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Spannungssteuerung mit gedämpfter Temperatiurempfindlichkeit
Diese Erfindung betrifft eine Spannungssteuerung mit einer ersten und einer
zweiten Versorgungsklemme und einer Ausgangsklemme, versehen mit einem ersten und
einem zweiten Transistor zur Bildung eines Differentialpaars, mit einer Verbindung
zwischen ihren Emittern, wobei die Basis des ersten Transistors dazu dient, eine sogenannte
Referenzspannung zu erhalten, die Basis des zweiten Transistors dazu dient, einen
vorbestimmten Bruchteil einer der ersten Versorgungsklemme zugeführten Spannung zu
erhalten, die Spannungssteuerung zudem mit einem ersten und einem zweiten Stromspiegel
versehen ist, die beide eine mit der ersten Versorgungsklemme verbundene Versorgungsbrücke
aufweisen, ein Eingangszweig dazu dient, einen Eingangsstrom zu erhalten und ein
Aus··gangszweig dazu dient, einen Ausgangsstrom abzugeben, wobei jeder Stromspiegel so
gebaut ist, damit sein Ausgangsstrom gleich K-mal seines Eingangsstroms ist, wobei K eine
vorbestimmte reelle Zahl ist, die Eingangszweige des ersten und zweiten Stromspiegels
respektive mit den Kollektoren des ersten und zweiten Transistors verbunden sind und die
Ausgangszweige des ersten und zweiten Stromspiegels respektive mit den Kollektoren des
zweiten und ersten Transistors verbunden sind.
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Eine solche Spannungssteuerung wird in dem Werk "201 Analog Designs",
Seite 25, Absatz 64, von der Gesellschaft Interdesign veröffentlicht, beschrieben. Diese
Spannungssteuerung ist insbesondere für Spannungssteuerungsanwendungen vorgesehen.
Ihre Aufgabe besteht darin, eine zu steuernde Spannung mit einer Referenzspannung zu
vergleichen. Um zu vermeiden, daß Oszillationsphänomene auftreten, wenn die zu
steuernde Spannung im Bereich der besagten Referenzspannung oszilliert, über den Effekt
aufeinanderfolgender Korrekturen, durch das Ergebnis der Vergleiche ausgelöst, weist die zuvor
erwähnte Steuerung zwei Schaltschwellen auf, um die Erzeugung eines Hysteresiseffekts zu
ermöglichen: Wenn die zu steuernde Spannung die erste Schwelle, die sogenannte obere
Schwelle, überschreitet, wird ein sogenanntes Ausgangssignal an der Ausgangsklemme
aktiviert und zeigt diese Überschreitung einer Schaltung an, die eine Änderung des Wertes
der zu steuernden Spannung ermöglicht, um eine Verminderung des Wertes der besagten
Spannung zu bewirken. Wenn diese soweit zurückgeht, um die zweite Schwelle, die
sogenannte untere Schwelle, deren Wert unter dem der oberen Schwelle liegt, zu unterschreiten,
wird das Ausgangssignal deaktiviert, was einen erneuten Anstieg der zu steuernden
Spannung bewirkt. Wenn man die Referenzspannung Vref bezeichnet, sind die mit dieser
Steuerung erhaltenen oberen und unteren Schwellen respektive Vref + Vt.ln(K) und Vrei
Vt.ln(K), wobei Vt gleich KB. T/q und KB die Boltzmann-Konstante, T die absolute
Temperatur und q die Ladung des Elektrons ist. Folglich wird ersichtlich, daß der Wert der
Schwellen proportional zur Temperatur ist, was bedeutet, daß die Präzision der Steuerung
stark von den Bedingungen abhängt, unter denen diese Steuerung verwendet wird. Diese
Variationen können sich in Anwendungen stark bemerkbar machen, bei denen die
Steuerung in ein tragbares Gerät integriert ist, wie z. B. in einem Mobiltelefon. Denn die
Temperatur, der das Gerät ausgesetzt wird, variiert entsprechend der physischen Umgebung, in der
sich der Anwender befindet, womit beträchtliche Variationen der Betriebsqualität des
Gerätes verursacht werden, was nicht akzeptabel ist.
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Ziel der Erfindung ist es folglich, diesen Nachteil weitgehend zu beheben,
indem eine Spannungssteuerung vorgeschlagen wird, in der die Variationsamplitude der
Schaltschwellenwerte entsprechend den Temperaturvariationen beträchtlich vermindert
wird.
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Tatsächlich ist nach der Erfindung eine Spannungssteuerung gemäß der
Definition des einleitenden Absatzes dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand in die
Verbindung zwischen den Emittern des ersten und zweiten Transistors eingefügt ist, diese
Emitter mit der zweiten Versorgungsklemme über Stromquellen verbunden sind, die
jeweils einen sogenannten Polarisierungsstrom abgeben, daß sie mit Injektionsmitteln
versehen ist, um in den jeweiligen Kollektor des ersten und zweiten Transistors einen Strom
gleich Q-mal ihres eigenen Polarisierungsstroms zu injizieren, wobei Q eine vorbestimmte
reelle Zahl ist, und dadurch, daß sie mit Signalmitteln versehen ist, die es ihr ermöglichen,
an ihrer Ausgangsklemme einen zum Eingangsstrom des ersten oder zweiten Stromspiegels
proportionalen Strom abzugeben.
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In einer solchen Spannungssteuerung kann die obere Schwelle in der Form
Vref + R.x.I + Vt.ln((1 + x)/(1 - x)) ausgedrückt werden, und die untere Schwelle in der Form
Vref - R.x.I - Vt.ln((1 + x)/(1 - x)) ausgedrückt werden, wobei in diesen Ausdrücken I den Wert
des Polarisierungsstroms, R den in die Verbindung zwischen die Emitter des ersten und
zweiten Transistors eingefügten Widerstand und x das Verhältnis des Polarisierungsstroms
bezeichnet, der den besagten Widerstand in den Momenten durchquert, in dem die
Schaltungen stattfinden. Dieses Verhältnis hängt exklusiv von den Parametern K und Q ab. Mit
einer sorgfältigen Wahl dieser Parameter ist es folglich möglich, das Verhältnis (1 + x)/(1 - x)
gegen 1 tendieren zu lassen und so den Einfluß der Temperatur auf die oberen und unteren
Schwellen erheblich zu reduzieren.
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Eine Durchführungsform der Erfindung weist eine Spannungssteuerung der
zuvor beschriebenen Art auf, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsmittel einen
dritten, einen vierten, einen fünften und einen sechsten Stromspiegel aufweisen, die jeweils
einen Versorgungspunkt, einen Eingangszweig für den Erhalt eines Eingangsstroms und
einen Ausgangszweig für die Abgabe eines Ausgangsstroms aufweisen, wobei der jeweilige
Eingangszweig des dritten und vierten Stromspiegels vorgesehen ist, um respektive den
Polarisierungsstrom des ersten und zweiten Transistors zu erhalten, die Versorgungspunkte
des dritten und vierten Stromspiegels mit der zweiten Versorgungsklemme verbunden sind,
die Eingangszweige des fünften und sechsten Stromspiegels respektive mit den
Ausgangszweigen des dritten und vierten Stromspiegels verbunden sind, die Ausgangszweige des
fünften und sechsten Stromspiegels respektive mit den Kollektoren des ersten und zweiten
Transistors verbunden sind, die Versorgungspunkte des fünften und sechsten Stromspiegels
mit der ersten Versorgungsklemme verbunden sind, und der dritte, vierte, fünfte und
sechste Stromspiegel so gebaut sind, damit die Ausgangsströme des fünften und sechsten
Stromspiegels gleich Q-mal der Eingangsströme des dritten und vierten Stromspiegels,
respektive, sind.
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In einem besonderen Fall dieser Durchführungsform ist eine
Spannungssteuerung der zuvor beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und vierte
Stromspiegel so gebaut sind, damit ihr Ausgangsstrom gleich Q-mal ihres Eingangsstroms
ist, und daß der fünfte und sechste Stromspiegel so gebaut sind, damit ihr Ausgangsstrom
gleich ihrem Eingangsstrom ist.
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Eine besondere Durchführungsform der Erfindung weist eine
Spannungssteuerung der zuvor beschriebenen Art auf, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und
zweite Transistor eine bestimmte Polarität haben, der dritte und vierte Stromspiegel aus
Transistoren mit jeweils derselben Polarität wie der erste und zweite Transistor gebildet
werden, und daß der erste, zweite, fünfte und sechste Stromspiegel aus Transistoren
gebildet wird, die jeweils eine zum ersten und zweiten Transistor umgekehrte Polarität
aufweisen.
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In einer besonderen Durchführungsform ist eine Spannungssteuerung der
zuvor beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Transistor
NPN-Transistoren sind.
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Eine vorteilhafte Durchführungsform der Erfindung weist eine
Spannungssteuerung der zuvor beschriebenen Art auf, in der der erste Stromspiegel aus einem dritten
und einem vierten Transistor gebildet wird, und der zweite Stromspiegel wird aus einem
fünften und einem sechsten Transistor gebildet, wobei der vierte und sechste Transistor
respektive K-mal größer als der dritte und fünfte Transistor sind, die Basen des vierten und
sechsten Transistors respektive zugleich mit den Basen und den Kollektoren des dritten und
fünften Transistors verbunden sind, die Emitter des dritten und fünften Transistors
respektive mit den Emittern des vierten und sechsten Transistors verbunden sind und respektive
die Versorgungspunkte des ersten und zweiten Stromspiegels bilden, die
Versorgungspunkte mit der ersten Versorgungsklemme verbunden sind, die Kollektoren des dritten und
fünften Transistors respektive die Eingangszweige des ersten und zweiten Stromspiegels
bilden und die Kollektoren des vierten und sechsten Transistors respektive die
Ausgangszweige des ersten und zweiten Stromspiegels bilden,
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dadurch gekennzeichnete Spannungssteuerung, daß die Signalmittel einen
siebten Transistor aufweisen, dessen Emitter mit der ersten Versorgungsklemme verbunden
ist, dessen Kollektor mit der Ausgangsklemme der Spannungssteuerung verbunden ist und
dessen Basis mit der Basis eines der den ersten und zweiten Stromspiegel bildenden
Transistoren verbunden ist.
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Die Erfindung wird besser anhand der folgenden Beschreibung verstanden,
die als nicht begrenzendes Beispiel und hinsichtlich der Fig. 1 gegeben wird, die ein
Schema darstellt, das eine Spannungssteuerung nach einer vorteilhaften
Durchführungsform der Erfindung darstellt.
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Die auf Fig. 1 dargestellte, der Erfindung entsprechende
Spannungssteuerung weist eine erste und eine zweite Versorgungsklemme VDD und VSS und eine
Ausgangsklemme auf. Sie ist mit einem ersten und einem zweiten Transistor T1 und T2
versehen, die ein Differentialpaar bilden, mit einer Verbindung zwischen ihren Emittern, wobei
die Basis des ersten Transistors dazu dient, eine sogenannte Referenzspannung Vref zu
erhalten, die Basis des zweiten Transistors dazu dient, einen vorbestimmten Bruchteil Vs
einer der ersten Versorgungsklemme VDD zugeführten Spannung zu erhalten. Diese
Spannung Vs wird am Zwischenknoten einer Teilerbrücke entnommen, gebildet aus zwei
Widerständen
R1 und R2, in Serie zwischen der ersten und zweiten Versorgungsklemme VDD
und VSS angeordnet. Die Spannungssteuerung ist zudem mit einem ersten und einem
zweiten Stromspiegel M1 und M2 versehen, die beide eine Versorgungsbrücke aufweisen,
wobei ein Eingangszweig dazu dient, einen Eingangsstrom zu erhalten, und ein
Ausgangszweig dazu dient, einen Ausgangsstrom abzugeben. Der erste Stromspiegel M1 wird aus
einem dritten und einem vierten Transistor T3 und T4 gebildet, und der zweite
Stromspiegel M2 wird aus einem fünften und einem sechsten Transistor T5 und T6 gebildet. Der
vierte und sechste Transistor T4 und T6 sind respektive K-mal größer als der dritte und
fünfte Transistor T3 und T5. Die Basen des vierten und sechsten Transistors T4 und T6
sind respektive zugleich mit den Basen und den Kollektoren des dritten und fünften
Transistors T3 und T5 verbunden. Die Emitter des dritten und fünften Transistors T3 und T5 sind
respektive mit den Emittern des vierten und sechsten Transistors T4 und T6 verbunden und
bilden die Versorgungspunkte des ersten und zweiten Stromspiegels M1 und M2, wobei die
Versorgungspunkte mit der ersten Versorgungsklemme VDD verbunden sind. Die
Kollektoren des dritten und fünften Transistors T3 und T5 bilden respektive die Eingangszweige
des ersten und zweiten Stromspiegels M1 und M2. Die Kollektoren des vierten und
sechsten Transistors T4 und T6 bilden respektive die Ausgangszweige des ersten und zweiten
Stromspiegels M1 und M2. Die Eingangszweige des ersten und zweiten Stromspiegels M1
und M2 sind respektive mit den Kollektoren des ersten und zweiten Transistors T1 und T2
verbunden. Die Ausgangszweige des ersten und zweiten Stromspiegels M1 und M2 sind
respektive mit den Kollektoren des zweiten und ersten Transistors T1 und T2 verbunden.
Ein Widerstand R ist zwischen den Emittern des ersten und zweiten Transistors T1 und T2
eingefügt, wobei diese Emitter mit der zweiten Versorgungsklemme VSS über
Stromquellen verbunden sind, die jeweils einen sogenannten Polarisierungsstrom I abgeben. Die
Spannungssteuerung enthält einen dritten, einen vierten, einen fünften und einen sechsten
Stromspiegel, respektive M3, M4, M5, M6, die jeweils einen Versorgungspunkt, einen
Eingangszweig für den Erhalt eines Eingangsstroms und einen Ausgangszweig für die
Abgabe eines Ausgangsstroms aufweisen. Der jeweilige Eingangszweig des dritten und vierten
Stromspiegels M3 und M4 ist vorgesehen, um respektive den Polarisierungsstrom I des
ersten und zweiten Transistors T1 und T2 zu erhalten. Die Versorgungspunkte des dritten
und vierten Stromspiegels M3 und M4 sind mit der zweiten Versorgungsklemme VSS
verbunden. Die Eingangszweige des fünften und sechsten Stromspiegels M5 und M6 sind
respektive mit den Ausgangszweigen des dritten und vierten Stromspiegels M3 und M4 verhunden.
Die Ausgangszweige des fünften und sechsten Stromspiegels M5 und M6 sind
respektive mit den Kollektoren des ersten und zweiten Transistors T1 und T2 verbunden.
Die Versorgungspunkte des fünften und sechsten Stromspiegels M5 und M6 sind mit der
ersten Versorgungsklemme VDD verbunden. Der dritte und vierte Stromspiegel M3 und
M4 sind so gebaut, damit ihr Ausgangsstrom gleich Q-mal ihres Eingangsstroms ist. Der
fünfte und sechste Stromspiegel M5 und M6 sind so gebaut, damit ihr Ausgangsstrom
gleich ihrem Eingangsstrom ist. Der erste und zweite Transistor sind der Polarität NPN, der
dritte und vierte Stromspiegel M3 und M4 werden aus Transistoren der Polarität NPN
gebildet, und der erste, zweite, fünfte und sechste Stromspiegel, respektive M1, M2, M5, M6,
werden aus Transistoren der Polarität PNP gebildet. Die Spannungssteuerung enthält
schließlich einen siebten Transistor T7, der Polarität PNP, dessen Emitter mit der ersten
Versorgungsklemme VDD verbunden ist, dessen Kollektor mit der Ausgangsklemme der
Spannungssteuerung verbunden ist und dessen Basis mit den Basen des fünften und
sechsten Transistors T5 und T6 verbunden ist, die den zweiten Stromspiegel M2 bilden.
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Die Funktionsweise einer solchen Spannungssteuerung kann
folgendermaßen beschrieben werden: Wenn die Referenzspannung Vref weit über Vs liegt, leitet der
erste Transistor T1, und der zweite Transistor T2 ist gesperrt. Der durch den ersten
Transistor T1 kommende Strom entspricht folglich zweimal dem Polarisierungsstrom, also 2.I,
und der Widerstand wird von einem Strom I in u ngekehrter Richtung zu dem auf Fig. 1
dargestellten durchquert. Der Ausgangszweig des ersten Stromspiegels M1 ist folglich
potentiell fähig, einen starken Strom des Wertes 2.K.I.(1 - Q) an den Kollektor des zweiten
Transistors T2 zu liefern und somit den zweiten Stromspiegel M2 kurzzuschließen. Der
Ausgangsstrom Iout des siebten Transistors T7, Reflex des den fünften Transistor T5
durchquerenden Strom, ist folglich Null. In dem Maße, in dem die Spannung Vs zunimmt,
nähert sich das Differentialpaar (T1, T2) dem Gleichgewicht, und der Wert des den ersten
Transistor T1 durchquerenden Stroms nimmt ab, während der Wert des den zweiten
Transistor T2 durchquerenden Stroms zunimmt. Wenn Vs zur Referenzspannung Vref
ausreichend groß wird, leitet der zweite Transistor T2 mehr als der erste Transistor T1, und der
den Widerstand R durchquerende Strom ändert die Richtung auf die in Fig. 1 gezeigte
Weise. Der fünfte Transistor T5 des zweiten Stromspiegels M2 beginnt zu leiten, wenn der
Strom des Kollektors des zweiten Transistors T2 über den Ausgangsstrom des ersten
Stromspiegels M1 ansteigt, zu dem der im besagten Kollektor mit dem sechsten
Stromspiegel M6 injizierte Strom hinzukommt. Dies bildet die Bedingung, um den siebten Transistor
T7 leitend zu machen, was anzeigt, daß die der ersten Versorgungsklemme VDD
zugeführte Spannung die obere Schwelle der Spannungssteuerung überschritten hat. Diese
Bedingung kann Q.I + K.I.(1 - x - Q) = I.(1 + x) geschrieben werden, oder auch:
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x = ((K - 1).(1 - Q))/(1 + K) (Relation 1)
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Zum Zeitpunkt der Schaltung hat man zudem: Vs = Vref + R.x.I + Vbe2 - Vbe1, wobei Vbe2
und Vbe1 respektive die Spannungen Basis-Emitter des ersten und zweiten Transistors T1
und T2 sind. Zudem weiß man, daß Vbe2 - Vbe1 = Vt.ln(I(T2)/(T1)), wenn I(T1) und I(T2)
respektive die den ersten und zweiten Transistor T1 und T2 durchquerenden Ströme
bezeichnen, in diesem Fall gleich L(1 - x) und L(1 + x), respektive. Die Schwelle S1, die Vs
erreichen muß, um den siebten Transistor T7 leitend zu machen, schreibt sich dann:
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S1 = Vref + R.x.I + Vt.ln((1 + x)/(1 - x))
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Eine identische Überlegung führt zum Ausdruck der Schwelle S2, die Vs erreichen muß,
um zu bewirken, daß der siebte Transistor T7 nichtleitend wird:
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S1 = Vref - R.x.I - Vt.ln((1 + x)/(1 - x))
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Die so erhaltenen Schwellen enthalten folglich eine Komponente Vref ± R.x.I, von der
Temperatur unabhängig, und eine Komponente Vt.ln((1 + x)/(1 - x)), von der Temperatur
abhängig, womit man den Einfluß dank einer sorgfältigen Wahl der Parameter K und Q
minimieren kann. Diese Wahl bedeutet einen Kompromiß zwischen der gewünschten maximälen
Steuerpräzision und einer minimalen Komplexität der Spannungssteuerung, d. h. einer
minimalen Siliziumfläche für den Bau der besagten Steuerung. Wenn man z. B. K = 2 und
Q = 2/3 wählt, ergibt Relation 1x = 1/9. Die Schwelle S1 schreibt sich folglich
S1 = Vref + R.x.I.Vt.ln(10/8). Wenn R1 und R2 zudem dieselben nominalen Werte sind, ist
VDD = 2.Vs, und der Strom Iout ist folglich Null, bis dieser VDD
2.(Vref + R.x.I + Vt.ln(10/8)) übersteigt. Der Wert von Vt.ln(10/8) ist wenig verschieden von
5,8 mV. Mit einer Referenzspannung gleich 1.2 V, einem gängigen Wert für eine Spannung
aus einem Spannungsgenerator vorn Typ Bandgap; und einer Dimensionierung des
Widerstands R und der jeweils einen solchen Polarisierungsstrom I abgebenden Stromquellen,
damit (R. I)/9 gleich 30,2 mV, entspricht die obere Schwelle V1, die VDD erreichen muß,
um den siebten Transistor T7 leitend zu machen, folglich 1,4V + 72 mV, wobei die untere
Schwelle V2, die VDD erreichen muß, um den siebten Transistor T7 zu sperren, 2,4 V-
72 mV entspricht, was einer Hysteresis von 144 mV gleichkommt. Dazu hat im Rahmen
dieser Hysteresis die temperaturabhängige Komponente eine Größenordnung von 24 mV,
während die temperaturunabhängige Komponente der Größenordnung von 120 mV
entspricht.
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Ein Vergleich mit der bekannten Spannungssteuerung hebt die Vorteile der
Erfindung eindeutig hervor. Tatsächlich ermöglicht es die bekannte Spannungssteuerung
nur, eine Hysteresis von 72 mV mit einem Faktor K gleich 4 zu erhalten. Dazu ist diese
Hysteresis dann voll temperaturabhängig. Die Variationsamplitude der Schaltschwellen
entsprechend der Temperatur ist in der bekannten Steuerung folglich ca. fünfmal größer als
in der Spannungssteuerung nach der zuvor beschriebenen Durchführungsform der
Erfindung.