DE2708022A1 - Schaltungsanordnung in integrierter mos-technik zur abgabe einer konstantspannung - Google Patents

Schaltungsanordnung in integrierter mos-technik zur abgabe einer konstantspannung

Info

Publication number
DE2708022A1
DE2708022A1 DE19772708022 DE2708022A DE2708022A1 DE 2708022 A1 DE2708022 A1 DE 2708022A1 DE 19772708022 DE19772708022 DE 19772708022 DE 2708022 A DE2708022 A DE 2708022A DE 2708022 A1 DE2708022 A1 DE 2708022A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
voltage
field effect
mos field
effect transistor
transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19772708022
Other languages
English (en)
Other versions
DE2708022C3 (de
DE2708022B2 (de
Inventor
Gerhard Dipl Ing Moegen
Gottfried Wotruba
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eurosil Electronic GmbH
Original Assignee
Eurosil GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eurosil GmbH filed Critical Eurosil GmbH
Priority to DE19772708022 priority Critical patent/DE2708022C3/de
Publication of DE2708022A1 publication Critical patent/DE2708022A1/de
Publication of DE2708022B2 publication Critical patent/DE2708022B2/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2708022C3 publication Critical patent/DE2708022C3/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is dc
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/24Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only
    • G05F3/242Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/247Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the field-effect type only with compensation for device parameters, e.g. channel width modulation, threshold voltage, processing, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a voltage or current as a predetermined function of the supply voltage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)
  • Continuous-Control Power Sources That Use Transistors (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

  • Schaltungsanordnung in integrierter MOS-Technik zur
  • Abgabe einer Konstant spannung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung in integrierter MOS-Technik zur Abgabe einer von Speisespannungsschwankungen weitgehend unabhängigen Konstantspannung insbesondere als Referenzspannung für integrierte Schaltungen, mit einer Stabilisierungsstufe, die einen an die Speisespannung angeschalteten, einen Uber einen Vorwiderstand in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistor aufweisenden Stromzweig enthält, wobei an dem MOS-Feldeffekttransistor eine gegenüber der Speisespannung stabilisierte Ausgangs spannung abgreifbar ist.
  • Integrierte Schaltungen werden häufig mit Batterien als Stromquellen betrieben und sollen deshalb einen möglichst geringen Stromverbrauch haben. In dieser Hinsicht zeigt die CMOS-Technologie gegenüber anderen Technologien gUnstige Eigenschaften. Digitale CMOS-Schaltungen haben eine sehr geringe Verlustleistung, da bekanntlich in Jedem logischen Schaltzustand einer logischen Schaltstufe immer einer der zueinander komplementären Schaltungszweige gesperrt ist und daher in der gesamten integrierten Schaltung keine galvanische Verbindung zwischen den Polen der Stromquelle vorhanden ist. Eine Verlustleistung entsteht bei derartigen Schaltungen im wesentlichen im dynamischen Betrieb, und zwar durch das Umladen parasitärer Schaltungskapazitäten. Ferner erfolgt während eines Jeweiligen Umschaltvorgangs kurzzeitig eine galvanische Verbindung zwischen den Polen der Stromquelle, solange die N-Transistoren und die P-Transistoren gemeinsam leitend sind. Dadurch wird ein sogenannter Querstrom verursacht.
  • Außerdem können in CMOS-Schaltungen Schaltungsteile enthalten sein, bei denen aufgrund einer Arbeitspunkteinstellung ein Querstrom als Ruhestrom fließt, der ebenfalls zur Verlustleistung der Schaltung beiträgt.
  • Man kann CMOS-Schaltungen wie auch integrierte Schaltungen, die in anderen Technologien aufgebaut sind, im Sinne einer möglichst geringen Stromaufnahme auslegen. Im Falle der CMOS-Schaltungen müssen dann beispielsweise die Schwellenspannungen der zueinander komplementären Transistoren so gewählt werden, daß die Summe ihrer Absolutbeträge etwa der Speisespannung entspricht. Dadurch kann der zuvor genannte Queretrom stark verringert werden, da in diesem Zustand zwei Jeweils in Reihe geschaltete zueinander komplementäre Transistoren im untersten Bereich ihrer Leitfähigkeit betrieben werden. Eine Schwierigkeit besteht Jedoch darin, daß gewisse Fertigungstoleranzen der Schwellenspannungen unvermeidbar sind und daß die Speisespannung insbesondere bei Batterien als Stromquellen relativ großen Schwankungen unterworfen ist. Werden derartige Schaltungen im Sinne maximaler Funktionssicherheit mit möglichst hoher Schwellenspannung bei möglichst niedriger Speisespannung dimensioniert, so führt dies im entgegengesetzten Extremfall, nämlich bei niedrigsten Schwellenspannungen und höchsten Speisespannungen zu einer Stromaufnahme, die ein Vielfaches des im günstigsten Fall erforderlichen Wertes betragen kann.
  • Durch die Toleranzen der Schwellenspannungen und die Schwankungen der Speisespannung wird auch ein relativ breiter Toleranzbereich anderer Schaltungsparameter hervorgerufen. Ein solcher Parameter ist beispielsweise der Ausgangsstrom einer CMOS-Schaltung bei der Ansteuerung einer nachgeschalteten Schaltungastufe. Außerdem ist es dadurch sehr schwierig, monostabile oder bistabile Schaltungen zu verwirklichen, die ein genau vorherbestimmtes stabiles Schaltverhalten haben, da die Schaltzeiten in starkem Maße von den Schwellenspannungen und der Speisespannung abhängen.
  • Es wäre deshalb wünschenswert, für integrierte Schaltungen eine Möglichkeit der Regelung der Speisespannung derart zu schaffen, daß bei niedriger Stromaufnahme eine maximale Funktionssicherheit und Unabhängigkeit von Schwankungen z.B. der Schwellenspannungen oder der Versorgungsspannung gewänrleistet ist. Um eine derartige Regelung zu verwirklichen, ist Jedoch eine Konstantspannung erforderlich, die als Referenzgröße bei der Regelung verwendet werden kann. Zur Erzeugung einer hochkonstanten Referenzspannung, die ihren Wert bei Variation der Umgebungstemperatur und der Speisespannung beibehält, ist aber im allgemeinen ein erheblicher Schaltungsaufwand erforderlich. Bekannte Schaltungen, bei denen z,B. das Durchbruchsverhalten von Zenerdioden ausgenutzt wird, arbeiten außerdem in einem sehr hohen Speisespannungsbereich, der größer ist als der-Jenige einer Schaltung, die z.B. in der sogenannten TTL-Technologie aufgebaut ist. Die Herstellung von Konstantspannungsschaltungen mit Hilfe von Sondertechnologien ist gleichfalls unerwwnscht, da solche Schaltungen inßbesondere dann nicht angewendet werden können, wenn sie in integrierte Schaltkreise einzubeziehen sind, die in einer Standardtechnologie aufgebaut sind.
  • Eine Schaltungsanordnung eingangs genannter Art, die als Stabilisierungsstufe arbeitet, ermöglicht zwar an dem in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistor die Abnahme einer stabilisierten Ausgangsspannung, Jedoch ist auch diese abhängig von Speisespannungsschwankungen noch relativ großen Schwankungen unterworfen, die eine Anwendung als Referenzspannung in integrierten Schaltungen nicht gestatten.
  • Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die eine hochkonstante Spannung abgibt, welche auch als Referenzspannung für die vorstehend aufgezeigten Erfordernisse in integrierten Schaltungen eingesetzt werden kann.
  • Eine Schaltungsanordnung eingangs genannter Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß die stabilisierte Spannung als Steuerspannung einer die Konstantspannung abgebenden Anordnung mit mindestens einer weiteren Stabilisierungsstufe genannter Art zugeführt ist, deren Vorwiderstand aus einem über einen ohmschen Widerstand in Stromgegenkopplung betriebenen, durch die Steuerspannung angesteuerten MOS-Feldeffekttransistor gebildet ist, der zu dem Jeweiligen in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeifekttransistor komplementär ist, und daß die weiteren Stabilisierungsstufen so hintereinandergeschaltet sind, daß ihre Jeweilige Ausgangsspannung die Steuerspannung der Jeweils folgenden bzw. die Konstantspannung ist.
  • Durch die Erfindung ist es möglich, eine hochkonstante Spannung auch bei vergleichsweise geringer Speisespannung zu erzeugen und die dazu erforderliche Schaltung auch in komplexen integrierten Schaltungen zu integrieren. Wie noch gezeigt wird, ist bereits bei Verwendung nur einer weiteren Stabilisierungsstufe eine wesentliche Verbesserung der Konstanz der abgegebenen Ausgangsspannung möglich, und bei Verwendung von nur zwei oder drei weiteren Stabilisierungsstufen können alle Anforderungen, die an eine zur Regelung in integrierten Schaltungen geeignete Konstantspannung gestellt werden, erfüllt werden.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in einem Stromzweig, der einen in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistor und einen damit in Reihe geschalteten, in Stromgegenkopplung betriebenen, zu ihm komplementären MOS-Feldeffekttransistor enthält, eine Wechselwirkung zwischen der den gegengekoppelten Transistor ansteuernden Spannung einerseits und der an dem in der Sättigung betriebenen Transistor abgegriffenen Ausgangsspannung andererseits derart besteht, daß eine Schwankung der steuernden Spannung eine viel geringere Schwankung der Ausgangsspannung zur Folge hat. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Kennlinien des Source-Drainstroms in Abhängigkeit von der am Jeweiligen Gate anliegenden Spannung infolge der unterschiedlichen Betriebsweise der beiden Transistoren in unterschiedlichen Bereichen liegen und somit einen unterschiedlichen Anstieg aufweisen. Wenn nun eine Steuerspannungänderung an dem in der Gegenkopplung betriebenen Transistor eine Stromänderung erzeugt, so wird durch diese Stromänderung an dem zu derselben Stabilisierungsstufe gehörenden, in der Sättigung betriebenen Transistor eine Spannungsänderung erzeugt, die infolge der steileren Charakteristik des in der Sättigung betriebenen Transistors viel geringer ist als die Steuerspannungsänderung. Wenn dieses Prinzip durch Hinzufügung weiterer Stabilisierungsstufen mehrmals angewendet wird, so läßt sich eine beliebige Konstanthaltung der letztlich erzielten Ausgangsspannung gegenüber Speisespannungsschwankungen erzielen, wobei die Konstantspannung innerhalb der Speisespannung liegt.
  • Die Zahl der für eine vorgegebene Spannungskonstanz erforderlichen Stabilisierungsstufen kann dadurch verringert werden, daß die ohmschen Widerstände der weiteren Stabilisierungsstufen mit der Stufenzahl zunehmende Widerstandswerte aufweisen. Dadurch wird gewährleistet, daß die Charakteristik des Source-Drainstroms des Jeweiligen gegengekoppelten Transistors unterhalb derJenigen des entsprechenden Transistors der vorhergehenden Stabilisierungsstufe liegt. Bei der Wechselwirkung zwischen dem Jeweiligen gegengekoppelten und dem ihm zugehörigen, in der Sättigung betriebenen Transistor wird dann ein mit der Zahl der Stabilisierungsstufen zunehmender Unterschied der Steilheit der Jeweiligen beiden Charakteristiken auegenutzt.
  • Ebenso ist es aber auch möglich, einen entsprechenden Effekt dadurch zu erzielen, daß die weiteren Stabilisierungsstufen mit der Stufenzahl abnehmende Innenwiderstandswerte ihrer MOS-Feldeffekttransi storen aufweisen.
  • Auch kann diese Art der Veränderung der Geometrie der Transistoren mit dem Prinzip der mit den Stabilisierungastuien zunehmenden Widerstandswerte kombiniert werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die letzte weitere Stabilisierungsstufe einen in der Sättigung betriebenen ?s-Feldeffekttransistor mit gegenüber dem Innenwiderstand des mit ihm in Reihe geschalteten MOS-Feldeffekttransistors höherem Innenwiderstand aufweist. Dadurch wird der Vorteil erzielt, daß die Ausgangsspannung der Gesamtanordnung an einem Transistor abgegriffen wird, dessen Source-Drainstromcharakteristik zu höheren Spannungswerten hin verschoben ist, als sie für einen entsprechenden Bereich der Charakteristiken der übrigen Transistoren in Betracht kommen. Wird eine mit dem zugehörigen gegengekoppelten Transistor durch eine Steuerspannungsänderung erzeugte Stromänderung auf diesen Ausgangstransistor übertragen, so entspricht dem diesen Transistor durchfließenden mittleren Strom eine höhere, am Transistor abfallende Spannung, als es bei den Transistoren mit geringerem Innenwiderstand der Fall ist. Der Absolutwert der letztlich erzielten Konstantspannung kann also durch einen Ausgangatransistor mit höherem Innenwiderstand zu höheren Spannungswerten hin verschoben werden, ohne daß dabei die Stabilisierungseigenschaften der übrigen Stabilisierungsstufen beeinträchtigt werden.
  • Durch die gemäß der Erfindung vorgesehene Kettenschaltung von Stabilisierungsatufen, die Jeweils zueinander komplementäre Transistoren enthalten, von denen einer eine Ausgangsspannung liefert, die als Steuerspannung für den gegengekoppelten Transistor der nächstfolgenden Stabilisierungsstufe dient, ergibt sich ein Wechsel der Leitfähigkeitstypen einander entsprechender Transistoren zwischen den aufeinander folgenden Stabilisierungsstufen.
  • Damit ist auch ein Wechsel der Jeweiligen Ausgangsspannung derart verbunden, daß sie einerseits auf das Speisespannungspotential, andererseits auf das Bezugspotential der Speisespannung bezogen sein kann. Ist nun eine solche Anzahl von Stabilisierungsstufen vorhanden, daß die letzte Stabilisierungsstufe eine Ausgangsspannung abgibt, die z.B. auf das Speisespannungspotential bezogen ist und soll diese Ausgangsspannung Jedoch auf das Bezugspotential bezogen sein, so kann die Schaltungsanordnung nach der Erfindung zweckmäßig derart weiter ausgebildet sein, daß eine gegebenenfalls an einem direkt mit dem Speisespannungspotential verbundenen MOS-Feldeffekttransistor abgegriffene Konstantspannung als Steuerspannung einem zusätzlichen Stromzweig zugeführt ist, der die Reihenschaltung eines mit dem Speisespannungapotential verbundenen, mit der Steuerspannung gesteuerten MOS-Feldeffekttransistors und eines dazu komplementären, mit dem Bezugspotential verbundenen und in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistors aufweist, an dem eine mit Bezugspotential verbundene Konstantspannung abgreifbar ist.
  • Ausführungsbeispiele einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit einem nachgeschalteten Stromzweig zur Änderung des Bezugspotentials für die Konstantspannung, Fig. 2 eine Kennliniendarstellung zur Erläuterung der Stabilisierungsfunktion einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung, Fig. 3 eine weitere Kennliniendarstellung zur Erläuterung der Funktion eines anderen Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung und Fig. 4 eine weitere Kennliniendarstellung zur Erläuterung der Funktion eines dritten Ausführungsbeispiels einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung.
  • In Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung dargestellt, deren kettenartiger, aus einzelnen Stufen gebildeter Aufbau durch gestrichelte senkrechte Linien angedeutet ist. Die einzelnen Schaltungsstufen bilden Stromzweige, die zueinander parallel an eine Speisespannung VD angeschaltet sind. Die erste Stufe ist durch die Reihenschaltung eines Vorwiderstandes R7 und eines in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistors T1 gebildet. Durch diese Reihenschaltung fließt ein Strom J1. Der Sättigungsbetrieb des Transistors T1 wird dadurch hervorgerufen, daß sein Gate mit dem Drainanschluß verbunden ist.
  • Diese erste Schaltungsstufe wird in integrierten Schaltungen zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Sie hat die Eigenschaft, zwischen Drain und Source des MOS-Feldeffekttransistors T1 eine Ausgangsspannung V1 abzugeben, deren Anderung bei entsprechender Änderung der Speisespannung VD kleiner als diese ist, so daß ein Stabilisierungseffekt auftritt. Dieser ist um so höher, Je grösser der Vorwiderstand R1, Je größer der Stromfaktor des MOS-Feldeffekttransistors T1 ist und Je niederohmiger der Transistor aufgrund der Geometrie süngelegt worden ist.
  • Die Anwendung dieser ersten Stabilisie{rung'sstufe in integrierten Schaltungen führt Jedoch bei erhöhten Anforderungen an die Stabilisierung zu Schwierigkeiten, denn in integrierten Schaltkreisen können gegenwärtig nur Widerstände mit Werten bis zu einigen 100 kOhm realisiert werden, und ferner tritt mit abnehmendem Vorwiderstandswert ein immer stärkerer Durchgriff einer Speisespannungsschwankung auf die Spannung V7 auf. Der Einsatz der ersten Stabilisierun sstufe führt also gerade in den Fällen, die eingangs uptanwendungsarten stabilisierter Spannungen erläutert wurden, zu erheblichen Nachteilen, so daß die in Fig. 1 gezeigte erste Stabilisierungsatufe insbesondere in integrierten Schaltungen keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefert.
  • Die Erfindung sieht nun weitere Stabilisierungsstufen vor, die kettenartig hintereinandergeschaltet, mit ihren Stromzweigen Jedoch zueinander parallel geschaltet sind. Jede derartige weitere Stabilisierungsstufe ist ähnlich wie die erste Stabilisierungsstufe aufgebaut, enthält Jedoch als Vorwiderstand die Reihenschaltung eines MOS-Feldeffekttransistors und eines ohmschen Widerstandes. So ist beispielsweise ein in der Sättigung betriebener MOS-Feldeffekttransistor T3 vorgesehen, der mit einem weiteren, durch die Spannung V1 angesteuerten MOS-Feldeffekttransistor T2 und einem ohmschen Widerstand R2 in Reihe geschaltet ist.
  • Die Ausgangsspannung V1 der ersten Stabilisierungsstufe, also die den Transistor T2 ansteuernde Spannung, entspricht der Suinme aus der Gate-Source-Spannung V2 des Transistors T2 und der am ohmschen Widerstand R2 abfallenden Spannung VR. In dem mit dieser Reihenschaltung gebildeten Stromzweig fließt ein Strom J2. Bezüglich seiner Steuerspannung V1 befindet sich der Transistor T2 im Zustand der Stromgegenkopplung, da er über den Widerstand R2 mit dem Bezugspotential verbunden ist.
  • Die MOS-Feldeffekttransistoren T2 und T3 sind zueinander komplementär, d.h. im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Transistor T2 ein N-Kanal-Transistor und der Transistor T3 ein P-Kanal-Transistor. FUr eine negative Speisespannung VD wären die entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen erforderlich.
  • Der MOS-Feldeffekttransistor T3 weist zwischen seinem Gate und seinem Drainanschluß eine Verbindung auf, so daß er in der Sättigung betrieben wird. An ihm fällt eine Spannung V3 ab, die Ausgangsspannung der hier beschriebenen Stabilisierungasture ist und gleichzeitig als Steuerspannung für eine weitere Stabilisierungsstufe dienen kann. Ebenso ist es Jedoch auch möglich, die Spannung V3 bereits als Konstantspannung zu verwenden, sofern keine erhöhten Anforderungen an die weitere Stabilisierung gestellt werden.
  • Die SubstratanschlUsse der Transistoren T1, T2 und T3 sind mit dem Jeweiligen Sourceanschluß verbunden, um einen sogenannten Substrat-Steuereffekt zu vermeiden.
  • In Fig. 1 sind zwei weitere Stabilisierungastufen dargestellt, die Jeweils die Reihenschaltung zweier Transistoren T4 und T5 bzw. T6 und T7 sowie eines ohmschen Widerstandes R3 bzw. R4 enthalten. Der Aufbau ist gleichartig mit dem Aufbau der zuvor beschriebenen zweiten Stabilisierungastufe, und in den durch die zweite und dritte Stabilisierungsstufe gebildeten Stromzweigen fließen die Ströme J3 und J4. Durch die zueinander Jeweils komplementären Transistoren ergibt sich abwechselnd eine Verbindung des Jeweiligen Gegenkopplungswiderstandes R3 bzw. R4 mit dem Speisespannungspotential bzw. mit dem Bezugspotential.
  • Die so gebildete Gesamtschaltung ist ersichtlich in CMOS-Technologie aufgebaut.
  • Bei der in Fig. 1 gezeigten Kettenschaltung mehrerer Stabilisierungsstufen liefert der Jeweilige in der Sättigung betriebene Transistor T3, T5, T7 eine Ausgangsspannung V3, V5, V7, die in beschriebener Weise als Steuerspannung für die Jeweilige nächstfolgende Stufe bzw. den darin enthaltenen gegengekoppelten Transistor T4 bzw. T6 dient.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Anzahl von Stabilisierungsstufen ergibt sich dadurch an dem MOS-Feldeffekttransistor T7 eine Spannung V7, die gegen die Speisespannung stabilisiert ist. Dies kann für viele Anwendungsfälle unerwünscht sein, so daß eine Umsetzung der Spannung V7 derart erforderlich wird, daß die stabilisierte Spannung gegen das Bezugspotential stabilisiert ist. Ein hierzu geeigneter Stromzweig ist in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel den Stabilisierungsstufen nachgeschaltet und enthält zwei MOS-Feldeffekttransistoren T8 und T9, die zueinander komplementär sind. Der Transistor T9 hat zwischen seinem Gate und seinem Drainanschluß eine Verbindung, so daß er in der Sättigung betrieben wird, der Transistor T8 ist direkt mit dem positiven Speisespannungspotential verbunden.
  • Auf diese Weise erscheint am Transistor T9 eine Spannung V7', die die Ausgangs spannung der Gesamtanordnung darstellt und gegen das Bezugspotential stabilisiert ist.
  • In Fig. 1 ist ferner die Möglichkeit der Anwendung weiterer Stabilisierungsstufen zwischen der vierten Stabilisierungsstufe und der Umsetzungsstufe mit den Transistoren T8 und T9 durch gestrichelte Verbindungen angedeutet.
  • Im folgenden wird anhand der in Fig. 2 dargestellten charakteristischen Kennlinien der mit einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung erzielte Stabilisierungseffekt näher erläutert. Hierzu sei angenommen, daß alle Transistoren T1 bis T7 übereinstimmende Kennlinien ihres Source-Drainstroms in Abhängigkeit von der Jeweiligen Gate-Sourcespannung besitzen. Dann ergeben sich bei der in Fig. 2 gewählten logarithmischen Darstellung der Ströme in Abhängigkeit von der Jeweiligen Steuerspannung zwei Charakteristiken, die infolge der Stromgegenkopplung einiger Transistoren in unterschiedlichen Strombereichen liegen und einen unterschiedlichen Anstieg aufweisen. So haben die Transistoren T1, T3, T5 und T7 z.B. die obere Charakteristik log J = f (VGs) T1, 3, 5, 7 und die Transistoren T2, T4 und T6 die Charakteristik log J - f (VGS + VR)T2, 4, 6 Dies gilt unter der Voraussetzung, daß außer gleichartigen Transistoren auch übereinstimmende Widerstände R2, R3 und R4 vorgesehen sind, Tritt nun eine Speisespannungsänderung auf, so bewirkt diese eine Stromänderung J1 in der ersten Stabilisierungsstufe, die an der in Fig. 2 gezeigten oberen Charakteristik in eine entsprechende Änderung ß V1 der Gate-Source-Spannung des Transistors T1 umgesetzt wird.
  • Diese Anderung (1V7 ist bereits kleiner als die Speisespannungsänderung, wie zuvor bereits erläutert wurde. Da die Spannung V1 als Steuerspannung für den Transistor T2 der zweiten Stabilisierungsstufe dient, bewirkt die Spannungsänderung a V1 an der in Fig. 2 gezeigten unteren Charakteristik, die voraussetzungsgemäß auch für den Transistor T2 gilt, eine Stromänderung # J2. Da der Strom J2 auch durch den in der Sättigung befindlichen Transistor T3 fließt, bewirkt eine Stromänderung dJ2 gemäß der in Fig. 2 gezeigten oberen Charakteristik für diesen nicht gegengekoppelten Transistor eine Spannungsänderung a V3, die bereits wesentlich kleiner als die Spannungsänderung # V1 ist. Die Spannung V3, die an dem MOS-Feldeffekttransistor T3 als Ausgangsspannung der zweiten Stabilisierungsstufe auftritt, ist also gegenüber der Speisespannung VD wesentlich besser stabilisiert als die Spannung V1. Aus Fig. 2 ist nun zu ersehen, in welcher Weise diese Stabilisierung durch die weiteren Stabilisierungsitufen mit den Transistoren T4 und T5 sowie T6 und T7 noch weiter verbessert werden kann, so daß sich schließlich eine Spannungsänderung AV7 ergibt, die einen außerordentlich guten Stabilisierungsgrad aufweist.
  • In Fig. 3 ist anhand von charakteristischen Kennlinien ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem nur fünf Transistoren vorgesehen sind, so daß sich ein Aufbau analog den in Fig. 1 gezeigten ersten drei Stabilisierungsstufen ergibt, wobei die Spannung V5 dann die konstante Ausgangsspannung der Gesamtanordnung darstellt. In Fig. 3 sind für die Transistoren Tl und T3 einerseits und für den Transistor T2 andererseits zwei gegeneinander versetzte und unterschiedlich steile Kennlinien dargestellt, die den beiden bereits in Fig. 2 gezeigten Kennlinien entsprechen. Nun sei aber vorausgesetzt, daß der Widerstand R3 größer als der Widerstand R2 ist, so daß die dritte Stabilisierungsstufe einen gegengekoppelten Transistor T4 enthält, dessen Kennlinie gegenüber den beiden zuvor beschriebenen weiter zu kleineren Stromwerten hin versetzt ist und eine geringere Steigung als die anderen hat. Diese Kennlinie ist in Fig.3 die Kurve log J - f (VGs + VR)T4 In Fig. 3 ist ferner eine weitere Kennlinie log J I f (VGs)T5 für den mit dem Transitor T4 in Reihe geschalteten Transistor T5 dargestellt. Der durch diese Charakteristik gezeigte Unterschied gegenüber den übrigen in der Sättigung betriebenen Transistoren T1 und T3 kann dadurch herbeigeführt werden, daß die Geometrie des Transistors T5 gegenüber derJenigen der übrigen Transistoren so bemessen ist, daß z.B. sein sogenanntes W/L-Verhältnis, also das Verhältnis zwischen der Kanalbreite W und der Kanallänge L dieses MOS-Feldeffekttransistors, größer als der entsprechende Wert der anderen Transistoren ist.
  • Wie noch gezeigt wird, läßt eich durch mit der Stufenzahl ansteigende Werte der Gegenkopplungswiderstände und/oder durch die beschriebene Anderung der Geometrie von MOS-Feldeffekttransistoren eine bedeutende Verbesserung der Stabilisierungswirkung erzielen, so daß dadurch gegebenenfalls Stabilisierungsstufen eingespart werden können.
  • Der Stabilisierungseffekt des in Fig. 3 dargestellten Prinzips läßt sich ohne weiteres erkennen: eine Speisespannungsänderung bewirkt eine Stromänderung ÇJ1 in der ersten Stabilisierungsstufe, wodurch eine SpannungsänderungaVl auftritt. Diese bewirkt an dem gegengekoppelten Transistor T2 eine Stromänderung a J2 gemäß der Charakteristik log J I f (VGS + VR)T2 und damit eine Spannungsänderung aV3 am Transistor T3 gemäß der oberen in Fig. 3 gezeigten Charakteristik. Da nun der Widerstand R3 größer als der Widerstand R2 ist, ergibt sich für den Transistor T4 die in Fig. 3 gezeigte untere Charakteristik log J s f (VGS + VR)T4, die einen geringeren Anstieg als die beiden erstgenannten Kurven hat. Die Spannungsänderung ßV3 bewirkt somit an dem Transistor T4 eine sehr geringfügige Stromänderung aJ3. Infolge der sehr steilen Charakteristik des Transistors T5 ergibt sich bei dieser Stromänderung aJ3 eine äußerst geringe Spannungsänderung V5 am Transistor T5. Die so stabilisierte Konstantspannung V5, die am Transistor T5 abgegriffen werden kann, ist in Fig. 3 gleichfalls als Abszissenwert dargestellt.
  • Somit ist zu erkennen, daß einerseits durch stufenweise ansteigende Werte der Gegenkopplungswiderstände, andererseits durch eine Änderung der Geometrie der MOS-Feldeffekttransistoren gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten Prinzip eine wesentliche Verbesserung des Stabilisierungsgrades erzielt werden kann. Diese ist allerdings mit einer relativ geringen Konstantspannung verbunden, wie es der Wert V5 für das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel erkennen läßt. Man kann nun eine größere Konstantspannung erzielen, ohne die vorteilhaften Stabilisierungseigenschaften zu verschlechtern, wenn z.B. der die konstante Ausgangsspannung abgebende Transistor, in dem gewählten AusfUhrungsbeispiel also der Transistor T5, einen höheren Innenwiderstand als die übrigen Transistoren hat. In diesem Fall ergibt sich eine Verteilung der charakteristischen Kennlinien gemäß Fig. 4, wobei zu erkennen ist, daß die Charakteristik log J I f (VGs)T5 des Transistors T5 gegenüber der Darstellung nach Fig. 3 zu höheren Spannungswerten hin verschoben ist. Dadurch ergibt sich eine Lage der Spannungsänderung a V5, die bereits anhand der Fig. 3 beschrieben wurde, in Fig. 4 bei höheren Spannungswerten, womit natürlich auch eine höhere konstante Ausgangsspannung V5 verbunden ist, wie es Fig. 4 an der Abszisse zeigt.
  • Eine Kombination der beschriebenen Möglichkeiten der Kennlinienverschiebung durch geeignete Bemessung der Geometrie der MOS-Feldeffekttransistoren mit der Absenkung von Kennlinien mit Hilfe von Widerständen, insbesondere mit in Reihenfolge der Stabilisierungsstufen ansteigenden Widerstandswerten, führt also zu den besten Stabilisierungseigenschaften, so daß bei z.B. insgesamt drei Stabilisierungastufen eine für die meisten Anforderungen ausreichende Stabilisierung erreicht wird.
  • Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann sehr vorteilhaft in integrierter CMOS-Technologie aufgebaut werden, da Jede Stabilisierungsstufe zueinander komplementäre MOS-Feldeffekttransistoren enthält. Die Gegenkopplungswiderstände können dabei durch dotierte Bereiche des Halbleitersubstrats realisiert werden. Soll die Schaltung in der sogenannten Silicium-Gate-Technologie verwirklicht werden, so kann für die Widerstände polykristallines Silicium verwendet werden.
  • Die bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehenen Verbindungen der Substratanschlüsse mit den Sourceanschlüssen sind nicht zwingend. Ebenso können die Substratanschlüsse der gegengekoppelten Transistoren T2, T4 und T6 z.B. auch mit dem Bezugspotential verbunden sein.
  • Ein wesentlicher Vorteil einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung besteht darin, daß die Stromwerte in den einzelnen Stromzweigen sehr gering gehalten werden können, so daß sie wesentlich kleiner als Speiseströme für integrierte Schaltungen anderer Art sind. Dadurch kann eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung ohne wesentlich erhöhte Belastung der Stromversorgung z.B. als Referenzspannungsquelle für die Regelung der Speisespannung integrierter Schaltungen eingesetzt werden.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Ausgangsspannung einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung praktisch der Schwellenspannung des Ausgangstransistors entspricht, an dem sie abgegriffen wird. Dies erweist sich als günstig bei der Regelung der Speisespannung für integrierte CMOS-Schaltungen auf einen Wert, der der Summe der Schwellenspannungen der darin vorhandenen P-Kanal-Transistoren und N-Kanal-Transistoren entspricht.
  • Besonders ein in einer parallelen Patentanmeldung (Anwaltsakte 1E2 1277D) beschriebenes Regelprinzip wird dadurch in wesentlich verbesserter Form weitergebildet.

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung in integrierter MOS-Technik zur Abgabe einer von Speisespannungsschwankungen weitgehend unabhängigen Konstantspannung insbesondere als Referenzspannung für integrierte Schaltungen, mit einer Stabilisierungsstufe, die einen an die Speisespannung angeschalteten, einen über einen Vorwiderstand in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistor aufweisenden Stromzweig enthält, wobei an dem MOS-Feldeffekttransistor eine gegenüber der Speisespannung stabilisierte Ausgangsspannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Spannung (V1) als Steuerspannung einer die Konstantspannung abgebenden Anordnung mit mindestens einer weiteren Stabilisierungastufe genannter Art zugeführt ist, deren Vorwiderstand aus einem über einen ohmschen Widerstand (R2, R3, R4) in Stromgegenkopplung betriebenen, durch die Steuerspannung angesteuerten MOS-Feldeffekttransistor (T2, T4, T6) gebildet ist, der zu dem Jeweiligen in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistor (T3, T5, T7) komplementär ist, und daß die weiteren Stabilisierungsstufen so hintereinandergeschaltet sind, daß ihre Jeweilige Ausgangsspannung (V3, V5, V7) die Steuerspannung der Jeweils folgenden bzw. die Konstantspannung (V7) ist.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmschen Widerstände (R2, R3, R4) der weiteren Stabilisierungsstufen mit der Stufenzahl zunehmende Widerstandswerte aufweisen.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Stabilisierungsstufen mit der Stufenzahl abnehmende Innenwiderstandswerte ihrer MOS-Feldeffekttransistoren (T2 bis T7) aufweisen.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte weitere Stabilisierungsstufe einen in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistor (T7) mit gegenüber dem Innenwiderstand des mit ihm in Reihe geschalteten MOS-Feldeffekttransistor (T6) höherem Innenwiderstand aufweist.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegebenenfalls an einem direkt mit dem Speisespannungspotential verbundenen MOS-Feldeffekttransistor (T7) abgegriffene Konstantspannung (V7) als Steuerspannung einem zusätzlichen Stromzweig zugeführt ist, der die Reihenschaltung eines mit dem Speisespannungspotential verbundenen, mit der Steuerspannung (V7) gesteuerten MOS-Feldeffekttransistor (T8) und eines dazu komplementären, mit dem Bezugspotential verbundenen und in der Sättigung betriebenen MOS-Feldeffekttransistors (T9) aufweist, an dem eine gegen Bezugspotential stabilisierte Konstantspannung (V7') abgreifbar ist.
DE19772708022 1977-02-24 1977-02-24 Schaltungsanordnung in integrierter MOS-Technik zur Abgabe einer Konstantspannung Expired DE2708022C3 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19772708022 DE2708022C3 (de) 1977-02-24 1977-02-24 Schaltungsanordnung in integrierter MOS-Technik zur Abgabe einer Konstantspannung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19772708022 DE2708022C3 (de) 1977-02-24 1977-02-24 Schaltungsanordnung in integrierter MOS-Technik zur Abgabe einer Konstantspannung

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2708022A1 true DE2708022A1 (de) 1978-08-31
DE2708022B2 DE2708022B2 (de) 1979-05-17
DE2708022C3 DE2708022C3 (de) 1980-01-10

Family

ID=6002071

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19772708022 Expired DE2708022C3 (de) 1977-02-24 1977-02-24 Schaltungsanordnung in integrierter MOS-Technik zur Abgabe einer Konstantspannung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE2708022C3 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4454467A (en) * 1981-07-31 1984-06-12 Hitachi, Ltd. Reference voltage generator
EP0279345B1 (de) * 1987-02-19 1991-04-24 EM Microelectronic-Marin SA Einrichtung mit Elektronikschaltung für Analogsignalverarbeitung
US5936392A (en) * 1997-05-06 1999-08-10 Vlsi Technology, Inc. Current source, reference voltage generator, method of defining a PTAT current source, and method of providing a temperature compensated reference voltage

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5890177A (ja) * 1981-11-25 1983-05-28 Toshiba Corp 基準電圧回路
IT1204375B (it) * 1986-06-03 1989-03-01 Sgs Microelettronica Spa Generatore di polarizzazione di sorgenti per transistori naturali in circuiti integrati digitali in tecnologia mos

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4454467A (en) * 1981-07-31 1984-06-12 Hitachi, Ltd. Reference voltage generator
EP0279345B1 (de) * 1987-02-19 1991-04-24 EM Microelectronic-Marin SA Einrichtung mit Elektronikschaltung für Analogsignalverarbeitung
US5936392A (en) * 1997-05-06 1999-08-10 Vlsi Technology, Inc. Current source, reference voltage generator, method of defining a PTAT current source, and method of providing a temperature compensated reference voltage

Also Published As

Publication number Publication date
DE2708022C3 (de) 1980-01-10
DE2708022B2 (de) 1979-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69530905T2 (de) Schaltung und Verfahren zur Spannungsregelung
DE4420041C2 (de) Konstantspannungs-Erzeugungsvorrichtung
EP0483537B1 (de) Stromquellenschaltung
DE2855303C2 (de)
DE2921037A1 (de) Hochspannungsschaltung fuer isolierschicht-feldeffekttransistoren
DE2641860A1 (de) Integrierte stromversorgungsschaltung
DE2254618A1 (de) Schaltungsanordnung zur referenzspannungserzeugung
DE69214010T2 (de) Ansteuerschaltung für einen Leistungstransistor mit dem Basisstrom als gegebene Funktion des Kollektorstromes
DE2639790C3 (de) Schaltungsanordnung zur Lieferung konstanten Stroms
DE2337138A1 (de) Verstaerkerschaltung
DE69815289T2 (de) Spannungsreglerschaltungen und halbleiterschaltung
DE2845761A1 (de) Schaltungsanordnung
DE3323446A1 (de) Eingangssignalpegelwandler fuer eine mos-digitalschaltung
DE102004062357A1 (de) Versorgungsschaltung zur Erzeugung eines Referenzstroms mit vorgebbarer Temperaturabhängigkeit
DE2250625A1 (de) Stromregler
DE2708022A1 (de) Schaltungsanordnung in integrierter mos-technik zur abgabe einer konstantspannung
DE3528550A1 (de) Logischer stromumschaltkreis
DE69005649T2 (de) Spannungsgeneratorschaltung.
DE69001185T2 (de) Regelbarer Widerstand in MOS-Technik.
DE3209241A1 (de) Elektronischer geschwindigkeitsregler fuer gleichstrommotor
EP0604485B1 (de) Vorrichtung zur erzeugung von zwischenspannungen
DE2328634A1 (de) Elektronische zeitgeberschaltung
DE112021005632T5 (de) Low-dropout-regler mit begrenzung des einschaltstroms
DE10223562B4 (de) Integrierte Schaltungsanordnung mit einer kaskodierten Stromquelle und einer Einstellschaltung zur Einstellung des Arbeitspunkts der kaskodierten Stromquelle
DE4129334A1 (de) Praezisions-mos-widerstand

Legal Events

Date Code Title Description
OAP Request for examination filed
OD Request for examination
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: EUROSIL ELECTRONIC GMBH, 8057 ECHING, DE

8339 Ceased/non-payment of the annual fee