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DE2147179C3 - Monolithically integrated power source - Google Patents

Monolithically integrated power source

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DE2147179C3
DE2147179C3 DE2147179A DE2147179A DE2147179C3 DE 2147179 C3 DE2147179 C3 DE 2147179C3 DE 2147179 A DE2147179 A DE 2147179A DE 2147179 A DE2147179 A DE 2147179A DE 2147179 C3 DE2147179 C3 DE 2147179C3
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pnp transistor
transistor
emitter
base
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ableitung oder Kompensation von Reststroemen in monolithisch integrierten Schaltungen, die bei hohen Kristalltemperaturen mit relativ kleinen Arbeitsstroemen, die in der Groessenordnung der Reststroeme liegen, funktionieren sollen. Dies wird durch Anordnungen geloest, deren eigene Reststroeme zur Ableitung oder Kompensation derjenigen Reststroeme herangezogen werden, die von den fuer die Realisierung der Schaltungsfunktion vorhandenen Elementen erzeugt werden. Dabei wird mit Vorteil von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass die zur Ableitung oder Kompensation verwendeten Elemente, die sich ja auf demselben Kristall befinden wie die Schaltungs-Elemente, wegen der Homogenitaet des Herstellungsprozesses und der geringen Temperaturunterschiede auf dem Kristall fast dieselben Eigenschaften in Bezug auf Reststroeme besitzen wie jene.The invention relates to an arrangement for deriving or compensating for residual currents in monolithically integrated circuits which are intended to function at high crystal temperatures with relatively small working currents which are of the order of magnitude of the residual currents. This is solved by arrangements whose own residual currents are used to derive or compensate those residual currents that are generated by the elements present for the implementation of the circuit function. The fact that the elements used for derivation or compensation, which are located on the same crystal as the circuit elements, have almost the same properties with regard to the homogeneity of the manufacturing process and the small temperature differences on the crystal, is used to advantage Have residual currents like those.

Description

Aus dem Aufsatz von L Hunter im »Handbook ofFrom the essay by L Hunter in the Handbook of

ίο Semiconductor Electronics«, 3rd Edition, McGraw-Hill Book Company, 1970, Seiten 11 — 19 und 11—40 ist es bekannt parallel zur Emitter-Basis-Strecke eines Schalttransistors eine in Flußrichtung betriebene Diode zu legen, um Restströme abzuleiten, die sonst bei höheren Betriebstemperaturen das sichere An- und Abschalten des Schalttransistors in Frage stellen wurden.ίο Semiconductor Electronics ", 3rd Edition, McGraw-Hill Book Company, 1970, pages 11-19 and 11-40 is known parallel to the emitter-base path of a switching transistor, a diode operated in the forward direction to divert residual currents, which would otherwise ensure safe switching on and off at higher operating temperatures of the switching transistor in question.

Aus der GB-PS 11 80 284 ist es bekannt, parallel zur Emitter-Basis-Strecke eines Schalttransistors anstelle der erwähnten, in Flußrichtung betriebenen Diode als Ableitelement einen Transistor zu legen, der von demselben Typ ist wie der Schalttransistor und dessen Kollektor-Basis-Strecke kurzgeschlossen ist, so daß der Emitter-Bisis-Übergang des Ableittransistors in diesem Falle die in Flußrichtung betriebene Diode bildet From GB-PS 11 80 284 it is known to place a transistor, which is of the same type as the switching transistor and its collector-base, in parallel to the emitter-base path of a switching transistor instead of the aforementioned diode operated in the forward direction as a diverting element. Path is short-circuited, so that the emitter-bis-junction of the diverting transistor forms the diode operated in the forward direction in this case

Darüber hinaus ist es aus den GB-PS 7 69 584 und 8 91 229 bekannt, parallel zur Emitter-Basis-Strecke eines Schalttransistors als Ableitelement einen Transistor mit offener Basis zu legen.
Alle diese Maßnahmen dienen dazu, ein einwandfreies Schaltverhalten von Schalttransistoren auch bei höheren Betriebstemperaturen zu gewährleisten.In addition, it is known from GB-PS 7 69 584 and 8 91 229 to place an open base transistor in parallel with the emitter-base path of a switching transistor as a diverting element.
All of these measures serve to ensure perfect switching behavior of switching transistors even at higher operating temperatures.

Die Erfindung betrifft demgegenüber eine monolithisch integrierte Stromquelle nach der jeweiligen Gattung der einander nebengeordneten Ansprüche 1 und 6.In contrast, the invention relates to a monolithically integrated power source of the respective type the independent claims 1 and 6.

Zwei monolithisch integrierte Stromquellen nach der Gattung des Anspruchs 1, die jeweils einen NPN-Transistor, jedoch nur einen einzigen lateralen PNP-Transistor enthalten, der beiden Stromquellen gemeinsam ist, sind aus dem »IEEE Journal of Solid-State Circuits«, Vol. SC-6, Nr. 1, vom Februar 1971, Seiten 2 bis 7, F i g. 5, bekannt. Diese beiden Stromquellen sind dabei Bestandteil eines monolithisch integrierten Spannungsreglers und haben eine temperaturabhängige bzw. lastabhängige Funktion.Two monolithically integrated current sources according to the preamble of claim 1, each having an NPN transistor, but only contain a single lateral PNP transistor that is common to both current sources, are from the "IEEE Journal of Solid-State Circuits", Vol. SC-6, No. 1, dated February 1971, pages 2 to 7, fig. 5, known. These two power sources are included Part of a monolithically integrated voltage regulator and have a temperature-dependent or load-dependent Function.

Eine monolithisch integrierte Stromquelle nach der Gattung des Anspruchs 6 ist ebenfalls aus der genannten Entgegenhaltung IEEE Journal (F i g. 1) bekannt.A monolithically integrated power source according to the preamble of claim 6 is also from the aforementioned Reference IEEE Journal (Fig. 1) known.

Bei den bekannten Stromquellen liefern die Wannen-Restströme die in die Substratdioden der NPN-Transistören fließen, jeweils einen unerwünschten, mit der Temperatur zunehmenden Beitrag zu dem konstant zu haltenden Ausgangsstrom.In the case of the known current sources, the residual currents in the tub supply those into the substrate diodes of the NPN transistors flow, in each case an undesirable contribution to the constant that increases with the temperature holding output current.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer monolithisch integrierten Stromquelle nach der jeweiligen Gattung des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 6 den Wannen-Reststrom des NPN-Transistors so zu kompensieren, daß der Ausgangsstrom der Stromquelle möglichst weitgehend unabhängig von der Temperatur wird.The invention is therefore based on the object in a monolithically integrated power source according to the respective genre of claim 1 or claim 6 the well residual current of the NPN transistor to compensate so that the output current of the power source is largely independent of the temperature will.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe bei einer Stromquelle nach der Gattung des Anspruchs 1 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, bei einer Stromquelle nach der Gattung des Anspruchs 6 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 gelöst. Weiterbildungen des Gegenstandes nach Anspruch 1 ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5, Weiterbildungen des Gegenstandes nach Anspruch 6 aus den Unleransprüchen 7 und 8.According to the invention, the object is in a power source according to the preamble of claim 1 by the Features in the characterizing part of claim 1, in the case of a power source according to the preamble of claim 6 solved by the features in the characterizing part of claim 6. Further training of the subject according to claim 1 result from the subclaims 2 to 5, further developments of the object according to claim 6 from unclaims 7 and 8.

'■;'? Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher er-'■;'? The invention is illustrated in more detail with the aid of the drawing

5;· läutert Es zeigt5; · purifies It shows

;| F i g. 1 eine Stromquelle mit einer Kompensations-; | F i g. 1 a power source with a compensation

; - Schaltung, die einen einzigen PN P-TransisUτ enthält, Ti Fig.2 eine Stromquelle mit einer !Compensations-; - Circuit containing a single PN P-TransisUτ, Ti Fig. 2 a power source with a! Compensations-

ν schaltung aus zwei PN P-Transisloren, ;' Fig.3 eine Stromquelle mit einer Kompensationsschaltung aus drei PNP-Transistoren undν circuit of two PN P transistors, ; ' 3 shows a current source with a compensation circuit from three PNP transistors and

F i g. 4 eine Stromquelle mit einer Kompensations- ;;> schaltung, die als Kompensationselement eine Diode '■'.■'■·. enthält. F i g. 4 a current source with a compensation circuit that uses a diode '■'. ■ '■ ·. contains.

j Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 3j In the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 3

;v ist ein Stromquellen—NPN-Transistor 70 mit seinem *\ Emitter an den Minuspol 2 einer Spannungsquelle angeri' schlossen. Hierbei wird davon ausgegangen, daß der !;■ Wannen-Reststrom 73, der in die Substratdiode 72 des ',v Stromquellen-NPN-Transistors 70 fließt und einen un-.:·? erwünschten Beitrag zum Ausgangsstrom 71 liefert, di- ·{ rekt am Kollektor des Transistors 70 kompensiert wer- ; den muß. Dies erreicht man bei diesen Ausführungsbeispielen durch eine Kompensationsschaltung, die einen aus Reststiömen der Kompensationselemente gewon-• nenen Kompensationsstrom 74 liefert, der annähernd gleich dem störenden Wannen-Reststrom 73 istv a current source NPN transistor angeri to the negative pole of a voltage source 2 included 70 \ with his * Emitter '. Here it is assumed that the!; ■ Well residual current 73, which flows into the substrate diode 72 of the ', v current source NPN transistor 70 and an un-.:·? provides the desired contribution to the output current 71, are directly compensated at the collector of the transistor 70; the must. This is achieved in these exemplary embodiments by means of a compensation circuit which supplies a compensation current 74 obtained from residual currents of the compensation elements, which is approximately equal to the disturbing tub residual current 73

Die Kompensationsschaltung enthält gemäß F i g. 1 einen einzigen lateralen PNP-Transistor 76, dessen Emitter galvanisch mit dem Pluspol 4 der Spannungsquelle verbunden ist Der Lateraltransistor 76 besitzt zwei Kollektoren, von denen der erste an den Kollektor des NPN-Transistors 70 angeschlossen ist Der zwe:te Kollektor und die Basis des lateralen PNP-Transistors 76 sind aneinander angeschlossen. Dadurch wird erreicht, daß der Einfluß der Stromverstärkung, die starken Fertigungsschwankungen unterliegt, stark reduziert wird. Wenn beide Kollektoren des Lateraltransistors 76 gleich groß sind, liegt die Stromverstärkung der gegen- : gekoppelten Anordnung etwas unter 1 und ist relativ konstant so daß in vielen Fällen eine ausreichende Kompensation des Wannenstromes 73 durch den Wannenstrom 77 erreicht wird, wenn beide Wannen gleich groß gemacht werden.The compensation circuit contains according to FIG. 1 a single lateral PNP transistor 76, whose emitter is electrically connected to the positive terminal 4 of the voltage source, the lateral transistor 76 having two collectors, of which the first is connected to the collector of the NPN transistor 70 of the zwe: te collector and the base of lateral PNP transistors 76 are connected to one another. It is thereby achieved that the influence of the current amplification, which is subject to strong manufacturing fluctuations, is greatly reduced. If both collectors of the lateral transistor 76 are the same size, the current gain of the counter-coupled arrangement is slightly below 1 and is relatively constant so that in many cases a sufficient compensation of the well current 73 is achieved by the well current 77 if both wells are made the same size will.

Nahezu vollständig läßt sich der Einfluß der Strom- : Verstärkung des Lateraltransistors 76 eleminieren, wenn man gemäß F i g. 2 einen gut verstärkenden PNP-Transistor 78, vorzugsweise einen vertikalen Substrattransistör, in die Gegenkopplungsschleife einfügt. Wenn in dieser Anordnung der Wannenstrom 77 de-. Lateraltransistors 76 fehlen würde, wäre der Kompensationsstrom 74 recht genau gleich dem Wannenstrom 79, der in die Substratdiode 80 des PNP-Transistors 78 fließt. Zur genauen Kompensation des Wannenstromes 73 des Stromquellentransistors 70 müßte man nur noch die Wanne des PNP-Transistors 78 so groß machen wie diejenige des Transistors 70.The influence of the current gain of the lateral transistor 76 can be almost completely eliminated if one according to FIG. 2 a good amplifying PNP transistor 78, preferably a vertical substrate transistor, inserts into the negative feedback loop. If in this arrangement of the tub flow 77 de-. Lateral transistor 76 would be missing, the compensation current 74 would be exactly the same as the well current 79, the flows into the substrate diode 80 of the PNP transistor 78. For exact compensation of the tub flow 73 des Current source transistor 70 would only have to be made as large as the tub of PNP transistor 78 that of transistor 70.

Der Wannenstrom 77, der durch die Substratdiode 75 des Lateraltransistors 76 fließt, stört indessen noch die genaue Bilanz der Restströme; außerdem kann er so groß werden, daß vom Basisstrom des Lateraltransistors 76 nichts mehr für den Emitterstrom des PNP-Transistors 78 übrigbleibt, so daß der Transistor 78 bo sperren kann.The well current 77 which flows through the substrate diode 75 of the lateral transistor 76, however, still disturbs the exact balance of the residual flows; in addition, it can be so large that the base current of the lateral transistor 76 nothing remains for the emitter current of the PNP transistor 78, so that the transistor 78 bo can lock.

Diese Schwierigkeit behebt man nach Fig. 3 durch einen weiteren lateralen PNP-Transistor 81, der zu Kompensation des noch störenden Wannenstromes 77 den verstärkten Wannenstrom 82, der in seine Substratdiode 83 fließt, liefert und damit auch den Emitterstrom für den PNP-Transistor 78 sicherstellt. Der Lateraltransistor 81 liefert außerdem einen Kollektor-Emitter-Reststrom, der in guter Näherung den Kollektor-Emitter-Reststrom des Lateraltransistors 76 kompensiert Der Kompensationsslrom 74 ist also beim Ausführungsbeispiel nach Fig.3 recht genau gleich dem Wannenstrom 79 des PNP-Transistors 78. Macht man dessen Wanne gleich groß wie die Wanne des Stromquellen-Transistors 70, so ist damit der Wannenstrom 73 dieses Transistors recht genau kompensiertThis difficulty is eliminated according to FIG. 3 a further lateral PNP transistor 81, which is used to compensate for the still disruptive well current 77 the amplified well current 82, which flows into its substrate diode 83, supplies and thus also the emitter current for the PNP transistor 78 ensures. The lateral transistor 81 also supplies a collector-emitter residual current, which compensates the collector-emitter residual current of the lateral transistor 76 to a good approximation The compensation flow 74 in the exemplary embodiment according to FIG. 3 is therefore quite exactly the same as the tub flow 79 of the PNP transistor 78. Make its tub the same size as the tub of the current source transistor 70, the well current 73 of this transistor is thus compensated very precisely

Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig.4 eine steuerbare Stromquelle dargestellt deren Ausgangsstrom 60 sehr genau und relativ klein sein solL Wenn der in Fig.4 dargestellte Operationsverstärker 64 ideale Eigenschaften besitzt liegt die steuernde Spannung 62 auch am Emitterwiderstand 63 der Stromquelle. Wenn außerdem der NPN-Transistor 61, der auch durch eine Darlington-Schaltung ersetzt werden kann, eine sehr hohe Stromverstärkung besitzt, ist der AusgangsstromAs a further embodiment in Figure 4 is a Controllable current source shown whose output current 60 should be very precise and relatively small Operational amplifier 64 illustrated in FIG. 4 is ideal The controlling voltage 62 also has properties at the emitter resistor 63 of the current source. if also the NPN transistor 61, which can also be replaced by a Darlington pair, a very has high current gain, the output current is

60 gleich der Spannung 62 geteilt durch den Widerstand 63. Bei höheren Temperaturen liefert jedoch der Wannenstrom 65, der in die Substratdiode 66 des Transistors60 is equal to the voltage 62 divided by the resistor 63. At higher temperatures, however, the tub delivers current 65, which goes into the substrate diode 66 of the transistor

61 fließt, einen unerwünschten Beitrag zum Ausgangsstrom 60. Dieser wird nun erfindungsgemäß durch den Wannenstrom 67 einer zusätzlichen, kathodenseitig mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 64 verbundenen Substratdiode 68 kompensiert deren Wanne dieselbe Größe hat wie die Wanne des Transistors 61. Die Wannenströme 65 und 67 sind dann über einen großen Temperaturbereich hinweg einander annähernd gleich. Fügt man nun zwischen den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 64 und die Spannungsquelle 62 einen Widerstand 69, der gleich dem Emitterwiderstand 63 ist, ein, so wird die Spannung am Widerstand 63 durch den Spannungsabfall, den der Wannenstrom 67 am Widerstand 69 hervorruft, gerade um denjenigen Betrag abgesenkt, der den Ausgangsstrom 60 auf den Wert bringt, als ob der Wannenstrom 65 nicht fließen würde.61 flows, an undesirable contribution to the output current 60. According to the invention, this is now connected to an additional cathode side by means of the tub flow 67 the substrate diode 68 connected to the non-inverting input of the operational amplifier 64 is compensated whose well is the same size as the well of transistor 61. Well currents 65 and 67 are then approximately equal to each other over a wide temperature range. If you now add between the not inverting input of the operational amplifier 64 and the voltage source 62 a resistor 69, the is equal to the emitter resistor 63, then the voltage across the resistor 63 is determined by the voltage drop, the well current 67 causes the resistor 69, just lowered by the amount that the Brings output current 60 to the value as if well current 65 were not flowing.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Monolithisch integrierte Stromquelle, die einen NPN-Transistor (70) enthält, dessen Emitter mit dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden ist, wobei ein mit zwei Kollektoren versehener lateraler PNP-Transistor (76) vorgesehen ist, dessen Emitter galvanisch mit dem Pluspol (4) der Spannungsquelle verbunden ist und dessen erster Kollektor an den Kollektor des NPN-Transistors (70) angeschlossen ist, während der zweite Kollektor und die Basis des lateralen PNP-Transistors (76) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der laterale PNP-Transistor (76) Teil einer Kompensationsschaltung ist, die einen aus Restströmen der Kompensationsschaltungs-Elemente gewonnenen Kbmpensationsstrom (74) liefert, der annähernd gleich dem störenden Wannen-Reststrom (73) des NPN-Transistors (70) ist1. Monolithically integrated current source, which contains an NPN transistor (70), the emitter of which with the Negative pole of a voltage source is connected, with a lateral one provided with two collectors PNP transistor (76) is provided, the emitter of which is galvanically connected to the positive pole (4) of the voltage source is connected and whose first collector is connected to the collector of the NPN transistor (70) is, while the second collector and the base of the lateral PNP transistor (76) are connected to each other are, characterized in that the lateral PNP transistor (76) is part of a compensation circuit is the one obtained from residual currents of the compensation circuit elements Kbmpensationsstrom (74) delivers, which is approximately equal to the disturbing tub residual current (73) of the NPN transistor (70) is 2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kollektor des lateralen PNP-Transistors (76) annähernd gleich groß wie der erste Kollektor des lateralen PNP-Transistors (76) ist, und daß die als Basis dienende Wanne des lateralen PNP-Transistors (76) annähernd gleich groß wie die als Kollektor dienende Wanne des NPN-Transistors (70) ist2. Power source according to claim 1, characterized in that that the second collector of the lateral PNP transistor (76) is approximately the same size as the is the first collector of the lateral PNP transistor (76), and that serving as a base well of the lateral PNP transistor (76) approximately the same size as the well of the NPN transistor serving as a collector (70) is 3. Stromquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kollektor und die Basis des lateralen PNP-Transistors (76) galvanisch miteinander verbunden sind.3. Power source according to claim 1 and 2, characterized in that the second collector and the Base of the lateral PNP transistor (76) are galvanically connected to one another. 4. Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den zweiten Kollektor und die Basis des lateralen PNP-Transistors (76) ein mit einem einzigen Kollektor versehener zweiter PNP-Transistor (78) derart eingeschaltet ist, daß die Basis des ersten PNP-Transistcrs (76) an den Emitter des zweiten PNP-Transistors (78), die Basis des zweiten PNP-Transistors (78) an den zweiten Kollektor des ersten PNP-Transistors (76) und der Kollektor des zweiten PNP-Transistors (78) an das gemeinsame Substrat (13) der monolithisch integrierten Schaltungsanordnung angeschlossen ist4. Power source according to claim 1 or 2, characterized in that between the second collector and the base of the lateral PNP transistor (76) is a second single collector PNP transistor (78) is switched on in such a way that the base of the first PNP transistor (76) is connected to the emitter of the second PNP transistor (78), the base of the second PNP transistor (78) to the second collector of the first PNP transistor (76) and the collector of the second PNP transistor (78) to the common Substrate (13) of the monolithically integrated circuit arrangement is connected 5. Stromquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter PNP-Transistor (81) vorgesehen ist, der als lateraler PNP-Transistor ausgebildet ist, dessen Basis nicht angeschlossen ist, dessen Kollektor an die Basis des ersten PNP-Transistors (76) und dessen Emitter galvanisch an den Pluspol (4) der Spannungsquelle angeschlossen ist.5. Current source according to claim 4, characterized in that a third PNP transistor (81) is provided is, which is designed as a lateral PNP transistor whose base is not connected, whose Collector to the base of the first PNP transistor (76) and its emitter galvanically to the positive pole (4) the voltage source is connected. 6. Monolithisch integrierte Stromquelle, die einen NPN-Transistor (61) enthält, dessen Emitter mit dem Minuspol einer Spannungsquelle (62) verbunden ist, wobei in der Emitterzuleitung des NPN-Transistors6. Monolithically integrated current source, which contains an NPN transistor (61), the emitter of which with the Negative pole of a voltage source (62) is connected, with the emitter lead of the NPN transistor (61) ein Emitterwiderstand (63) vorgesehen und die Basis des NPN-Transistors (61) an den Ausgang eines Operationsverstärkers (64) angeschlossen ist, dessen invertierender Eingang mit dem Emitter des NPN-Transistors (61) und dessen nicht invertierender Eingang mit dem Pluspol der Spannungsquelle(61) an emitter resistor (63) is provided and the base of the NPN transistor (61) to the output of a Operational amplifier (64) is connected, the inverting input of which is connected to the emitter of the NPN transistor (61) and its non-inverting input with the positive pole of the voltage source (62) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Substratdiode (68) mit ihrer Kathode an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (64) angeschlossen ist, daß die Wanne der Substratdiode (68) dieselbe Größe wie die als Kollektor dienende Wanne des NPN-Transistors (61) hat, daß zwischen den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (64) und den Pluspol der Spannungsquelle (62) ein Widerstand (69) eingeschaltet ist, der dieselbe Größe wie der Emitterwiderstand (63)des NPN-Transistors(61) hat(62) is connected, characterized in that a substrate diode (68) with its cathode on the not inverting input of the operational amplifier (64) is connected to the well of the substrate diode (68) has the same size as the well serving as a collector of the NPN transistor (61) that between the non-inverting input of the operational amplifier (64) and the positive pole of the voltage source (62) a resistor (69) is switched on, which is the same size as the emitter resistance (63) of the NPN transistor (61)
DE2147179A 1971-09-22 1971-09-22 Monolithically integrated power source Expired DE2147179C3 (en)

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