DE2912567A1 - Bezugsspannungsschaltung - Google Patents
BezugsspannungsschaltungInfo
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Description
-z-
Be zugs spannungs s chaltung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bezugsspannungsschaltung
mit einem Stromkreis, Mitteln zum Erzeugen eines stabilisierten Stromes mit positivem Temperaturkoeffizienten in
diesem Stromkreis und einem Halbleiterübergang, der in der
Durchlaßrichtung und in Reihe mit einem Widerstand in diesem Stromkreis angeordnet ist, wobei der Widerstandswert dieses
Widerstandes in bezug auf den Wert dieses stabilisierten Stromes derart gewählt ist, daß, wenn die genannte Reihenschaltung
des Halbleiterübergangs und des ersten Widerstandes von diesem stabilisierten Strom durchlaufen wird, die Spannung
über dieser Reihenschaltung in hohem Maße temperaturunabhängig ist.
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
PHN 9088 - 3 -
909842/0709
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 η Dioden und ein Widerstand mit einem η 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.
Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Spannungsstabilisierungsschaltung
der eingangs genannten Art anzugeben, mit der Spannungen, die niedriger als die Bandspannung oder als
ganze Vielfache der Bandspannung sind, erhalten werden können, und ist dazu dadurch gekennzeichnet,daß in dem
Stromkreis parallel zu der Reihenschaltung ein zweiter Widerstand angeordnet ist, der einen Widerstandswert aufweist,
bei dem die Spannung über der Parallelschaltung des zweiten Widerstandes und der Reihenschaltung höher als die
Schwellwertspannung des Halbleiterübergangs ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß indem dieser zweite Widerstand parallelgeschaltet wird, der Strom durch
PHN 9088 509842/0709 / "*"
diese Reihenschaltung zwar abnimmt, aber daß dabei die Stromverteilung
über diesen zweiten Widerstand und diese Reihenschaltung als Punktion 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
zeigen
Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Bezugsspannungsschaltung
nach der Erfindung, und
Fig. 2 eine Ausführungsform einer Bezugsspannungsschaltung
Fig. 2 eine Ausführungsform einer Bezugsspannungsschaltung
nach der Erfindun
PHN 9088
PHN 9088
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
liefert, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die Absoluttemperatur,
q den Absolutwert der Ladung des Elektrons, R ein«
Widerstandswert und η eine Konstante darstellen.
Wenn der Widerstand 2 fehlt, wie bei den bekannten Schaltungen,
gilt für die Spannung VQ über der Reihenschaltung:
Vo - IR1 + Vbe <1>·
wobei.R^ den Wert des Widerstarides 1 und V^6 die Spannung
über der Diode 3 darstellen.
In der in der Beschreibungseinleitung genannten Veröffentlichung ist ein Ausdruck für die Temperaturabhängigkeit von
Vbe gegeben. Mit Hilfe dieses Ausdrucks wird £ir den Temperaturkoeffizienten von Vbe gefunden:
dYbe _ Vbe"Vg *} k kT 1 dl
^" ~ £ q + "q T S
wobei V die Bandspannung des für die Diode 3 verwendeten
Halbleitermaterials bei 0 K und Vp einen von dem Halbleitermaterial abhängigen Parameter darstellen.
Iff - x <T ". *>
PHN 9088 909842/0709
PHN 9088 909842/0709
wobei OC den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R (und
des Widerstandes 1) darstellt.
dV
Eine Auflösung der Gleichung -^- = O ergibt:
Eine Auflösung der Gleichung -^- = O ergibt:
IR1 - Vg * Vbe + ψ
Wenn R1 für eine bestimmte Bezugstemperatur T=T derart
gewählt wird, daß die Bedingung (4) erfüllt wird, gilt für V
kT
Für Silizium gilt, daß V = 1,205 V ist. Weiter kann für C
der Wert 1,4 und bei integrierten Widerständen für c* der
Wert 0,002/K substituiert werden.
Wenn für die Bezugstemperatur TQ = 300 K gewählt wird, gilt
für VQ bei T = TQ:
V0 = 1,205 V + 0,026 V.
Die Spannung von 1,205 V ist temperaturunabhängig, während
die Temperaturabhängigkeit des Terms, der bei T=T 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 R2
zu der Reihenschaltung des Widerstandes 1 und der Diode 3 parallelgeschaltet wird, gilt für VQ:
V0 = (I - I1) R2 (6),
wobei I1 denjenigen Teil des Stromes I darstellt, der den
Widerstand 1 und die Diode 3 durchfließt.
dV
Wenn im Ausdruck (6) -^- = 0 gesetzt wird, wird für die
Wenn im Ausdruck (6) -^- = 0 gesetzt wird, wird für die
9088 909842/0709 " 7 "
- 7 Temperaturabhängigkeit des Stromes I1 erhalten:
= I - I1 Of (7).
gilt auch:
Vo=I1R1+Vbe
dV
Wenn im Ausdruck (8) -^- = 0 gesetzt wird, wobei der Aus-
Wenn im Ausdruck (8) -^- = 0 gesetzt wird, wobei der Aus-
dIi dl
druck· (2) (mit -^r- statt 4~)und der Ausdruck (7) substituiert werden, wird als Bedingung für Temperaturunabhängigkeit von V0 erhalten:
druck· (2) (mit -^r- statt 4~)und der Ausdruck (7) substituiert werden, wird als Bedingung für Temperaturunabhängigkeit von V0 erhalten:
Diese Bedingung ist bis auf eine vernachlässigbare Abweichung — (1 - i- ) gleich dem Ausdruck (4). Diese Abweichung ist
vernachlässigbar, solange I^ 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 ist (ohne Widerstand 2), diese Reihenschaltung mit einem
Parallelwiderstand 2 belastet werden kann, wodurch die Spannung V abnimmt, ihre Temperaturunabhängigkeit jedoch
erhalten bleibt.
Unter Vernachlässigung der Tenne ~(^7-1+0tT) und
~ (1 - J-) gilt für R1 die Bedingung:
und gilt für die Spannung VQ:
PHN 9083 809842/070«
29Ί2567
Wenn der Strom I "bei der Bezugstemperatur T = TQ gleich 1 mA
ist und die Diode derart ist, daß Vbe = 0,7 V ist, folgt
aus dem Ausdruck (10) für R1 ein Wert von 500
Wenn verlangt wird, daß die Spannung VQ gleich 1 V ist, folgt
dabei mit Hilfe des Ausdrucks (11) für R2 ein Wert von 2500/1
Indem für den Widerstand R2 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.
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^
führt, ist über einen Widerstand 7 und Dioden 8 und 9 mit einem positiven Speiseanschlußpunkt 5, der eine Spannung V,.
in bezug auf Erde führt, verbunden. Der Kollektor 19 des Transistors 16, der eine Spannung Vp 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, 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
und dem Erdungspunkt 6 angeordnet ist.
Wenn das Verhältnis zwischen der Spannung V1-V2 über der
Reihenschaltung der Dioden 8 und 9 und des Widerstandes 7 und dem Strom I^ durch diese Reihenschaltung als Gleichstrom-
PHN 9088 - 9 -
909842/0709
widerstand Z1 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 V2
und gilt für die Spannung V3:
Diese Spannung ist von der Speisespannung V1 unabhängig,
wenn I7 davon unabhängig ist.
Wenn der Gleichstromwiderstand des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors 18 in Reihe mit dem Widerstand 12 und der
Diode 13 gleich Zp ist, gilt für den Strom I:
Wenn z.B. Z1 gleich Zp 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 - I3.
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 : η 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 η mal kleiner als die des/Transistors 16 ist, gewählt wird,
und wenn der Wert des Widerstandes 15 gleich RQ ist, gilt für
den Kollektorstrom I des Transistors 18 (wobei verschiedene PHN 9088 909842/07G9 _ iq _
Basisströme vernachlässigt sind):
I = f- in n.
I = f- in n.
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, vie in Fig. 2 dargestellt iat, 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 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 dadurch erhalten werden kann,
daß ρ Dioden in Reihe mit einem Widerstand geschaltet werden, dessen Wert das p-fache des Wertes ist, der zum Erhalten
der Bandspannung V erforderlich wäre. Auch dieses p-fache der Bandspannung V kann dadurch herabgesetzt werden, daß zu
diesen Dioden ein Widerstand parallelgeschaltet wird.
PHN 9088
909842/0709
Claims (2)
- N.V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven/HollandPATENTANSPRÜCHE:Bezugsspannungsschaltung mit einem Stromkreis, Mitteln Erzeugen eines stabilisierten Stromes mit positivem Temperaturkoeffizienten in diesem Stromkreis und einem Halbleiterübergang, der in der Durchlaßrichtung und in Reihe mit einem ersten Widerstand in diesen Stromkreis aufgenommen ist, wobei der Widerstandswert dieses Widerstandes in bezug auf den Wert dieses stabilisierten Stromes derart gewählt ist, daß, wenn die genannte Reihenschaltung des Halbleiterübergangs und des ersten Widerstandes von diesem stabilisierten Strom durchlaufen wird, 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, der einen Widerstandswert aufweist, bei dem die Spannung über der Parallelschaltung des zweiten Widerstandes (2) und der Reihenschaltung (1, 3) höher als die Schwellwertspannung des Halbleiterübergangs (3) ist. «·
- 2. Bezugsspannungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (2) ein Spannungsteiler ist.PHN 9088 - 2 -Ha/eg909842/0709
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