SE455544B - Referensspenningsgenerator - Google Patents

Description

455 544 2 Fig 1 visar ett diagram över en tidigare känd referensspännings- generator, Fig 2 visar ett diagram över energigapet Eg hos kissl och dettas temperaturberoende, ' Fig 3 visar ett diagram över temperaturkarakteristika av Fermi- nivåerna hos n- och p-typ kisel med tätheten hos dopnings- meteríelen som parametrar, Fig 4 visar en referensspänningsgenerator enligt föreliggande uppfinning, Fig 5A,5B viser snitt i delar av integrerade kretsar av typ CMOS, Fig 6,7,8 visar andra generatorer enligt uppfinningen, Fig 9 viser karakteristikor för kretsarna enligt Fig 1 och 4, Fig 10A, 108 och10Cvisar så kallade spegel-strömkretsar, Fig 11 viser ett diagram över en provkrets för batterier, Fig 12 viser ett diagram över erbetskurvor för kretsen i Fig 11 och Fig 13 viser ännu en generator enligt uppfinningen.

Uppfinneren har tidigare föreslagit den i fig 1 visade referensspänf ningsgeneretorn. Denna består av en krets B som lämnar en referensspän- ning Vref2 och en krets A som lämnar en förspänning Vref1 som anslutas till kretsen B.

I kretsen B finns ett par misfet Q14'och G15' av p-kanal typ med styr- elektroder av polykristellinska kiselskíkt med motsatta konduktivite- ter. Det betyder att misfet Q14'her en etyrelektrod av n-typ medan Q15' har en styrelektrod av p-typ.

Genom den visade konstruktionen.kommer värdet av referensspänningen Vref2 från kretsen B ett ligga mycket nära skillnaden Vth1 - Vth2 mellan tröskelspänningarna hos de båda misfet Q14' resp 0151 Denna tröskslspänningsskillnad blir lika med skillnaden mellan Fermi=niuåer- na hos n-typ skiktet och p-typ skiktet varför referensspänningen Uref2 blir nära lika med nämnda skillnad i Fermi-nivåerna. Dm tätheten av det dopningsmaterial som bestämmer konduktiviteten hos n-typskiktet 455 544 och p-typskiktst är hög, t ex 1018 atomer/com eller högre, kommer skillnaden i Fermi-nivå att ligga nära bandgapet hos kisel varför även referensspänningen Vref2 kommer att ligga nära detta bandgap.

I den i fig 1 visade generatorn är utgångsspänningen Vref2 stabili- serad med avseende på variationer i temperatur och matningsspänning såsom förklaras i det följande.

Bandgapet hos kisel är temperaturberoende. Detta framgår av halvlsdar- nas fysik såsom denna är framställd grundligt i många publikationer.

Som en sådan kan nämnas "Physics of Semiconductor Devices" av S.M.5ZE, publicerad av John Wiley & Sons i 1969, se kapitel 2 "Physics and Properties of Semioonductors“, sidan 11-65.

Sidan 24 där visar relationerna hos olika halvledare mellan bandgapet Eg och temperaturen och i fig 2 har därifrån tagits ut förhållandena hos kisel.

På samma sätt är Fermi-nivåerna hos kisel av n-typ och p-typ tempera- turberoende och i fig 3 har detta beroende visats vid olika täthet av dopningsmeterial.

Av fig 2 och 3 framgår att'träskelspänningeskillnaden Vth1 - Vth2 mellan misfet G14' och Q15í i fig 1 är spänningaberoende och värdet av denna skillnad avtager med stigande temperatur.

I generatorn i fig 1 är därför driftsströmmarna i 014' och G15' ut- balanserade i förhållande till varandra på lämpligt sätt så att erfor- derlig temperaturkompensetionsspänning bildas av dessa transistorer.

Strömförhållandet mellan dessa trå transistorers driftströmmar inställs på ett lämpligt värde genom lämplig dimensionering av misfet Ql1'- Q13' som bildar en spegelströmkrets samt misfet G16' och G17' som bildar en annan spegelströmkrete.

Referensspänningsgeneratoren i fig 1 innehåller vidare en annan krets A av liknande utseende som kretsen B och omfattande misfet Q10-Q17 455 544 varigenom ingångsströmmarna i spegelströmkretsarna i kretsen B blir mindre känsliga för variationer i matningsspänningen. I kretsen A är driftsströmmarna i misfet D14 och D15 lika stora. Eftersom drifts- strömmarna är lika i misfet D14 av p-kanaltyp med styrelektrod av polykristalliniskt kiselskikt av n-typ ooh misfet D15 också av p-kanal~ typ men med styrelektrod av polykristallínskt kiselskikt av p-typ kommer utgångsspänningen Vref1 från kretsen A att bli konstant även om grundströmmarna från misfet D12 och D13 i kretsen A varierar på grund av variationer i matningsspänningen VDD. Detta innebär att utgångsspänningen Vref1 blir lika med skillnaden mellan Fermí-nivåerna av n-typ kisel och p-typ kísel. Eftersom misfet D10' i kretsen B matas med den konstanta förspänningen VreF1 över styre och emitter kommer den att ge en konstant kollektorström som inte påverkas av variationer i matningsspänningen UDD. Det har konstaterats att grundströmmarna från kollektorerna på misfet G12' och B13' som svar på förnämnda kollektor- ström inte blir beroende av matningsspänningen och följaktligen blir spänningen Vref2 från kretsen B inte heller beroende av matningsspän- ningen.

Emellertid innehåller den i fig 1 visade generatorn ett stort antal kretselement eftersom den består av två likadana kretsar, nämligen kretsen A som skall stabilisera grundströmmarna oberoende av varia- tioner i matningsspänningen och kretsen B som skall ge utgångsspänningen Vref2 med temperaturkompensatíon. Dessutom har experiment visat att trots temperaturkompensationen kommer karakteristiken för utgångsspän- ning - temperatur För denna generator att kröka litet uppåt såsom visat med kurvan L1 i fig 9, varav framgår att det är svårt ett få fullständig temperaturkompensation för spänningen Vref2 inom ett större temperaturområde.

Enligt_föreliggande uppfinning däremot får men Fram en referensspän- ningsgenerator med ett relativt litet antal kretselement och med till- fredsställande temperaturkompensation över ett vitt område. 455 544.

Enligt föreliggande uppfinning innehåller generatorn ett par misfet transietorer med olika tröskelspënningar av vilka den första är diod-kopplad, medan den andra är kopplad som amitterföljare och är ansluten till kollektorepänningen hos den första. Följaktligen kommer emittern hos den andra mísfet att ge en spänning som är lika med skillnaden mellan de två traneistorernas tröekelspänningar. Vidare finns en matningskrets för att lämna matningsströmmar till de båda transistorarna. Matningskretsen innehåller en misfet som med sitt styre är ansluten till spänningen på amittern på den andra misfet i nämnda par. De matningsströmmar som anslutas till dessa tvâ transi- storer bestäms av misfet i matningskretsen. Genom att denna misfet har en motsvarande tröskelspänning - temperatur - karakteristik kommer tröakelspänningsskillnaden för den första och andra misfet och därmed emitterspänningen för den andra att bli temperaturkompen- serad.

Fig 4 visar ett kretsdiagram för en sådan referensspänningsgenarator.

Häri utgör, utan att det är avsiktligt, misfet av pfkanaltyp och n- kanaltyp komplementära kretsar och de bildas på en enda kisal-chip genom den kända CNUS teknologi för integrerade kretsar vilken inne- fattar polykristallínsk, självjustarande kiselteknik.

Ett polykristallinskt kiselskikt som fungerar som styrelektrod för en n-kanal misfet G1 består huvudsakligen av material av p+konduktivitet, Üe polykristallinska skikten som bildar styrelektroder för misfet G2 och DS av n-kanaltyp består av material av n+konsuktivitet liksom styrelaktrnden hos en vanlig n-kanal misfet framställd genom den kända polykriatallinska, självjusterande kíseltekniken. Styralektrodarna hos p-kanal misfet G4 ooh G5 består av polykristallinska kiselskikt av p+konduktivitet.

En misfet, som t ex G1, vara styrelektrod har motsatt konduktivitet i förhållande till denna trensistors kenal-konduktivitet är inramad med en cirkel. Därmed är de övriga misfet klart skiljbara från denna typ av misfet. Detta gäller för alla kretsdiagram i denna beskrivning. 455 544 Fig SA och 58 visar snitt i misfet-transistorerna.

Ritningarna visar ett enkristallinskt kisalsubstrat 1 av n-typ vara utsträckning är parallell med kristallplanet. Huvudparten av ytan på detta substrat är täckt av ett tjockt oxidskikt 2 t ex med en tjocklek av omkring 1 pm och framställt med känd lokal oxidations- teknik. De delar av substratet som inte är täckta av oxidskiktet 2 är avsedda för aktiva regioner för bildning av kretselement.

P-kanal misfet Q4 består av en amitterregion 4a och kollektorregion 4b,båda av p+typ och bildade i ytan av substratat 1 samt att p+typ polykristallinakt kiselskikt 7a bildat på ytan av substratet 1 över en styriaolerande film Ba. Detta kiselskikt 7a bildar styrelaktrod för misfet G4.

På ytan av substratet 1 har vidare bildats basregionar 3a och 3b av p-typ för att bilda de två n-kanal misfet 01 och 02.

Misfat Q1 består av emitterregion 5a och kollektorregion 5b, båda av n+typ och bildade i ytan av basregionen 3a samt ett polykristallinskt kieelskikt ?b bildat på ytan av basregicnen 3a över en styrisolerande film 6b. Mittpartiet G2 av kiselskiktet 7b är av p+typ medan ändpartier- na G1 och G3 är av n+typ utan att dessa är hårt avskilda.

Misfet H2 består av amitterragion 5c och kollektcrragion Sd båda av n+typ och bildade i ytan av basregionen 3b samt ett polykristallinskt kisalskikt ?c av n+typ bildat på ytan av basregionen 3b över en styr~ isolerande film 60.

Som visat i fig 55 finns det på ytan av basrsgicnen Sa en kontakt- region 4c av p+typ. Över oxidskiktst 2 har lagts an isolerande film B av sxempalvisfosfor- silikatglas som även täcker en del av de misfet som har bildats på ytan av substratet. Pâ ytan av filmen 8 finns vidare ledande skikt 9a-99 exempelvis bildade av förångat aluminium. Dessa ledande skikt har 455 544 ledande förbindelse med de olika miefet-regioner. För att öka överslagsspänningen mellan styre och kollektor hos de olika mis- fet och samtidigt undvika oönskad förorening av kiselekikten 7a-?c har på ytan av dessa bildats tunna oxidskikt genom termisk oxidation innan filmen 8 lades pâ. I fig 5A har dock denna oxid- film utelämnats för att undvika ett komplicera ritningen.

Den integrerade kretsen som visas i fig SA och 5B kan framställas genom den så kallade CMOS teknologi utan att ändra något på denna process.

När exempelvis basregionerna Sa och Sb av p-typ, cxidfilmen 2 och de styrisolerande skikten 5a-6c har bildats läggs ett polykristel- linskt kiselskikt över hela ytan av eubstratet 1 genom den kända CVD-processen (chemical vapor deposition: kemisk ångavlagring).

Genom selektiv etsning av dette skikt bildas kiselskikten 7a-7c.

Därefter läggs åter över hele ytan en första kieeloxidfilm som skall bilda mask för dopning. Selektiv stening sker för att frilägga de delar som skall bilda miefet av p-kanaltyp, delen G2 på kiselskiktet 7b och den dal som skall bilda kontektregionen 40. Därefter aker p-typ dopning exempelvis med bor genom diffusion in i de polykristal- linska skikten och de delarna av eubstratet som inte är täckte av den första oxidfilmen. så så vis bildas regionerna 4aê4c av p+typ.

Samtidigt utbildas hela kieelskiktet ?a och mitten G2 av kiselekiktet 7b till p+typ.

Därefter avlägsnas den första kieeloxidfilmen och en andra kieal~ oxidfilm påläggs för att bilda en ny dopningsmask. Denna oxidfilm avlägsnas på de delar som täcker de partier som skall bilda emitter~ och kollektor zoner för miefat G1 och ändpartierna G1 och G3 av kieelskiktet ?b samt den dalen som skall utgöra misfet Q2. *' Nästa steg är en n-typ dopning med exempelvis fosfor i de poly- kristallinska kisalskikten och i ytorna av basregionerna Sa och Sb 455 544 där dessa är fria. Därvid bildas halvledarregionarna Sa-5b av n+typ.

Vidare blir ändpartierna G1 och G3 av kiealekiktet 7b och hela kiselskiktet ?c av n+typ. Ãndpertierna G1 och G3 av skiktet ?b n-typ-dopas för att uppnå att läget för ändpartierna av emitter- och kollektorregionerna Sa och 5b av n+typ bestämmas av skiktet 7b dvs att regionerna 5a och 5b bildas genom självjustering. Bredden av ändpartierna G1 och G3 bestäms genom maskene justeringsprecision.

N-kanal misfet Q1 har en tröskelspänning Vth1 av relativt stort värde genom att delen G2 av dess styrelektrod är gjord av ett p+typ polykristallinskt kiselskikt. Däremot har n-kanal misfet Q2 en relativt låg tröskelspänning Uth2 därigenom att dess styrelektrod är gjord av ett n+typ polykristallinskt kiselskikt, Basregionerna Sa och 3b av p-typ i vilka kanalerna för vederbörande misfet G1 och Q2 bildas har bildats samtidigt genom IC (integrated circuít) produktionsteknologi så att de innehåller samma täthet av konduktivitetetyp-bestämmande dopníngsmaterial. Även de isolerande filmerna 6b och So har bildats samtidigt vertör de innehåller samma material i samma tjocklek. Genom att kanalregionerna av misfet Q1 och Q2 har likadana karakteristikor ooh denatyrisolerande filmen Gb och 6: är av samma material och tjocklek kommer skillnaden mellan tröskel- spänningarna Vth1 och Vth2 att bli lika med skillnaden mellan Fermi- nivåerna hos polykristallinskt kisel av p+typ och n+typ. Kiseln av n+typ innehåller det konduktivitetstyp-bestämmande dopningsmaterialet i hög täthet, t ex 1018 atomer/com och har en Fermi-nivå nära bottnen av dess konduktivítetsband. Kiseln av p+typ däremot har en Fermi-nivå som ligger nära toppen av dess valensband. Följaktligen får tröskel- spänningeekillneden (Vth1-Vth2) ett värde som ligger nära kiselne bandgap.

I tig 4 är misfet H1 diodkopplad genom att styre och kollektor är hopkopplade. Kollektorn på misfet Q1 är vidare kopplad till styret på miefet Q2. Nisfet,Q2 bildar tillsammans med misfet Q3 en emitter- följarkrets. En grundström som flyter mellan kollektor och smittar på miefet 02 bestämmas av misfet G3. På mísfet G3 är kollektor och 455 544 styre förbundna för att denna grundström skall bestämmas av en utgångsspänning Uref som lämnas från emittern på misfet G2. Nisfet QS är således diodkopplad. För ett få fram en grundström till mis- fet G1 finns en spegelkopplad strömkrats CM1 bildad av de två misfet G4 och Q5 av p-kanaltyp. Denna strömkrete blir en konstant strömkälla. Genom de i figuren visade kretekopplingarna kommer ingångsgrundströmmen för den spegelkopplade konstanta etrümkällan, att lämnas från kollektorn på misfet 02. Följaktligen kommer grund- strömmen genom Q1 att stå i exakt förhållande till grundströmmen genom misfet H2.

Nisfet G4 ooh G5 i fig 4 är av p-kanaltyp och har deras emittrer kopplade till en effektmatningsklämma VDD tillsammans med deras respektive substratstyren (dvs kiselsubstratet 1 av n-typ visat i fig SA). För att undvika att komplioera ritningen har dock förbin- delselinjerna mellan dessa substretstyren ooh klämman UDD utelämnats.

Av samma orsak har förbindeleelinjerna till substratstyren i alla misfet av p-kanaltyp utelämnate i alla följande kretsscheman, som beskrivas nedan.

N-kanal misfet 01 och 03 har deras respektive aubstratstyren till- sammans med deras emittrar anslutna till en referenepotentíalklämma GND som exempelvis kan ligga på kretsens nollpotential.

I denna koppling är det önskvärt ett tröskelepänningeekillnaden (Vth1-Uth2) för misfet G1 och Q2 inte påverkas av andra faktorer än skillnaden mellan Fermi-nivåerna hos polykristallinek kisel av p+typ och n+typ. Om substratstyret på misfet 02 vore kopplat till grundpotentialklämman GND kommer en spänning lika med utgångaapän- ningen Vref att anslutas över emitter och substratstyre på misfet G2.

Som-följd därav kommer tröskelspänningen Vth2 att ökas med sebstratets inneboende effekt. Storleken av den härav följande ökningen av tröekelspänningen påverkas av Fermi-nivån i en halvledare. motsatt härtill kommer tröskalspänningen Vth1 i Q1 inte att pâverkas av 455 544 1D substratets inneboende effekt enär emitter och substratstyre i misfet 01 har samma potential. På så vis skulle tröskelspännings- skillnaden (Vth1-Vth2) bli litet mindre än skillnaden i Fermí- nivåerna.

I den visade utformningen, även om det inte är av avgörande bety- delse, är substratstyre och emitter hos misfet 02 hopkopplade lik- som i misfet G1 för att undvika en sådan reducering av tröskel~ spänningsskillnaden.

Härefter skall de elektriska karakteristikorna för kretsen beskrivas.

Storleken m är en strömfaktor i den spegelkopplade strömkretsen CM1 som består av misfet 04 och 05 och Io anger grundströmmen i misfet G2.

Den grundström som kopplas till kollektorn på misfet 01 blir då mxIo.

Transkonduktanserna hos misfet Q1,Q2 och 03 benämnes¿?o(U1/L1), ßoüuz/Lz) uchfiuüus/Lz), därßo är en konstant, v är kanalbreduen och L är kanallängden. Uth1,Vth2 och Vth3 betecknar tröskelspän- ningarna för de motsvarande misfet Q. Utgångsspänningen Vref får då följande värde: Grundströmmen Io bestäms av misfet QS och värdet av den blir - “3 (v v >2 <2) 10 _ Y Bo (fš) ref _ th3 ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' " Av ekvationerna (1) och (2) får vi följande uttryck för utgångs- spänningen: 455 544 11 Vref = {(V1-.n1 " Vthz) _ A Vtngl/Ü " A) "'(3) där termen A är konstant och framgår av . w w W W _ 5 _1 f __ J. .å } _ A= kišmlq) Fn /aLm/(LZ) (d) Av ekvationerna (3) och (4) framgår att utgångsspänningen Vref får ett värde som endast bestäms av storlek och tröskelspänning hos de olika misfet~traneistorerna och som är helt oberoende av metningsspänningen VDO.

Av ekvation (4) framgår att konstanten A kan bli noll om faktorn m och storleksförhållandena hos misfet Q1 och 02 ges lämpliga värden.

Detta blir fallet om t ex m är lika med 1 (en) och miefet G1 och G2 är lika stora. Därmed blir utgångespänningen Vref lika med tröskel- spänningsskillnaden (Vth1 - Uth2) dvs lika med skillnaden i Fermi- nivåerna hos polykristallinek kisel av p+typ och n+typ såsom framgår I av ekvation (3). ' Emellertid måste man ta hänsyn till det Förhållandet att bandgapet hos kisel är temperaturbaroende såsom framgår av fig 2 och att Fermi-nivåerna hos kiaelmaterial av p-typ och n-typ är temperatur- beroende såsom framgår av fig 3.

Om styrelektroderna hos misfet 01 och 02 är gjorda av polykristal- linskt kisel såsom beskrivits ovan kommer tröskelspänningsekillnedan (Vth1-Vth2) att få en temperaturkarakteristik ungefär som temperatur- beroendet hos Fermi-nivåerna av polykristallinakt kisalmaterial. Dm exempelvis dessa kiaelskikt som skall bilda styrelektroder pä misfet G1 och Q2 är dopade med bor resp fosfor med hög täthet dvs i det närmaste lika med mättnad för att få en tröskelspänningsskillnad (Vth1-Vth2) på omkring 1,2 volt kommer den uppmätta temperaturko- efficianten hos denna spänningsskillnad att bli omkring -0,3 till 0,5 mv/°c. 455 544 12 I denna utformning tas hänsyn till temperaturberoendet hos skillnaden (Vth1-Vth2) och tröskelspänníngen Vthå.

Um högersidan av ekvation (3) dífferentieras med avseende på temperaturen får man följande temperaturberoende hos utgångs- spänningen Uret: ”ref = fàwthl _ VW) - p. [Mimi /h _ p.) --- fail' 'öT “T För ett utgångsspänningens Vref temperaturberoende skall bli noll måste konstanten A vara beroende av temparaturbsroendet hos spän- ningsskillnaden (Vth1-Vth2) och hos tröskelspänningen Vth3 så att högarsidan av ekvationen (5) blir lika med noll. Som framgår av ekvation (4) är konstanten A beroende av storleksförhållandst hos de olika misfet Q och strömfaktorn. Av fig 2 och 3 Framgår att temperaturkarakteristikan för spänningsskillnaden (Uth1-Vth2) är något konvex. Även om det inte är visat är detta även fallet med tröskelspänningen Vth3 hos misfet Q3.

I kretsen enligt fig 1 där den temparaturkompeneerande spänningen härledas från misfet G14' och Q15' med obalanserade strömmar kan tröskelspänningsskillnaden endast korrigerae inom ett ganska snävt temperaturområde. Följaktligen blir utgångsspänningen Vref2 i kretsen i fíg 1 krökt som visat med kurvan L1 i fig 9 såsom tidigare nämnts.

I motsats härtill har i kretsen enligt fig 4 tröskelepänningen Vth3 ett tempereturberosnde liknande det hos träskelspänningeskillneden (Vth1-Vth2) så att temperaturberoendst hos denna spänningsskillnad kan bli tillfredsställande kompenserad över ett vitt temperatur- 1 område.

Kurvan L2 i fig 9 visar det uppmätta resultatet av utgångsspänningen Vraf i ett fall där misfet Q1 och Q3 har gjorts likadana och där 455 544 strömfektorn m i strömkretsen CN1 bestående av misfet G4 och G5 är 1,5 vilket innebär att konstanten A blir 0,22.

Av fig 9 framgår att utgångsepänningen Vref är konstant, oberoende av temperaturen och att temperaturkoefficienten kan bli noll genom lämpligt vel av konstanten A.

Fig 6 visar en annan kretslöening enligt uppfinningen. I denna krets finns en spegelkoppled strömkrets CN2 bestående av misfet 03 och Q6 och en annan spegelkopplad strömkrets CN3 bestående av misfet QS och Q4. Kollektorströmmen hos misfet Q4 anslutas till en n-kanel misfet Q1 med polykristallinsk kiselelektrod av p+typ.

Genom lämpligt val av storleken på misfet Q3 och Q6 fås ett lämpligt strömförhållande för dessa. Därmed fås även ett lämpligt strömför- hållande för misfet Q1 och Q2.

Genom lämpligt val av grundströmeförhållande för misfet G1 och 02 och av storlekarna på misfet Q1,Q2 och G3 uppnås en önskad utgångs- spänning Vref som är stabil mot variationer i temperatur och mat- ningseffekt liksom vid kretsen enligt fig 4.

I kretsen i fig 6 kan grundströmsförhâllandet för misfet 01 och Q2 också bestämmas genom val av storlakeförhâllandet mellan misfat Q5 och G4 som bildar strömkretsen CN3 i stället för att ändra på storleks- förhàllendet mellan misfet 03 och G6.

I kretsen i fig 6 hålls kollektorn på misfet Q2 på en hög spänning genom att vara kopplad till matflingsklämmen VDD. Av denna orsak kan kretsen i fig 6 arbeta tillfredsställande vid en lägre matníngsspän- ning än den för kretsen i fig 4 lägst möjliga.

Fig 7 visar ännu en kretslösning. I denna har kollektorströmmen från en misfet Q3 anslutits till en spegelkopplad strömkrats CM4 bestående av misfet 07,06 och Q4. 455 544 14 En utgångsström från strömkretsen CMA kopplas till en diodkoppled misfat G1 medan den andra utgångsströmmen från CM4 är kopplad till en spegelkopplad strömkrets CNS bestående av misfet Q8 och 05. Från denna strömkrets fås en grundstrüm genom misfat G2.

Niefet Q1,Q2 och G3 är uppbyggda på samma sätt som de i fig 4 och 6 visade misfet av samma nummer.

Genom den i fig 7 visade kopplingen fås en konstant spänning Vref över styret på misfet G3.

Grundströmsförhållandet för misfet Q1 och G2 bestäms genom lämpligt val av etrömfaktor för åtminstone den ena av strömkretsarna CM4 och CNS.

Kretsen enligt fig 7 har den fördelen att dess utgångsspänning Vref är endast litet beroende av variationer i matningsspänningen såsom skall förklaras nedan.

Emitter-kollaktorspänningen över miefet Q4 varierar med matnings- spänningen. Därigenom kommer kollektoretrömmen i misfet G4 att variera i storlek på grund av den kända kanallängd-modulationaeffekt.

Följaktligen varierar grundströmmen i misfet G1.

På grund av kanallängdaffekten kommer emellertid även grundströmmen i miefet Q6 att variera tillsammans med grundströmmen i 04. Följ- aktligen kommer då strömförhållandet mellan G4 och Q6 ett bli kon- stant i beroende ev storleksförhållandet mellan dessa två miefet, och oberoende av variationer i matningsspänningen. Emitter-kollaktor- spänningen för misfet H5, som ingår i etrömkretsen CM5, hålls kon- stant av misfet H2. Strömfaktorn för strömkretsen CMS kommer därför att'hållae konstant oberoende av variationer i matningsepänfiingen.

Resultatet blir att strömförhållendet för misfet Q1 och Q2 också blir relativt konstant oberoende av variationer i matningsspänningen. 455 544 15 Följaktligen blir variationerne i utgångsspänningen Vref ganska små,oheroende av variationer i matningespänningen. Ännu en kratelösning visas i fig 8. I denna har utgångaspänningens oberoende av matningsspänningen förbättrats ytterligare. I en misfet som drivs i mättningsområdet kommer på grund av den kända kanel- längdeffekten smittar-kollaktorströmmen ett ändra sig på grund av ändringar i emitter-kollaktorspänningen även om en konstant för- spänning anslutas över styre och smittar.

I kretsen i fig 4 är styre och kollaktor hopkopplade på den ena misfet Q4 i etrömkreteen CM1 varför smittar-kollektor-spänning i denna misfet blir i huvudsak like med tröskelspänningan. Följaktligen kommer emitterkollaktorspänningen i miefet G4 ett hålla ett någorlunda konstant värde oberoende av variationer i matningespänningen VDD. I den diodkoppleda misfet Q1 får emitter-kollaktorspänningen någor- lunda konstant värda varför emitter-kollektorspänningen i den andra misfet Q5 i strömkretsen CM1 varierar med metningsspänningen UDD.

Kollektorströmmen i miafet Q5 kommer därför att variera ganska mycket med variationer i metningsspänningen VDD. När kollektorström- men i misfet H5 varierar kommer även strömfaktorn i etrömkretsen CN1 att variera med variationer i matningsspänningen VDD. Följaktligen kommer utgångespänningen Vref i kretsen i fig 4 att få ett viset matningsspänningebaroende.

I kretsen i fig 8 består strömkretsan CM1 av p-kanal miefet QS och G4. Dessutom finns en differantialförstërkare D-AMD bestående av p-kanal misfet G7 och QB för Förstärkning ooh av en spegelkopplad strömkrets bestående av n-kanel misfet Q9 och G10. En p-kanal misfet Q6 är inkopplad mellan kollektorn på utgångemisfet Qà i strömkretsen CN1 och styre och kollaktor på den diodkopplada misfet Q1. Styret på misfet Q6 är anslutet till utgången på differëñtial- förstärkaren D-AMP.

Som visat är kollektorspânningerna på misfat Q4 och G5 anslutna till förstärkaren D-AMF. Utgångan från denna är negativt återmatad 455 544 16 till styret på misfet Q6. På grund härav blir kollektorspänningen på misfet Q4 lika med den på mísfet G5.

Genom att smittar-kollektorspänningarna på misfet G4 och Q5 är lika stora kommer de relativa variationerna i emitter-kollektor- strömmar i dessa misfet baserade på respektive kanallängd-modula- tions-effekter att bli lika stora. Följaktligen kommer strömfaktorn m i atrömkreteen CN1 ett bli konstant, oberoende av variationer i matningespänningen VDD. Därmed kommer utgångeepänningen Vref i kretsen i fig 8 att bli i huvudsak oberoende av matningsspänningen.

Fig 10A till 108 visar olika utformningar av spegelströmkretsen CN1 med en etrömfaktor m som endast varierar litet med kenallängdmodula- tionseffekten.

Var och en av kretsarna i fig 1ÛA-10C kan ersätta strömkretsen CN1 i fig 4 eller strömkreteen CM1 i fig B eller differentialförstärka- ren D-ANP och misfet Q6 i denna Figur. Kretsen i fig 10A är den som innehåller minsta antalet misfet-trensietorer. Um i fig 1DB eller 108 misfet G23 har samme tröskelspänning som misfet 022 resp Q24 kan smittar-kollektor-spånningarna i misfet Q4 och H5 hållas lika.

För att säkra detta oberoende av strömfaktorn m kan storleksfürhâl- landet mellan misfet Q23 och H22 (resp B24) göras like med storleks- farhålianuet mellan misêet-oø» och os.

Referenespänningsgeneratorn enligt uppfinningen kan få olika använd- ningar.

Exempelvis är den väl lämpad för kontroll av batterier såsom visas i Fig 11 som viser en anordning Für provning av batterier För exempel- vis elektroniska räkneapparater vilken anordning är avsedd ett ge någon signal eller alarm vid för låg spänning. Fördelen vidren krets enligt upptinningen är ett den innehåller ett litet antal komponen- ter och lätt kan framställas som en 1-chip N15 integrerad krets. 455 544 17 Kretsen i fig 11 arbetar på följande sätt. En icke visad signal- generator ger en nollställningssignel när anordningen kopplas in.

Flip-flop kretsen FF blir därför nollställd. En spänningsdelare bestående av motstånden R1 och R2 anslutas till batterispänningen Eo och ger spänningen (R2xEo)/(R1+R2). Denna spänning ooh spänningen från referensspänningsgeneratorn jämföras i förstärkaren EMP.

Um batterispänningen Eo är större än att på förhand givet värde kommer utgångseignalen från OMP att bli låg dvs i huvudsak lika med jordpotential.

Om däremot spänningen Eo har gått under nämnda värde kommer utgångs- signalen från förstärkaren CNP ett bli hög, t ex lika med batteri- spänningen Eo.

Flip-Flop kretsen FF kommer därför att slå till och ge signal till en icke visad tablå av något slag som ger signal eller alarm'om att batteriet är förbrukat. De olika spänningskurvorna visas i fig 12.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsformerna.

I det föregående har etyrelektroderna gjorts av polykristallinskt kiselskikt av olika konduktivitetstyp för att göra tröskelspänning- erna hos de olika miefet olika. I stället kan man tänka sig kretsar där olika fektorers inflvtande på tröekelspänningarna är olika.

För att exempelvis utnyttja skillnaden i arbetefunktion hos olika styrelektroder kan den ena etyrelektroden i att par misfat göres av polykrietallinskt kisel medan den andra görs av aluminium, molybdän eller liknande. Nan kan också ändra tätheten i det konduk- tivitetstypbestämmende dopningsmaterialet i en del som skall använ- das som kanalragion i den ena miefet av paret genom joninplanterings- teknik eller liknande. T ex kan den diodkopplade miefet 03 i fig 4, 6 och 6 vilken bestämmer grundströmenivån mycket väl ändresafrån n- kanal-typ till p-kanal-typ om nödvändigt. Om man önskar en relativt hög referensspänning kan.exempelvis kretsen i fig 4 kombineras med en linjär förstärkare med lämplig förstärkningsfaktor. Detta kan även uppnås med kretsen i fig 13.

Claims (1)

1. 455 544 18 PATENTKRAV 4G Referensspänningegenerator k ä n n e t e o k n a d därav, att den omfattar en utgångeklämma (To) och en grundkrats omfattande en första misfet-transietor (H3) vers styre och emflïar är anslutna till spänningen över utgångsklämman (To) och en refarenepunkt (GNU) ooh som ger kollektor-emitter- ström med att värde som motsvarar spänningen över styre och smittar, varvid grundkretsen ger första ooh andra grundström- mar proportionella mot kollektor-smittar-strömman i denna första misfet; en andra miefat-translator (G1) vars kollaktor- amitter är inkopplada mellan en första kopplingspunkt och referenspunkten (GND) medan dass styra är kopplat till dass kollektor och dess kollektor-smittar matas med den första grundströmmen; en tredje miatet-transistor (G2) vars styra är kopplet till den första kopplingepunkten medan dess smittar är kopplad till utgångsklämman (To) och dass kollektor-emitter matas med den andra grundströmmen och dass tröskalspänning är mindre än tröskalepänningen hos dan andra misFat;foch ett en spänning motsvarande skillnaden i tröskelpänning mellan den andra och tredje misfet (H1,Q2) ansluts till utgàngsklämman (To) från den tredje misfet (G2) (Fig 4). Raferensspänningsgenarator enligt patentkrev 1, k ä n n e - t e c k n e d därav, att i den tredje miefet (02) är aubstrat- styra och emitter hopkopplade. Referansepänningsgenerator enligt patantkrav 1, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den andra misfet (G1) och den tredje misfat (Q2) har samma kanallängd och kanalbradd och att den första grundströmmen är större än den andra. Referensspänningsgenerator enligt petentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den första misfet (G3) har sitt styre kopplet till dess kollektor. 455 544 7I 19 Referensspänningsgenerator enligt patentkrav 1, k ä n n e - t e c k n a d därav, att grundkreteen omfattar en spegel- kopplad strömkrets (CM1) som matas med kollektorströmmen från den tredje misfet (G2) för att bilda den andra grund- strömmen. Referensspänningsgenerator enligt patentkrev 5, k ä n n e - t e e k n a d därav, ett nämnda etrömkrats (cm) innehåller en fjärde och femte miefet-traneietor (Q4,Q5) både med kon- duktivitetstyp motsatt den tredje miefet (Q2) och vers styren är hopkopplade och vars emittrer är hopkopplade, samt att i den fjärde misfet styre och kollektor är hopkopplade. (Fig 4) Referensspänningsgenerator enligt patentkrav 6, k ä n n e - t e c k n a d därav, att den innehåller en extra krets som utjämnar emitter-kollektorepänningen hos den fjärde och femte misfet (Û4,Q5). Refereneepänningegenerator enligt patentkrev 7, k ä n n e t e o k n a d därav, ett nämnda extra krets innehåller en sjätte miefet-transietor (G6) vare emitter-kollektor är in- kopplade mellan kollektorerne hos den femte misfet (Q4) och den andra (Q1) och som har samma konduktivitetstyp som den femte misfet och en differential-förstärkare (D-AMP) som med en icke inverterende ingång anslutas till kollektorn på den fjärde misfet (QS) och med en inverterande ingång till kollek- torn på den femte misfet samt med en utgång som ger spänning till styret på den sjätte miefet.(Fig B) Referensspänningsgeneretor enligt patentkrau 4, k ä n n e - t e c k n e d därav, ett grundkreteen innehåller en sjätte miefet-transietor (G6) vars styre och emitter är anslutna till styre och emitter på den förste misfet (Q3) samt En spegel- kopplad strümkrete (CMS) matad med kollektorströmmen från den sjätte misfet för att bilda den företa gnundströmmen. (Fig 6). 10. 11. 12. 13I 14' 20 455 544 Referenespänningsgenerator enligt patentkrav 1, k ä n n e- t e c k n e d därav, att grundkreteen innehåller en spegel- kopplad strömkrets matad med kollektorströmmen från den första misfet (QS) För att bilda första ooh andra grundström. Referensspänningegenerator enligt patentkrav 10, k ä n n e - t e c k n a d därav, att spegelströmkretsen (CM4) innehåller en fjärde miefet (Q7) vara styre och kollektor tillsammans är kopplade till kollektorn på den första misfet (QS) och som har motsatt konduktivitetstyp av denna, samt Femte och sjätte misfet (Q6,Q4) vars styren och emittrar är kopplade till styre resp emitter hos den fjärde misfet och som har samma konduk- tivitetstyp som denna varvid kollektorn på den sjätte misfet (Q4) lämnar den första grundströmmen och kollektorn på den femte misfet (G6) lämnar den andra grundströmmen. (Fig 7) Raferensspänningsgenerator enligt patentkrav 11, k ä n n e - t e c k n a d därav, ett spegelströmkretsen (CM4,CN5) inne- håller en sjunde miefet (QS) vare styre och kollektor till- sammans är anslutna till kollektorn på den femte misfet (H6) ~ och som har samma konduktivitet som den Första misfat (G3) samt en åttonde misfet (G5) som har styre och emítter kopplade till styre resp smittar på den sjunde misfat (QB) och också har samma konduktivitetstyp som den Första misfet (QS) varvid den andra grundstrdmmen lämnas av kollektorn på den åttonde miafet. (Fig 7) Referensspänningsgenerator enligt patantkrav 1, k ä n n a - t e c k n a d därav, ett de tre första misfet är bildade på ett helvledarsubstrat (1) för en integrerad krets av CMOS-typ. (Fig 5A) Referensepänningsganerator enligt patentkrav 13, k ä n-n e - t e c k n a d därav, att styret (7b) på den andra misfet (Q1) och styret (7c) på den tredje misfet (H2) är gjorde av mate- rial med olika arbetsfunktion. (Fig SA) 455 544 15. 16I 17. 18. 21 Rafereneapänningsgenerator enligt patentkrav 14, k ä n n e - t e o k n a d därav, att etyrana på den andra och tredje miefet (Q1,Q2) är gjorda av kisal. Refarensspänningsgenarator enligt patantkrav 15, k ä n n e -~ t a c k n a d därav, att andra och tredje miefet (Q1,Q2) är av n-kanal-typ. Refaransspânníngeganerator enligt patentkrav 16, k ä n n e - t e c k n a d därav, att styret på den andra mísfet (01) är av p-typ medan styret på den tredje miafet (02) är av n-typ. Referensspänningsgenerator enligt patentkrav 17, k ä n n a - t a o k n a d därav, att den andra och tredje misfet (Q1 och G2) är bildade på basregíoner (3a,3b) av p-typ bildade i ytan av halvladarsubstratet (1) och elektriskt oberoende av varandra.