NL8000273A - Referentiespanningsinrichting. - Google Patents

Description

' w -1-

N.O. 28.663 V

Referentiespanningsinrichting.

De uitvinding heeft betrekking op een Lalfgeleiderinrichting voor het leveren van een referentiespanning die wezenlijk constant is bij temperatuurvariaties. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een referentieinrichting die voorzien is van een b temperatuurcompensatie voor ha! verkleinen van de variaties in uitgangsspanning bij temperatuurvariaties.

Halfgeleider-referentieinrichtingen zijn ontwikkeld die gebaseerd zijn op bepaalde temperatuurafhankelijke eigenschappen van de basis-emitterapanning ( V™) van een transistor. Bijvoorbeeld is in het üiii 10 Amerikaanse octrooischrift 3-617*059 een halfgeleider-referentie-inrichting beschreven, waarbij een met een diode verbonden transistor en een tweede transistor worden bedreven bij verschillende stmom-dichtheden om een spanning over een weerstand op te wekken, die evenredig is aan het verschil van de respectievelijke basis-emitterspan-15 ningen (dV^g). Dit spanningsverschil heeft een positieve temperatuurcoëfficiënt (TC) en wordt in serie geschakeld met de V^-span-ning van een derde transistor. De laatstgenoemde spanning heeft een negatieve temperatuurcoëfficiënt die tegengesteld werkt aan de positieve temperatuurcoëfficiënt van de eerste spa ning om een samen-20 gestelde spanning met een relatief lage temperatuurcoëfficiënt te verkrijgen, die dient als uitgangsspanning van de referentieinrichting.

In het Amerikaanse octrooischrift 3*887.863 is een referentieinrichting met drie klemmen beschreven, waarbij gebruik wordt ge-25 maakt van een intervalcel, waarbij slechts twee transistoren nodig zijn. Deze transistoren zijn aangesloten volgens een gemeenschappelijke basisschakeling en de verhouding van de strpomdichtheden in de twee transistoren wordt automatisch op een gewenste waarde ge- j handhaafd door een rekenversterker die de collectorstromen van de 30 twee transistoren detecteert. Een spanning die reageert op de van de twee transistoren wordt opgewekt over een weerstand en deze spanning wordt in serie geschakeld met de V^-spanning van één van de twee transistoren, waardoor een gecombineerde uitgangsspanning met een zeer lage temperatuurcoëficiënt ontstaat.

35 De mathematische betrekkingen ten aanzien van de spanningsvaria-tie met de temperatuur in intervalinrichtingen worden in het algemeen vereenvoudigd voor analysedoeleinden, doordat bepaalde termen van de basisvergelijking worden genegeerd, aangezien deze slechts 800 02 73 -2- Γ secundaire onbelangrijke effecten uitdrukken. Bijvoorbeeld is in kolom 4 regel 6 van het hierboven genoemde Amerikaanse octrooischrift 5.617.859 toegelicht, dat de laatste twee termen van de gegeven uitdrukking worden geschrapt omdat zij als onbelangrijk worden beschouwd. 5 Hoewel de effecten van zulke secundaire termen klein zijn, zijn zij echter reëel en kunnen in sommige toepassingen van belang zijn. Aldus is het gewenst een weg aan te geven om variaties van de uit-gangsspanning te vermijden, die corresponderen met zulke secundaire en tot nu toe niet-gecompenseerde effecten.

10 De mathematische analyse van het probleem wanneer de gewoonlijk genegeerde termen worden gehandhaafd, is enigszins ingewikkeld, zoals blijkt uit het artikel "A Simple Three-Terminal IC Band-gap Reference” verschenen in "IEE Journal of Solid-State Circuits”, vol. SC-9, no.6, December 1974· Geschikte uitdrukkingen kunnen desondanks voor de uit-15 gangsspanning worden ontwikkeld en de eerste en tweede afgeleiden daarvan naar de temperatuur, zoals volgens de volgende vergelijkingen 12-14 van het genoemde artikel: E = V + <VBKo ' V9°> + (m -·1! Ψ ln ^ 20 + + « f ln % (12) 5? = (VBEo " Vgo> + <P1 + Z> ξ- | + (m - 1) — ln ^p· - 1 ^5)

q T

30 (14)

dT2 q T

^ Wanneer de waarden van m groter zijn dan één ( een reële ver onderstelling), betekent vergelijking 14 een van 0 afwijkende tem-paratuurcoëfficiënt bij temperaturen die afwijken van Tq. Uit de hierboven beschreven overwegingen zal het duidelijk zijn, dat de uit-gangsspanning zodanig met de temperatuur varieert dat een exacte 40 compensatie voor zulk een variatie een complexe schakeling zou vereisen, welke voor de meeste toepassingen te kostbaar zou zijn.

800 0 2 73 -3-/

'V

De uitvinding· heeft ten doel te voorzien in een voedingsspanning -inrichting met een verbeterde compensatie van de inherente tempera-tuurkarakteristiek.

Opgemerkt wordt, dat de uiteindelijke karakteristiek van de uit-5 gangsspanning als functie van de temperatuur met inbegrip van de hierboven genoemde secundaire effecten bij benadering een parabool is om de nominale temperatuur Tq. Voorts is gevonden, dat een zeer goede compensatie van de ëfecten van secundaire orde kan worden bereikt door een zeer eenvoudige wijziging van de basisschakeling. Meer 10 in het bijzonder is gevonden, dat het probleem in beginsel kan worden opgelost, doordat in serie met de reeds aanwezige weerstand, die de PTAT-stroom (dat wil zeggen de stroom opgewekt overeenkomstig de AV™ van de twee transistoren ) opneemt, in de intervalcel een extra

£>.D

weerstand wordt aangebracht, die een meer positieve temperatuurcoëf-15 ficiënt heeft dan de eerste weerstand (die gewoonlijk een temperatuur-coëfficiënt van ongeveer nul heeft). De positieve temperatuurcoëffi-ciënt van deze extra weerstand levert als gevolg van de PTAT-stroom die daardoorheen vloeit, een spanning, waarvan de uitdrukking een parabolische term omvat. De schakelingelementen kunnen zodanig worden 20 aangebracht, dat de extra spanningscomponent afkomstig van deze parabolische term wezenlijk de variaties van de spanning van de tweede orde tegenwerkt, die door de hierboven beschreven basis schakeling van de intervalcel wordt opgewekt.

Bij een uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt een eerste span-25 ning over een eerste weerstand opgewekt, doordat door de eerste weerstand een stroom loopt, die evenredig is aan de temperatuur. Een tweede spanning wordt over een tweede weerstand opgewekt, die een meer positieve temperatuurcoëfficiënt heeft dan de eerste weerstand, doordat daardoorheen een stroom evenredig aan de temperatuur loopt.

50 Deze eerste en tweede spanningen worden als som gekoppeld met de V -spanning van een transistor, om de negatieve temperatuurcoëffi-ciënt van de emitter-basisspanning van die transistor in te voeren in de uiteindelijke samengestelde spanning. De uiteindelijke uitgangs-spanning levert een goede compensatie voor de hierboven genoemde ef-35 fecten van twesde orde, die door de basiscompensatiemaatregel niet worden gecorrigeerd.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, die het schema van een intervalcel van het in het hierboven genoemde Amerikaanse octrooischrift 5*887.863 beschreven 40 type, toont die volgens de uitvinding is gewijzigd om een verdere 800 02 73 r -4- ··**» temperatuureompensatie te bereiken.

De principes van de uitvinding zullen worden verklaard door beschrijving van de uitvinding toegepast op de in het Amerikaanse uetrooischrift ^.8ö7.8ó5 beschreven schakeling. Echter zal het dui--) del ijk zijn, dat de uitvinding kan worden toegepast in andere refe-rentieschakelingen, zoals die 'getoond zynin het Amerikaanse oc-trooischrift 5.617*859·

De tekening is identiek aan fig. 1 van het hierboven genoemde

Amerikaanse octrooischrift 5.887.865, uitgezonderd dat de weerstand 10 R^ in de nieuwe schakeling is uitgevoerd als twee afzonderlijke weerstanden R en R, met eigenschappen die hierna meer in detail zul- len worden verklaard. Zoals in het hierboven genoemde Amerikaanse octrooischrift is de door R1 vloeiende stroom PTAT, dat wil zeggen is evenredig aan de Δ7™ van de transistoren Q1 en Q2, waardoor over

JjiL

15 R-j een spanning wordt opgewekt, die een positieve temperatuurcoëffi-ciënt heeft. Deze spanning wordt in serie geschakeld met de V^, van de transistor , die een inherente negatieve temperatuurcoëfficiënt heeft. De uitgangsspanning V op de basis van Q1 omvat aldus positieve en negatieve temperatuurcoëfficiëntencomponenten, die de nei-20 ging hebben elkaar tegen te werken om de spanningsvariaties met de temperatuur te verkleinen.

De schakeling waarin R^ wordt toegepast, zoals getoond in het hierboven genoemde Amerikaanse octrooischrift 5.887.865» elimineert nagenoeg elke variatie van de uitgangsspanning bij temperatuurvaria-• 25 ties. Er blijven echter kleine uitgangsspanningsvariaties over ala gevolg van secundaire effecten, die gewoonlijk in conventionele analyses van de schakelingen worden verwaarloosd. Deze kleine variaties komen overeen met een bij benadering parabolische functie rondom de nominale bedrijfstemperatuur van de schakeling. Gevonden is, dat 50 deze secundaire effecten op doelmatige wijze kunnen worden gecompenseerd, doordat voor Ri een paar in serie geschakelde weerstanden R^ en R^ word t toegepast, waarbij R^ een grote positieve temperatuurcoëfficiënt heeft en Ra dezelfd temperatuurcoëfficiënt heeft als de oorspronkelijke weerstanden R^ en Rg (bijvoorbeeld nul). De spanning 55 over een weerstand Rfe met positieve temperatuurcoëfficiënt, die wordt gevoed met een PTAT-stroom, zal een parabolische term bevatten en de spanningscomponent die met deze term overeenkomt, kan worden gedimensioneerd om de parabolische variatie van de hierboven beschreven spanning van de referentiecel te compenseren, met als gevolg 40 een referentiebron met een temperatuurcoëfficiënt die dichter bij ollst' 80 0 0 2 73 Μ- . -5-

Om deze overwegingen meer in detail te verklaren, waarbij R1 bestaat uit twee weerstanden R en R, en R dezelfde temperatuur-coëfficiënt heeft als Rg, maar R^ een grote positieve temperatuur-coëfficiënt heeft, kunnen de volgende vergelijkingen worden ge-'bruik't _ (m-l) r2 _ ; b * 2 InA (2T (L· 5a - L· iSi) + T2

\Rb dT R2 dT J l Rb dT2 R2 dT2 I

~ try~— 5 waarbij Δ de verhouding van oppervlakte (of stroomdichtheid) van de twee transistoren is en m en T de gebruikelijke betekenis hebben.

Door toepassing van R^ in de schakeling wordt de optimale uit-gangsspanning VQ zodanig gewijzigd, dat bij TQ een temperatuureoëf-ficiënt van nul ontstaat, waarbij geldt: 10 Vo “ VGO + cF 1 T2 d2Rb T2 d2R2 \

ƒ 1¾ dT2 R2 dTZ I

I 2+ T_ dRb T dR2 / \ R. dT ” R2 / \ (2)

Door verwaarlozing van de temperatuurcoëfficiënt van Rg en met R^ PTAT (bijvoorbeeld een aluminiumweerstand) dan wordt vergelijking (1)! 11 B, = s2 6 -4ΠΙ (3) en vergelijking (2): KT ,.(-1)- o VG0 + 2 q (4)

Een aluminiumweerstand kan voor de meeste praktische toepassingen te groot zijn. Indien een gediffundeerde weerstand wordt ge-20 bruikt, heeft de weerstandswaarde als functie van de temperatuur de vorm:

Rb = Rq (1 + Xt + Yt2) (5) waarbij t de temperatuur is betrokken op 25°C. Als resultaat van het definiëren van de functie ten opzichte van 25° kunnen de rela-25 tieve afgeleiden bij deze temperatuur worden berekend. Deze is: έ Sr - x w

D

en: 800 0 2 73 /

L

ι Ά L· = 2Υ (7) dür

Gevonden is, dat voor bepaalde gestandaardiseerde commerciële -3 —6 processen X ongeveer 1,65 x 10 is en Y ongeveer 5>36 x 10 . In- 5 formaties over dunne-laag-weerstandsmateriaal leveren een waarde van X die meer dan 30 x kleiner is. Aangezien de correctie en benadering van de tweede orde is, kunnen de temperatuurcoëfficiënten van de dunne-laagweerstanden worden verwaarloosd teneinde de vergelijkingen (l) en (2) te vereenvoudigen tot : 10 ik = (m~1) R2 (8) b 2TÜA (1 .955379) en 70 = VG0 + ψ (0,602623) (9)

Wanneer m = 1,8, A = 6,76, Eg = 500 >2 , en T = 298°, wordt: 15 E^ = 54 JH.

YQ = 1,2174 volt.

Wanneer de weerstand E^ een positieve temperatuurcoëfficiënt van de eerste orde heeft, kan een compensatie van de tweede orde worden bereikt, omdat de stroom door E^ een positieve temperatuur-20 coëfficiënt van de eerste orde heeft. Op analoge wijze kan wanneer moet worden voldaan aan een bepaalde eis, een compensatie van de derde orde worden bereikt door toepassing van een weerstand met een temperatuurcoëfficiënt van de tweede orde.

Bij de bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm wordt gebruik 25 gemaakt van een weerstand E^, die bestaat uit twee in serie geschakelde weerstanden E en E, , waarbij E dezelfde temperatuurcoëffi- 3* D Qi

ciënt heeft, als de weerstand Eg en de weerstand E^ een temperatuurcoëfficiënt heeft, die aanzienlijk meer positief is dan die van E

3f en Eg. Nog andere configuraties kunnen worden gebruikt, waarbij het 30 primair van belang is dat de uitgangsspanning een correctiecomponent heeft, die wordt opgewekt door het toevoeren van een stroom met een positieve temperatuurcoëfficiënt door een weerstand met een temperatuurcoëfficiënt die meer positief is dan die van de andere, een spanning opwekkende weerstanden in de schakeling. Zulk een construc-35 tie biedt de mogelijkheid van een temperatuurcorrectie van hogere orde, zodat een nauwkeurige spanningsreferentie wordt verkregen.

Hoewel een bepaalde uitvoeringsvorm van de uitvinding hierboven in detail is beschreven, is het duidelijk dat binnen het kader van de uitvinding diverse varianten mogelijk zijn.

800 0 2 73

Claims (5)

1. Halfgeleiderinriehting voor het leveren van een geregelde voedingsspanning, omvattende eerste en tweede transistoren die worden bestuurd met verschillende stroomdichtheden en die zijn verbonden met 5 een bijbehorende schakeling om een stroom met een positieve tempera-tuurcoëfficiënt op te wekken, die evenredig is en het verschil van de basis-emitterspanningen van de transistoren, waarbij de stroom dar ten minste<één weerstand vloeit om een overeenkomstige spanning met een positieve temperatuurcoëfficiënt op te wekken, waarbij voorts 10 een middel aanwezig is voor het combineren van de spanning met positieve temperatuurcoëfficiënt en de spanning met negatieve temperatuurcoëfficiënt, die afgeleid zijn uit de basis-emitter spanning van een transistor, teneinde een samengestelde temperatuur-gecompenseer-de uitgangsspanning te verkrijgen, gekenmerkt door een 15 extra weerstand in de bijbehorende schakeling, die in serie^ieschakeld met de ene weerstand om een extra spanning op te wekken die moet worden gecombineerd met de spanning van negatieve temperatuurcoëfficiënt om de samengestelde uitgangsspanning te verkrijgen, welke extra weerstand een temperatuurcoëfficiënt heeft die meer positief is dan 20 die van de ene weerstand.

2. Inrichting volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de extra weerstand een grote positieve temperatuurcoëfficiënt heeft.

3. Inrichting volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, 25 dat de extra weerstand een positieve temperatuurcoëfficiënt met componenten van zowel de eerste als de tweede orde heeft.

4. Halfgeleiderinriehting voor het leveren van een geregelde spanning, omvattende eerste en tweede weerstanden, een eerste weerstand die is aangesloten tuseen de emitter van de eerste transistor 30 en een referentieleiding, een tweede weerstand die aangesloten is tussen de emitters van de transistoren, en een besturingsmiddel voor het opwekken van een vooraf bepaalde, van één afwijkende verhouding van stroomdichtheden van de stromen die door de emitters van de tweede transistoren vloeien, waarbij de stroom door de eerste weer-35 stand een positieve temperatuurcoëfficiënt heeft en een overeenkomstige spanning over de eerste weerstand opwekt, die in serie is geschakeld met de basis-emitterspanning van de eerste transistor, met het ken m e r k, dat de eerste weerstand een netto positieve temperatuurcoëfficiënt heeft. 40

5· Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, 800 0 2 73 -8- / 4Τ dat de eerste weerstand bestaat uit een eerste en een tweede weerstand:, waarbij één een temperatuurcoëfficiënt heeft, die meer positief is dan die van de andere. S0 0 0 2 73 y Behoort hij 0.A.80.00273 Ned. ___(_v+ Γ c ,—'— rt pï-1- |*2 £ M.' |^,f+7-C) V- 800 0 2 73