DE10218097B4

DE10218097B4 - Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung

Info

Publication number: DE10218097B4
Application number: DE10218097A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schlaffer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: EP1497703B1; TW200307946A; DE10218097A1; DE50305578D1; US20050073285A1; EP1497703A1; WO2003091818A1; US7091770B2

Abstract

Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung mit einem Spannungsteiler, der zwischen einem ersten Potential (U_HV) und einem Bezugspotential angeordnet ist und der eine Vielzahl in Reihe geschalteter Dioden (T₁..T_n) aufweist, wobei an einem Anschluß einer Diode eine Ausgangsspannung (U_out) abgreifbar ist, einer Regelschaltung (2), an der die Ausgangsspannung (U_out) und eine Referenzspannung (T_REF) anliegt zur Regelung des ersten Potentials (U_HV) aufgrund eines Vergleichs der Ausgangsspannung (U_out) mit der Referenzspannung (U_REF), wobei das Teilerverhältnis durch das Aktivieren bzw. das Deaktivieren einer oder mehrerer Dioden (T₁..T_n) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilerverhältnis zusätzlich durch Einstellung der Höhe des Spannungsabfalls bei zumindest einer der Dioden (T₂) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung mit einem Spannungsteiler, der zwischen einem ersten Potential und einem Bezugspotential angeordnet ist und der eine Vielzahl in Reihe geschalteter Dioden aufweist, wobei an einem Anschluß einer Diode eine Ausgangsspannung abgreifbar ist, einer Regelschaltung, an der die Ausgangsspannung und eine Referenzspannung anliegt zur Regelung des ersten Potentials aufgrund eines Vergleichs der Ausgangsspannung mit der Referenzspannung, wobei das Teilerverhältnis durch das Aktivieren bzw. das Deaktivieren einer oder mehrerer Dioden veränderbar ist.

Solche Schaltungsanordnungen zur Spannungsregelung werden beispielsweise in integrierten Schaltungsanordnungen eingesetzt, bei denen eine Spannung erzeugt wird, die größer ist als die Versorgungsspannung der integrierten Schaltung. Solche Spannungen werden beispielsweise benötigt, um Speicherzellen eines nichtflüchtigen Speichers zu löschen, insbesondere EEPROM-Speicher.

Das dabei auftretende Problem besteht darin, die Potentialdifferenz zwischen dem ersten Potential und dem Bezugspotential, die im Folgenden als Hochspannung bezeichnet wird, zu regeln. Da die Hochspannung über der Versorgungsspannung liegt, ist es nicht möglich, diese Hochspannung direkt zu messen und zu regeln. Aus diesem Grund werden Spannungsteiler eingesetzt, so daß die Messung und Regelung auf einer niedrigeren Spannungsebene erfolgen kann, die unterhalb der Versorgungsspannung liegt.

Üblicherweise werden zwei verschiedene Typen von Spannungsteilern eingesetzt. Wenn eine genaue Einstellmöglichkeit des Teilerverhältnisses erforderlich ist, werden Teiler aus Wi derstandsketten aufgebaut. Einzelne Widerstände sind zur Einstellung des Teilerverhältnisses überbrückbar. Die Feinheit der Einstellmöglichkeit ergibt sich aus der Höhe des jeweils überbrückten Widerstands im Verhältnis zum Gesamtwiderstand des Teilers. Solche Teiler besitzen jedoch den Nachteil, daß der Flächenbedarf verhältnismäßig groß ist und dies daher eine unter Kostengesichtspunkten ungünstige Lösung darstellt.

Eine bezüglich des Flächenbedarfs günstigere Lösung besteht darin, den Spannungsteiler aus Dioden aufzubauen, insbesondere sind Teiler aus MOS-Transistoren bekannt, die jeweils als Diode geschaltet sind. Um einen solchen Teiler einsetzen zu können, ist allerdings Voraussetzung, daß die minimale geforderte Einstellgranularität des Teilers größer ist als die Schwellenspannung der Transistoren. Die Einstellung der Spannung erfolgt dabei dadurch, daß einzelne Dioden aktiviert bzw. deaktiviert werden. Nimmt man für die Schwellenspannung der Transistoren einen realistischen Wert von ca. 0,6 V an, läßt sich die Hochspannung lediglich in Schritten von 0,6 V einstellen.

Eine solche aus der DE 197 44 686 A1 bekannt. Es sind mehrere als Dioden geschaltete MOS-Transistoren vorgesehen, die von einer Steuerschaltung angesteuert werden. Außerdem ist aus dieser Druckschrift bekannt, die Schaltung durch eine Einstellschaltung mit mehreren Schalttransistoren so zu erweitern, daß eine feinere Abstufung möglich ist. Der Aufbau der Schaltung ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Um bei der bisherigen Lösung der Realisierung eines Spannungsteilers die Einstellgranularität weiter verfeinern zu können, muß der Nennspannungsabfall über ein Teilerelement reduziert werden, so daß durch dessen Aktivierung oder Deaktivierung die Gesamtspannung um einen Spannungsabfall von beispielsweise 0,2V verändert werden kann. In einem solchen Fall sind jedoch Dioden bzw. MOS-Transistoren nicht mehr einsetzbar, da deren Einsatzspannung bei 0,6 V erreicht ist und darunter ein solchermaßen aufgebauter Spannungsteiler nicht mehr funktionsfähig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung anzugeben, mit der eine genaue Einstellung der Spannung möglich ist und die trotzdem einen geringen Flächenbedarf aufwest. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Teilerverhältnis zusätzlich durch Einstellung der Höhe des Spannungsabfalls bei zumindest einer der Dioden veränderbar ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann bezüglich des Spannungsteilers komplett aus MOS-Transistoren aufgebaut werden, die einen im Vergleich zu Widerständen sehr geringen Flächenbedarf haben. Die Feinheit der Einstellung des Teilerverhältnisses wird dadurch erreicht, daß die grobe Einstellung wie bisher durch das Aktivieren bzw. Deaktivieren von einzelnen Dioden vorgenommen werden kann und darüber hinaus die Feinregelung dadurch bewerkstelligt wird, daß der Spannungsabfall über einer oder mehreren der Dioden separat einstellbar ist. Während bei den Dioden ohne Zusatzbeschaltung ein Spannungsabfall von typischerweise 0,6 V entsteht, ist durch den gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehenen parallel geschalteten Transistor dieser Spannungsabfall beliebig zwischen 0 V und 0,6 V einstellbar.

Besonders vorteilhaft ist, daß dadurch der Strom durch die anderen Dioden des Spannungsteilers nicht verändert wird und daher der Spanungsabfall über diesen Dioden gleich bleibt. Die Hochspannung ist daher stets aus einem Nennspannungsabfall über den Dioden und der über der mindestens einen Diode eingestellten Spannung berechenbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Steuerschaltung zur Ansteuerung eines zu einer Diode parallel geschalteten Transistors verwendet, wobei durch diese der Transistor derart ansteuerbar ist, daß einer der Anschlüsse der Diode eine vorbestimmte Spannung annimmt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

1 eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung nach dem Stand der Technik und

2 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung wird zunächst anhand von 1 beschrieben, wie eine Schaltungsanordnung nach dem Stand der Technik funktioniert und worin die Probleme, die dort auftreten, begründet sind. Zwischen einer Hochspannung U_HV und einem Bezugspotential 0 ist ein Spannungsteiler geschaltet, der aus den Dioden Dl bis D6 besteht. Die Hochspannung U_HV teilt sich gleichmäßig auf die Dioden Dl bis D6 auf, sofern es sich um gleiche Dioden handelt. Zwischen den Dioden D2 und D3 wird eine Ausgangsspannung U_out abgegriffen und einer Regelschaltung 2 zugeführt. Durch diese Anordnung ist ein Spannungsteiler gebildet, für den gilt: U_out=U_HV/3. In der Regelschaltung 2 wird die gemessene Spannung U_out mit einer Referenzspannung U_REF verglichen. U_REF ist dabei derart bestimmt, daß sie ein Drittel der Soll-Hochspannung ist. Die Regelschaltung 2 regelt sodann die Hochspannung U_HV so lange nach, bis die gemessene Spannung U_out der Referenzspannung U_REF entspricht.

Ein anderer Sollwert für die Hochspannung U_HV kann dadurch eingestellt werden, daß der Referenzspannungswert U_REF verändert wird. Problematisch ist hierbei allerdings, daß eine Änderung von U_REF mit dem Kehrwert des Teilerverhältnisses multipliziert wird, im vorliegenden Fall also das Dreifache von der Änderung von U_REF sich auf die Hochspannung U_HV auswirkt. Im gezeigten Beispiel ist dies nicht problematisch, da das Teilerverhältnis 1:3 ist und die Spannungsänderungen von U_REF verhältnismäßig groß sein müssen, um eine bestimmte Änderung von U_HV zu erzielen. In einer konkreten Ausführung einer sol chen Schaltung besteht ein Teiler aber aus wesentlich mehr Dioden. Bei einer gewünschten Hochspannung von 16 V und einem Spannungsabfall von 0,6 V pro Diode ist ein Teiler mit 26 in Reihe geschalteten Dioden vorzusehen. Eine Änderung von U_REF um 0,1 V hat also eine Spannungsänderung von 2,6 V bei der Hochspannung U_HF zur Folge. Daraus ist offensichtlich, das eine exakte Regelung der Hochspannung U_HV schwierig ist.

Eine zweite Möglichkeit zur Änderung der Hochspannung U_HV besteht darin, das Teilerverhältnis des Spannungsteilers zu ändern. Ein geeignetes Mittel dazu ist die Überbrückung einzelner Dioden, wodurch jeweils die Hochspannung U_HV um den Betrag des Spannungsabfalls über einer Diode, in der Regel also 0,6 V, verringert wird. Eine feinere Abstufung als 0,6 V ist bei einer solchen Schaltung jedoch nicht möglich. Trotzdem werden derartige Schaltungen in der Praxis angewandt. Eine Teilerverhältnissteuerschaltung 1 ist dafür vorgesehen, eine oder mehrere Dioden D2 bis D6 durch jeweils einen Schalter 3 zu überbrücken.

Eine feinere Abstufung der Einstellmöglichkeit ist mit einer solchen, mit Dioden aufgebauten Schaltung, nicht zu erzielen, da die Schwellenspannung der verwendeten Dioden bzw. Transistoren 0,6V beträgt und nicht unterschritten werden kann. Zwar ist der Einsatz von Dioden mit anderen Halbleitermaterialien denkbar, die einen niedrigeren Schwellenwert als 0,6 V besitzen, jedoch ist dies mit einem nicht zu rechtfertigenden Kostenaufwand verbunden.

Eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung gemäß der Erfindung ist in 2 dargestellt. Auch hier ist ein Spannungsteiler durch Dioden aufgebaut, wobei es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um MOS-Transistoren handelt, die jeweils als Diode geschaltet sind. Im folgenden werden diese als Dioden geschalteten Transistoren nur als Dioden bezeichnet. Um die dargestellte Schaltungsanordnung allgemein zu halten, ist die oberste Diode allgemein mit T_n bezeichnet und die zwischen T₃ und T_n–1 liegenden Dioden durch Punke angedeutet. Die Ausgangsspannung U_out wird oberhalb der untersten Diode T₁ abgegriffen. Eine Regelschaltung 2 regelt die Hochspannung Um, derart, daß die abgegriffene Spannung U_out wiederum einer Referenzspannung U_REF entspricht. Im eingeregelten Zustand ist die Spannung U_T1 über der ersten Diode T₁ gleich der Referenzspannung U_REF Entsprechend der Diodenkennlinie stellt sich ein Strom I_T1 durch die erste Diode T₁ ein. Da es sich um eine Serienschaltung handelt und der Eingangswiderstand der Regelschaltung 2 gegen unendlich geht, sind die Ströme durch sämtliche Dioden gleich, wodurch sich auch, sofern man von einer Zusatzbeschaltung der Dioden absieht, gleiche Spannungsabfälle ergeben.

Die Regelschaltung 2 besitzt einen Operationsverstärker OP2 sowie eine Ladungspumpenschaltung 4. Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers OP2 ist mit der Ausgangsspannung U_out des Spannungsteilers beaufschlagt. An dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP2 liegt die Referenzspannung U_REF an. Da die Hochspannung U_HV über der Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung liegt, kann der Operationsverstärker OP2 nicht direkt die Hochspannung U_HV bereitstellen. Statt dessen wirkt er mit einer Ladungspumpenschaltung 4 zusammen, an deren Ausgang die Hochspannung U_HV bereitgestellt wird. Für die Regelschaltung 2 sind aber auch andere Ausführungsformen denkbar, so daß die hier gezeigte Anordnung nur beispielhaft zu verstehen ist.

Um eine feinere Einstellung als die oben erwähnten Schritte von 0,6 V zu ermöglichen, ist der durch T₂ gebildeten Diode ein Transistor T_R parallel geschaltet. Durch den Transistor T_R ist der Spannungsabfall über der durch T₂ gebildeten Diode beliebig verringerbar. Dies hat zur Folge, daß sich das Teilerverhältnis nicht nur aus dem Verhältnis der Anzahl der Dioden, über der die Ausgangsspannung U_out abgegriffen wird, zu der Gesamtanzahl der Dioden bestimmt wird, sondern als zu sätzliche analoge Einstellgröße die Höhe des Spannungsabfalls über der Parallelschaltung aus T₂ und T_R einfließt.

Ein großer Vorteil einer solchen Ausführung besteht darin, daß die Summe der Ströme durch T₂ und T_R wiederum dem Strom I_T1 entspricht, so daß sich die Spannungsabfälle über den anderen als Dioden geschalteten Transistoren nicht verändern.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Transistor T_R durch einen Operationsverstärker OP1 angesteuert, dessen nicht-invertierender Eingang mit der Verbindung zwischen den Transistoren T₂ und T₃ verbunden ist. An dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP1 liegt eine Steuerspannung U₂ an. Auf diese Weise wird an der Verbindungsstelle zwischen den Transistoren T₂ und T₃ die Spannung U₂ eingeprägt, da der Operationsverstärker OP1 den Strom durch den Transistor T_R so lange verändert, bis eben an der Verbindungsstelle zwischen T₂ und T₃ die Spannung U₂ auftritt.

U₂ ist dabei so einstellbar, daß U_REF nicht unterschritten und 2⋅U_REF nicht überschritten wird. In diesem Fall gilt: UHV = U2 + (n – 2)⋅UREF

Die Regelungsbandbreite liegt also nur zwischen 0 V und 0,6 V, was in der Praxis natürlich nicht ausreichend ist. Daher ist zusätzlich wie beim Stand der Technik die Möglichkeit vorgesehen, einzelne Transistoren zu deaktivieren, um dadurch die Hochspannung U_HV in Schritten von 0,6 V einstellen zu können. Dazu ist wie in der Schaltungsanordnung von 1 eine Teilerverhältnissteuerung 1 vorgesehen, die Schalter 3 ansteuert, die jeweils eine Diode überbrücken.

Die Feinregelung des Teilerverhältnisses erfolgt dann durch die entsprechende Ansteuerung des Transistors T_R mit der Spannung U₂.

Im Gegensatz zu einer Änderung der Referenzspannung U_REF multipliziert sich bei der erfindungsgemäßen Schaltung eine Änderung von U₂ nicht mit der Anzahl der Dioden des Teilers. Kleine unbeabsichtigte Abweichungen von U₂ führen deswegen nicht zu einem großen Fehler bei der Hochspannung U_HU.

Bei einem fehlerhaften Wert von U₂ oder einem Fehler in der durch OP1 und T_R gebildeten Regelschaltung ist der maximal zu erwartende Fehler der Hochspannung verhältnismäßig gering, d.h. er beträgt maximal 0,6 V, sofern dies der vorgesehene Spannungsabfall pro Diode ist.

1: Teilerverhältnissteuerschaltung
2: Regelschaltung
3: Schalter
4: Ladungspumpe
D1..D6: Dioden
T₁..T_n: Als Dioden geschaltete Transistoren
T_R: Regeltransistor
OP1, OP2: Operationsverstärker
U_out: Ausgangsspannung
U_REF: Referenzspannung
U_HV: Hochspannung
U₂: Steuerspannung
U_T1: Spannung über T1
I_T1: Strom durch T1

Claims

Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung mit einem Spannungsteiler, der zwischen einem ersten Potential (U_HV) und einem Bezugspotential angeordnet ist und der eine Vielzahl in Reihe geschalteter Dioden (T₁..T_n) aufweist, wobei an einem Anschluß einer Diode eine Ausgangsspannung (U_out) abgreifbar ist, einer Regelschaltung (2), an der die Ausgangsspannung (U_out) und eine Referenzspannung (T_REF) anliegt zur Regelung des ersten Potentials (U_HV) aufgrund eines Vergleichs der Ausgangsspannung (U_out) mit der Referenzspannung (U_REF), wobei das Teilerverhältnis durch das Aktivieren bzw. das Deaktivieren einer oder mehrerer Dioden (T₁..T_n) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilerverhältnis zusätzlich durch Einstellung der Höhe des Spannungsabfalls bei zumindest einer der Dioden (T₂) veränderbar ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (T₁..T_n) durch als Diode geschaltete MOS-Transistoren gebildet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgriff der Ausgangsspannung (U_out) der zweite Anschluß einer ersten Diode (T₁) vorgesehen ist, deren erster Anschluß mit dem Bezugspotential (0) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Spannungsabfalls über einer Diode (T₂) ein dieser parallel geschalteter Transistor (T_R) vorgesehen ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer mit der ersten Diode (T₁) verbundenen zweiten Diode (T₂) ein Transistor (T_R) parallel geschaltet ist zur Absenkung des Spannungsabfalls über der zweiten Diode (T_Z).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung zur Ansteuerung des Transistors (T_R), der einer Diode (T₂) parallel geschaltet ist, einen Operationsverstärker (OP1) umfaßt, durch den der Transistor derart ansteuerbar ist, daß einer der Anschlüsse der Diode (T₂) eine vorbestimmte Spannung (U₂) annimmt.
Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer integrierten Schaltung.