DE68916774T2

DE68916774T2 - Temperaturregler für die Kennzeichen eines integrierten Schaltkreises.

Info

Publication number: DE68916774T2
Application number: DE68916774T
Authority: DE
Inventors: Gerard Pataut; Pierre Quentin
Original assignee: Thomson SCF Semiconducteurs Specifiques
Current assignee: Teledyne e2v Semiconductors SAS
Priority date: 1988-12-23
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2009-12-15
Also published as: EP0376787A1; JPH02264310A; US4952865A; EP0376787B1; FR2641127B1; FR2641127A1; DE68916774D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Temperaturregelung monolithischer integrierter Schaltungen und im speziellen solche, die auf den schnellen Materialien der Gruppe III-V wie GaAs verwirklicht sind.
Das Temperaturverhalten von auf III-V-Substraten realisierten Schaltungen ist ein für den Anwender wichtiger Parameter. Er muß demnach von dem Schaltungsentwickler in Betracht gezogen werden, sei es, indem er eine zugängliche Kontrollelektrode vorsieht, sei es, indem er in der Schaltung eine Vorrichtung verwirklicht, die eine Korrektur der Temperaturschwankungen gestattet, gegenüber denen die Eigenschaften der Schaltung stabilisiert werden müssen.
Im Stand der Technik werden von außen auf eine Schaltung anzuwendende Verfahren beschrieben, die eine Regulierung der Umgebungstemperatur behandeln oder eine Regelung, die ein in Abhängigkeit von der Temperatur variables Element enthält und einen Schaltungsparameter allgemein über eine Spannung korrigiert.
Dies ist beispielsweise der Fall in dem System zur Temperaturregelung einer Spannung, das in dem Patent GB-A-960 015 beschrieben ist. Die Temperaturänderung wird durch eine Brücke erfaßt, in der zwei Widerstände einen mit der Temperatur veränderlichenen Wert aufweisen, jedoch ist dieses System, das für Ferritkernspeicher bestimmt ist, nicht in der Schaltung integriert, die es regelt.
Das Patent US-A-4 723 108 beschreibt ein auf dem Substrat der zu regelnden Schaltung integriertes System, jedoch ist dessen Prinzip unterschiedlich zu demjenigen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß diesem Dokument nützt ein erster Stromspiegel die Änderung der Schwellspannung eines Transistors als Temperaturdetektor, um am Ausgang eines zweiten Stromspiegels eine eindeutige variable Spannung abzugeben, die Maßnahmen zur Kompensation der Temperaturänderungseffekte gestattet.
Die Vorrichtung zur Temperaturregelung gemäß der Erfindung ordnet die Regelschaltung der zu stabilisierenden Schaltung zu, und zwar innerhalb einer einzigen Schaltung, die in einer homogenen integrierten Schaltkreistechnologie realisiert wird, beispielsweise bei Mikrowellenanwendungen auf Galliumarsenid. Die Fertigung der beiden Schaltungen Seite an Seite auf demselben Substrat erfolgt unter Anwendung der Standardteilschritte der stufenweisen Herstellung integrierter Schaltungseinheiten. Die Temperatur wird direkt auf dem Substrat erfaßt und dient zum Steuern einer Korrekturspannung.
Diese Technologie muß zumindest zwei Arten von resistiven Elementen mit unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten enthalten. Demnach ist es möglich, eine Teilerbrücke durch Zusammenstellen dieser beiden Elementtypen zu realisieren, die in der Iage ist, eine in Abhängigkeit von der Temperatur variable Spannung zu erzeugen. Die zu regelnde Vorrichtung muß selbst die Möglichkeit zur Kompensierung ihrer Temperaturdrift mit Hilfe einer kontinuierlichen Spannung aufweisen, wie die Steuerelektrodenvorspannung zur Kontrolle der Verstärkung eines Feldeffekttransistorverstärkers.
Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Temperaturregelung von Kenngrößen einer auf einem Substrat angebrachten, integrierten Schaltung, wobei die auf dem gleichen Substrat wie die zu stabilisierende Schaltung angebrachte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine aus vier Widerstanden (R&sub1; - R&sub4;) gebildete Teilerbrücke enthält, die zwischen zwei stabilen Spannungen (DC&sub1; - DC&sub2;) gespeist ist, wobei diese Widerstände diagonal in der Brücke (R&sub1; + R&sub4;), (R&sub2; + R&sub3;) angebracht sind, und entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten haben und an ihren Mittelpunkten (A, B) zwei Regelspannungen liefern, die sich umgekehrt wie die Temperatur verhalten.
Die Erfindung wird durch die genauere Beschreibung, die im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erfolgt, besser verständlich im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren, die folgendes darstellen:
Fig. 1: elektrisches Schaltbild des auf dem Substrat der integrierten Schaltung integrierten Detektors,
Fig. 2: elektrisches Schaltbild einer Differenzschaltung, die in Abhängigkeit von der Temperatur komplementäre Spannungen liefert,
Fig. 3: Verlauf der Widerstandswerte in Abhängigkeit von der Temperatur an den Meßwertgebern,
Fig. 4: Verlauf des Ausgangssignals der in Fig. 2 gezeigten Schaltung in Abhängigkeit von der Temperatur.
Der Meßwertgeber der Regelvorrichtung gemäß der Erfindung enthält zwei Widerstände R1 und R2, die in die Spannungsteilerbrücke eingebaut sind, die an ihren beiden Anschlußklemmen von externen kontinuierlichen Spannungsquellen DC1 und DC2 gespeit wird, die temperaturstabil sind; eine dieser beiden Spannungen kann auf dem Potential O V der Schaltung (Masse) liegen.
Die Widerstände R1 und R2 weisen unterschiedliche Temperaturkoeffizienten α&sub1; und α&sub2; auf. Die Änderung des Widerstandes abhängig von der Temperatur läßt sich schreiben als:
R&sub1; = [1 + α&sub1; (T - T&sub0;)] R&sub1;&sub0;
mit
T&sub0; = 20ºC
R&sub1;&sub0; = R&sub1; für T = 20ºC .
Weiterhin gilt:
R&sub2; = [1 + α&sub2; (T - T&sub0;)] R&sub2;&sub0; .
Zur Vereinfachung der Ausdrücke setzt man
βT = 1 + α&sub1; (T-T&sub0;)
γT = 1 + α&sub2; (T-T&sub0; .)
Die Ausgangsspannung Vc1 der Teilerbrücke variiert mit der Temperatur und gestattet das Regeln der Schaltung.
Die Berechnung der Widerstände der Teilerbrücke ist mit Hilfe der folgenden Gleichungen möglich:
Für T = T&sub1;:
Für T = T&sub2;:
Nun werde von einem Feldeffekttransistor ausgegangen, bei dem die Temperaturdrift durch eine Veränderung seiner Steuerelektrodenspannung von O V (bei 80ºC) auf -0,3 V (bei -40ºC) ausgeglichen werden kann:
T&sub1; = -40ºC T VC1 (T&sub1;) = -0,3 V
T&sub2; = +80ºC T VC1 (T&sub2;) = OV
Man kann schreiben:
Die Wahl des Wertes von DC1 gestattet die Berechnung des Wertes von DC2 und des Verhältnis der Widerstände R1 und R2. Der Wert dieser Widerstände wird durch den zulässigen Verbrauch in der zu regelnden Schaltung im Verhältnis zu dem Verbrauch in der regelnden Schaltung bestimmt.
Die Werte der Versorgungsspannungen DC1 und DC2 können demnach als Regelungsmittel dienen, die zusätzlich zu der Vorrichtung zur Temperaturregelung wirken.
Nun soll eine vollständige Regelvorrichtung, ein Meßaufnehmer und eine ausgebildete Schaltung gemäß der in Fig. 2 dargestellten Differenzschaltung betrachtet werden: sie ist auf demselben Halbleitersubstratmaterial wie die temperaturgeregelte Schaltung integriert. Die Temperatur, die direkt auf dem Substrat erfaßt wird, dient zum Regeln des Verstärkung einer Differenzschaltung, die in Abhängigkeit von der Temperatur komplementäre Spannungen liefert.
Demnach kann ein Verstärker dadurch stabilisiert werden, daß eine Stufe dieses verstärkungsgeregelten Verstärkers geregelt wird. Eine Feldeffektschaltung mit doppelter Steuerelektrode läßt sich ebenfalls regeln, wenn die Regelspannung an die zweite Steuerelektrode angelegt wird. Ein Oszillator kann temperaturstabilisiert werden, indem eine Regelspannung an einen Varaktor der Schaltung angelegt wird. Weitere Anwendungen können in Betracht gezogen werden, sobald die Regelspannung an eine Steuerelektrode eines Transistors oder auch an eine Diode angelegt werden kann.
Die Differenzschaltung gemaß der Fig. 2 beinhaltet zwei Teile: einen ersten Teil, der die Änderung der Temperatur erfaßt und einen zweiten Teil, der zur Formung des Signals zum Steuern der Schaltung dient, deren Temperatur geregelt werden soll.
Das Erfassen der Temperaturänderungen erfolgt mit einer Widerstandsbrücke, die sich bei einer Temperatur von T&sub0; (beispielsweise 20ºC) im Gleichgewicht befindet und die eine Spannung liefert, die proportional zur Änderung der Temperatur ist. Diese Brücke wird einerseits aus den Widerständen R1 und R2 gebildet, die zwischen DC1 und Masse liegen, und andererseits aus den Widerständen R3 und R4, die in derselben Weise versorgt werden. Die Brückenwiderstände weisen entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten auf und sind diagonal angeordnet.
Die Widerstände R1 bis R4 weisen bei T&sub0; denselben Wert auf, haben jedoch entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten: R1 und R4 haben denselben Koeffizienten und sind beispielsweise aus Titan (positiver Temperaturkoeffizient) hergestellt, wohingegen R2 und R3 beispielsweise aus Tantal hergestellt sind und einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen, entgegengesetzt zu demjenigen von R1 und R4. Die Änderung dieser Widerstände in Abhängigkeit von der Temperatur sind in Fig. 3 dargestellt.
Bei dieser Art von Brücke verschieben sich die Potentiale der Mittelpunkte A und B, die bei T&sub0; gleich sind, in entgegengesetzte Richtung, was den Wert des Ausgangssignals erhöht.
Der zweite Teil der Vorrichtung ist eine Differenzschaltung, die aus Transistoren aufgebaut ist. Die Last beider Pfade ist aktiv und läßt sich demnach an die Schaltung zur Temperaturregelung anpassen.
Die Transistoren T2 und T3 werden über eine Stromquelle T1 zwischen DC1 und der Masse gespeist: die Fehlabgleichspannungen an den Punkten A und B der Widerstandsbrücke werden an die Steuerelektroden der Transistoren T2 und T3 angelegt. Die Lasttransistoren T4 und T7 dienen zum Erreichen des günstigen Arbeitspunktes bei T&sub0;. Die Transistoren T5 und T6, die über die Spannungen DC3 und DC4 gesteuert werden, gestatten die Regelung der Verstärkung dieser Differenzschaltung in Abhängigkeit der zu stabilisierenden Schaltung. Die Ausgangsspannungen werden an den Punkten V2 und V3 abgegeben, die jeweils den Transistoren T2/T5 und T3/T6 gemeinsam sind. Die Spannung V2, die beispielsweise an die Steuerelektrode eines Transistors einer zu regelnden Schaltung angelegt wird - die auf demselben Substrat integriert ist - gestattet die Stabilisierung der Eigenschaften derselben, falls sich die Temperatur verschiebt.
Das Antwortverhalten der Schaltung in Abhängigkeit von der Temperatur ist in Fig. 4 dargestellt. Die Verläufe V2 und V3 (durchgezogene Linie) entsprechen einem gleichartigen Antwortverhalten, da DC3 = DC4 gilt. Das Gleichgewicht läßt sich durch Ändern einer der Spannungen DC3 oder DC4 verschieben, so daß sich beispielsweise die gestrichelte Linie V3 ergibt: DC3 ≠ DC4.
Die vereinfachte Differenzschaltung, die anhand des Prinzipschaltbildes dargelegt wurde, läßt sich vollständiger in einer Art so ausbilden, daß ein lineares, parabolisches, logarithmisches, etc. ... Antwortverhalten V2 oder V3 in Abhängigkeit der zu stabilisierenden Schaltungen erzielt wird. Die zum Realisieren erforderlichen Stromlaufpläne entsprechen dem Stand der Technik beim Logikentwurf.
Der Vorteil dieser neuartigen Vorrichtung besteht in seiner gesamten Verträglichkeit mit den Herstellungsstufen von Mikrowelleneinheiten. Die Schaltung weist geringe Ausmaße auf und läßt sich neben einem Transistor oder einem Varaktor einer Mikrowellenschaltung zur Temperaturstabilisierung anordnen.

Claims

1. Vorrichtung zur Temperaturregelung von Kenngrößen einer auf einem Substrat angebrachten, integrierten Schaltung, wobei die auf dem gleichen Substrat wie die zu stabilisierende Schaltung angebrachte Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine aus vier Widerständen (R&sub1; - R&sub4;) gebildete Teilerbrücke enthält, die zwischen zwei stabilen Spannungen (DC&sub1; - DC&sub2;) gespeist ist, wobei diese Widerstände diagonal in der Brücke (R&sub1; + R&sub4;) (R&sub2; + R&sub3;) angebracht sind, und entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten haben und an ihren Mittelpunkten (A, B) zwei Regelspannungen liefern, die sich umgekehrt wie die Temperatur verhalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Differenzschaltung zum Formen der Regelsignale enthält, die aus zwei ersten Transistoren (T&sub2;, T&sub3;) und ihren Lasttransistoren (T&sub4;, T&sub7;) gebildet ist, die durch die Versorgungsspannungen (DC&sub1;, DC&sub2;) der Meßbrücke mittels einer Stromquelle (T&sub1;) gespeist werden, wobei die Fehlabgleichspannungen der Brücke an die Steuerelektroden der zwei ersten Transistoren (T&sub2;, T&sub3;) angelegt werden und die Ausgangsspannungen (V&sub2;, V&sub3;) an gemeinsamen Punkten zwischen den ersten Transistoren (T&sub2;, T&sub3;) und ihren Lasttransistoren (T&sub4;, T&sub7;) abgegriffen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Regeln der Verstärkung der Differenzschaltung abhängig von der zu stabilisierenden integrierten Schaltung ferner zwei Regeltransistoren (T&sub5;, T&sub6;) enthält, die parallel zu den Lasttransistoren (T&sub4;, T&sub7;) geschaltet sind, wobei an die Steuerelektroden der Regeltransistoren (T&sub5;, T&sub6;) Regelspannungen (DC&sub3;, DC&sub4;) angelegt sind.