WO2003093917A1 - Circuit arrangement for providing a reference signal - Google Patents
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- WO2003093917A1 WO2003093917A1 PCT/DE2003/001393 DE0301393W WO03093917A1 WO 2003093917 A1 WO2003093917 A1 WO 2003093917A1 DE 0301393 W DE0301393 W DE 0301393W WO 03093917 A1 WO03093917 A1 WO 03093917A1
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- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
- G05F3/00—Non-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
- G05F3/02—Regulating voltage or current
- G05F3/08—Regulating voltage or current wherein the variable is DC
- G05F3/10—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
- G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
- G05F3/20—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
- G05F3/22—Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the bipolar type only
Definitions
- Circuit arrangement for providing a reference signal
- the present invention relates to a circuit arrangement for providing a reference signal.
- Reference signals in the form of a voltage reference or current reference are required for a large number of functional units in circuit technology, in particular for integrated circuits, for example for modulators, voltage-controlled oscillators, low-noise amplifiers, voltage regulators, amplifiers, etc. This serves the goal of setting certain electrical quantities to a desired level.
- Zener diodes Another option for providing a reference voltage would be to use Zener diodes, the Zener voltage of which has a very high stability and accuracy. However, these have the disadvantage that they cannot be produced using practically all conventional semiconductor manufacturing processes.
- the object of the present invention is to provide a circuit arrangement for providing a reference signal, which can be produced in integrated circuit technology, offers good noise properties with low power consumption and enables precise referencing with good temperature properties.
- controllable electronic property and controllable amplification are also used interchangeably.
- a circuit arrangement for providing a reference signal comprising: a diode,
- an electronic component which has a controllable electrical property which influences the dependence of the reference signal on an input signal of the electronic component, with an input to which the input signal can be fed and which is connected to the diode and has an output which the reference signal is provided is, and with a control input for setting the controllable electrical property, and - a control loop comprising a controller with a comparator, with an actual input, which is connected to the output of the electronic component, with a setpoint
- Input which is connected to a reference source and an output which is connected to the control input of the electronic component operating as an actuator.
- Band gap reference source on the one hand, such as the exact, temperature-stable provision of a reference voltage, and on the other hand a diode, which has an excellent noise behavior when flowing through, combined with one another.
- this can be achieved by first, for example, calibrating the circuit arrangement by means of the reference source and the control circuit, which then has the effect that, in a subsequent referencing or normal operation, the diode has an exact, temperature-stable characteristic via the electronic component with adjustable properties and low-noise reference signal, which can be present both as a current signal or as a voltage signal.
- the actual input can also be indirectly connected to the output of the electronic component, for example to the output of a circuit supplied by the reference signal.
- the actual input is not the reference signal itself, but a signal derived from the reference signal.
- the diode is preferably designed in bipolar circuit technology.
- Such bipolar diodes are in bipolar, in
- the voltage reference of the diode which can be calibrated with the reference source according to the principle presented, is preferably the base-emitter voltage of the diode designed as a correspondingly connected transistor, or generally the forward voltage, forward voltage or diode voltage of the diode.
- a series connection of several diodes or a parallel connection of several diodes can also be provided.
- the controller and the adjustable electronic component primarily serve to compensate for any temperature dependencies that may exist and any manufacturing tolerances that may be present, which can be in the order of + -30 millivolts for diodes.
- the voltage derived from the diode is preferably converted by means of the electronic component into a tunable current, which is brought to a value by means of the control circuit, which is converted into a voltage and corresponds to the signal provided by the reference source.
- the current provided by the electronic component can, if the reference signal is to be present as a reference voltage, for example via a resistor or by means of a combination of resistors and bipolar diodes. be transferred to the reference voltage.
- the electronic component is preferably designed as a resistance network with an adjustable resistance value, the resistance network comprising a plurality of resistors which can be switched on and off independently of one another.
- Sections of conductor tracks can preferably be provided as resistors in order to achieve specific, desired temperature properties.
- the controller preferably has an activation input for switching between a setting operating mode, which represents a calibration operation, and a normal operating mode, during which a calibrated reference signal is provided by means of the diode.
- the reference source is likewise preferably switched off as a function of a signal present at the activation input or derived therefrom after a calibration has been carried out.
- the reference source preferably has a control input which is coupled to the activation input or to an output of the controller.
- the controller is preferably designed as a digital controller in such a way that the control input of the electronic component is designed to supply a digitally coded control signal which is provided by the comparator, which also works digitally.
- the controller can advantageously work with a digital approximation method, for example in accordance with the successive approximation, and can be designed accordingly.
- the circuit arrangement described is particularly suitable for providing a reference signal for the voltage supply of voltage-controlled oscillators, voltage-controlled oscillators, VCO, since any noise from the reference source that is present would have a particularly disadvantageous effect on the phase noise of the oscillator.
- the circuit described is particularly well suited for use in mobile radio because of the low power requirement.
- FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention using a simplified circuit diagram of a reference voltage source
- Figure 2 shows a second embodiment of the circuit arrangement according to the invention using a simplified
- FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a voltage regulator developed with reference to FIG. 1 on the basis of a simplified circuit diagram
- Figure 4 shows the principle of the circuit arrangement according to the invention using an exemplary, highly simplified block diagram.
- FIG. 1 shows a circuit arrangement for providing a reference signal which is present as a reference voltage and which ches can be tapped at an output 1 of the circuit arrangement.
- a diode 5, which functions as a reference element, is connected to the output 1 via a current mirror 2, comprising a first transistor 3 connected as a diode and a further transistor 4.
- the diode 5 is designed as an NPN bipolar transistor, the base of which is short-circuited with its collector connection and connected to a supply potential connection 6.
- the diode 5 is arranged in a first current path which, in addition to the diode 5, comprises the current mirror transistor 3 which is connected by its emitter connection to the emitter connection of the diode 5, and a resistor 7 which is connected to the collector connection of the current mirror transistor 3 connected.
- the current mirror transistor 3 is connected as a diode in that its base is connected to its collector terminal.
- Current mirror transistor 3 is also connected to the base connection of the further transistor 4, which is likewise designed as a PNP transistor and which together forms the current mirror 2.
- This is arranged with its emitter-collector path in a second current path, which includes a control element 8 in a series circuit in addition to the transistor 4, as well as a resistor 9 and a further diode 10.
- the control element 8 is on the one hand with the supply potential connection 6 and on the other hand with connected to the emitter terminal of transistor 4.
- the collector connection of transistor 4 is connected to output 1 and resistor 9, which in turn is connected via diode 10 to a reference potential connection 11.
- the resistor 7 of the first current path is also connected to the reference potential connection 11.
- the actuator 8 is designed as a resistance network with an adjustable resistance value and comprises a large number of resistors 12 which can be switched on and off independently of one another.
- the resistors 12 are each arranged in a series circuit comprising a switching transistor 13 and the resistor 12, the series circuits 12 , 13 are in turn connected in parallel.
- the switching transistors 13 each have a control input that is associated with a ordered output DO to D4 of a digital controller 14 is connected.
- the controller 14 is constructed in such a way that it can carry out an adjustment according to the successive approximation method, as will be explained in more detail later.
- the controller 14 also has an input which is connected to the output of a comparator 15.
- the comparator 15 is designed as a comparator and comprises a target input and an actual input.
- the actual input is connected to output 1 of the circuit arrangement.
- the setpoint input is connected to the output of a reference generator 16 which is designed as a bandgap circuit and which is connected to reference potential connection 11.
- the bandgap circuit 16 comprises a control input for switching it on and off, which is connected to a correspondingly designed output of the controller 14.
- the controller 14 comprises a control input which is coupled to an activation input 17 of the circuit arrangement.
- the circuit arrangement according to FIG. 1 can operate in two operating modes, namely a calibration mode and a normal mode.
- the reference source 16 provides a reference voltage which is compared with the reference voltage provided at the output 1 of the circuit.
- the result of this comparison is fed to the controller 14, which, depending on this, influences the switches 13 until the voltage value of the controller at the output 1 comes as close as possible to that of the bandgap circuit 16 using the method of successive approximation.
- the reference voltage value at output 1 is set as a function of the base-emitter voltage of diode 5, which works as a reference diode, and as a function of the settings on resistor network 8.
- the bandgap circuit can be switched off in normal operation by means of the control signal which drives the reference source 16, good noise characteristics of the reference signal at output 1 can be expected in normal operation.
- the bipolar diode 5 has a very low self-consumption.
- the Bandga source 16 offers high accuracy and good temperature behavior, so that the present principle combines all the advantages mentioned.
- the circuit according to FIG. 1 is therefore particularly suitable for use as a voltage regulator for extremely low-noise requirements such as
- the voltage supply of voltage-controlled oscillators whose phase noise is correspondingly low, is suitable. Since the output voltage at output 1 is provided as a voltage dropping via resistor 9 and further diode 10, a further improvement in the noise properties can be achieved with the further diode 10 connected in series.
- a noise voltage of less than 8 nV / Hz can be achieved with a comparable bias current.
- MOS transistors can be provided as resistors, which can be controlled directly with the digital control lines of the outputs DO to D4.
- FIG. 2 shows an alternative embodiment of the circuit arrangement for providing a reference signal, which is designed in contrast to the circuit of FIG. 1 to provide a reference current instead of a reference voltage at output 1 of the circuit.
- the circuit diagram of FIG. 2 does not differ in structure and mode of operation from that of FIG. 1 and should not be repeated again so far.
- no series circuit comprising a resistor 9 and a diode 10 is connected between the collector terminal of the current mirror transistor 4, whose emitter terminal is still connected to the actuator 8, but a series circuit comprising a switch 18 and, depending on the switch position , The resistor 9, which is connected to the reference potential terminal 11.
- the switch 18 is on the one hand firmly connected to the collector terminal of the transistor 4.
- the switch 18 is either connected to a connection of the resistor 9 and to the actual input of the comparator 15 and in a second switch position to the output 1 of the controller arrangement.
- the control input of the switch 18, like the control input of the reference source 16, is coupled to the control output of the controller 14.
- the current provided as a function of the diode 5 and its base-emitter voltage is converted into a voltage and brought to a corresponding value by the comparator 15 and the bandgap reference source, in the normal mode that of the diode 5 and the already calibrated setting device 8 as a function of the reference current provided directly on the
- Output 1 of the circuit can be given.
- a further current source can also be provided as an alternative to the switch 18, in which case one of the current sources controls the comparator after conversion of the current into a voltage and another current source supplies the output 1 of the circuit.
- FIG. 3 shows a development of the voltage regulator of Figure 1, designed as an extremely low-noise low-drop voltage regulator. Only the deviations in FIG. 3 from FIG. 1 are to be described here.
- a controller 14 is provided in the present case, which operates as a function of an activation signal at the activation input 17.
- an actuator 19 designed as a programmable voltage divider is connected to several outputs for providing a digitally coded control signal from the controller 14.
- the programmable voltage divider 19 has a tap point which is connected to an actual input of a further comparator 20.
- the setpoint input of the further comparator 20 is connected to a circuit node between a current source 21, which is additionally connected to the supply potential connection 6 and the reference diode 5, which is connected on the emitter side to the reference potential connection 11.
- the output of the further comparator 20 is connected to a base connection of a PNP transistor 25, the collector connection of which is connected on the one hand to the programmable voltage divider 19 and on the other hand to the output 1 of the circuit and whose emitter connection is connected to the supply potential connection 6.
- a PMOS transistor can also be provided.
- Comparator 15 is still provided, the nominal input of which is connected to reference generator 16 and the actual input of which is connected to output 1 by means of a voltage divider 22, 23 comprising two resistors.
- the output of the comparator 15 is connected to a control input of the controller 14 as in FIG. 1.
- the mode of operation of the low-noise voltage regulator according to FIG. 3 is illustrated below using a numerical example.
- the bandgap reference source 16 typically provides a voltage of 1.2 volts. So that a desired reference voltage of 2.4 volts is available at output 1, the voltage divider 22, 23 is designed with two resistors 22, 23 of the same size.
- programmable voltage divider 19 is detuned by means of controller 14 until the target voltage of 2.4 volts is just being made available at the output. If one assumes that the reference diode 5 has a base-emitter voltage of approximately 0.8 volts, the divider ratio on the programmable voltage divider 19 will be adjusted according to the successive approximation method so that the resistance value resulting from parallel connection in adjusts the lower part of the voltage divider in total to half the value of the resistor 24 in the programmable voltage divider, such that a voltage of 1.6 volts drops across the resistor 24 and a voltage of 0.8 volts drops across the resistor network.
- FIG. 3 accordingly combines the advantages of voltage regulation mentioned in FIG. 1 according to the principle presented with the advantages of a low-drop voltage regulator.
- FIG. 4 finally shows a highly simplified block diagram of the principle of the invention.
- a series circuit comprising a current source 30 and the reference diode 5 is connected between a supply connection 6 and a reference potential connection 11.
- the voltage drop across the diode 5 is fed to a digitally controllable amplifier 31 at its input, for this purpose the input is connected to the anode of the diode 5.
- the output of the variable amplifier is with output 1 of the circuit arrangement connected, at which the reference signal is present as a voltage reference or current reference.
- the variable amplifier 31 has a multiplicity of digital control inputs which are connected to the output of a digital controller 14.
- the digital controller 14 has an actual input which is connected to the output 1 of the circuit and a target input which is connected to a reference source 16.
- amplifier 31 is designed with a programmable gain factor.
- a signal derived from the voltage drop across the diode 5 is brought to the value of a reference signal provided by a reference source 16.
- the amplification ratio of the amplifier 31 is suitably programmed by means of the controller 14. This is done in a digital control, for example by successive approximation in several successive adjustment steps.
- the reference source 16 can be switched off. Then the reference voltage drop across the diode 5 is in the
- Amplifier 31 prepared in accordance with the programming and supplied to output 1 as a calibrated reference signal.
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Abstract
The invention relates to a circuit arrangement for providing a reference signal and comprising a diode (5) that serves as a reference element. The electrical reference quantity thereof is, however, firstly calibrated to a band gap reference (16) by means of a control loop (31, 14, 16) during a calibrating phase. The amplification of an amplifier (31) is set. Said amplifier comprises a network of resistors (8) containing a multitude of resistors (12) that can be switched on and off independent of one another.
Description
Beschreibungdescription
Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines ReferenzsignalsCircuit arrangement for providing a reference signal
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines Referenzsignals.The present invention relates to a circuit arrangement for providing a reference signal.
Referenzsignale in Form einer Spannungsreferenz oder Stromreferenz werden für eine Vielzahl von Funktionseinheiten in der Schaltungstechnik, insbesondere für integrierte Schaltkreise, benötigt, so zum Beispiel für Modulatoren, spannungsgesteuerter Oszillatoren, rauscharme Verstärker, Spannungsregler, Verstärker et cetera. Dies dient dem Ziel, bestimmte elektrische Größen auf ein gewünschtes Maß einzustellen.Reference signals in the form of a voltage reference or current reference are required for a large number of functional units in circuit technology, in particular for integrated circuits, for example for modulators, voltage-controlled oscillators, low-noise amplifiers, voltage regulators, amplifiers, etc. This serves the goal of setting certain electrical quantities to a desired level.
Zu berücksichtigen sind dabei die elektrischen Eigenschaften der Schaltung, die derartige Referenzsignale bereitstellt, da deren Eigenschaften in die Eigenschaften der versorgten Schaltkreise mit eingehen, nämlich die Genauigkeit der be- reitgestellten Spannung oder des Stroms, Rauscheigenschaften,The electrical properties of the circuit that provides reference signals of this type must be taken into account, since their properties are included in the properties of the supplied circuits, namely the accuracy of the voltage or current provided, noise properties,
Eigenstromverbrauch, Temperaturgang und so weiter.Own power consumption, temperature response and so on.
Für Mobilfunkanwendungen sind insbesondere ein sehr niedriger Stromverbrauch derartiger Sehaltungsanordnungen sowie beson- ders geringes Rauschen gewünscht. Dies sind jedoch üblicherweise zwei einander widersprechende Forderungen.A very low power consumption of such viewing arrangements and particularly low noise are particularly desired for mobile radio applications. However, these are usually two conflicting requirements.
Normalerweise werden zur Bereitstellung von Referenzsignalen leicht zu integrierende Bandgap-Schaltkreise verwendet, wel- ehe sich insbesondere durch exakte Spannungsreferenz, gutesBandgap circuits that are easy to integrate are normally used for the provision of reference signals, which is good, in particular, because of the exact voltage reference
Temperaturverhalten und hohe Stabilität auszeichnen. Der Nachteil derartiger Bandgap-Schaltungen ist jedoch ihr verhältnismäßig hoher Rauschpegel . Dieser kann normalerweise nur mit hohem Stromeinsatz reduziert werden.Characterize temperature behavior and high stability. The disadvantage of such bandgap circuits, however, is their relatively high noise level. This can usually only be reduced with high power consumption.
Da dies, wie erläutert für den Mobilfunk ungeeignet ist, wird dort gelegentlich die einen integrierten Schaltkreis versor-
gende Spannung selbst als Referenzsignal herangezogen. Dies hat natürlich den Nachteil, daß sowohl Toleranzen der Spannungsversorgung, welche beispielsweise durch die variierende Batteriespannung bedingt sind, wie auch Störsignale im Fre- quenzspektrum der Spannungsversorgung zwangsläufig in die versorgte elektrische Schaltung eingebracht werden.Since, as explained, this is unsuitable for mobile radio, an integrated circuit is occasionally supplied there. voltage itself used as a reference signal. Of course, this has the disadvantage that both tolerances of the voltage supply, which are caused, for example, by the varying battery voltage, and interference signals in the frequency spectrum of the voltage supply are inevitably introduced into the supplied electrical circuit.
Eine weitere Möglichkeit der Bereitstellung einer Referenzspannung wäre der Einsatz von Zener-Dioden, deren Zener- Spannung eine sehr hohe Stabilität und Genauigkeit aufweist. Diese haben jedoch den Nachteil, daß sie mit praktisch allen üblichen Halbleiterfertigungsprozessen nicht hergestellt werden können .Another option for providing a reference voltage would be to use Zener diodes, the Zener voltage of which has a very high stability and accuracy. However, these have the disadvantage that they cannot be produced using practically all conventional semiconductor manufacturing processes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines Referenzsignals anzugeben, welche in integrierter Schaltungstechnik herstellbar ist, gute Rauscheigenschaften bei geringem Stromverbrauch bietet und eine genaue Referenzierung mit guten Temperatureigenschaften ermöglicht.The object of the present invention is to provide a circuit arrangement for providing a reference signal, which can be produced in integrated circuit technology, offers good noise properties with low power consumption and enables precise referencing with good temperature properties.
Im folgenden werden die Begriffe elektronisches Bauteil und Verstärker gleichbedeutend verwendet. Ebenso werden die Begriffe steuerbare elektronische Eigenschaft und steuerbare Verstärkung gleichbedeutend verwendet.In the following, the terms electronic component and amplifier are used interchangeably. The terms controllable electronic property and controllable amplification are also used interchangeably.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Schal- tungsanordnung zur Bereitstellung eines Referenzsignals, aufweisend: - eine Diode,According to the invention, the object is achieved by a circuit arrangement for providing a reference signal, comprising: a diode,
- ein elektronisches Bauteil, welches eine steuerbare elektrische Eigenschaft hat, die die Abhängigkeit des Referenzsignals von einem Eingangssignal des elektronischen Bauteils beeinflusst, mit einem Eingang, an dem das Eingangs- signal zuführbar ist und der mit der Diode verbunden ist, mit einem Ausgang, an dem das Referenzsignal bereitgestellt
wird, und mit einem Steuereingang zum Einstellen der steuerbaren elektrischen Eigenschaft, und - einen Regelkreis, umfassend einen Regler mit einem Vergleicher, mit einem Ist-Eingang, der an den Ausgang des elek- tronischen Bauteils angeschlossen ist, mit einem Soll-an electronic component which has a controllable electrical property which influences the dependence of the reference signal on an input signal of the electronic component, with an input to which the input signal can be fed and which is connected to the diode and has an output which the reference signal is provided is, and with a control input for setting the controllable electrical property, and - a control loop comprising a controller with a comparator, with an actual input, which is connected to the output of the electronic component, with a setpoint
Eingang, der mit einer Referenzquelle verbunden ist, und mit einem Ausgang, der mit dem Steuereingang des als Stellglied arbeitenden elektronischen Bauteils verbunden ist.Input which is connected to a reference source and an output which is connected to the control input of the electronic component operating as an actuator.
Gemäß dem vorliegenden Prinzip werden die Vorteile einerAccording to the present principle, the advantages of a
Bandgap-Referenzquelle einerseits, wie exakte, temperaturstabile Bereitstellung einer Referenzspannung, und einer Diode andererseits, welche bei Durchströmung ein ausgezeichnetes Rauschverhalten hat, miteinander kombiniert. Dies kann gemäß dem vorliegenden Prinzip dadurch erzielt werden, daß zunächst beispielsweise eine Kalibrierung der Schaltungsanordnung mittels der Referenzquelle und des Regelkreises erfolgt, welche dann bewirkt, daß in einem nachfolgenden Referenzier- oder Normalbetrieb die Diode über das elektronische Bauteil mit verstellbaren Eigenschaften ein exaktes, temperaturstabiles und rauscharmes Referenzsignal, welches sowohl als Stromsignal oder auch als Spannungssignal vorliegen kann, bereitstellt.Band gap reference source on the one hand, such as the exact, temperature-stable provision of a reference voltage, and on the other hand a diode, which has an excellent noise behavior when flowing through, combined with one another. According to the present principle, this can be achieved by first, for example, calibrating the circuit arrangement by means of the reference source and the control circuit, which then has the effect that, in a subsequent referencing or normal operation, the diode has an exact, temperature-stable characteristic via the electronic component with adjustable properties and low-noise reference signal, which can be present both as a current signal or as a voltage signal.
Anstelle eines Bandgap-Kreises können auch andere Referenzquellen vorgesehen sein. Dabei sind auch Kombinationen mehrerer Referenzquellen möglich. Somit können beliebige Abhängigkeiten von Schaltungsparametern, wie beispielsweise von der Temperatur oder der Versorgungsspannung, abgeleitet werden, um für eine mit der geregelten Spannung versorgte SchaltungInstead of a bandgap circle, other reference sources can also be provided. Combinations of several reference sources are also possible. Any dependencies on circuit parameters, such as, for example, on the temperature or the supply voltage, can thus be derived in order for a circuit supplied with the regulated voltage
Vorteile zu erzielen, wie zum Beispiel Temperaturkompensation eines spannungsgesteuerten Oszillators.To achieve advantages, such as temperature compensation of a voltage controlled oscillator.
Der Ist-Eingang kann an den Ausgang des elektronischen Bau- teils auch indirekt angeschlossen sein, beispielsweise an den Ausgang einer von dem Referenzsignal versorgten Schaltung. In diesem Fall wird dem Ist-Eingang nicht das Referenzsignal
selbst, sondern ein von dem Referenzsignal abgeleitetes Signal zugeführt .The actual input can also be indirectly connected to the output of the electronic component, for example to the output of a circuit supplied by the reference signal. In this case the actual input is not the reference signal itself, but a signal derived from the reference signal.
Bevorzugt ist die Diode in bipolarer Schaltungstechnik ausge- bildet. Derartige, bipolare Dioden sind in bipolaren, inThe diode is preferably designed in bipolar circuit technology. Such bipolar diodes are in bipolar, in
BiCMOS als auch parasitär in reinen CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) -Herstellungsprozessen vorhanden und damit problemlos in integrierter Schaltungstechnik herstellbar. Als Spannungsreferenz der Diode, welche mit der Referenzquel- le gemäß dem vorgestellten Prinzip kalibriert werden kann, wird bevorzugt die Basis-Emitter-Spannung der dabei als entsprechend verschalteter Transistor ausgebildeten Diode herangezogen oder allgemein die Durchlaßspannung, Durchflußspannung oder Diodenspannung der Diode .BiCMOS as well as parasitic in pure CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) manufacturing processes are available and can therefore be easily manufactured in integrated circuit technology. The voltage reference of the diode, which can be calibrated with the reference source according to the principle presented, is preferably the base-emitter voltage of the diode designed as a correspondingly connected transistor, or generally the forward voltage, forward voltage or diode voltage of the diode.
Anstelle einer einzelnen Diode kann auch eine Serienschaltung mehrerer Dioden oder eine Parallelschaltung mehrerer Dioden vorgesehen sein.Instead of a single diode, a series connection of several diodes or a parallel connection of several diodes can also be provided.
Die Kalibrierung der Diode mittels der Referenzquelle und demThe calibration of the diode using the reference source and the
Regler, sowie dem verstellbaren elektronischen Bauteil dient in erster Linie der Kompensation eventuell vorhandener Temperaturabhängigkeiten und gegebenenfalls vorhandener, fertigungsbedingter Toleranzen, die bei Dioden in der Größenord- nung von +-30 Millivolt liegen können.The controller and the adjustable electronic component primarily serve to compensate for any temperature dependencies that may exist and any manufacturing tolerances that may be present, which can be in the order of + -30 millivolts for diodes.
Während einer Abgleich- oder Kalibrierphase wird bevorzugt die von der Diode abgeleitete Spannung mittels des elektronischen Bauteils in einen abstimmbaren Strom konvertiert, der mittels des Regelkreises auf einen Wert gebracht wird, der in eine Spannung umgesetzt dem von der Referenzquelle bereitgestellten Signal entspricht.During an adjustment or calibration phase, the voltage derived from the diode is preferably converted by means of the electronic component into a tunable current, which is brought to a value by means of the control circuit, which is converted into a voltage and corresponds to the signal provided by the reference source.
Der von dem elektronischen Bauteil bereitgestellte Strom kann, wenn das Referenzsignal als Referenzspannung vorliegen soll, beispielsweise über einen Widerstand oder mittels einer Kombination von Widerständen und bipolaren Dioden in eine Re-
ferenzspannung überführt werden. Dabei ist das elektronische Bauteil bevorzugt als Widerstandsnetzwerk ausgebildet, mit einem einstellbaren Widerstandswert, wobei das Widerstandsnetzwerk eine Vielzahl unabhängig voneinander zu- und abschaltbarer Widerstände umfaßt .The current provided by the electronic component can, if the reference signal is to be present as a reference voltage, for example via a resistor or by means of a combination of resistors and bipolar diodes. be transferred to the reference voltage. The electronic component is preferably designed as a resistance network with an adjustable resistance value, the resistance network comprising a plurality of resistors which can be switched on and off independently of one another.
Als Widerstände können bevorzugt Abschnitte von Leiterbahnen vorgesehen sein, um bestimmte, gewünschte Temperatureigenschaften zu erzielen.Sections of conductor tracks can preferably be provided as resistors in order to achieve specific, desired temperature properties.
Zum Umschalten zwischen einer Einstell-Betriebsart , welche einen Kalibrier-Betrieb repräsentiert, und einer Normal- Betriebsart, während der ein kalibriertes Referenzsignal mittels der Diode bereitgestellt wird, weist der Regler bevor- zugt einen Aktiviereingang auf.The controller preferably has an activation input for switching between a setting operating mode, which represents a calibration operation, and a normal operating mode, during which a calibrated reference signal is provided by means of the diode.
Ebenfalls bevorzugt wird in Abhängigkeit von einem am Aktiviereingang anliegenden oder einem davon abgeleiteten Signal nach dem Durchführen einer Kalibrierung die Referenzquelle abgeschaltet. Hierfür weist die Referenzquelle bevorzugt einen Steuereingang auf, der mit dem Aktiviereingang oder mit einem Ausgang des Reglers gekoppelt ist . Damit ist der Vorteil verbunden, daß die verhältnismäßig hohen Rauschanteile der Referenzquelle, insbesondere, wenn diese als Bandgap- Schaltkreis ausgebildet ist, im Normalbetrieb nicht in das von der Schaltungsanordnung bereitgestellte Referenzsignal einwirken können und das bereitgestellte Referenzsignal somit besonders rauscharm ist .The reference source is likewise preferably switched off as a function of a signal present at the activation input or derived therefrom after a calibration has been carried out. For this purpose, the reference source preferably has a control input which is coupled to the activation input or to an output of the controller. This has the advantage that the relatively high noise components of the reference source, in particular if it is designed as a bandgap circuit, cannot act in normal operation in the reference signal provided by the circuit arrangement and the reference signal provided is therefore particularly low-noise.
Der Regler ist bevorzugt als digitaler Regler ausgebildet, derart, daß der Steuereingang des elektronischen Bauteils ausgebildet ist zum Zuführen eines digital kodierten Steuersignals, welches von dem ebenfalls digital arbeitenden Vergleicher bereitgestellt wird. Der Regler kann dabei mit Vor- teil mit einem digitalen Approximationsverfahren arbeiten, beispielsweise gemäß der sukzessiven Approximation, und hierfür entsprechend ausgebildet sein.
Die beschriebene Schaltungsanordnung ist insbesondere zur Bereitstellung eines Referenzsignals für die Spannungsversorgung spannungsgesteuerter Oszillatoren, Voltage Controlled Oscillator, VCO geeignet, da sich hier das eventuell vorhandene Rauschen der Referenzquelle besonders nachteilhaft auf das Phasenrauschen des Oszillators auswirken würde. Weiterhin ist die beschriebene Schaltung auf Grund des geringen Strombedarfs besonders gut für die Anwendung im Mobilfunk geeig- net .The controller is preferably designed as a digital controller in such a way that the control input of the electronic component is designed to supply a digitally coded control signal which is provided by the comparator, which also works digitally. The controller can advantageously work with a digital approximation method, for example in accordance with the successive approximation, and can be designed accordingly. The circuit arrangement described is particularly suitable for providing a reference signal for the voltage supply of voltage-controlled oscillators, voltage-controlled oscillators, VCO, since any noise from the reference source that is present would have a particularly disadvantageous effect on the phase noise of the oscillator. Furthermore, the circuit described is particularly well suited for use in mobile radio because of the low power requirement.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des vorliegenden Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.Further details and advantageous embodiments of the present principle are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnungen näher erläutert .The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anhand eines vereinfachten Schaltbildes einer Referenzspannungsquelle,FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention using a simplified circuit diagram of a reference voltage source,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä- ßen Schaltungsanordnung anhand eines vereinfachtenFigure 2 shows a second embodiment of the circuit arrangement according to the invention using a simplified
Schaltbildes einer Referenzstromquelle,Circuit diagram of a reference current source,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines bezüglich Figur 1 weitergebildeten Spannungsreglers anhand eines ver- einfachten Schaltbildes undFIG. 3 shows an exemplary embodiment of a voltage regulator developed with reference to FIG. 1 on the basis of a simplified circuit diagram and
Figur 4 das Prinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anhand eines beispielhaften, stark vereinfachten Blockschaltbildes.Figure 4 shows the principle of the circuit arrangement according to the invention using an exemplary, highly simplified block diagram.
Figur 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines als Referenzspannung vorliegenden Referenzsignals, wel-
ches an einem Ausgang 1 der Schaltungsanordnung abgreifbar ist. Über einen Stromspiegel 2, umfassend einen ersten, als Diode geschalteten Transistor 3 und einen weiteren Transistor 4, ist eine als Referenzelement arbeitende Diode 5 mit dem Ausgang 1 verbunden. Die Diode 5 ist dabei als NPN-Bipolar- Transistor ausgebildet, deren Basis- mit ihrem Kollektoranschluß kurzgeschlossen und mit einem Versorgungspotentialanschluß 6 verbunden ist . Die Diode 5 ist in einem ersten Strompfad angeordnet, der neben der Diode 5 den Stromspiegel- transistor 3 umf ßt, der mit seinem Emitteranschluß an den Emitteranschluß der Diode 5 angeschlossen ist, sowie einen Widerstand 7, der an den Kollektoranschluß des Stromspiegel- transistors 3 angeschlossen ist. Der Stromspiegeltransistor 3 ist als Diode dadurch verschaltet, daß sein Basis- mit seinem Kollektoranschluß verbunden ist. Der Basisanschluß des PNP-FIG. 1 shows a circuit arrangement for providing a reference signal which is present as a reference voltage and which ches can be tapped at an output 1 of the circuit arrangement. A diode 5, which functions as a reference element, is connected to the output 1 via a current mirror 2, comprising a first transistor 3 connected as a diode and a further transistor 4. The diode 5 is designed as an NPN bipolar transistor, the base of which is short-circuited with its collector connection and connected to a supply potential connection 6. The diode 5 is arranged in a first current path which, in addition to the diode 5, comprises the current mirror transistor 3 which is connected by its emitter connection to the emitter connection of the diode 5, and a resistor 7 which is connected to the collector connection of the current mirror transistor 3 connected. The current mirror transistor 3 is connected as a diode in that its base is connected to its collector terminal. The basic connection of the PNP
Stromspiegeltransistors 3 ist weiterhin mit dem Basisanschluß des weiteren, ebenfalls als PNP-Transistor ausgebildeten, gemeinsam den Stromspiegel 2 bildenden Transistors 4 angeschlossen. Dieser ist mit seiner Emitter-Kollektor-Strecke in einem zweiten Strompfad angeordnet, der in einer Serienschaltung neben dem Transistor 4 ein Stellglied 8 umfaßt, sowie einen Widerstand 9 und eine weitere Diode 10. Das Stellglied 8 ist einerseits mit dem Versorgungspotentialanschluß 6 und andererseits mit dem Emitteranschluß des Transistors 4 verbunden. Der Kollektoranschluß des Transistors 4 ist mit dem Ausgang 1 sowie dem Widerstand 9 verbunden, welcher wiederum über die Diode 10 an einen Bezugspotentialanschluß 11 angeschlossen ist. An Bezugspotentialanschluß 11 ist auch der Widerstand 7 des ersten Strompfades angeschlossen. Das Stell- glied 8 ist als Widerstandsnetzwerk mit einstellbarem Widerstandswert ausgebildet und umfaßt eine Vielzahl unabhängig von einander zu- und abschaltbarer Widerstände 12. Die Widerstände 12 sind in je einer Serienschaltung aus einem Schalttransistor 13 und dem Widerstand 12 angeordnet, wobei die Se- rienschaltungen 12, 13 wiederum miteinander parallel geschaltet sind. Die Schalttransistoren 13 haben, bis auf einen, der immer an ist, je einen Steuereingang, der mit je einem zuge-
ordneten Ausgang DO bis D4 eines digital arbeitenden Reglers 14 verbunden ist. Der Regler 14 ist so aufgebaut, daß er nach der Methode der sukzessiven Approximation einen Abgleich durchführen kann, wie später näher erläutert. Der Regler 14 hat weiterhin einen Eingang, der an den Ausgang eines Vergleichers 15 angeschlossen ist. Der Vergleicher 15 ist als Komparator ausgebildet und umfaßt einen Soll-Eingang und eine Ist-Eingang. Der Ist-Eingang ist mit dem Ausgang 1 der Schaltungsanordnung verbunden. Der Soll-Eingang ist an den Ausgang eines als Bandgap-Schaltkreis ausgebildeten Referenzgenerators 16 angeschlossen, welcher mit Bezugspotentialanschluß 11 verbunden ist. Der Bandgap-Schaltkreis 16 umfaßt einen Steuereingang zum Zu- und Abschalten desselben, der mit einem entsprechend ausgelegten Ausgang des Reglers 14 verbunden ist. Der Regler 14 schließlich umfaßt einen Steuereingang, der mit einem Aktiviereingang 17 der Schaltungsanordnung gekoppelt ist .Current mirror transistor 3 is also connected to the base connection of the further transistor 4, which is likewise designed as a PNP transistor and which together forms the current mirror 2. This is arranged with its emitter-collector path in a second current path, which includes a control element 8 in a series circuit in addition to the transistor 4, as well as a resistor 9 and a further diode 10. The control element 8 is on the one hand with the supply potential connection 6 and on the other hand with connected to the emitter terminal of transistor 4. The collector connection of transistor 4 is connected to output 1 and resistor 9, which in turn is connected via diode 10 to a reference potential connection 11. The resistor 7 of the first current path is also connected to the reference potential connection 11. The actuator 8 is designed as a resistance network with an adjustable resistance value and comprises a large number of resistors 12 which can be switched on and off independently of one another. The resistors 12 are each arranged in a series circuit comprising a switching transistor 13 and the resistor 12, the series circuits 12 , 13 are in turn connected in parallel. With the exception of one that is always on, the switching transistors 13 each have a control input that is associated with a ordered output DO to D4 of a digital controller 14 is connected. The controller 14 is constructed in such a way that it can carry out an adjustment according to the successive approximation method, as will be explained in more detail later. The controller 14 also has an input which is connected to the output of a comparator 15. The comparator 15 is designed as a comparator and comprises a target input and an actual input. The actual input is connected to output 1 of the circuit arrangement. The setpoint input is connected to the output of a reference generator 16 which is designed as a bandgap circuit and which is connected to reference potential connection 11. The bandgap circuit 16 comprises a control input for switching it on and off, which is connected to a correspondingly designed output of the controller 14. Finally, the controller 14 comprises a control input which is coupled to an activation input 17 of the circuit arrangement.
Abhängig von einem am Aktiviereingang 17 anliegenden Signal kann die Schaltungsanordnung gemäß Figur 1 in zwei Betriebsarten arbeiten, nämlich einer Kalibrier-Betriebsart und einer Normal-Betriebsart . In der Kalibrier-Betriebsart stellt die Referenzquelle 16 eine Referenzspannung bereit, welche mit der am Ausgang 1 der Schaltung bereitgestellten Referenz- Spannung verglichen wird. Das Ergebnis dieses Vergleiches wird dem Regler 14 zugeführt, der in Abhängigkeit davon die Schalter 13 solange beeinflußt, bis nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation der Spannungswert des Reglers am Ausgang 1 demjenigen der Bandgap-Schaltung 16 möglichst nahe kommt. Der Referenz-Spannungswert am Ausgang 1 stellt sich dabei in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung der Diode 5, welche als Referenzdiode arbeitet, sowie in Abhängigkeit der Einstellungen am WiderStandsnetzwerk 8 ein. Durch den Widerstand 7 und die Diode 5 fließt ein Strom, welcher die Basis-Emitter-Spannung der Diode 5 festlegt. Diese Spannung wird über den Stromspiegel 2 auf die Widerstands-Bank der Einsteilvorrichtung 8 weitergereicht. Wird der Kalibrier-
betrieb ausgeschaltet, so wird praktisch ein von der Basis- Emitter-Spannung der Referenzdiode 5 und der kalibrierten Widerstands-Einsteilvorrichtung 8 abhängiger Spannungswert auf den Ausgang 1 gelegt .Depending on a signal present at the activation input 17, the circuit arrangement according to FIG. 1 can operate in two operating modes, namely a calibration mode and a normal mode. In the calibration mode, the reference source 16 provides a reference voltage which is compared with the reference voltage provided at the output 1 of the circuit. The result of this comparison is fed to the controller 14, which, depending on this, influences the switches 13 until the voltage value of the controller at the output 1 comes as close as possible to that of the bandgap circuit 16 using the method of successive approximation. The reference voltage value at output 1 is set as a function of the base-emitter voltage of diode 5, which works as a reference diode, and as a function of the settings on resistor network 8. A current flows through the resistor 7 and the diode 5, which defines the base-emitter voltage of the diode 5. This voltage is passed on via the current mirror 2 to the resistance bank of the setting device 8. If the calibration operation switched off, a voltage value dependent on the base-emitter voltage of the reference diode 5 and the calibrated resistance setting device 8 is practically applied to the output 1.
Da mittels des Steuersignals, welches die Referenzquelle 16 ansteuert, der Bandgap-Schaltkreis im Normalbetrieb abgeschaltet werden kann, ist im Normalbetrieb mit guten Rauscheigenschaften des Referenzsignals am Ausgang 1 zu rech- nen. Zudem hat die Bipolardiode 5 einen sehr geringen Eigenstromverbrauch. Die Bandga -Quelle 16 bietet eine hohe Genauigkeit und gutes Temperaturverhalten, so daß das vorliegende Prinzip alle genannten Vorteile miteinander kombiniert . Daher ist die Schaltung gemäß Figur 1 besonders zur Anwendung als Spannungsregler für extrem rauscharme Anforderungen wie zumSince the bandgap circuit can be switched off in normal operation by means of the control signal which drives the reference source 16, good noise characteristics of the reference signal at output 1 can be expected in normal operation. In addition, the bipolar diode 5 has a very low self-consumption. The Bandga source 16 offers high accuracy and good temperature behavior, so that the present principle combines all the advantages mentioned. The circuit according to FIG. 1 is therefore particularly suitable for use as a voltage regulator for extremely low-noise requirements such as
Beispiel die Spannungsversorgung von spannungsgesteuerten Oszillatoren geeignet, deren Phasenrauschen dementsprechend ebenfalls gering ist. Da die AusgangsSpannung am Ausgang 1 als über Widerstand 9 und weitere Diode 10 abfallende Span- nung bereitgestellt wird, kann mit der in Serie geschalteten, weiteren Diode 10 eine weitere Verbesserung der Rauscheigenschaften erzielt werden.For example, the voltage supply of voltage-controlled oscillators, whose phase noise is correspondingly low, is suitable. Since the output voltage at output 1 is provided as a voltage dropping via resistor 9 and further diode 10, a further improvement in the noise properties can be achieved with the further diode 10 connected in series.
Während herkömmliche Schaltungen mit rauscharmen Bandgap- Schaltungen bei einer AusgangsSpannung von 2,3 Volt eineWhile conventional circuits with low-noise bandgap circuits with an output voltage of 2.3 volts one
Rauschspannung von ca. 23 bis 28 nV/NHz liefern, ist gemäß vorliegendem Prinzip eine Rauschspannung von unter 8 nV/ Hz bei vergleichbarem Biasstrom erzielbar.23 to 28 nV / NHz, a noise voltage of less than 8 nV / Hz can be achieved with a comparable bias current.
Als Widerstände können alternativ MOS-Transistoren vorgesehen sein, die direkt mit den digitalen Steuerleitungen der Ausgänge DO bis D4 angesteuert werden können.Alternatively, MOS transistors can be provided as resistors, which can be controlled directly with the digital control lines of the outputs DO to D4.
Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Schal- tungsanordnung zur Bereitstellung eines Referenzsignals, welche im Unterschied zu der Schaltung von Figur 1 ausgelegt ist
zur Bereitstellung eines Referenzstromes an Stelle einer Referenzspannung am Ausgang 1 der Schaltung.FIG. 2 shows an alternative embodiment of the circuit arrangement for providing a reference signal, which is designed in contrast to the circuit of FIG. 1 to provide a reference current instead of a reference voltage at output 1 of the circuit.
Abgesehen vom zweiten Stromzweig 8, 4, 9, 10 der Schaltungs- anordnung aus Figur 1 unterscheidet sich das Schaltbild von Figur 2 in Aufbau und Funktionsweise nicht von dem von Figur 1 und soll in so weit nicht noch einmal wiederholt werden. Im zweiten Stromzweig 2 jedoch ist vorliegend zwischen dem Kollektoranschluß des Stromspiegeltransistors 4, dessen Emitteranschluß nach wie vor an das Stellglied 8 angeschlossen ist, keine Serienschaltung aus einem Widerstand 9 und einer Diode 10 angeschlossen, sondern eine Serienschaltung aus einem Schalter 18 und, je nach Schalterstellung, dem Widerstand 9, welcher mit Bezugspotentialanschluß 11 verbunden ist. Der Schalter 18 ist einerseits fest mit dem Kollektoranschluß des Transistors 4 verbunden. Andererseits ist der Schalter 18 abhängig von der Schalterstellung entweder mit einem Anschluß des Widerstands 9 und mit dem Ist-Eingang des Vergleichers 15 verbunden und in einer zweiten Schalterstel- lung mit dem Ausgang 1 der Regleranordnung. Der Steuereingang des Schalters 18 ist ebenso wie der Steuereingang der Referenzquelle 16 mit dem Steuerausgang des Reglers 14 gekoppelt.Apart from the second current branch 8, 4, 9, 10 of the circuit arrangement from FIG. 1, the circuit diagram of FIG. 2 does not differ in structure and mode of operation from that of FIG. 1 and should not be repeated again so far. In the second current branch 2, however, no series circuit comprising a resistor 9 and a diode 10 is connected between the collector terminal of the current mirror transistor 4, whose emitter terminal is still connected to the actuator 8, but a series circuit comprising a switch 18 and, depending on the switch position , The resistor 9, which is connected to the reference potential terminal 11. The switch 18 is on the one hand firmly connected to the collector terminal of the transistor 4. On the other hand, depending on the switch position, the switch 18 is either connected to a connection of the resistor 9 and to the actual input of the comparator 15 and in a second switch position to the output 1 of the controller arrangement. The control input of the switch 18, like the control input of the reference source 16, is coupled to the control output of the controller 14.
Während in der Einstell-Betriebsart der in Abhängigkeit von der Diode 5 und ihrer Basis-Emitter-Spannung bereitgestellte Strom in eine Spannung konvertiert und vom Vergleicher 15 und auf den entsprechenden Wert der Bandgap-Referenzquelle gebracht wird, kann in der Normalbetriebsart der von der Diode 5 und der bereits kalibrierten Einsteilvorrichtung 8 in Abhängigkeit bereitgestellte Referenzstrom direkt auf denWhile in the setting mode, the current provided as a function of the diode 5 and its base-emitter voltage is converted into a voltage and brought to a corresponding value by the comparator 15 and the bandgap reference source, in the normal mode that of the diode 5 and the already calibrated setting device 8 as a function of the reference current provided directly on the
Ausgang 1 der Schaltung gegeben werden.Output 1 of the circuit can be given.
Die Vorteile bezüglich Rauscheigenschaften, Eigenstromverbrauch, Genauigkeit, Stabilität und Temperaturgang der Refe- renzschaltung gemäß Figur 2 entsprechen denen der Referenz- Schaltung von Figur 1.
Wenn auf den Schalter 18 verzichtet werden soll, so kann alternativ zum Schalter 18 auch eine weitere Stromquelle vorgesehen sein, wobei dann eine der Stromquellen den Vergleicher nach Konversion des Stroms in eine Spannung ansteuert und ei- ne weitere Stromquelle den Ausgang 1 der Schaltung versorgt .The advantages with regard to noise properties, own power consumption, accuracy, stability and temperature response of the reference circuit according to FIG. 2 correspond to those of the reference circuit from FIG. 1. If the switch 18 is to be dispensed with, a further current source can also be provided as an alternative to the switch 18, in which case one of the current sources controls the comparator after conversion of the current into a voltage and another current source supplies the output 1 of the circuit.
Figur 3 zeigt eine Weiterbildung des Spannungsreglers von Figur 1, ausgebildet als extrem rauscharmer Low-Drop- Spannungsregler . Es sollen hier nur die Abweichungen der Fi- gur 3 von Figur 1 beschrieben werden. Wie in Figur 1 ist vorliegend ein Regler 14 vorgesehen, der in Abhängigkeit von einem Aktiviersignal am Aktiviereingang 17 arbeitet. An mehrere Ausgänge zur Bereitstellung eines digital kodierten Steuersignals des Reglers 14 ist gemäß Figur 3 ein als programmierba- rer Spannungsteiler ausgebildetes Stellglied 19 angeschlossen. Der programmierbare Spannungsteiler 19 hat einen Ab- griffspunkt, der mit einem Ist-Eingang eines weiteren Vergleichers 20 verbunden ist. Der Soll-Eingang des weiteren Vergleichers 20 ist an einen Schaltungsknoten zwischen eine Stromquelle 21, welche zusätzlich mit Versorgungspotentialanschluß 6 verbunden ist und die Referenzdiode 5, welche emit- terseitig mit Bezugspotentialanschluß 11 verbunden ist, angeschlossen. Der Ausgang des weiteren Vergleichers 20 ist mit einem Basisanschluß eines PNP-Transistor 25 verschaltet, des- sen Kollektoranschluß zum einen mit dem programmierbaren Spannungsteiler 19 und zum anderen mit dem Ausgang 1 der Schaltung verbunden ist und dessen Emitteranschluß mit dem Versorgungspotentialanschluß 6 verbunden ist. Anstelle des PNP-Transistors 25 kann auch ein PMOS-Transistor vorgesehen sein.Figure 3 shows a development of the voltage regulator of Figure 1, designed as an extremely low-noise low-drop voltage regulator. Only the deviations in FIG. 3 from FIG. 1 are to be described here. As in FIG. 1, a controller 14 is provided in the present case, which operates as a function of an activation signal at the activation input 17. According to FIG. 3, an actuator 19 designed as a programmable voltage divider is connected to several outputs for providing a digitally coded control signal from the controller 14. The programmable voltage divider 19 has a tap point which is connected to an actual input of a further comparator 20. The setpoint input of the further comparator 20 is connected to a circuit node between a current source 21, which is additionally connected to the supply potential connection 6 and the reference diode 5, which is connected on the emitter side to the reference potential connection 11. The output of the further comparator 20 is connected to a base connection of a PNP transistor 25, the collector connection of which is connected on the one hand to the programmable voltage divider 19 and on the other hand to the output 1 of the circuit and whose emitter connection is connected to the supply potential connection 6. Instead of the PNP transistor 25, a PMOS transistor can also be provided.
Es ist nach wie vor Vergleicher 15 vorgesehen, dessen Soll- Eingang an den Referenzgenerator 16 angeschlossen ist und dessen Ist-Eingang über einen Spannungsteiler 22, 23 umfas- send zwei Widerstände mit dem Ausgang 1 verbunden ist. DerComparator 15 is still provided, the nominal input of which is connected to reference generator 16 and the actual input of which is connected to output 1 by means of a voltage divider 22, 23 comprising two resistors. The
Ausgang des Vergleichers 15 ist wie in Figur 1 mit einem Steuereingang des Reglers 14 verbunden.
Die Funktionsweise des rauscharmen Spannungsreglers gemäß Figur 3 wird nachfolgend anhand eines Zahlenbeispiels verdeutlicht. Die Bandgap-Referenzquelle 16 stellt typischerweise eine Spannung von 1,2 Volt bereit. Damit am Ausgang 1 eine gewünschte Referenzspannung von 2,4 Volt bereitsteht, ist der Spannungsteiler 22, 23 mit zwei gleich großen Widerständen 22, 23 ausgeführt.The output of the comparator 15 is connected to a control input of the controller 14 as in FIG. 1. The mode of operation of the low-noise voltage regulator according to FIG. 3 is illustrated below using a numerical example. The bandgap reference source 16 typically provides a voltage of 1.2 volts. So that a desired reference voltage of 2.4 volts is available at output 1, the voltage divider 22, 23 is designed with two resistors 22, 23 of the same size.
Weicht der tatsächliche Spannungswert am Ausgang 1 von dem Sollwert von 2,4 Volt ab, so wird der programmierbare Spannungsteiler 19 solange mittels des Reglers 14 verstimmt, bis am Ausgang gerade die Sollspannung von 2,4 Volt bereitgestellt wird. Geht man davon aus, daß die Referenzdiode 5 eine Basis-Emitter-Spannung von ca. 0,8 Volt aufweist, so wird sich das Teilerverhältnis am programmierbaren Spannungsteiler 19 nach dem Verfahren der sukzessiven Approximation so einstellen, daß der sich aus Parallelschaltung ergebende Widerstandswert im unteren Teil des Spannungsteilers in Summe auf die Hälfte des Wertes des Widerstands 24 im programmierbaren Spannungsteiler einstellt, derart, daß über den Widerstand 24 eine Spannung von 1,6 Volt und über das Widerstandsnetzwerk eine Spannung von 0,8 Volt abfällt.If the actual voltage value at output 1 deviates from the target value of 2.4 volts, then programmable voltage divider 19 is detuned by means of controller 14 until the target voltage of 2.4 volts is just being made available at the output. If one assumes that the reference diode 5 has a base-emitter voltage of approximately 0.8 volts, the divider ratio on the programmable voltage divider 19 will be adjusted according to the successive approximation method so that the resistance value resulting from parallel connection in adjusts the lower part of the voltage divider in total to half the value of the resistor 24 in the programmable voltage divider, such that a voltage of 1.6 volts drops across the resistor 24 and a voltage of 0.8 volts drops across the resistor network.
Figur 3 vereint demnach die unter Figur 1 genannten Vorteile der Spannungsregelung gemäß dem vorgestellten Prinzip mit den Vorteilen eines Low-Drop-Spannungsreglers .FIG. 3 accordingly combines the advantages of voltage regulation mentioned in FIG. 1 according to the principle presented with the advantages of a low-drop voltage regulator.
Figur 4 schließlich zeigt ein stark vereinfachtes Block- Schaltbild des erfindungsgemäßen Prinzips. Dabei ist eine Serienschaltung aus einer Stromquelle 30 und der Referenz- diode 5 zwischen einen Versorgungsanschluß 6 und einen Bezugspotentialanschluß 11 geschaltet. Die über der Diode 5 abfallende Spannung wird einem digital ansteuerbaren Verstärker 31 an seinem Eingang zugeführt, hierfür ist der Eingang mit der Anode der Diode 5 verbunden. Der Ausgang des veränderbaren Verstärkers ist mit dem Ausgang 1 der Schaltungsanordnung
verbunden, an dem das Referenzsignal als Spannungsreferenz oder Stromreferenz vorliegt. Der veränderbare Verstärker 31 weist eine Vielzahl digitaler Steuereingänge auf, die mit dem Ausgang eines digitalen Reglers 14 verbunden sind. Der digitale Regler 14 hat einen Ist-Eingang, der mit dem Ausgang 1 der Schaltung verbunden ist und einen Soll-Eingang, der mit einer Referenzquelle 16 verbunden ist. Beispielsweise ist der Verstärker 31 mit einem programmierbaren Verstärkungsfaktor ausgebildet .Figure 4 finally shows a highly simplified block diagram of the principle of the invention. A series circuit comprising a current source 30 and the reference diode 5 is connected between a supply connection 6 and a reference potential connection 11. The voltage drop across the diode 5 is fed to a digitally controllable amplifier 31 at its input, for this purpose the input is connected to the anode of the diode 5. The output of the variable amplifier is with output 1 of the circuit arrangement connected, at which the reference signal is present as a voltage reference or current reference. The variable amplifier 31 has a multiplicity of digital control inputs which are connected to the output of a digital controller 14. The digital controller 14 has an actual input which is connected to the output 1 of the circuit and a target input which is connected to a reference source 16. For example, amplifier 31 is designed with a programmable gain factor.
In einem Kalibrierbetrieb wird ein von der über die Diode 5 abfallenden Spannung abgeleitetes Signal auf den Wert eines von einer Referenzquelle 16 bereitgestellten Bezugssignals gebracht. Hierfür wird das Verstärkungsverhältnis des Ver- stärkers 31 mittels des Reglers 14 geeignet programmiert. Dies erfolgt in einer digitalen Regelung, beispielsweise durch sukzessive Approximation in mehreren aufeinanderfolgenden Abgleichschritten. In einem anschließenden Normalbetrieb kann die Referenzquelle 16 abgeschaltet werden. Anschließend wird die über die Diode 5 abfallende Bezugsspannung in demIn a calibration operation, a signal derived from the voltage drop across the diode 5 is brought to the value of a reference signal provided by a reference source 16. For this purpose, the amplification ratio of the amplifier 31 is suitably programmed by means of the controller 14. This is done in a digital control, for example by successive approximation in several successive adjustment steps. In a subsequent normal operation, the reference source 16 can be switched off. Then the reference voltage drop across the diode 5 is in the
Verstärker 31 entsprechend der Programmierung aufbereitet und dem Ausgang 1 als kalibiriertes Referenzsignal zugeführt.Amplifier 31 prepared in accordance with the programming and supplied to output 1 as a calibrated reference signal.
Auch anhand des Blockschaltbildes von Figur 4 sind die Vor- teile des vorliegenden Prinzips leicht erkennbar, nämlichThe advantages of the present principle can also be easily recognized from the block diagram of FIG. 4, namely
Kombination der extrem guten Rauscheigenschaften und dem geringen Eigenstromverbrauch der Diode 5 verbunden mit der hohen Genauigkeit und dem guten Temperaturgang der Referenz- quelle 15.
BezugszeichenlisteCombination of the extremely good noise properties and the low internal power consumption of the diode 5 combined with the high accuracy and the good temperature response of the reference source 15. LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Ausgang1 exit
2 Stromspiegel 3 Transistor2 current mirror 3 transistor
4 Transistor4 transistor
5 Diode5 diode
6 Versorgungspotentialanschluß6 supply potential connection
7 Widerstand 8 Stellglied7 resistor 8 actuator
9 Widerstand9 resistance
10 Diode10 diode
11 Bezugspotentialanschluß11 Reference potential connection
12 Widerstand 13 Schalter12 resistor 13 switch
14 Regler14 controllers
15 Vergleicher15 comparators
16 Referenzquelle16 Reference source
17 Aktiviereingang 18 Schalter17 Activation input 18 switch
19 Spannungsteiler, programmierbar19 voltage dividers, programmable
20 Vergleicher20 comparators
21 Stromquelle21 power source
22 Widerstand 23 Widerstand22 resistance 23 resistance
24 Widerstand24 resistance
25 Transistor25 transistor
30 Stromquelle30 power source
31 programmierbarer Verstärker
31 programmable amplifiers
Claims
1. Schaltungsanordnung zur Bereitstellung eines Referenzsignals, aufweisend - eine Diode (5) ,1. Circuit arrangement for providing a reference signal, comprising - a diode (5),
- einen Verstärker (31) , welcher eine steuerbare Verstärkung hat, die die Abhängigkeit des Referenzsignals von einem Eingangssignal des Verstärkers (31) beeinflusst, mit einem Eingang, an dem das Eingangssignal zuführbar ist und der mit der Diode (5) verbunden ist, mit einem Ausgang (1), an dem das Referenzsignal bereitgestellt wird, und mit einem Steuereingang zum Einstellen der steuerbaren Verstärkung, und- An amplifier (31) which has a controllable gain which influences the dependence of the reference signal on an input signal of the amplifier (31), with an input to which the input signal can be fed and which is connected to the diode (5) with an output (1) at which the reference signal is provided and with a control input for setting the controllable gain, and
- einen Regelkreis, umfassend einen Regler (14) mit einem Vergleicher, mit einem Ist-Eingang, der an den Ausgang des Verstärkers (31) angeschlossen ist, mit einem Soll-Eingang, der mit einer Referenzquelle (16) verbunden ist, und mit einem Ausgang, der mit dem Steuereingang des als Stellglied arbeitenden Verstärkers (31) verbunden ist.- A control circuit comprising a controller (14) with a comparator, with an actual input, which is connected to the output of the amplifier (31), with a desired input, which is connected to a reference source (16), and with an output which is connected to the control input of the amplifier (31) operating as an actuator.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Diode (5) in bipolarer Schaltungstechnik ausgebildet ist, deren Basis-Emitter-Spannung das dem Verstärker (31) zuführ- bare Eingangssignal repräsentiert.2. Circuit arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the diode (5) is formed in bipolar circuit technology, the base-emitter voltage represents the input signal to the amplifier (31) can be supplied.
3. Schal tungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Verstärker (31) ein Widerstandsnetzwerk (8) mit einstell- barem Widerstandswert umfaßt, mit einer Vielzahl unabhängig voneinander zu- und abschaltbarer Widerstände (12) .3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, so that the amplifier (31) comprises a resistor network (8) with an adjustable resistance value, with a plurality of resistors (12) which can be switched on and off independently of one another.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Regler (14) einen Aktiviereingang (17) umfaßt, zum Umschalten zwischen einer Einstell-Betriebsart der Schaltungsanordnung zum Kalibrieren des Verstärkers (8, 31) und einer Normal-Betriebsart zum Bereitstellen eines kalibrierten Referenzsignals mittels der Diode (5) .4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the controller (14) comprises an activation input (17) for switching between a setting mode of the circuit arrangement for calibrating the amplifier (8, 31) and one Normal operating mode for providing a calibrated reference signal using the diode (5).
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Referenzquelle (16) in Abhängigkeit von dem Aktiviersignal abschaltbar ausgebildet ist zu deren Abschaltung während der Normal-Betriebsart .5. Circuit arrangement according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the reference source (16) is designed to be switched off in dependence on the activation signal for its switching off during the normal operating mode.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Referenzquelle (16) als Bandgap-Generator ausgebildet ist, der an seinem Ausgang eine Bandgap-Spannung bereitstellt.6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 5, that the reference source (16) is designed as a bandgap generator which provides a bandgap voltage at its output.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Regler (14) ausgebildet ist zum Einstellen der steuerbaren Verstärkung des Verstärkers (8, 31) in einem digitalen Approximationsverfahren.7. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 6, that the controller (14) is designed to adjust the controllable gain of the amplifier (8, 31) in a digital approximation method.
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der als Stellglied arbeitende Verstärker (31) als Spannungs- teiler mit programmierbarem Teilerverhältnis (19) ausgebildet ist . 8. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 7, so that the amplifier (31) working as an actuator is designed as a voltage divider with a programmable divider ratio (19).
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