EP0952508B1 - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung - Google Patents
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- G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
- G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
- G05F3/26—Current mirrors
- G05F3/267—Current mirrors using both bipolar and field-effect technology
Definitions
- Known reference voltage sources use, for example Zener diodes, to which an unstabilized via a series resistor Input voltage is supplied, which at the Zener diode tapped voltage as voltage-stabilized Reference voltage is used.
- Zener diodes to which an unstabilized via a series resistor Input voltage is supplied, which at the Zener diode tapped voltage as voltage-stabilized Reference voltage is used.
- the forward or forward voltage of a diode or the base-emitter voltage of a bipolar transistor as a reference voltage be used.
- the The forward voltage of a pn junction has a negative temperature coefficient and thus a temperature dependency that for many applications is negative.
- the output voltage as Reference voltage is used, sensors, A / D converters or similar Components are supplied, the output voltage of the voltage regulator highly accurate and in particular extremely temperature stable his.
- tolerance limits up to maximum 1% are normal requirements.
- the emitter current densities of the transistors T 1 and T 2 differ by the factor n * m, ie the emitter current density of the transistor T 1 is (n * m) times as large as the emitter current density of the transistor T 2 .
- the total voltage is tapped from the base-emitter voltage of the transistor T 1 and the voltage present at the node between the resistors R 1 and R 2 .
- the first-mentioned base-emitter voltage of the transistor T 1 corresponds to the forward voltage of a current-carrying pn junction and therefore, as has been explained above, has a negative temperature coefficient.
- the voltage drop across the resistor R 1 is dependent on the difference between the base-emitter voltage of the transistor T 1 and the base-emitter voltage of the transistor T 2 and, as has also been explained above, has a positive temperature coefficient.
- the emitter-base voltage of the bipolar transistor T 1 decreases by 2mV / K depending on the temperature.
- the bandgap reference voltage source shown in FIG. 2 can be dimensioned in such a way that the differential voltage across the resistor R 1 from the forward voltages of the two transistors T 1 and T 2 is one by appropriate selection of the resistors R 1 and R 2 and the previously specified factor n the negative temperature coefficient compensating positive temperature coefficient of + 2mV / K is subject.
- the circuit shown in FIG. 2 reacts very sensitively to the temperature gradients which are ubiquitous in integrated power circuits.
- room temperatures the difference between the emitter-base voltages of the two transistors T 1 and T 2 is approximately 50 mV. If the temperatures of the transistors T 1 and T 2 differ by 1K, the difference in the emitter-base voltages changes by approximately 2 mV, ie by approximately 4%.
- Reference voltage source can be achieved that a deviation the temperature around 1K of one of the transistors used only 1.3% in the difference in total voltages comes in. It is also possible to use the transistors in the layout of the reference voltage source according to the invention to be arranged crosswise so that linear temperature gradients the output voltage of the reference voltage source from any direction cannot falsify.
- circuit means used which is the remaining parabolic Temperature dependency of the generated reference voltage compensate so that the output reference voltage in Ideally, temperature stable within a 0.03% window can be generated.
- the one preferred embodiment of a reference voltage source in accordance with the present invention again the principle described above, known per se used the reference voltage by adding a share with negative temperature coefficient and a share with to generate positive temperature coefficient, whereby by suitable circuit dimensioning the negative temperature coefficient through the positive temperature coefficient can be compensated.
- the in Fig. 1st illustrated embodiment is considered the one Share of the generated reference voltage, that of a positive Temperature coefficient is subject to the difference of two Sum voltages from several forward voltages of with different current densities through which pn junctions flow used.
- the part that includes the negative Subject to temperature coefficients the sum of Forward voltages of several pn junctions.
- the emitter areas A E3 and A E4 of the transistors T 3 and T 4 are in a ratio of 1: n 2 .
- the transistors T 3 and T 4 are flowed through by different currents I 3 and I 4 , which can be set via resistors R 3 and R 4 .
- the collectors of the transistors T 3 and T 4 are connected to a positive supply voltage potential V CC .
- the base connections of the transistors T 3 and T 4 are connected to one another.
- the resistors R 1 and R 2 are connected to the transistors T 1 and T 2 in accordance with the known reference voltage source shown in FIG. 2.
- the desired reference or output voltage is tapped at the common base connection of the bipolar transistors T 3 and T 4 .
- This output voltage corresponds to the total voltage from the base-emitter voltages of the transistors T 3 and T 1 and the voltage present at the node between the resistors R 1 and R 2 .
- the base-emitter voltages of the transistors T 3 and T 1 are known to have a negative temperature coefficient of approximately -2 mV / K.
- the voltage present at the node between the resistors R 1 and R 2 is determined by the base-emitter voltages of the transistors T 1 -T 4 and corresponds in particular to the difference between a first voltage and the sum of the forward voltages of those through which a high current density flows Transistors T 1 and T 3 depends, and a second voltage, which depends on the sum of the forward voltages of the bipolar transistors T 2 and T 4 through which a low current density flows. That is, the voltage present at the node between the resistors R 1 and R 2 depends on the difference between the sum of the base-emitter voltages of the transistors T 1 and T 3 and the sum of the base-emitter voltages of the transistors T 2 and T 4 from.
- the differential voltage present at the node between the resistors R 1 and R 2 has such a positive temperature coefficient that the negative temperature coefficient of the base emitter -Voltage of the bipolar transistors T 3 and T 1 compensated.
- the positive temperature coefficient of the differential voltage dropping across the resistor R 1 must be as high as the negative temperature coefficient of the base-emitter voltages of the transistors T 3 and T 1 and consequently be approximately + 4 mV / K.
- a deviation of the temperature of one of the bipolar transistors T 1 - T 4 by 1K is only 1.3% in this differential voltage, so that the reference voltage circuit shown in Fig. 1 is less sensitive to temperature fluctuations or temperature gradients.
- the resistance ratio R 1 : R 2 can be set to 4: 1 by a clever choice of the individual components shown in FIG. 1. This is a ratio that can be adjusted particularly precisely.
- a circuit arrangement is coupled to the resistor R 3 , which, in addition to the diode D already shown in FIG. 1 in accordance with FIG. 3, has connected resistors R 7 -R 9 and a further bipolar transistor T 9 .
- This circuit arrangement works as follows. At low temperatures, the current flow through the resistor R 3 is smallest and the flow voltages of all pn junctions are so high that the resistors R7 and R8 essentially determine the behavior of this circuit arrangement.
- the path leading through the diode D and the resistor R 9 dominates , in which case the resistance of the equivalent circuit diagram of this circuit arrangement is lower due to the parallel connection of R 8 and R 7 to R 9 and the diode voltage by the factor (R 8 + R 7 ) / (R 7 + R 8 + R 9 ) is divided down.
- the path leading through transistor T 9 dominates, the equivalent circuit diagram having a diode forward voltage increased by the factor (R 7 + R 8 ) / R 7 without series resistance.
- Fig. 4 shows an example of one realized on a test chip Double bandgap reference voltage source according to the present invention. Again, those components are which correspond to the components shown in Fig. 3 with have the same reference numerals and will not be repeated explained.
- the current mirror S 1 shown in Figure 3 includes p-channel MOS field effect transistors M 3 - M 6 and n-channel MOS field effect transistors M 7 - M 10.
- the current mirror circuit S 2 is implemented by a pnp bipolar transistor T 11 .
- the reference potential of the current mirrors S 1 and S 3 corresponds to the input potential of the actuator ST, which is implemented by a control transistor M 11 .
- the reference potential of the current mirror S 2 is connected to the reference potential of the control transistor M 11 .
- the previously described relationship of the reference potentials is not absolutely necessary.
- the resistor R 10 additionally shown in FIG. 4 serves to compensate for the thermal leakage current of the resistor R 4 .
- the components T 12 , T 13 , C 1 - C 3 and R 11 serve to stabilize the circuit.
- the diode D shown in FIG. 3 is realized by the pn junction of a further bipolar transistor T 10 , the base-collector path of which is short-circuited. Otherwise, the mode of operation of the reference voltage source shown in FIG. 4 corresponds to that of the circuits shown in FIGS. 1 and 3.
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Description
Claims (19)
- Referenzspannung-Erzeugungsschaltung,mit ersten Schaltungsmitteln (T1, T3) zum Erzeugen einer ersten Spannung, die einem negativen Temperaturkoeffizienten unterliegt, undmit zweiten Schaltungsmitteln (T1 - T4, R1 - R4) zum Erzeugen einer Differenzspannung aus einer zweiten Spannung und einer dritten Spannung, wobei die zweite Spannung und die dritte Spannung jeweils von Flußspannungen entsprechender pn-Übergänge abgeleitet sind und die Differenzspannung einem positiven Temperaturkoeffizienten unterliegt,
dadurch gekennzeichnet,daß die ersten Schaltungsmittel (T1, T3) derart ausgestaltet und angeordnet sind, daß sie die erste Spannung aus einer Summenspannung von mindestens zwei Flußspannungen entsprechender pn-Übergänge ableiten, unddaß die zweiten Schaltungsmittel (T1 - T4, R1 - R4) derart ausgestaltet und angeordnet sind, daß sie die zweite Spannung bzw. die dritte Spannung aus einer ersten bzw. zweiten Summenspannung von jeweils mindestens zwei Flußspannungen entsprechender pn-Übergänge ableiten und daraus die Differenzspannung erzeugen. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß-die zweiten Schaltungsmittel (T1 - T4, R1 - R4) derart ausgestaltet und angeordnet sind, daß sie die zweite Spannung bzw. die dritte Spannung aus einer ersten Summenspannung bzw. einer zweiten Summenspannung von jeweils mindestens zwei Flußspannungen von entsprechenden mit unterschiedlichen Stromdichten durchflossenen pn-Übergängen ableiten. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,daß die zweiten Schaltungsmittel erste, zweite, dritte bzw. vierte Bipolartransistoren (T1 - T4) umfassen, welche mit einer ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Stromdichte durchflossen werden und derart verschaltet sind, daß die zweite Spannung aus der Summenspannung der Flußspannungen des ersten und dritten Bipolartransistors (T1, T3) und die dritte Spannung aus der Summenspannung der Flußspannungen des zweiten und vierten Bipolartransistors (T2, T4) abgeleitet ist, wobei der erste und dritte Bipolartransistor (T1, T3) mit einer höheren Stromdichte als der zweite und vierte Bipolartransistor (T2, T4) durchflossen wird, unddaß der erste und dritte Bipolartransistor (T1, T3) zugleich Bestandteil der ersten Schaltungsmittel derart ist, daß die erste Spannung aus der Summenspannung der Flußspannungen des ersten und dritten Bipolartransistors (T1, T3) abgeleitet ist. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Emitterfläche des zweiten Bipolartransistors (T2) einem Vielfachen der Emitterfläche des ersten Bipolartransistors (T1) und die Emitterfläche des vierten Bipolartransistors (T4) einem Vielfachen der Emitterfläche des dritten Bipolartransistors (T3) entspricht. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,daß dem Kollektor des ersten Bipolartransistors (T1) ein erster Strom, dem Kollektor des zweiten Bipolartransistors (T2) ein zweiter Strom, dem Kollektor des dritten Bipolartransistors (T3) ein dritter Strom und dem Kollektor des vierten Bipolartransistors (T4) ein vierter Strom zugeführt ist,daß die Basis des ersten Bipolartransistors (T1) mit dem Emitter des dritten Bipolartransistors (T3) und der Emitter des ersten Bipolartransistors (T1) über einen ersten Widerstand (R1) mit einem negativen Versorgungsspannungsanschluß sowie über einen zweiten Widerstand (R2) mit dem Emitter des zweiten Bipolartransistors (T2) verbunden ist,daß die Basis des zweiten Bipolartransistors (T2) mit dem Emitter des vierten Bipolartransistors (T4) verbunden ist, wobei der Knotenpunkt zwischen der Basis des ersten Bipolartransistors (T1) und dem Emitter des dritten Bipolartransistors (T3) über einen dritten Widerstand (R3) mit dem negativen Versorgungsspannungsanschluß sowie über einen vierten Widerstand (R4) mit dem Knotenpunkt zwischen der Basis des zweiten Bipolartransistors (T2) und dem Emitter des vierten Bipolartransistors (T4) verbunden ist, unddaß die Basis des dritten Bipolartransistors (T3) mit der Basis des vierten Bipolartransistors (T4) verbunden ist, so daß die Summenspannung aus den Basis-Emitter-Spannungen des dritten Bipolartransistors (T3) und des ersten Bipolartransistors (T1) der ersten Spannung und die am ersten Widerstand (R1) abfallende Spannung der Differenzspannung entspricht und an der Basis des dritten Bipolartransistors (T3) die Referenzspannung (Vref) abgegriffen werden kann. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,daß die Emitterfläche des zweiten Bipolartransistors (T2) in etwa viermal so groß wie die Emitterfläche des ersten Bipolartransistors (T1) und die Emitterfläche des vierten Bipolartransistors (T4) in etwa viermal so groß wie die Emitterfläche des dritten Bipolartransistors (T3) ist,daß der dem ersten Bipolartransistor (T1) zugeführte erste Strom in etwa genauso groß wie der dem zweiten Bipolartransistor (T2) zugeführte zweite Strom ist, unddaß der erste Widerstand (R1) in etwa viermal so groß wie der zweite Widerstand (R2) ist.
- Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der dem dritten bzw. vierten Bipolartransistor (T3, T4) zugeführte dritte bzw. vierte Strom sowie der dritte und vierte Widerstand (R3, R4) derart bemessen sind, daß der Emitterstrom des vierten Bipolartransistors (T4) deutlich kleiner als der Emitterstrom des dritten Bipolartransistors (T3) ist. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
gekennzeichnet durch
eine Stromspiegelschaltung (S1), welche einerseits an einem positiven Versorgungsspannungsanschluß angeschlossen ist und andererseits den dem ersten Bipolartransistor (T1) zugeführten ersten Strom und den dem zweiten Bipolartransistor (T2) zugeführten zweiten Strom liefert. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,daß ein fünfter Bipolartransistor (T5) zwischen die Stromspiegelschaltung (S1) und den Kollektor des ersten Bipolartransistors (T1) geschaltet ist, unddaß zwischen die Basis des fünften Bipolartransistors (T5) und den Knotenpunkt zwischen der Basis des zweiten Bipolartransistors (T2) und dem Emitter des vierten Bipolartransistors (T4) eine weitere Stromspiegelschaltung (S3) geschaltet ist.
- Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die Stromspiegelschaltung (S1) und den Kollektor des zweiten Bipolartransistors (T2) ein sechster Bipolartransistor (T6) mit kurzgeschlossener Basis-Kollektor-Strecke geschaltet ist. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Emitterfläche des sechsten Bipolartransistors (T6) in etwa der Emitterfläche des ersten Bipolartransistors (T1) und die Emitterfläche des fünften Bipolartransistors (T5) in etwa der Emitterfläche des zweiten Bipolartransistors (T2) entspricht und das Übersetzungsverhältnis der Stromspiegelschaltung (S1) 1:1 ist. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,daß eine weitere Stromspiegelschaltung (S2) vorgesehen ist, welche an einem positiven Versorgungsspannungsanschluß (Vcc) angeschlossen ist und den dem dritten Bipolartransistor (T3) zugeführten dritten Strom und den dem vierten Bipolartransistor (T4) zugeführten vierten Strom liefert, unddaß zwischen die weitere Stromspiegelschaltung (S2) und die Kollektoren des dritten bzw. vierten Bipolartransistors (T3, T4) eine Verstärkerschaltung (T7, T8) geschaltet ist. - Bezugsspannung-Referenzschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
dritte Schaltungsmittel (D, T9, R7 - R9) zum Kompensieren einer parabelförmigen Temperaturabhängigkeit der von den zweiten Schaltungsmitteln (T3, R3) erzeugten Referenzspannung (Vref). - Bezugsspannung-Referenzschaltung nach Anspruch 13 und einem der Ansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dritten Schaltungsmittel (D, T9, R7 - R9) eine zwischen den dritten Widerstand (R3) und den negativen Versorgungsspannungsanschluß geschaltete Diode (D) umfassen. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dritten Schaltungsmittel eine zwischen den dritten Widerstand (R3) und den negativen Versorgungsspannungsanschluß geschaltete Parallelschaltung aus einer Serienschaltung eines Widerstands (R9) mit der Diode (D) und einer Serienschaltung zweier weiterer Widerstände (R7, R8) umfassen, wobei ein weiterer Bipolartransistor (T9) mit seinem Hauptstrompfad parallel zu den beiden weiteren Widerständen (R7, R8) und mit seiner Basis an den Knotenpunkt zwischen die beiden weiteren Widerständen (R7, R8) angeschlossen ist. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten Schaltungsmittel Verstärkermittel (R5, R6) zum Verstärken der Referenzspannung (Vref) umfassen. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 12 und Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verstärkermittel einen an der Basis des dritten Bipolartransistors (T3) angreifenden Spannungsteiler (R5, R6) umfassen. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ersten und zweiten Schaltungsmittel (T1 - T4, R1 - R4) derart ausgestaltet sind, daß die als Summe der ersten Spannung der ersten Schaltungsmittel (T3, T1) und der Differenzspannung der zweiten Schaltungsmittel (T1-T4) erzeugte Referenzspannung (Vref) in etwa 2,5 V beträgt. - Referenzspannung-Erzeugungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Regelungsmittel (ST, M11) vorgesehen sind, um die von der Referenzspannung-Erzeugungsschaltung an einem Ausgangsanschluß ausgegebene Referenzspannung (Vref) bei einer ungleichmäßigen Belastung des Ausgangsspannungsanschlusses konstant zu halten.
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