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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spannungsreferenzschaltungen
und im Besonderen, obwohl nicht ausschließlich, auf analoge Trimmwerte
in integrierten Schaltungen.
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Hintergrund
der Erfindung
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Auf
dem Gebiet der vorliegenden Erfindung ist bekannt, dass man in integrierten
Schaltungen einen analogen Trimmwert erzeugen kann, der verwendet
wird, um eine Referenzspannung zu trimmen, die durch die integrierte
Schaltung erzeugt wird. Es ist in hohem Maße wünschenswert, dass dieser Trimmwert
im Wesentlichen von Temperaturschwankungen unabhängig ist, dies gilt im Besonderen
für Automobilanwendungen, wo
große
Temperaturbereiche spezifiziert werden.
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Es
ist bekannt, dass analoge Trimmwerte durch Verwenden von Sicherungen,
Zener-Zaps und EEPROMs zur Verfügung
gestellt werden können,
um digitale Trimminformationen zur Verfügung zu stellen, um die Spannung
zu trimmen. Es ist außerdem
bekannt, dass EEPROMs und Widerstände gemeinsam verwendet werden
können,
um analoge Trimminformationen zu speichern. Ein Problem mit diesen
Anordnungen besteht jedoch darin, dass, obwohl eine Spannung bei
einer gegebenen Temperatur präzise
getrimmt werden kann, die Natur analoger Signale bedeutet, dass
diese Präzision über einen
Bereich von Temperaturen nicht gut erhalten wird. Für eine integrierte
Schaltung, die in einer Automobilanwendung verwendet wird, kann
der betreibbare Temperaturbereich typischerweise –40°C bis 125°C sein.
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Es
wird eine Anordnung benötigt,
in der ein analoger Trimmwert zur Verfügung gestellt wird, der über solch
einen Temperaturbereich im Wesentlichen temperaturabhängig ist.
Mit anderen Worten, der Trimmwert muss einen vernachlässigbaren
Temperaturkoeffizienten haben.
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Die
US 5 430 670 offenbart eine
Differentialschaltung zum Erzeugen einer Referenzspannung.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ist es, eine EEPROM-Schaltung,
eine Spannungsreferenzschaltung und ein Verfahren zum Erzeugen einer
Spannungsreferenz mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten zur
Verfügung
zu stellen, wobei die oben erwähnten
Nachteile verringert werden.
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Darstellung
der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine EEPROM-Schaltung
zum Bereitstellen eines analogen Trimmwertes mit einem niedrigen
Temperaturkoeffizienten zur Verfügung
gestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Spannungsreferenzschaltung
zur Verfügung
gestellt, wie in Anspruch 3 beansprucht.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erzeugen eines analogen Trimmwertes mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten
zur Verfügung
gestellt, wie Anspruch 4 beansprucht.
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Die
erste Schwellenspannung wird über
eine Schalteranordnung, die zwischen der ersten und zweiten Steuerelektrode
der ersten beziehungsweise zweiten EEPROM-Zelle geschaltet ist,
vorzugsweise unabhängig von
der zweiten Schwellenspannung programmiert.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt des Programmierens der Schwellenspannung der
Steuerelektrode der zweiten EEPROM-Zelle den Schritt des Schaltens
einer Schalteranordnung, die zwischen den Steuerelektroden der ersten
und zweiten EEPROM-Zelle geschaltet ist. Die Spannung mit einem
niedrigen Temperaturkoeffizienten ist vorzugsweise ein analoger
Trimmwert zum Trimmen einer Referenzspannung.
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In
dieser Art und Weise werden analoge Trimmwerte mit einem niedrigen
Temperaturkoeffizienten zur Verfügung
gestellt, die im Besonderen nützlich
sind, wenn sie verwendet werden, um Spannungswerte in Automobilanwendungen
zu trimmen, wo eine integrierte Schaltung einen betriebsbedingten
Temperaturbereich von typischerweise –40°C bis 125°C haben kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Eine
Schaltung und ein Verfahren zum Erzeugen eines analogen Trimmwertes
mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten, die die vorliegende
Erfindung enthalten, werden nun lediglich beispielhaft mit Bezug auf
die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine Schaltbilddarstellung einer EEPROM-Schaltung, die über zwei EEPROM-Zellen verfügt, die
angeordnet sind, um eine analoge Trimmspannung gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verfügung zu
stellen; und
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2 zeigt
ein Schaltbild einer Spannungsreferenzschaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung, die die Anordnung von 1 verwendet.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Es
wird auf 1 Bezug genommen, darin wird
eine Schaltbilddarstellung gezeigt, die eine Anordnung 5 einschließlich der
ersten und zweiten EEPROM-Zelle 10 beziehungsweise 20 und
einen Widerstand 30 zeigt. Die erste EEPROM-Zelle 10 hat
eine Schwellenspannung VT10 und die zweite EEPROM-Zelle hat eine
Schwellenspannung VT20.
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Der
Widerstand 30 entwickelt eine Trimmspannung VR, die die
Differenz zwischen der Schwellenspannung VT10 und VT20 der zwei
EEPROM-Zellen 10 beziehungsweise 20 ist.
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Es
wird nun außerdem
auf 2 Bezug genommen, darin wird eine praktische Implementierung 40 der
Anordnung 5 gezeigt, in der die Differenz zwischen den
Schwellenspannungen zwischen zwei EEPROM-Zellen verwendet wird,
um die Spannung einer Bandlückenreferenz
zu trimmen.
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Die
Implementierung 40 umfasst eine EEPROM-Anordnung 45,
eine Stromquelle 70, einen Stromspiegel 80 und
eine Bandlückenreferenzschaltung 90.
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Die
EEPROM-Anordnung 45 hat eine erste und zweite EEPROM-Zelle 50 beziehungsweise 60,
die in ähnlicher
Weise mit denen der Anordnung 5 gekoppelt sind. Jede der
EEPROM-Zellen 50 beziehungsweise 60,
hat Source-, Gate- und Drain-Elektroden.
Zwischen die Gate-Elektroden der EEPROM-Zellen 50 und 60 ist
ein Schalter 55 gekoppelt und der Schalter ist außerdem an
eine Programmierspannung Vp gekoppelt, die unten weiter beschrieben
wird. Die Source-Elektrode der ersten EEPROM-Zelle 50 ist
mit der Erde über
einen Widerstand 65 gekoppelt, der angeordnet ist, um eine
Spannung VEE zu entwickeln, die unten weiter beschrieben wird. Die
Source-Elektrode der zweiten EEPROM-Zelle 60 ist direkt
mit der Erde gekoppelt.
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Die
Stromquelle 70 ist zwischen eine Stromversorgungsspannung
Vcc und die Drain-Elektrode der zweiten EEPROM-Zelle 60 gekoppelt. Der Stromspiegel
umfasst den ersten und zweiten Transistor 82 beziehungsweise 87,
die jeweils über
Source-, Gate- und Drain-Elektroden verfügen. Die Source-Elektroden des ersten
und zweiten Transistors 82 beziehungsweise 87 sind
an die Stromversorgungsspannung Vcc gekoppelt. Die Drain-Elektrode
des zweiten Transistors 87 ist an die Drain-Elektrode der
ersten EEPROM-Zelle 50 der Anordnung 45 und außerdem an
die Gate-Elektroden sowohl des ersten als auch zweiten Transistors 82 beziehungsweise 87 gekoppelt.
Die Drain-Elektrode des ersten Transistors 82 ist an die
Bandlückenreferenzschaltung
in einer Art und Weise gekoppelt, die unten weiter beschrieben wird.
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Die
Bandlückenreferenzschaltung 90 umfasst
einen Differentialverstärker 95,
einen Bipolartransistor 96, die ersten und zweiten Widerstände 92 und 97 und
eine Bandlückenspannungsquelle 93.
Der Differentialverstärker 95 verfügt über einen
nicht invertierenden Eingang, der an die Spannungsquelle 93 gekoppelt
ist, einen invertierenden Eingang, der mit der Erde über den
ersten Widerstand 92 und an die Drain-Elektrode des ersten
Transistors 82 des Stromspiegels 80 gekoppelt
ist, und einen Ausgang.
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Der
Bipolartransistor 96 verfügt über eine Basiselektrode, die
an den Ausgang des Differentialverstärkers 95 gekoppelt
ist, eine Kollektorelektrode, die an die Stromversorgungsspannung
Vcc gekoppelt ist und eine Emitterelektrode, die an den invertierenden
Eingang des Differentialverstärkers 95 über den
zweiten Widerstand 97 und an einen Referenzspannungsknoten 98 gekoppelt
ist, der angeordnet ist, um eine Referenzspannung VREF zur Verfügung zu
stellen.
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Unter
Betriebsbedingungen ist die Spannung VEE über den Widerstand 65 die
Differenz zwischen den Schwellenwerten der ersten und zweiten EEPROM-Zelle 50 beziehungsweise 60.
Der Schwellenwert der zweiten EEPROM-Zelle 60 kann durch
Verwenden der Programmierspannung VP durch Programmieren eingestellt werden,
wenn der Schalter 55 geöffnet
ist. In dieser Weise bleibt die erste EEPROM-Zelle 50 unprogrammiert. Während des
normalen Betriebs der Schaltung 40 ist der Schalter 55 geschlossen.
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In
der Schaltung 40 von 2 wird die
Ausgangsreferenzspannung VREF durch die folgende Gleichung gegeben:
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Die
Spannung VEE wird durch die Widerstände 97 und 65 skaliert
und von einer Bandlückenspannung VBG
der Bandlückenspannungsquelle 93 (die
in diesem Beispiel 1,2 V ist) subtrahiert. Die Bandlückenspannung
VBG hat einen niedrigen Temperaturkoeffizienten (TC), aber der Herstellungsprozess
für integrierte Schaltungen
verursacht eine Schwankung in der VBG von ungefähr 3,5% bei einer Standardabweichung
von 1.
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Die
VEE ist linear einstellbar und hat einen niedrigen TC. Die Schaltung 40 hat
somit den Vorteil, dass die VEE herunterskaliert wird, und somit
wird auch die Schwankung in der VEE herunterskaliert. Weiterhin kehrt
die VREF im Falle einer EEPROM-Störung zu ihrem ungetrimmten
Wert zurück.
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Die
meisten der temperaturempfindlichen Parameter, die die Schwellenspannung
eines Transistors beeinflussen, gehen auf die Merkmale des Siliziumsubstrats
und nicht die Merkmale des Gate-Oxids oder Polysilizium-Gates zurück. Wenn
ein EEPROM programmiert wird, wird Ladung auf dem Gate des EEPROM
gespeichert. Unabhängig
davon, ob ein EEPROM programmiert wird oder nicht, bleiben die Siliziummerkmale unverändert (außer wenn
viele Programm- und Löschzyklen
durchgeführt
werden). Daher wird die EEPROM-Schwellenwert-Temperatur-Abhängigkeit durch die Siliziumparameter
gesteuert und diese Siliziumparameter können heraussubtrahiert werden,
wobei nur die gespeicherte Ladungskomponente übrig bleibt.
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Der
TC einer EEPROM-Zellen-Schwellenspannung ist im Wesentlichen von
der gespeicherten Ladung unabhängig.
Mit anderen Worten, der TC des EEPROM-Schwellenwertes bleibt nahezu
genau der selbe, unabhängig
von der Menge an Ladung, die auf einem EEPROM-Gate gespeichert ist.
Die mittlere Änderung der
TC zwischen gelöschten
und programmierten Zuständen
eines typischen EEPROM beträgt
nur 0,14 mV/C.
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Normalerweise
verlieren EEPROM-Zellen während
ihrer Lebensdauer etwas von ihrer gespeicherten Ladung, so dass
erwartet werden kann, dass der Trimmwert über die Zeit leicht variiert.
Die VEE wird durch die Widerstände
R2 und R3 herunterskaliert, so dass auch jede beliebige Schwankung
in der VEE herunterskaliert wird. Die Temperatur beschleunigt den
Ladungsverlust.
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Während der
Lebensdauer eines Automobils herrschen in dem Bereich unterhalb
seiner Motorhaube typischerweise während 500 Stunden 150°C und während des
Restes der Zeit weniger als 110°C.
Da der Ladungsverlust in hohem Maße temperaturabhängig ist,
kann die Zeit, die bei weniger als 110°C zugebracht wird, vernachlässigt werden.
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Obwohl
die Referenzschaltung selbst einen nicht vernachlässigbaren
TC hat, fügt
die analoge Trimmschaltung der VREF nahezu keine Temperaturabhängigkeit
hinzu. In der oben erwähnten
Ausführungsform verändert die
analoge Trimmschaltung die Temperaturabhängigkeit nur um 0,05 mV/C.
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Es
ist klar, dass die Schaltung und das Verfahren zum Erzeugen einer
analogen Trimmung mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten, wie
oben beschrieben, die folgenden Vorteile zur Verfügung stellen:
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Mindestens
ein grundlegender Unterschied zwischen der vorliegenden Erfindung
und einer Anordnung nach dem Stand der Technik, in der EEPROM-Zellen
verwendet werden, um Trimmwerte zu speichern, ist der, dass der
Trimmwert der vorliegenden Erfindung als die Differenz zwischen
zwei EEPROM-Schwellenwerten, anstatt als der Wert einer einzelnen
programmierten EEPROM-Zelle, gespeichert wird.
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Daher
liegt ein Vorteil der vorliegenden Erfindung zum Trimmen von Spannungsreferenzen
darin, dass der TC des Trimmwertes vernachlässigbar ist. Andere bekannte
Lösungen,
die eine digitale Trimmung verwenden, um Widerstände selektiv zu schalten, haben
einen hohen TC, weil der TC von Widerständen hoch ist. Lösungen für eine analoge
Trimmung, die einzelne EEPROM-Zellen verwenden, haben viel höhere TCs,
weil der EEPROM-Schwellenwert einen großen TC hat.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil besteht darin, dass die Schaltung 40 viel kleiner
ist als andere Anordnungen, wie z. B. eine digitale Trimmanordnung,
die EEPROM-Zellen verwendet. Ein Trimmen, das ein Array von EEPROM-Zellen
verwendet, benötigt
einen großen
Halbleiterbereich und umfasst einen hohen Stromverbrauch und einen
Hochspannungsschaltkreis.
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Es
ist klar, dass andere Ausführungsformen
als jene, die oben erwähnt
worden sind, möglich
sind. Zum Beispiel können
die genauen Anordnungen der Bandlückenreferenzschaltung und des
Stromspiegels von jenen abweichen, die oben beschrieben worden sind.
