DE2260405B2 - Bezugsspannungsgeneratorschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine transistorisierte Bezugsspannungsgeneratorschaltung mit einem Versorgungsspannungseingang, einer temperaturempfindlichen Spannungsstabilisierschaltung, einer mit dieser verbundenen, der Lastschaltung anpaßbaren Temperaturkompensationsschaltung und einem mit der Spannungsstabilisierschaltung verbundenen, zwischen dem Versorgungsspannungseingang und dem Ausgangsanschluß angeordneten Stelltransistor, an

dessen Ausgang der Bezugsspannungsausgang gebildet ist, wobei die Spannungsstabilisierschaltung einen ersten Transistor, der emitterseitig an einen gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluß, koHektorseitig über einen Arbeitswiderstahd an den Versorgungsspannungseingang und basisseitig über einen ersten Widerstand an seinen Emitter angeschaltet ist, und einen von der Kollektorspannung des ersten Transistors abhängig gesteuerten zweiten Transistor aufweist, der über einen zweiten Widerstand mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist.

Elektronische Spannungskonstantregler sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Viele von ihnen, insbesondere solche mit Zenerdioden als Vergleichsspannungsquellen sind jedoch für die vollständig integrierte oder monolithische Herstellung ungeeignet. In den letzten Jahren wurden beispielsweise Prinzipien für den Aufbau einer eine Stromquelle bildenden Emitter-gekoppelten Logik (ECL) für die Herstellung von bipolaren integrierten Schaltungen bekannt. Die Anwendung dieser Techniken gibt dem Schaltungskonstrukteur beträchtlich größere Konstruktionsfjreiheit, da sie ihm die Möglichkeit bietet, einen größeren Prozentsatz der Versorgungsvorspannung zu Schaltzwecken auszunutzen.

Eine bekannte Bezugsspannungsgeneratorschaltung, die sich durch relativ geringe Temperaturempfindlichkeit auszeichnet, ist aus zwei Transistoren und zwei Widerständen aufgebaut. Der erste Transistor ist hierbei koHektorseitig über einen der beiden Widerstände mit einem Anschluß der Versorguiigsspannungsquelle und emitterseitig über den zweiten Widerstand mit dem anderen Anschluß der Versorgungsspannungsquelle verbunden. Wenn diesem Transistor daher ein geeigneter Basisstrom zugeführt wird, so wird die Kollektorspannung des Transistors in erster Linie von den Werten der beiden Widerstände bestimmt. Der zweite Transistor ist mit seinem Kollektor an einen Versorgungsspannungsanschluß angelegt, über seine Basis mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden und mit seinem Emitter an die Basis des ersten Transistors sowie den Bezugsspannungsanschluß angeschaltet und liefert die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom. Diese Schaltung ist relativ temperaturunempfindlich, da die die Ausgangsbezugsspannung hervorrufenden Spannungsabfälle an der Basis-Emitter-Diode im Vergleich zur Versorgungsspannung generell klein sind. Wie jedoch zuvor erwähnt, ist die Bezugsspannung grundsätzlich von der Kollektorspannung des ersten Transistors abhängig, die ihrerseits grundsätzlich proportional zur Versorgungsspannung ist. Demgemäß ist die von solchen Schaltungen entwickelte Bezugsspannung in hohem Maße versorgungsspannungsabhängig und kann daher nur dann als solche genutzt werden, wenn die Versorgungs- bzw. Speisespannung innerhalb enger Schwankungsgrenzen gehalten wird.

Eine andere bekannte Bezugsgeneratorschaltung benutzt die Basis-Emitter-Spannung eines ersten Transistors als Bezugsspannung, welche proportional verstärkt wird, um den gewünschten festen Bezug zu schaffen. Die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors ist relativ unabhängig von der Versorgungs- bzw. Speisespannung, so daß derartige Schaltungen über einen weiten Schwankungsbereich der Eingangsspannung betrieben werden können. Dagegen ist die Basis-Emitter-Spannung in hohem Maße temperaturabhängig, so daß bei diesen bekannten Schaltungen eine

Unempfindlichkeit gegenüber Versorgungsspannungsschwankungen zu Lasten einer hohen Temperaturempfindlichkeit erreicht wird.

Aus der CH-PS 513467 ist bereits eke Schaltung bekannt, bei der ein gegengekoppelter Emitterfolgeverstärker die Stabilisierschaltung zur Konstanthaltung der am Ausgang erscheinenden Bezugsspannung und ein aus zwei kollektorgekoppelten Transistoren bestehender Gegenkopplungszweig zur Kompensation von Temperaturschwankungen dienen. Diese bekannte Anordnung kann zwar monolithisch hergestellt werden und ist im Prinzip sowohl zur Spannungsstabilisation als auch zur Kompensation von Temperaturschwankungen in bestimmten Grenzen geeignet, hat jedoch insbesondere bei monolithischem Aufbau unveränderliche Betriebswerte, die im Zuge der Herstellung relativ schwer einstellbar sind.

Aus der DE-OS 1763360 ist eine Gleichstrom-Stabilisierschaltung mit zwei Transistoren ähnlich der Bezugsspannungsgeneratorschalhing der eingangs angegebenen Art bekannt. Sie dient zum Erzeugen eines konstanten Stromes oder einer konstanten Spannung und vermeidet Dioden, insbesondere Zenerdioden, welche in herkömmlichen Schaltungsanordnungen bei Spannungen unter 6 Volt eine nur relativ ungenaue Stabilisierung ergeben.

Im praktischen Einsatz der Bezugsspannungsgeneratorschaltung ist zu berücksichtigen, daß die mit der Bezugsspannung zu beaufschlagenden Schaltungen selbst häufig temperaturabhängige Eigenschaften haben. Aus diesem Grund ist es häufig erwünscht, eine Bezugsspannung zur Verfügung zu stellen, welche sich mit der Temperatur in einer vorgegebenen und steuerbaren Weise derart ändert, daß sie den Eigenschaften der jeweiligen Last, z. B. temperaturabhängigen Änderungen von Widerstandswerten, Dioden-Spannungsabfällen usw., in geeigneter Weise entgegenwirkt oder angepaßt ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen von Versorgungsspannungsschwankungen im wesentlichen unabhängigen Bezugsspannungsgenerator anzugeben, der sowohl auf völlige Temperaturunabhängigkeit als auch auf eine vorgegebene, den Erfordernissen der sich an den Generator anschließenden Schaltung entsprechende Temperaturabhängigkeit anpaßbar ist.

Ausgehend von einer Bezugsspannungsgeneratorschaltung der eingangs angegebenen Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß die Temperaturkompensationsschaltung eine zwischen einem an den Bezugsspannungsausgang angeschalteten dritten Widerstand und dem gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluß liegende Diode und einen dritten Transistor aufweist, der emitterseitig über einen vierten Widerstand an den gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluß, basisseitig an den Verbindungspunkt der Diode mit dem dritten Widerstand und kollektorseitig an wenigstens einen der ersten und zweiten Widerstände angeschaltet ist, und daß der Stelltransistor eine von der Spannung am zweiten Widerstand abhängige Ausgangsspannung entwickelt.

Die Bestandteil der erfindungsgemäßen Bezugsspannungsgeneratorschaltung bildende Stabilisierschaltung ist von Eingangsspannungsschwankungen praktisch unabhängig, dagegen relativ stark temperaturempfindlich. In an sich bekannter Weise ist zur Kompensation dieser Temperaturabhängigkeit eine die Temperaturkompensationsschaltung enthaltende Rückkopplungsschleife vorgesehen, die in besonderer Weise aufgebaut ist Die Temperaturempfindlichkeit der Spannungsstabilisierschaltung geht in erster Linie auf die Temperaturabhängigkeit des Spannungsabfalls

> an der Basis-Emitter-Diode des ersten Transistors zurück; diese Temperaturabhängigkeit kann selektiv gesteuert oder im wesentlichen beseitigt werden, indem die Widerstände in der Rückkopplungfschleife so gewählt werden, daß ein Strom mit entsprechender oder i<> geeigneter Temperaturabhängigkeit zurückgeführt wird. Zu diesem Zweck bedient sich die Erfindung einer im Prinzip aus der US-PS 3320439 zur Erzeugung sehr kleiner Ströme bekannten Anordnung als Temperaturkompensationsschaltung. Die Erfindung π geht dabei von der Erkenntnis aus, daß der bei der bekannten Anordnung ausgangsseitig erzeugte kleine Strom temperaturabhängig ist. Die Anordnung der Temperaturkompensationsschaltung ist bei der Erfindung so getroffen, daß bei temperaturabhängigen Än- n) derungen der Basis-Emitterspannung an dem zur Spannungsstabilisierschaltung gehörigen ersten Transistor eine gegenläufige und damit kompensierende Stromänderung am Ausgang der Temperaturkompensationsschaltung auftritt. Durch geeignete Ein-

r. stellung insbesondere des dritten Widerstandes und der vorzugsweise ebenfalls als Widerstand ausgebildeten widerstandsäquivalenten Stromquellenspannung läßt sich die Temperaturabhängigkeit der Basis-Emitterspannung des ersten Transistors in weiten

»ι Grenzen einstellen und sogar eine Umkehrung der Temperaturcharakteristiken zwecks Anpassung an eine von dem Generator zu betreibende Schaltung erreichen. Die Bezugsspannungsgeneratorschaltung arbeitet daher unabhängig von Schwankungen der Ein-

i'i gangsspannung und unabhängig oder in vorgegebener Abhängigkeit von Temperaturänderungen. Es zeigt Fig. 1 ein Schaltbild einer typischen Stromquelle für bipolare Schaltungen, und

Fig. 2 ein Schaltbild eines bevorzugten Ausführt rungsbeispiels des neuen Bezugsspannungsgenerators.

In Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild typischer bekannter Stromquellen bzw. -senken für stromgesteuerte bipolare Schaltungen gezeigt. Jede Strom-

ι quelle besteht aus einem Transistor mit einem Widerstand im Emitterkreis. Eine Bezugsspannung liegt zwischen den Anschlüssen 20 und 22, wobei der Anschluß 22 mit den Basiselektroden der Transistoren Q6 und Ql jeder Stromquelle verbunden ist. Jeder

in der Transistoren Q6 und Ql weist Widerstände R6 bzw. Rl auf, welche zwischen den zugehörigen Emittern und dem Anschluß 20 liegen. Der Kollektor jedes Transistors bildet den Stromquellenanschluß zu der nicht dargestellten Schaltung, in der die Stromquelle

γ, verwendet wird. Es ist zu sehen, daß die Spannung an jedem Widerstand gleich der Spannung am Anschluß 22 (VREF) minus der Basis-Emitter-Spannung im zugehörigen Transistor (VBE) ist. Der Strom in jedem Widerstand ist gleich (VREF-VBE)IR,

Mi wobei R der Wert des zugehörigen Widerstands ist. Der Basisstrom jedes Transistors ist generell relativ gering, so daß der Kollektorstrom angenähert gleich den? Emitterstrom ist. Demgemäß ist, als Beispiel, der Kollektorstrom der ersten Stromquelle /6 gleich

b-, (VREF-VBE6)/R6).

Der auf Grund der am Anschluß 22 anstehenden Bezugsspannung erzeugte Strom ist daher eine Funktion des Emitterwiderstandes einer speziellen Strom-

quelle und außerdem stark von der an der Schaltung anstehenden Bezugsspannung abhängig. Es ist klar, daß Widerstandsänderungen infolge von Temperaturschwankungen zu beträchtlichen Änderungen des Stroms führen. Dasselbe gilt bei Änderungen des Spannungsabfalls über der Basis-Emitterstrecke des Transistors.

Die Schaltung gemäß Fig. 2 stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der neuen Bezugsspannungsgeneratorschaltung dar. Die dargestellte Schaltung hat drei Anschlüsse 20, 22 und 24, von denen der Anschluß 20 mit der Niederspannungs-Versorgungsklemme VEE verbunden ist, welche beispielsweise an Erde liegen kann. Dieser Anschluß bildet auch eine Verbindung zu den Stromquellen und ist daher mit demselben Bezugszeichen wie der entsprechende Anschluß in Fig. 1 bezeichnet. Der Anschluß 22 ist der Ausgangsanschluß der Bezugsspannungsgeneratorschaltung und entsprechend dem VÄEF-Anschluß der Schaltung nach Fig. 1 bezeichnet. Der Anschluß 24 liegt an der positiven Versorgungsspannungsklemtne und wird auf einer mit VCC bezeichneten Spannung gehalten.

Bei der nachfolgenden Erläuterung und Analyse der Schaltung sei angenommen, daß der Basisstrom jedes der Transistoren im Vergleich zu den Emitter- und Kollektorströmen klein ist, so daß die Basisströme jedes Transistors als gleich angenommen werden können. Ferner wird bei der folgenden Analyse der Einfluß der Transistoren QA und QS zunächst außer acht gelassen und später ihr kompensierender Einfluß auf VREF erläutert.

Ein Widerstand Rl liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors Ql, so daß die Spannung am Widerstand /?2 gleich der Spannung der Basis-Emitter-Diode des Transistors Ql ist. Der Strom /2 im Widerstand Rl ist daher VBEQlIRl. Vernachlässigt man zunächst den Strom IA, so ist der Strom /1 im Widerstand Al zwischen dem Emitter des Transistors QT, und der Basis des Transistors Ql gleich II. Daher ist die Spannung am Emitter des Transistors Ql gleich /2 (Rl + Rl), was gleich (Rl + R2) VBEQlIRl ist.

Über einen Widerstand Ri fließt der Basisstrom der Transistoren Ql und Qi und außerdem der Kollektorstrom des Transistors Ql. Die Transistoren Ql und Q3 sind daher leitend, und die Bezugsspannung am Ausgangsanschluß 22 ist gleich der Spannung am Emitter des Transistors Ql plus dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors Ql minus dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors Q3. Daher ist VREF gleich (Ä1 + Ä2) VBEQl/ Rl + VBEQl - VBEQh. Obwohl die Basis-Emitter-Spannungsempfindlichkeit des Transistors Ql im wesentlichen durch äquivalente Empfindlichkeit des Transistors Qi in der obigen Gleichung aufgehoben wird, ist zu sehen, daß die Bezugsspannung im wesentlichen direkt proportional zur Spannung an der Basis-Emitter-Diode des Transistors QX ist und daß daher ohne eine Beeinflussung durch die Transistoren (24 und Q5 im wesentlichen die gesamte Temperaturabhängigkeit dieser Basis-Emitter-Spannung in die Bezugsspannung eingeht.

Im folgenden sei auf die Einflüsse der Transistoren Q4und QS in der Schaltung gemäß Fig. 2 eingegangen. Es ist zu sehen, daß Kollektor und Basis von ß5 kurzgeschlossen sind und die Basis-Kollektor-Verbindung über einen als Stromquellenschaltung wir-

kenden Widerstand RS an den Emitter des Transistors Qi angeschaltet ist. Der Emitter von QS liegt an Erde. Daher wirkt QS als Diode, deren Spannungsabfall in Durchlaßrichtung gleich dem Basis-Emitter-Spannungsabfall des Transistors ist. Auch die Basis des Transistors QA ist mit der Basis des Transistors QS verbunden. Der Emitter des Transistors QA ist über einen Widerstand A4 mit dem Erdanschluß gekoppelt. Der Widerstand RA hat einen relativ niedrigen Wert und ist insbesondere so gewählt, daß er die Kollektor- und Emitterströme des Transistors QA begrenzt. Die Basis-Emitter-Spannung des Transistors QS ist gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors QA plus dem Spannungsabfall über dem Widerstand RA, oder, anders ausgedrückt, die Spannung am Widerstand A4 ist gleich der Basis-Emitter-Spannung des Transistors QS minus der Basis-Emitter-Spannung des Transistors QA. Es gilt also angenähert: IA = ( VBEQS - VBEQA)IRA.

Der Strom IA fließt durch den Transistor Ql und den Widerstand Rl, so daß die Emitterspannung des Transistors Ql durch die die Transistoren QA und QS enthaltende Temperaturkompensationsschaltung um einen Wert von angenähert IA mal Al vergrößert wird. Dies erhöht die Emitterspannurig des Transistors Qi um einen ähnlichen Betrag (wobei zunächst die Änderung von VBEQl als Ergebnis des zunehmenden Stroms durch den Transistor Ql vernachlässigt wird). Daher ist die Endgleichung für die Bezugsspannung am Ausgangsanschluß 22 durch die folgende Näherungsgleichung gegeben:

VREF= (Rl + Rl) VBEQlIRl + VBEQl
- VBEQi + ( VBEQS - VBEQA) RlIRA.

Es ist zu beachten, daß der Wert des Temperaturkoeffizienten einer in Durchlaßrichtung betriebenen Flächendiode, z. B. einer Silizium- oder Germaniumdiode stromabhängig ist. (Integrierte Schaltungen bestehen aus Siliziumtransistoren, so daß die Basis-Emitter-Spannung derartiger Transistoren den charakteristischen Siliziumdioden-Temperaturkoeffizienten zeigt.) Wenn der Dioden-Durchlaßstrom größer wird, wird der absolute Betrag dieses Koeffizienten kleiner. (Das Vorzeichen des Koeffizienten von VBE ist negativ.) Da der Emitterstrom in QA kleiner als derjenige von QS ist, nimmt die Spannung am Widerstand RA daher rasch mit steigender Temperatur zu. Daher hat der Strom IA einen positiven Temperaturkoeffizienten, dessen Größe von den Widerstandswerten der Widerstände RA und RS abhängig ist. Auf Grund der zuvor angegebenen Gleichung für die Bezugsspannung bestimmt die Wahl der Widerstände A4 und RS die Differenz zwischen VBEQA und VBEQS. In ähnlicher Weise bestimmt die Bemessung von RA relativ zu Rl und Rl den Multiplikationsfaktor für die Differenz im Emitter-Basis-Spannungs-Temperaturkoeffizienten und ruft eine Temperaturabhängigkeit entgegengesetzt zu der sonst auf Grund von VBEQl vorherrschenden Teihperäturabhängigkeit hervor. Zwar ist die Bezugsspannung primär von VBEQl abhängig, jedoch ist für die Korrektur der Temperatürempfindlichkeit die Differenz von zwei Basis-Emitter-Spannungen maßgeblich; obwohl die Temperaturempfindlichkeit der Basis-Emitter-Spannungen in hohem Maße stromabhängig ist, ist der Absolut-Betrag der Basis-Emitter-Spannung charakteristisch nur leicht stromabhängig. Das heißt, die Differenz VBEQA— VBEQS ist in der Regel ein sehr kleiner Wert im Vergleich zu VBEQl, obwohl sie die

sehr erwünschte Temperaturempfindlichkeit zeigt. Demgemäß bedingt die Einbeziehung der den Transistor QA, den Transistor QS und die Widerstände A4 und RS aufweisenden Temperaturkompensationsschaltung nur eine mittlere Änderung der Widerstände Al und/oder R2, um die gewünschte Bezugsspannung zu erzielen; jedoch ermöglicht die geeignete Bemessung der Widerstände A4 und RS im richtigen gegenseitigen Verhältnis und in bezug auf den Widerstand Al beliebig die Verringerung, Beseitigung oder sogar die Umkehr der Temperaturabhängigkeit der Bezugsspannung. Mit anderen Worten, während die Bezugsspannung normalerweise eine Temperaturabhängigkeit besitzt, die angenähert gleich der Temperaturabhängigkek des Spannungsabfalls an der Ba-

sis-Emitter-Diode von Ql, multipliziert mit dem Wert von (Al -f Rl)IRl ist, kann diese Temperaturempfindlichkeit auf angenähert diejenige des Spannungsabfalls an nur einer Basis-Emitter-Diode reduziert werden, so daß der Spannungsabfall der Basis-Emitterstrecke in den Stromquellen gemäß Fig. 1 kompensiert wird; es kann auch eine solche einstellbare und vorgegebene Temperaturabhängigkeit der Bezugsspannung geschaffen werden, wie sie zur Verbesserung der Funktionsweise einer an den Bezugsspannungsgenerator anzuschließenden Schaltungerforderlich ist, oder es kann ein breiterer Temperaturbereich eingestellt werden. Die von der beschriebenen Schaltung gelieferte Bezugsspannung arbeitet von der primären Versorgungsspannung unabhängig.

Hierzu 1 Blatt Zeichnuncen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Transistorisierte Bezugsspannungsgeneratorschaltung mit einem Versorgungsspannungseingang, einer temperaturempfindlichen Spannungsstabilisierschaltung, einer mit dieser verbundenen, der Lastschaltung anpaßbaren Temperaturkompensationsschaltung und einem mit der Spannungsstabilisierschaltung verbundenen, zwischen dem Versorgungsspannungseingang und dem Ausgangsanschluß angeordneten Stelltransistor, an dessen Ausgang der Bezugsspannungsausgang gebildet ist, wobei die Spannungsstabilisierschaltung einen ersten Transistor, der emitterseitig an einen gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluß, koHektorseitig über einen Arbeitswidei stand an den Versorgungsspannungseingang und basisseitig über einen ersten Widerstand an seinen Emitter angeschaltet ist, und einen von der Kollektorspannung des ersten Transistors abhängig gesteuerten zweiten Transistor aufweist, der über einen zweiten Widerstand mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturkompensationsschaltung eine zwischen einem an den Bezugsspannungsausgang (22) angeschalteten dritten Widerstand (RS) und dem gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluß (20) liegende Diode (QS) und einen dritten Transistor (QA) aufweist, der emitterseitig über einen vierten Widerstand (RA) an den gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluß (20), basisseitig an den Verbindungspunkt der Diode ( QS) mit dem dritten Widerstand (R ) und koHektorseitig an wenigstens einen der ersten und zweiten Widerstände (Al, Rl) angeschaltet ist, und daß der Stelltransistor (Q3) eine von der Spannung am zweiten Widerstand (Al) abhängige Ausgangsspannung entwickelt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode durch einen vierten Transistor (QS) gebildet ist, dessen Emitter an den gemeinsamen Eingangs-Ausgangsanschluß (20) angeschaltet, dessen Koilektor mit dem dritten Widerstand (RS) und dessen Basis mit dem Kollektor gekoppelt ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stelltransistor (Q3) basisseitig mit der Basis des zweiten Transistors ( QT) gekoppelt ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stell transistor (Q3) basisseitig mit der Basis des vierten Transistors (Ql) gekoppelt ist.