EP1102148A1 - Low temperature corrected voltage generating device - Google Patents

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EP1102148A1
EP1102148A1 EP00403128A EP00403128A EP1102148A1 EP 1102148 A1 EP1102148 A1 EP 1102148A1 EP 00403128 A EP00403128 A EP 00403128A EP 00403128 A EP00403128 A EP 00403128A EP 1102148 A1 EP1102148 A1 EP 1102148A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
temperature
generator
resistance
low temperature
Prior art date
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Application number
EP00403128A
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German (de)
French (fr)
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EP1102148B1 (en
Inventor
Paolo Migliavacca
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics SA
Original Assignee
STMicroelectronics SA
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1102148A1 publication Critical patent/EP1102148A1/en
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00—Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02—Regulating voltage or current
    • G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • 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
    • G05F3/30—Regulators using the difference between the base-emitter voltages of two bipolar transistors operating at different current densities

Definitions

  • the present invention relates to a constant voltage generator device, corrected to low temperature, and more particularly such device including a voltage generator "band-gap" type reference.
  • Band-bap generator means »A generator with a voltage appreciably linear, and in particular constant with the temperature. Such a generator takes advantage of a temperature dependence of the voltage existing at terminals of one or more junctions of semiconductors.
  • band-gap comes from the fact that this voltage is a function of the width of the band gap of the semiconductor (s).
  • the device of the invention finds applications in the fields of microelectronics and integrated electronics.
  • the device of the invention can be used as setpoint voltage generator for a converter analog-digital or for supervisory systems supply voltage and batteries.
  • Reference voltage generators and in particular, band-gap generators are only generally not able to deliver currents strong. Therefore, these generators are often associated to an amplifier, from. way to form a device capable of supplying greater current at voltage constant.
  • reference 10 designates a band-gap reference voltage generator " The detailed description of such a generator is not given here since such generators are well known per se. We can for illustrative purposes, for example, document (1), from the same inventor, whose reference is specified at the end of the description.
  • the reference voltage generator 10 is connected between a ground terminal 22 and an input of an amplifier.
  • the amplifier 10 is connected to a non-inverting input 24+ of an operational amplifier 26.
  • V REF the voltage delivered by the reference voltage generator
  • the voltage delivered by the complete constant voltage generator device is available at an output terminal 28 of the amplifier and is denoted V OUT .
  • a divider bridge 30 is formed of a first resistor 31 of value R 1 in series with a second resistor 32 of value R2. It is connected between the output terminal 18 and the ground terminal 22. A node 34, between the first and second resistance is connected to the non-inverting input 24- of the amplifier 26, to deliver the voltage divided therein as that feedback voltage.
  • V OUT V REF .
  • R 1 + R 2 R 2 is
  • the reference voltage generator 10 can be adjusted so that the voltage V REF is substantially constant with the temperature in a fairly wide temperature range. However, it is observed that the value V REF of the reference voltage presents a linearity defect due to a second order term of the development in temperature, which is characterized by a behavior in temperature known as “in bell”.
  • FIG. 2 indicates, on an arbitrary scale, the value of the voltage V REF , on the ordinate, as a function of the temperature, plotted on the abscissa.
  • Figure 2 also shows the value of the output voltage V OUT of the complete device. This reproduces, to within a translation, the bell behavior of the voltage V REF . This behavior of the output voltage V OUT can be explained by the identical evolution with the temperature of the first and second resistors which have substantially the same temperature coefficients. In other words, the ratio R 2 / R 1 in equation (1) remains constant whatever the temperature.
  • V REF reference voltage generator
  • V OUT output voltage
  • the object of the invention is to provide a voltage generator device for which the fault second order linearity discussed above is corrected, especially at low temperature.
  • the divider of voltage includes at least a first resistance in series with an element presenting, at least in said low temperature range, impedance with a temperature dependence behavior different from that of the first resistance, so as to provide a weaker feedback in said range of low temperatures, and stronger feedback outside of said range.
  • the element in series with the first resistance can be a passive element, such as, for example, a second resistor having a temperature coefficient different from that of the first resistance.
  • the divisor of voltage can also include at least one active element whose characteristic with temperature is different from that of resistance.
  • the divider of voltage produces a feedback voltage which varies with temperature and which corrects partially or totally the behavior in "Bell" of the reference generator.
  • the value of the first resistance of the divider, as well as the characteristics of the reference voltage generator can be adjusted from so as to obtain an optimal correction.
  • the slope, and therefore the term of the first order of temperature dependence of the reference voltage delivered by the generator reference voltage can be adjusted in such a way so that the reference voltage is constant with temperature, to the linearity errors of the second and third orders close.
  • the first resistance of the divider of voltage can have a value which is adjusted in second order fault function of the generator reference voltage, so as to obtain at the terminal of output, a voltage almost constant with temperature (only the third order remains).
  • this may include one or more bipolar transistors.
  • the transistors are then connected in series with the first resistance of the voltage divider by the collector and transmitter terminals. They are by elsewhere polarized to operate in saturated mode for temperatures greater than or equal to temperatures in the low temperature range.
  • the active element may include several transistors in chain or in parallel, the description which follows refers, for reasons of simplification, to only one of these transistors.
  • the non-linear temperature character of the bipolar transistor is due to the fact that a bipolar transistor supplied with collector current constant exhibits higher saturation when its operating temperature is higher.
  • the transistor can be polarized so as to be at the limit of the regime of saturation in the low temperature range, and so as to be highly saturated when the temperature is above the low temperature range.
  • the range of low temperatures considered is, for example, between -60 ° C and + 25 ° C. Other temperature ranges can be taken into account by correspondingly modifying the transistor bias.
  • the polarization of the bipolar transistor can use, for example, a power source, which is connected to its base and which fixes its point of operation.
  • Figure 1 already described, is a simplified schematic representation of a device known type voltage generator.
  • Figure 2 already described, is a graph indicating in arbitrary scale, the evolution of the voltage delivered by a voltage generator reference and by the complete device of FIG. 1, depending on the temperature.
  • Figure 3 is a representation amplified schematic of a generator device voltage according to the invention.
  • Figure 4 is a graph showing, in arbitrary scale, the evolution of the voltage delivered by the device of figure 3.
  • Figure 5 is a representation simplified diagram of a particular embodiment of the device of the invention.
  • Part A of Figure 6 is a graph indicating, for different temperatures, the characteristics of the collector current as a function of an emitter-collector voltage of a transistor bipolar used in the device of figure 5.
  • Part B of Figure 6 is a graph indicating variations in emitter-collector voltage of the bipolar transistor of FIG. 5, in depending on its operating temperature.
  • Figure 3 shows in a simplified way the main elements of a generator device constant voltage according to the invention.
  • the divider bridge 130 always includes a first resistor 132 which connects the earth terminal 122 at the inverting input 124 of amplifier 126.
  • the first resistance is however connected in a node 134 to an element 150; in series between output terminal 128 and ground terminal 122.
  • the element 150 has an impedance with a dependency behavior in temperature different from that of the first resistance.
  • the impedance of the element 150 is denoted R X and the voltage across its terminals is denoted V X.
  • V OUT V REF + V X is
  • the value R X decreases less quickly than the value R 1 when the temperature decreases.
  • the voltage V X provided by the elements R X and R 1 against feedback thus tends to decrease less rapidly when the temperature decreases, and in particular in a range of low temperatures, as will appear later in the description.
  • the compensation can be adjusted as a function of the reference generator 110, in particular by modifying the value R 1 of the first resistor 132.
  • the reference voltage VREF (element 110) developed in temperature, has a first order term and a second order term. The same applies to the voltage V X due to the ratio R X / R 1 .
  • R 1 By acting on R 1 , it is possible to modify the coefficients of the first and second orders (sets) of V X so as to compensate for, or even cancel, the second order term of V REF . (By acting on the adjustable resistor 215 of FIG. 5 described later, it is possible to act only on the first order of V REF to compensate for the first order found of V X ).
  • Figure 4 indicates in arbitrary scale, and depending on the temperature, the output voltage V OUT delivered by the device of Figure 3 at its output terminal 128.
  • the output voltage is indicated by a solid line.
  • the the invention makes it possible to maintain a tension substantially constant over a range of temperatures low, by correcting, for these temperatures, the “bell-shaped” behavior, highlighted in the figure 2.
  • V OUT variations in the voltage V OUT for a temperature excursion between -40 ° C and 85 ° C is of the order of 3 mV with a device of the prior art conforming to FIG. 1.
  • This variation of V OUT can be limited to 1.5 mV with the device of the invention according to FIG. 3, for the same nominal value of the output voltage.
  • Figure 5 described below corresponds to a particular embodiment of the device of the figure 3, in which a non-linear element is formed for essentially by a bipolar pnp transistor.
  • the amplifier 226 is simply indicated with a transistor 227 which forms the output stage thereof.
  • the amplifier input stage is formed by an input transistor 211 which is common to amplification and a voltage generator of reference 210.
  • the reference voltage generator comprises a voltage generator 212 delivering a voltage denoted ⁇ V BE , and at the terminals of which is connected a first resistor 213, called the reference, and having a value R B.
  • the voltage generator 212 is not described here in detail since its structure is in itself known in the state of the art. We can refer, for example, to the document (1) mentioned in the introductory part of the description.
  • the generator 212 and the first reference resistance 213 are in series with a second reference resistance 214, of value R A and an adjustable resistance 215 of value R C.
  • the resistors are connected between the emitter of the input transistor 211 and the ground terminal 222.
  • the assembly formed by the generator voltage 212, resistors 213, 214, 215 and the transistor 211 form a generator of "band-gap" type.
  • V REF V BE211 + ⁇ V BE .
  • R AT + R B + R VS R B R AT + R B + R VS R B .
  • V BE211 is the base-emitter voltage of the input transistor 211.
  • the voltage V REF is therefore entirely defined by the polarization of the input transistor 211 which depends on the values of ⁇ V BE , R A , R B and R C.
  • V REF The behavior in temperature of V REF can be modified by adjusting the value R C of the adjustable resistor 215.
  • the behavior is appreciably linear, except for linearity faults (“in bell”).
  • Reference 229 generally designates a feedback loop which connects the terminal of output 218 of amplifier 226 to an input terminal 214 formed by the base of the input transistor 211.
  • the feedback loop 229 includes a voltage divider 230 with a resistor 232 in series with a bipolar transistor 250 which constitutes here an active element with dependence coefficients in temperature different from that of resistance 232.
  • the emitter of transistor 250 is connected to the output terminal 218 and its collector is connected to the resistor 232 via a node 234, connected to input 214 of amplifier 226.
  • the resistor 232 connects node 234 to ground terminal 222.
  • a power source 260 built around four transistors 261, 262, 263, 264 and from a resistor 265, is supplied between the terminal of output 218 and the earth terminal.
  • the current source 260 is connected to the base of the bipolar transistor 250 according to a current mirror type assembly which allows to set a determined base current. This current is fixed to operate transistor 250 under regime saturated.
  • V CE of the transistor is illustrated by parts A and B of FIG. 6, described below.
  • Part A indicates on the ordinate the values of the collector current of the transistor 250, of the voltage divider, expressed in 10 -6 Amps, as a function of the emitter-collector voltage (V EC ) expressed in Volt.
  • curves 301, 302, 303 are represented and correspond respectively to the characteristic of transistor 250 for temperatures from -60 ° C, + 50 ° C and + 160 ° C.
  • the operating points are fixed by the base current of the transistor, so that the operating point 311 at -60 ° C is at the limit of the saturation zone of the transistor 250.
  • the other operating points, corresponding at higher temperatures, are in areas of high saturation of the transistor.
  • Part B of FIG. 6 shows the evolution of the emitter-collector voltage (V EC ) of the transistor 250 as a function of the temperature.
  • the voltage scale of part B is identical to that of part A and the voltages corresponding to operating points 311, 312 and 313 are reported there.
  • Part B of Figure 6 allows you to put highlight the non-linear evolution of the voltage at terminals of transistor 250 as a function of temperature, for a constant current as a first approximation.
  • This correction can be finely adjusted by modifying the values R 1 and R C of the first resistance in the voltage divider and in the reference voltage generator.

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Abstract

The circuit has a component sensitive to low temperature changes in order to control the amplifier final output voltage. The constant voltage generator comprises a reference voltage generator (110) and an amplifier (126) connected between this reference voltage generator and the output terminal. A voltage divider (130) is connected to one input of the amplifier to provide a feedback voltage. The voltage divider comprises at least a first resistance (132) in series with an element (150) whose resistance varies as a function of the prevailing low temperature. The temperature dependence of this resistance value is different from that of the first resistance (132) and thus this provides a feedback which is smaller in the lower part of the temperature range.

Description

DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA

La présente invention concerne un dispositif générateur de tension constante, corrigé à basse température, et plus particulièrement un tel dispositif incluant un générateur de tension de référence de type « band-gap ».The present invention relates to a constant voltage generator device, corrected to low temperature, and more particularly such device including a voltage generator "band-gap" type reference.

On entend par générateur de type « band-bap » un générateur présentant une tension sensiblement linéaire, et en particulier constante avec la température. Un tel générateur met à profit une dépendance en température de la tension existant aux bornes d'une ou de plusieurs jonctions de semiconducteurs. La dénomination « band-gap » provient du fait que cette tension est fonction de la largeur de la bande interdite (band-gap) du ou des semiconducteur (s) .“Band-bap” generator means »A generator with a voltage appreciably linear, and in particular constant with the temperature. Such a generator takes advantage of a temperature dependence of the voltage existing at terminals of one or more junctions of semiconductors. The name “band-gap” comes from the fact that this voltage is a function of the width of the band gap of the semiconductor (s).

Tout comme les générateurs de type « band-gap », le dispositif de l'invention trouve des applications dans les domaines de la microélectronique et de l'électronique intégrée. A titre d'exemple, le dispositif de l'invention peut être utilisé comme générateur de tension de consigne pour un convertisseur analogique-numérique ou pour des systèmes superviseurs de tension d'alimentation et de batteries. Just like band-gap generators ", The device of the invention finds applications in the fields of microelectronics and integrated electronics. For example, the device of the invention can be used as setpoint voltage generator for a converter analog-digital or for supervisory systems supply voltage and batteries.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEUREPRIOR STATE OF THE ART

Les générateurs de tension de référence et en particulier les générateurs de type band-gap ne sont généralement pas en mesure de débiter des courants forts. Aussi, ces générateurs sont-ils souvent associés à un amplificateur, de. façon à former un dispositif capable de fournir un courant plus important à tension constante.Reference voltage generators and in particular, band-gap generators are only generally not able to deliver currents strong. Therefore, these generators are often associated to an amplifier, from. way to form a device capable of supplying greater current at voltage constant.

Un tel dispositif est illustré schématiquement par la figure 1.Such a device is illustrated schematically by Figure 1.

Sur ce schéma, la référence 10 désigne un générateur de tension de référence de type « band-gap ». La description détaillée d'un tel générateur n'est pas donnée ici dans la mesure où de tels générateurs sont bien connus en soi. On peut se reporter à titre d'illustration, par exemple, au document (1), du même inventeur, dont la référence est précisée à la fin de la description.In this diagram, reference 10 designates a band-gap reference voltage generator " The detailed description of such a generator is not given here since such generators are well known per se. We can for illustrative purposes, for example, document (1), from the same inventor, whose reference is specified at the end of the description.

Le générateur de tension de référence 10, est connecté entre une borne de masse 22 et une entrée d'un amplificateur. Dans l'exemple de la figure, l'amplificateur 10 est connecté à une entrée non inverseuse 24+ d'un amplificateur opérationnel 26. Dans la suite du texte, la tension délivrée par le générateur de tension de référence est notée VREF.The reference voltage generator 10 is connected between a ground terminal 22 and an input of an amplifier. In the example in the figure, the amplifier 10 is connected to a non-inverting input 24+ of an operational amplifier 26. In the following text, the voltage delivered by the reference voltage generator is denoted V REF .

La tension délivrée par le dispositif générateur de tension constante complet est disponible en une borne de sortie 28 de l'amplificateur et est notée VOUT. The voltage delivered by the complete constant voltage generator device is available at an output terminal 28 of the amplifier and is denoted V OUT .

Un pont diviseur 30 est formé d'une première résistance 31 de valeur R1 en série avec une deuxième résistance 32 de valeur R2. Il est connecté entre la borne de sortie 18 et la borne de masse 22. Un noeud 34, entre les première et deuxième résistance est reliée à l'entrée non inverseuse 24- de l'amplificateur 26, pour y délivrer la tension divisée en tant que tension de contre réaction (feedback).A divider bridge 30 is formed of a first resistor 31 of value R 1 in series with a second resistor 32 of value R2. It is connected between the output terminal 18 and the ground terminal 22. A node 34, between the first and second resistance is connected to the non-inverting input 24- of the amplifier 26, to deliver the voltage divided therein as that feedback voltage.

La tension de sortie VOUT disponible est telle que : VOUT = VREF. R1 + R2 R2 soit

Figure 00030001
The output voltage V OUT available is such that: V OUT = V REF . R 1 + R 2 R 2 is
Figure 00030001

Le générateur de tension de référence 10 peut être ajusté pour que la tension VREF soit sensiblement constante avec la température dans une gamme de température assez large. Toutefois, on observe que la valeur VREF de la tension de référence présente un défaut de linéarité dû à un terme de deuxième ordre du développement en température, qui se caractérise par un comportement en température dit « en cloche ».The reference voltage generator 10 can be adjusted so that the voltage V REF is substantially constant with the temperature in a fairly wide temperature range. However, it is observed that the value V REF of the reference voltage presents a linearity defect due to a second order term of the development in temperature, which is characterized by a behavior in temperature known as “in bell”.

Ce comportement est illustré par la figure 2 qui indique, en échelle arbitraire, la valeur de la tension VREF, en ordonnée, en fonction de la température, reportée en abscisse.This behavior is illustrated by FIG. 2 which indicates, on an arbitrary scale, the value of the voltage V REF , on the ordinate, as a function of the temperature, plotted on the abscissa.

On peut observer que le comportement en cloche se manifeste notamment par une inflexion négative de la courbe de tension pour des températures faibles. Une telle inflexion se produit aussi pour des températures élevées.We can observe that the behavior in bell manifests itself in particular by an inflection negative of the voltage curve for temperatures weak. Such an inflection also occurs for high temperatures.

La figure 2 indique également la valeur de la tension de sortie VOUT du dispositif complet. Celle-ci reproduit, à une translation près, le comportement en cloche de la tension VREF. Ce comportement de la tension de sortie VOUT peut être expliqué par l'évolution identique avec la température des première et deuxième résistances qui présentent sensiblement les mêmes coefficients de température. En d'autres termes, le rapport R2 / R1 dans l'équation (1) reste constant quelle que soit la température.Figure 2 also shows the value of the output voltage V OUT of the complete device. This reproduces, to within a translation, the bell behavior of the voltage V REF . This behavior of the output voltage V OUT can be explained by the identical evolution with the temperature of the first and second resistors which have substantially the same temperature coefficients. In other words, the ratio R 2 / R 1 in equation (1) remains constant whatever the temperature.

Le défaut de linéarité du deuxième ordre du générateur de tension de référence (VREF) et de la tension de sortie (VOUT) du dispositif générateur de tension complet, est finalement répercutée sur les appareils qui sont équipés d'un tel dispositif, et qui sont susceptibles de fonctionner, non seulement à des températures ambiantes, mais aussi dans une gamme de températures basses.The second order linearity defect of the reference voltage generator (V REF ) and the output voltage (V OUT ) of the complete voltage generator device is ultimately passed on to the devices which are fitted with such a device, and which are likely to operate not only at ambient temperatures, but also in a range of low temperatures.

EXPOSÉ DE L'INVENTIONSTATEMENT OF THE INVENTION

L'invention a pour but de proposer un dispositif générateur de tension pour lequel le défaut de linéarité du deuxième ordre évoqué ci-dessus est corrigé, notamment à basse température.The object of the invention is to provide a voltage generator device for which the fault second order linearity discussed above is corrected, especially at low temperature.

Pour atteindre ce but, l'invention a plus précisément pour objet un dispositif générateur de tension constante, corrigé à basse température, comprenant :

  • un générateur de tension de référence présentant dans une gamme de températures basses un défaut de linéarité du deuxième ordre,
  • un amplificateur connecté entre le générateur de tension de référence et une borne de sortie,
  • un diviseur de tension, connecté à la borne de sortie et relié à une entrée de l'amplificateur pour fournir à l'amplificateur une tension de contre-réaction.
To achieve this object, the invention more specifically relates to a constant voltage generator device, corrected at low temperature, comprising:
  • a reference voltage generator having a second order linearity defect in a range of low temperatures,
  • an amplifier connected between the reference voltage generator and an output terminal,
  • a voltage divider, connected to the output terminal and connected to an input of the amplifier to supply the amplifier with a feedback voltage.

Conformément à l'invention, le diviseur de tension comprend au moins une première résistance en série avec un élément présentant, au moins dans ladite gamme de températures basses, une impédance avec un comportement de dépendance en température différent de celui de la première résistance, de façon à fournir une contre-réaction plus faible dans ladite gamme de températures basses, et une contre-réaction plus forte en dehors de ladite gamme.According to the invention, the divider of voltage includes at least a first resistance in series with an element presenting, at least in said low temperature range, impedance with a temperature dependence behavior different from that of the first resistance, so as to provide a weaker feedback in said range of low temperatures, and stronger feedback outside of said range.

L'élément en série avec la première résistance peut être un élément passif, tel que, par exemple, une deuxième résistance présentant un coefficient de température différent de celui de la première résistance.The element in series with the first resistance can be a passive element, such as, for example, a second resistor having a temperature coefficient different from that of the first resistance.

Selon une autre possibilité, le diviseur de tension peut aussi comporter au moins un élément actif dont la caractéristique avec la température est différent de celui de la résistance.Alternatively, the divisor of voltage can also include at least one active element whose characteristic with temperature is different from that of resistance.

Grâce à ces caractéristiques le diviseur de tension produit une tension de contre-réaction qui varie avec la température et qui permet de corriger partiellement ou totalement le comportement en « cloche » du générateur de référence.Thanks to these characteristics the divider of voltage produces a feedback voltage which varies with temperature and which corrects partially or totally the behavior in "Bell" of the reference generator.

La valeur de la première résistance du diviseur, de même que les caractéristiques du générateur de tension référence peuvent être ajustés de telle façon à obtenir une correction optimale.The value of the first resistance of the divider, as well as the characteristics of the reference voltage generator can be adjusted from so as to obtain an optimal correction.

En particulier, la pente, et donc le terme du premier ordre de dépendance en température de la tension de référence délivrée par le générateur de tension de référence, peuvent être ajustés de telle façon que la tension de référence soit constante avec la température, aux erreurs de linéarité des deuxième et troisième ordres près.In particular, the slope, and therefore the term of the first order of temperature dependence of the reference voltage delivered by the generator reference voltage, can be adjusted in such a way so that the reference voltage is constant with temperature, to the linearity errors of the second and third orders close.

La première résistance du diviseur de tension peut présenter une valeur qui est ajustée en fonction du défaut de deuxième ordre du générateur de tension de référence, de façon à obtenir à la borne de sortie, une tension quasi-constante avec la température (il ne reste que le troisième ordre).The first resistance of the divider of voltage can have a value which is adjusted in second order fault function of the generator reference voltage, so as to obtain at the terminal of output, a voltage almost constant with temperature (only the third order remains).

Selon une réalisation particulière du dispositif, dans lequel l'élément en série avec la première résistance est actif, celui-ci peut comporter un ou plusieurs transistors bipolaires. Le ou les transistors sont alors connectés en série avec la première résistance du diviseur de tension par les bornes de collecteur et d'émetteur. Ils sont par ailleurs polarisés pour fonctionner en régime saturé pour des températures supérieures ou égales aux températures de la gamme de température basse.According to a particular embodiment of the device, in which the element in series with the first resistance is active, this may include one or more bipolar transistors. The transistors are then connected in series with the first resistance of the voltage divider by the collector and transmitter terminals. They are by elsewhere polarized to operate in saturated mode for temperatures greater than or equal to temperatures in the low temperature range.

Bien que l'élément actif puisse comporter plusieurs transistors en chaíne ou en parallèle, la description qui suit se réfère, pour des raisons de simplification, à un seul de ces transistors.Although the active element may include several transistors in chain or in parallel, the description which follows refers, for reasons of simplification, to only one of these transistors.

Le caractère non-linéaire en température du transistor bipolaire, mis à profit dans le cas de la réalisation évoquée ci-dessus, tient au fait qu'un transistor bipolaire alimenté à courant de collecteur constant présente une saturation plus forte lorsque sa température de fonctionnement est plus grande.The non-linear temperature character of the bipolar transistor, used in the case of achievement mentioned above, is due to the fact that a bipolar transistor supplied with collector current constant exhibits higher saturation when its operating temperature is higher.

Idéalement, le transistor peut être polarisé de façon à se trouver à la limite du régime de saturation dans la gamme de températures basses, et de façon à être fortement saturé lorsque la température est supérieure à la gamme de températures basses.Ideally, the transistor can be polarized so as to be at the limit of the regime of saturation in the low temperature range, and so as to be highly saturated when the temperature is above the low temperature range.

La gamme de températures basses considérée est, par exemple, comprise entre -60°C et +25°C. D'autres gammes de températures peuvent être prises en compte en modifiant de façon correspondante la polarisation du transistor.The range of low temperatures considered is, for example, between -60 ° C and + 25 ° C. Other temperature ranges can be taken into account by correspondingly modifying the transistor bias.

La polarisation du transistor bipolaire peut faire appel, par exemple, à une source de courant, qui est connectée à sa base et qui fixe son point de fonctionnement.The polarization of the bipolar transistor can use, for example, a power source, which is connected to its base and which fixes its point of operation.

Lorsque plusieurs transistors sont utilisés comme élément non-linéaire, les bases de l'ensemble de ces transistors peuvent être pilotées par la source de courant.When multiple transistors are used as a non-linear element, the basics of the set of these transistors can be controlled by the source of current.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Other features and benefits of the invention will emerge from the description which goes follow with reference to the figures in the accompanying drawings. This description is given purely illustrative and not limiting.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique simplifiée d'un dispositif générateur de tension de type connu.Figure 1, already described, is a simplified schematic representation of a device known type voltage generator.

La figure 2, déjà décrite, est un graphique indiquant en échelle arbitraire, l'évolution de la tension délivrée par un générateur de tension de référence et par le dispositif complet de la figure 1, en fonction de la température.Figure 2, already described, is a graph indicating in arbitrary scale, the evolution of the voltage delivered by a voltage generator reference and by the complete device of FIG. 1, depending on the temperature.

La figure 3 est une représentation schématique amplifiée d'un dispositif générateur de tension conforme à l'invention.Figure 3 is a representation amplified schematic of a generator device voltage according to the invention.

La figure 4 est un graphique indiquant, en échelle arbitraire, l'évolution de la tension délivrée par le dispositif de la figure 3.Figure 4 is a graph showing, in arbitrary scale, the evolution of the voltage delivered by the device of figure 3.

La figure 5 est une représentation schématique simplifiée d'une réalisation particulière du dispositif de l'invention.Figure 5 is a representation simplified diagram of a particular embodiment of the device of the invention.

La partie A de figure 6 est un graphique indiquant, pour différentes températures, les caractéristiques du courant de collecteur en fonction d'une tension émetteur-collecteur d'un transistor bipolaire utilisé dans le dispositif de la figure 5.Part A of Figure 6 is a graph indicating, for different temperatures, the characteristics of the collector current as a function of an emitter-collector voltage of a transistor bipolar used in the device of figure 5.

La partie B de la figure 6 est un graphique indiquant les variations de la tension émetteur-collecteur du transistor bipolaire de la figure 5, en fonction de sa température de fonctionnement. Part B of Figure 6 is a graph indicating variations in emitter-collector voltage of the bipolar transistor of FIG. 5, in depending on its operating temperature.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS

La figure 3 montre de façon simplifiée les principaux éléments d'un dispositif générateur de tension constante conforme à l'invention.Figure 3 shows in a simplified way the main elements of a generator device constant voltage according to the invention.

Sur cette figure, des parties identiques, similaires ou équivalentes à celles de la figure 1 portent les mêmes références auxquelles on a ajouté 100.In this figure, identical parts, similar or equivalent to those in figure 1 bear the same references to which we have added 100.

La description détaillée de ces parties n'est pas reprise ici, mais il est possible de se reporter à la description qui précède en relation avec la figure 1.The detailed description of these parts is not included here, but it is possible to refer to the above description in relation to Figure 1.

On peut observer que le pont diviseur 130 comporte toujours une première résistance 132 qui relie la borne de masse 122 à l'entrée inverseuse 124 de l'amplificateur 126. La première résistance est cependant reliée en un noeud 134 à un élément 150 ; en série entre la borne de sortie 128 et la borne de masse 122. Conformément à l'invention, l'élément 150 présente une impédance avec un comportement de dépendance en température différent de celui de la première résistance.We can observe that the divider bridge 130 always includes a first resistor 132 which connects the earth terminal 122 at the inverting input 124 of amplifier 126. The first resistance is however connected in a node 134 to an element 150; in series between output terminal 128 and ground terminal 122. In accordance with the invention, the element 150 has an impedance with a dependency behavior in temperature different from that of the first resistance.

Dans la suite du texte l'impédance de l'élément 150 est notée RX et la tension à ses bornes est notée VX.In the following text, the impedance of the element 150 is denoted R X and the voltage across its terminals is denoted V X.

En considérant que l'amplificateur 126 est un amplificateur opérationnel idéal, on peut noter : VOUT = VREF + VX soit

Figure 00100001
Considering that the amplifier 126 is an ideal operational amplifier, we can note: V OUT = V REF + V X is
Figure 00100001

Cette expression est à rapprocher de l'équation (1) donnée en référence à la figure 1.This expression should be compared to equation (1) given with reference to Figure 1.

Toutefois, il convient de noter que, contrairement au rapport R2 / R1 de l'équation (1), qui reste constant, le rapport RX / R1 varie avec la température en raison de la différence des comportements de dépendance en température.However, it should be noted that, unlike the ratio R 2 / R 1 of equation (1), which remains constant, the ratio R X / R 1 varies with temperature due to the difference in temperature dependence behaviors .

En particulier la valeur RX diminue moins rapidement que la valeur R1 lorsque la température décroít. La tension VX, apportée par les éléments RX et R1 de contre réaction tend ainsi à diminuer moins rapidement lorsque la température décroít, et en particulier dans une gamme de températures basses, comme cela apparaítra plus loin dans la description.In particular, the value R X decreases less quickly than the value R 1 when the temperature decreases. The voltage V X , provided by the elements R X and R 1 against feedback thus tends to decrease less rapidly when the temperature decreases, and in particular in a range of low temperatures, as will appear later in the description.

Cette contribution de la contre réaction dans le comportement en température permet de compenser au moins en partie le défaut de linéarité du générateur de tension de référence 110. La compensation peut être ajustée en fonction du générateur de référence 110, notamment en modifiant la valeur R1 de la première résistance 132. La tension de référence VREF (élément 110) développée en température, présente un terme du premier ordre et un terme du deuxième ordre. Il en va de même pour la tension VX en raison du rapport RX/R1. En agissant sur R1, il est possible de modifier les coefficients du premier et du deuxième ordres (ensembles) de VX de façon à compenser, voire annuler, le terme du deuxième ordre de VREF. (En agissant sur la résistance ajustable 215 de la figure 5 décrite ultérieurement, il est possible d'agir seulement sur le premier ordre de VREF pour compenser le premier ordre trouvé de VX).This contribution of the feedback in the temperature behavior makes it possible to compensate at least in part for the linearity defect of the reference voltage generator 110. The compensation can be adjusted as a function of the reference generator 110, in particular by modifying the value R 1 of the first resistor 132. The reference voltage VREF (element 110) developed in temperature, has a first order term and a second order term. The same applies to the voltage V X due to the ratio R X / R 1 . By acting on R 1 , it is possible to modify the coefficients of the first and second orders (sets) of V X so as to compensate for, or even cancel, the second order term of V REF . (By acting on the adjustable resistor 215 of FIG. 5 described later, it is possible to act only on the first order of V REF to compensate for the first order found of V X ).

La figure 4 indique en échelle arbitraire, et en fonction de la température, la tension de sortie VOUT délivrée par le dispositif de la figure 3 en sa borne de sortie 128. La tension de sortie est indiquée par un trait plein.Figure 4 indicates in arbitrary scale, and depending on the temperature, the output voltage V OUT delivered by the device of Figure 3 at its output terminal 128. The output voltage is indicated by a solid line.

A titre de comparaison, la tension de sortie délivrée par un dispositif conforme à la figure 1 est reportée en trait discontinu.For comparison, the voltage of output delivered by a device according to the figure 1 is shown in broken lines.

On constate que le dispositif de l'invention permet de maintenir une tension sensiblement constante dans une gamme de températures basses, en corrigeant, pour ces températures, le comportement « en cloche », mis en évidence à la figure 2.It can be seen that the the invention makes it possible to maintain a tension substantially constant over a range of temperatures low, by correcting, for these temperatures, the “bell-shaped” behavior, highlighted in the figure 2.

Selon un exemple chiffré, des variations de la tension VOUT pour une excursion de température entre -40°C et 85°C est de l'ordre de 3 mV avec un dispositif de l'art antérieur conforme à la figure 1. Cette variation de VOUT peut être limitée à 1,5 mV avec le dispositif de l'invention conforme à la figure 3, pour la même valeur nominale de la tension de sortie.According to a numerical example, variations in the voltage V OUT for a temperature excursion between -40 ° C and 85 ° C is of the order of 3 mV with a device of the prior art conforming to FIG. 1. This variation of V OUT can be limited to 1.5 mV with the device of the invention according to FIG. 3, for the same nominal value of the output voltage.

La figure 5 décrite ci-après correspond à une réalisation particulière du dispositif de la figure 3, dans lequel un élément non-linéaire est formé pour l'essentiel par un transistor bipolaire de type pnp. Figure 5 described below corresponds to a particular embodiment of the device of the figure 3, in which a non-linear element is formed for essentially by a bipolar pnp transistor.

Sur cette figure, des éléments équivalents à ceux de la figure 3 portent les mêmes références auxquelles on a encore ajouté 100.In this figure, equivalent elements to those of figure 3 bear the same references to which we have added another 100.

L'amplificateur 226 est simplement indiqué avec un transistor 227 qui en forme l'étage de sortie.The amplifier 226 is simply indicated with a transistor 227 which forms the output stage thereof.

L'étage d'entrée de l'amplificateur est formé par un transistor d'entrée 211 qui est commun à l'amplification et à un générateur de tension de référence 210.The amplifier input stage is formed by an input transistor 211 which is common to amplification and a voltage generator of reference 210.

Le générateur de tension de référence comporte un générateur de tension 212 délivrant une tension notée ΔVBE, et aux bornes duquel est connectée une première résistance 213, dite de référence, et ayant une valeur RB.The reference voltage generator comprises a voltage generator 212 delivering a voltage denoted ΔV BE , and at the terminals of which is connected a first resistor 213, called the reference, and having a value R B.

Le générateur de tension 212 n'est pas décrit ici de façon détaillée dès lors que sa structure est en elle-même connue dans l'état de la technique. On peut se référer, par exemple, au document (1) évoqué dans la partie introductive de la description.The voltage generator 212 is not described here in detail since its structure is in itself known in the state of the art. We can refer, for example, to the document (1) mentioned in the introductory part of the description.

Le générateur 212 et la première résistance de référence 213 sont en série avec une deuxième résistance de référence 214, de valeur RA et une résistance ajustable 215 de valeur RC. Les résistances sont connectées entre l'émetteur du transistor d'entrée 211 et la borne de masse 222.The generator 212 and the first reference resistance 213 are in series with a second reference resistance 214, of value R A and an adjustable resistance 215 of value R C. The resistors are connected between the emitter of the input transistor 211 and the ground terminal 222.

L'ensemble formé par le générateur de tension 212, les résistances 213, 214, 215 et le transistor 211 forment un générateur de type "band-gap". The assembly formed by the generator voltage 212, resistors 213, 214, 215 and the transistor 211 form a generator of "band-gap" type.

La tension de référence VREF délivrée par le générateur de tension de référence 210 est donc telle que : VREF = VBE211 + ΔVBE. RA + RB + RC RB . The reference voltage V REF delivered by the reference voltage generator 210 is therefore such that: V REF = V BE211 + ΔV BE . R AT + R B + R VS R B .

Dans cette expression VBE211 est la tension base-émetteur du transistor d'entrée 211.In this expression V BE211 is the base-emitter voltage of the input transistor 211.

La tension VREF est donc entièrement définie par la polarisation du transistor d'entrée 211 qui dépend des valeurs de ΔVBE, RA, RB et RC.The voltage V REF is therefore entirely defined by the polarization of the input transistor 211 which depends on the values of ΔV BE , R A , R B and R C.

Le comportement en température de VREF peut être modifié en ajustant la valeur RC de la résistance ajustable 215. Le comportement est sensiblement linéaire, aux défauts de linéarité près (« en cloche »).The behavior in temperature of V REF can be modified by adjusting the value R C of the adjustable resistor 215. The behavior is appreciably linear, except for linearity faults (“in bell”).

La référence 229 désigne de façon générale une boucle de contre-réaction qui relie la borne de sortie 218 de l'amplificateur 226 à une borne d'entrée 214 constituée par la base du transistor d'entrée 211.Reference 229 generally designates a feedback loop which connects the terminal of output 218 of amplifier 226 to an input terminal 214 formed by the base of the input transistor 211.

La boucle de contre-réaction 229 comprend un diviseur de tension 230 avec une résistance 232 en série avec un transistor bipolaire 250 qui constitue ici un élément actif à coefficients de dépendance en température différents de ceux de la résistance 232.The feedback loop 229 includes a voltage divider 230 with a resistor 232 in series with a bipolar transistor 250 which constitutes here an active element with dependence coefficients in temperature different from that of resistance 232.

L'émetteur du transistor 250 est relié à la borne de sortie 218 et son collecteur est relié à la résistance 232 par l'intermédiaire d'un noeud 234, connecté à l'entrée 214 de l'amplificateur 226. La résistance 232 relie le noeud 234 à la borne de masse 222. The emitter of transistor 250 is connected to the output terminal 218 and its collector is connected to the resistor 232 via a node 234, connected to input 214 of amplifier 226. The resistor 232 connects node 234 to ground terminal 222.

En agissant sur la valeur de Rc et sur la valeur de la résistance 232, il est possible de compenser, c'est-à-dire sensiblement annuler les premier et deuxième termes d'un développement en température de la tension de sortie VOUT.By acting on the value of Rc and on the value of the resistor 232, it is possible to compensate, that is to say substantially cancel the first and second terms of a development in temperature of the output voltage V OUT .

Une source de courant 260, construite autour de quatre transistors 261, 262, 263, 264 et d'une résistance 265, est alimentée entre la borne de sortie 218 et la borne de masse. La source de courant 260 est connectée à la base du transistor bipolaire 250 selon un montage de type miroir de courant qui permet de fixer un courant de base déterminé. Ce courant est fixé pour faire fonctionner le transistor 250 en régime saturé.A power source 260, built around four transistors 261, 262, 263, 264 and from a resistor 265, is supplied between the terminal of output 218 and the earth terminal. The current source 260 is connected to the base of the bipolar transistor 250 according to a current mirror type assembly which allows to set a determined base current. This current is fixed to operate transistor 250 under regime saturated.

Le caractère non-linéaire de la tension VCE du transistor est illustré par les parties A et B de la figure 6, décrites ci-après.The non-linear nature of the voltage V CE of the transistor is illustrated by parts A and B of FIG. 6, described below.

La partie A indique en ordonnée les valeurs du courant de collecteur du transistor 250, du diviseur de tension, exprimé en 10-6 Ampère, en fonction de la tension émetteur-collecteur (VEC) exprimée en Volt.Part A indicates on the ordinate the values of the collector current of the transistor 250, of the voltage divider, expressed in 10 -6 Amps, as a function of the emitter-collector voltage (V EC ) expressed in Volt.

Trois courbes 301, 302, 303 sont représentées et correspondent respectivement à la caractéristique du transistor 250 pour des températures de -60°C, +50°C et +160°C.Three curves 301, 302, 303 are represented and correspond respectively to the characteristic of transistor 250 for temperatures from -60 ° C, + 50 ° C and + 160 ° C.

Trois points de fonctionnement 311, 312 et 313 sont considérés pour un courant IC fixé par la source de courant. On constate que le courant IC n'est pas rigoureusement identique pour les différentes températures. Ses variations sont cependant suffisamment faibles et linéaires pour pouvoir être négligées en première approximation.Three operating points 311, 312 and 313 are considered for a current I C fixed by the current source. It can be seen that the current I C is not strictly identical for the different temperatures. Its variations are however sufficiently small and linear to be able to be neglected as a first approximation.

Les points de fonctionnement sont fixés par le courant de base du transistor, de telle façon que le point de fonctionnement 311 à une température de -60°C est à la limite de la zone de saturation du transistor 250. Les autres points de fonctionnement, correspondant à des températures plus élevées, sont dans des zones de forte saturation du transistor.The operating points are fixed by the base current of the transistor, so that the operating point 311 at -60 ° C is at the limit of the saturation zone of the transistor 250. The other operating points, corresponding at higher temperatures, are in areas of high saturation of the transistor.

La partie B de la figure 6 montre l'évolution de la tension émetteur-collecteur (VEC) du transistor 250 en fonction de la température. L'échelle des tensions de la partie B est identique à celle de la partie A et les tensions correspondant aux points de fonctionnement 311, 312 et 313 y sont reportés.Part B of FIG. 6 shows the evolution of the emitter-collector voltage (V EC ) of the transistor 250 as a function of the temperature. The voltage scale of part B is identical to that of part A and the voltages corresponding to operating points 311, 312 and 313 are reported there.

La partie B de la figure 6 permet de mettre en évidence l'évolution non-linéaire de la tension aux bornes du transistor 250 en fonction de la température, pour un courant constant en première approximation.Part B of Figure 6 allows you to put highlight the non-linear evolution of the voltage at terminals of transistor 250 as a function of temperature, for a constant current as a first approximation.

Cette évolution non-linéaire est mise à profit, grâce à l'invention pour corriger le défaut de linéarité du second ordre (c'est-à-dire le deuxième ordre du développement en température) du générateur de tension de référence 210.This non-linear evolution is updated. profit, thanks to the invention to correct the defect of second order linearity (i.e. second order of development in temperature) of the generator reference voltage 210.

Cette correction peut être ajustée finement en modifiant les valeurs R1 et RC de la première résistance dans le diviseur de tension et dans le générateur de tension de référence. This correction can be finely adjusted by modifying the values R 1 and R C of the first resistance in the voltage divider and in the reference voltage generator.

Document cité :
   (1) FR-A-2 767 207 Document cited:
(1) FR-A-2 767 207

Claims (8)

Dispositif générateur de tension corrigé à basse température comprenant : un générateur de tension de référence (110, 210) présentant dans une gamme de températures basses un défaut de linéarité, un amplificateur (126, 226) connecté entre le générateur de tension de référence et une borne de sortie (128, 228), un diviseur de tension (130, 230), connecté à la borne de sortie et relié à une entrée de l'amplificateur pour fournir à l'amplificateur une tension de contre-réaction, caractérisé en ce que le diviseur comprend au moins une première résistance (132, 232) en série avec un élément (150, 250) présentant, au moins dans ladite gamme de températures basses, une impédance avec un comportement de dépendance en température différent de celui de ladite première résistance de façon à fournir une contre-réaction plus faible dans ladite gamme de températures basses.Voltage generator device corrected at low temperature comprising: a reference voltage generator (110, 210) having a linearity defect in a range of low temperatures, an amplifier (126, 226) connected between the reference voltage generator and an output terminal (128, 228), a voltage divider (130, 230), connected to the output terminal and connected to an input of the amplifier to supply the amplifier with a feedback voltage, characterized in that the divider comprises at least a first resistor (132, 232) in series with an element (150, 250) having, at least in said low temperature range, an impedance with a temperature dependence behavior different from that of said first resistor so as to provide a weaker feedback in said low temperature range. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit élément (150) est une deuxième résistance avec un coefficient de température différent de celui de la première résistance.Device according to claim 1, wherein said element (150) is a second resistance with a different temperature coefficient of that of the first resistance. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit élément (250) présente au moins dans la gamme de températures basses un comportement en tension non-linéaire avec la température.Device according to claim 1, wherein said element (250) has at least in the range of low temperatures a behavior in non-linear voltage with temperature. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la première résistance (132, 232) du diviseur de tension présente une valeur ajustée en fonction du défaut de linéarité du générateur de tension de référence (110, 210), de façon à obtenir à la borne de sortie une tension sensiblement linéaire avec la température.Device according to claim 1, in which the first resistance (132, 232) of the voltage divider has an adjusted value in function of the linearity fault of the generator reference voltage (110, 210), so as to obtain the output terminal a substantially linear voltage with the temperature. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le générateur (210) de type « band-gap » est ajusté pour délivrer une tension sensiblement linéaire avec la température.Device according to claim 4, in which the generator (210) of the “band-gap” type is adjusted to deliver a voltage substantially linear with temperature. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel l'élément actif (250) comprend au moins un transistor bipolaire connecté en série avec la première résistance du diviseur de tension par ses bornes de collecteur et d'émetteur, le transistor étant polarisé pour fonctionner en régime saturé pour des températures supérieures ou égales aux températures de la gamme de température basse.Device according to claim 3, wherein the active element (250) comprises at least one bipolar transistor connected in series with the first resistance of the voltage divider by its terminals collector and emitter, the transistor being polarized to operate in saturated mode for temperatures greater than or equal to temperatures in the range of low temperature. Dispositif selon la revendication 6, comprenant une source de courant (260), connectée à la base du transistor bipolaire pour fixer un point de fonctionnement du transistor.Device according to claim 6, comprising a current source (260), connected to the base of the bipolar transistor to fix a point of operation of the transistor. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la gamme de températures basses est comprise entre -60°C et +25°C.Device according to claim 1 in which the low temperature range is included between -60 ° C and + 25 ° C.
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