EP0793159B1 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Eine derartige Schaltungsanordnung ist der Druckschrift EP 0600 527 A bekannt. Hierbei wird eine Versorgungsspannung in Abhängigkeit einer Eingangsspannung erzeugt, indem ein erster und ein zweiter Differenzverstärker mittels eines Spannungswandlers angesteuert werden. Eine weitere Schaltungsanordnung ist aus der Druckschrift EP 0 613 071 bekannt. Hierbei wird eine Versorgungsspannung in Abhängigkeit einer Eingangsspannung erzeugt, indem mittels eine ersten und eine zweiten Stromquelle und weiteren Schaltmitteln die Höhe der Versorgungsspannung in Abhängigkeit einer Referenzspannung geändert wird. Nachteilig bei den bisher bekannten Schaltungen ist, dass zur Erzeugung der Ausgangsspannung eine aufwendige Schaltungsanordnung erforderlich ist.
• Derartige Schaltungsanordnung mit nachfolgender Filterstufe werden verwendet, um z.B. Sensoren mit einer Spannung zu versorgen, die gegenüber der Eingangsspannung einen verbesserten Störabstand aufweist. Üblicherweise werden dafür Schaltungsanordnungen verwendet, welche die Versorgungsspannung für den Sensor um einen bestimmten Betrag ΔU unter der Eingangsspannung hält. Der Betrag der Eingangsspannung ΔU ist dabei konstant. Diese reduzierte Spannung wird einer Glättungs- und Filterstufe zugeführt, um Spannungsspitzen und -schwankungen herauszufiltern. Arbeitet der zu versorgende Verbraucher über einen weiten Bereich der Versorgungsspannung, so ist es erforderlich, den Betrag der Spannungsdifferenz ΔU, um den die Eingangsspannung reduziert wird, dem absoluten Betrag der Eingangsspannung anzupassen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung anzugeben, mit dem der oben beschriebene Verlauf der Versorgungsspannung in Abhängigkeit der Eingangsspannung auf einfache Weise erzielt werden kann.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1

die Schaltungsanordnung nach der Erfindung im Prinzipschaltbild,

Figur 2

ein Diagramm der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung,

Figur 3

ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1,

Figur 4

ein erweitertes Schaltbild der Schaltung der Figur 3.

• Die Figur 1 zeigt das Grundprinzip der Schaltungsanordnung nach der Erfindung im Blockschaltbild. Die Eingangsspannung V_IN wird über den Widerstand R_DU und die steuerbare Stromquelle I₁ mit dem Massepotential verbunden. In Abhängigkeit vom Strom I durch die Stromquelle I₁ und den Widerstand R_DU entsteht entlang des Widerstands ein Spannungsabfall V_RDU. Der Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle I₁ und dem Widerstand R_DU ist mit dem Eingang eines Impedanzwandlers bzw. Treiber-/Buffer-Verstärkers verbunden. An dessen Ausgang wird die Versorgungsspannung für den Verbraucher zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig ist dieser Ausgang über einen Spannungsteiler, bestehend aus den beiden Widerständen R₁ und R₂, mit dem Massepotential verbunden. Am Verbindungspunkt der beiden Widerstände ist der erste Eingang einer Komparatorstufe K angeschlossen. Der zweite Eingang der Komparatorstufe ist mit einer Referenzspannung V_REF verbunden. Der Ausgang ist mit dem Steuereingang der steuerbaren Stromquelle I₁ verbunden. Die Versorgungsspannung V_OUT kann durch folgende Gleichung dargestellt werden: $${\mathrm{V}}_{\mathrm{OUT}}\mathrm{=}{\mathrm{V}}_{\mathrm{IN}}\mathrm{-}{\mathrm{V}}_{\mathrm{RDU}}\mathrm{=}{\mathrm{V}}_{\mathrm{IN}}\mathrm{-}{\mathrm{I}}_{\mathrm{1}}\mathrm{*}{\mathrm{R}}_{\mathrm{DU}}$$

  
• Dabei ist der Strom I₁ abhängig vom Ausgangssignal der Komparatorstufe K.
• Wie in der Figur 2 dargestellt, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Spannungsdifferenz, mit dem die Versorgungsspannung für den Verbraucher unter der Eingangsspannung liegt, bis auf einen ersten Wert der Eingangsspannung auf einen ersten, konstanten Wert zu halten und ab einem bestimmten Wert der Eingangsspannung auf einem zweiten, größeren Wert konstant zu halten. Im dazwischenliegenden Übergangsbereich bleibt die Versorgungsspannung konstant und ist unabhängig von der Eingangsspannung. Die Schaltungsanordnung kann drei Zustände einnehmen. Für kleine Eingangsspannungen fließt ein minimaler Strom I_MIN = I_c = I_c1 durch die Stromquelle I₁. Am Widerstand R_DU fällt eine über den sten Bereich konstante Spannung ab und die Versorgungsspannung V_OUT weist eine erste konstante Spannungsdifferenz V_B zur Eingangsspannung V_in auf.
• Liegt die Eingangsspannung V_IN im Bereich zwischen einer ersten Schwellspannung V_S1 und einer zweiten Schwellspannung V_S2, so greift der über den Komparator K verlaufene Regelkreis und die Versorgungsspannung V_OUT wird auf einem konstanten Wert gehalten. Dabei fließt ein Strom $${\mathrm{I}}_{\mathrm{c}}\mathrm{=}{\mathrm{I}}_{\mathrm{c}\mathrm{1}}\mathrm{+}\mathrm{K}•{\mathrm{I}}_{\mathrm{c}\mathrm{2}}\mathrm{mit}\mathrm{0}\mathrm{\ge }\mathrm{K}\mathrm{\ge }\mathrm{1}$$

  
• Durch den Widerstand R_DU. Die Versorgungsspannung V_OUT stellt sich so ein, daß die Spannung V_T am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R₁, R₂ des Spannungsteilers gleich der Referenzspannung V_REF ist.
• Zu größeren Spannungen hin, fließt der maximale Strom I_{max =} I_c = I_c1 + I_c2 durch die steuerbare Stromquelle I₁. Dann hat die Versorgungsspannung V_OUT eine zweite konstante Spannungsdifferenz V_A zur Eingangsspannung V_IN.
• In der Schaltungsanordnung gemäß der Figur 3 ist die Ausführung der gesteuerten Stromquellen detailliert dargestellt. Eine Referenzstromquelle I_REF versorgt den Stromspiegel aus dem als Diode geschalteten Eingangstransistor Q_A und den beiden Transistoren Q_B1 und Q_B2 mit einem konstanten Eingangsstrom I_A. Der konstante Eingangsstrom I_A ist bei der integrierten Variante der Schaltungsanordnung derart von der Temperatur abhängig, daß die Temperaturabhängigkeit des Widerstands R_DU kompensiert wird. Damit wird der Temperaturkoeffizient des ebenfalls integrierten Widerstands R_DU ausgeglichen. Der Emitter des als Diode geschalteten Transistor Q_A ist mit dem Widerstand R_A mit dem Massepotential verbunden. Der Kollektor des ersten Spiegeltransistors Q_B1 ist mit dem Widerstand R_DU und dem Eingang des Buffer-Verstärker 1 verbunden. Der Emitter liegt über dem Widerstand R_B1 an Massepotential. Die Basis ist mit der Basis von Q_A verbunden. Die Emitter-Kollektorstrecke des zweiten Spiegeltransistors Q_B2 ist in diesem Arbeitspunkt abgeschaltet. Es fließt also ein konstanter Strom I_C1 über diesen Transistor gegen das Massepotential. Die Größe dieses Stromes bestimmt den Spannungsabfall V_RDU und somit die Größe der Spannungsdifferenz V_B für kleine Eingangsspannungen. Parallel zum ersten Transistor Q_B1 liegt ein zweiter Spiegeltransistor Q_B2, dessen Kollektor mit dem Kollektor des ersten Transistors Q_B1 und dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors Q_B1 verbunden ist. Sein Emitter ist über den Widerstand R_B2 mit dem Massepotential verbunden. Der Emitter des zweiten Transistors Q_B2 ist weiterhin mit dem Ausgang der regelbaren Stromquelle I₂, die ihrerseits vom Ausgang der Komparatorstufe angesteuert wird, verbunden. Bei kleinen Eingangsspannungen ist der zweite Transistor Q_B2 abgeschaltet, da das Produkt I_R * R_B2 = Spannung an Emitter Q_B2 größer als die Basisspannung von Q_B2 minus U_BE ist. Dann fließt nur der Strom I_C1 über den ersten Transistor Q_B1 durch den Widerstand R_DU. Bei großen Eingangsspannungen fließt zusätzlich noch der Strom I_C2 durch den Transistor Q_B2, so daß durch den Widerstand R_DU insgesamt der Strom I_C = I_C1 + I_C2 fließt. Dazwischen liegt ein Regelbereich, bei dem zusätzlich zum Strom I_C1 durch den ersten Transistor Q_B1 ein zweiter Strom K • I_C2 (mit 0 ≤ K ≤ 1) durch den zweiten Transistor Q_B2 fließt. In diesem Bereich wird die Versorgungsspannung V_OUT auf einem konstanten Wert gehalten.
• In der Schaltungsanordnung gemäß Figur 4 ist weiterhin ein Ausführungsbeispiel für die Komparatorstufe K dargestellt. Sie besteht aus einem Differenzverstärker, bestehend aus den Transistoren Q₃ und Q₄, deren Emitter mit einer Stromquelle I_D verbunden sind, wobei die Basis des Transistors Q₃ mit der Spannungsreferenz V_REF und die Basis des Transistors Q₄ mit der Spannung am Verbindungspunkt der beiden widerstände des Spannungsteilers verbunden ist. Der Ausgang der Differenzstufe wird von einem Stromspiegel, bestehend aus den Transistoren Q₁ und Q₂ gebildet, der den Strom im Kollektorzweig des Transistors Q₃ in den Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Transistor Q_B2 des ersten Stromspiegels mit dem Widerstand R_B2 mit einem bestimmten Faktor n spiegelt. Durch diese Schaltungsanordnung kann die Versorgungsspannung V_OUT mit den gewünschten Eigenschaften auf einfachste weise erzeugt werden.
• Die Versorgungsspannung V_OUT der Schaltungsanordnung kann beispielsweise dazu benutzt werden, um eine Spannungsfolgerstufe, deren Ausgangsspannung sich nur mit einer bestimmten maximalen Geschwindigkeit ändern kann, mit einer Spannung zu versorgen. Der immer vorhandene Spannungsabstand zur Eingangsspannung V_IN stellt hierbei einen Arbeitsbereich dieser nachfolgenden Stufe dar. Man erreicht somit eine Verringerung der Störungen auf der Versorgungsspannung V_OUT bzgl. der Eingangsspannung V_IN.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung (V_OUT) in Abhängigkeit von einer der Schaltungsanordnung zugeführten Eingangsspannung (V_IN), wobei die Versorgungsspannung (V_OUT) bei kleinen Eingangsspannungen (V_IN) eine erste konstante Spannungsdifferenz (V_B) und bei großen Eingangsspannungen (V_IN) eine zweite konstante Spannungsdifferenz (V_A) zur Eingangsspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet,

   • dass ein erster Widerstand (R_DU) einerseits mit der Eingangsspannung (V_IN) und andererseits über eine steuerbare Stromquelle (I₁) mit dem Massepotential verbunden ist, so dass am Verbindungspunkt des ersten Widerstands (R_DU) mit der steuerbaren Stromquelle (I₁) eine reduzierte Spannung (V_DU) anliegt,

   • dass einem impedanzwandler (1) die reduzierte Spannung (V_DU) an seinem Eingang zugeführt wird und die Versorgungsspannung (V_OUT) an seinem Ausgang bereitstellt,

   • dass die steuerbare Stromquelle (I₁) in Abhängigkeit der Versorgungsspannung (V_OUT) gesteuert wird.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (K) vorgesehen ist, der die Versorgungsspannung (V_OUT) mit einer Referenzspannung (V_REF) vergleicht und entsprechend des Ergebnisses des Vergleichs die steuerbare Stromquelle (I₁) ansteuert.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (K) die Versorgungsspannung (V_OUT) über einen Spannungsteiler (R₁, R₂) zugeführt wird.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle (I₁) aus einer Referenzstromquelle (I_REF) und einer Stromspiegelschaltung (Q_A, Q_B1, Q_B2) besteht.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Übergangsbereich zwischen kleinen und großen Eingangsspannungen (V_IN) die Versorgungsspannung (V_OUT) eine variable Spannungsdifferenz (V) zur Eingangsspannung gemäß V_B ≤ V ≤ V_A aufweist.

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