EP1102148B1 - Low temperature corrected voltage generating device - Google Patents

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Publication number
EP1102148B1
EP1102148B1 EP00403128A EP00403128A EP1102148B1 EP 1102148 B1 EP1102148 B1 EP 1102148B1 EP 00403128 A EP00403128 A EP 00403128A EP 00403128 A EP00403128 A EP 00403128A EP 1102148 B1 EP1102148 B1 EP 1102148B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
resistor
low temperature
generator
transistor
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00403128A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP1102148A1 (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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics SA filed Critical STMicroelectronics SA
Publication of EP1102148A1 publication Critical patent/EP1102148A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP1102148B1 publication Critical patent/EP1102148B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

  • a “band gap” generator is illustrated by US 5,291,122. It includes in series with a transistor Q1 whose collector is connected to an input of an amplifier 2 and whose base is connected to the output 4 of the amplifier, a set of resistors with resistance R2 down temperature coefficient connected in series with a parallel assembly having a low resistance R4 temperature coefficient and a resistance R3 to high temperature coefficient. Another transistor Q2 has the same editing except that it is connected to the other input of amplifier 2.
  • 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 has a linearity defect due to a second-order term of development in temperature, which is characterized by a temperature behavior called "bell".
  • the object of the invention is to propose a voltage generator device for which the fault linearity of the second order mentioned above is corrected, especially at low temperatures.
  • the serial element with the first resistance may be a passive element, such as example, a second resistor presenting a temperature coefficient different from that of the first resistance.
  • the divisor of voltage may also include at least one active element whose characteristic with the temperature is different from that of resistance.
  • the divider of voltage produces a feedback voltage that varies with the temperature and which allows to correct partially or totally the behavior in "Bell" of the reference generator.
  • the value of the first resistance of the divisor, as well as the characteristics of the reference voltage generator can be adjusted from such as to obtain an optimal correction.
  • the first resistance of the divider voltage can present a value that is adjusted in function of the second-order fault of the generator of reference voltage, so as to obtain at the terminal of output, a quasi-constant voltage with the 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 have several transistors in chain or in parallel, the following description 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 bipolar transistor fed to collector current constant has a 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 way to be highly saturated when the temperature is above the low temperature range.
  • 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 3 shows in a simplified way the main elements of a device generating constant voltage according to the invention.
  • the divider bridge 130 always has a first resistor 132 that connects the ground terminal 122 to the inverting input 124 of the amplifier 126.
  • the first resistance is however connected in a node 134 to an element 150; in series between the output terminal 128 and the ground terminal 122.
  • the element 150 presents an impedance with an addictive behavior in temperature different from that of the first resistance.
  • the impedance of the element 150 is denoted R X and the voltage at its terminals is denoted V X.
  • V OUT V REF + V X is
  • the value R X decreases less rapidly than the value R 1 when the temperature decreases.
  • the voltage V X provided by the elements R X and R 1 against reaction tends to decrease less rapidly when the temperature decreases, and in particular in a low temperature range, as will appear later in the description.
  • FIG. 4 indicates in arbitrary scale, and as a function of temperature, the output voltage V OUT delivered by the device of FIG. 3 at its output terminal 128.
  • the output voltage is indicated by a solid line.
  • variations of 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 according to FIG.
  • V OUT can be limited to 1.5 mV with the device of the invention according to Figure 3, for the same nominal value of the output voltage.
  • Amplifier 226 is simply indicated with a transistor 227 which forms the output stage.
  • the input stage of the amplifier is formed by an input transistor 211 which is common to amplification and to a voltage generator of reference 210.
  • the reference voltage generator comprises a voltage generator 212 delivering a voltage denoted ⁇ V BE , and across which is connected a first resistor 213, referred to as 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) referred to in the introductory part of the description.
  • the generator 212 and the first reference resistor 213 are in series with a second reference resistor 214, of value R A and an adjustable resistor 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 of voltage 212, the resistors 213, 214, 215 and the transistor 211 form a band-gap generator.
  • 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 bias of the input transistor 211 which depends on the values of ⁇ V BE , R A , R B and R C.
  • the temperature behavior of V REF can be modified by adjusting the R C value of the adjustable resistor 215.
  • the behavior is substantially linear, with linearity defects close ("bell").
  • Reference 229 generally refers to a feedback loop that connects the terminal of output 218 of the amplifier 226 to an input terminal 224 constituted 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 different from those of resistance 232.
  • the emitter of the transistor 250 is connected to the output terminal 218 and its collector is connected to the resistor 232 via a node 234, connected to the input 224 of the amplifier 226.
  • the resistor 232 connects node 234 to the ground terminal 222.
  • a current source 260 built around four transistors 261, 262, 263, 264 and of a resistor 265, is powered between the terminal of output 218 and the ground terminal.
  • the power source 260 is connected to the base of the bipolar transistor 250 according to a current mirror type mounting which allows to set a determined base current. This current is set to run the transistor 250 in regime saturated.
  • V CE of the transistor is illustrated by the parts A and B of FIG. 6, described hereinafter.
  • Part A indicates on the ordinate the values of the collector current of the transistor 250, the voltage divider, expressed in 10 -6 amps, as a function of the emitter-collector voltage (V EC ) expressed in volts.
  • curves 301, 302, 303 are represented and correspond respectively to the characteristic of transistor 250 for temperatures of -60 ° C, + 50 ° C and + 160 ° C.
  • Operating points are set by the basic current of the transistor, so that the operating point 311 at a temperature of -60 ° C is at the limit of the saturation zone of the transistor 250. 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 transistor 250 as a function of temperature.
  • the scale of the voltages of the part B is identical to that of the part A and the voltages corresponding to the points of operation 311, 312 and 313 are reported there.
  • Part B of Figure 6 allows to put highlight the non-linear evolution of the voltage at terminals of transistor 250 as a function of temperature, for a constant current in first approximation.
  • This non-linear evolution is set profit, thanks to the invention to correct the defect of second-order linearity (that is, the second order of development in temperature) of the generator of reference voltage 210.
  • This correction can be finely adjusted by modifying the values R 1 and R C of the first resistor in the voltage divider and in the reference voltage generator.

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" type generator »A generator having a voltage substantially linear, and in particular constant with the temperature. Such a generator takes advantage of a temperature dependence of the existing voltage at bounds of one or more junctions of semiconductors. The name band-gap comes from because this voltage is a function of the width of the band-gap of the semiconductor (s).

Un générateur de type « band gap » est illustré par le document US 5 291 122. Il inclut en série avec un transistor Q1 dont le collecteur est relié à une entrée d'un amplificateur 2 et dont la base est reliée à la sortie 4 de l'amplificateur, un ensemble de résistances avec une résistance R2 a bas coefficient de température montée en série avec un ensemble parallèle ayant une résistance R4 à bas coefficient de température et une résistance R3 à haut coefficient de température. Un autre transistor Q2 possède le même montage à l'exception du fait qu'il est relié à l'autre entrée de l'amplificateur 2.A "band gap" generator is illustrated by US 5,291,122. It includes in series with a transistor Q1 whose collector is connected to an input of an amplifier 2 and whose base is connected to the output 4 of the amplifier, a set of resistors with resistance R2 down temperature coefficient connected in series with a parallel assembly having a low resistance R4 temperature coefficient and a resistance R3 to high temperature coefficient. Another transistor Q2 has the same editing except that it is connected to the other input of amplifier 2.

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 ANTÉRIEURESTATE OF THE PRIOR 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 not usually not able to charge currents strong. Also, are these generators often associated to an amplifier, from. way to form a device able to provide a higher voltage current constant.

Un tel dispositif est illustré schématiquement par la figure 1.Such a device is illustrated schematically in 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 scheme, reference 10 designates a reference voltage generator of the "band-gap" type ". The detailed description of such a generator is not given here to the extent that such generators are well known per se. We can for illustrative purposes, for example, at document (1), of 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, le générateur 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 of the figure, the generator 10 is connected to a non-inverting input 24 + of an operational amplifier 26. In the rest of the text, the voltage delivered by the reference voltage generator is denoted by 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 generating 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 28 et la borne de masse 22. Un noeud 34, entre les première et deuxième résistance est reliée à l'entrée 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 R 2 . It is connected between the output terminal 28 and the ground terminal 22. A node 34, between the first and second resistor is connected to the inverting input 24 of the amplifier 26, to deliver the divided voltage therein. feedback voltage.

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

Figure 00040001
The output voltage V OUT available is such that: V OUT = V REF . R 1 + R 2 R 2 is
Figure 00040001

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 has a linearity defect due to a second-order term of development in temperature, which is characterized by a temperature behavior called "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 in FIG. 2 which indicates, on an arbitrary scale, the value of the voltage V REF , in 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.It can be observed that the behavior in bell is manifested in particular by an inflection negative of the voltage curve for temperatures low. 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, with 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 lack of linearity of the second order of the reference voltage generator (V REF ) and the output voltage (V OUT ) of the complete voltage generator device is finally passed on to the devices which are equipped with such a device, and which are likely to operate, not only at ambient temperatures, but also in a low temperature range.

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 propose a voltage generator device for which the fault linearity of the second order mentioned above is corrected, especially at low temperatures.

Pour atteindre ce but, l'invention a plus précisément pour objet un dispositif générateur de tension constante, corrigé à basse température tel que défini dans la revendication 1 - Il comprend:

  • 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 precisely relates to a constant voltage corrected generator device at low temperature as defined in claim 1 - It comprises:
  • a reference voltage generator presenting in a low temperature range a second order linearity defect,
  • 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 for supplying the amplifier with a feedback voltage.

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.The divisor of voltage comprises at least a first resistance in series with an element exhibiting, at least in the range of low temperatures, an impedance with a temperature dependence behavior different from that of the first resistance, so as to provide a lower feedback in said range of low temperatures, and a stronger feedback outside 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 serial element with the first resistance may be a passive element, such as example, a second resistor presenting 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 may also include at least one active element whose characteristic with the 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 that varies with the temperature and which allows to correct 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 divisor, as well as the characteristics of the reference voltage generator can be adjusted from such 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 of reference voltage, can be adjusted to such way that the reference voltage is constant with temperature, 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 voltage can present a value that is adjusted in function of the second-order fault of the generator of reference voltage, so as to obtain at the terminal of output, a quasi-constant voltage with the 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 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 have several transistors in chain or in parallel, the following description 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, put to use in the case of the realization mentioned above, is due to the fact that bipolar transistor fed to collector current constant has a 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 way 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 low temperature range considered is, for example, between -60 ° C and + 25 ° C. Other temperature ranges can be taken in account by correspondingly modifying the polarization of the transistor.

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 driven 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. Other features and benefits of the invention will emerge from the description which will follow with reference to the figures of the accompanying drawings. This description is given purely illustrative.

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 voltage generator of known type.
  • 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 on an arbitrary scale, the evolution of voltage delivered by a voltage generator reference and by the complete device of FIG. 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 schematic diagram of a device generating 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 schematic of a particular achievement 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 depending a transmitter-collector voltage of a transistor bipolar used in the device of FIG.
  • 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 the variations of the emitter-collector voltage of the bipolar transistor of FIG. 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 device generating 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 have 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 repeated 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.It can be seen that the divider bridge 130 always has a first resistor 132 that connects the ground terminal 122 to the inverting input 124 of the amplifier 126. The first resistance is however connected in a node 134 to an element 150; in series between the output terminal 128 and the ground terminal 122. In accordance with the invention, the element 150 presents an impedance with an addictive 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 rest of the text the impedance of the element 150 is denoted R X and the voltage at 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 00110001
    Considering that the amplifier 126 is an ideal operational amplifier, we can note: V OUT = V REF + V X is
    Figure 00110001

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

    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, contrary to the ratio R 2 / R 1 of equation (1), which remains constant, the ratio R X / R 1 varies with temperature because of 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 rapidly than the value R 1 when the temperature decreases. The voltage V X , provided by the elements R X and R 1 against reaction tends to decrease less rapidly when the temperature decreases, and in particular in a low temperature range, 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 counter-reaction 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 V REF (element 110) developed in temperature has a first order term and a second order term. The same is true for the voltage V X because of 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 or cancel the term of the second order 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 found order 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.FIG. 4 indicates in arbitrary scale, and as a function of temperature, the output voltage V OUT delivered by the device of FIG. 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 reported 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 device for the invention makes it possible to maintain a voltage substantially constant in a temperature range low, 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 of 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 according to FIG. V OUT can be limited to 1.5 mV with the device of the invention according to Figure 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 pnp type bipolar 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 in Figure 3 have the same references to which we added another 100.

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

    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 input stage of the amplifier is formed by an input transistor 211 which is common to amplification and to 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 across which is connected a first resistor 213, referred to as 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) referred to 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 resistor 213 are in series with a second reference resistor 214, of value R A and an adjustable resistor 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 of voltage 212, the resistors 213, 214, 215 and the transistor 211 form a band-gap generator.

    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 bias 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 temperature behavior of V REF can be modified by adjusting the R C value of the adjustable resistor 215. The behavior is substantially linear, with linearity defects close ("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 224 constituée par la base du transistor d'entrée 211.Reference 229 generally refers to a feedback loop that connects the terminal of output 218 of the amplifier 226 to an input terminal 224 constituted 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 different from those 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 224 de l'amplificateur 226. La résistance 232 relie le noeud 234 à la borne de masse 222. The emitter of the transistor 250 is connected to the output terminal 218 and its collector is connected to the resistor 232 via a node 234, connected to the input 224 of the amplifier 226. The resistor 232 connects node 234 to the 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 current source 260, built around four transistors 261, 262, 263, 264 and of a resistor 265, is powered between the terminal of output 218 and the ground terminal. The power source 260 is connected to the base of the bipolar transistor 250 according to a current mirror type mounting which allows to set a determined base current. This current is set to run the transistor 250 in 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 the parts A and B of FIG. 6, described hereinafter.

    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, the voltage divider, expressed in 10 -6 amps, as a function of the emitter-collector voltage (V EC ) expressed in volts.

    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 of -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 is noted that the current I C is not strictly identical for the different temperatures. Its variations are however sufficiently weak and linear to be neglected in 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.Operating points are set by the basic current of the transistor, so that the operating point 311 at a temperature of -60 ° C is at the limit of the saturation zone of the transistor 250. 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 transistor 250 as a function of temperature. The scale of the voltages of the part B is identical to that of the part A and the voltages corresponding to the points of operation 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 to put highlight the non-linear evolution of the voltage at terminals of transistor 250 as a function of temperature, for a constant current in 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 set profit, thanks to the invention to correct the defect of second-order linearity (that is, the second order of development in temperature) of the generator of 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 resistor in the voltage divider and in the reference voltage generator.

    Document cité :Document cited:

  • (1) FR-A-2 767 207 (1) FR-A-2,767,207

    • Claims (7)

    1. Voltage generator device corrected in a low temperature range between -60°C and +25°C comprising:
      a reference voltage generator (110, 210) having a linearity error in a low temperature range,
      an amplifier (126, 226) connected between the reference voltage generator and an output terminal (128, 228),
      a voltage divider (130, 230), having at least one first resistor (132, 232) in series with an element (150, 250), the divider being connected to an input of the amplifier,
      characterized in that the voltage divider is connected between the output terminal (128, 228) and an earth terminal (122, 222) for supplying the amplifier with a feedback voltage and in that the element has at least in said low temperature range, an impedance with a temperature dependence behaviour different from that of said first resistor so as to supply a lower feedback in said low temperature range.
    2. Device according to claim 1, wherein said element (150) is a second resistor with a temperature coefficient different from that of the first resistor.
    3. Device according to claim 1, wherein said element (250) has, at least in the low temperature range, a nonlinear voltage behaviour with the temperature.
    4. Device according to claim 1, wherein the first resistor (132, 232) of the voltage divider has a value adjusted as a function of the linearity error of the reference voltage generator (110, 210), so as to obtain a voltage substantially linear with the temperature at the output terminal.
    5. Device according to claim 4, wherein the band gap-type generator (210) is adjusted to deliver a voltage substantially linear with the temperature.
    6. Device according to claim 3, wherein the active element (250) comprises at least one bipolar transistor connected in series with the first resistor of the voltage divider by its collector and emitter terminals, the transistor being polarized so as to function under saturation conditions for temperatures equal to or higher than the temperatures of the low temperature range.
    7. Device according to claim 6, comprising a power supply (26) connected to the base of the bipolar transistor for fixing an operating point of the transistor.
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