DE69411516T2

DE69411516T2 - Bandgap Referenzstromquelle mit Spreizkompensierung des Sättigungstromes von einem Bipolartransistor

Info

Publication number: DE69411516T2
Application number: DE69411516T
Authority: DE
Inventors: Robert Jan Nl-5656 Aa Eindhoven Fronen
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2014-11-29
Also published as: JPH07202591A; JP3487657B2; EP0656575A1; BE1007853A3; US5581174A; DE69411516D1; EP0656575B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Referenzstromquelle zur Erzeugung eines Referenzstromes mit:
einem ersten Bipolartransistor und einem zweiten Bipolartransistor mit jeweils einer Basis, einem Emitter und einem Kollektor, wobei die Basis des ersten Transistors an die Basis des zweiten Transistors angekoppelt ist;
einem ersten Widerstand, welcher zwischen dem Emitter des ersten Transistors und dem Emitter des zweiten Transistors geschaltet ist; einer Stromanschlußstelle;
einem zweiten Widerstand, welcher zwischen dem Emitter des zweiten Transistors und der Stromanschlußstelle geschaltet ist;
einer Meßeinrichtung, welche an den Kollektor des ersten Transistors und den Kollektor des zweiten Transistors angekoppelte Eingänge sowie einen Meßausgang aufweist, um, in Reaktion auf eine Differenz zwischen dem Kollektorstrom des ersten Transistors und dem des zweiten Transistors, ein Meßsignal zu übermitteln; sowie
einem dritten Bipolartransistor mit einer an den Meßausgang angekoppelten Basis, einem an die Basis des ersten und zweiten Transistors angekoppelten Emitter sowie einem Kollektor zur Abgabe des Referenzstromes.
Eine Referenzstromquelle dieser Art ist aus IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. SC-9, Nr. 6, Dezember 1974, A. P. Brokaw "A Simple Three-Terminal IC Bandgap Reference", Seiten 388-393, im besonderen Fig. 2 und 3, bekannt. Bei dieser bekannten Referenzstromquelle arbeiten der erste und zweite Transistor bei unterschiedlichen Stromdichten, was mit Hilfe der Meßeinrichtung aufrechterhalten wird. Die Differenz zwischen der Basis-Emitter-Spannung des ersten Transistors und der des zweiten Transistors tritt an dem ersten Widerstand als eine Spannung auf, welche zu der absoluten Temperatur direkt proportional ist. Folglich sind die Kollektorströme des ersten und des zweiten Transistors zu der absoluten Temperatur ebenfalls proportional. Die Summe der Kollektorströme fließt durch den zweiten Widerstand und erzeugt an diesem eine Spannung, welche zu der absoluten Temperatur ebenfalls direkt proportional ist. Die Spannung an der Basis des zweiten Transistors stellt die Summe der Basis-Emitter-Spannung des zweiten Transistors, welche einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, und der Spannung an dem zweiten Widerstand, welche einen positiven Temperaturkoeffizienten vorsieht, dar. Dieses ergibt eine Summenspannung, bezeichnet als Bandgap-Spannung, deren Wert über einen großen Temperaturbereich im wesentlichen temperaturunabhängig ist.
Die Basis-Emitter-Spannung des zweiten Transistors nimmt mit Zunahme des Sättigungsstromes des zweiten Transistors ab. Dieses folgt aus dem bekannten Verhältnis zwischen der Basis-Emitter-Spannung und dem Kollektorstrom eines Bipolartransistors. Der Sättigungsstrom eines Bipolartransistors wird durch eine Vielzahl Verfahrensparameter bestimmt, welche einer Streuung unterworfen sind. Infolgedessen sieht die erzeugte Bandgap-Spannung nicht die gewünschte Temperaturabhängigkeit über einen vorgeschriebenen Temperaturbereich vor, und der Nennwert der Bandgap- Spannung und folglich der davon abgeleitete Nennwert des Referenzstromes weist darüber hinaus eine Streuung auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Referenzstromquelle vorzusehen, welche gegenüber der Streuung in dem Sättigungsstrom der in dieser Stromquelle verwendeten Bipolartransistoren weniger empfindlich ist.
Zu diesem Zwecke ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Referenzstromquelle der in dem einleitenden Absatz definierten Art dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstromquelle weiterhin aufweist:
einen Basisabschnürwiderstand; sowie
einen vierten Bipolartransistor mit einer an die Basis des dritten Transistors angekoppelten Basis und einem mit dem Emitter des dritten Transistors über den Basisabschnürwiderstand verbundenen Emitter.
Die Verwendung erfolgt mit dem Grundsatz, daß die Streuung in dem Sättigungsstrom mit der Streuung in dem Wert eines Basisabschnürwiderstands korreliert (ebenfalls als abgeschnürter Basiswiderstand bezeichnet), welcher zu dem Sättigungsstrom proportional ist und eine positive Abhängigkeit von der absoluten Temperatur aufweist. Folglich nimmt der Strom, welcher durch einen Basisabschnürwiderstand fließt, der an eine, zu der absoluten Temperatur proportionalen Versorgungsspannung angeschlossen ist, mit Zunahme des Sättigungsstromes ab. Die Differenz zwischen den Basis-Emitter-Spannungen des dritten und vierten Bipolartransistors bildet eine Versorgungsspannungsquelle mit den gewünschten thermischen Kenndaten, so daß ein Korrekturstrom, welcher mit Zunahme des Sättigungsstromes abnimmt und umgekehrt, durch den Basisabschnürwiderstand fließt. Dieser Korrekturstrom reduziert den an dem Kollektor des dritten Transistors vorhandenen Referenzstrom. Somit wird der Referenzstrom durch die Streuung in dem Sättigungsstrom kompensiert.
Die Temperaturabhängigkeit des Basisabschnürwiderstands und folglich des Korrekturstroms ist nicht absolut linear. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann dieses dadurch korrigiert werden, daß der Emitter des dritten Transistors über einen dritten Widerstand, bei welchem zumindest ein Teil einen temperaturabhängigen Wert aufweist, an die Stromanschlußstelle gekoppelt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 - eine bekannte Bandgap-Referenzstromquelle;
Fig. 2 - ein erstes Ausführungsbeispiel einer Bandgap- Referenzstromquelle gemäß der Erfindung; sowie
Fig. 3 - ein zweites Ausführungsbeispiel einer Bandgap- Referenzstromquelle gemäß der Erfindung.
Gleiche Teile wurden in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Fig. 1 zeigt eine konventionelle Anordnung einer Bandgap- Referenzstromquelle. Die Schaltkreisanordnung weist einen ersten Bipolartransistor 2 und einen zweiten Bipolartransistor 4 auf, deren Emitterflächen unterschiedlich vorgesehen sind. Die relativen Emitterflächen sind durch in Klammern gesetzte Ziffern angegeben. So ist zum Beispiel die Emitterfläche des ersten Transistors 2 sechsmal so groß wie die Emitterfläche des zweiten Transistors 4. Ein erster Widerstand 6 ist in Reihe mit dem Emitter des ersten Transistors 2 angeordnet. Der Basis-Emitter- Übergang des zweiten Transistors 4 ist parallel zu der Reihenschaltung des Basis- Emitter-Übergangs des ersten Transistors 2 und ersten Widerstands 6 geschaltet. Zu diesem Zwecke sind die Basen des ersten Transistor 2 und des zweiten Transistors 4 miteinander verbunden, und der erste Widerstand 6 ist zwischen dem Emitter des ersten Transistors 2 und dem Emitter des zweiten Transistors 4 geschaltet. Der Emitter des zweiten Transistors 4 ist über einen zweiten Widerstand 8, dessen erste Stromanschlußstelle geschaltet ist, um Masse zu signalisieren, ebenfalls mit einer ersten Stromanschlußstelle 10 verbunden. Der Kollektor des ersten Transistors 2 ist an einen Eingang 12 und der Kollektor des zweiten Transistors 4 an einen Eingang 14 der Meßeinrichtung 16 angeschlossen. Die Meßeinrichtung 16 weist einen Meßausgang 18 auf, welcher, in Reaktion auf die Differenz zwischen dem Kollektorstrom Ic1 des ersten Transistors 2 und dem Kollektorstrom Ic2 des zweiten Transistors 4, ein Meßsignal übermittelt. In dem vorliegenden Fall weist die Meßeinrichtung zum Beispiel einen Stromspiegel 20 von 1 : 1 mit einem, an den Kollektor des ersten Transistors 2 angekoppelten Eingangsbereich 22 und einem, mit dem Kollektor des zweiten Transistors 4 und dem Meßausgang 18 verbundenen Ausgangsbereich 24 auf. Der Stromspiegel 20 ist ferner an eine zweite Stromanschlußstelle 26 angeschlossen, um eine geeignete Betriebsspannung aufzunehmen. Die Schaltkreisanordnung weist weiterhin einen dritten Bipolartransistor 28 auf, dessen Basis an den Meßausgang 18, dessen Emitter an die Basen des ersten Transistors 2 und des zweiten Transistors 4 und dessen Kollektor an einen Ausgangsanschluß 30 angekoppelt ist, um einen Referenzstrom Irf zuzuführen. Der Emitter des dritten Transistors 28 ist über einen dritten Widerstand 32 mit der ersten Stromanschlußstelle 10 verbunden. Es wird darauf hingewiesen, daß bei der vorliegenden Schaltkreisanordnung und den im folgenden zu beschreibenden Schaltkreisanordnungen die Basen des ersten Transistors 2 und des zweiten Transistors 4 alternativ an einen Abgriff des dritten Widerstands 32 angeschlossen sein können.
Der Stromspiegel 20 hält die Kollektorströme Ic1 und Ic2 gleich, so daß die Stromdichte J 1 in dem Emitter des ersten Transistors 2 geringer als die Stromdichte J2 in dem Emitter des zweiten Transistors 4 ist. Dieses resultiert in einer Differenz V 1 zwischen der Basis-Emitter-Spannung Vbe 1 des ersten Transistors 2 und der Basis- Emitter-Spannung Vbe2 des zweiten Transistors 4, welche
entspricht. Bei dieser Formel stellt k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur, q die Elementarladung und VT das thermische Potential dar. Die Spannungsdifferenz V1 tritt an dem ersten Widerstand 6 auf. Da die Kollektorströme des ersten Transistors 2 und des zweiten Transistors 4 gleich sind, ist der Strom durch den zweiten Widerstand 8 zweimal so hoch wie der Strom durch den ersten Widerstand 6. Die Spannung V2 an dem zweiten Widerstand 8 wird somit bestimmt durch:
Hier stellt R1 den Wert des ersten Widerstands 6 und R2 den Wert des zweiten Widerstands 8 dar. Die Spannung V2 verändert sich proportional zu der Temperatur T und kompensiert den negativen Koeffizienten der Basis-Emitter-Spannung Vbe2 des ersten Transistors 2. Dieses resultiert in einer Summenspannung Vg an der Basis des zweiten Transistors 4, welche über einen breiten Temperaturbereich im wesentlichen temperaturunabhängig ist. Dieses ergibt einen thermisch stabilen Referenzstrom Irfan dem Ausgangsanschluß 30, wobei die Stärke dieses Stromes durch die Spannung Vg und den Wert R3 des dritten Widerstands 32 bestimmt wird. Die Basis-Emitter-Spannung Vbe2 ist von dem Sättigungsstrom Is des zweiten Transistors 4 abhängig und kann wie folgt angegeben werden:
Die Basis-Emitter-Spannung Vbe2 des zweiten Transistors 4 hängt folglich von dem Sättigungsstrom Is ab, dessen Wert sich infolge der Streuung in den Parametern des Transistorherstellungsverfahrens verändert. Das Resultat ist, daß die Spannung Vg und folglich der Referenzstrom Irf nicht nur einen anderen Nennwert, sondern auch eine andere Temperaturcharakteristik als erwartert aufweisen. Um diese unerwünschten Einflüsse zu reduzieren, kommt das Prinzip zur Anwendung, daß die Streuung in dem Sättigungsstrom Is der Transistoren mit der Streuung des Wertes eines in dem gleichen Verfahren hergestellten Basisabschnürwiderstands korreliert. Der Wert Rp eines Basisabschnürwiderstands ist proportional zu dem Sättigungsstrom Is und umgekehrt proportional zu der absoluten Temperatur T gemäß den folgenden Formeln:
Hierbei stellen Le und We die Länge und Breite des Emitters, Wb die Basisstärke und T die absolute Temperatur dar. Die anderen Zeichen stellen physikalische Materialdaten dar. Es zeigt sich, daß der Wert eines Basisabschnürwiderstands zu dem Sättigungsstrom Is proportional ist. Die Gleichung (3) zeigt, daß die Basis-Emitter- Spannung Vbe2 mit Abnahme des Sättigungsstromes zunimmt. Die Spannung Vg und damit der Referenzstrom Irfnehmen bei Abnahme des Sättigungsstromes folglich ebenfalls zu. Diese Irf-Zunahme kann durch Einspeisung eines mit Abnahme des Sättigungsstromes Is zunehmenden Korrekturstromes Icr in den dritten Widerstand 32 korrigiert werden. Dieser Strom wird durch einen Basisabschnürwiderstand zugeführt, welcher an eine Versorgungsspannung angeschlossen ist, die zu der absoluten Temperatur proportional ist. Diese zuletzt erwähnte Maßnahme ist erforderlich, um den Einfluß der Temperatur T in dem Widerstandswert Rp des Basisabschnürwiderstands zu eliminieren.
Fig. 2 zeigt, wie der Korrekturstrom Icr erzeugt wird. Die in Fig. 1 dargestellte Schaltkreisanordnung wird mit Hilfe eines vierten Bipolartransistors 34 und eines zwischen den Emitter des vierten Transistors 34 und den Emitter des dritten Transistors 28 geschalteten Basisabschnürwiderstands 36 erweitert. Die Basis des vierten Transistors 34 ist an die Basis des dritten Transistors 28 angeschlossen, und der Kollektor des vierten Transistors 34 ist mit einer geeigneten Versorgungsspannung, zum Beispiel von der zweiten Stromanschlußstelle 26, verbunden. Die Differenz zwischen der Basis-Emitter-Spannung des dritten Transistors 28 und dieser des vierten Transistors 34 stellt eine Versorgungsspannungsquelle mit den gewünschten thermischen Charakteristiken dar, so daß durch den Basisabschnürwiderstand 36 ein Korrekturstrom Icr fließt, welcher mit Zunahme des Sättigungsstromes abnimmt und umgekehrt. Dieser Korrekturstrom reduziert den am Kollektor des dritten Transistors 28 verfügbaren Referenzstrom Irf, da die Spannung am Emitter des dritten Transistors 28 fest ist. Auf diese Weise wird der Referenzstrom durch die Streuung in dem Sättigungsstrom Is der verwendeten Transistoren kompensiert.
Die Temperaturabhängigkeit des Wertes Rp des Basisabschnürwiderstands 36 und folglich dieses des Korrekturstromes Icr sind nicht absolut linear. Wenn gewünscht, kann durch Anordnung eines temperaturabhängigen Widerstands 38 in Reihe mit dem dritten Widerstand 32 eine Korrektur hierzu vorgesehen werden.
Fig. 3 zeigt eine alternative Schaltkreisanordnung, bei welcher die Meßeinrichtung einen ersten Kollektorwiderstand 40 in dem Kollektoranschluß des ersten Transistors 2, einen zweiten Kollektorwiderstand 42 in dem Kollektoranschluß des zweiten Transistors 4 sowie einen Differenzverstärker 44 aufweist, wobei dessen Eingänge an den Widerstand 40 und den Widerstand 42 angeschlossen sind und dessen Ausgang mit dem Meßausgang 18 verbunden ist. Die Widerstandswerte des Widerstands 40 und des Widerstands 42 sind gleich, so daß in diesem Fall wiederum die Kollektorströme des ersten Transistors 2 und des zweiten Transistors 4 gleich sind.
Aufbau und Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Bandgap- Anordnung sind umfassend in dem zuvor erwähnten Artikel in IEEE Journal of Solid State Circuits beschrieben. Die allgemeinen Wirkprinzipien der Bandgap-Anordnung und des Aufbaus der Basisabschnürwiderstände sind aus den Handbüchern bekannt. Im Hinblick auf die Bandgap-Wirkprinzipien wird auf P. R. Gray, R. G. Meyer, "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", zweite Auflage, John Wiley & Sons, Kapitel 4, Anhang A4.3.2, verwiesen. In Bezug auf den Basisabschnürwiderstand wird auf Kapitel 2, Abschnitt 2.5.1, des gleichen Handbuches verwiesen.

Claims

1. Referenzstromquelle zur Erzeugung eines Referenzstromes mit:

- einem ersten Bipolartransistor (2) und einem zweiten Bipolartransistor (4) mit jeweils einer Basis, einem Emitter und einem Kollektor, wobei die Basis des ersten Transistors (2) an die Basis des zweiten Transistors (4) angekoppelt ist;

- einem ersten Widerstand (6), welcher zwischen dem Emitter des ersten Transistors (2) und dem Emitter des zweiten Transistors (4) geschaltet ist;

- einer Stromanschlußstelle (10);

- einem zweiten Widerstand (8), welcher zwischen dem Emitter des zweiten Transistors (4) und der Stromanschlußstelle (10) geschaltet ist;

- einer Meßeinrichtung (16), welche an den Kollektor des ersten Transistors (2) und den Kollektor des zweiten Transistors (4) angekoppelte Eingänge (12, 14) sowie einen Meßausgang (18) aufweist, um, in Reaktion auf eine Differenz zwischen dem Kollektorstrom des ersten Transistors (2) und dem des zweiten Transistors (4), ein Meßsignal zu übermitteln; sowie einem dritten Bipolartransistor (28) mit einer an den Meßausgang (18) angekoppelten Basis, einem an die Basis des ersten (2) und zweiten (4) Transistors angekoppelten Emitter sowie einem Kollektor zur Abgabe des Referenzstromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzstromquelle weiterhin aufweist:

- einen Basisabschnürwiderstand (36); sowie

- einen vierten Bipolartransistor (34) mit einer an die Basis des dritten Transistors (28) angekoppelten Basis und einem mit dem Emitter des dritten Transistors (28) über den Basisabschnürwiderstand (36) verbundenen Emitter.

2. Referenzstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des dritten Transistors (28) über einen dritten Widerstand (32), bei welchem zumindest ein Teil (38) einen temperaturabhängigen Wert aufweist, mit der Stromanschlußstelle (10) verbunden ist.

3. Referenzstromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (16) einen Stromspiegel (20) aufweist, welcher einen an den Kollektor des ersten Transistors (2) angekoppelten Eingangsbereich (22) und einen, mit dem Kollektor des zweiten Transistors (4) und den Basen des dritten (28) und vierten (34) Transistors verbundenen Ausgangsbereich (24) vorsieht.

4. Referenzstromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (16) aufweist: einen Differenzverstärker (44) mit einem an den Meßausgang (18) angeschlossenen Ausgang sowie mit den Kollektoren des ersten Transistors (2) und des zweiten Transistors (4) verbundenen Eingängen, einen, zwischen dem Kollektor des ersten Transistors (2) und einer weiteren Stromanschlußstelle (26) geschalteten, ersten Kollektorwiderstand (40) sowie einen, zwischen dem Kollektor des zweiten Transistors (4) und der weiteren Stromanschlußstelle (26) geschalteten, zweiten Kollektorwiderstand (42).