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Diese Erfindung bezieht sich auf den Betrieb von Spannungsreferenzen, die von den "Zener-" oder
"Lawinen"-Charakteristika einer Halbleiterdiode abhängen und die vom Fachmann allgemein als "Z-
Dioden", Zenerdioden oder Zener-Referenzen bezeichnet werden. Dieser Typ von Halbleitervorrichtung
erzeugt eine relativ genaue Spannung über seine Kathode und Anode für einen Bereich von Strömen, die
durch die Vorrichtung in dem umgekehrten Modus, d. h. in der entgegengesetzten Richtung von Kathode
zu Anode zu derjenigen Richtung, die ein normales Diodenfunktionsverhalten erzeugt, geleitet werden.
Für bestimmte Typen dieser Dioden ist dort ein äußerst stabiles Spannungsverhalten realisierbar, wo der
Rückstrom auf einen geeigneten und stabilen Wert eingestellt wird.
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Eine der Hauptaufgaben für die Errichtung stabiler Spannungsreferenzstandards beruht auf dem Prinzip,
das Rauschen der VLF-Frequenz und die Langzeitzufallsinstabilität der Ausgangsspannung zu
minimieren. Eine weitere Aufgabe besteht in der Minimierung der Ausgangsspannung, die von äußeren
Umweltbedingungen und insbesondere von Temperaturabhängigkeiten und dem atmosphärischen Druck abhängig
ist.
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Es ist im allgemeinen bekannt, dass das durch die Zenerdiode erzeugte Zufallsrauschen und die durch sie
erzeugte Instabilität durch eine Verringerung der Grenzschicht der Diode verringert wird. Allerdings kann
dies durch einen Betrieb der Z-Diode bei einer optimalen Stromdichte weiter verbessert werden, was das
Rauschen verringert, aber (vgl. z. B. US-A-3 962 718) in einer Diode mit großer Fläche genügend Energie
ableiten kann, was zu einem derart hohen Temperaturanstieg der Z-Diode und seiner Unterbringung
führen kann, dass eine Ofentemperatursteuerung schwierig oder unmöglich wird, ohne die
Langzeitspannungsstabilität der Z-Diode zu beeinträchtigen. Eine Steuerung der Temperatur einer Zenerdiode mittels
Steuerung des durch den Zenerübergang fließenden Stroms ist bekannt (vgl. z. B. US-A-4 562 400).
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Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer Anordnung zum
Betreiben einer Zenerdiodenreferenz mit einer großen Grenzschicht bei einer optimalen Stromdichte, während
die Temperatur des Siliziumchips, auf dem die Diode diffundiert wird, mit einem niedrigeren Inkrement
über der Umgebungstemperatur gehalten oder gesteuert wird, als dies ohne die Anwendung der Erfindung
der Fall wäre.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bereitstellen eines Vorspannungsstroms gemäß Anspruch 1
gelöst.
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Die Erfindung ist beispielhaft in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt.
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Fig. 1a, 1b und 1c sind schematische Diagramme bekannter Anordnungen.
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Fig. 2a illustriert das Prinzip der Arbeitsweise der Erfindung, wobei Fig. 2b die
Stromwellenform mit zwei Stromperioden zeigt.
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Fig. 3 stellt das Prinzip der Arbeitsweise der Erfindung mit einer schleifengesteuerten
zweiten Stromperiode dar.
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Die beim Stand der Technik bekannten Vorrichtungen beinhalten diejenigen aus den Fig. 1a, 1b und 1c.
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Fig. 1a stellt das Schema eines Referenzelementtyps dar, der eine Zenerdiode 1 und einen Transistor 2 in
einer thermischen Umgebung 3, die im allgemeinen aus einem einzelnen Siliziumchip besteht, der in
einer Standardhalbleitervorrichtungsunterbringung für feste Baugruppen, die dem Fachmann wohlbekannt
ist, untergebracht ist. In diesem Beispiel wird ein Vorteil aus dem Unstand gewonnen, dass die
Transistorbasis-zu-Emitter-Spannung als eine Spannung, die sich mit steigender Temperatur verringert, dazu
verwendet wird, zu der Zenerspannung addiert zu werden, die sich mit steigender Temperatur erhöht.
Dies ist als ein kompensierter Zener- oder als ein Referenzverstärker bekannt. Ein Strom, der auf
bekannte Weise von einem mit dem Transistor gekoppelten Schaltkreis abgeleitet, der Deutlichkeit halber
jedoch weder in dieser noch den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt ist, wird durch den Transistor
geleitet, um sowohl diesen wie den gleichen oder einen unterschiedlichen Strom durch die Z-Diode
vorzuspannen, wobei diese Ströme so gewählt sind, dass der Temperaturkoeffizient der
Ausgangsspannung, welcher die Summe der Zenerspannung und der Transistorbasis-Emitterspannung ist, nominell null
ist.
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In der Illustration von Fig. 1b ist ein Temperatursensor wie z. B. ein Thermistor 5 und ein externer Ofen 4
als in engem thermischem Kontakt zu der Z-Diode stehend hinzugefügt, um die Temperatur der einfachen
Ausführungsform von Fig. 1a zu steuern, wodurch der effektive Temperaturkoeffizient weiter verringert
wird, aber notwendigerweise auch eine höhere Betriebstemperatur der Siliziumübergänge bewirkt wird,
falls keine Kühlung verwendet wird.
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In der Darstellung von Fig. 1c sind ein weiterer Transistor 7 zur Erfassung der Temperatur des
Siliziumchips und ein Heizelement 6 eingeschlossen, um in den Chip zu diffundieren, damit dessen Temperatur
eingestellt werden kann. Für den Fachmann ist es dann eine relativ einfache Angelegenheit, den
Transistortemperatursensor und die Heizanordnung zur Steuerung der Temperatur bis zu einem hohen Grad an
Konstanz zu verwenden.
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Es versteht sich, dass es zur Bereitstellung eines vernünftigen Steuerungsgrades der Chiptemperatur auf
variierende Umgebungstemperaturen die Anordnungen aus Fig. 1b und 1c erfordern, dass der
Siliziumchip mit einer signifikant höheren Temperatur als derjenigen betrieben wird, die sich aus dem Schaltkreis
von Fig. 1a ergibt, und dass dies wiederum aufgrund der Energieableitung und Selbsterwärmung die
Größe des durch die Zenerdiode fließenden Vorspannungsstroms begrenzt, der gewählt werden kann.
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Eine Anordnung gemäß der Erfindung, die in Fig. 2a dargestellt ist, ermöglicht einen Betrieb der
Zenerdiode bei optimaler Stromdichte, indem durch sie der Vorspannungsstrom mit einem Wert gepulst wird,
der gleich oder ähnlich zu der optimalem Stromdichte ausfällt, wodurch sich zwei oder mehrere
unterschiedliche Betriebsperioden ergeben, die normalerweise, jedoch nicht notwendig kontinuierlich
wiederholt werden.
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Während der ersten Periode t&sub1; wird ein genau definierter Strom Ib1 durch die Zenerdiode 1 geleitet, die
eine wie in Fig. 2 dargestellte einfache Zenerdiode oder ein Referenzelement ähnlich zu dem in Fig. 1a
gezeigten Element sein kann, und die sich ergebende auf dem Kondensator eines Erfassungs- und Halte-
oder Nachlauf- und Halteschaltkreises 14 erfasste und gespeicherte Ausgangsspannung wird während
einer Periode t&sub1; 13 erfasst. Dies stellt eine wohlbekannte Technik zur Speicherung von Spannungswerten
dar, die von den Fachleuten auf dem Gebiet des Entwurfes von Analog-Digital-Wandlern allgemein
benutzt wird. Ib1 ist ein optimaler Vorspannungsstrom 8, der für eine Minimierung des Zufallsrauschens
in der Z-Diode 1 gewählt wird und typischerweise zu hoch ist, um auf befriedigende Weise kontinuierlich
angelegt werden zu können. Daher wird Ib1 während einer zweiten Periode abgeschaltet oder verringert,
so dass anschließend Ib2 als ein sich typischerweise von L1 unterscheidender Strom 9 durch die Z-Diode
fließt. Dieser Vorgang wird durch einen Schalter 10 symbolisiert, der für eine Periode t&sub1; 11 als mit Ib1 und
für eine Periode t&sub2; 12 als mit Ib2 verbunden dargestellt ist.
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Der Wert von Ib2 und die Perioden t&sub1; und t&sub2;, für welche Ib1 bzw. Ib2 fließen, können damit so gewählt
werden, dass der mittlere Strom in der Z-Diode dort einen akzeptablen Selbsterwärmungspegel
bereitstellt, wo die gesamte Periode t&sub1; plus t&sub2; signifikant schneller als die Wärmeträgheit (eine Messung der
Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit) der Z-Diode ist. Eine typische Wärmeträgheit liegt für
diesen Komponententyp im Zehnerbereich von Sekunden, so dass wenn die Periode t&sub1; + t&sub2; viel kürzer
ausfällt und beispielsweise im Zehnerbereich von Millisekunden liegt, Temperaturfluktuationen während
der Erfassungszeit t&sub1; vernachlässigbar sind und ein wiederholtes Erfassen eine stetige Ausgangsspannung
ergibt, die an Ausgangsanschlüssen 15 und 16 anliegt. Dieser Ausgangswert wird ein geringeres
niederfrequentes Zufallsspannungsrauschen und eine niedrigere Instabilität aufweisen, da er bei einem höheren
Vorspannungsstrom erfasst wird als dies der Fall wäre, würde kontinuierlich bei einem niedrigeren
Vorspannungsstrom gemessen. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Impulstesten von elektronischen
Komponenten, wobei nur über die Testdauer Impulse von Testströmen angelegt werden, beim Stand der
Technik wohlbekannt ist. Jedoch besteht die Aufgabe dieser Erfindung darin, auf diese Weise normal zu
arbeiten und einen zweiten Strompegel Ib2 bereitzustellen, der für den Erhalt eines spezifischen Grades an
Selbsterwärmung gewählt oder zur Einstellung einer bestimmten Temperatur des
Zener-Referenz-Siliziumchips gesteuert werden kann und der normaler Weise nicht Null betragen oder einfach abgeschaltet
werden würde. Fig. 2b ist ein einfacher Graph, der die sich ergebende Stromwellenform darstellt, wenn
Ib2 für einen bestimmten Energieableitungspegel in der Z-Diode eingestellt ist. In der Praxis kann Ib2
variiert werden, während Ib1 und damit die Ausgangsspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird.
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Eine nützlichere und höher entwickelte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, wo ein
Zener-Referenzelement 1, 2, 3 wie oben während der Zeit t&sub1; wie oben mit dem Strom Ib1 vorgespannt wird,
wobei jedoch Ib2 während der Periode t&sub2; durch einen Strom ersetzt wird, der von einem Widerstand 19
und einem Verstärker 18 zugeführt wird. In diesem Fall wird die gewünschte Zenerspannung wie oben
erfasst, aber zusätzlich wird die Basis-zu-Emitter-Spannung (Vbe) des Transistors während einer Periode
t&sub1; in einem zweiten Erfassungs- und Halte- oder Nachlauf- und Halteschaltkreis 17 erfasst, um eine
Messung der Temperatur des Siliziumchips und somit der Komponenten des Referenzelements
auszugeben. Diese erfasste temperaturabhängige Spannung wird anschließend in einer Steuerschleife mittels
Verbindung mit dem Verstärker 18 zur Steuerung der Stromgröße durch den Widerstand 19 während der
zweiten Periode t&sub2; verwendet. Ebenfalls wäre die Einstellung der Dauer der Periode t&sub2; mit Bezug auf die
Periode t&sub1; oder die Einstellung von sowohl der Stromgröße wie der relativen Periode möglich, aber in
jedem Fall wird die mittlere erfasste Basisemitter-Spannung Vbe und somit die Chiptemperatur Tc auf
einem konstanten Wert gehalten.
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Es versteht sich, dass für den Entwurf der Erfindung viele Variationen möglich sind, die von der Struktur
der ausgewählten Referenz abhängen. Im einzelnen kann für die Ermöglichung einer Temperaturmessung
eine dritte Zeitperiode eingeschlossen werden, indem die Zenerdiode beispielsweise umgekehrt und ihre
Diodenspannung in Durchlassrichtung gemessen wird. Ebenso ist es möglich, Ib1 kontinuierlich fließen zu
lassen, während Ib2 während der zweiten Periode t&sub2; dazu addiert oder subtrahiert wird.