NL194100C - Referentiespanningsopwekschakeling. - Google Patents

Description

1 194100

Referentiespanningsopwekschakeling

De uitvinding heeft betrekking op een referentiespanningsopwekschakeling, omvattende een ingangs-aansluiting voor het ontvangen van een aan variatie onderhevige ingangsvoedingsspanning ten opzichte van 5 een punt van referentiepotentiaal; een uitgangsaansluiting voor afgifte van een gestabiliseerde uitgangs-spanning ten opzichte van een punt van referentiepotentiaal; een regeltransistor, waarvan de collector-emitterbaan tussen de ingangsaansluiting en de uitgangsaansluiting is opgenomen; een stroomdetectie-transistor, waarvan de collector-emitterbaan in een serieketen met een eerste weerstand tussen de uitgangsaansluiting en het punt van referentiepotentiaal is geschakeld; en een derde transistor, die is 10 aangesloten op de stroomdetectietransistor. Een schakeling van deze soort is bekend uit US-A-4.339.707.

Wanneer het signaalbewerkingsstelsel van een radio-ontvanger als een geïntegreerde schakeling wordt uitgevoerd, dient in de geïntegreerde schakeling een referentiespanningsbron te worden opgenomen, welke als instelspanningsbron dient voor een tot de schakeling behorende transistor, voor vergelijking van bepaalde signaalniveaus met het referentiespanningsniveau of voor verschuiving van dergelijke signaal· 15 niveaus ten opzichte van het referentiespanningsniveau. Voor een radio-ontvanger van het type, dat bijvoorbeeld kan werken op twee droge batterijen van het afmetingstype AA, bedraagt het referentiespanningsniveau bijvoorbeeld ongeveer 1-1, 5V.

Volgens de uit US-A-4.339.707 bekende stand van de techniek wordt een dergelijke referentiespannings-opwekschakeling gevormd door middel van een tussen een voedingsspanningsaansluiting of ingangs-20 aansluiting enerzijds en een punt van referentiepotentiaal, zoals aarde, anderzijds opgenomen serieschake-ling van een weerstand en een diode of van twee dioden, waarbij de referentiespanning wordt afgenomen aan het verbindingspunt van de weerstand en de diode of aan dat van de beide dioden. Een dergelijke referentiespanningsopwekschakeling vertoont echter een betrekkelijk sterke temperatuurafhankelijkheid.

De onderhavige uitvinding stelt zich ten doel, hierin verbetering te brengen en een referentiespannings-25 opwekschakeling te verschaffen, welke door zijn temperatuuronafhankelijkheid excelleert.

Voorts stelt de uitvinding zich ten doel, een referentiespanningsopwekschakeling te verschaffen, welke zo goed als vrij van enige afhankelijk van ingangsspanningsvariaties is.

Een verder doel van de uitvinding is het verschaffen van een referentiespanningsopwekschakeling, welke een referentiespanning van laag niveau kan afgeven.

30 De uitvinding heeft hiertoe als kenmerk, dat tussen de eerste weerstand en de stroomdetectietransistor een tweede weerstand is geschakeld, dat de basis van de stroomdetectietransistor verbonden is met het verbindingspunt tussen de eerste en de tweede weerstand, dat de basis-emitterbaan van de derde transistor parallel aan de collector-emitterbaan van de stroomdetectietransistor is geschakeld, dat het emitteroppervlak van de derde transistor een factor n groter is dan het emitteroppervlak van de stroomdetectietransistor, en 35 dat de schakeling verder omvat een vierde transistor van hetzelfde geleidbaarheldstype als de stroom-detectietransistor, waarvan de basis met de basis van de stroomdetectietransistor is verbonden en waarvan de emitter is verbonden met het punt van referentiepotentiaal, en detectiemiddelen voor detectie van een verschil tussen een met de collectorstroom van de derde transistor overeenkomend signaal en een met de collectorstroom van de vierde transistor overeenkomend signaal en voor levering van een met dat verschil 40 overeenkomend tegenkoppelsignaal aan de basis van de regeltransistor.

De uitvinding zal worden verduidelijkt in de nu volgende beschrijving aan de hand van de bijbehorende tekening van enige uitvoeringsvormen, waartoe de uitvinding zich echter niet beperkt. In de tekening tonen: figuur 1 een schema van een referentiespanningsopwekschakeling volgens een eerste uitvoeringsvorm 45 van de onderhavige uitvinding, figuur 2 een karakteristiek van enige stromen in de schakeling volgens figuur 1, figuur 3 een schema van een referentiespanningsopwekschakeling volgens een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding, en figuur 4 een schema van een referentiespanningsopwekschakeling volgens een derde uitvoeringsvorm 50 van de uitvinding.

Voorzover in aanmerking komend en mogelijk, zijn in de figuren 1, 3 en 4 steeds dezelfde verwijzings-symbolen gebruikt.

De in figuur 1 weergegeven referentiespanningsopwekschakeling is in de eerste plaats voorzien van een 55 uitgangsaansluiting T,, waaraan een referentiespanning wordt afgenomen, en van een ingangsaansluiting T2, waaraan door een niet in de tekening weergegeven, droge batterij of dergelijke een ingangsvoedingsspanning wordt toegevoerd. Als punt van referentiepotentiaal voor beide spanningen dient bij de hier 194100 2 beschreven uitvoeringsvormen steeds aarde. Tussen de aansluitingen T1 en T2 Is de collector-emitterbaan van een regeltransistor Q7 opgenomen.

Tussen de uitgangsaansluiting t, en aarde is de serieschakeling opgenomen van een weerstand R, met een betrekkelijk hoge weerstandswaarde van bijvoorbeeld 12,6kft, een weerstand Ra met een betrekkelijk 5 lage weerstandswaarde van bijvoorbeeld 820Ω en de collector-emitterbaan van een stroomdetectietransistor Q,. Het verbindingspunt van de weerstanden R1 en R2 is verbonden met de basis van de transistor Q1t terwijl parallel aan de basis-emitterbaan van de transistor Q1 de basis-emitterbaan van een transistor Qs is opgenomen; hieruit resulteert een stroomspiegelschakeling 1 met aarde als punt van referentiepotentiaal.

De collector van de transistor Q, is voorts verbonden met de basis van een transistor Q2 met geaarde 10 emitter en met die van een transistor Q3 verbonden collector.

De uitgangsaansluiting T, dient als punt van referentiepotentiaal voor de transistor Q3l welke tezamen met een transistor Q4 een stroomspiegelschakeling 2 vormt. Daartoe zijn de bases van de transistoren Q3 en Q4 eveneens met elkaar en voorts met de collector van de transistor Q3 verbonden, terwijl de emitters van de beide transistoren Q3 en Q4 beide met de uitgangsaansluiting T, zijn verbonden.

15 Als detectie-inrichting dient een omkeerversterker met een transistor Qe, waarvan de emitter is geaard en waarvan de basis met de collectors van de beide transistoren Q4 en Q5 is verbonden, terwijl de collector van de detectietransistor Q6 met de basis van de regeltransistor Q7 is verbonden.

De zojuist beschreven schakeling is als geïntegreerde schakeling uitgevoerd op een enkele halfgeleider-chip, waarbij het emitteroppervlak (vlak van de emitter-basis-overgang) van de transistor Qa een factor n 20 groter is (n > 1) dan dat van de emitter van de stroomdetectietransistor Qv

In dat geval geldt, dat indien de collectorstroom van de stroomdetectietransistor Q, gelijk i, is en de collectorstroom van de transistor Q2 gelijk i2 is, de door de beide transistoren Q1 en Qs gevormde stroom-spiegelschakeling 1 teweegbrengt, dat de collectorstroom van de transistor Qs eveneens gelijk i1 is. Aangezien de collectorstroom i2 van de transistor Q2 gelijk is aan de collectorstroom van de transistor Q3, 25 brengt de door de transistoren Q3 en Q4 gevormde stroomspiegelschakeling 2 bovendien teweeg, dat de collectorstroom van de transistor Q4 eveneens gelijk l2 Is.

Het voorgaande heeft tot gevolg, dat aan de basis van de detectietransistor Qe een stroom ter waarde van het verschil i2—i-, tussen de collectorstromen i2 en i1 toevloeit.

Indien de collectorstroom i, een neiging tot daling vertoont of indien de collectorstroom i2 een neiging tot 30 stijging vertoont, zal de genoemde verschilstroom i2-i1 eveneens gaan dalen, zodat de collectorstroom van de transistor Qe afneemt en de serie-impedantiewaarde van de regeltransistor Q7 toeneemt Als gevolg daarvan daalt de spanning aan de uitgangsaansluiting Tt, zodat de collectorstroom i1 afneemt en de collectorstroom l2 toeneemt. Dit wil zeggen, dat tegenkoppeling optreedt, waardoor de collectorstromen i1 en i2 worden gestabiliseerd.

35 Indien de basis-emitterspanning van de transistor Q1 gelijk Vbei is en de basis-emitterspanning van de transistor Q2 gelijk VBE2 is, kunnen de volgende vergelijkingen (i)> (ii) en (iii) worden opgesteld: VBei = R2 . i< + VBE2 (i)

Vbei = VT . fn (i/is1) (ii) VBE2 = VT. €n [i/in.isa)] (iii), 40 waarvan VT = KT/q (T = absolute temperatuur) en waarin isi, i^ de respectieve verzadigingsstroomwaarden voor de transistoren Q, en Q2 zijn. Uit de vergelijkingen (i)-(iii) kan de volgende vergelijking worden afgeleid: VT. en (Mm) = R2i,+VT.€n (i^n.i^] ^ hieruit volgt VT. ίη.ης. = Rjj.i, ^

Wanneer de transistoren Q1 en Q2 bijvoorbeeld aangrenzend aan elkaar op eenzelfde halfgeleiderchip zijn gevormd, wordt voldaan aan is1 = i^. In dat geval kan de vergelijking (iv) worden herschreven tot:

Vx . en (n.i^a) = R.J, (v).

50 Deze vergelijking (v) kan worden herschreven tot: en (n.Ma)= 1¾ . i-j/V7 n . i/i2 = exp (R^/Vy) hieruit volgt: i2 = n . i, exp (-R2 . i,/VT)

De stroom i2 vertoont derhalve een karakteristiek met een gedeelte met negatieve richtingscoêfficiënt, 55 zoals figuur 2 laat zien. Dit heeft tot gevolg, dat stabilisatie van de stromen i4 en i2 wordt verkregen in een op dit karakteristiekgedeelte met negatieve richtingscoëfficiënt van de stroom i2 gelegen punt A, waarvoor geldt: 3 194100 i, = i2 (vt) . Indien de uitgangsspanning aan de uitgangsaansluiting Tn gelijk V is, kan de volgende vergelijking (vii) worden opgesteld: V = Ri. ii + VBE1 (vu) 5 Substitutie van de vergelijking (vi) in de vergelijking (v) geeft: VT. €n (n) = R2.i1 (viii)

Substitutie van de vergelijking (viii) in de vergelijking (vii) leidt vervolgens tot V = (R1/R2).VT.<n(n) + VBE1 (ix)

De temperatuurcoëfficiênt dV/dT van de uitgangsspanning V wordt verkregen door de vergelijking (ix) te 10 differentiëren naar de temperatuur T, hetgeen leidt tot: dV K Ri ,-,-x , dveei dT “ q ' R2 *n(n) + dT (x)

Uit de vergelijking (x) kan de voorwaarde, waarvoor de temperatuurcoëfficiênt dV/dT gelijk nul wordt, op de 15 volgende wijze worden afgeleid: K Rl . dVBE1 r\ q^<n(n)+lT=0 hieruit volgt:^€n(n) = -^.g (xi) 20

Dit wil zeggen, dat de uitgangsspanning V temperatuuronafhankelijk is, indien aan de voorwaarde (xi) wordt voldaan.

Algemeen geldt, dat: dVBE1/dT = -1,8 è -2,0 (mW°C) 25 De voorwaarde (xi) krijgt dan de volgende gedaante: {^^(nJsl.exlO^x--- s 20,86 (x|n R2 8,63x10* v 1

Gewoonlijk is het bij de geïntegreerde schakeling betrekkelijk gemakkelijk om voor de weerstandswaarde-30 verhouding R.,/R2 en voor de oppervlakverhouding n de gewenste waarden te verkrijgen, terwijl eventuele spreiding van deze waarden in voldoende mate kan worden tegengegaan. Aangezien gemakkelijk asm de voorwaarde (xii) kan worden voldaan, kan ook aan de voorwaarde (xi) worden voldaan. Dit heeft tot gevolg, dat de uitgangsspanning temperatuuronafhankelijk is.

Indien VT = 0,026 (V) en VBE1 = 0,683 (V). kan uit de vergelijking (ix) en uit de voorwaarde (xii), waaraan 35 is voldaan, worden afgeleid: V = 0,026 x 20,86 + 0,683 = 1,225 (V).

Bij de in het voorgaande beschreven referentiespanningsopwekschakeling volgens de uitvinding is het derhalve mogelijk een referentiespanning V zonder enige temperatuurafhankelijkheid te vormen, welke derhalve voor eventuele veranderingen van de omgevingstemperatuur is gestabiliseerd. Bovendien kan de 40 desbetreffende referentiespanning V een laag niveau van bijvoorbeeld 1,225V hebben, hetgeen geschikt is voor een bij lage bedrijfsspanning werkende, geïntegreerde schakeling.

Aangezien de transistoren 0,-0«; deze stabiele referentiespanning V krijgen toegevoerd, vertonen deze transistoren zelfs bij een verandering van de ingangsspanning aan de aansluiting T2 een stabiele werking en een zeer geringe spanningsafhankelijkheid. Voorts geldt, dat aangezien de ingangsspanning aan de 45 aansluiting T2 via de regeltransistor Ó7 als de uitgangsspanning V aan de uitgangsaansluiting T, verschijnt, het mogelijk is om ook een met de spanning V overeenkomende stroom te verkrijgen.

Bij de hiervoor beschreven, eerste uitvoeringsvorm dient de weerstand R1 een betrekkelijk grote weerstandswaarde te hebben, zodat deze weerstand Ri een betrekkelijk groot oppervlakgedeelte van de halfgeleider-chip van de geïntegreerde schakeling in beslag neemt, hetgeen er weer toe leidt, dat de 50 halfgeleider-chip betrekkelijk grote afmetingen heeft. Indien de basis-emitterbaan van één of meer aanvullende transistoren met dezelfde karakteristiek als de stroomdetectietransistor Q-, parallel aan de basis-emitterbaan van deze laatstgenoemde transistor wordt aangesloten, kan de verhouding van het door de weerstand Ri in beslag genomen oppervlakgedeelte tot het totale oppervlak van de halfgeleiderchip worden gereduceerd, en kan de laatstgenoemde zelf kleinere afmetingen hebben. Zoals figuur 3 bijvoor-55 beeld laat zien, is bij de desbetreffende uitvoeringsvorm van de schakeling de basis-emitterbaan van een aanvullende transistor Q8 evenwijdig aan de basis-emitterbaan van de transistor Q aangesloten. Daarbij is de collector van de aanvullende transistor Qs met het verbindingspunt van de beide weerstanden R, en R2

Claims (5)

194100 4 verbonden. Aangezien bij de uitvoeringsvorm volgens figuur 3 de weerstandswaarde van de weerstand R2 zeer klein is, is de collectorstroom i,' van de aanvullende transistor Qe bijna gelijk aan de stroom i1f zodat door de weerstand R een stroom van bij benadering 2i1 vloeit. De weerstandswaarde van de weerstand R1 kan 5 derhalve bij de uitvoeringsvorm volgens figuur 3 tot ongeveer de helft van die van de weerstand R., volgens figuur 1 worden teruggebracht, zodat het door de weerstand R·, op het chipoppervlak in beslag genomen gedeelte kan worden verminderd. Indien parallel aan de stroomdetectietransistor Q1 een aantal dergelijke aanvullende transistoren zou worden opgenomen, kan de verhouding van het oppervlaktegedeelte, dat de weerstand R1 op de halfgeleider-chip in beslag neemt, uiteraard nog verder worden verkleind. 10 Bij een derde uitvoeringsvorm volgens figuur 4 worden de respectieve collectorstromen i2 en i1 van de transistoren Qz en Q5 door respectieve weerstanden R3 en R4 in spanningen omgezet. De desbetreffende, respectievelijk met de collectorstromen i2 en i1 overeenkomende spanningen worden respectievelijk , toegevoerd aan de niet-omkeer- en de omkeeringang van een verschilversterker 3, waarvan het uitgangs signaal wordt toegevoerd aan de basis van de regeltransistor Q7. De regeltransistor Qr wordt dan gedreven 15 door een van de verschilversterker 3 afkomstig signaal, dat met het verschil tussen de over de beide weerstanden R^en R^ gevormde spanningen overeenkomt. Zoals uit het voorgaande naar voren komt, verschaft de uitvinding de mogelijkheid tot het vormen van een referentiespanning V zonder temperatuurafhankelijkheid, welke voor temperatuursveranderingen is gestabiliseerd. Aangezien deze referentiespanning V een laag niveau van bijvoorbeeld 1,225 V heeft, is de 20 schakeling volgens de uitvinding geschikt voor toepassing bij een geïntegreerde schakeling welke met een lage spanning wordt bedreven. Aangezien de transistoren Q1-Q5 de stabiele referentiespanning V krijgen toegevoerd, zelfs bij een verandering van de ingangsspanning aan de aansluiting T2 wordt een stabiele werking verkregen. Aangezien de ingangsspanning aan de aansluiting T2 door de regeltransistor Q7 tot de aan de uitgangsaansluiting 25 T, verschijnende uitgangsspanning V wordt bijgeregeld, kan bovendien een met de uitgangsspanning V overeenkomende stroom worden verkregen. 30

1. Referentiespanningsopwekschakeling, omvattende - een ingangsaansluiting voor het ontvangen van een aan variatie onderhevige ingangsvoedings-spanning ten opzichte van een punt van referentiepotentiaal; een uitgangsaansluiting voor afgifte van een gestabiliseerde uitgangsspanning ten opzichte van een punt van referentiepotentiaal; een regeltransistor, 35 waarvan de collector-emitterbaan tussen de ingangsaansluiting en de uitgangsaansluiting is opgenomen; een stroomdetectietransistor, waarvan de collector-emitterbaan in een serieketen met een eerste weerstand tussen de uitgangsaansluiting en het punt van referentiepotentiaal is geschakeld; en een derde transistor, die is aangesloten op de stroomdetectietransistor, met het kenmerk, dat tussen de eerste weerstand en de stroomdetectietransistor een tweede weerstand is geschakeld, dat de basis van 40 de stroomdetectietransistor verbonden is met het verbindingspunt tussen de eerste en de tweede weerstand, dat de basis-emitterbaan van de derde transistor parallel aan de collector-emitterbaan van de stroomdetectietransistor is geschakeld, dat het emitteroppervlak van de derde transistor een factor n groter is dan het emitteroppervlak van de stroomdetectietransistor, en dat de schakeling verder omvat een vierde transistor van hetzelfde geleidbaarheidstype als de stroomdetectietransistor, waarvan de basis 45 met de basis van de stroomdetectietransistor is verbonden en waarvan de emitter is verbonden met het punt van referentiepotentiaal, en detectiemiddelen voor detectie van een verschil tussen een met de collectorstroom van de derde transistor overeenkomend signaal en een met de collectorstroom van de vierde transistor overeenkomend signaal en voor levering van een met dat verschil overeenkomend tegenkoppelsignaal aan de basis van de regeltransistor.

2. Referentiespanningsopwekschakeling volgens conclusie 1, gekenmerkt door ten minste één aanvullende transistor met dezelfde karakteristiek als de stroomdetectietransistor, van welke aanvullende transistor de collector met het verbindingspunt van de beide weerstanden is verbonden, terwijl van iedere dergelijke aanvullende transistor de basis-emitterbaan parallel met de basis-emitterbaan van de stroomdetectietransistor is geschakeld.

3. Referentiespanningsopwekschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de detectiemiddelen een aan de collector van de derde transistor aangesloten, derde weerstand en een aan de collector van de vierde transistor aangesloten, vierde weerstand omvatten, waarbij de collectorstromen van de derde en de 5 194100 vierde transistor respectievelijk door de derde en de vierde weerstand in respectieve spanningen worden omgezet.

4. Referentiespanningsopwekschakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de detectiemiddelen een verschilversterker omvatten, waarvan de twee ingangen de respectievelijk door de derde en de vierde 5 weerstand omgezette spanningen krijgen toegevoerd en waarvan een uitgangssignaal als het genoemde tegenkoppelsignaal aan de basis van de regeltransistor wordt toegevoerd.

5. Referentiespanningsopwekschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de detectiemiddelen een vijfde transistor omvatten, waarvan de collector-emitterbaan tussen de basis van de regeltransistor en het punt van referentiepotentiaal is opgenomen, terwijl voorts een stroomspiegelschakeling met een zesde 10 en een zevende transistor aanwezig is, waarvan de respectieve collectors met die van de derde en de vierde transistor zijn verbonden, waarbij het verbindingspunt van de collectors van de zevende en de vierde transistor met de basis van de vijfde transistor is verbonden. Hierbij 2 bladen tekening