DE6903876U

DE6903876U - Temperaturkompensierte vergleichseinrichtung

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Publication number: DE6903876U
Application number: DE6903876U
Authority: DE
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1968-02-02
Filing date: 1969-02-01
Publication date: 1969-10-30
Also published as: GB1259132A; DE1905025B2; JPS4833901B1; FR1603691A; BE727017A; DE1905025A1; US3531655A

Description

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PATENTANWALT DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

β München 7i, 2. Juni 1969

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G 69 03 876.2 7102 Mamau*.,.: M28G-235

Motorola, Inc.

Neue Beschreibungseinleitung

Temperaturkompensierte Vergleichseinrichtung

Die Neuerung betrifft eine temperaturkompensierte Vergleichseinrichtung zum Vergleich zweier Signale mit sehr kleiner Amplitudendifferenz, wobei die Basis eines ersten mit einem Kollektorwiderstand versehenen Transistors mit dem mit seiner Basis verbundenen Kollektor eines zweiten mit einem Kollektorwiderstand versehenen Transistors verbunden ist, und wobei die zu vergleichenden Signale dem jeweiligen Emitter der beiden Transistoren zugeführt werden.

Im Bereich der Elektronik werden für Überwachungs- und Steuerzwecke Vergleichseinrichtungen in gross em Ausmass benutzt. Z.B. finden sie bei Spannungsreglern, dem elektrischen System von Kraftfahrzeugen, analogen Steuer- und Schaltsystemen und dgl. Verwendung. Zur Herstellung von Null-Detektoren in Brückenschaltung werden Halbleiteraufbauten benutzt. Derartige Detektoren besitzen jedoch eine von Temperaturänderungen abhängende Trifterscheinung bezüglich ihrer Betriebsfunktion. Auch treten

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Ungenauigkeiten beim Vergleich von zwei Signalen auf, die nahezu gleich grosse Amplitudenwerte aufweisen oder sehr nahe bei eine» Bezugspotential liegen. Ein derartiges Signal kann z.B. um weniger al β 1 Volt von der Bezugsspannung verschieden sein. Bei der Herstellung und beim Gebrauch elektrischer Vergleichseinrichtungen ist es wünschenswert, dass eine einsige Stromversorgung benutzt wird, um Fehler zu vermeiden, die durch eine ^r. .ft von zwei angelegten Spannungen verursacht sein können, wennjzwei verschiedene Stromversorgungen benutzt werden. Ein derartiger Fehler kann auch auftreten, wenn zwei von einer einzigen Stromversorgung abgeleitete Stromversorgungsspannungen relativ zueinander triften.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vergleichseinrichtung zu schaffen, die gegenüber TemperaturSchwankungen verhältnismässig unempfindlich ist und auch noch auf Signale anspricht, die sehr nahe bei einer Bezugsspannung liegen. Diese Vergleichseinrichtung soll nur von einer einzigen Stromversorgung aus betrieben werden.

Ausgehend von der eingangs erwähnten temperaturkompensierten Vergleichseinrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelost, dass die beiden Transistoren in einem einkristallinen Halbleiterkörper mit identischer Geometrie aufgebaut und durch eine Isolierschicht getrennt unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

Sine nach den Merkmalen der Neuerung aufgebaute Vergleichseinrichtung bietet den Vorteil, dass selbst Signale mit sehr kleiner Amplitudendifferenz noch einwandfrei messbar sind, da die unmittelbar nebeneinander angeordneten Transistoren ein im wesentlichen identisches Widerstandsprofil besitzen und daher die für die Messung der sehr kleinen Amplitudensignale notwendige Übereinstimmung der charakteristischen Merkmale in einem sehr grossen Temperaturbereich aufweisen.

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Eine beispielsweise Ausführungsform der Neuerung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild der elektrischen Schaltung,in der die Vergleichseinrichtung gemäss der Erfindung Verwendung findet;

Fig· 2 den Aufbau der Vergleichseinrichtung in einem Halbleiterkörper, wobei die Transistorelemente teilweise geschnitten sind..

In der Zeichnung sind Teile in dem Schaltbild sowie der Darstellung des Aufbaus der Vergleichseinrichtung mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Vergleichseinrichtung 10 umfasst erste und zweite Widerstände 11 und 12, die am einen Ende miteinander verbunden und über einen Anschluss V-, an eine Stromversorgungsquelle angeschlossen sind. Transistoren 13 und 14 sind mit ihren entsprechenden Kollektoren 15 und 16 mit dem anderen Ende mit dem jeweils zugehörigen Widerstand 11 oder 12 verbunden. Eine Leitung 1? schliesst den Kollektorbereich 15 und den Basisbereich 18 des Transistors 13 kurz. Der Transistor 13 wirkt als Halbleiterdiode, wobei sich die Diodenwirkung zwischen dem Kollektorbereich 15 und dem Emitterbereich 19 einstellt. Eine Leitung 20 verbindet den Kollektor 15 mit der Basis 21 des Transistors Der Kollektorbereich 16 des Transistors 14 ist über eine Leitung 22 mit einem Verbraucher verbunden, der z.B. aus einem auf das Ausgangssignal ansprechenden Schalter 23 bestehen kann. Die Emitterbereiche 19 und 24 der beiden Transistoren werden von den beiden zu vergleichenden Signalen angesteuert. Dazu steht der Emitterbereich 19 über die

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Leitung 25 niit der Schaltung in "Verbindung, die das Eingangssignal E-. liefert. Ein zweites Eingangssignal Ep wird an den iSniitterbereich 24 über die Leitung 27 von einer zweiten Signalquelle 28 aus angelegt, die nachfolgend näher beschrieben wird.

Es ist bekannt, daß die gleichrichtende Grenzschicht von Halbleitern elektrische Eigenschaften besitzt, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändern. Wenn gleichrichtende Grenzschichten gleich ausgeführt sind, verhalten sich diese temperaturabhängigen Veränderungen im wesentlichen auch gleich. Pur die Herstellung derartiger identischer, gleichrichtender Grenzschichten kann ein einziger einkristalliner Siliciumkörper 30 verwendet werden, der in Fig. 1 mit dem gestrichelt dargestellten Block 31 schaltungsmäßig angedeutet ist. In diesem einkristallinen Siliciumkörper werden die Grenzschichtübergänge durch gleichzeitige und identische Diffusionen oder ein entsprechendes epitaktisches Wachsen hergestellt. Vie aus Fig. 2 erkennbar ist, sind die Transistoren 13 und 14 in einer Siliciumscheibe 30 aufgebaut. Die Geometrie, d.h. die Größe, For*, die Dotierungsniveaus und die Abstufungen der Kollektor-, Basis- und Emitterbereiche sind sowohl bezüglich ihrer Größe als auch ihrer charakteristischen Verhaltensweisen identisch. Der Basis-Emittergrenzschichtübergang ist derjenige, der den Transistor betriebsmäßig steuert und daher selbstverständlich derjenige, der am meisten überwacht werden sollte, um ein identisches temperaturabhängiges Verhalten der Transistoren 13 und 14 sicherzustellen.

Venn die Transistoren 13 und 14 in identischer Geometrie auf einer einzigen Siliciumscheibe 30 hergestellt werden und z.B. angenommen wird, daß der Basisstrom I, ä-es Transistors 14 vernachlässigbar ist, und wenn man weiter

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annimmt, daß die Widerstandswerte der Widerstände 11 und 12 gleich sind, bzw. der Widerstand 12 kleiner als der Widerstand 11 ist, und ferner die Eingangssignale E^ und E₂ gleich sind, ergeben sich gleiche elektrische Ströme I, und I₂ durch die Widerstände 11 und 12. Dieses Betriebsverhalten wird über einen großen Temperaturbereich beibehalten. Wenn die Widerstandswerte der Widerstände 11 und 12 gleich sind, und die Eingangssignale gleiche Amplituden aufweisen, dann ist die Ausgangsspannung E, gleich der Basisspannung des Transistors 14, d.h. der zwischen der Leitung 20 und Masse wirksamen Spannung. Unter diesen Voraussetzungen ist der Transistor 14 in Betrieb weit von einer Stromsättigung entfernt. Jede Änderung der Amplituden der Eingangssignale E₁ und E₂ wird entsprechend dem Ausdruck g_H2 verstärkt, wobei g^ die ßharaktei istische Verstärkung des Transistors 14 und E2 der Widerstaiidswert des Widerstands 12 ist. Beim Betrieb dieser vorausgehend beschriebenen Schaltung wurde eine Stabilität bezüglich der Änderungen der Eingangssignale E, und E₂ von wenigen Mikrovolt pro ⁰C erzielt. Dieses Verhalten wurde für Eingangssignale erreicht, bei denen der Wert JS, und E₂ nahe bei dem Bezugspotential Masse liegt, d.h. von diesem weniger als 1 Volt verschieden ist und entgegengesetzte Polarität besitzt.

Wenn sich der Signalwert E₂ dem Wert der Versorgungsspannung an der Klemme V-, nähert und der Signalwert E^ konstant bleibt, nähert sich auch der Wert E, des Ausgangssignals dem Wert der Versorgungsspannung an der Klemme V^. Wenn dagegen der Amplitudenwert E₂ von dem Amplitudenwert der Versorgungsspannung an der Klemme V, wegwandert, verschiebt sich auch entsprechend der Amplitudenwert E, von dem Amplitudenwert der Vers or gungs sp annung an der Klemme V-. weg. Ein Nullzustand zwischen den beiden Amplitudenwerten E-, und Ep wird durch eine bestimmte, vorher festgelegte Spannungsamplitude des

Ausgangss ignals

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Ausgangs signals E, angezeigt. Biese Spannungsamplitude ist mit dem Schalter 23 feststellbar und für die Steuerung der Schaltung, wie nachstehend beschrieben, geeignet. Der Mullzustand wird auch durch eine gleiche Stromamplitude für die beiden Ströme I^ und Ig angezeigt. Ein nicht dargestellter Transformator kann dazu verwendet werden, um den Wert der Stromamplituden relativ zueinander festzustellen und eine Nullanzeige zu liefern.

Kachfolgend wird die Schaltung gemäß Pig. I beschrieben. Von der an der Klemme V, liegenden Versorgungsspannung wird die erste Eingangsschaltung 26 mit Spannung und Strom versorgt, welche aus einem Spannungsteiler mit den Widerständen 35 und 36 besteht. Von diesem Spannungsteiler wird ein verhältnismäßig konstantes Bezugspotential als Eingangssignal E₁ an die Vergleichsschaltung gegeben. Eine zweite Schaltung 28 besteht aus einem Spannungsteiler mit den Widerständen 3^r/ "und 38,von deren Verbindungspunkt das zweite Eingangssignal Ep abgegriffen wird, Dieses zweite Eingangssignal E₂ wird z.T. von dem durch den Widerstand 42 über den Transistor 39 und den Verbraucher 40 von einer zweiten Energieversorgung 41 aus fließenden Strom bestimmt. Der Spannungsabfall am Widerstand 42 gibt an, ob die Amplitude des durch den Transistor 39 fließenden Stromes größer als für den Verbraucher 40 zulässig ist oder nicht. Wenn der Spannungsabfall am Widerstand 42 über einen vorgegebenen Amplitudenwert hinaus ansteigt, wird ein zu hoher Stromfluß angezeigt. Wenn der Signalwert Ep sich dem Wert der Versorgungsspannung an der Klemme V₁ nähert, da der Spannungsabfall am Widerstand 42 ansteigt, nähert sich auch der Wert der Ausgangsspannung E, dem Wert der Versorgungsspannung an der Klemme V-, , so daß bei einer bestimmten vorgegebenen Amplitude der Schalter 23 die zweite Energieversorgung 41 über die Leitung 43 abschaltet. Für den Schalter 23, die

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Energieversorgung 4-1 und den Verbraucher 40 können bekannte Einrichtungen verwendet werden.

Die Versorgungsspannung an der Klemme V₁ liefert die Spannung für die beiden Eingangssignale E, und Ep. Daher hat eine Änderung dieser Versorgungsspannung keinen Einfluß auf den Vergleich, da diese über die beiden Eingangs-Z itungen 25 und 27 an der Vergleichsschaltung 10 wirksam ist. Für diesen Fall arbeitet die in Fig. 1 dargestellte Schaltung als Strombegrenzer für den Verbraucher 40.

In Fig. 2 ist der Aufbau in integrierter Bauweise der innerhalb des gestrichelten Blockes 51 dargestellten Vergleichseinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Festkörperwiderstände 11 und 12 können in Diffusionstechnik hergestellt sein. Die Leitungen 50 und 51 verbinden die Widerstände mit den Kollektorbereichen der zugeordneten Transistoren, wogegen die Leitung 52 die Widerstände untereinander verbindet. Diese Leitungen sind auf dem integrierten Aufbau in Form von Drahtleitungen ausgeführt, jedoch können auch andere Arten von Leitungsverbindungen hierfür verwendet werden, die z.B. in Form von Metallschichten ausgeführt sind, die von dem Halbleiterblock durch dazwischenliegende Oxydschichten isoliert werden. Die auf der Oberfläche de^ Siliciumscheibe 30 endenden Grenzschichten können in bekannter Weise passiviert sein.

Die Anordnung der Grenzschichtübergänge der Transistoren in unmittelbarer Nähe nebeneinander auf einer einzigen Siliciumscheibe gewährleistet, daß diese Grenzschichten im wesentlichen gleiches Temperaturverhalten aufweisen. Der gute Temperaturübergang im Siliciummaterial wird nicht unterbrochen, wenn zwischen den beiden Transistoraufbauten 13 UDd 14 eine isolierende Schicht vorgesehen und in der Halbleiterscheibe in Sperriclitung vorgespannte Grenzschichtübergänge

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60 und 61 vorhanden s&nd. Wenn anstelle der in Sperrichtung vorgespannten isolierenden Grenzschichtubergange eine GHLasisolation verwendet würde, ist die Dicke dieser Glasisolation so auszuführen, daß sie keine TemperaturscJiwelle bewirkt.

Patentangprüche:

Claims

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1. Temperaturkompensierte Vergleichseinrichtung aum Ver-

gleich zweier Signale mit sehr kleiner Amplitudendiffe-

renz, wobei die Basis eines ersten mit einem Kollektorwiderstand versehenen Transistors mit dem mit seiner Basis verbundenen Kollektor eines zweiten mit einem Kollektorwiderstand versehenen Transistors verbunden ist, und wobei die zu vergleichenden Signale dem Jeweiligen Emitter der beiden Transistoren zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Transistoren (13, 14·) in einem einkristallinen Halbleiterkörper (30) mit identischer Geometrie aufgebaut und durch eine Isolierschicht getrennt unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

2. Vergleichseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorwiderstände (11, 12) räumlich unmittelbar neben den beiden Transistoren angeordnet sind.

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3. Vergleichseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektorwlderstände (11, 12) gleichgrose sind.

4·. Tergleichselnricht-ung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektorwiderstand (12) des ersten Transistors kleiner ist als der Kollektorwiderstand (11) des zweiten Transistors.

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