WO1997044722A1 - Bandgap-reference voltage circuit for producing a temperature-compensated reference voltage - Google Patents

Bandgap-reference voltage circuit for producing a temperature-compensated reference voltage Download PDF

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WO1997044722A1
WO1997044722A1 PCT/DE1997/000939 DE9700939W WO9744722A1 WO 1997044722 A1 WO1997044722 A1 WO 1997044722A1 DE 9700939 W DE9700939 W DE 9700939W WO 9744722 A1 WO9744722 A1 WO 9744722A1
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voltage
reference voltage
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bandgap reference
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Inventor
Martin Bloch
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-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
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/30Regulators using the difference between the base-emitter voltages of two bipolar transistors operating at different current densities

Definitions

  • the invention relates to a bandgap reference voltage circuit for generating a temperature-compensated reference voltage with a first and second voltage divider connected between a first and a second voltage terminal, each having a transistor connected to the first voltage terminal as a diode, the transistor in the the first voltage divider via an ohmic resistor and the transistor in the second voltage divider is connected directly to a voltage divider point of the respective voltage divider and the two voltage divider points each via one
  • Resistor device are connected to the second voltage terminal, which is connected on the output side to the first voltage terminal, with its inverting input to the voltage regulator point of the first voltage divider and with its non-inverting input to the voltage divider point of the second voltage divider.
  • a bandgap reference voltage circuit is generally used, such as, for example, from the publication Grube / Dudek: "Prochip PROMETHEUS final report: Robust Analog Design” by the Institute for Microelectronics Stuttgart, pages 2 to 40 and in particular Page 30.
  • These circuits all have a common characteristic: polysilicon resistors which are precisely matched to one another are always used, the size of which is inversely proportional to the current consumption of the circuit arrangement. As a size arrangement, for example, a total resistance of 870 k ⁇ with a current consumption of 14 ⁇ A can be considered.
  • FIG. 1 shows the circuit arrangement of a known band gap reference voltage circuit.
  • the circuit arrangement of FIG. 1 has a differential amplifier device, here a comparator K, the inverting and non-inverting input of which is in each case connected to a voltage divider point of a voltage divider.
  • a first of these voltage dividers is connected between a first voltage terminal 1, which is connected to reference potential, and a second voltage terminal 2.
  • the temperature-compensated reference voltage Vref to be generated can be tapped at the second voltage terminal 2.
  • the first voltage divider has a series connection of a resistor R2 and a bipolar transistor Q2 connected as a diode. The collector and base connection of this bipolar transistor Q2 is the first
  • the connection point of the resistor R2 and the bipolar transistor Q2 is connected to the non-inverting input of the comparator K.
  • a second voltage divider is also connected between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2. This second voltage divider consists of the series connection of a resistor R1, a further resistor R3 and a bipolar transistor Q1, the collector and base connection of which are in turn connected to the first voltage terminal 1.
  • the connection point of the resistors R1 and R3 is connected to the non-inverting input of the comparator K.
  • the two bipolar transistors Q1 and Q2 mentioned are, for example, as shown in FIG.
  • FIG. 1 also has a third voltage terminal 3, which is connected to a supply voltage Vdd connected.
  • a p-channel MOSFET is connected between the second voltage terminal 2 and the third voltage terminal 3, the gate connection of which is acted upon by a control voltage V bias in order to implement a current source.
  • the two bipolar transistors Q1 and Q2 are operated in this known circuit arrangement with different current densities II and 12. This should be done for different emitter base voltages Vbel and Vbe2 at the bipolar transistors Ql and Q2 according to the following relationship:
  • the resulting voltage difference ⁇ Vbe between the two emitter connections of the bipolar transistors Q2 and Q1 is directly proportional to the operating temperature of the circuit arrangement and has a positive temperature coefficient, as the following relationship shows:
  • M is the ratio of the emitter area of the bipolar transistor Q1 to the emitter area and the bipolar transistor Q2.
  • This voltage difference .DELTA.Vbe is increasingly added to the emitter-base voltage of the bipolar transistor Q2, so that its negative temperature coefficient is compensated for.
  • the resulting total voltage is the reference voltage Vref and is approximately of the order of 1.2 V.
  • Voltage ⁇ Vbe are in the known circuit arrangement of FIG. 1 by the size of the resistors Rl, R2 and R3 used and the emitter areas of the bipolar transistors Ql and Q2 according to
  • the comparator K with a subsequent output stage in the form of the MOSFET M30 ensures that the voltage divider points A and B are at the same potential.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a bandgap reference voltage circuit in which small polysilicon sheet resistances are sufficient and which are therefore suitable for use in a logic process.
  • the circuit arrangement is intended to generate an accurate, temperature- and input voltage-independent reference voltage using relatively small resistances, the power consumption in comparison to the known band gap Reference voltage circuits should not be increased. Furthermore, the circuit arrangement should enable good matching of the components with one another and thus contribute to a high yield in production.
  • the resistance devices are formed by resistance elements with decreasing conductance as the temperature rises and are connected to the second voltage terminal via a current mirror arrangement in that an ohmic resistor is connected to the voltage divider point of the second voltage divider is connected, which is connected with its free terminal, at which the temperature-compensated reference voltage can be tapped, to the second voltage terminal via the load path of a transistor, the control connection of this transistor being connected to the connection point of the current mirror arrangement and the resistance devices is connected that supply terminals of the differential amplifier arrangement are connected to the first and second voltage terminals, and that a controllable current source is connected between the second voltage terminal and a third voltage terminal st.
  • the circuit arrangement according to the invention in contrast to the known bandgap reference voltage circuits, it is not the reference voltage itself that is regulated directly, but rather the control voltage applied to the second voltage terminal, which is at a higher potential. This ensures that disturbances in the supply voltage, which is connected to the third voltage terminal, are better damped and generate smaller disturbance amplitudes in the reference voltage. Furthermore, this decoupling ensures the stability of the bandgap control loop.
  • the control voltage at the second voltage terminal is preferably set by a regulated voltage divider. This is done by the bandgap reference voltage circuit certain constant current impressed. A control deviation at the voltage divider points of the two voltage dividers and thus at the differential voltage input of the differential amplifier arrangement is amplified by the differential amplifier arrangement and corrected by a change in the gate-source voltage in an output stage transistor.
  • the comparator preferably has a symmetrical input stage for reducing the comparator offset.
  • an attenuator can be installed between the drain connection and the gate connection of the output stage transistor.
  • the mentioned resistance elements with decreasing conductance with increasing temperature are realized by MOSFETs. This results in a higher temperature independence of the circuit arrangement.
  • Fig. 3 an embodiment of a bandgap reference voltage circuit according to the invention in n-well technology
  • FIG. 4 a more detailed circuit diagram for FIG. 3.
  • the same reference symbols designate the same parts with the same meaning.
  • the band gap reference voltage circuits presented in the following FIGS. 3 and 4 are each shown using n-well technology, it is readily possible to implement the circuits presented there using p-well technology.
  • the circuit arrangement shown in FIG. 3 has a first voltage terminal 1, which in the present case is at reference potential, a second voltage terminal 2 and a third voltage terminal 3.
  • a supply voltage Vdd is connected to the third voltage terminal 3.
  • a control voltage Vreg can be tapped at the second voltage terminal 2.
  • An output stage transistor M18 with its load path is connected between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2.
  • this output stage transistor M18 is an n-channel MOSFET, the gate connection of which is connected to the output terminal of a comparator K.
  • a supply voltage terminal of the comparator K is connected to the second voltage terminal 2 and another supply terminal of this comparator K is connected to the first voltage terminal 1.
  • the inverting input is connected to a voltage divider point A and the non-inverting input of the comparator K is connected to a voltage divider point B of a voltage divider arrangement which forms the "bandgap core" and is described in detail below
  • the voltage divider point A is connected via an ohmic resistor R1 to the emitter terminal of a bipolar transistor Q1.
  • the base connection and collector connection of this bipolar transistor Q1 is connected to the first voltage terminal 1.
  • Another bipolar transistor Q2 is also connected to the first voltage with its base connection and its collector connection. voltage terminal 1 connected, the emitter connection of which is directly connected to the voltage divider point B.
  • the two bipolar transistors Q1 and Q2 are pnp bipolar transistors and are implemented, for example, as parasitic, vertical bipolar transistors (cf. FIG. 2).
  • the voltage divider point A is connected to a switching point C via the load path of a p-channel MOSFET.
  • This circuit point C is connected to the second voltage terminal 2 via a current mirror arrangement consisting of further p-channel MOSFETs M1, M2 and M3.
  • the MOSFET located between the voltage divider point A and the circuit point C is identified by the reference symbol M19. Its gate connection is connected on the one hand to the first voltage terminal 1 and on the other hand to the gate connection of a further p-channel MOSFET M20.
  • the load path of the MOSFET M20 is connected between the current mirror mentioned and the voltage divider point D.
  • the current mirror arrangement has three p-channel MOSFETs M1, M2 and M3, which are connected as follows.
  • the load path of the MOSFET Ml lies between the switching point C and the second voltage terminal 2.
  • the gate connection of the MOSFET Ml is connected to the switching point C, as is the gate connection of the MOSFET M2.
  • the load path of the MOSFET M2 is in series with the load path of the mentioned MOSFET M20.
  • the two gate connections of the MOSFETs M1 and M2 are connected to the gate connection of the MOSFET M3.
  • the load path of the MOSFET M3 is in series with a resistor R2 which is connected to the voltage divider point B.
  • connection point of the resistor R2 and the load path of the MOSFET M3 also serves as an output connection for the temperature-compensated reference voltage Vref.
  • the load path MOSFET M3 lies between this output connection and the second voltage terminal 2.
  • Voltage V reg is regulated in such a way that the voltage divider points A and B are at the same potential, so the voltage ⁇ V j - ⁇ is mapped to the ohmic resistor Rl and thus determines the current II according to the following formula
  • the value of the temperature gradient of the voltage V De 2 is approximately minus 2mV / l ° Celsius.
  • the formula for determining the design parameters is as follows
  • the circuit arrangement according to FIG. 3 does not directly regulate the reference voltage V re f, but rather the voltage V reg at the second voltage terminal, which is at a higher potential. In this way, disturbances in the supply voltage V ⁇ a at the third voltage terminal can be damped better and smaller interference amplitudes in the reference voltage V re f can be generated. This decoupling ensures the stability of the bad gap control loop.
  • the control voltage V re ⁇ at the second voltage terminal 2 can be regulated by the adjustable current Source, as shown in Figure 3 and designated by reference numeral 4, can be set.
  • FIG. 4 shows a detailed circuit diagram of a bandgap interference voltage circuit according to the invention, in which the comparator K explained in connection with FIG. 3, the current source 4 and the output stage M18 are implemented using specific circuit elements. In order to avoid repetitions, only the circuit-technical differences from FIG. 3 are described below in the explanation of the circuit arrangement in FIG.
  • MOSFETs M4, M5, M6, M7 and M8 shown in FIG. 4 serve as the regulated current source.
  • the MOSFETs M4, M7 and M8 are p-channel MOSFETs and M5 and M6 are n-channel MOSFETs.
  • the MOSFET M4 is connected with one connection of its load path to the second voltage terminal 2 and with its other connection to the load path to a connection of the load path of the MOSFET M5.
  • the other connection of the load path of this MOSFET M5 is connected to the first voltage terminal 1.
  • the gate connection of the MOSFET M4 is connected to the circuit point C of the circuit arrangement, while the gate connection of the MOSFET M5 is connected on the one hand to the connection point between MOSFET M4 and M5 and on the other hand to the gate connection of the MOSFET M6.
  • the load path of the MOSFET M6 is connected in series with the load path of the MOSFET M7, the MOSFET M6 being connected to a connection to the first voltage terminal 1 and thus to reference potential and a connection of the MOSFET M7 to the third voltage terminal 3.
  • the connection point between MOSFET M6 and MOSFET M7 is short-circuited to the gate connection of MOSFET M7.
  • the control voltage V reg at the second voltage terminal 2 is set by a regulated voltage divider consisting of the MOSFET M8 and the MOSFET M18.
  • the connection point between MOSFET M8 and MOSFET M18, which is the output stage transistor, is also the second voltage terminal 2.
  • the MOSFETs M9 to M16 which are also shown in FIG. 4 form the comparator K of the bandgap reference voltage circuit.
  • the comparator K is known per se from the aforementioned publication Laker / Sansen (cf. page 577), so that reference is expressly made to this for the purposes of the disclosure.
  • the comparator K has four p-channel MOSFETs M9, MIO, Mll, Ml6 and M17, and four n-channel MOSFETs M12, M13, M14 and M15. Like the two MOSFETs M15 and M17, the MOSFETs Ml4 and M16 are connected in series and lie between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2. The gate connections of the MOSFETs M16 and M17 are connected to one another and at the same time connected to the connection point of the two MOSFETs M14 and M16. The series circuit of the load paths of the MOSFET M9, the MOSFET MIO and the MOSFET M12 is also connected between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2.
  • the series connection of the load paths of the MOSFETs Mll and Ml3 is connected at the connection point of the two load paths of the MOSFET M9 and the MOSFET MIO and the first voltage terminal 1.
  • the gate connections of the MOSFETs Ml3 and M15 are connected to one another and at the same time connected to the connection point of the MOSFETs Mll and M13.
  • the gate terminals of MOSFETs M12 and M14 are connected to the connection point between MOSFET MIO and MOSFET M12.
  • the gate connection of the MOSFET M9 is connected to the node C of the circuit arrangement.
  • the gate connection of the MOSFET Mll is the inverting input of the comparator K and is therefore connected to the voltage divider point A.
  • the gate connection of the MOSFET MIO is the non-inverting input of the comparator K and consequently connected to the voltage divider point B.
  • the output connection of the comparator K is also the connection point of the two MOSFETs M15 and M17.
  • the output connection of the grain Parator K is connected to the gate connection of the MOSFET M18.
  • a constant current determined by the bandgap reference voltage circuit is impressed into the MOSFET M8.
  • a control deviation at the voltage divider points A and B is amplified by the comparator K and corrected by changing the gate-source voltage at the MOSFET Ml8 in the output stage.
  • the comparator K has a symmetrical input stage to reduce the comparator offset.
  • an attenuator here an RC element, is installed between the drain connection and the gate connection of the output stage transistor Ml8.
  • the damping element is an RC element, the capacitor C1 of which is connected with a connection to the second voltage terminal 2 and with the second connection to the resistor R4.

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Abstract

A voltage Vreg is controlled which is led off from the distribution voltage by a controlled voltage divider. The voltage Vreg is at a higher potential than the reference voltage Vref. An essential portion of the circuit layout is formed by resistors the conductivity of which decreases with rising temperature. These resistors are each connected into one voltage divider, the voltage divider point (A, B) of which remains connected with the input of a differential amplifier (K).

Description

Beschreibungdescription
BANDGAP-REFERENZSPANNUNGSSCHALTUNG ZUR ERZEUGUNG EINER TEMPERATURKOMPENSIERTEN REFERENZSPANNUNGBANDGAP REFERENCE VOLTAGE CIRCUIT FOR GENERATING A TEMPERATURE COMPENSATED REFERENCE VOLTAGE
Die Erfindung betrifft eine Bandgap-Referenzspannungs- schaltung zur Erzeugung einer temperaturkompensierten Refe¬ renzspannung mit einem zwischen eine erste und eine zweite Spannungsklemme geschalteten ersten und zweiten Spannungstei- 1er, die jeweils einen an die erste Spannungsklemme als Diode geschalteten Transistor aufweisen, wobei der Transistor im ersten Spannungsteiler über einen ohmschen Widerstand und der Transistor im zweiten Spannungsteiler direkt an einen Span- nungsteilerpunkt des jeweiligen Spannungsteilers geschaltet ist und die beiden Spannungsteilerpunkte jeweils über eineThe invention relates to a bandgap reference voltage circuit for generating a temperature-compensated reference voltage with a first and second voltage divider connected between a first and a second voltage terminal, each having a transistor connected to the first voltage terminal as a diode, the transistor in the the first voltage divider via an ohmic resistor and the transistor in the second voltage divider is connected directly to a voltage divider point of the respective voltage divider and the two voltage divider points each via one
Widerεtandseinrichtung an die zweite Spannungsklemme geschal¬ tet sind, welche ausgangsseitig an die erste Spannungsklemme, mit ihrem invertierenden Eingang an den Spannungstellerpunkt des ersten Spannungsteilers und mit ihrem nichtmvertierenden Eingang an den Spannungsteilerpunkt des zweiten Spannungstei¬ lers geschaltet ist.Resistor device are connected to the second voltage terminal, which is connected on the output side to the first voltage terminal, with its inverting input to the voltage regulator point of the first voltage divider and with its non-inverting input to the voltage divider point of the second voltage divider.
Bei den meisten integrierten Schaltungen wird eine sehr ge¬ naue, temperatur- und emgangsspannungsunabhängige Referenz- Spannung benötigt. Um eine solche zu erzeugen, bedient man sich im allgemeinen einer Bandgap-Referenzspannungsschaltung, wie diese beispielsweise aus der Veröffentlichung Gru- be/Dudek: "Prochip PROMETHEUS Abschlußbericht: Robust Analog Design" des Institutes für Mikroelektronik Stuttgart, Seiten 2 bis 40 und insbesondere auf Seite 30, beschrieben ist. Die¬ se Schaltungen weisen alle eine gemeinsame Charakteristik auf: Stets werden genau aufeinander angepaßte Polysiliziumwi- derstände eingesetzt, deren Größe sich umgekehrt proportional zum jeweiligen Stromverbrauch der Schaltungsanordnung ver- hält. Als Größenanordnung kommt zum Beispiel ein Gesamtwider¬ stand von 870kΩ bei einem Stromverbrauch von 14μA in Be¬ tracht . In Fig. 1 ist die Schaltungsanordnung einer bekannten Band¬ gap-Referenzspannungsschaltung dargestellt . Die Schaltungsan¬ ordnung von Fig. 1 weist eine Differenzverstärkereinrichtung, hier einen Komparator K auf, dessen invertierender und nicht- invertierender Eingang jeweils mit einem Spannungsteilerpunkt eines Spannungsteilers in Verbindung steht . Ein erster dieser Spannungsteiler ist zwischen eine erste Spannungsklemme 1, die an Bezugspotential geschaltet ist, und eine zweite Span- nungsklemme 2 geschaltet. An der zweiten Spannungsklemme 2 ist die zu erzeugende temperaturkompensierte Referenzspannung Vref abgreifbar. Der erste Spannungsteiler weist die Reihen¬ schaltung eines Widerstandes R2 und einen als Diode geschal¬ teten Bipolartransistor Q2 auf. Der Kollektor- und Basisan- Schluß dieses Bipolartransistors Q2 steht mit der erstenMost of the integrated circuits require a very precise reference voltage that is independent of temperature and input voltage. In order to generate such a signal, a bandgap reference voltage circuit is generally used, such as, for example, from the publication Grube / Dudek: "Prochip PROMETHEUS final report: Robust Analog Design" by the Institute for Microelectronics Stuttgart, pages 2 to 40 and in particular Page 30. These circuits all have a common characteristic: polysilicon resistors which are precisely matched to one another are always used, the size of which is inversely proportional to the current consumption of the circuit arrangement. As a size arrangement, for example, a total resistance of 870 kΩ with a current consumption of 14 μA can be considered. 1 shows the circuit arrangement of a known band gap reference voltage circuit. The circuit arrangement of FIG. 1 has a differential amplifier device, here a comparator K, the inverting and non-inverting input of which is in each case connected to a voltage divider point of a voltage divider. A first of these voltage dividers is connected between a first voltage terminal 1, which is connected to reference potential, and a second voltage terminal 2. The temperature-compensated reference voltage Vref to be generated can be tapped at the second voltage terminal 2. The first voltage divider has a series connection of a resistor R2 and a bipolar transistor Q2 connected as a diode. The collector and base connection of this bipolar transistor Q2 is the first
Spannungsklemme 1 in Verbindung, während dessen Emitteran¬ schluß über den erwähnten Widerstand R2 mit der zweiten Span¬ nungsklemme 2 in Verbindung steht . Der Verbindungspunkt des Widerstandes R2 und des Bipolartransistors Q2 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators K in Verbindung. Ein zweiter Spannungsteiler ist ebenfalls zwischen die erste Spannungsklemme 1 und zweite Spannungsklemme 2 geschaltet. Dieser zweite Spannungsteiler besteht aus der Reihenschaltung eines Widerstandes Rl, eines weiteren Widerstandes R3 und ei- nes Bipolartransistors Ql, dessen Kollektor- und Basisan¬ schluß widerum an die erste Spannungsklemme 1 geschaltet sind. Der Verbindungspunkt der Widerstände Rl und R3 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators K in Verbin¬ dung. Die beiden erwähnten Bipolartransistoren Ql und Q2 sind beispielsweise, wie Fig. 2 zeigt, meist parasitäre, vertikale Bipolartransistoren und im vorliegenden Beispiel p-Kanal- Bipolartransistoren. Eine Ausgangsklemme des Komparators K ist mit dem Gate-Anschluß eines n-Kanal-MOSFET in Verbindung, dessen Laststrecke zwischen die erste Spannungsklemme 1 und zweite Spannungsklemme 2 geschaltet ist. Schließlich weist die bekannte Schaltungsanordnung von Fig. 1 noch eine dritte Spannungsklemme 3 auf, die an einer Versorgungsspannung Vdd angeschlossen ist. Zwischen die zweite Spannungsklemme 2 und die dritte Spannungsklemme 3 ist im vorliegenden Ausführungs- beispiel ein p-Kanal-MOSFET geschaltet, dessen Gate-Anschluß von einer Steuerspannung Vbias beaufschlagt wird, um eine Stromquelle zu realisieren.Voltage terminal 1 in connection, during whose emitter connection is connected to the second voltage terminal 2 via the resistor R2 mentioned. The connection point of the resistor R2 and the bipolar transistor Q2 is connected to the non-inverting input of the comparator K. A second voltage divider is also connected between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2. This second voltage divider consists of the series connection of a resistor R1, a further resistor R3 and a bipolar transistor Q1, the collector and base connection of which are in turn connected to the first voltage terminal 1. The connection point of the resistors R1 and R3 is connected to the non-inverting input of the comparator K. The two bipolar transistors Q1 and Q2 mentioned are, for example, as shown in FIG. 2, mostly parasitic, vertical bipolar transistors and, in the present example, p-channel bipolar transistors. An output terminal of the comparator K is connected to the gate terminal of an n-channel MOSFET, the load path of which is connected between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2. Finally, the known circuit arrangement of FIG. 1 also has a third voltage terminal 3, which is connected to a supply voltage Vdd connected. In the present exemplary embodiment, a p-channel MOSFET is connected between the second voltage terminal 2 and the third voltage terminal 3, the gate connection of which is acted upon by a control voltage V bias in order to implement a current source.
Die beiden Bipolartransistoren Ql und Q2 werden in dieser be¬ kannten Schaltungsanordnung mit verschiedenen Stromdichten II und 12 betrieben. Dies soll für unterschiedliche Emitter- Basis-Spannungen Vbel und Vbe2 an den Bipolartransistoren Ql und Q2 gemäß folgender Beziehung geschehen:The two bipolar transistors Q1 and Q2 are operated in this known circuit arrangement with different current densities II and 12. This should be done for different emitter base voltages Vbel and Vbe2 at the bipolar transistors Ql and Q2 according to the following relationship:
Figure imgf000005_0001
Figure imgf000005_0001
wobei K = 1,380.10~23 JK-1 (Boltzmann-Konstante) und e = 1,602.10-19 C (Elementarladung) .where K = 1,380.10 ~ 23 JK -1 (Boltzmann constant) and e = 1,602.10 -19 C (elementary charge).
Die entstehende Spannungsdifferenz ΔVbe zwischen den beiden Emitteranschlüssen der Bipolartransistoren Q2 und Ql ist di¬ rekt proportional zur Betriebstemperatur der Schaltungsanord¬ nung und weist einen positiven Temperaturkoeffizienten auf, wie die nachfolgende Beziehung zeigt:The resulting voltage difference ΔVbe between the two emitter connections of the bipolar transistors Q2 and Q1 is directly proportional to the operating temperature of the circuit arrangement and has a positive temperature coefficient, as the following relationship shows:
Figure imgf000005_0002
Figure imgf000005_0002
wobei M das Verhätnis der Emitterfläche des Bipolartransi¬ stors Ql zur Emitterfläche und des Bipolartransistors Q2 ist.where M is the ratio of the emitter area of the bipolar transistor Q1 to the emitter area and the bipolar transistor Q2.
Diese Spannungsdifferenz ΔVbe wird verstärkt zur Emitter- Basis-Spannung des Bipolartransistors Q2 addiert, so daß des¬ sen negativer Temperaturkoeffizient kompensiert wird. Die entstehende Summenspannung ist die Referenzspannung Vref und liegt in etwa in der Größenordnung 1,2 V. Die unterschiedlichen Stromdichten und die Verstärkung derThis voltage difference .DELTA.Vbe is increasingly added to the emitter-base voltage of the bipolar transistor Q2, so that its negative temperature coefficient is compensated for. The resulting total voltage is the reference voltage Vref and is approximately of the order of 1.2 V. The different current densities and the amplification of the
Spannung ΔVbe werden bei der bekannten Schaltungsanordnung von Fig. 1 durch die Größe der verwendeten Widerstände Rl, R2 und R3 sowie die Emitterflächen der Bipolartransistoren Ql und Q2 gemäßVoltage ΔVbe are in the known circuit arrangement of FIG. 1 by the size of the resistors Rl, R2 and R3 used and the emitter areas of the bipolar transistors Ql and Q2 according to
Figure imgf000006_0001
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eingestellt. Der Komparator K mit nachfolgender Endstufe in Form des MOSFET M30 sorgt dabei dafür, daß die Spannungstei- lerpunkte A und B auf gleichem Potential liegen.set. The comparator K with a subsequent output stage in the form of the MOSFET M30 ensures that the voltage divider points A and B are at the same potential.
Die Hauptproblematik dieser bekannten Schaltungsanordnung liegt in der Realisierung der benötigten Widerstände Rl, R2 und R3. In der integrierten Schaltungstechnik werden aufgrund der hohen Anforderungen an die Genauigkeit dieser Widerstände nur solche aus Polysilizium verwendet. Solche Polysiliziumwi- derεtände besitzen in Logikprozessen meistens nur einen sehr kleinen Flächenwiderstand, der etwa in der Größenordnung 20 bis lOOΩ/Square liegt. Dem Schaltungsentwickler dieser be¬ kannten Bandgap-Referenzspannungsschaltung stehen also, so¬ fern die Schaltungsanordnung in einem Logikprozeß gefertigt werden soll, nur verhältnismäßig niederohmige Polysilizium- bahnen zur Verfügung. Dies führt unter der aktuellen Design- Forderung nach minimalem Stromverbrauch zu einem untragbar großen Flächenverbrauch auf dem Halbleiterkörper.The main problem with this known circuit arrangement lies in the implementation of the required resistors R1, R2 and R3. Due to the high demands on the accuracy of these resistors, only those made of polysilicon are used in integrated circuit technology. Such polysilicon resistors usually have only a very small surface resistance in logic processes, which is approximately in the order of 20 to 100 Ω / square. The circuit developer of this known bandgap reference voltage circuit thus has only relatively low-resistance polysilicon tracks available, insofar as the circuit arrangement is to be manufactured in a logic process. Under the current design requirement for minimal power consumption, this leads to an unacceptably large amount of space on the semiconductor body.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Band- gap-Referenzspannungsschaltung anzugeben, bei der kleine Po- lysiliziumflächenwiderstände ausreichend sind und die deshalb für die Verwendung in einem Logikprozeß geeignet sind. Die Schaltungsanordnung soll hierbei eine genaue, temperatur- und eingangsspannungsunabhängige Referenzspannung unter Verwen- düng verhältnismäßig kleiner Widerstände erzeugen, wobei der Stromverbrauch im Vergleich zu den bekannten Bandgap- Referenzspannungsschaltungen nicht erhöht sein soll. Des wei¬ teren soll die Schaltungsanordnung gutes Matching der Bauele¬ mente untereinander ermöglichen und damit zu einer hohen Aus¬ beute bei der Fertigung beitragen.The invention is therefore based on the object of specifying a bandgap reference voltage circuit in which small polysilicon sheet resistances are sufficient and which are therefore suitable for use in a logic process. The circuit arrangement is intended to generate an accurate, temperature- and input voltage-independent reference voltage using relatively small resistances, the power consumption in comparison to the known band gap Reference voltage circuits should not be increased. Furthermore, the circuit arrangement should enable good matching of the components with one another and thus contribute to a high yield in production.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Bandgap- Referenzspannungsschaltung dadurch gelöst, daß die Wider¬ standseinrichtungen durch Widerstandselemente mit abnehmendem Leitwert bei steigender Temperatur gebildet und über eine Stromspiegelanordnung an die zweite Spannungsklemme ange¬ schlossen sind, daß an den Spannungsteilerpunkt des zweiten Spannungsteilers ein ohmscher Widerstand geschaltet ist, wel¬ cher mit seiner freien Klemme, an der die temperaturkompen¬ sierte Referenzspannung abgreifbar ist, über die Laststrecke eines Transistors an die zweite Spannungsklemme geschaltet ist, wobei der Steueranschluß dieses Transistors mit dem Ver¬ bindungspunkt der Stromspiegelanordnung und den Widerstands- einrichtungen verbunden ist, daß Versorgungsklemmen der Dif¬ ferenzverstärkeranordnung mit der ersten und zweiten Span- nungsklemme verbunden sind, und daß eine regelbare Stromquel¬ le zwischen die zweite Spannungsklemme und eine dritte Span¬ nungsklemme geschaltet ist.This object is achieved in the bandgap reference voltage circuit mentioned at the outset in that the resistance devices are formed by resistance elements with decreasing conductance as the temperature rises and are connected to the second voltage terminal via a current mirror arrangement in that an ohmic resistor is connected to the voltage divider point of the second voltage divider is connected, which is connected with its free terminal, at which the temperature-compensated reference voltage can be tapped, to the second voltage terminal via the load path of a transistor, the control connection of this transistor being connected to the connection point of the current mirror arrangement and the resistance devices is connected that supply terminals of the differential amplifier arrangement are connected to the first and second voltage terminals, and that a controllable current source is connected between the second voltage terminal and a third voltage terminal st.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird im Gegen- satz zu den bekannten Bandgap-Referenzspannungsschaltungen nicht die Referenzspannung selbst direkt geregelt, sondern vielmehr die an der zweiten Spannungsklemme anstehende Re- gelspannung, welche auf einem höheren Potential liegt. Dies sorgt dafür, daß Störungen in der Versorgungsspannung, die an die dritte Spannungsklemme angeschlossen ist, besser gedämpft werden und kleinere Störamplituden in der Referenzspannung erzeugen. Des weiteren ist durch diese Entkopplung die Stabi¬ lität des Bandgap-Regelkreises gewährleistet.In the circuit arrangement according to the invention, in contrast to the known bandgap reference voltage circuits, it is not the reference voltage itself that is regulated directly, but rather the control voltage applied to the second voltage terminal, which is at a higher potential. This ensures that disturbances in the supply voltage, which is connected to the third voltage terminal, are better damped and generate smaller disturbance amplitudes in the reference voltage. Furthermore, this decoupling ensures the stability of the bandgap control loop.
Vorzugsweise wird die Regelspannung an der zweiten Spannungs¬ klemme durch einen geregelten Spannungsteiler eingestellt. Dabei wird ein durch die Bandgap-Referenzspannungsschaltung bestimmter Konstantstrom eingeprägt. Eine Regelabweichung an den Spannungsteilerpunkten der beiden Spannungsteiler und da¬ mit an den Differenzspannungseingang der Differenzverstär¬ keranordnung wird durch die Differenzverstärkungsanordnung verstärkt und durch eine Änderung der Gate-Source-Spannung in einem Endstufentransistor ausgeregelt . Vorzugsweise besitzt der Komparator zur Verkleinerung des Komparatoroffsets eine symmetrische Eingangsstufe. Um ein stabiles Arbeiten des Re¬ gelkreises zu gewährleisten kann ein Dämpfungsglied zwischen den Drainanschluß und den Gateanschluß des Endstufentransi- stors eingebaut werden.The control voltage at the second voltage terminal is preferably set by a regulated voltage divider. This is done by the bandgap reference voltage circuit certain constant current impressed. A control deviation at the voltage divider points of the two voltage dividers and thus at the differential voltage input of the differential amplifier arrangement is amplified by the differential amplifier arrangement and corrected by a change in the gate-source voltage in an output stage transistor. The comparator preferably has a symmetrical input stage for reducing the comparator offset. In order to ensure stable operation of the control circuit, an attenuator can be installed between the drain connection and the gate connection of the output stage transistor.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die er¬ wähnten Widerstandselemente mit abnehmendem Leitwert bei steigender Temperatur durch MOSFETs realisiert. Hierdurch wird eine höhere Temperaturunabhängigkeit der Schaltungsan¬ ordnung erreicht.In a preferred development of the invention, the mentioned resistance elements with decreasing conductance with increasing temperature are realized by MOSFETs. This results in a higher temperature independence of the circuit arrangement.
Die erfindungsgemäße Bandgap-Referenzspannungsschaltung wird nachfolgend in Zusammenhang mit weiteren Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:The bandgap reference voltage circuit according to the invention is explained in more detail below in connection with further figures using an exemplary embodiment. Show it:
Fig. 1: die bereits erläuterte Bandgap- Referenzspannungsschaltung nach dem Stand der Tech- nik,1: the band gap reference voltage circuit according to the prior art, already explained,
Fig. 2: ein schematisches Schnittbild durch einen Halblei¬ terkörper mit Vertikal-Bipolartransistor in p- Kanal-Technologie,2: a schematic sectional view through a semiconductor body with a vertical bipolar transistor in p-channel technology,
Fig. 3: ein Ausführungsbeispiel für eine Bandgap- Referenzspannungschaltung nach der Erfindung in n- Wannen-Technologie undFig. 3: an embodiment of a bandgap reference voltage circuit according to the invention in n-well technology and
Fig. 4: ein detaillierteres Schaltbild zu Fig. 3. In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung. Obwohl die in den nachfolgenden Figuren 3 und 4 vorgestellten Bandgap-Referenzspannungsschaltungen jeweils Schaltungen in n-Wannen-Technologie dargestellt sind, ist es ohne weiteres möglich, diese dort vorgestellten Schaltungen auch in p-Wannen-Technologie zu realisieren.FIG. 4: a more detailed circuit diagram for FIG. 3. In the following figures, unless otherwise stated, the same reference symbols designate the same parts with the same meaning. Although the band gap reference voltage circuits presented in the following FIGS. 3 and 4 are each shown using n-well technology, it is readily possible to implement the circuits presented there using p-well technology.
Die in Fig. 3 dargestellte Schaltungsanordnung weist eine er- ste Spannungsklemme 1, die vorliegend auf Bezugspotential liegt, eine zweite Spannungsklemme 2 und eine dritte Span¬ nungsklemme 3 auf. An der dritten Spannungsklemme 3 ist eine Versorgungsspannung Vdd angeschlossen. Zwischen der dritten Spannungsklemme 3 und der zweiten Spannungsklemme 2 liegt ei- ne geregelte Stromquelle. An der zweiten Spannungsklemme 2 ist eine Regelspannung Vreg abgreifbar. Zwischen der ersten Spannungsklemme 1 und der zweiten Spannungsklemme 2 ist ein Endstufentransistor M18 mit seiner Laststrecke geschaltet. Dieser Endstufenstransistor M18 ist im vorliegenden Beispiel ein n-Kanal-MOSFET, dessen Gate-Anschluß an die Ausgangsklem¬ me eines Komparators K geschaltet ist. Eine Versorgungsspan- nungsklemme des Komparators K ist mit der zweiten Spannungs¬ klemme 2 und eine andere Versorgungsklemme dieses Komparators K mit der ersten Spannungsklemme 1 in Verbindung. Der inver- tierende Eingang ist mit einem Spannungsteilerpunkt A und der nichtinvertierende Eingang des Komparators K mit einem Span¬ nungsteilerpunkt B einer Spannungsteileranordnung in Verbin¬ dung, die den "Bandgap-Kern" bildet und nachfolgend detail¬ liert beschrieben wird.The circuit arrangement shown in FIG. 3 has a first voltage terminal 1, which in the present case is at reference potential, a second voltage terminal 2 and a third voltage terminal 3. A supply voltage Vdd is connected to the third voltage terminal 3. There is a regulated current source between the third voltage terminal 3 and the second voltage terminal 2. A control voltage Vreg can be tapped at the second voltage terminal 2. An output stage transistor M18 with its load path is connected between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2. In the present example, this output stage transistor M18 is an n-channel MOSFET, the gate connection of which is connected to the output terminal of a comparator K. A supply voltage terminal of the comparator K is connected to the second voltage terminal 2 and another supply terminal of this comparator K is connected to the first voltage terminal 1. The inverting input is connected to a voltage divider point A and the non-inverting input of the comparator K is connected to a voltage divider point B of a voltage divider arrangement which forms the "bandgap core" and is described in detail below.
Der Spannungsteilerpunkt A ist, ähnlich wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, über einen ohmschen Widerstand Rl mit dem Emitteranschluß eines Bipolartransistor Ql in Verbindung. Der Basisanschluß und Kollektoranschluß dieses Bipolartransi- stors Ql ist an die erste Spannungsklemme 1 angeschlossen. Ein weiterer Bipolartransistor Q2 ist ebenfalls mit seinem Basisanschluß und seinem Kollektoranschluß an die erste Span- nungsklemme 1 geschaltet, wobei dessen Emitteranschluß direkt mit dem Spannungsteilerpunkt B in Verbindung steht. Die bei¬ den Bipolartransistoren Ql und Q2 sind pnp-Bipolar- transistoren und beispielsweise als parasitäre, Vertikal- Bipolartransistoren (vgl. Fig. 2) realisiert.The voltage divider point A, similar to that explained in connection with FIG. 1, is connected via an ohmic resistor R1 to the emitter terminal of a bipolar transistor Q1. The base connection and collector connection of this bipolar transistor Q1 is connected to the first voltage terminal 1. Another bipolar transistor Q2 is also connected to the first voltage with its base connection and its collector connection. voltage terminal 1 connected, the emitter connection of which is directly connected to the voltage divider point B. The two bipolar transistors Q1 and Q2 are pnp bipolar transistors and are implemented, for example, as parasitic, vertical bipolar transistors (cf. FIG. 2).
Der Spannungsteilerpunkt A ist über die Laststrecke eines p- Kanal-MOSFET an einen Schaltungspunkt C geschaltet. Dieser Schaltungspunkt C ist über eine Stromspiegelanordnung, beste- hend aus weiteren p-Kanal-MOSFETs Ml, M2 und M3 an die zweite Spannungsklemme 2 geschaltet. Der zwischen dem Spannungstei¬ lerpunkt A und dem Schaltungspunkt C befindliche MOSFET ist mit dem Bezugszeichen M19 bezeichnet. Dessen Gate-Anschluß ist einerseits an die erste Spannungsklemme 1 und anderer- seits an den Gate-Anschluß eines weiteren p-Kanal-MOSFET M20 geschaltet. Die Laststrecke des MOSFET M20 ist zwischen den erwähnten Stromspiegel und den Spannungsteilerpunkt D ge¬ schaltet .The voltage divider point A is connected to a switching point C via the load path of a p-channel MOSFET. This circuit point C is connected to the second voltage terminal 2 via a current mirror arrangement consisting of further p-channel MOSFETs M1, M2 and M3. The MOSFET located between the voltage divider point A and the circuit point C is identified by the reference symbol M19. Its gate connection is connected on the one hand to the first voltage terminal 1 and on the other hand to the gate connection of a further p-channel MOSFET M20. The load path of the MOSFET M20 is connected between the current mirror mentioned and the voltage divider point D.
Die Stromspiegelanordnung weist drei p-Kanal-MOSFETs Ml, M2 und M3 aus, die folgendermaßen verschaltet sind. Die Last¬ strecke des MOSFET Ml liegt zwischen dem Schaltungspunkt C und der zweiten Spannungsklemme 2. Der Gate-Anschluß des MOSFET Ml ist an den Schaltungspunkt C geschaltet, ebenso wie der Gate-Anschluß des MOSFET M2. Die Laststrecke des MOSFET M2 liegt in Reihe zur Laststrecke des erwähnten MOSFET M20. Die beiden Gate-Anschlüsse der MOSFETs Ml und M2 sind mit dem Gate-Anschluß des MOSFET M3 in Verbindung. Die Laststrecke des MOSFET M3 liegt in Reihe zu einem Widerstand R2, der mit einem Anschluß an den Spannungsteilerpunkt B geschaltet ist. Der Verbindungspunkt des Widerstandes R2 und der Laststrecke des MOSFET M3 dient zugleich als Ausgangsanschluß für die temperaturkompensierte Referenzspannung Vref. Die Laststrecke MOSFET M3 liegt zwischen diesem Ausgangsanschluß und der zweiten Spannungsklemme 2. Die Funktionsweise der in Fig. 3 dargestellten Bandgap- Referenzspannungschaltung ist folgende.The current mirror arrangement has three p-channel MOSFETs M1, M2 and M3, which are connected as follows. The load path of the MOSFET Ml lies between the switching point C and the second voltage terminal 2. The gate connection of the MOSFET Ml is connected to the switching point C, as is the gate connection of the MOSFET M2. The load path of the MOSFET M2 is in series with the load path of the mentioned MOSFET M20. The two gate connections of the MOSFETs M1 and M2 are connected to the gate connection of the MOSFET M3. The load path of the MOSFET M3 is in series with a resistor R2 which is connected to the voltage divider point B. The connection point of the resistor R2 and the load path of the MOSFET M3 also serves as an output connection for the temperature-compensated reference voltage Vref. The load path MOSFET M3 lies between this output connection and the second voltage terminal 2. The operation of the bandgap reference voltage circuit shown in Fig. 3 is as follows.
Durchströmt den Bipolartransistor Ql ein Strom II, so wird dieser Strom II durch den Stromspiegel Ml, M2 und M3 in fol¬ gender Weise eingeprägt. Durch den MOSFET M3 fließt das N- fache des Stromes II und durch den MOSFET M2 genau der Strom II. Hierdurch wird ein Strom 12 im Bipolartransistor Q2 gemäßIf a current II flows through the bipolar transistor Q1, this current II is impressed by the current mirror M1, M2 and M3 in the following manner. The N times the current II flows through the MOSFET M3 and exactly the current II flows through the MOSFET M2. This results in a current 12 in the bipolar transistor Q2
Figure imgf000011_0001
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erzeugt.generated.
Wegen der verschieden großen Ströme II und 12 durch die Bipo- lartransistoren Ql und Q2 entsteht zwischen den Emitteran¬ schlüssen dieser Bipolartransistoren Ql und Q2 eine Span¬ nungsdifferenz ΔVbe in der Größenordnung von etwa 50 bis 100mV gemäß der oben erwähnten Formel (2). Diese Spannungs¬ differenz hat einen positiven Temperaturgradienten und ist direkt proportional zur Betriebstemperatur. Wird nun dieBecause of the differently large currents II and 12 through the bipolar transistors Q1 and Q2, a voltage difference ΔVbe in the order of magnitude of about 50 to 100mV according to the above-mentioned formula (2) arises between the emitter connections of these bipolar transistors Ql and Q2. This voltage difference has a positive temperature gradient and is directly proportional to the operating temperature. Now the
Spannung Vreg in der Weise geregelt, daß die Spannungsteiler¬ punkte A und B auf gleichem Potential liegen, so wird die Spannung ΔVj-^ an den Ohmschen Widerstand Rl abgebildet und bestimmt somit den Strom II gemäß folgender FormelVoltage V reg is regulated in such a way that the voltage divider points A and B are at the same potential, so the voltage ΔV j - ^ is mapped to the ohmic resistor Rl and thus determines the current II according to the following formula
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000011_0002
Der Stromspiegel mit den MOSFETs Ml, M2 und M3 prägt den Strom N • II in den Widerstand R2 ein. Hierdurch fällt an diesem Widerstand R2 die Spannung Δv gemäßThe current mirror with the MOSFETs Ml, M2 and M3 impresses the current N • II in the resistor R2. As a result, the voltage Δv drops across this resistor R2 in accordance with
Figure imgf000011_0003
ab. Werden die Formeln (2) und (4) in die Formel (6) einge¬ setzt, so ergibt sich ein nur von den Bauelementeparametern Rl, R2, N und M abhängiger Wert gemäß nachfolgender Beziehung
Figure imgf000011_0003
from. If the formulas (2) and (4) are used in the formula (6), the result is a value which depends only on the component parameters R1, R2, N and M in accordance with the following relationship
Figure imgf000012_0002
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Die Summe aus der Spannung ΔV und der Spannung VjDe2 über dem Bipolartransistor Q2 ergibt die Referenzspannung Vref gemäß nachfolgender FormelThe sum of the voltage ΔV and the voltage Vj De 2 across the bipolar transistor Q2 gives the reference voltage V re f according to the following formula
Figure imgf000012_0003
Figure imgf000012_0003
Die Bauelementeparameter Rl, R2, N und M müssen jetzt so ge¬ wählt werden, daß der negative Temperaturkoeffizient der Spannung V]De2 gerade durch den positiven Temperaturgradienten der Spannung ΔV kompensiert wird, wie nachfolgende Beziehung zeigtThe component parameters R1, R2, N and M must now be selected such that the negative temperature coefficient of the voltage V ] De 2 is compensated for by the positive temperature gradient of the voltage ΔV, as the following relationship shows
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0001
Der Wert des Temperaturgradienten der Spannung VDe2 beträgt etwa minus 2mV/l° Celsius. Die Formel zur Bestimmung der De- sign-Parameter ist folgendeThe value of the temperature gradient of the voltage V De 2 is approximately minus 2mV / l ° Celsius. The formula for determining the design parameters is as follows
Figure imgf000012_0004
Figure imgf000012_0004
Eine der wesentlichsten Schaltungskomponenten in der Bandgap- Referenzspannungsschaltung sind die durch die Transistoren M19 und M20 realisierten Widerstandselemente. Die Fehlerab¬ weichung des Stroms durch den MOSFET M3 von seinem theoreti¬ schen Wert 12 = N • II ist durch folgende Beziehung be¬ stimmt (11) mit l_3 Länge von M3, VEP konstanter Transistorparameter
Figure imgf000013_0001
One of the most important circuit components in the bandgap reference voltage circuit are the resistance elements implemented by transistors M19 and M20. The error deviation of the current through the MOSFET M3 from its theoretical value 12 = N • II is determined by the following relationship (11) with l_ 3 length of M 3 , V EP constant transistor parameter
Figure imgf000013_0001
Diese Beziehung ist z . B. aus der Veröffentlichung Laker /Sansen: "Design Of Analog Integrated Circuits And Systems", McGraw-Hill, New York (1994) , bekannt, weswegen ausdrücklich auf diese Veröffentlichung hierfür zum Zwecke der Offenbarung Bezug genommen wird. Um diesen Spiegelfehler auf ein Minimum zu verkleinern, sind die beiden MOSFET M19 und M20 eingefügt. Sie wirken als Quasi-Konstantwiderstände mit abnehmendem Leitwert bei steigender Temperatur. Sie erzeugen an ihren Sourcekontakten, also an den Schaltungspunkten C und D, ein Potential in der Größenordnung der Referenzspannung Vrej Im Vergleich hierzu hat die Spannung an den Spannungsteilerpunk¬ ten A und B etwa den Wert zwischen 400 und 800 mV. Die Span- nungsverläufe an dem Spannungsteilerpunkt A und an dem Schal¬ tungspunkt C sind in Figur 5 über die Temperatur aufgetragen. Man erkennt deutlich, daß die Spannungsänderung nach der Tem¬ peratur am Schaltungspunkt C wesentlich geringer ist als am Spannungsteilerpunkt A, so daß der Stromspiegel über dem ge¬ samten Temperaturbereich von etwa - 40° C bis + 160° C noch ausreichend genau den N-fachen Spiegelstrom in den MOSFET M3 einprägt .This relationship is e.g. B. from the publication Laker / Sansen: "Design Of Analog Integrated Circuits And Systems", McGraw-Hill, New York (1994), which is why reference is expressly made to this publication for the purpose of disclosure. In order to minimize this mirror error, the two MOSFETs M19 and M20 are inserted. They act as quasi-constant resistors with decreasing conductance as the temperature rises. They generate at their source contacts, so at nodes C and D, a potential in the order of magnitude of the reference voltage V rej In comparison, has the voltage on the A and B Spannungsteilerpunk¬ th value of about between 400 and 800 mV. The voltage profiles at the voltage divider point A and at the switching point C are plotted against the temperature in FIG. It can clearly be seen that the change in voltage after the temperature at the switching point C is significantly less than at the voltage divider point A, so that the current level over the entire temperature range from approximately -40 ° C. to + 160 ° C. is still sufficiently accurate to the times the mirror current in the MOSFET M3.
In der Schaltungsanordnung nach Figur 3 wird im Gegensatz zu den bekannten Bandgap-Referenzspannungsschaltungen nicht die Referenzspannung Vref direkt geregelt, sondern die Spannung Vreg an der zweiten Spannungsklemme, die auf höherem Potenti¬ al liegt. Hierdurch können Störungen in der Versorgungsspan¬ nung V^a an der dritten Spannungsklemme besser gedämpft wer¬ den und kleinere Störamplituden in der Referenzspannung Vref erzeugen. Durch diese Entkopplung wird die Stabilität des Badgap-Regelkreises sichergestellt. Die Regelspannung Vreσ an der zweiten Spannungsklemme 2 kann durch die regelbare Strom- quelle, wie sie in Figur 3 dargestellt und mit dem Bezugszei¬ chen 4 bezeichnet ist, eingestellt werden.In contrast to the known bandgap reference voltage circuits, the circuit arrangement according to FIG. 3 does not directly regulate the reference voltage V re f, but rather the voltage V reg at the second voltage terminal, which is at a higher potential. In this way, disturbances in the supply voltage V ^ a at the third voltage terminal can be damped better and smaller interference amplitudes in the reference voltage V re f can be generated. This decoupling ensures the stability of the bad gap control loop. The control voltage V reσ at the second voltage terminal 2 can be regulated by the adjustable current Source, as shown in Figure 3 and designated by reference numeral 4, can be set.
In Figur 4 ist ein detailliertes Schaltbild einer erfindungs- gemäßen Bandgap-Rferenzspannungsschaltung dargestellt, bei der der im Zusammenhang mit Figur 3 erläuterte Komparator K die Stromquelle 4 sowie die Endstufe M18 anhand von konkreten Schaltungselementen realisiert ist. Um Wiederholungen zu ver¬ meiden, werden nachfolgend bei der Erläuterung der Schal- tungsanordnung von Figur 4 lediglich die schaltungstechni¬ schen Unterschiede zu Figur 3 beschrieben.FIG. 4 shows a detailed circuit diagram of a bandgap interference voltage circuit according to the invention, in which the comparator K explained in connection with FIG. 3, the current source 4 and the output stage M18 are implemented using specific circuit elements. In order to avoid repetitions, only the circuit-technical differences from FIG. 3 are described below in the explanation of the circuit arrangement in FIG.
Als geregelte Stromquelle dienen die in Figur 4 dargestellten MOSFETs M4, M5, M6, M7 und M8. Hierbei sind die MOSFETs M4, M7 und M8 p-Kanal-MOSFETs und M5 und M6 n-Kanal-MOSFETs . Der MOSFET M4 ist mit einem Anschluß seiner Laststrecke an die zweite Spannungsklemme 2 und mit seinem anderen Anschluß der Laststrecke an einen Anschluß der Laststrecke des MOSFET M5 geschaltet. Der andere Anschluß der Laststrecke dieses MOSFET M5 ist mit der ersten Spannungsklemme 1 in Verbindung. DerThe MOSFETs M4, M5, M6, M7 and M8 shown in FIG. 4 serve as the regulated current source. Here, the MOSFETs M4, M7 and M8 are p-channel MOSFETs and M5 and M6 are n-channel MOSFETs. The MOSFET M4 is connected with one connection of its load path to the second voltage terminal 2 and with its other connection to the load path to a connection of the load path of the MOSFET M5. The other connection of the load path of this MOSFET M5 is connected to the first voltage terminal 1. The
Gate-Anschluß des MOSFET M4 ist mit dem Schaltungspunkt C der Schaltungsanordnung verbunden, während der Gate-Anschluß des MOSFET M5 einerseits mit dem Verbindungspunkt zwischen MOSFET M4 und M5 und andererseits mit dem Gateanschluß des MOSFET M6 in Verbindung steht. Die Laststrecke des MOSFET M6 ist in Reihe zur Laststrecke des MOSFET M7 geschaltet, wobei der MOSFET M6 mit einem Anschluß an der ersten Spannungsklemme 1 und damit auf Bezugspotential und ein Anschluß des MOSFET M7 mit der dritten Spannungsklemme 3 in Verbindung steht . Der Verbindungspunkt zwischen MOSFET M6 und MOSFET M7 iεt mit dem Gate-Anschluß des MOSFET M7 kurzgeschlossen.The gate connection of the MOSFET M4 is connected to the circuit point C of the circuit arrangement, while the gate connection of the MOSFET M5 is connected on the one hand to the connection point between MOSFET M4 and M5 and on the other hand to the gate connection of the MOSFET M6. The load path of the MOSFET M6 is connected in series with the load path of the MOSFET M7, the MOSFET M6 being connected to a connection to the first voltage terminal 1 and thus to reference potential and a connection of the MOSFET M7 to the third voltage terminal 3. The connection point between MOSFET M6 and MOSFET M7 is short-circuited to the gate connection of MOSFET M7.
Die Regelspannung Vreg an der zweiten Spannungsklemme 2 wird durch einen geregelten Spannungsteiler, bestehend aus dem MOSFET M8 und dem MOSFET M18, eingestellt. Der Verbindungs¬ punkt zwischen MOSFET M8 und MOSFET M18, der der Endstufen- transistor ist, ist zugleich die zweite Spannungsklemme 2. Die in Figur 4 weiterhin dargestellten MOSFETs M9 bis M16 bilden den Komparator K der Bandgap-Referenzspannungs- schaltung. Der Komparator K ist für sich genommen aus der er- wähnten Veröffentlichung Laker / Sansen (vgl. dort Seite 577) bekannt, so daß auch hierfür ausdrücklich zum Zwecke der Of¬ fenbarung hierauf Bezug genommen wird.The control voltage V reg at the second voltage terminal 2 is set by a regulated voltage divider consisting of the MOSFET M8 and the MOSFET M18. The connection point between MOSFET M8 and MOSFET M18, which is the output stage transistor, is also the second voltage terminal 2. The MOSFETs M9 to M16 which are also shown in FIG. 4 form the comparator K of the bandgap reference voltage circuit. The comparator K is known per se from the aforementioned publication Laker / Sansen (cf. page 577), so that reference is expressly made to this for the purposes of the disclosure.
Der Komparator K verfügt über vier p-Kanal-MOSFETs M9, MIO, Mll, Ml6 und M17, sowie über vier n-Kanal-MOSFETs M12, M13, M14 und M15. Die MOSFETs Ml4 und M16 sind ebenso wie die bei¬ den MOSFETs M15 und M17 in Reihe geschaltet und liegen zwi¬ schen der ersten Spannungsklemme 1 und zweiten Spannungsklem¬ me 2. Die Gate-Anschlüsse der MOSFETs M16 und M17 sind mit- einander verbunden sowie zugleich an den Verbindungspunkt der beiden MOSFETs M14 und M16 angeschlossen. Zwischen die erste Spannungsklemme 1 und zweite Spannungsklemme 2 ist des weite¬ ren die Reihenschaltung der Laststrecken des MOSFET M9, des MOSFET MIO und des MOSFET M12 geschaltet. An dem Verbindungs- punkt der beiden Laststrecken des MOSFET M9 und des MOSFET MIO und die erste Spannungsklemme 1 ist die Reihenschaltung der Laststrecken der MOSFETs Mll und Ml3 geschaltet. Die Ga¬ te-Anschlüsse der MOSFETs Ml3 und M15 sind miteinander in Verbindung und zugleich an den Verbindungspunkt der MOSFETs Mll und M13 geschaltet. In ähnlicher Weise sind die Gate- Anschlüsse der MOSFETs M12 und M14 an den Verbindungspunkt zwischen MOSFET MIO und MOSFET M12 geschaltet. Der Gate- Anschluß des MOSFET M9 ist mit dem Schaltungspunkt C der Schaltungsanordnung in Verbindung.The comparator K has four p-channel MOSFETs M9, MIO, Mll, Ml6 and M17, and four n-channel MOSFETs M12, M13, M14 and M15. Like the two MOSFETs M15 and M17, the MOSFETs Ml4 and M16 are connected in series and lie between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2. The gate connections of the MOSFETs M16 and M17 are connected to one another and at the same time connected to the connection point of the two MOSFETs M14 and M16. The series circuit of the load paths of the MOSFET M9, the MOSFET MIO and the MOSFET M12 is also connected between the first voltage terminal 1 and the second voltage terminal 2. The series connection of the load paths of the MOSFETs Mll and Ml3 is connected at the connection point of the two load paths of the MOSFET M9 and the MOSFET MIO and the first voltage terminal 1. The gate connections of the MOSFETs Ml3 and M15 are connected to one another and at the same time connected to the connection point of the MOSFETs Mll and M13. Similarly, the gate terminals of MOSFETs M12 and M14 are connected to the connection point between MOSFET MIO and MOSFET M12. The gate connection of the MOSFET M9 is connected to the node C of the circuit arrangement.
Der Gate-Anschluß des MOSFET Mll ist der invertierende Ein¬ gang des Komparators K und deshalb an den Spannungsteiler¬ punkt A geschaltet. Der Gate-Anschluß des MOSFET MIO ist der nichtinvertierende Eingang des Komparators K und folglich an den Spannungsteilerpunkt B angeschlossen. Der Ausgangsan¬ schluß des Komparators K ist zugleich der Verbindungspunkt der beiden MOSFETs M15 und M17. Der Ausgangsanschluß des Korn- parators K ist mit dem Gate-Anschluß des MOSFET M18 in Ver¬ bindung.The gate connection of the MOSFET Mll is the inverting input of the comparator K and is therefore connected to the voltage divider point A. The gate connection of the MOSFET MIO is the non-inverting input of the comparator K and consequently connected to the voltage divider point B. The output connection of the comparator K is also the connection point of the two MOSFETs M15 and M17. The output connection of the grain Parator K is connected to the gate connection of the MOSFET M18.
Auch bei dieser in Figur 4 dargestellten Schaltungsanordnung wird ein durch die Bandgap-Referenzspannungsschaltung be¬ stimmter Konstantstrom in den MOSFET M8 eingeprägt. Eine Re¬ gelabweichung an den Spannungsteilerpunkt A und B wird durch den Komparator K verstärkt und durch Änderung der Gate- Source-Spannung am MOSFET Ml8 in der Endstufe ausgeregelt. Der Komparator K hat zur Verkleinerung des Komparatoroffsets eine symmetrische Eingangsstufe. Um ein stabiles Arbeiten des gesamten Regelkreises zu gewährleisten, ist ein Dämpfungs- glied, hier ein RC-Glied, zwischen den Drainanschluß und den Gate-Anschluß des Endstufentransistors Ml8 eingebaut. Das Dämpfungsglied ist im vorliegenden Fall ein RC-Glied, dessen Kondensator Cl mit einem Anschluß an die zweite Spannungs¬ klemme 2 und mit dem zweiten Anschluß an den Widerstand R4 geschaltet ist. Der freie Anschluß dieses Widerstandes R4 ist an den Gate-Aanschluß des Endstufentransistors Ml8 gelegt. Die Schaltungsanordnung von Figur 3 bzw. 4 ermöglicht in be¬ zug auf die Anpassung und Dimensionierung der Bipolartransi- storen Ql und Q2 die äußerst günstige Wahl der Bauelementepa¬ rameter Rl = R2 und M = 1. Des weiteren kann der Wert der Wi¬ derstände Rl und R2 sehr klein gehalten und gleichzeitig ein nur sehr kleiner Strom eingestellt werden. In this circuit arrangement shown in FIG. 4, too, a constant current determined by the bandgap reference voltage circuit is impressed into the MOSFET M8. A control deviation at the voltage divider points A and B is amplified by the comparator K and corrected by changing the gate-source voltage at the MOSFET Ml8 in the output stage. The comparator K has a symmetrical input stage to reduce the comparator offset. In order to ensure stable operation of the entire control circuit, an attenuator, here an RC element, is installed between the drain connection and the gate connection of the output stage transistor Ml8. In the present case, the damping element is an RC element, the capacitor C1 of which is connected with a connection to the second voltage terminal 2 and with the second connection to the resistor R4. The free connection of this resistor R4 is connected to the gate A connection of the output stage transistor Ml8. The circuit arrangement of FIGS. 3 and 4 enables the component parameters Rl = R2 and M = 1 to be selected extremely favorably with regard to the adaptation and dimensioning of the bipolar transistors Q1 and Q2 Rl and R2 are kept very small and at the same time only a very small current can be set.
BezugszeichenlisteReference list
1 erste Spannungsklemme1 first voltage terminal
2 zweite Spannungsklemme 3 dritte Spannungsklemme2 second voltage terminal 3 third voltage terminal
M1..M30 MOSFET TransistorenM1..M30 MOSFET transistors
Ql, Q2 TransistorenQl, Q2 transistors
Rl ...R4 Widerstände A, B SpannungsteilerpunkteRl ... R4 resistors A, B voltage divider points
C, D SchaltungspunkteC, D circuit points
Cl KondensatorCl capacitor
Vref Referenzspannung vreg Regelspannung VDD VersorgungsspannungV re f reference voltage v reg control voltage V DD supply voltage
VΔ SpannungVΔ voltage
ΔV^g SpannungΔV ^ g voltage
K DifferenzverstärkereinrichtungK differential amplifier device
II Strom 12 Strom II current 12 current

Claims

Patentansprüche claims
1. Bandgap-Referenzspannungsschaltung zur Erzeugung einer temperaturkompensierten Referenzspannung (Vref) mit einem zwischen eine erste und zweite Spannungsklemme (1, 2) ge¬ schalteten ersten und zweiten Spannungsteiler, die jeweils einen an die erste Spannungskiemme (1) als Diode geschalteten Tranistor (Ql, Q2) aufweisen, wobei der erste Transistor (Ql) im ersten Spannungsteiler über einen ohmschen Widerstand (Rl) und der zweite Transistor (Q2) im zweiten Spannungsteiler di¬ rekt an einen Spannungsteilerpunkt (A, B) des jeweiligen Spannungsteilers geschaltet ist und die beiden Spannungstei¬ lerpunkte (A, B) jeweils über eine Widerstandseinrichtung an die zweite Spannungsklemme (2) geschaltet sind, und mit einer Differenzverstärkeranordnung (K) , welche ausgangsseitig an die erste Spannungsklemme (1), mit ihrem invertierenden Ein¬ gang an den Spannungsteilerpunkt (A) des ersten Spannungstei¬ lers und mit ihrem nichtinvertierenden Eingang an den Span¬ nungsteilerpunkt (B) des zweiten Spannungsteilers geschaltet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wider¬ standseinrichtungen durch Widerstandselemente (M19, M20) mit abnehmendem Leitwert bei steigender Temperatur gebildet und über eine Stromspiegelanordnung (Ml, M2, M3) an die zweite Spannungsklemme (2) angeschlossen sind, daß an den Spannungs¬ teilerpunkt (B) des zweiten Spannungsteilers ein ohmscher Wi¬ derstand (R2) geschaltet ist, welcher mit seiner freien Klem¬ me, an der die Referenzspannung (Vref) abgreifbar ist, über die Laststrecke eines Transistors (M3) an die zweite Span- nungsklemme (2) geschaltet ist, wobei der Steueranschluß die¬ ses Transistors (M3) mit dem Verbindungspunkt des Stromspie¬ gels (Ml, M2) und einem Widerstandselement (M19) verbunden ist, daß Versorgungsspannungsklemmen der Differenzverstär¬ keranordnung (K) mit den ersten und zweiten Spannungsklemmen (1, 2) verbunden sind, und daß eine regelbare Stromquelle (4) vorgesehen ist, die zwischen die zweite Spannungsklemme (2) und eine dritte Spannungsklemme (3) geschaltet ist. 1. Bandgap reference voltage circuit for generating a temperature-compensated reference voltage (V re f) with a first and second voltage divider connected between a first and second voltage terminal (1, 2), each having a tranistor connected to the first voltage terminal (1) as a diode (Ql, Q2), the first transistor (Ql) in the first voltage divider being connected via an ohmic resistor (R1) and the second transistor (Q2) in the second voltage divider being connected directly to a voltage divider point (A, B) of the respective voltage divider and the two voltage divider points (A, B) are each connected to the second voltage terminal (2) via a resistance device, and with a differential amplifier arrangement (K) which on the output side connects to the first voltage terminal (1) with its inverting input the voltage divider point (A) of the first voltage divider and with its non-inverting input to the voltage divider point (B) of the is connected to the second voltage divider, characterized in that the resistance devices are formed by resistance elements (M19, M20) with decreasing conductance as the temperature rises, and are connected to the second voltage terminal (2) via a current mirror arrangement (M1, M2, M3) voltage divider point (B) of the second voltage divider is a resistive Wi¬ resistor (R2) is connected, which me with his free Klem¬ at which the reference voltage (V re f) is tapped off, via the load path of a transistor (M3) to the second voltage terminal (2) is connected, the control terminal of this transistor (M3) being connected to the connection point of the current mirror (M1, M2) and a resistance element (M19) such that supply voltage terminals of the differential amplifier arrangement (K) are connected to the first and second voltage terminals (1, 2), and that a controllable current source (4) is provided which is between the second voltage terminal e (2) and a third voltage terminal (3) is connected.
2. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 1, da¬ durch gekennzeichnet, daß die als Diode geschalteten Transi¬ storen (Ql, Q2) jeweils Bipolartransistoren sind, deren Ba- sisanschlüsse und Kollektoranschlüsse miteinander kurzge¬ schlossen sind.2. Bandgap reference voltage circuit according to claim 1, characterized in that the transistors connected as diodes (Q1, Q2) are each bipolar transistors, the base connections and collector connections of which are short-circuited to one another.
3. Bandgap-Referenzspannungssschaltung nach Anspruch 2, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Bipolartransistoren vertikale Bipolartransistoren in n-Wannen-Technologie oder p-Wannen- Technologie sind.3. Bandgap reference voltage circuit according to claim 2, da¬ characterized in that the bipolar transistors are vertical bipolar transistors in n-well technology or p-well technology.
4. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsele- mente (M19, M20) durch Transistoren realisiert sind.4. Bandgap reference voltage circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resistance elements (M19, M20) are implemented by transistors.
5. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 4, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Transistoren als MOSFETs ausge¬ bildet, und mit ihren Laststrecken in Serie in den jeweiligen Spannungsteilern eingeschleift und mit den jeweiligen Gate-An¬ schlüssen der ersten Spannungsklemme (1) verbunden sind.5. Bandgap reference voltage circuit according to claim 4, characterized in that the transistors are formed as MOSFETs and looped in with their load paths in series in the respective voltage dividers and connected to the respective gate connections of the first voltage terminal (1) are.
6. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (Vreq ) an der zweiten Spannungsklemme (2) so gewählt ist, daß an den Spannungsteilerpunkten (A, B) gleiches Potential anliegt.6. bandgap reference voltage circuit according to one of Ansprü¬ che 1 to 6, characterized in that the voltage (V req ) at the second voltage terminal (2) is selected so that the same potential is present at the voltage divider points (A, B).
7. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegel (Ml, M2) so dimensioniert ist, daß durch den einen Transistor (M2) der N-fache Strom des anderen Transistors (Ml) fließt.7. bandgap reference voltage circuit according to one of Ansprü¬ che 1 to 6, characterized in that the current mirror (Ml, M2) is dimensioned such that through the one transistor (M2) flows N times the current of the other transistor (Ml) .
8. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 7, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Bauelementeparameter der Wider- stände (Rl, R2) , der Stromverstärkungsfaktor (N) und das8. bandgap reference voltage circuit according to claim 7, da¬ characterized in that the component parameters of the resistors (Rl, R2), the current amplification factor (N) and that
Emitterflächenverhältnis zwischen den beiden Bipolartransi¬ storen (Ql, Q2) so gewählt ist, daß der negative Temperatur- koeffizient zwischen der an Basis und Emitter des zweiten Bipolartransistors (Q2) abfallenden Spannung (Vj-)e2 ) gerade durch den positiven Temperaturgradienten der am Widerstand (R2) abfallenden Spannung (VΔ) kompensiert wird.Emitter area ratio between the two bipolar transistors (Q1, Q2) is selected so that the negative temperature coefficient between the voltage (Vj- ) e 2) dropping at the base and emitter of the second bipolar transistor (Q2) is compensated by the positive temperature gradient of the voltage (VΔ) dropping at the resistor (R2).
9. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 8, da¬ durch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstandswerte der beiden Widerstände (Rl, R2) gleich gewählt und der Faktor M gleich 1 gewählt wird.9. bandgap reference voltage circuit according to claim 8, da¬ characterized in that the ohmic resistance values of the two resistors (Rl, R2) are chosen the same and the factor M is chosen equal to 1.
10. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (Vreq ) an der zweiten Spannungsklemme (2) durch einen geregelten Spannungsteiler (M8, M18) einstellbar ist.10. bandgap reference voltage circuit according to one of Ansprü¬ che 1 to 9, characterized in that the voltage (V req ) at the second voltage terminal (2) by a regulated voltage divider (M8, M18) is adjustable.
11. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzver¬ stärkungsanordnung (K) ausgangsseitig mit einem Endstufen¬ transistor (M18) verbunden ist, wobei der Endstufentransistor (M18) mit seiner Laststrecke zwischen der ersten Spannungs¬ klemme (1) und der zweiten Spannungsklemme (2) liegt.11. Bandgap reference voltage circuit according to one of claims 1 to 10, characterized in that the differential amplification arrangement (K) is connected on the output side to an output stage transistor (M18), the output stage transistor (M18) with its load path between the first Voltage clamp (1) and the second voltage clamp (2).
12. Bandgap-Referenzspannungsschaltung nach Anspruch 11, da¬ durch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Spannungsklem- me (2) und dem Gate-Anschluß des Endstufentransistors (M18) ein Dämpfungsglied, insbesondere ein RC-Glied (Cl, R4) ge¬ schaltet ist. 12. Bandgap reference voltage circuit according to claim 11, characterized in that between the second voltage terminal (2) and the gate terminal of the output stage transistor (M18) an attenuator, in particular an RC element (Cl, R4) is switched is.
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