NL8600034A - Referentiespanningsopwekschakeling. - Google Patents

Description

I λ • * C/Ca/ar/1731

Referentiespanningsopwekschakeling.

De uitvinding heeft betrekking op een referen-tiespanningsopwekschakeling, en meer in het bijzonder op een dergelijke schakeling voor opwekking van een referentiespan-ning van laag niveau.

5 Wanneer het signaalbewerkingsstelsel van een radio-ontvanger als een geïntegreerde schakeling wordt uitgevoerd, dient in de geïntegreerde schakeling een referentie-spanningsbron te worden opgenomen, welke als instelspannings-bron voor een tot de schakeling behorende transistor, voor 10 vergelijking van bepaalde signaalniveaus met het referentie-spanningsniveau of voor verschuiving van dergelijke signaalniveaus ten opzichte van het referentiespanningsniveau dient. Voor een radio-ontvanger van het type, dat bijvoorbeeld kan werken op twee droge batterijen van het afmetingstype AA, be-15 draagt het referentiespanningsniveau bijvoorbeeld ongeveer 1-1,5V.

Volgens de tot nog toe bereikte stand van de techniek wordt een dergelijke referentiespanningsopwekschake-ling gevormd door middel van een tussen een voedingsspannings-20 aansluiting of ingangsaansluiting enerzijds en een punt van referentiepotentiaal, zoals aarde, anderzijds opgenomen serie-schakeling 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 25 dioden. Een dergelijke referentiespanningsopwekschakeling vertoont echter een betrekkelijk sterke temperatuurafhankelijkheid. Hoewel reeds een referentiespanningsopwekschakeling met aanzienlijk verbeterde, dat wil zeggen geringe, temperatuurafhankelijkheid is voorgesteld, vertoont deze het nadeel, 30 dat de verkregen referentiespanning in aanzienlijke mate van de ingangsspanning en van de schommelingen daarvan afhankelijk is.

De onderhavige uitvinding stelt zich ten doel, hierin verbetering te brengen en een referentiespanningsopwek-35 schakeling te verschaffen, welke door zijn temperatuur-onafhankelijkheid excelleert.

Voorts stelt de uitvinding zich ten doel, :¾ ' * λ λ ·*=? * ï· V 'J V -ƒ -7 - 2 - ·> 'ï een referentiespanningsopwekschakeling te verschaffen, welke zo goed als vrij van enige afhankelijkheid van ingangsspan-ningsvariaties is.

Een verder doel van de uitvinding is het ver-5 schaffen van een referentiespanningsopwekschakeling, welke een referentiespanning van laag niveau kan afgeven.

Uitgaande van een referentiespanningsopwek-schakeling, welke is voorzien van een ingangsaansluiting voor ontvangst van een aan variatie onderhevige ingangsvoedings-10 spanning ten opzichte van een punt van referentiepotentiaal en van!een uitgangsaansluifeing voor afgifte van een gestabiliseerde uitgangsspanning ten opzichte van het punt van referentiepotentiaal, stelt de uitvinding voor, dat een dergelijke schakeling voorts is voorzien van een regeltransistor, waar-15 van de collector-emitterbaan tussen de ingangsaansluiting en de uitgangsaansluiting is opgenomen; een stroomdetectietran— sistor, waarvan de collector-emitterbaan in een serieketen met een serieschakeling van een eerste en een tweede weerstand tussen de uitgangsaansluiting en het punt van referen-. 20 tiepotentiaal is opgenomeii en waarvan de basis met het verbindingspunt van de beide weerstanden is verbonden; een derde transistor, waarvan de basis-emitterbaan parallel aan de collector-emitterbaan van de stroomdetectietransistor is opgenomen en waarvan de emitter een omtreksoppervlak heeft, 25 dat n maal dit van de emitter van de stroomdetectietransistor is; een vierde transistor van hetzelfde geleidbaarheidstype als de stroomdetectietransistor, waarvan de basis met de basis van de stroomdetectietransistor is verbonden, en van detec-tiemiddelen voor detectie van een verschil tussen een met de 30 collectorstroom van de derde transistor overeenkomend signaal en een met de collectorstroom van de vierde transistor overeenkomend signaal en voor levering van een met dit verschil overeenkomend tegenkoppelsignaal aan de basis van de regel-

P

transistor.

35 De uitvinding zal worden verduidelijkt in de nu volgende beschrijving aan de hand van de bijbehorende tekening van enige uitvoeringsvormen, waartoe de uitvinding -A ~ -- Λ "g ƒ, > u 0 4 - 3 - ff jè zich echter niet beperkt. In de tekening tonen: fig. 1 een schema van een referentiespannings-opwekschakeling volgens een eerste uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding, 5 fig. 2 een karakteristiek van enige stromen in de schakeling volgens fig. 1, fig. 3 een schema van een referentiespannings-opwekschakeling volgens een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding en 10 fig. 4 een schema van een referentiespannings- opwekschakeling volgens een derde uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Voor zover in aanmerking komend en mogelijk, zijn in de fig. 1,3 en 4 steeds dezelfde verwijzingssymbolen 15 gebruikt.

De in fig. 1 weergegeven referentiespannings-opwekschakeling is in de eerste plaats voorzien van een uit-gangsaansluiting , waaraan een referentiespanning wordt af-genomen, en van een ingangsaansluiting , waaraan door een 20 niet in de tekening weergegeven, droge batterij of cTergelijke een ingangsvoedingsspanning wordt toegevoerd. Als punt van referentiepotentiaal voor beide spanningen dient bij de hier beschreven uitvoeringsvormen steeds aarde. Tussen de aansluitingen T^ en T2 is de collector-emitterbaan van een regel-25 transistor opgenomen.

Tussen de uitgangsaansluiting T^ en aarde is de serieschakeling opgenomen van een weerstand met een betrekkelijk hoge weerstandswaarde van bijvoorbeeld 12,6ki2, een weerstand R2 met een betrekkelijk lage weerstandswaarde 30 van bijvoorbeeld 820Ω en de collector-emitterbaan van een stroomdetectietransistor . Het verbindingspunt van de weerstanden R.j en R2 is verbonden met de basis van de transistor , terwijl parallel aan de basis-emitterbaan van de transistor Q.j de basis-emitterbaan van een transistor is opgenomen? 35 hieruit resulteert een stroomspiegelschakeling 1 met aarde als punt van referentiepotentiaal.

De collector van de transistor is voorts ' λ * 7 : V , vj - j - 4 - verbonden met de basis van een transistor Q2 met geaarde emitter en met die van een transistor verbonden collector.

De uitgangsaansluiting dient als punt van referentiepotentiaal voor de transistor , welke tezamen met 5 een transistor Q4 een stroomspiegelschakeling 2 vormt. Daartoe zijn de bases van de transistoren en eveneens met elkaar en voorts met de collector van de transistor verbonden, terwijl de emitters van de beide transistoren en Q4 beide met de uitgangsaansluiting zijn verbonden.

10 Als detectie-inrichting dient een omkeerver- sterker met een transistor Qg, waarvan de emitter is geaard en waarvan de basis met de collectors van de beide transistoren en Qg is verbonden, terwijl de collector van de detec-tietransistor Qg met de basis van de regeltransistor Q7 is 15 verbonden.

De zojuist beschreven schakeling is als geïntegreerde schakeling uitgevoerd op een enkele halfgeleider-chip, waarbij het omtreksoppervlak van de emitter (het emitter-basis-overgangsoppervlak} van de transistor en n keer 2 0 -(n > 1) dat van de emitter van de stroomdetectietransistor Q.j bedraagt.

In dat geval geldt, dat indien de collector-stroom van de stroomdetectietransistor Q1 gelijk i^ is en de collectorstroom van de transistor Q2 gelijk i2 is, de door de 25 beide transistoren en Q5 gevormde stroomspiegelschakeling 1 teweegbrengt, dat de collectorstroom van de transistor eveneens gelijk i^ is. Aangezien de collectorstroom i^ van de transistor Q2 gelijk is aan de collectorstroom van de transistor Q^f brengt de door de transistoren Q3 en Q4 gevormde stroom-30 spiegelschakeling 2 bovendien teweeg, dat de collectorstroom van de transistor Q4 eveneens gelijk i2 is.

Het voorgaande heeft tot gevolg, dat aan de basis van de detectietransistor Qr een stroom ter waarde van «o het verschil i--i., tussen de collectorstromen i0 en i. toe-2 1 2 1 35 vloeit.

Indien de collectorstroom i^ een neiging tot daling vertoont of indien de collectorstroom i2 een neiging ^ ? %J 'y v v *4 - 5 - tot stijging vertoont, zal de genoemde verschil stroom i2~i.j eveneens gaan dalen, zodat de collectorstroom van de transis-tor afneemt en de serie-impedantiewaarde van de regeltran-sistor Qj toeneemt. Als gevolg daarvan daalt de spanning aan 5 de uitgangsaansluiting , zodat de collectorstroom i^ afneemt en de collectorstroom i^ toeneemt. Dit wil zeggen, dat tegenkoppeling optreedt, waardoor de collectorstromen i^ en i worden gestabiliseerd. Mathematisch kan dit op de volgende wijze worden beschouwd: 70 Indien de basis-emitterspanning van de tran sistor Q.j gelijk VBE1 is en de basis-emitterspanning van de transistor Q2 gelijk VBE2 ^s' kunnei* de volgende vergelijkingen (i),(ii) en (iii) worden opgesteld: VBE1 = R2 * X1 + VBE2 (l) 15 VBE1 VT · VBE2 VT * ^2^ ^n*iS2^ (iü)/ waarin VT = KT/q (T = absolute temperatuur) en waarin ig^, i de respectieve verzadigingsstroomwaarden voor de transis-toren Q1 en Q2 zijn. Uit de.vergelijkingen (i)-(iii) kan de 20 volgende vergelijking worden afgeleid: VT . in (i.j/ig1) = E2i1+VT Jnfi2/(n.ig2)} * ^"1 2 hieruit volgt: V_ . vn.n-r— . — = R-.i.- (iv) .

1 12 XS1

Wanneer de transistoren en Q2 bijvoorbeeld aangrenzend aan elkaar op eenzelfde halfgeleiderchip zijn ge-25 vormd, wordt voldaan aan ig^ = ig2· dat geval kan de verge lijking (iv) worden herschreven tot: VT . in (n.i^/±2) - Κ2,;ίΊ (v) .

Deze vergelijking (v) kan worden herschreven tot:

Xn (n.i^/i2) = R2 . i.j/V.j, 30 n . i-j/i2 51 exP (R2*i.j/VT) ·* . ,-· Λ ^ f 'Ί . v- 1- v - 6 - hieruit volgt: i2 - n · i-j exp

De stroom i2 vertoont derhalve een karakteristiek met een gedeelte met negatieve richtingscoëfficiënt, zoals fig. 2 laat zien. Dit heeft tot gevolg, dat stabilisa-5 tie van de stromen i^ en i2 wordt verkregen in een op dit karakteristiekgedeelte met negatieve richtingscoëfficiënt van de stroom i2 gelegen punt A, waarvoor geldt: lvi)

Indien de uitgangsspanning aan de uitgangsaan-10 sluiting T gelijk V is, kan de volgende vergelijking (vii) worden opgesteld: 7 = R1 · *1 + VBE1 (Vii)

Substitutie van de vergelijking (vi) in de vergelijking (v) geeft: 15 VT . in = R2 . i1 (viii)

Substitutie van de vergelijking (viii) in de vergelijking (vii) leidt vervolgens tot: V = (^/¾) .VT.in.n + VBE1 (ix)

De temperatuurcoëfficiënt dV/dT van de uit-20 gangsspanning V wordt verkregen door de vergelijking (ix) te differentiëren naar de temperatuur T, hetgeen leidt tot: dV _ K . R1 dVBE1 _ Λ ^ !__Γ % XI · H ' j in" "" 0

dT q R2 dT

Uit de vergelijking (x) kan de voorwaarde, waarvoor de temperatuurcoëff iciënt dV/dT gelijk nul wordt, op de volgende wijze 25 worden afgeleid: K R1 . dVBE1 _ .

q · ις *n · n +-dï~ - 0 hieruit volgt: R1 p_ __ dVBE1 . g g-in . π---Jj— g (Xl)

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

30 ’ Algemeen geldt, dat: V -.. v ; :} ,5 4 - 7 - dVBÈ1/dT = ~1'8 * ~2'0

De voorwaarde (xi) krijgt dan de volgende gedaante:

R

|l|n . n = 1,8 x 10 3 x 8,63^ 10~5 =20'86 2 (xii)

Gewoonlijk is het bij de geïntegreerde 5 schakeling betrekkelijk gemakkelijk om voor de weerstands-waardeverhouding r-j/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 aan de voorwaarde (xii) kan worden vol-10 daan, kan ook aan de voorwaarde (xi) worden voldaan. Dit heeft tot gevolg, dat de uitgangsspanning temperatuuronafhankelijk is.

Indien VT = 0,026 (V) en V^- = 0,683 (V), kan uit de vergelijking (ix) en uit de voorwaarde (xii), 15 waaraan is voldaan, worden afgeleid: V = 0,026 x 20,86 + 0,683 = 1,225 (V).

Bij de in het voorgaande beschreven referen-tiespanningsopwekschakeling volgens de uitvinding is het derhalve mogelijk een referentiespanning V zonder enige 20 temperatuurafhankelijkheid te vormen, welke derhalve voor eventuele veranderingen van de omgevingstemperatuur is gestabiliseerd. Bovendien kan de desbetreffende referentiespanning V een laag niveau van bijvoorbeeld 1,225V hebhen, hetgeen geschikt is voor een bij lage bedrijfsspanning werkende, ge-25 integreerde schakeling.

Aangezien de transistoren deze stabiele referentiespanning V krijgen toegevoerd, vertonen deze transistoren zelfs bij een verandering van de ingangsspanning aan de aansluiting een stabiele werking en een zeer geringe span-30 ningsafhankelijkheid. Voorts geldt,„dat aangezien de ingarigs-spanning aan de aansluiting via de regeltransistor als de uitgangsspanning V aan de uitgangsaansluiting T1 verschijnt, het mogelijk is om ook een met de spanning V overeenkomende stroom te verkrijgen.

n ^ *' t -·? T

. Λ Zl· - 8 -

Bij de hiervoor beschreven, eerste uitvoeringsvorm dient de weerstand een betrekkelijk grote weerstandswaarde te hebben, zodat deze weerstand een betrekkelijk groot oppervlakgedeelte van de halfgeleider-chip van de 5 geïntegreerde schakeling in beslag neemt, hetgeen er weer toe leidt, dat de halfgeleider-chip betrekkelijk grote afmetingen heeft. Indien de basis-emitterbaan van één of meer aanvullende transistoren met dezelfde karakteristiek als de stroomdetec-tietransistor parallel aan de basis-emitterbaan van deze 10 laatstgenoemde transistor wordt aangesloten, kan de verhouding van het door de weerstand R^ in beslag genomen oppervlakgedeelte tot het totale oppervlak van de halfgeleiderchip worden gereduceerd, en kan de laatstgenoemde zelf kleinere afmetingen hebben. Zoals fig. 3 bijvoorbeeld laat zien, is 15 bij de desbetreffende uitvoeringsvorm van de schakeling de basis-emitterbaan van een aanvullende transistor Qg evenwijdig aan de basis-emitterbaan van de transistor aangesloten. Daarbij is de collector van de aanvullende transistor Qg met het verbindingspunt van de beide weerstanden R^ en R^ ver-20 bonden.

Aangezien bij de uitvoeringsvorm volgens fig.

3 de weerstandswaarde van de weerstand R^ zeer klein is, is de collectorstroom i 1-van de aanvullende transistor Qg bijna gelijk aan de stroom i^, zodat door de weerstand R^ een stroom 25 van bij benadering 2i^ vloeit. De weerstandswaarde van de weerstand R^ kan derhalve bij de uitvoeringsvorm volgens fig.

3 tot ongeveer de helft van die van de weerstand R volgens fig. 1 worden teruggebracht, zodat het door de weerstand R^ op het chip-oppervlak in beslag genomen gedeelte kan worden 30 verminderd. Indien parallel aan de stroomdetectietransistor een aantal dergelijke aanvullende transistoren zou worden opgenomen, kan de verhouding van het oppervlakgedeelte, dat de weerstand R^ op de halfgeleider-chip in beslag neemt, uiteraard nog verder worden verkleind.

35 Bij een derde uitvoeringsvorm volgens fig. 4 worden de respectieve collectorstromen i^ en i^ van de transistoren Q„ en Q door respectieve weerstanden R_ en R in span- b J w ^ T · '·· '' λ *' Λ v? .· ··..·' V **ƒ m- « - 9 - ningen omgezet. De desbetreffende, respectievelijk met de collectorstromen i2 en i^ overeenkomende spanningen worden respectievelijk toegevoerd aan de niet-omkeer- en de omkeer-ingang van een verschilversterker 3, waarvan het uitgangs-5 signaal wordt toegevoerd aan de basis van de regeltransistor Qj. De regeltransistor wordt dan gedreven door een van de verschilversterker 3 afkomstig signaal, dat met het verschil tussen de over de beide weerstanden en R^ gevormde spanningen overeenkomt.

10 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 bijvoor-15 beeld 1,225V heeft, is de schakeling volgens de uitvinding geschikt voor toepassing bij een geïntegreerde schakeling welke met een lage spanning wordt bedreven.

Voorts kan worden opgemerkt, dat aangezien de transistoren Q^-Qg de stabiele referentiespanning V krijgen 20 toegevoerd, zelfs bij een verandering van de ingangsspanning aan de aansluiting T2 een stabiele werking wordt verkregen. Aangezien de ingangsspanning aan de aansluiting T2 door de regeltransistor tot de aan de uitgangsaansluiting ver schijnende uitgangsspanning V wordt bijgeregeld, kan bovendien 25 een met de uitgangsspanning V overeenkomende stroom worden . verkregen.

De uitvinding beperkt zich niet tot de in het voorgaande beschreven en in de tekening weergegeven uitvoeringsvormen. Verschillende wijzigingen kunnen in de beschre-30 ven details en in hun onderlinge samenhang worden aangebracht, zonder dat daarbij het kader van de uitvinding wordt overschreden .

Claims (5)

1. Referentiespanningsopwekschakeling, voorzien van: een ingangsaansluiting voor ontvangst van een aan variatie onderhevige ingangsvoedingsspanning ten opzichte 5 van een punt van referentiepotentiaal, en van een uitgangsaansluiting voor afgifte van een gestabiliseerde uitgangsspanning ten opzichte van het punt van referentiepotentiaal, gekenmerkt door: een regeltransistor, waarvan de collector-10 emitterbaan tussen de ingangsaansluiting en de uitgangsaanslui-ting is opgenomen, een stroomdetectietransistor, waarvan de collector- emitterbaan in een serieketen met een serieschakeling van een eerste en een tweede weerstand tussen de uitgangs-15 aansluiting en het punt van referentiepotentiaal is opgenomen en waarvan de basis met het verbindingspunt van de beide weerstanden is verbonden, een derde transistor, waarvan de basis-emitter-baan parallel aan de collector-emitterbaan van de stroomdetec-20 tietransistor is opgenomen en waarvan de emitter een omtreks-oppervlak heeft, dat n maal dat van de emitter van de stroomdetectietransistor is, een vierde transistor van hetzelfde geleidbaar-heidstype als de stroomdetectietransistor, waarvan de basis 25 met de basis van de stroomdetectietransistor is verbonden, en door detectiemiddelen voor detectie van een verschil tussen een met de collectorstroom van de derde transistor overeenkomend signaal en een met de collectorstroom van de 30 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 aanvul- 35 lende transistor met dezelfde karakteristiek als de stroomdetectietransistor, van welke aanvullende transistor de -***. /~V «T* **! "i" * i- f - ' ~ . ’ · - 11 - 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 detectie-middelen 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 10 de collectorstromen van de derde en de vierde transistor respectievelijk door de derde en de vierde weerstand in respectieve spanningen worden omgezet.

4. Referentiespanningsopwekschakeling volgens conclusie 3, met hetkenmerk, dat de detectie-15 middelen een verschilversterker omvatten, waarvan de twee ingangen de respectievelijk door de derde en de vierde 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 detectie-middelen een vijfde transistor omvatten, waarvan de collec-tor-emitterbaan tussen de basis van de regeltransistor en het punt van verbindingspotentiaal is opgenomen, terwijl voorts 25 een stroomspiegelschakeling met een zesde 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 30 verbonden. S*-. T. \