DE19607802C2

DE19607802C2 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung

Info

Publication number: DE19607802C2
Application number: DE1996107802
Authority: DE
Inventors: Roland Schropp
Original assignee: Temic Semiconductor GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2016-03-02
Also published as: EP0793159A2; DE19607802A1; EP0793159B1; DE59712912D1; EP0793159A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Ver sorgungsspannung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Derartige Schaltungsanordnungen mit nachfolgender Filterstufe werden verwendet, um z. B. Sensoren mit einer Spannung zu versorgen, die gegen über der Eingangsspannung einen verbesserten Störabstand aufweist. Übli cherweise werden dafür Schaltungsanordnungen verwendet, welche die Versorgungsspannung für den Sensor um einen bestimmten Betrag ΔU un ter der Eingangsspannung hält. Der Betrag der Spannungsdifferenz ΔU ist dabei konstant. Diese reduzierte Spannung wird einer Glättungs- und Filter stufe zugeführt, um Spannungsspitzen und -schwankungen herauszufiltern. Arbeitet der zu versorgende Verbraucher über einen weiten Bereich der Eingangsspannung, so ist es erforderlich, den Betrag der Spannungsdiffe renz ΔU, um den die Eingangsspannung reduziert wird, dem absoluten Be trag der Eingangsspannung anzupassen. Es hat sich dabei als vorteilhaft her ausgestellt, die Spannungsdifferenz, mit dem die Versorgungsspannung für den Verbraucher unter der Eingangsspannung liegt, wie in der Fig. 2 dar gestellt, bis zu einem ersten Wert der Eingangsspannung auf einem ersten, konstanten Wert zu halten und ab einem bestimmten Wert der Eingangs spannung auf einem zweiten, größeren Wert konstant zu halten. Im dazwi schenliegenden Übergangsbereich bleibt die Versorgungsspannung kon stant und ist unabhängig von der Eingangsspannung.

Aus der DE 41 31 170 A1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Zwischen spannungen bekannt, bei der die Zwischenspannung durch einen Strom durch einen Zenerblock, der durch eine steuerbare Stromquelle eingeprägt wird, erzeugt wird. Die Stromquelle wird dabei in Abhängigkeit von Ver gleichswerten angesteuert, die sich aus dem Vergleich einer Sollspannung mit einer an einem Bauelement, das in Reihe geschaltet ist mit dem Zener block und der steuerbaren Stromquelle, abfallenden Spannung ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen ei ner Versorgungsspannung anzugeben, wobei die Versorgungsspannung im unteren Bereich der Eingangsspannung bis zu einem unteren Schwellwert, eine erste konstante Differenz aufweist und von einem oberen Schwellwert der Versorgungsspannung ab, eine zweite konstante Differenz zur Versor gungsspannung aufweist, die größer ist als die erste konstante Differenz und im Bereich zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert konstant ist und die drei Bereiche stetig ineinander übergehen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merk malen des Anspruchs 1. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figu ren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltungsanordnung nach der Erfindung im Prinzip schaltbild,

Fig. 2 ein Diagramm der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung ge mäß Fig. 1,

Fig. 4 ein erweitertes Schaltbild der Schaltung der Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Schaltungsanordnung nach der Erfin dung im Blockschaltbild. Die Eingangsspannung V_IN wird über den Wider stand R_DU und die steuerbare Stromquelle I₁ mit dem Massepotential ver bunden. In Abhängigkeit vom Strom I durch die Stromquelle I₁ und den Wi derstand R_DU entsteht entlang des Widerstands ein Spannungsabfall V_RDU. Der Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle I₁ und dem Widerstand R_DU ist mit dem Eingang eines Impedanzwandlers bzw. Treiber-/Buffer-Verstärkers verbunden. An dessen Ausgang wird die Versorgungsspannung für den Ver braucher zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig ist dieser Ausgang über einen Spannungsteiler, bestehend aus den beiden Widerständen R₁ und R₂, mit dem Massepotential verbunden. Am Verbindungspunkt der beiden Wider stände ist der erste Eingang einer Komparatorstufe K angeschlossen. Der zweite Eingang der Komparatorstufe ist mit einer Referenzspannung V_REF verbunden. Der Ausgang ist mit dem Steuereingang der steuerbaren Stromquelle I₁ verbunden. Die Versorgungsspannung V_OUT kann durch fol gende Gleichung dargestellt werden:

V_OUT = V_IN-V_RDU = V_IN-I₁.R_DU

Dabei ist der Strom I₁ abhängig vom Ausgangssignal der Komparatorstufe K.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, kann die Schaltungsanordnung drei Zustände einnehmen. Für kleine Eingangsspannungen fließt ein minimaler Strom I_MIN =I_C = I_C1 durch die Stromquelle I₁. Am Widerstand R_DU fällt eine über den er sten Bereich konstante Spannung ab und die Versorgungsspannung V_OUT weist eine erste konstante Spannungsdifferenz V_B zur Eingangsspannung V_IN auf.

Liegt die Eingangsspannung V_IN im Bereich zwischen einer ersten Schwellspannung V_S1 und einer zweiten Schwellspannung V_S2, so greift der über den Komparator K verlaufende Regelkreis und die Versorgungsspan nung V_OUT wird auf einem konstanten Wert gehalten. Dabei fließt ein Strom

I_C=I_C1+K.I_C2 mit 0≦K≦1

durch den Widerstand R_DU. Die Versorgungsspannung V_OUT stellt sich so ein, daß die Spannung V_T am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R₁, R₂ des Spannungsteilers gleich der Referenzspannung V_REF ist.

Zu größeren Spannungen hin, fließt der maximale Strom I_max=I_C=I_C1+I_C2 durch die steuerbare Stromquelle I₁. Dann hat die Versorgungsspannung V_OUT eine zweite konstante Spannungsdifferenz V_A zur Eingangsspannung V_IN.

In der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 3 ist die Ausführung der ge steuerten Stromquellen detailliert dargestellt. Eine Referenzstromquelle I_REF versorgt den Stromspiegel aus dem als Diode geschalteten Eingangstransi stor Q_A und den beiden Transistoren Q_B1 und Q_B2 mit einem konstanten Ein gangsstrom I_A. Der konstante Eingangsstrom I_A ist bei der integrierten Vari ante der Schaltungsanordnung derart von der Temperatur abhängig, daß die Temperaturabhängigkeit des Widerstands R_DU kompensiert wird. Damit wird der Temperaturkoeffizient des ebenfalls integrierten Widerstands R_DU ausgeglichen. Der Emitter des als Diode geschalteten Transistors Q_A ist mit dem Widerstand R_A mit dem Massepotential verbunden. Der Kollektor des ersten Spiegeltransistors Q_B1 ist mit dem Widerstand R_DU und dem Eingang des Buffer-Verstärkers 1 verbunden. Der Emitter liegt über den Widerstand R_B1 an Massepotential. Die Basis ist mit der Basis von Q_A verbunden. Die Emit ter-Kollektorstrecke des zweiten Spiegeltransistors Q_B2 ist in diesem Ar beitspunkt abgeschaltet. Es fließt also ein konstanter Strom I_C1 über diesen Transistor gegen das Massepotential. Die Größe dieses Stromes bestimmt den Spannungsabfall V_RDU und somit die Größe der Spannungsdifferenz V_B für kleine Eingangsspannungen. Parallel zum ersten Transistor Q_B1 liegt ein zweiter Spiegeltransistor Q_B2, dessen Kollektor mit dem Kollektor des ersten Transistors Q_B1 und dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors Q_B1 ver bunden ist. Sein Emitter ist über den Widerstand R_B2 mit dem Massepoten tial verbunden. Der Emitter des zweiten Transistors Q_B2 ist weiterhin mit dem Ausgang der regelbaren Stromquelle I₂, die ihrerseits vom Ausgang der Komparatorstufe angesteuert wird, verbunden. Bei kleinen Eingangsspan nungen ist der zweite Transistor Q_B2 abgeschaltet, da das Produkt I_R . R_B2= Spannung an Emitter Q_B2 größer als die Basisspannung von Q_B2 minus U_BE ist. Dann fließt nur der Strom I_C1 über den ersten Transistor Q_B1 durch den Wi derstand R_DU. Bei großen Eingangsspannungen fließt zusätzlich noch der Strom I_C2 durch den Transistor Q_B2, so daß durch den Widerstand R_DU insge samt der Strom I_C=I_C1+I_C2 fließt. Dazwischen liegt ein Regelbereich, bei dem zusätzlich zum Strom I_C1 durch den ersten Transistor Q_B1 ein zweiter Strom K.I_C2 (mit 0≦K≦1) durch den zweiten Transistor Q_B2 fließt, in diesem Bereich wird die Versorgungsspannung V_OUT auf einem konstanten Wert ge halten.

In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 ist weiterhin ein Ausführungs beispiel für die Komparatorstufe K dargestellt. Sie besteht aus einem Diffe renzverstärker, bestehend aus den Transistoren Q₃ und Q₄, deren Emitter mit einer Stromquelle I_D verbunden sind, wobei die Basis des Transistors Q₃ mit der Spannungsreferenz V_REF und die Basis des Transistors Q₄ mit der Spannung am Verbindungspunkt der beiden Widerstände des Spannungstei lers verbunden ist. Der Ausgang der Differenzstufe wird von einem Strom spiegel, bestehend aus den Transistoren Q₁ und Q₂ gebildet, der den Strom im Kollektorzweig des Transistors Q₃ in den Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Transistor Q_B2 des ersten Stromspiegels mit dem Widerstand R_B2 mit einem bestimmten Faktor n spiegelt. Durch diese Schaltungsanord nung kann die Versorgungsspannung V_OUT mit den gewünschten Eigenschaf ten auf einfachste Weise erzeugt werden.

Die Versorgungsspannung V_OUT der Schaltungsanordnung kann beispielswei se dazu benutzt werden, um eine Spannungsfolgerstufe, deren Ausgangs spannung sich nur mit einer bestimmten maximalen Geschwindigkeit än dern kann, mit einer Spannung zu versorgen. Der immer vorhandene Span nungsabstand zur Eingangsspannung V_IN stellt hierbei einen Arbeitsbereich dieser nachfolgenden Stufe dar. Man erreicht somit eine Verringerung der Störungen auf der Versorgungsspannung V_OUT bzgl. der Eingangsspannung V_IN.

Claims

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Versorgungsspannung (V_OUT) in Abhängigkeit von einer der Schaltungsanordnung zugeführten Eingangs spannung (V_IN), mit

1. einem ersten Widerstand (R_DU), der einerseits mit der Eingangsspan nung (V_IN) und andererseits über eine steuerbare Stromquelle (I₁) mit dem Massepotential verbunden ist, so daß am Verbindungspunkt des ersten Widerstands (R_DU) mit der steuerbaren Stromquelle (I₁) eine re duzierte Spannung (V_DU) anliegt,
2. einem Impedanzwandler (1), dem die reduzierte Spannung (V_DU) an seinem Eingang zugeführt wird und der die Versorgungsspannung (V_OUT) an seinem Ausgang bereitstellt, und
3. einem Komparator (K), der die Versorgungsspannung (V_OUT) mit einer Referenzspannung (V_REF) vergleicht und entsprechend des Ergebnisses des Vergleichs die steuerbare Stromquelle (I₁) ansteuert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (K) die Versorgungsspannung (V_OUT) über einen Spannungs teiler (R₁, R₂) zugeführt wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbare Stromquelle (I₁) aus einer Referenzstromquelle (I_REF) und einer Stromspiegelschaltung (Q_A, Q_B1, Q_B2) besteht.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Versorgungsspannung (V_OUT) bei kleinen Eingangsspannun gen (V_IN) eine erste konstante Spannungsdifferenz (V_B) zur Eingangsspan nung aufweist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Versorgungsspannung (V_OUT) bei großen Eingangsspannun gen (V_IN) eine zweite konstante Spannungsdifferenz (V_A) zur Eingangsspan nung aufweist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Übergangsbereich zwischen kleinen und großen Eingangsspan nungen (V_IN) die Versorgungsspannung (V_OUT) eine variable Spannungsdiffe renz (V) zur Eingangsspannung gemäß V_B≦V≦V_A aufweist.