DE3243674A1 - Bezugsspannungsschaltung - Google Patents

Description

TOKYO SH.tBAURA DENKI KAÜüSlllKI KAISHA Kawacaki-shi / Japan
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Bezugsspannungsschaltung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Erzeugen einer* Bezugsspannung.

Gewöhnlich wird eine in eine integrierte Schaltung eingefügte Schaltung zuin Erzeugen einer Bezugs spannung V so ausgeführt, daß sie eine Speisespeinnung V mit Hilfe eines Widerstandes teilt» Bei einer solchen Bezugsspannungserzeugerschaltung ändert sich jedoch die Bezugsspannung V _p bei Schwankungen der Speisespannung V„_, reu cc

Folglich kann in einem weiten Bereich von Speisespannungen keine stabile Bezugsspannung V ^ erzeugt werden.

Es liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine

Schaltung zu schaffen, die innerhalb eines weiten Bereichs

der Speisespannungen in der Lage ist, eine stabile Bezugsspannung bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer Bezugs-, spannungserzeugerschaltung gelöst, welche ein erstes Widerstandselement, das zwischen eine erste Speisespannungsklemme und eine Bezugsspannungskleinme eingefügt ist, ein zweites Widerstandseleitient, das zwischen eine zweite Speisespannungsklcmme und die Bezugsspannungsklemme eingefügt ist, und einen ersten Transistor aufweist, dessen Drainelektrode mit der Bezugsspannungskleinme, dessen Sourceelektrode mit der ersten Speisespannungsklemme und dessen Gatolektrode mit der zweiten Speiscspannungsklemme verbunden sind.

BAD ORIGINAL

Da die Gatoelektrode des MOSFET mit der zweiten Speisespannungsklemme verbunden ist, ändert sich erfindungsgemäß der Widerstand des MOSFET mit Veränderungen der Speisespannung V . Als Folge davon kann die Bezugs-

CC

spannung V _f an der Bezugsspannungsklemme konstant gehalten werden.

Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Fig. 1 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform

der erfindungsgemäßen Bezugsspannungserzeugerschal tung;
15

Fig. 2 bis 5 Schaltbilder eines zweiten bis fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Bezugsspannungserzeugerschaltung.

In der in Fig. 1 gezeigten Bezugsspannungserzeugerschaltung ist ein Widerstand 13 mit dem Widerstandswert R₁ zwischen eine Bezugsspannungsklemme 11 und Masse geschaltet. Ein Widerstand 15 mit dem Widerstandswert R„ liegt zwischen der Bezugsspanriungsklemme 11 und einer Speisespannungsklemme 14. Die Gateelektrode eines Anreicherungs-n-Kanal-MOSFET 16 ist an die Speisespannung sklemme 14 angeschlossen. Die Drainelektrode des MOSFET 16 steht mit der Bezugsspannungsklemme 11, die Sourceelektrode mit Masse in Verbindung. Bei einer Steigerung der Speisespannung V ^ an der Speisespannungs-

CO

klemme 14 um Δ V ist die Stromzunahme Λΐ₀ des Stroms I„ durch den Widerstand 15 gegeben durch Gleichung (1):

= dv /R ...(D

Wenn die Bezugsspannung V „an der Bezugsspannungsklemme 11 unverändert bleiben soll, dann muß die Stromzunahme

BADORIGINAL

Al₁ dos durch den Widerstand 13 fließenden Stroms I.
Null sein. Daraus ergibt sich als Gleichung geschrieben; = 0.

Wenn V - V. ..' > V ~ ist, wobei V, ,, die Schwell spannung des MOSFET 16 ist, befindet sich der MOSPTiT 16 im Triodenbareich. Der durch den MOSFET 16 fließende Strom I₃ ist durch Gleichung (2) gegeben:

...(2) bei JS₁ = .(W/L·) «(έ-μ/t) ...(3)

mit.W: Gatebreite des MOSFET 16,

L: Gatelänge des MOSFET 16,

£: Dielektrizitätskonstate des Gateoxidfilms,

t: Dicke des Gateoxidfilms,

μϊ Oberflächenmobilität des Substrats.

Eine Veränderung JlI₃ im Strom I₃ ist somit durch Gleichung (4) gegeben zu:

Ai₃ = («₃/*v_cc) .Av_oc = P₁-V₁^ ·Λν_οο ....(4)

Die Änderung dl~ dos Stroms I- ist außerdem durch Gleichung (5) gegeben:

Δΐ₀ = Ai₁ + 4ΐ, .".-.. (5)

Aus den Gleichungen (1), (4) und (5) erhält man den
Widerstandswert R„ nach der Gleichung (6):

p- «/,· „

BAD ORIGINAL

Wenn der Widerstandswert R~ des Widerstandes 15 durch die Gleichung (6) vorgegeben ist, kann, wie aus vorangehender Beschreibung deutlich wird, die Bezugsspannung V _f trotz der Änderungen der Speisespannung V unverändert bleiben.

Der Widerstandswert R₁ des Widerstandes 13 ist einzig durch die Bezugsspannung V ~, den Widerstandeswert R_ des Widerstandos 15, die Konstante ^₁ des MOSFJET 16 und seine Schwellspannung V.. nach folgender Überlegung festgelegt:

⁼ <^Vcc - ^Vref^)/R2 "'il^cc ~ ^Vt1> ^Vref -

Außerdem gilt

I₁ = V_ref/_Ri ...<8)

woraus mit den Gleichungen (7) und (8) sich folgende 2b Beziehung ergibt:

■ ^1/R1 ^{= (V}cc - ^Vref^)/(Vref-^R2⁾ ~

£i{^(Vcc - ^Vt1^} - ^Vref^/2J · " ^l9)

Der Wert R₁ des Widerstandes 13 ist aus Gleichung (9) zu bestimmen. Wie oben beschrieben, sind die Werte R₁ und R₂ bei der Bezugsspannungserzcugerschaltung nach Fig. 1 durch die Gleichungen (9) und (6) festgelegt.

3ö Die Bczugsspannung.scrzeugerschaltunfj für ein zweites Aunführuncjisbeiupi.el. nach Fig. 2 unterteile i dot sich von der orrjton nur dadurch, daß any to] Ie der, Widerstand!'.-; 13

BAD ORIGINAL

ein Anreicherungs-n-Kanal-MOSFET 17 getreten ist, dessen Gatelek-trode mit «einer Draineloktrode verbunden ist. Der MOSFET 17 benötigt dabei weniger Raum als der Widerstand 13. Eine Konstante ß₂ des MOiJFET 17 ist eindeutig durch seine Schwe 1.1.spannung V, „, die Bezugsspannung V. _t ,., den Widerstandswert R„ und die Konstante ^₁ des MOSFET 16 bestimmt. Ein Strom I₁, der durch den MOSFET 17 fließt, ist durch Gleichung (10) gegeben:

¹I = ^2 ^(Vref - ^Vt2^)2/2 '...(10)"

Damit erhält man durch Lösen der Gleichungen (7) und (10) die Konstante |3>₂ gemäß:

fS₂ = &/v_ref - v_t2)²J.f(v_cc - v_ref)/R₂ _

fc t^(Vcc - ^vt1>'^vrcf - ^Vref^2/2B — ⁽¹¹ⁱ

Die in Fig. 3 gezeigte Bezugsspannungserzeugerschaltung nach einem dritten Ausführungsbeispiel· der Erfindung unterscheidet sich vom zweiten Ausführungsbeispiel dadurch, daß anstelle des Anreicherungs-n-Kanal-MOSFET 17 ein Vcrarmung~n-Kanal-MOSFET 18 verwendet wird, dessen Gate mit seiner Sourceelektrode verbunden ist. Bei Verwendung des Anreicherungs-n-Kanal-MOSFET 17 läßt sich die Bezugsspannung V „ nicht unter die Schwellspannung V _ absenken. Damit fällt der Bereich der Bezugsspannung V_ _f in den Bereich von V,- bis (V_cc - V_t1). Wird jedoch ein Verarmungs-n-Kanal-MOSFET 18 verwendet, so umfaßt der Bereich der Bezugsspannung die Spanne von 0 bis (V - V ₁).

Fig. A zeigt ein vier tos Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum zweiten Aunführungsbcispiel ist lediglich der Widerstand 15 durch einen Anreicherungs-n-Kanal-MOSFET 19 ersetzt, dessen Gate mit seiner

BAD ORIGINAL

Drainelektrode verbunden ist. Der MOSFET 19 benötigt weniger J'latz als der Widerstand 15 der Schaltung der b ]'':i.g. 2.

Für die Bezugsspannungsschaltuncj der Fig. 4 gilt die Gleichung (6) nicht mehr. Eine ähnlich der Gleichung (6) lautende Beziehung kann jedoch dadurch erhalten werden, daß der MOSFKT 19 näherungsweise als ein linearer Widerstand betrachtet wird. Da ein Strom I„, der durch den MOSFET 19 fließt, von der Speisespannung V abhängt,

C C

ist ein differentieller Widerstand r~ des MOSFET 19 durch Gleichung (12) gegeben:
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l/r₂ = (9I₂A>V_cc)_{Vcc = Vq} ...(12)

bei V„ = constant (z.B. 5 V) .

Wenn der differentielle Widerstand r~ bei V = V_ mit R_ gleichgesetzt wird, so erhält man aus den Gleichungen (6) und (12):

Die Gleichung (13) zeigt die allgemeine Beziehung, die niiin Ik.! i. Verwendung eines nichtlineax'en Widerstandes anr.l el .11» den Widerstandes 1 !3 erhält. Gleichung (13) gilt, solange die .Schwankungen der Speisespannungsquelle V

' ^CC

relativ gering sind.

Das fünfte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 4 dadurch, daß an die Stelle der Anreichungs-n-Kanal-MOSFETs 17 und 19 VeI-Ur]IiUnCjU-MOSJ-¹KT;-; 20 und 21 gesetzt sind, deren Gates jeweils mit Ihren Sourccelok troden verbünde-η sind. Werden Anreicherungn-MOSFJ-JTS 17 und 19 verwendet, fällt

^BAD

OAB

die Bezugsopannung V ς. in den engen Bereich von V „ bis (V -V_4-1). Werden dagegen VeTaJrIiIUnCJu-MOSF]¹J¹J¹F. 20 und 21 eingesetzt:, ;>o bleibt der Bereich der BoziujKHpannuny

V _f zwischen O bi« (V - ^vi-i' erhalten, wie dies auch für das Be.iisp.iel nach Fig. 3 gilt.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Fig. 1 bis 5 gc~ zeigten und in Verbindung damit beschriebenen Auaführungsbcispiclc begrenzt. Bei den Beispielen wird zwischen die Bezugsspannungsklernme 11 und Masse der n-Kanal-MOSFET 16 geschaltet. Wird jedoch eine negative Spciseopannung

V , verwendet, dann muß an die Stelle des n-Kanal-MOSFKT

CC

16 ein p-Kanal-MOSFET treten. Wird außerdem für den speziellen Fall beim ersten Ausführungabeiapiel der Strom I₁ Null, so wird der Wort R₁ des Widerstandes 13 unendlich, was aus Gleichung (8) hervorgeht. Mit anderen. Worten, es ist möglich, eine Bezugsspannungsschaltung nur mit dem Widerstand 15 und dem MOSFET 16 ohne den Widerstand 13 aufzubauen. In diesem Fall ist im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 der für diesen Schaltungsaufbciu benötigte Raum geringe!:.

BAD ORtQiNAL

-A-

Leerseite

Claims (1)

1. TOKYO SIUBAURA DKNKI KABUSHIKI KAISHA Kawasaki-σ; hi / Japan
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   Bezugsspannungsschaltung

   Patentansprüche

   Bezugsspannungnschaltung mit einoin ersten Widerstand:;.-element, das zwischen eine <?r.^r3te Speisespannung^klemme und eine Bczugsr.pannungskleminc geschaltet ist, und mit einem zweiten Widerstandselement, das zwischen der Bezugsspannungsklemme und einer zweiten Speisespannungsklemme liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) (16) mit seiner Drainelektrode an die erste Bezugsspannungsklemme (11), mit seiner Sourceelektrode an die erste Speisespannungsklemme (12) und mit seiner Gateelcktröde an die zweite Spoise.spannungsklemmo (14) angeschlossen ist.

   2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichneL·, daß das erste und das zweite Widerstandselement durch Widerstände (13, 15) gebildet sind.

   3, Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Widerstandselemeht ein zweiter MOSFET (17) ist, dessen Drainelektrode mit der Bezugsspannungsklemme (11) und dessen Sourceelektrode mit der ersten Speisespannungsklemme (12) verbunden sind, während das zweite Widerstandseloment ein Widerstand (15) ist."

   4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor ein Anreichcrungs-MOSFET ist, dessen Gateelektrode mit seiner Drainelektrode verbunden ist.

   5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Transistor ein Verarmungs-MOSFET (18) ist, dessen Gateelektrode mit seiner Sourceelektrode verbunden ist.

   6. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, diiß das zweite Widerstandselement (15) ein Widerstand mit dem Widerstandswert R„ ist und der erste Transistor eine Konstante jö hat und daß die an der Bezugsspannungsklemme (11) abnehmbare Bezugsspannung V r: sich durch folgende Beziehung ergibt:

   ' R₂ = ^1/(P"^Vref^{) rait} J3⁼ (W/L) - (g .μ/t)

   wobei W die Gatebreite des ersten MOSFET (16), L die Gatelänge des ersten MOSFET (16), £ die Dielektrizitätskonstante des Gateoxidfilms des ersten MOSFET (16), t die Gateoxiddicke des ersten MOSFET (16) und μ die Oberflächenbeweglichkeit des Substrats sind.

   7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Widerstandselement (13) ein ohmscher Widcrstcind von einem Widerstandswert R₁ ist, der folgende Beziehung zum Widerstandswort R- hat:

   1/R₁ = (V 1 cc

   - V_ref/2}

   · H(V_CC V V_ref

   mit V : Speisespannung und V, : Schwellspiinnung des ersten MOSFET.

   BAD ORI

   Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Widerstandrjolcmcnt (15) ein ohmneher Widerstand mit einem Widorstandswort H₂ ist, der erste Transistor (16) eine Konstante β hat und die Bezugsspannung V _f, die an der Bezugsspannungsklomme (11) abnehmbar ist, folgender Beziehung folgt;

   R₂ = ¹/^^iV _ref^{} mit} ß⁼ (W/L)

   wobei W die Gatebreite des ersten MOSPET, L die Gate länge des ersten MOSFET₁. & die Dielektrizitätskonstan te des Gatefilms des ersten MOSFET, t die Gatooxiddicke des ersten MOSPET und μ die Oberflächenmobilität des Substrats sind.

   9. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Widerstcindselement durch einen zweiten Transistor (17) gebildet ist, dessen Drainelektrode mit der Bezugsspannungsklemme (11) und dessen Sourceelektrode mit der ersten Speisespannungsklemme (12) verbunden ist, und daß das zweite Widerstandselement ein dritter Transistor (19) ist, dessen Drainelektrode mit der zweiten Speisespannungsklexnme (14) und dessen Sourccelektrode mit der Bezugsspannungsklemme (11) verbunden sind.

   10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (16) ein MOSB¹ET und der zweite und der dritte Transistor (17, 19) Anreicherungs-MOSFETs sind, deren Gates mit ihren Drainelektroden in Verbindung stehen.

   11. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor ein MOSFET (16) und der zweite und der dritte Transistor (20, 21) Verarmungs

   MOSFETs sind, dessen Gates jeweils mit ihren Sourceelektroden in Verbindung stehen. 5

   12. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Transistor als nichtlineares Widerstandselement mit einem differentiellen Widerstand r_? arbeitet, daß der erste Transistor (16) eine Kon- stanteβ besitzt und daß an der Bezugsspannungsklemme eine Bezugsspannung V _ auftritt mit folgender Beziehung zwischen r„,Ä und V _f

   mit ß= (W/L)·(£-μ/t), und

   l/r„ = (<>I₀/ÖV )„ = konstant

   cc

   wobei W die Gatebreite des ersten MOSFET, L die Gate lä'nge des ersten MOSFET, die Dielektrizitätskonstante des Gateoxidfilms des ersten MOSFET, t die Gateoxiddicke des ersten MOSFET, μ die Oberflächenbeweglichkeit des Substrats, I„ der durch das nichtlineare Widerstandselement fließende Strom und V

   die Speisespannung sind.
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