BE1007853A3

BE1007853A3 - Bandgapreferentiestroombron met compensatie voor spreiding in saturatiestroom van bipolaire transistors.

Info

Publication number: BE1007853A3
Application number: BE9301335A
Authority: BE
Inventors: Robert J Fronen
Original assignee: Philips Electronics Nv
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1995-11-07
Also published as: DE69411516D1; US5581174A; EP0656575B1; DE69411516T2; EP0656575A1; JP3487657B2; JPH07202591A

Abstract

Referentiestroombron voor opwekking van een referentiestroom (Irf) omvattend : een bipolaire eerste transistor (2) en een bipolaire tweede transistor (4), waarbij de basis van de eerste transistor (2) is gekoppeld met de basis van de tweede transistor (4); een eerste weerstand (6) welke is aangesloten tussen de emitter van de eerste transistor (2) en de emitter van de tweede transistor (4); een tweede weerstand (8) welke is aangesloten tussen de emitter van de tweede transistor (4) en een voedingsklem (10); meetmiddelen (16) voorzien van ingangen (12,14) welke zijn gekoppeld met de collector van de eerste transistor (2) en de collector van de tweede transistor (4) en voorzien van een meetuitgang (18) voor levering van een meetsignaal in responsie op een verschil in collectorstroom van de eerste transistor (2) en de tweede transistor (4); een bipolaire derde transistor (28) waarvan de basis met de meetuitgang (18), en de emitter met de bases van de eerste (2) en de tweede (4) transistor is gekoppeld en de collector de referentiestroom (Irf) levert; een bipolaire vierde transistor (34) waarvan de basis is gekoppeld met de basis van de derde transistor (28) ...

Description

Bandgapreferentiestroombron met compensatie voor spreiding in saturatiestroom van bipolaire transistors.

De uitvinding heeft betrekking op een referentiestroombron voor opwekking van een referentiestroom omvattend: een bipolaire eerste transistor en een bipolaire tweede transistor, elk voorzien van een basis, een emitter en een collector, waarbij de basis van de eerste transistor is gekoppeld met de basis van de tweede transistor; een eerste weerstand welke is aangesloten tussen de emitter van de eerste transistor en de emitter van de tweede transistor; een voedingsklem; een tweede weerstand welke is aangesloten tussen de emitter van de tweede transistor en de voedingsklem; meetmiddelen voorzien van ingangen welke zijn gekoppeld met de collector van de eerste transistor en de collector van de tweede transistor en voorzien van een meetuitgang voor levering van een meetsignaal in responsie op een verschil in collectorstroom van de eerste transistor en de tweede transistor; en een bipolaire derde transistor met een basis welke is gekoppeld met de meetuitgang, een emitter welke is gekoppeld met de bases van de eerste en de tweede transistor en een collector voor levering van de referentiestroom.

Een dergelijke referentiestroombron is bekend uit IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-9, No. 6, December 1974, A.P. Brokaw "A Simple Three-Terminal IC Bandgap Reference", pp 388-393, in het bijzonder in de figuren 2 en 3. In deze bekende referentiestroombron werken de eerste en tweede transistor bij een verschillende stroomdichtheid die in stand wordt gehouden met behulp van de meetmiddelen. Het verschil tussen de basis-emitterspanningen van de eerste en tweede transistor verschijnt over de eerste weerstand als een spanning die positief evenredig is met de absolute temperatuur. Dientengevolge zijn ook de collectorstromen van de eerste en tweede transistor positief evenredig met de absolute temperatuur. De som van de collectorstromen vloeit door de tweede weerstand en genereert over de tweede weerstand een spanning die eveneens positief evenredig is met de absolute temperatuur. De spanning op de basis van de tweede transistor is de som van de basis-emitterspanning van de tweede transistor die een negatieve temperatuurcoëfficient heeft en de spanning over de tweede weerstand die een positieve temperatuurcoëfficient heeft. Aldus wordt een somspanning, de zogeheten bandgapspanning, verkregen waarvan de waarde over een groot temperatuurbereik vrijwel onafhankelijk is van de temperatuur.

De basis-emitterspanning van de tweede transistor neemt af bij toename van de saturatiestroom van de tweede transistor. Dit volgt uit de welbekende relatie tussen de basis-emitterspanning en de collectorstroom van een bipolaire transistor. De saturatiestroom van een bipolaire transistor wordt bepaald door een verscheidenheid van procesparameters die onderhevig zijn aan spreiding. Het gevolg is enerzijds dat de opgewekte bandgapspanning niet de gewenste temperatuurafhankelijkheid heeft over een gespecificeerd temperatuurbereik en anderzijds dat de nominale waarde van de bandgapspanning en dus ook de nominale waarde van de daarvan afgeleide referentiestroom een spreiding vertoont.

De uitvinding beoogt een referentiestroombron aan te geven die minder gevoelig is voor spreiding in de saturatiestroom van de erin toegepaste bipolaire transistors.

Een referentiestroombron van het in de aanhef genoemde type is volgens de uitvinding daartoe gekenmerkt, doordat de referentiestroombron verder omvat: een base pinch weerstand; en een bipolaire vierde transistor met een basis welke is gekoppeld met de basis van de derde transistor en een emitter welke via de basispinchweerstand is verbonden met de emitter van de derde transistor.

Er wordt gebruik gemaakt van het principe dat de spreiding in de saturatiestroom gecorreleerd is met de spreiding in de waarde van een base pinch weerstand (base pinch résister, ook wel pinched base résister genoemd), welke waarde evenredig is met de saturatiestroom en positief afhankelijk van de absolute temperatuur. Door een basispinchweerstand welke wordt aangesloten op een voedingsspanning die evenredig is met de absolute temperatuur vloeit dus een stroom die afneemt bij toenemende saturatiestroom. Het verschil tussen de basis-emitterspanningen van de bipolaire derde en vierde transistors vormt een voedingsspanningsbron met de gewenste thermische eigenschappen, zodat door de basispinchweerstand een correctiestroom vloeit die afneemt bij toenemende saturatiestroom en omgekeerd. Deze correctiestroom gaat in mindering van de referentiestroom die beschikbaar is aan de collector van de derde transistor. Aldus wordt de referentiestroom gecompenseerd voor spreiding in de saturatiestroom.

De basispinchweerstand en dus ook de correctiestroom zijn niet perfect lineair afhankelijk van de temperatuur. Hiervoor kan volgens de uitvinding worden gecorrigeerd doordat de emitter van de derde transistor met de voedingsklem is gekoppeld via een derde weerstand waarvan althans een fractie een temperatuurafhanke-lijke waarde heeft.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen worden beschreven en toegelicht onder verwijzing naar bijgaande tekening, waarin

Figuur 1 een bekende bandgap referentiestroombron toont,

Figuur 2 een eerste uitvoeringsvorm van een bandgap referentiestroombron volgens de uitvinding toont en

Figuur 3 een tweede uitvoeringsvorm van een bandgap referentiestroombron volgens de uitvinding toont.

In de figuren hebben gelijke onderdelen dezelfde verwijzingstekens.

Figuur 1 toont een klassieke bandgap referentiestroombronschakeling. De schakeling omvat een bipolaire eerste transistor 2 en een bipolaire tweede transistor 4 waarvan de emitteroppervlakken ongelijk zijn gekozen. De relatieve emitteroppervlak-ken zijn aangegeven met een cijfer tussen ronde haakjes. Bij wijze van voorbeeld is het emitteroppervlak van de eerste transistor 2 zesmaal zo groot gekozen als het emit-teroppervlak van de tweede transistor 4. In serie met de emitter van de eerste transistor 2 is een eerste weerstand 6 opgenomen. De basis-emitterovergang van de tweede transistor 4 is parallel geschakeld met de serieschakeling van de basis-emitterovergang van de eerste transistor 2 en de eerste weerstand 6. Hiertoe zijn de bases van de eerste transistor 2 en de tweede transistor 4 onderling doorverbonden en is de eerste weerstand 6 aangesloten tussen de emitter van de eerste transistor 2 en de emitter van de tweede transistor 4. De emitter van de tweede transistor 4 is verder via een tweede weerstand 8 verbonden met een eerste voedingsklem 10 die met de signaalmassa is verbonden. De collector van de eerste transistor 2 is aangesloten op een ingang 12 en de collector van de tweede transistor 4 is aangesloten op een ingang 14 van meetmiddelen 16. De meetmiddelen 16 zijn voorzien van een meetuitgang 18 die een meetsignaal afgeeft als functie van het verschil in de collectorstroom Iel van de eerste transistor 2 en de eollee- torstroom Ic2 van de tweede transistor 4. De meetmiddelen 16 zijn hier bij wijze van voorbeeld uitgevoerd met een 1:1 stroomspiegel 20 waarvan een ingangstak 22 is gekoppeld met de collector van de eerste transistor 2 en een uitgangstak 24 is gekoppeld met de collector van de tweede transistor 4 en met de meetuitgang 18. De stroomspiegel 20 is verder verbonden met een tweede voedingsklem 26 voor ontvangst van een geschikte bedrijfsspanning. De schakeling is verder voorzien van een bipolaire derde transistor 28 waarvan de basis is verbonden met de meetuitgang 18, de emitter is gekoppeld met de bases van de eerste transistor 2 en de tweede transistor 4 en de collector met een uitgangsklem 30 voor levering van een referentiestroom M. De emitter van de derde transistor 28 is via een derde weerstand 32 verbonden met de eerste voedingsklem 10. Opgemerkt wordt dat in deze schakeling en in de nog te bespreken schakelingen de bases van de eerste transistor 2 en de tweede transistor 4 ook op een aftakking van de derde weerstand 32 kunnen worden aangesloten.

De stroomspiegel 20 houdt de collectorstromen Iel en Ic2 gelijk, zodat de stroomdichtheid J1 in de emitter van de eerste transistor 2 kleiner is dan de stroomdichtheid J2 in de emitter van de tweede transistor 4. Als gevolg hiervan is er een verschil VI tussen de basis-emitterspanning Vbel van de eerste transistor 2 en de basis-emitterspanning Vbe2 van de tweede transistor 4, waarvoor geldt:

Hierin is k de constante van Boltzmann, T de absolute temperatuur, q de lading van een electron en VT de thermische potentiaal. Het spanningsverschil VI staat over de eerste weerstand 6. Omdat de collectorstromen van de eerste transistor 2 en de tweede transistor 4 even groot zijn, is de stroom door de tweede weerstand 8 tweemaal zo groot als de stroom door de eerste weerstand 6. De spanning V2 over de tweede weerstand 8 wordt dan gegeven door:

Hierin is RI de waarde van de eerste weerstand 6 en R2 de waarde van de tweede weerstand 8. De spanning V2 varieert evenredig met de temperatuur T en compenseert de negatieve temperatuurcoëfficient van de basis-emitterspanning Vbe2 van de eerste transistor 2. Aldus is op de basis van de tweede transistor 4 een somspanning Vg beschikbaar die over een groot temperatuurbereik vrijwel onafhankelijk is van de temperatuur. Op de uitgangsklem 30 is dan een temperatuurstabiele referentiestroom M beschikbaar waarvan de grootte wordt bepaald door de spanning Vg en de waarde R3 van de derde weerstand 32. De basis-emitterspanning Vbe2 is afhankelijk van de saturatiestroom Is van de tweede transistor 4 en kan als volgt worden beschreven:

De basis-emitterspanning Vbe2 van de tweede transistor 4 is dus afhankelijk van de saturatiestroom Is, waarvan de waarde varieert als gevolg van spreiding in de parameters van het fabricageproces van de transistors. Het gevolg is dat de spanning Vg en dus ook de referentiestroom Irf niet alleen een andere nominale waarde krijgt dan verwacht, maar ook een ander temperatuurgedrag. Om deze ongewenste effecten te reduceren wordt er gebruik gemaakt van het principe dat de spreiding in de saturatiestroom Is van de transistors gecorreleerd is met de spreiding in de waarde van een base pinch -weerstand (base pinch résister), die gemaakt is in hetzelfde proces. De waarde Rp van een base pinch weerstand is evenredig met de saturatiestroom Is en omgekeerd evenredig met de absolute temperatuur T volgens de volgende formules:

Hierin zijn Le en We de lengte en breedte van de emitter, Wb de basisdikte, T de absolute temperatuur. De overige symbolen geven fysische materiaalgegevens aan. Het blijkt dus dat de waarde van een base pinch weerstand evenredig is met de saturatiestroom Is. Uit vergelijking (3) blijkt dat de basis-emitterspanning Vbe2 toeneemt met afnemende saturatiestroom Is. De spanning Vg en dus ook de referentiestroom Irf nemen dan eveneens toe bij afnemende saturatiestroom. Deze toename in M kan worden gecorrigeerd door in de derde weerstand 32 te een correctiestroom 1er te injecteren die toeneemt bij afnemende saturatiestroom Is. Als stroomleverancier wordt hiertoe een base pinch weerstand gebruikt welke wordt aangesloten op een voedingsspanning die evenredig is met de absolute temperatuur. Dit laatste is nodig om het effect van de temperatuur T in de weerstandswaarde Rp van de base pinch weerstand op te heffen.

Figuur 2 toont hoe de correctiestroom 1er wordt opgewekt. De schakeling van figuur 1 is uitgebreid met een bipolaire vierde transistor 34 en een base pinch weerstand 36, welke is aangesloten tussen de emitter van de vierde transistor 34 en de emitter van de derde transistor 28. De basis van de vierde transistor 34 is doorverbonden met de basis van de derde transistor 28 en de collector van de vierde transistor 34 is verbonden met een geschikte voedingsspanning, bijvoorbeeld afkomstig van de tweede voedingsklem 26. Het verschil tussen de basis-emitterspanningen van de derde transistor 28 en de vierde transistor 34 vormt een voedingsspanningsbron met de gewenste thermische eigenschappen, zodat door de base pinch weerstand 36 een correctiestroom 1er vloeit die afneemt bij toenemende stauratiestroom en omgekeerd. Deze correctiestroom gaat in mindering van de referentiestroom Irf die beschikbaar is aan de collector van de derde transistor 28, omdat de spanning op de emitter van de derde transistor 28 vast ligt. Aldus wordt de referentiestroom Irf gecompenseerd voor spreiding in de saturatiestroom Is van de toegepaste transistors.

De waarde Rp van de base pinch weerstand 36 en dus ook de correctiestroom 1er zijn niet perfect lineair afhankelijk van de temperatuur. Hiervoor kan desgewenst worden gecorrigeerd door in serie met de derde weerstand 32 een tempera-tuurafhankelijke weerstand 38 op te nemen.

Figuur 3 toont een alternatieve schakeling waarin de meetmiddelen 16 zijn uitgevoerd met een eerste collectorweerstand 40 in de collectorleiding van de eerste transistor 2, een tweede collectorweerstand 42 in de collectorleiding van de tweede transistor 4 en een verschilversterker 44, waarvan de ingangen zijn verbonden met de weerstand 40 en de weerstand 42 en de uitgang met de meetuitgang 18. De weer-standwaarden van de weerstand 40 en de weerstand 42 zijn even groot, zodat ook hier de collectorstromen van de eerste transistor 2 en de tweede transistor 4 even groot zijn.

Constructie en werking van de bandgapschakeling uit figuur 1 zijn uitvoerig beschreven in het eerder genoemde artikel in the THKF, Journal of Solid State Circuits. De algemene principes van de bandgapschakeling en de constructie van base pinch weerstanden zijn bekend uit de handboeken. Voor de bandgapprincipes wordt verwezen naar P.R. Gray, R.G. Meyer, "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits", Second Edition, John Wiley & Sons, Hoofdstuk 4, Appendix A4.3.2. Voor de base pinch weerstand naar Hoofdstuk 2, paragraaf 2.5.1. van hetzelfde handboek.

Claims

3· Referentiestroombron volgens conclusie 1 of 2, met het kenmprl· dat de meetmiddelen (16) een stroomspiegel (20) omvatten met een ingangstak (22) welke is gekoppeld met de collector van de eerste transistor (2) en een uitgangstak (24) welke is gekoppeld met de collector van de tweede transistor (4) en met de bases van de derde (28) en de vierde (34) transistor.
4. Referentiestroombron volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de meetmiddelen (16) omvatten: een verschilversterker (44) waarvan een uitgang is verbonden met de meetuitgang (IS) en waarvan ingangen zijn verbonden met de collectors van de eerste transistor (2) en de tweede transistor (4), een eerste collector-weerstand (40) aangesloten tussen de collector van de eerste transistor (2) en een verdere voedingsklem (26), en een tweede collectorweerstand (42) aangesloten tussen de collector van de tweede transistor (4) en de verdere voedingsklem (26).