist auch ein NMOS Transistor NM1 vorgesehen, dessen Tor­ anschluß und Senkenanschluß gemeinsam an einen Senkenanschluß des PMOS Transistors PM1 angeschlossen sind. Ein Toranschluß des NMOS Transistors NM2 und dessen Quellenanschluß sind an den Erdungsanschluß GND angeschlossen, um die Vorspannung über die gemeinsame Senkenverbindung n1 mit dem PMOS Transistor PM1 abzugeben.
Die Startschaltung 2 hat einen Widerstand R2, dessen eine Seite an den Leistungsquellenanschluß angeschlossen ist, um an die Quellenspannung VDD angelegt zu werden. Ein Kondensator C1 ist vorgesehen, dessen eine Seite an die andere Seite des Widerstands R2 angeschlossen ist und dessen andere Seite an den Verbindungspunkt n1 für den Ausgang der Vorspannung ange­ schlossen ist oder auch an den gemeinsamen Verbindungspunkt n1 der Senken des PMOS Transistors PM1 und des NMOS Transi­ stors NM1 in der Schaltung 1, um einen Startstrom der Vor­ spannungsschaltung zuzuleiten und um eine Schwankung der Quel­ lenspannung VDD und der Ausgangs-Vorspannung zu puffern.
Im folgenden wird die Arbeitsweise dieser Schaltungsanordnung beschrieben.
Bei Anlage der Quellenspannung VDD an die Schaltung wird die Quellenspannung VDD gleichzeitig an die Schaltung 1 und an die Schaltung 2 angelegt. Die Quellenspannung VDD, die an der Startschaltung 2 anliegt, ist wegen des Widerstands R2 und des Kondensators C1 störarm. Diese störarme Spannung wird dann an den Verbindungspunkt n1 für den Ausgang der Vorspannung in der Schaltung 1 angelegt. In anderen Worten gesagt, bei Beginn der Anlage der Quellenspannung wird eine hohe Spannung über den Widerstand R2 und den Kondensator C1 an die Toranschlüsse der NMOS Transistoren NM1 und NM2 in der Schaltung 1 angelegt, und zwar während einer kurzen Zeit, wodurch die Transistoren eingeschaltet werden.
Als Ergebnis dieses Einschaltens der NMOS Transistoren NM1 und NM2 werden die Toranschlüsse der PMOS Transistoren PM1 und PM2 über den NMOS Transistor NM2 und den Widerstand R1 an den Erdungsanschluß GND angelegt, wodurch der Bypass ausgebildet wird. Die Erdungsspannung wird also an die Toranschlüsse der PMOS Transistoren PM1 und PM2 angelegt, wodurch diese Transi­ storen eingeschaltet werden. Dann wird die Quellenspannung VDD an die Toranschlüsse der NMOS Transistoren NM1 und NM2 ange­ legt, und zwar über die eingeschalteten PMOS Transistoren PM1 und PM2. Die Quellenspannung wird auch über die NMOS Transi­ storen NM1 und NM2 und über den Widerstand R1 mit der Erdung kurzgeschlossen. Als Ergebnis ist festzuhalten, daß die Quel­ lenspannung VDD durch den Leitfähigkeitswert des PMOS Tran­ sistors PM1 und des NMOS Transistors NM1 geteilt wird, so daß die Vorspannung am Verbindungspunkt n1 erzeugt wird.
Wenn jetzt die Quellenspannung VDD stabilisiert wird, nachdem sie das anfängliche Übergangsstadium durchschritten hat, wird sie an eine Seite des Kondensators C1 angelegt, und zwar über den Widerstand R2 in der Einschaltschaltung 2. Die Quellen­ spannung gelangt auch zur anderen Seite des Kondensators C1, und zwar über den PMOS Transistor PM1. Als Ergebnis ist fest­ zuhalten, daß die Stromschleife durch den Kondensator C1 blockiert wird, weil am Kondensator C1 keine Potentialdiffe­ renz anliegt. Das heißt, daß die Stromschleife in der Start­ schaltung 2 durch den Kondensator C1 blockiert wird, nachdem die Quellenspannung VDD einen stabilisierten Zustand erreicht hat. Daher verbraucht die Schaltung keinen weiteren Strom. Als Ergebnis ist festzuhalten, daß die Vorspannungsschaltung 1 die Vorspannung stabil erzeugt, wobei die Stromschleife durch sich aufrechterhalten bleibt, und zwar ohne die Startspannung von der Startschaltung 2.
Weil die Stromschleife der Startschaltung 2 vom Kondensator C1 blockiert wird, nachdem die Quellenspannung VDD den stabili­ sierten Zustand erreicht hat, hat die Startschaltung 2 keinen Effekt auf die Vorspannung. Daher wird eine konstante Spannung erzeugt, auch wenn der Betriebsbereich der Quellenspannung VDD groß ist.
Andererseits, wenn eine abrupte Änderung in der Quellenspan­ nung VDD auftritt, die auf Störungen beruht, so wird eine Potentialdifferenz am Kondensator C1 erzeugt, weil die Quel­ lenspannung VDD über den Widerstand R1 in der Schaltung 2 an der anderen Seite des Kondensators C1 anliegt und auch an der anderen Seite des Kondensators C1 über den PMOS Transistor PM1 in der Schaltung 1. Diese Potentialdifferenz bewirkt ein Laden bzw. Entladen des Kondensators C1, wodurch bewirkt wird, daß die Vorspannung an Schwankungen gehindert wird. Die Vor­ spannung wird somit stabilisiert, auch wenn die Quellenspan­ nung schwankt.
Es ist also eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer kon­ stanten Spannung vorgesehen, die einen zusätzlichen Stromver­ brauch verhindert, der in der Schaltung auftreten kann, nach­ dem die Quellenspannung ihren stabilisierten Stand erreicht hat. Hierzu wird der Kondensator in der Startschaltung ver­ wendet. Weil die Stromschleife der Startschaltung vom Konden­ sator blockiert wird, nachdem die Quellenspannung den stabili­ sierten Zustand erreicht hat, hat die Startschaltung keine Wirkung auf die Vorspannung. Die Schaltungsanordnung arbeitet also auch dann, wenn der Betriebsbereich der Quellenspannung groß ist. Auch wenn eine abrupte Schwankung in der Quellen­ spannung wegen einer entsprechenden Störung auftritt, so kann die Vorspannung in der Vorspannungsschaltung durch den Kon­ densator stabilisiert werden. Die Verwendung des Kondensators anstelle der entsprechenden Bauelemente in Fig. 1 verringert außerdem den Flächenbedarf der Schaltung.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer konstanten Span­ nung mit zwei Stromspiegeln mit vier Feldeffekttransisto­ ren (PM1, PM2, NM1, NM2), von denen zwei erste Transisto­ ren (PM1, PM2) mit ihren Toranschlüssen miteinander ver­ bunden sind, deren Quellanschlüsse an eine gemeinsame äußere Spannungsquelle (VDD) angeschlossen sind und deren Senkenanschlüsse jeweils an die Senkenanschlüsse der beiden zweiten Transistoren (NM1, NM2) angeschlossen sind, deren Toranschlüsse ebenfalls miteinander verbunden sind und deren Quellanschlüsse geerdet sind, wobei die Verbindung der beiden Senkenanschlüsse jeweils eines der Transistoren (PM2, NM2) des ersten und des zweiten Paares mit der Verbindung der beiden Toranschlüsse der Transi­ storen des ersten Paares (PM1, PM2) verbunden ist, wobei ferner die Verbindung der beiden Senkenanschlüsse der beiden anderen Transistoren (PM1, NM1) miteinander über einen gemeinsamen Verbindungspunkt (n1) an die Verbindung der beiden Toranschlüsse des zweiten Transistorpaares (NM1, NM2) angeschlossen ist, und wobei eine Startschal­ tung (2) vorgesehen ist, die eine Serienschaltung eines Widerstandes (R2) und eines Kondensators (C1) aufweist und die an den gemeinsamen Verbindungspunkt (n1) einer­ seits und an die äußere Spannungsquelle (VDD) anderer­ seits angeschlossen ist.
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quellenanschluß eines der Transistoren (NM2) des zweiten Paares über einen weiteren Widerstand (R1) ge­ erdet ist.
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