DE2553431C3 - Referenzstromquelle zur Erzeugung eines temperaturunabhängigen Gleichstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Referenzstromquelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Referenzstromquelle ist aus der Zeitschrift »Electronic Engineering«, Juli 1974, Seiten 39 —41, insbes. F i g. 1, bekannt. Bei dieser bekannten, als integrierte Schaltung ausgeführten Referenzstromquelle, besteht der von der Konstantstromquelle gespeiste erste Stromkreis aus einem als Diode geschalteten Transistor, die zu der Basis-Emitterstrecke des ersten Transistors parallelgeschaltet ist und mit diesem eine Stromspiegelschaltung bildet Bei derartigen, allein aus einer Stromspiegelschaltung aufgebauten Referenzstromquellen, kann man unterschiedliche temperaturunabhängige Referenz-, d. h. Ausgangsströme durch unterschiedliche Emitterflächenverhältnisse erreichen (s. die Zeitschrift »Der Elektroniker«, 1972, Nr. 5, S. 226-228, insbes. Abb. 12 u. S. 227, iinke Sp., Z. 11-14).

Aus der zuletzt genannten Literaturstelle (insbes. Abb. 15 und S. 228, linke Sp, Z. 7- 10) ist es bei einer in Form einer Stromspiegelschaltung mit einem Transistor und einer Diode aufgebauten Referenzstromquelle auch an sich bereits bekannt, in den Emitterstromweg des Transistors einen Widerstand zu schalten und die Diode parallel zu der Reihenschaltung aus der Basis-Emitterstrecke des Transistors und dem Widerstand zu schalten, so daß der Widerstand die Größe des den Referenzstrom darstellenden Kollektorstromes des Transistors bestimmt. Dieser Referenzstrom ist jedoch nicht im wesentlichen temperaturunabiitingig, sondern eine lineare Funktion der absoluten Temperatur.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Referenzstromquelle dei eingangs genannten Art unter Beibehaltung der Temperaturunabhängigkeit des Referenzstromes mit verhältnismäßig wenig aufwendigen Mitteln zu erreichen, daß die Referenzstromquelle ohne Änderung des die Halbleiterbauelemente umfassenden Schaltungsteils für Referenzströme in einem großen Strombereich auslegbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Dur Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich durch die Differenz der Zenerspannungen zweier voneinander verschiedener Zenerdioden ein relativ gro ßer Spannungswert am Eingang der nachgeschalteten Transistorschaltung erzeugen läßt. Dies ermöglicht den temperaturkompensierten Strom in der nachgeschalteten Transistorschaltung in einem großen Bereich dadurch einzustellen, daß der Widerstand in der Emitlcrzuleitung des Transistors der Endstufe verän= dert wird. Die art diesem Widerstand abfallende ■ Spannung ist dann gleichfalls temperaturunabhängig.

Die Erfindung berücksichtigt ferner die Erkenntnis, daß die Temperaturkoeffizienten der Halbleiterbauele' mente stromabhängig sind. Die Schaltung zur Korripen^ sierurig der Tetiiperätürköeffizierilen enthält daher eine

Stromspiegelschaltung, durch die die Ströme so auf die beiden Stromzweige der Schaltung aufgeteilt werden, daß der summierte wirksam werdende Temperaturkoeffizient der Gesamtschaltung, d. h. des Referenzstromes, im wesentlichen gleich Null wird.

Die erfindungsgemäße Schaltung enthält somit, abgesehen von der Konstantstromquelle, in Durchlaßrichtung betriebene Dioden, Zenerdioden, mindestens einen Transistor sowie einen Widerstand. Bei Ausführung in integrierter Schaltung wird nur der Widerstand extern zugeschaltet, während alle übrigen Bauelemente, auch die der Konstantstromquelle, in einem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert werden. Die eine Zenerdiode wird dabei durch den in Sperrichtung beanspruchten Emitter-Basis-pn-Obergang eines Transistors bei kurzgeschlossenem Basis-Kollektor-Übergang realisiert Die andere Zenerdiode wird von einem pn-Übergang gebildet, der in eine Zone vom Leitungstyp und der Störstellenkonzentration der für die integrierte Schaltung verwendeten Separationsdiffusionszonen eingelassen ist Die Differenz zwischen den beiden Zenerspannungen der auf diese Art und Weise hergestellten Zenerdiode beträgt ca. 1,2 VolL Die in Durchlaßrichtung betriebenen Dioden bestehen gfeichfalls aus den Emitter-Basis-pn-Übergängen von dtn in integrierter Technik hergestellten Transistoren.

Durch die DE-AS 2154 904 ist es bei einer temperaturkompensierten Bezugsgleichspannung squel-Ie bekannt, durch eine Konstantstromquelle einen Stromkreis mit zwei parallelgeschalteten Stromzweigen zu speisen, von denen der erste Stromzweig durch eine Reihenschaltung aus mehreren in Flußrichtung betriebenen Halbleiterdioden und der zweite Stromzweig durch eine Reihenschaltung aus mindestens einer in Flußrichtung betriebenen Diode und der Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors gebildet ist, wobei eine Halbleiterdiode des ersten Stromzweiges und der Transistor eine in beiden Stromzweigen angeordnete Stromspiegelschaltung bilden und hierzu die Halbleiterdiode parallel zur Basis-Emitterstrecke des Transistors geschaltet ist. Die Schaltungsanordnung ist so ausgelegt, daß an der Kollektor-Emitterstrecke des Transistors eine temperaturkompensierte Spannung abfällt. Diese stellt die Bezugsgleichspannung dar.

Die Erfindung soll im weiteren noch anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Die in der Figur dargestellte Schaltung wird durch Transistoren und Zenerdioden in einer integrierten Schaltung realisiert, bei der die Basiszonen einen Schichtwiderstand von 200 Ohm/Quadrat haben. Die Separationsdiffusionszonen haben einen Schichtwider stand von 8—10 Ohm/Quadrat bei einer Eindringtiefe von ca. 11 μιη. Die dargestellte Schaltung ist so ausgelegt, daß eine Stromkonstanz von ±0,5% übet einen Temperaturbereich von 20°C bis 100⁰C erreicht wird. Die interne Konstantstromquelle K liefert einen Strom Iy. der zu einem Drittel über den einen Stromzweig und zu zwei Dritteln über den anderen Stromzweig fließt. Diese Stromaufteüung hat sich bei Berücksichtigung der Stromabhängigkeit der Temperaturkoeffizienten als vorteilhaft erwiesen.

Der in der Figur dargestellte linke Stromzweig besteht aus vier in Reihe geschalteten Bauelementen, nämlich den beiden in Durchlaßrichtung beanspruchten Dioden D₁, D₂, der Zenerdiode 71 und der Diode T₂. Die Zenerdiode 71 besteht aus dem in Sperrichtung beanspruchten Emitter-Basis-pn-Übergang bei kurzgeschlossener Kollektor-Basisstrecke, während die Diode Ti — ebenso wie die Dioden D_u D₂ — durch einen in Durchlaßrichtung beanspruchten Basis-Emitter-pn-Übergang bei gleichfalls kurzgeschlossener Kollektor-Basis-Strecke gebildet wird. Der Emitter der Diode 7}

ίο ist mit Masse verbunden.

Diese Diode Ti bildet zusammen mit dem Transistor Tj im anderen Stromzweig die Stromspiegelschaltung. Zur Erzwingung der bereits genannten Stromaufteüung werden daher die Diode T₂ zwei Basis-Emitter-Strecken des Transistors 71 parallel geschaltet Da die Transistoren T₂ und »j im Aufbau völlig identisch sind, muß über jeden Emitter ein Drittel des Stromes abfließen. Die Emitter des Transistors 71 sind gleichfalls mit Masse verbunden, während im Kollektorzweig die Zenerdiode Di angeordnet ist, die in eine Zone vom Leitungstyp und der Störstellenkonzentration der Separationsdiffusionszonen für die integrierte Schaltung eir .; bracht wurde. Die Kathode dieser Zenerdiode D) i·' mit der Konstantstromquelle K verbunden. An den Kollektor des Transistors T₃ ist eine Darlington-Transistorschaltung mit der Basiselektrode des Eingangstransistors T₄ angeschloy-ven. Über die Kollektor-Emitterstrecken der Transistoren 7"₄, T₅ fließt der temperaturkompensierte Strom Ia, der am Emitterwiderstand R von 7s die dann.

gleichfalls kompensierte Spannung Ua erzeugt. Die Größe des Stromes U ergibt sich aus der Größe des extern zugeschalteten Widerstandes R.

Bei einer vorteilhaften Betriebsweise der dargestellten Schaltung gibt die Konstantsiromquelle K einen Strom von 100 μΑ ab. Hiervon fließen ca. 33 μΑ über den linken Stromzweig der Stabilisierungsschaltung, während über den rechten Stromzweig mit der Diode Di etwa 66 μΑ fließen. An der Kollektor-Emitter-Strekke des Transistors T₃ fällt dann eins Spannung von ca. 2 Volt ab. Die Dioden Dy und D₂ haben zusammen eben Temperaturkoeffizient von ca. —4,5 mV/°C. Der Temperaturkoeffizient der Zenerdiode T₁ beträgt + 3,74j mV/°C. Die Diode Ti hat einen Temperaturkoeffizient von -2,25mV/°C. Somit hat der linke

4j Stromzweig einen Gesamttemperaturkoeffizienten von ca. — 3,005 mV/°C. Hiervon ist der Temperaturkoeffizient der Zenerdiode D₃ mit +2,07 mV/°C abzuziehen, so daß sich ein Gesamtwert von —5,075 mV/T ergibt. Der Temperaturkoeffizient der beiden Transistoren T*

so und Ts beträgt zusammen -5,05 mV7°C. so daß daraus ein Temperaturkoeffizient der Spannung Ua von ca. 0,025 mV/°C resultiert.

Bei der beschriebenen Schaltung kann man unter Zugrundelegung eines Stromes Iy = 100 μΑ. der bei eine^r K-.mtantstromquelle K gebräuchlicher Art um + 0,75%/°C schwankt, und bei einem gewünschten Ausgangsstrom U — 10 μΑ davon ausgehen, daß die Spannung U^ — U ■ R höchstens einen Temperaturkoeffizienten von 35 χ I O^ ⁶VoIt/⁰C aufweist. Versuche

wi haben ergeben, dnß die Spannungsabweichu.ig im Temperaturbereich zwischen 20 und 100⁰C ΐ 0,5% nicht übersteigt.

Hierzu i Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Referenzstromquelle zur Erzeugung eines im wesentlichen temperaturunabhängigen Gleichstromes mit einem von einer Konstantstromquelle gespeisten, mindestens eine in Flußrichtung betriebene Halbleiterdiode aufweisenden ersten Stromkreis und mit mindestens einem ersten Transistor, der von einer von dem ersten Stromkreis abgegebenen Steuerspannung basisseitig gesteuert ist und kollektorseitig den zu erzeugenden Gleichstrom führt, wobei die Steuerspannung derart temperaturabhängig ist, daß der Kollektorstrom des ersten Transistors temperaturunabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromkreis aus zwei parallelgeschalteten Stromzweigen besteht, von denen der erste Stromzweig durch eine Reihenschaltung aus einer ersten Zenerdiode (Transistor Ti) und mindestens einer ersten in Flußrichtung betriebenen Halbleiterdiode (Transistor T2) ■nd der zweite Stromzweig durch eine Reihenschaltung aus einer zweiten Zenerdiode (Di) und der Kollektor-Emitter-Strecke eines zweiten Transi-Itors (Ti) gebildet ist, wobei die Halbleiterdiode (Transistor Γ2) und der zweite Transistor (Ti) eine in beiden Stromzweigen angeordnete Stromspiegelfchaltung bilden und hierzu die Halbleiterdiode (Transistor T2) parallel zur Basis-E.nitterstrecke des tweiten Transistors (Tf) geschaltet ist, daß der erste Transistor (Τι,Ι T,) im Emitterstromweg einen Wider-Itand (R) enthält, und daß die Steuerspannung für den ersten Transistor (TJ T·,) an der Kollektor-Emit· ler-Strecke des /.weiten Transistors (Ti) abgenommen wird und an die Peihens. 'laltung aus der Basis-Emitterstrecke des errten Transistors fA/Ts) Und den Widerstand (R) angeleg' ist, wobei die ienerdioden, die Diode oder Dioden und die durch Oie Stromspiegelschaltung erzwungene Stromaufteilung der beiden Stromzweige entsprechend der erforderlichen Temperaturabhängigkeit der Steuer- -to Ipannung gewählt sind und der Widerstand (R) die Cröße des zu erzeugenden, im wesentlichen lemperaturabhängigen Stromes (Ia) bestimmt.

2. Referenzstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Halbleiterbauelemente in tinem gemeinsamen Halbleiterkörper integriert lind.

3. Referenzstromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zenerdiode (Transi- !tor Tt) aus der Basis-Emilterstrecke eines Transi-Itors (Tt) besteht, während die zweite Zenerdiode (Di) anstelle der Basiszone bei der ersten Zenerdio-

ie eine Zone aufweist, die den Leitungstyp und die Störstellenkonzentration der für die Separationsdiflusionszone bei der integrierten Schaltung vorgeselienen Zone besitzt, in welche der die zweite Eenerdiode (Di) bildende pn-Obergang eingelassen kt.

4. Referenzstromquelle nach einein der vorhandenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der M) trstc Stromzweig außer der Reihenschaltung aus der ersten Zenerdiode (Transistor T₁) und der ersten Halbleiterdiode (Transistor T₂) . noch zwei in '_s-~ Flußrichtung betriebene und mit den übrigen · .Bauelementen des Stromzweigs in Reihe geschaltete (>> !Halbleiterdioden (Du D₂) enthält.

5. Rcfcrcnzstromqucllc nach einem der vorhcrgc ihenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet^ daß der zweite Transistor (Tj) zwei parallel geschaltete Basis-Emitterstrecken aufweist,

6. Referenzstromquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor durch eine aus zwei Transistoren (Tt, Tj) bestehende Darlington-Schaltung gebildet ist