DE2912567C2

DE2912567C2 - Bezugsspannungsschaltung

Info

Publication number: DE2912567C2
Application number: DE2912567A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Prof. Eindhoven Groendijk
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-04-05
Filing date: 1979-03-29
Publication date: 1987-02-05
Also published as: DE2912567A1; GB2018475B; JPH0338607B2; FR2422199B1; JPS54136643A; CA1129955A; IT1162517B; NL7803607A; FR2422199A1; IT7921503A0; GB2018475A; US4263544A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bezugsspannungsschaltung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus u.a. "I.E.E.E. Journal of Solid State Circuits", Band Sc-8, Nr. 3, Juni 1973, S. 222 - 226 ist eine derartige Schaltung bekannt. Bei dieser Schaltung durchläuft ein Strom mit positivem Temperaturkoeffizienten, insbesondere ein der absoluten Temperatur proportionaler und einem ebenfalls temperaturabhängigen Widerstandswert umgekehrt proportionaler Strom, die Reihenschaltung eines Widerstandes und einer Diode. Wenn der Wert dieses Widerstandes in bezug auf die Stärke dieses Stromes derart ist, dass die Spannung über dieser Reihenschaltung gleich der Bandspannung des für die Diode verwendeten Halbleitermaterials (für Silizium 1,2 V) ist, ist diese Spannung in hohem Maße temperaturunabhängig. Bei einem anderen Wert dieses Widerstandes oder einer anderen Stärke dieses Stromes ist dann die Spannung nicht mehr gleich der Bandspannung und nicht mehr temperaturunabhängig.

Indem n-Dioden und ein Widerstand mit einem n-mal größeren Wert in diese Reihenschaltung aufgenommen werden, wird eine temperaturunabhängige Spannung mit einem Wert gleich dem n-fachen der Bandspannung erhalten.

Ein Nachteil dieser bekannten Schaltungen besteht darin, dass die erhaltene Spannung stets gleich der Bandspannung des verwendeten Halbleitermaterials oder gleich einem ganzen Vielfachen dieser Bandspannung ist. Bei einigen der bekannten Schaltungen (wie der Schaltung nach der genannten Veröffentlichung) kann infolge der Tatsache, dass diese Bezugsspannungsschaltungen eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen, die Spannung mit Hilfe eines Spannungsteilers herabgesetzt werden. Diese Schaltungen sind jedoch verwickelt, weil sie einen Operationsverstärker enthalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spannungsstabilisierungsschaltung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass Spannungen, die niedriger als die Bandspannung oder als ganze Vielfache der Bandspannung sind, erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass indem dieser zweite Widerstand parallelgeschaltet wird, der Strom durch diese Reihenschaltung zwar abnimmt, aber dass dabei die Stromverteilung über diesen zweiten Widerstand und diese Reihenschaltung als Funktion der Temperatur derart ist, dass die Temperaturunabhängigkeit der Spannung über dieser Reihenschaltung erhalten bleibt.

Wenn der erste Widerstand einen derartigen Wert aufweist, dass über der genannten Reihenschaltung ohne den zweiten Widerstand die Bandspannung vorhanden ist, und wenn der Strom durch diese Reihenschaltung herabgesetzt wird, nimmt die Spannung über dieser Reihenschaltung ab und verschwindet die Temperaturunabhängigkeit. Wenn aber der Strom durch diese Reihenschaltung dadurch herabgesetzt wird, dass nach der Erfindung zu dieser Reihenschaltung ein Widerstand parallelgeschaltet wird, ohne dass der Wert des ersten Widerstandes geändert wird, stellt sich heraus, dass die Temperaturunabhängigkeit der herabgesetzten Spannung über dieser Reihenschaltung erhalten bleibt. Der Wert dieses zweiten Widerstandes muß derart hoch sein, dass die Reihenschaltung nach wie vor Strom führt und die Spannung über dieser Reihenschaltung höher als die Schwellwertspannung des Halbleiterübergangs bleibt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Bezugsspannungsschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand ein Spannungsteiler ist.

Da über dem Widerstand eine temperaturunabhängige Spannung vorhanden ist, ist die Spannung über jedem Teil des Widerstandes temperaturunabhängig und kann angezapft werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Bezugsspannungsschaltung nach der Erfindung und

Fig. 2 eine Ausführungsform einer Bezugsspannungsschaltung nach der Erfindung.

Die Schaltung nach Fig. 1 enthält eine Stromquelle 4. In den Stromweg dieser Stromquelle 4 ist die Reihenschaltung eines Widerstandes 1 und eines Halbleiterübergangs (in diesem Falle eine Diode 3) aufgenommen. Zu dieser Reihenschaltung ist in dem Stromweg der Stromquelle 4 ein Widerstand 2 parallelgeschaltet.

In der nachstehenden Berechnung wird davon ausgegangen, dass die Stromquelle 4 einen Strom gleich

kT

I. = ____________ ln n

qR[tief]0

liefert, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die Absoluttemperatur, q den Absolutwert der Ladung des Elektrons, R[tief]0 einen Widerstandswert und n eine Konstante darstellen.

Wenn der Widerstand 2 fehlt, wie bei den bekannten Schaltungen, gilt für die Spannung V[tief]0 über der Reihenschaltung:

V[tief]0 = IR[tief]1 + V[tief]be (1)

wobei R[tief]1 den Wert des Widerstandes 1 und V[tief]be die Spannung über die Diode 3 darstellen.

In der in der Beschreibungseinleitung genannten Veröffentlichung ist ein Ausdruck für die Temperaturabhängigkeit von V[tief]be gegeben. Mit Hilfe dieses Ausdrucks wird für den Temperaturkoeffizienten von V[tief]be gefunden:

(2)

wobei V[tief]g die Bandspannung des für die Diode 3 verwendeten Halbleitermaterials bei 0 K und kleines Eta einen von dem Halbleitermaterial abhängigen Parameter darstellen.

Für den Temperaturkoeffizienten des Stromes I gilt:

dI : dT = I (1 : T - kleines Alpha) (3)

wobei kleines Alpha den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R[tief]0 (und des Widerstandes 1) darstellt.

Eine Auflösung der Gleichung dV[tief]0 : dT = 0 ergibt:

IR[tief]1 = V[tief]g - V[tief]be + kT : q (kleines Eta - 1 + kleines Alpha T) (4)

Wenn R[tief]1 für eine bestimmte Bezugstemperatur T = T[tief]0 derart gewählt wird, dass die Bedingung (4) erfüllt wird, gilt für V[tief]0:

V[tief]0 = V[tief]g + kT[tief]0 : q (kleines Eta - 1 + kleines Alpha T[tief]0) (5)

Für Silizium gilt, dass V[tief]g = 1,205 V ist. Weiter kann für kleines Eta der Wert 1,4 und bei integrierten Widerständen für kleines Alpha der Wert 0,002/K substituiert werden.

Wenn für die Bezugstemperatur T[tief]0 = 300 K gewählt wird, gilt für V[tief]0 bei T = T[tief]0:

V[tief]0 = 1,205 V + 0,026 V

Die Spannung von 1,205 V ist temperaturunabhängig, während die Temperaturabhängigkeit des Terms, der bei T = T[tief]0 gleich 0,026 V ist, in bezug auf die temperaturabhängige Spannung von 1,205 V vernachlässigbar klein ist.

Wenn nach der Erfindung ein Widerstand 2 mit einem Wert R[tief]2 zu der Reihenschaltung des Widerstandes 1 und der Diode 3 parallelgeschaltet wird, gilt für V[tief]0:

V[tief]0 = (I - I[tief]1) R[tief]2 (6)

wobei I[tief]1 denjenigen Teil des Stromes I darstellt, der den Widerstand 1 und die Diode 3 durchfließt.

Wenn im Ausdruck (6) dV[tief]0 : dT = 0 gesetzt wird, wird für die Temperaturabhängigkeit des Stromes I[tief]1 erhalten:

dI[tief]1 : dT = I : T - I[tief]1 kleines Alpha (7)

Für V[tief]0 gilt auch:

V[tief]0 = I[tief]1R[tief]1 + V[tief]be (8)

Wenn im Ausdruck (8) dV[tief]0 : dT = 0 gesetzt wird, wobei der Ausdruck (2)

(mit dI[tief]1 : dT statt dI : dT)

und der Ausdruck (7) substituiert werden, wird als Bedingung für Temperaturunabhängigkeit von V[tief]0 erhalten:

IR[tief]1 = V[tief]g - V[tief]be + kT : q (kleines Eta - I : I[tief]1 + kleines Alpha T) (9)

Diese Bedingung ist bis auf eine vernachlässigbare Abweichung

kT : q (1 - I : I[tief]1)

gleich dem Ausdruck (4). Diese Abweichung ist vernachlässigbar, solange I[tief]1 größer als z.B. 20% von I ist.

Dies bedeutet, dass, wenn der Widerstand 1 nach dem Ausdruck (4) gewählt ist, so dass die Spannung über der Reihenschaltung temperaturunabhängig und nahezu gleich der Bandspannung V[tief]g ist (ohne Widerstand 2), diese Reihenschaltung mit einem Parallelwiderstand 2 belastet werden kann, wodurch die Spannung V[tief]0 abnimmt, ihre Temperaturunabhängigkeit jedoch erhalten bleibt.

Unter Vernachlässigung der Terme

kT : q (kleines Eta - 1 + kleines Alpha T[tief]0) und kT : q (1 - I : I[tief]1)

gilt für R[tief]1 die Bedingung:

V[tief]g - V[tief]be

R[tief]1 = ______________________ (10)

I

und gilt für die Spannung V[tief]0:

R[tief]2

V[tief]0 = ____________________ V[tief]g (11)

R[tief]1 + R[tief]2

Wenn der Strom I bei der Bezugstemperatur T = T[tief]0 gleich 1 mA ist und die Diode derart ist, dass V[tief]be = 0,7 V ist, folgt aus dem Ausdruck (10) für R[tief]1 ein Wert von 500 großes Omega.

Wenn verlangt wird, dass die Spannung V[tief]0 gleich 1 V ist, folgt dabei mit Hilfe des Ausdrucks (11) für R[tief]2 ein Wert von 2500 großes Omega.

Indem für den Widerstand R[tief]2 ein Spannungsteiler gewählt wird, was in Fig. 1 mit der gestrichelten Anzapfung 25 angedeutet ist, können beliebig niedrige temperaturunabhängige Spannungen erhalten werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 1. Die Schaltung enthält einen Transistor 16, dessen Emitter über einen Widerstand 15 mit einem Speiseanschlußpunkt (in diesem Beispiel dem Erdungspunkt der Schaltung) verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 16, der einen Strom I[tief]3 führt, ist über einen Widerstand 7 und Dioden 8 und 9 mit einem positiven Speiseanschlußpunkt 5, der eine Spannung V[tief]1 in bezug auf Erde führt, verbunden. Der Kollektor 19 des Transistors 16, der eine Spannung V[tief]2 in bezug auf Erde führt, ist mit der Basis eines Transistors 17 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 14 mit dem Erdungspunkt 6 und dessen Kollektor über den Widerstand 10 und die Diode 11 mit dem Speiseanschlußpunkt 5 verbunden ist. Der Kollektor 20 des Transistors 17, der eine Spannung V[tief]3 in bezug auf Erde führt, ist mit der Basis des Transistors 18 verbunden, die einen Strom I führt. Der Emitter des Transistors 18 ist über den Widerstand 12 und die Diode 13 mit dem Erdungspunkt 6 verbunden, wobei die Diode 13 zwischen der Basis des Transistors 16 und dem Erdungspunkt 6 angeordnet ist.

Wenn das Verhältnis zwischen der Spannung V[tief]1 - V[tief]2 über der Reihenschaltung der Dioden 8 und 9 und des

Widerstandes 7 und dem Strom I[tief]3 durch diese Reihenschaltung als Gleichstromwiderstand Z[tief]1 dieser Reihenschaltung bezeichnet wird, wenn die Strom-Spannungskennlinien in der Sperrichtung der Diode 11 und des Transistors 17 einander gleich sind, und wenn die Widerstände 10 und 14 einander gleich sind, ist die Spannung über dem Widerstand 10 und der Diode 11 gleich der Spannung V[tief]2 und gilt für die Spannung V[tief]3:

V[tief]3 = I[tief]3Z[tief]1.

Diese Spannung ist von der Speisespannung V[tief]1 unabhängig, wenn I[tief]3 davon unabhängig ist.

Wenn der Gleichstromwiderstand des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors 18 in Reihe mit dem Widerstand 12 und der Diode 13 gleich Z[tief]2 ist, gilt für den Strom I:

I = V[tief]3 : Z[tief]2 = I[tief]3 Z[tief]1 : Z[tief]2.

Wenn z.B. Z[tief]1 gleich Z[tief]2 ist, weil die Diode 9 der Diode 13 entspricht, die Diode 8 dem Basis-Emitter-Übergang des Transistors 18 entspricht und die Widerstandswerte der Widerstände 7 und 12 einander gleich sind, gilt I = I[tief]3.

Gleichheit zwischen Diodenübergängen und Basis-Emitter-Übergängen ist in integrierten Schaltungen einfach dadurch erzielbar, dass für die unterschiedlichen Dioden Transistoren gewählt werden, die den Transistoren 17 und 18 gleich sind, und dass ihre Kollektoren mit ihren Basen verbunden werden.

Wenn sich die Ströme in der Diode 13 und in dem Transistor 16 bei gleichen Spannungen zwischen Basis und Emitter wie 1 : n verhalten, was sich in einer integrierten Schaltung einfach dadurch erreichen lässt, dass für die Diode 13 ein als Diode geschalteter Transistor mit einer wirksamen Emitteroberfläche, die n-mal kleiner als die des Transistors 16 ist, gewählt wird, und wenn der Wert des Widerstandes 15 gleich R[tief]0 ist, gilt für den Kollektorstrom I des Transistors 18 (wobei verschiedene Basisströme vernachlässigt sind):

kT

I = ______________ ln n.

qR[tief]0

Dieser Strom entspricht dem Strom, der bei der Schaltung nach Fig. 1 für die Stromquelle 4 gewählt ist.

Ein Vorteil der Stromquellenschaltung nach Fig. 2 ist der, dass diese nur Transistoren desselben Leitungstyps, in diesem Beispiel npn-Transistoren, enthält.

Die Stromquelle der anhand der Fig. 2 beschriebenen Art kann zu einer Bezugsspannungsquelle nach der Erfindung dadurch erweitert werden, dass, wie in Fig. 2 dargestellt ist, in der Kollektorleitung des Transistors 18 ein Widerstand 2 parallel zu der Reihenschaltung des Widerstandes 1 und der Diode 3 angeordnet wird. Über diesem Widerstand 2 kann bei einem geeigneten Wert der Widerstände 1 und 2 die temperaturunabhängige Spannung V[tief]0 erhalten werden.

Da auch die Widerstände 7 und 12 von einem der Temperatur proportionalen Strom durchflossen werden und diese mit einer oder mehreren Dioden in Reihe angeordnet sind, können auch auf diese Weise temperaturunabhängige Spannungen erhalten werden.

Bei den bekannten Bezugsspannungsquellen war es bekannt, dass ein p-faches der Bandspannung V[tief]g dadurch erhalten werden kann, dass p-Dioden in Reihe mit einem Widerstand geschaltet werden, dessen Wert das p-fache des Wertes ist, der zum Erhalten der Bandspannung V[tief]g erforderlich wäre. Auch dieses p-fache der Bandspannung V[tief]g kann dadurch herabgesetzt werden, dass zu diesen Dioden ein Widerstand parallelgeschaltet wird.

Claims

1. Bezugsspannungsschaltung mit einem Stromkreis, in dem eine Stromquelle einen stabilisierten Strom mit positivem Temperaturkoeffizienten erzeugt und einem Halbleiterübergang, der in Durchlaßrichtung und in Reihe mit einem ersten Widerstand in diesem Stromkreis aufgenommen ist, wobei die Spannung über dieser Reihenschaltung in hohem Maße temperaturunabhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stromkreis parallel zu der Reihenschaltung (1, 3) ein zweiter Widerstand (2) angeordnet ist, dessen Widerstandswert derart bemessen ist, dass die Spannung über der Parallelschaltung des zweiten Widerstandes (2) und der Reihenschaltung (1, 3) höher ist als die Schwellwertspannung des Halbleiterübergangs (3).

2. Bezugsspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand (2) ein Spannungsteiler ist.