DE2429310B2

DE2429310B2 - Monolithisch integrierbare Serienregelschaltung

Info

Publication number: DE2429310B2
Application number: DE2429310A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 7803 Gundelfingen Keller; Henry Martin Boca Raton Fla. Kleinman
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1973-06-26
Filing date: 1974-06-19
Publication date: 1981-06-19
Also published as: FR2235418A2; FR2235418B2; GB1434444A; DE2429310A1; DE2429310C3; JPS5069541A; CH579797A5; US3828240A; IT1015350B

Description

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Aus den deutschen Offenlegungsschriften 15 13 319 und 19 63 650 sind Serienregelschaltungen zum Erzeugen geregelter Spannungen in der Größenordnung von 1 V bekannt. Hierbei wird die Basis-Emitter-Schwellspannung des Vergleichs- bzw. Referenztransistors als Referenzspannung benutzt, da es für Spannungen in der Größenordnung von 1 V keine Bauelemente mit Zener-Charakteristik gibt

Bei der Schaltung nach der Offenlegungsschrift 15 13 319 sind Haupt- bzw. Längstransistor und Referenztransistor komplementär zueinander, während diese beiden Transistoren nach der Offenlegungsschrift 19 63 650 vom gleichen Leitungstyp sind. Jede der beiden bekannten Schaltungen enthält noch einen Hilfstransistor, der im Falle der erstgenannten Offenlegungsschrift vom Leitungstyp des Referenztransistors ist, während er im Fall der zweitgenannten Offenlegungsschrift zu Haupt- und Referenztransistor komplementär ist

Dieser Hilfstransistor erfüllt in der Schaltung nach der erstgenannten Offenlegungsschrift lediglich den Zweck der Phasenumkehr, um zum beabsichtigten Regelverhalten zu gelangen. Der Hilfstransistor nach der zweitgenannten Offenlegungsschrift soll dagegen zu einer Vergrößerung der Regelsteilheit beitragen.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik betrifft das Hauptpatent 22 18 308 eine monolithisch integrierbare Serienregelschaltung zum Erzeugen einer in ihrer Amplitude konstanten, in der Größenordnung von 1 V li.jgenden geregelten Ausgangsspannung aus einer in ihrer Amplitude schwankenden Eingangsspannung mit einem Haupttransistor, dessen Emitter an der Eingangsspannung und dessen Kollektor an der Ausgangsspannung liegt, ferner mit einem Referenztransistor gleichen Leitungstyps, dessen Basis-Emitter-Spannung als Referenzspannung dient, dessen Basis am Abgriff eines zwischen dem Schaltungsnullpunkt und der Ausgangsspannung angeordneten Spannungsteilers liegt und dessen Kollektor mit der Basis des Haupttransistors über einen Hilfstransistor gleichen Leitungstyps in Verbindung steht, dessen Basis am Kollektor des Referenztransistors und dessen Emitter am Kollektor des Haupttransistors liegt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Emitter des Referenztransistors an der geregelten Ausgangsspannung angeschlossen ist, daß der Kollektor des Hilfstransistors am Schaltungsnullpunkt liegt und daß die Basis des Hilfstransistors und der Kollektor des Referenztransistors vom Kollektor eines weiteren zu Haupt-, Referenz- und Hilfstransistor komplementären Transistors mit einem konstanten Strom gespeist sind, dessen Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen Basis an einer konstanten Spannung liegt, die von einem ebenfalls komplementären, durch Verbindung von Kollektor und Basis als Diode geschalteten Transistor erzeugt ist, dessen Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen Kollektor und Basis über einen Vorwiderstand an der Eingangsspannung liegen.

Die eingangs erwähnten bekannten Schaltungen sind ebenso wie die Schaltung nach dem Hauptpatent dafür vorgesehen, die während ihrer Entladung in batteriebetriebenen Geräten langsam absinkende Versorgungsspannung von Monozellen oder Akkumulatoren konstant zu halten und auch eine Auswechselbarkeit der verschiedenen handelsüblichen Monozellen oder Akkumulatoren gegeneinander zu gewährleisten, da deren Nennspannungen unterschiedlich sind.

Da es sich bei diesen Batterien jedoch meist um solche kleinen Energieinhalts handelt, deren gesamter Strom wegen der Länge der zur Verfugung stehenden

Betriebsdauer möglichst ausschließlich dem zu betreibenden Gerät und dessen Schaltung zugute kommen soll, darf die Serienregelschaltung nur einen äußerst gelingen Querstrom ziehen, d.h. dieser Querstrom sollte zwischen 1 und lOuA liegen. Die Schaltungen nach dem bekannten Stand der Technik genügen im Gegensatz zur Schaltung nach dem Hauptpatent dieser Anforderung nicht.

Die Schaltung nach dem Hauptpatent hat jedoch noch den Nachteil, daß die Ausgangsspannung tempera- ι ο turabhängig ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Schaltung nach dem Hauptpatent so weiterzubilden, daß die Ausgangsspannung möglichst gut temperaturkomijensiert ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert

F i g. 1 zeigt die Schaltung nach dem Hauptpatent, und

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung.

In F i g. 1 ist zum besseren Verständnis nochmals die Serienregelschaltung nach dem Hauptpatent gezeigt, die aus dem Haupt- bzw. Längstransistor Ti, dessen Emitter an der Eingangsspannung Ui angeschlossen ist und dessen Kollektor an der geregelten Ausga.igsspannung U 2 liegt, besteht.

Zwischen der geregelten Ausgangsspannung U 2 und dem Schaltungsnullpunkt liegt der aus den Widerständen R1 und R 2 bestehende Spannungsteiler, an dessen Abgriff, der vom Verbindungspunkt der beiden Widerstände gebildet wird, die Basis des Referenztransistors 7*3 liegt. Der Emitter des Referenztransistors 7*3 ist ebenfalls an der geregelten Ausgangsspannung U 2 angeschlossen. Die Basis-Emitter-Schwellspannung des Referenztransistors dient bei der Schaltung nach dem Hauptpatent als Referenzspannung für die Regelschaltung.

Der Kollektor des Referenztransistors 7*3 ist mit der Basis des Hilfstransistors T2 verbunden, dessen Kollektor am Schaltungsnullpunkt und dessen Emitter mit der Basis des Haupttransistors Tl verbunden ist.

Die Schaltung nach dem Hauptpatent geht von der Erkenntnis aus, daß ein niedriger Querstron-! zwischen 1 und 10 μΑ dann erreicht wird, wenn der gemeinsame Verbindungspunkt von Basis des Hilfstransistors T2 und Kollektor des Referenztransistors 7*3 mit einem konstanten Strom gespeist wird. Die Regelwirkung der erfindungsgemäßen Schaltung ergibt sich somit dadurch, daß bei steigender Ausgangsspannung U2 der Referenztransistor T3 vom konstanten Strom mehr beansprucht, so daß im Hilfstransistor T2 weniger Strom fließt, der zu einer Erhöhung des Ausgangswider-Standes des Haupttransistors führt, wodurch die Vergrößerung der Ausgangsspannu'hg U2 wieder ausgeglichen wird.

Der gemeinsame Verbindungspunkt von Basis des Hilfstransistors T2 und Kollektor des Referenztransistors Γ3 wird demzufolge beim Hauptpatent vom Kollektor des weiteren Transistors T5 gespeist, der als Konstantstromquelle betrieben ist und der zu Haupt-, Hilfs- und Referenztransistor komplementär ist. Der Emitter des Transistors T5 ist mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden, während seine Basis an einer konstanten Spannung liegt. Hierzu ist der als Diode geschiltete Transistor T4 vorgesehen, der ebenfalls 7\i Haupt-, Hilfs- und Referenztransistor komplementär ist, d. h. die beiden Transistoren T4 und 7*5 sind von gleichem Leitungstyp.

Der Emitter des als Diode geschalteten Transistors TA ist mit dem Schaltungjnullpunkt verbunden, während Basis und Kollektor miteinander verbunden sind und über den Vorwiderstand R 3 an der ungeregelten Eingangsspannung Ui liegen.

Bei einer nach dem Hauptpatent in Bipolartechnik monolithisch integrierten Schaltung zur Regelung der Ausgangsspannung auf 1,1 V bei einer anfänglichen Eingangsspannung von 1,5 V (Braunstein-Monozelle) für eine maximale Stromentnahme von 0,5 raA sind die drei in der Schaltung vorhandenen Widerstände durch diffundierbare Halbleiterzonen realisiert worden und hasten folgende Widerstandswerte:

R1 und R 2 je 820 kOhm,
R 3 1 MOhm.

In dieser Schaltung fließt über den Vorwiderstand R 3 und den Transistor 7*4 ein Querstrom von etwa 1 μΑ. Ein Strom gleicher Größe, also von 1 μΑ, fließt über die Kollektor-Emitter-Strecke des Konstantstromtransistors T5, welcher Strom sich dann über die Basis-Emitter-Strecke des Hilfstransistors 7*2 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Vergleichstransistors T3 aufteilt. Im Spannungsteiler aus den Widerständen R i und R 2 fließt ein Querstrom von etwas weniger als 1 μΑ, während über die Kollektor-Emitter-Strecke des Hilfstransistors T2 der von der Strombelastung der Serienregelschaltung abhängende Basisstrom des Haupttransistors Ti fließt.

Im Ausführungsbeispiel nach dem Hauptpatent fließt somit bei Leerlauf ein Querstrom von nicht ganz 3 μΑ, der bei Belastung um einen Anteil zunimmt, der gleich dem Belastungsstrom geteilt durch den Stromverstärkungsfaktor in Emitterschaltung des Haupttransistors Γ list.

Der erwähnte Nachteil der Schaltung nach dem Hauptpatent, eine temperaturabhängige Eingangsspannung zu liefern, ist darauf zurückzuführen, daß der Temperaturkoeffizient der Basis-Emitter-Schwellspannung des Referenztransistors T3 negativ ist, so daß die Referenzspannung bei steigender Temperatur fällt.

Die in F i g. 2 gezeigte Schaltung nach der Erfindung löst das aufgezeigte Problem der Temperaturabhängigkeit dadurch, daß der Referenztransistor T3 durch eine Referenzspannungsquelle mit positivem Temperaturkoeffizienten der Spannung ersetzt ist und daß dieser positive Temperaturkoeffizient durch eine Referenzspannungsquelle mit einem negativen Temperaturkoeffizienten der Spannung kompensiert ist

In F i g. 2 sind die Schaltelemente der F i g. 1 nochmals gezeigt und zusätzlich die Transistoren V6, 7*7 und 7*8. Der dritte komplementäre Transistor 7*6 ist bezüglich seiner Basis mit der Basis des komplementären Transistors T5 und bezüglich seines Emitters mit dem Emitter des komplementären Transistors ί"5, also auch mit dem Schaltungsnullpunkt, verbunden und arbeitet somit in gleicher Weise wie de»· Transistor 7*5, nämlich als Konstantstromquelle für den zusätzlichen Referenztransistor TT.

Der zusätzliche Referenztransistor 7*7 ist derart zwischen der Basis des Referenztransistors 7*3 und dem Abgriff des Spannungsteilers aus den Widerständen R 1, R 2 eingefügt, daß sein Emitter mit der Basis des Referenztransistors 7"3. seine Basis mit dem Spannungsteilerabgriff und sein Kollektor mit der Ausgangs-

spannung U2 verbunden ist. Der zusätzliche Referenztransistor Tl ist zum Referenztransistor Γ3 komplementär, im Ausführungsbeipsiel der Fig. 2 also ein pnp-Transistor.

In Fig. 2 hat jeder der beiden Referenztransistoren T3, T7 einen negativen Temperaturkoeffizienten seiner Basis-Emitter-Schwellspannung, wobei im Gegensatz zur Schaltung nach dem Hauptpatent an der entsprechenden Stelle der Schaltung die Differenz der beiden Schwellspannungen wirksam ist.

Obwohl der Temperaturkoeffizient der Basis-Emitter-Spannung beider Referenztransistoren jeweils negativ ist, hat die Differenz zwischen der Basis-Emitter-Spannung des Referenztransistors Γ3 und der Basis-Emitter-Spannung des zusätzlichen Referenztransistors 7*7, wie gezeigt werden kann, einen positiven Temperaturkoeffizienten. So beträgt in einem typischen Ausführungsbeispiel die Basis-Emitter-Spannung des Referenztransistors 7"3 bei Raumtemperatur ungefähr 600 mV und die des zusätzlichen Referenztransistors Tl 500 mV. Bei steigender Temperatur fällt die Basis-Emitter-Spannung des Referenztransistors Ti auf 550 mV und die des zusätzlichen Referenztransistors Tl auf 440 mV. Während daher die Differenz der Basis-Emitter-Spannung Raumtemperatur 100 mV beträgt, ist die Differenz bei erhöhter Temperatur nun 110 mV. Da die Differenz der Basis-Emitter-Spannungen angestiegen ist, ist die Aussage berechtigt, daß die Kombination der beiden Referenztransistoren 7"3, T7 einen positiven Temperaturkoeffizienten der wirksamen »Basis-Emitter-Spannung«, nämlich der Differenz der beiden Basis-Emitter-Spannungen,aufweist.

Als Referenzspannungsquelle mit negativem Temperaturkoeffizienten ist in Fig. 2 zwischen den Schaltungsnullpunkt und den Spannungsteiler aus den Widerständen Ri, R 2 der zweite Hilfstransistor TS

in eingefügt, der durch Verbindungseiner Basis mit seinem Kollektor als Diode geschaltet ist und der vom gleichen Leitungstyp wie Haupt-, Referenz- und Hilfstransistor, also im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ein npn-Transistor ist. Der Transistor T8 weist einen negativen Temperaturkoeffizienten seiner Basis-Emitter-Spannung auf, der den resultierenden positiven Temperaturkoeffizienten der Kombination aus den beiden Transistoren Γ3, Tl ausgleicht. Da somit die Gesamtreferenzspannung relativ stabil gehalten wird, bleibt auch die Ausgangsspannung U 2 stabil.

Obwohl die erfindungsgemäße Schaltung ihr spezifisches Anwendungsgebiet bei allen kleinbatteriebetriebenen Anordnungen, wie z. B. Armbanduhren, medizinischen Sonden usw. hat, ist sie selbstverständlich ohne weiteres auch bei allen Serienregelschaltungen anwendbar, bei denen ein geringer Ruhestromverbrauch wichtig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Monolithisch integrierbare Serienregelschaltung zum Erzeugen einer in ihrer Amplitude konstanten, in der Größenordnung von 1 V liegenden geregelten Ausgangsspannung aus einer in ihrer Amplitude schwankenden Eingangsspannung mit einem Haupttransistor, dessen Emitter an der Eingangsspannung und dessen Kollektor an der Ausgangsspannung liegt, ferner mit einem Referenztransistor gleichen Leitungstyps, dessen Basis-Emitter-Spannung als Referenzspannung dient, dessen Basis am Abgriff eines zwischen dem Schultungsnullpunkt und der Ausgangsspannung angeordneten Spannungsteilers liegt und dessen Kollektor mit der Basis des Haupttransistors über einen Hilfstransistor gleichen Leitungstyps in Verbindung steht, dessen Basis am Kollektor des Referenztransistors und dessen Emitter am Kollektor des Haupttransistors liegt, wobei nach Patent 22 18 308 der Emitter des Referenztransistors an der geregelten Ausgangsspannung angeschlossen ist, der Kollektor des Hilfstransistors am Schaltungsnullpunkt liegt und die Basis des Hilfstransistors und der Kollektor des Referenztransistors vom Kollektor eines weiteren, zu Haupt-, Referenz- und Hilfstransistor komplementären Transistors mit einem konstanten Strom gespeist sind, dessen Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen Basis an einer konstanten Spannung liegt, die von einem ebenfalls komplementären, durch Verbindung von Kollektor und Basis als Diode geschalteten Transistor erzeugt ist, dessen Emitter am Schaltungsnullpunkt und dessen Kollektor und Basis über einen Vorwiderstand an der Eingangsspannung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Basis des Referenztransistors (T 3) und dem Abgriff des Spannungsteilers (R 1, R 2) ein zusätzlicher, zum Referenztransistor komplementärer Referenztransistor (Tl) derart eingefügt ist, daß dessen Emitter mit der Basis des Referenztransistors, dessen Basis mit dem Spannungsteilerabgriff und dessen Kollektor mit der Ausgangsspannung (U2) direkt verbunden ist, daß der Emitter des zusätzlichen Referenztransistors über eine Konstantstromquelle mit dem Schaltungsnullpunkt verbunden ist und daß zwischen dem Schaltungsnullpunkt und dem Spannungsteiler eine Referenzspannungsquelle mit negativem Temperaturkoeffizient eingefügt ist.

2. Serienregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Referenzspannungsquelle aus einem zweiten, durch Verbindung von Kollektor und Basis als Diode geschalteten Transistor (TS) vom gleichen Leitungstyp wie Haupt-, Referenz- und Hilfstransistor besteht.

3. Serienregelschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle aus einem dritten komplementären Transistor (T6) besteht, dessen Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Referenztransistors (T7) verbunden ist und dessen Basis-Emitter-Strecke der Basis-Emitter-Strecke des weiteren komplementären Transistors (T5) parallel geschaltet ist.