DE60212217T2

DE60212217T2 - Referenzspannungsgeneratoreinrichtung mit hoher Genauigkeit

Info

Publication number: DE60212217T2
Application number: DE60212217T
Authority: DE
Inventors: Philippe Messager
Original assignee: Atmel Nantes SA
Current assignee: Microchip Technology Nantes
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2002-02-07
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: US6650175B2; FR2820904B1; EP1231529A1; FR2820904A1; DE60212217D1; US20020136065A1; EP1231529B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Generatoreinrichtung einer Präzisionsreferenzspannung, die insbesondere dazu bestimmt ist, ausgehend von einer externen Versorgungsspannung, die geeignet ist, zwischen einem Mindest- und Höchstwert zu schwanken, eine Präzisionsreferenzausgangsspannung zu erzeugen, die unabhängig von der Prozesstemperatur des Generators und dem Wert des externen Versorgungspotenzials stabil ist. Derartige Generatoreinrichtungen sind besonders geeignet zur Versorgung einer elektronischen Schaltung wie beispielsweise eines Analog-Digital-Umsetzers mit einem stabilen Referenzpotenzial, um dessen Betrieb stabiler und genauer zu machen und dabei gleichzeitig den Stromverbrauch dieser Generatoren zu senken.
Von diesen Generatoreinrichtungen betrifft die Erfindung genauer diejenigen, die eine Halbleiterschaltung 1 umfassen, die aus dem englischen Sprachgebrauch kommend genauer als Bandgap-Schaltung bezeichnet wird, wobei diese Art Schaltung die Erzeugung einer Referenzspannung ermöglicht, welche Schaltung nachstehend als Halbleiterschaltung 1 bezeichnet wird, und mindestens eine Spannungsvervielfachungsschaltung 2, die mit dieser Halbleiterschaltung in Kaskade geschaltet ist, wobei diese Spannungsvervielfachungsschaltung dazu bestimmt ist, ausgehend von der von der Halbleiterschaltung erzeugten Referenzspannung die stabile Referenzausgangsspannung bereitzustellen. Eine solche Generatoreinrichtung des Stands der Technik ist in 1a dargestellt.
In der Regel müssen Halbleiterschaltungen dieser Art vor jeder Benutzung einer Voreinstellung unterzogen werden, damit das von ihnen erzeugte Referenzpotenzial unabhängig von möglichen Schwankungen der externen Versorgungsspannung und der Temperatur so stabil und genau wie möglich ist.
Der Nachteil dieser Bandgap-Halbleiterschaltung 1 liegt darin, dass zwischen dem Erreichen einer Präzision der Temperatur und dem Erreichen einer Präzisionsversorgungsspannung systematisch ein Kompromiss gefunden werden muss. Genauer gesagt, kann die Einstellung dieser Art Halbleiterschaltung entsprechend drei Modalitäten erfolgen, d.h., dass:

– diese Halbleiterschaltung entweder so eingestellt wird, dass die von ihr erzeugte Referenzspannung beispielsweise nur um einige mV innerhalb des gesamten Prozesstemperaturbereichs schwankt, auf Kosten einer Schwankung von beispielsweise einiger zehn mV innerhalb des gesamten Versorgungsspannungsbereichs;
– oder diese Halbleiterschaltung so eingestellt wird, dass ein Kompromiss erreicht wird zwischen der Temperaturstabilität, der von der Halbleiterschaltung erzeugten Referenzspannung und der externen Versorgungsspannung, die beispielsweise um einige zehn mV sowohl hinsichtlich Spannung als auch Temperatur schwankt.

Eine solche Einstellung zieht nicht unerhebliche Ungenauigkeiten der von dieser Halbleiterschaltung 1 erzeugten Referenzspannung nach sich, wobei sich diese Ungenauigkeiten jedoch in einer Vervielfachung der vorbestimmten, am Ausgang der Spannungsgeneratoreinrichtung bereitgestellten, so genannten präzisen Ausgangsspannung durch die Spannungsvervielfachungsschaltung 2 niederschlägt.
Wie in 1a dargestellt, umfasst die Spannungsvervielfachungsschaltung 2 nämlich einen Differenzialverstärker OPA, der an seinem Negativpol die Referenzspannung Vref als Nennspannung empfängt, und eine resistive Reaktionsschaltung R'₁, R'₂, R'₃ mit einer Auskopplungskapazität C₂, die einen Regeltransistor Tr umfasst, der zwischen die Versorgungsspannung Vcc und die resistive Brücke gelegt ist und zum Teil die Ausgangsspannung V_OUT, die so genannte Präzisionsreferenzspannung, zum positiven Pol des Operationsverstärkers OPA zurückleitet. Die Steuerelektrode des Regeltransistors Tr wird von dem Ausgang des Differenzialverstärkers OPA in den Stromkreis geschaltet und gesteuert, wobei die Verbindungsstelle zwischen dem Regeltransistor Tr und der resistiven Brücke die Ausgangsklemme bildet, die die so genannte Präzisionsreferenzspannung erzeugt. Der Regeltransistor Tr hat die Funktion eines spannungsgesteuerten Widerstands und die Spannungsvervielfachungsschaltung 2 ermöglicht es, die Ausgangsspannung V_OUT auf einen Wert zu regeln, der höher ist als die Referenzspannung Vref, aber niedriger als der Wert der Versorgungsspannung Vcc, in Abhängigkeit von den jeweiligen Werten der Widerstände R'₁, R'₂ und R'₃, wobei der Widerstandswert des Regeltransistors Tr niedrig ist.
Die Schwankungen der Versorgungsspannung und der Referenzspannung Vref werden jedoch entsprechend verstärkt, was die tatsächliche Genauigkeit des Systems beeinträchtigt.
Diese Referenzgeneratoren haben darüber hinaus einen hohen Verbrauch, vor allem, wenn die externe Versorgungsspannung Vcc auf ihrem Höchstwert ist.
Das Dokument US-A-6046577 beschreibt einen Spannungsregler mit niedriger Abfallspannung.
Die vorliegende Erfindung will insbesondere diesen Nachteilen abhelfen, indem sie die Genauigkeit und Stabilität von Generatoreinrichtungen von Präzisionsreferenzspannungen unabhängig von ihrer jeweiligen Einstellung hinsichtlich der externen Versorgungsspannung bzw. der Prozesstemperatur verbessert und dabei gleichzeitig den Stromverbrauch senkt.
Hierzu schlägt die vorliegende Erfindung eine Generatoreinrichtung einer Referenzspannung nach Anspruch 1 vor.
Die Initialisierungsschaltung umfasst eine Schaltung, die einen Steuerimpuls bestimmter Dauer erzeugt, wobei dieser Steuerimpuls an die Steuerelektrode des Regeltransistors gelegt wird, die diesen Regeltransistor während der Dauer der Initialisierung im vollkommen leitenden Zustand steuert. Dadurch kann an die Ausgangsklemme der Generatorvorrichtung einer Präzisionsreferenzspannung eine Spannung angelegt werden, die gleich der Spannung zum Aufbau der Versorgungsspannung während der Dauer der Initialisierung ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung einer ihrer Ausführungsformen hervor, die beispielhaft und nicht einschränkend gegeben ist und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, in denen, außer der 1a und der 1b, die sich auf den Stand der Technik beziehen,
2 ein Schema der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine bevorzugte Ausführungsform der Generatoreinrichtung einer Präzisionsreferenzspannung darstellen, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist;
die 4a bis 4j die Entwicklung der Spannungen an signifikativen Teststellen der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung darstellen.
Mit Bezug auf 2 umfasst die Generatoreinrichtung einer Präzisionsreferenzspannung nach der vorliegenden Erfindung eine Halbleiterschaltung 1 wie eine Bandgap-Schaltung, die in Kaskade mit einer Spannungsvervielfachungsschaltung 2 geschaltet ist.
Die Halbleiterschaltung 1 wird von einer Schaltung wie einer Bandgap-Schaltung gebildet, wie sie in 1b dargestellt ist, die eine Referenzspannung Vref erzeugt.
Ein Beispiel einer solchen Halbleiterschaltung, die eine Referenzspannung erzeugt, ist schematisch in der vorgenannten 1b dargestellt, wenn diese Schaltung von einer Versorgungsspannung Vcc gespeist wird. Letztere ist in Form einer integrierten Schaltung ausgeführt. Sie wird im Stand der Technik sehr viel verwendet und erzeugt eine relativ stabile Referenzspannung Vref. Diese Schaltung ist unter der Bezeichnung "Bandgap-Spannungsreferenzquelle" bekannt, wobei der Begriff Bandgap eine dem Englischen entliehene Bezeichnung ist, der die Durchgangsenergie der Elektronen von der Leiterbahn bis zur Valenzbahn in dem verwendeten Halbleiter bezeichnet. Diese Energie ist bekanntermaßen temperaturabhängig. Referenzquellen dieser Art nutzen die Abhängigkeit von bestimmten Schaltungsparametern abhängig von dieser Energie und somit der Temperatur, um durch geeignete Kompensationen eine in etwa stabile Referenzspannung Vref zu realisieren.
Die Schaltung der 1b umfasst im Wesentlichen zwei als Dioden ausgeführte bipolare Transistoren T₁, T₂, drei Widerstände R₁, R₂, R₃ und einen Operationsverstärker OPA.
Der Operationsverstärker OPA, der von der externen Versorgungsspannung Vcc gespeist wird, umfasst einen Umschalteingang, der an den Kollektor des bipolaren Transistors T'₂ gelegt ist und einen Eingang ohne Umschaltung, der an den Widerstand R₁ gelegt ist, der selbst an den Kollektor des bipolaren Transistors T'₁ gelegt ist. Der Widerstand R₃ wiederum ermöglicht die Realisierung der Schaltung bei einem Anstieg der externen Versorgungsspannung Vcc. Die Referenzspannung Vref, die hinsichtlich der Temperatur und der externen Versorgungsspannung Vcc stabil ist, wird am Ausgang S der Schaltung abgegeben.
Die Stabilität der Referenzspannung Vref beruht vor allem auf einer geeigneten Wahl der Verbindungsflächen der beiden bipolaren Transistoren T'₁, T'₂ und der Werte von R₁ et R₂.
wobei V_be2 und V_T jeweils die Basis-Emitter-Spannung bzw. die Spannungsschwelle des Transistors T'₂ und I₁ und I₂ die Ströme sind, die jeweils in den Widerständen R₁ et R₂ zirkulieren, und In den natürlichen Logarithmus bezeichnet.
In dem dargestellten Beispiel kann Vcc zwischen Vcc_min = 2 V und Vcc_max = 5,5 V schwanken, R₁ = 22 k, R₂ = 64,3 k und R₃ = 100 k. Der Wert der Amplitude der dann am Ausgang erhaltenen Referenzspannung Vref beträgt etwa 1,25 V.
Diese Halbleiterschaltung 1 muss in ähnlicher Weise wie die Bandgap-Referenzspannungsquellen des Stands der Technik voreingestellt werden. Bei dem dargestellten Beispiel wird diese Halbleiterschaltung 1 so geregelt, dass Vref um 2 mV bei der Temperatur und 30 mV bei der Spannung schwankt.
Erneut mit Bezug zu 2 umfasst die Spannungsvervielfachungsschaltung 2 einen Differenzialverstärker 20, der von einem Operationsverstärker OP₁ gebildet wird, der als Spannungsvervielfacher ausgeführt ist, wobei die Spannungsvervielfachungsschaltung 2 als Spannungsvervielfacher und -steuerung wirkt.
Dieser Differenzverstärker 20 hat einen nicht invertierenden positiven Eingang, der direkt an den Ausgang S der Halbleiterschaltung 1 gelegt ist, einen Ausgang S₁, der eine vorbestimmte Ausgangsspannung V_OUT erzeugt, die die angestrebte Präzisionsreferenzspannung bildet. Dieser Ausgang S₁ ist über eine galvanische Verbindung 3 an den Versorgungseingang IN der Halbleiterschaltung 1 gelegt, die die Referenzspannung Vref erzeugt. So wird die Halbleiterschaltung 1 im Dauerbetrieb von der Präzisionsreferenzspannung versorgt, wie es genauer noch in der Beschreibung erläutert wird. Eine Kapazität C₁ ermöglicht eine Glättung der Referenzspannung Vref und eine Kapazität C₃ ermöglicht eine Glättung der Ausgangsspannung V_OUT.
Darüber hinaus ist, wie man in 2 sieht, eine resistive Reaktionsschaltung 2 vorgesehen, die einen Regeltransistor Tr umfasst, der zwischen die Versorgungsspannung Vcc und eine resistive Brücke R'₁, R'₂, R'₃ geschaltet ist und zum Teil die Präzisionsreferenzspannung, die von der Ausgangsklemme S₁ bereitgestellte Ausgangsspannung V_OUT, zum positiven, nicht umkehrbaren Pol des Differenzialverstärkers 20, dem Operationsverstärker OPA, zurückleitet. Die Steuerelektrode des Regeltransistors Tr wird von dem Ausgang des Differenzialverstärkers 20 in den Stromkreis geschaltet und gesteuert. Die Verbindungsstelle zwischen dem Regeltransistor Tr und der resistiven Brücke bildet für die Generatoreinrichtung der Präzisionsreferenzspannung die Ausgangsklemme S₁, die die Präzisionsreferenzspannung erzeugt.
Man versteht besonders, dass der Differenzialverstärker 20 im Dauerbetrieb die Ausgangsspannung V_OUT, welche die Präzisionsreferenzspannung ist, nach einem Wert regelt, der über dem Wert der Referenzspannung Vref liegt, die von der Halbleiterschaltung 1 erzeugt wurde, wobei im Dauerbetrieb das Gleichgewicht erhalten wird mit:
Die Referenzspannung Vref bildet einen Sollwert. Der Regeltransistor Tr hat die Funktion eines durch den Ausgang des Differenzialverstärkers 20 einstellbaren spannungsgesteuerten Widerstands. Eine Entkoppelungskapazität C₂ sorgt für die Stabilität der Steuerung durch Einführung eines akzeptablen Phasenbereichs im Übergangsbetrieb.
Schließlich wird eine Initialisierungsschaltung 4 an die Steuerelektrode des Regeltransistors Tr gelegt. Diese Schaltung 4 ermöglicht im Übergangsbetrieb bei der Initialisierung bei Unterspannungsetzen mit der Versorgungsspannung Vcc der Generatoreinrichtung der Präzisionsreferenzspannung, die Gegenstand der Erfindung ist, ein Ersetzen der von der Halbleiterschaltung 1 nach Art der Bandgapschaltung noch nicht erzeugten Präzisionsreferenzspannung Vref, wobei diese Art Schaltung eine nicht unerhebliche Versorgungsspannungs-Funktionsschwelle aufweist, durch die Spannung zur Herstellung der Versorgungsspannung Vcc.
Eine solche Funktionsweise ermöglicht einerseits im Übergangsbetrieb bei der Initialisierung eine Versorgung der Halbleiterschaltung 1 von der Aufbauspannung der Versorgungsspannung Vcc aus und durch den ansteigenden Charakter dieser Versorgungsspannung gemäß einem kumulativen Phänomen den korrelativen Anstieg der von der Ausgangsklemme S₁ erzeugten Ausgangsspannung V_OUT und da mit den der Versorgungsspannung der Halbleiterschaltung 1 durch das Vorhandensein der galvanischen Verbindung 3.
Diese Betriebsweise ermöglicht ferner im Dauerbetrieb die Erzeugung der angestrebten Präzisionsreferenzspannung an der Ausgangsklemme S₁, nachdem die Referenzspannung Vref ihren Nennwert erreicht hat, und die Versorgung der Halbleiterschaltung 1 vom Nennwert der Referenzspannung Vref aus.
In dem in 2 dargestellten Beispiel 2 ist Vref = 1,25 V, R'1 = 0,955 MΩ, R'2 = 0,16 MΩ und R'3 = 0,95 MΩ. Somit gilt: V_OUT = 2,32 V.
Der Differenzialverstärker 20, der so mit der Halbleiterschaltung 1 in Kaskade geschaltet ist, die die Referenzspannung Vref erzeugt, und dadurch als Nennspannung die Referenzspannung Vref empfängt, ermöglicht die Erzeugung einer geregelten Ausgangsspannung V_OUT, die die angestrebte Präzisionsreferenzspannung bildet, und zwar unabhängig von der Prozesstemperatur und der externen Versorgungsspannung Vcc. Insbesondere ist anzumerken, dass vorzugsweise eine Temperaturfeineinstellung der Halbleiterschaltung 1 gewählt werden kann, da die Spannungssteuerung abhängig von der Versorgungsspannung außerdem von der Spannungsvervielfachungsschaltung bzw. dem Spannungsregler 2 übernommen wird.
Die Serienschaltung der Halbleiterschaltung 1 und der Spannungsvervielfachungsschaltung 2 ermöglicht die Herstellung einer Generatoreinrichtung einer Präzisionsreferenzspannung, die besonders geeignet ist zur Verbindung mit einer Last wie einer digitalen oder analogen Elektronikschaltung, die eine sehr stabile Spannungsreferenz beispielsweise für einen Vergleich der Analog-Digital-Umsetzung ADC, und eine kontrollierte Prozessstabilität benötigt. Dies ist beispielsweise der Fall bei Analog-Digital-Umsetzern.
Der Vorteil eines solchen Aufbaus liegt nämlich im Loopback der Spannungsvervielfachungsschaltung 2 am Versorgungseingang der die Referenzspannung Vref erzeugenden Halbleiterschaltung 1 durch die galvanische Verbindung 3, der es vorteilhafterweise ermöglicht, die Regelung der Spannungspräzision derselben erheblich zu reduzieren, aber die Präzision des Temperaturregelungsbereichs zu erhöhen. Man kann eine hohe Präzision der Referenzspannung Vref der Halbleiterschaltung 1 und somit der Ausgangsspannung V_OUT erreichen. Wenn diese Halbleiterschaltung 1, die die Referenzspannung Vref erzeugt, und die Spannungsvervielfachungsschaltung 2 nämlich im Dauerbetrieb jeweils ihren stabilen Zustand erreicht haben, wird der Regeltransistor Tr so geregelt, dass die Ausgangsspannung V_OUT wieder am Versorgungseingang IN der Halbleiterschaltung 1 eingespeist wird, die dann von der stabilen Versorgungsspannung aus versorgt wird, welche die Präzisionsreferenzspannung ist.
Nachfolgend werden unterschiedliche, besondere Ausführungsformen der Initialisierungsschaltung 4 beschrieben.
Bei einer ersten, vereinfachten Ausführungsform kann die Initialisierungsschaltung 4 von einem Impulsgeber eines Steuerimpulses bestimmter Dauer gebildet werden. Unter diesen Bedingungen macht der an die Steuerelektrode des Regeltransistors Tr angelegte Steuerimpuls CP diesen Transistor während der Dauer der Initialisierung vollkommen leitend und bedingt so das Anlegen einer Spannung, die im Wesentlichen gleich der Aufbauspannung der Versorgungsspannung ist, an die Ausgangsklemme S₁ der Generatoreinrichtung der Präzisionsspannung, die Gegenstand der Erfindung ist, und an die Versorgungsklemme der Halbleiterschaltung 1, welche die Referenzspannung Vref erzeugt.
Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform kann der Generator 4 von einer monostabilen Schaltung mit einstellbarer Dauer von einer Steuerspannung VD aus gebildet werden. Die Einstellung der Dauer des Steuerimpulses CP kann experimentell für eine Auswahl gegebener Schaltungen vorgenommen werden. Der Generator 4 wird natürlich mit der Versorgungsspannung Vcc versorgt, die sich schneller aufbaut als die von der Halbleiterschaltung 1 erzeugte Referenzspannung Vref.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform wird die Schaltung 4 zur Erzeugung eines Steuerimpulses bestimmter Dauer von einer bistabilen Schaltung gebildet, die auf einen Anfangszeitpunkt und einen Endzeitpunkt der Initialisierungsdauer synchronisiert ist. Bei dieser Lage wird die Initialisierungsdauer vom Anfang bzw. vom Ende des Aufbaus der von der Halbleiterschaltung 1 erzeugten Referenzspannung Vref definiert.
Eine besondere Ausführungsweise einer bevorzugten Ausführungsform der Initialisierungsschaltung 4 ist in 3 dargestellt.
In der vorgenannten Figur stellen die gleichen Bezugszahlen die gleichen Elemente wie in dem Rahmen der 2 dar.
Mit Bezug zu 3 umfasst die synchronisierte bistabile Schaltung eine erste und eine zweite Erfassungsschaltung für das gleichzeitige Vorhandensein einer Aufbauspannung der von der Halbleiterschaltung 1 erzeugten Referenzspannung Vref bzw. der Präzisionsreferenzspannung V_OUR, die an der Ausgangsklemme S₁ vorliegt. Die erste und zweite Erfassungsschaltung werden jeweils von einem N-MOS-Transistor T₂, T₃ gebildet, die mittels eines Widerstands R'₄ zwischen der Versorgungsspannung Vcc und der Massespannung V_GND in Kaskade geschaltet ist. Das Gate des Transistors T₂ der ersten Erfassungsschaltung ist an den Ausgang S der Halbleiterschaltung 1 geschaltet, um das Vorhandensein der Aufbauspannung der Referenzspannung Vref zu erfassen. Das Gate des Transistors T₃ der zweiten Erfassungsschaltung ist an einen Punkt gelegt, der repräsentativ für die Ausgangsspannung V_OUT ist, um das Vorhandensein der Aufbauspannung der Präzisionsreferenzspannung zu erfassen. Dieser repräsentative Punkt kann beispielsweise von dem Verbindungspunkt der resistiven Brücke gebildet werden, beispielsweise dem Verbindungspunkt zwischen R'₂ und R'₃.
Ferner ist eine nichtlineare Schaltung NL vorgesehen. Diese Schaltung wird von zwei in Kaskade geschalteten Umkehrschaltungen INV₁ und INV₂ gebildet. Die nichtlineare Schaltung steuert den Initialisierungs-Regeltransistor TN₄, der zwischen das Gate des Regeltransistors Tr und die Referenzspannung V_GND geschaltet ist. Die Steuerelektrode des Initialisierungs-Regeltransistors ist direkt an den Ausgang der zweiten Umkehrschaltung INV₂ gelegt, die die nichtlineare Schaltung NL bildet. Die nichtlineare Schaltung NL empfängt am Eingang die von der ersten und zweiten Erfassungsschaltung T₂, T₃ erfasste Spannung und ermöglicht einen Vergleich dieser erfassten Spannung, die repräsentativ für eine Referenzspannung ist, bzw. einer niedrigeren Präzisionsreferenzspannung mit einem Schwellenwert. Dieser Schwellenwert steht für die Initialisierungsdauer. Auf diesen Vergleich hin liefert die nichtlineare Schaltung NL eine erste Steuerspannung, solange die erfasste Spannung über dem Schwellenwert liegt, und im gegenteiligen Fall eine zweite Steuerspannung an den Initialisierungs-Regeltransistor T₄, der dann so geschaltet wird, dass er den Steuerimpuls CP an den Regeltransistor Tr anlegt.
Die Einheit arbeitet nun wie folgt:

– die Initialisierungsschaltung 4 funktioniert nur bei 0 ≤ Vcc ≤ 2 V, d.h., bevor die Halbleiterschaltung 1 ihren Betrieb aufnimmt und die Referenzspannung Vref erzeugt;
– die Ausgangsspannung V_OUT, die die Präzisionsreferenzspannung bildet, ist gleich Vcc, solange die von der nichtlinearen Schaltung NL an das Gate des Initialisierungssteuerungs-Transistors TN₄ angelegte Spannung einen hohen Wert aufweist, wobei der Transistor vollkommen leitend ist und bedingt, dass V_OUT = Vcc (Aufbau).

Die Generatoreinrichtung einer Präzisionsreferenzspannung nach der vorliegenden Erfindung arbeitet wie folgt.
Beim Unterspannungsetzen erzeugt die Halbleiterschaltung 1, die die Referenzspannung Vref erzeugt am Ausgang ein erstes Potenzial von 0 V, Vref < 1 V und erzeugt der Differenzialverstärker 20 am Ausgang ein erstes Ausgangspotenzial nach 0 V, V_OUT < 2 V, wobei die Transistoren T₂ und T₃ blockiert sind. Der Eingang der Umkehrschaltung INV₁ empfängt dann eine Spannung mit einem Wert gleich Vcc, die an die Source des Transistors T₃ durch R'₄ angelegt wird. Diese Spannung wird mittels der beiden Umkehrschaltungen INV₁ und INV₂ übertragen, die die nichtlineare Schaltung NL am Gate des Transistors T₄ bilden, der leitend wird. Das Gate des Regeltransistors Tr wird dann durch die Drain-Source-Spannung des Transistors 4 polarisiert, die einen niedrigen Wert aufweist, wobei der Regeltransistor Tr seinerseits leitend wird. Dadurch, dass diese Drain-Source-Spannung eine niedrige Höhe aufweist und der Wert der Drain-Source-Spannung des Regeltransistors Tr etwa gleich 0 V, V_drain = V_source = Vcc ist, unterliegt der Versorgungseingang IN der Halbleiterschaltung 1 durch die galvanische Verbindung 3 der Aufbauspannung der Versorgungsspannung Vcc.
Wenn die Halbleiterschaltung 1, die die Referenzspannung erzeugt, am Ausgang eine Referenzspannung abgibt, die Vref = 1,2 V erreicht hat, was ihr Mindestreferenzpotenzial im Betrieb darstellt, und der Differenzialverstärker 20 am Ausgang eine Ausgangsspannung von V_OUT > 2 V erzeugt, werden die entsprechenden Gates der Transistoren T₂ und T₃ jeweils durch Vref und V_OUT polarisiert, wodurch diese Transistoren dann leitend werden. Der Eingang der Umkehrschaltung INV₁ empfängt dann eine Spannung mit dem Wert Null, die an die Source des Transistors T₃ angelegt wird. Diese Spannung wird durch die nichtlineare Schaltung NL an das Gate des Transistors T₄ angelegt, der blockiert wird. Das Gate des Regeltransistors Tr wird nun durch die von dem Differenzialverstärker 20 erzeugte Ausgangsspannung V_SI1 polarisiert, und der Regeltransistor Tr verhält sich nun wie ein Widerstand, der der Entwicklung von V_SI1 folgt. Die Ausgangsspannung, die die Präzisionsreferenzspannung bildet, wird nun an den Versorgungseingang IN der Halbleiterschaltung 1 angelegt.
Wenn sich die Funktion der Halbleiterschaltung 1, die die Referenzspannung erzeugt, und des Differenzialverstärkers 20 im Dauerbetrieb stabilisiert, d.h., wenn in dem dargestellten Beispiel Vref = 1,25 V und V_OUT = 2,4 V, wird an den Versorgungseingang IN der Halbleiterschaltung 1, der an den Ausgang S₁ und den Drain des Transistors T₁ gelegt ist, bei V_OUT = 2,4 V dauerhaft die Präzisionsreferenzspannung angelegt, und zwar unabhängig von den Schwankungen von Vcc. Diese Funktionsweise ist mit einer erheblichen Senkung des Stromverbrauchs der Generatoreinrichtung einer Präzisionsreferenzspannung verbunden, die Gegenstand der Erfindung ist, bezogen auf den Stromverbrauch der entsprechenden Einrichtungen des Stands der Technik.
Darüber hinaus ist die Halbleiterschaltung 1 dadurch, dass die Vorrichtung der Erfindung in besonders bemerkenswerter Weise in geschlossenem Regelkreis arbeitet, eigenstabil und spannungsgenau, ohne die Notwendigkeit einer spezifischen Spannungsregulierung, was dann die Wahl eher einer präzisen Temperaturregulierung als einer Spannungsregulierung ermöglicht. Messungen haben ergeben, dass die Spannungspräzision der die Referenzspannung erzeugenden Halbleiterschaltung 1 bei 2 mV liegt. Eine solche Genauigkeit und Stabilität schlagen sich vorteilhafterweise auf die Ausgangsspannung V_OUT nieder, die am Ausgang OUT abgegeben wird und die Präzisionsreferenzspannung im Sinne der vorliegenden Erfindung bildet.
Für eine Halbleiterschaltung 1

– zeigen die 4a und 4b Werte der Ausgangsspannung V_OUT und der Referenzspannung Vref in Abhängigkeit von der externen Versorgungsspannung Vcc jeweils die Werte der von der Versorgungsspannung Vcc und der Ausgangsklemme S₁ an eine gegebene Last angelegten Stromstärke, wobei die Ordinatenachse eine Hundert-Mikroampere-Einteilung aufweist;
– stellen die 4c und 4d die Schwankungen der Referenzspannung Vref dar, die am Ausgang S je nach Temperatur abgegeben wird, bzw. der Versorgungsspannung Vcc bei einer Mischsteuerung;
– stellen die 4e und 4f die Schwankungen der Referenzspannung Vref dar, die am Ausgang S je nach Temperatur bereitgestellt wird, bzw. der Spannung der Halbleiterschaltung 1, die nur temperaturgeregelt ist, wobei 4f eine starke Schwankung der Versorgungsspannung zeigt.

Für die Einrichtung, die Gegenstand der Erfindung und in 3 dargestellt ist,

– stellen die 4g und 4h auf unterschiedlichen Spannungswerteskalen die Schwankungen der Ausgangsspannung V_OUT, der Referenzspannung Vref und der an das Gate des Regeltransistors Tr angelegten Spannung dar, wenn, unter Bezugnahme auf die 4e und 4f, die Halbleiterschaltung nur temperaturgeregelt ist;
– stellen die 4i und 4j auf unterschiedlichen Spannungswerteskalen die von der Halbleiterschaltung 1 erzeugte Referenzspannung Vref bzw. die Ausgangsspannung V_OUT dar, welche die an die Klemme S₁ in Abhängigkeit vom Wert der Versorgungsspannung Vcc abhängige angelegte Präzisionsreferenzspannung ist.

Claims

Generatoreinrichtung einer Präzisionsreferenzspannung (Vout), die eine Halbleiterschaltung (1), die eine zweite Referenzspannung (Vref) generiert, und eine Spannungsvervielfachungsschaltung (2) umfasst, die von einer Versorgungsspannung (Vcc) aus gespeist werden, welche Spannungsvervielfachungsschaltung (2) mindestens einen Differenzial-Vervielfacher (20) umfasst, der an seinem negativen Pol die zweite Referenzspannung (Vref) als Sollspannung aufnimmt, sowie einen resistiven Rückkopplungskreis, der einen Regeltransistor (Tr) umfasst, der zwischen die Versorgungsspannung (Vcc) und eine Widerstandsbrücke aus ohmschen Widerständen (C2, R'1) geschaltet ist, der die Präzisionsreferenzspannung (Vout) teilweise zum positiven Pol des Differenzial-Vervielfachers (20) zurückleitet, wobei die Steuerelektrode des Regeltransistors (Tr) an den Ausgang des Differenzial-Vervielfachers (20) gelegt ist und von diesem gesteuert wird und der Verbindungspunkt zwischen dem Regeltransistor (20) und der Widerstandsbrücke für diese Generatoreinrichtung eine Ausgangsklemme (S₁) darstellt, welche die Präzisionsreferenzspannung (Vout) liefert, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner umfasst: – eine galvanische Verbindung, die die Ausgangsklemme (S₁), die die Präzisionsreferenzspannung (Vout) liefert, an den Speiseeingang (IN) der Halbleiterschaltung (1) legt; – eine Initialisierungsschaltung (4), die an die Steuerelektrode des Regeltransistors (Tr) gelegt ist und Mittel zum Unterspannungsetzen der Generatoreinrichtung einer Präzisionsreferenzspannung bei der Initialisierung im Übergangsbetrieb auf Versorgungsspannung (Vcc) umfasst, um die besagte Präzisionsreferenzspannung (Vout) durch die Spannung zu ersetzen, mit der die Versorgungsspannung aufgebaut wird, wobei einerseits bei der Initialisierung im Übergangsbetrieb die Halbleiterschaltung von der Spannung aus gespeist wird, mit der die Versorgungsspannung aufgebaut wird, und andererseits im Dauerbetrieb die Ausgangsklemme (S) der Generatoreinrichtung mit der Präzisionsreferenzspannung (Vout) gespeist wird, um die Halbleiterschaltung (1) von dieser Präzisionsreferenzspannung (Vout) aus zu speisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Initialisierungsschaltung (4) eine Schaltung zur Erzeugung eines Steuerimpulses bestimmter Dauer umfasst, wobei der an die Steuerelektrode des Regeltransistors (Tr) angelegte Steuerimpuls den Regeltransistor in einen vollkommen leitenden Zustand während der Dauer der Initialisierung steuert, wodurch an die Ausgangsklemme (S1) der Einrichtung eine Spannung angelegt werden kann, die gleich der Spannung ist, mit der die Versorgungsspannung aufgebaut wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zum Erzeugen eines Steuerimpulses bestimmter Länge von einer Schaltung der bistabilen Art gebildet wird, der auf den Anfangszeitpunkt und den Beendigungszeitpunkt der Initialisierungszeit abgestimmt wird, die von dem Anfang bzw. Ende des Aufbaus der zweiten Referenzspannung (Vref) bestimmt wird, die von der Halbleiterschaltung (1) geliefert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die synchronisierte Schaltung der bistabilen Art umfasst: – eine erste und eine zweite Schaltung zur Ermittlung des gleichzeitigen Vorhandenseins einer Spannung zum Aufbau der Referenzspannung bzw. der Präzisionsreferenzspannung (Vout) an der Ausgangsklemme (S₁), wobei diese erste und zweite Ermittlungsschaltung in Kaskade geschaltet sind und die Erzeugung einer ermittelten Spannung erlauben, die für die zweite Referenzspannung (Vref) bzw. die Präzisionsreferenz spannung (Vout) steht, die unter einem Schwellenwert liegt, der die Dauer der Initialisierungszeit wiedergibt; – eine nicht-lineare Umsteuerungsschaltung, die am Eingang die ermittelte Spannung aufnimmt und einen Vergleich dieser ermittelten Spannung mit dem Schwellenwert erlaubt, welche nicht-lineare Schaltung eine erste Steuerspannung liefert, solange die ermittelte Spannung über dem Schwellenwert liegt, und ansonsten eine zweite Steuerspannung liefert; – einen Initialisierungssteuerungstransistor, dessen an den Ausgang der nicht-linearen Schaltung angelegte Steuerelektrode durch die erste bzw. zweite Steuerspannung umgesteuert wird, die von der nicht-linearen Umsteuerungsschaltung geliefert wird, wobei der Initialisierungssteuerungstransistor parallel zwischen die Steuerelektrode des Regeltransistors und die Massespannung der Einrichtung geschaltet ist, wodurch der Initialisierungssteuerungstransistor so gesteuert werden kann, dass er leitend wird, wenn die nicht-lineare Umsteuerungsschaltung die erste Steuerspannung liefert, wobei die Ausgangsklemme der Einrichtung während der Initialisierungszeit die Spannung zum Aufbau der Versorgungsspannung mittels des vollkommen leitend gemachten Regeltransistors liefert, bzw. dass der Initialisierungssteuerungstransistor blockiert wird, wenn die nicht-lineare Umsteuerungsschaltung die zweite Steuerungsspannung liefert, wobei die Ausgangsklemme der Einrichtung die Präzisionsreferenzspannung (Vout) mittels des Regeltransistors liefert, der die Funktion eines Widerstands hat, dessen Spannung durch den Ausgang des Differenzial-Vervielfachers (20) gesteuert wird.