DE3515006A1

DE3515006A1 - Spannungsausgangskreis

Info

Publication number: DE3515006A1
Application number: DE19853515006
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Yokohama Tsuzuki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-04-26
Filing date: 1985-04-25
Publication date: 1985-10-31
Also published as: US4675592A; JPS60229125A

Description

* β

Die Erfindung betrifft einen Spannungsausgangskreis in integrierter Schaltungs- bzw. IC-Technik.

Ein typisches Beispiel für einen bisherigen, als integrierte Schaltung ausgeführten bisherigen Spannungsausgangskreis ist in Fig. 1 dargestellt und in "IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS", Vol. SC-6, Nr. 1, Februar 1971, S. 1 - 7, beschrieben. Dieser bisherige Ausgangskreis wurde für Betrieb als mit niedriger Spannung arbeitender integrierter Schaltkreis entwickelt.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 wird eine Spannung (+V) von einer Stromquelle einer Konstantspannungsquelle 11 eingespeist, deren Ausgangsstrom über einen Widerstand Rl an den Kollektor eines NPN-Transistors Ql angelegt wird. Der Transistor Ql und ein anderer NPN-Transistor Q2 sind mit unterschiedlichen Stromdichten ausgelegt. Insbesondere beträgt die Stromdichte des Transistors Q2 etwa 1/10 derjenigen des Transistors Ql. Bei dieser Schaltung tritt ein Spannungsabfall ^VBE, der einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt, über einen Widerstand R3 auf, der zwischen den Emitter des Transistors Q2 und Masse, als Bezugspotential, geschaltet ist. Weiterhin tritt ein Spannungsabfall ^VBE χ R2/R3 über einen zwischen den Kollektor des Transistors Q2 und einen Spannungsausgangsteil 12 geschalteten Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten auf. Im obigen mathematischen Ausdruck bezeichnen Rl und R2 bzw. R2 und R3 Widerstände mit Widerstandswerten, die mit denselben Symbolen R2 und R3 bezeichnet sind. Bei dieser Schaltung besitzt eine Spannung VBE 3 über die Basis-Emitterstrecke eines Ausgangs-NPN-Transistors Q3 einen negativen Temperaturkoeffizienten. Aufgrund der angegebenen Wahl der Temperaturkoeffizienten wird der Temperaturkoeffizient der Bezugsausgangsspannung Vref

zu Null reduziert.

Die Ausgangs-NPN-Transistoren solcher Schaltungen besitzen als Folge der Fertigungstechnik für derartige Schaltungen ungleiche Stromverstarkungsfaktoren ß , weshalb auch die Ausgangsspannungen der Schaltungen voneinander verschieden sind. Wenn der Faktor ß klein ist und ein großer Basisstrom fließt, tritt ein großer Spannungsabfall über den Widerstand R2 auf, und es erscheint eine große (Bezugs-)Ausgangsspannung Vref. Wenn dagegen der Faktor ß groß ist und ein kleiner Basisstrom fließt, ergeben sich ein kleiner Spannungsabfall über den Widerstand R2 und eine kleine Ausgangsspannung Vref. Der Widerstand R2 besteht aus einem Basisdiffusionswiderstand, der keine Beziehung zum Stromverstärkungsfaktor ß des NPN-Transistors besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung eines Spannungsausgangskreises in integrierter Schaltkreistechnik, der unabhängig vom Stromverstärkungsfaktor ß eines Ausgangs-NPN-Transistors eine Bezugsausgangsspannung einer vorbestimmten Bezugsgröße zu liefern vermag.

Diese Aufgabe wird bei einem Spannungsausgangskreis, umfassend einen ersten Widerstand und einen ersten NPN-Transistor, bei dem der Kollektor mit einem Spannungsausgangsabschnitt des Spannungsausgangskreises, der Emitter mit einem Bezugspotentialabschnitt und die Basis mit einem Stromquellenpotential über den ersten Widerstand, der einen Spannungsabfall zwischen Basis und Spannungsausgangsabschnitt hervorruft, verbunden sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß weiterhin ein Pinch-Widerstand zum genannten Widerstand parallelgeschaltet ist.

Erfindungsgemäß ist, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, ein Pinch-Widerstand R4 in einem Spannungsausgangskreis an einer Stelle angeordnet, wo er durch den Basisstrom eines Ausgangs-NPN-Transistors Q3 beeinflußt wird. Der Wert des Widerstands R4 ist dem Stromverstärkungsfaktor ß des Transistors Q3 proportional. Der Pinch-Widerstand stellt mithin Bezugsausgangsspannungen in den jeweils hergestellten Spannungsausgangskreisen auf vorbestimmte, gleiche Bezugswerte ein, auch wenn die Ausgangs-NPN-Transistoren Q3 der einzelnen Kreise voneinander verschiedene Stromverstärkungsfaktoren ß aufweisen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines bisherigen Bezugs-Spannungsausgangskreises,

Fig. 2 und 3 Schaltbilder von Spannungsausgangskreisen gemäß Ausführungsformen der Erfindung,
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Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Pinch-Widerstand(swert) R4 und dem Stromverstärkungsfaktor ß,

Fig. 5 eine vergleichende graphische Darstellung

der Beziehungen zwischen der Ausgangsspannung Vref und dem Stromverstärkungsfaktor ß beim bisherigen Spannungsausgangskreis und demjenigen gemäß der Erfindung und

Fig. 6 und 7 Schaltbilder anderer Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 ist eingangs bereits erläutert worden.

Der in Fig. 2 dargestellte Spannungsausgangskreis gemaß der Erfindung besitzt im wesentlichen denselben Aufbau wie der bisherige Spannungsausgangskreis nach Fig. 1, nur mit dem Unterschied, daß ein Pinch-Widerstand R4 zu einem Widerstand R2 parallelgeschaltet ist. Der Pinch-Widerstand R4 bewirkt, daß eine Bezugsausgangsspannung Vref des Spannungsausgangskreises unabhängig vom Stromverstarkungsfaktor ß des Ausgangs-NPN-Transistors Q3 eine vorbestimmte Bezugsgröße besitzt.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 bilden NPN-Transistoren Ql und Q2 eine Stromspiegelschaltung. Der Kollektor des Transistors Ql ist über einen Widerstand Rl an eine Ausgangsleitung 12 angeschlossen, an der eine Ausgangsspannung Vref erscheint und die über eine (Konstant-)Stromquelle 11 mit einem hohen Potential Vcc als dem einen Stromquellenpotential verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Q2 ist über einen Widerstand R2 mit der Ausgangsleitung 12 verbunden. Der Emitter des Transistors Ql ist an ein niedriges Potential Vee (Massepotential GND bei der dargestellten Ausführungsform) als das andere Stromquellenpotential angeschlossen. Der Emitter des Transistors Q2 liegt über einen Widerstand R3 am niedrigen Potential Vee. Die Basiselektroden der Transistoren Ql und Q2 sind zusammengeschaltet. Ebenso sind Kollektor und Basis des Transistors Ql zusammengeschaltet. Der Kollektor des Ausgangs-NPN-Transistors Q3 ist mit der Ausgangsleitung 12 verbunden, während sein Emitter am niedrigen Potential Vee liegt. Die Basis des Transistors Q3 ist an den Kollektor des Transistors Q2 angeschlossen. Der Widerstand R2 verursacht einen Spannungsabfall über die Kollektor-Basisstrecke des Transistors Q3. Zum Widerstand R2 ist ein Pinch-Wider-

stand R4 parallelgeschaltet, der bewirkt, daß eine Bezugsausgangsspannung Vref des Spannungsausgangskreises unabhängig vom Stromverstärkungsfaktor ß des Ausgangs-NPN-Transistors Q3 eine vorbestimmte Bezugsgröße besitzt. Die Konstantstromquelle 11 wird mit einer Spannung (+V) von einer Stromquelle gespeist. Der Ausgangsstrom der Konstantstromquelle 11 wird über den Widerstand Rl dem Kollektor des NPN-Transistors Ql aufgeprägt. Die Transistoren Ql und Q2 sind für unterschiedliche Stromdichten ausgelegt. Genauer gesagt: die Stromdichte des Transistors Q2 beträgt etwa 1/10 derjenigen des Transistors Ql. Bei dieser Anordnung erscheint ein Spannungsabfall ^BE eines positiven Temperaturkoeffizienten über den Widerstand R3, der zwischen den Emitter des Transistors Q2 und Masse, als Bezugspotential, geschaltet ist. Weiterhin tritt ein Spannungsabfall ^\VBE χ R2/R3 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten über den Widerstand R2 auf, der zwischen den Kollektor des Transistors Q2 und die Ausgangsleitung 12 geschaltet ist. Im obigen mathematischen Ausdruck bezeichnen die Symbole R2 und R3 Widerstände mit Widerstandswerten, die mit denselben Symbolen R2 und R3 bezeichnet sind. Dasselbe gilt für andere Widerstände. Bei dieser Anordnung besitzt eine Spannung VBE3 über die Basis-Emitterstrecke des NPN-Transistors Q3 einen negativen Temperaturkoeffizienten. Aufgrund dieser Wahl der Temperaturkoeffizienten wird der Temperaturkoeffizient der Bezugsausgangsspannung Vref zu Null reduziert.

Der Pinch-Widerstand R4 besitzt, wie in der IC-Technik an sich bekannt, einen dem Stromverstärkungsfaktor ß des Transistors Q3 praktisch proportionalen Widerstandswert, und er dient als Überbrückungs- oder Bypass-Widerstand für den Basisstrom des Transistors Q3. Aufgrund der Anordnung des Widerstands R4 wird

die Bezugsausgangsspannung Vref des Spannungsausgangskreises unabhängig vom Stromverstärkungsfaktor ß des Ausgangs-NPN-Transistors Q3 auf eine vorbestimmte Bezugsgröße eingestellt.

Der Widerstandswert des Widerstands R4 ist zu dem Faktor ß des Transistors Q3 gemäß Fig. 4 direkt proportional. Der Widerstandswert des Pinch-Widerstandes R4 entspricht dem Meßwert in dem Bereich, in welchem der Transistor Q3 ungesättigt ist.

Wenn der Kollektorstrom des Transistors Q3 im wesentlichen konstant ist, d.h. Ic entspricht, bestimmt sich der Basisstrom IB3 zu

IB3 = Ic/ß (1)

Ein Inkrement ^VR₂ des Widerstands R2 infolge dieses Stroms läßt sich angenähert ausdrücken als

= ψ · R2 (2)

Gleichung (2) läßt erkennen, daß bei einer Verkleinerung des Stromverstärkungsfaktors ß das Spannungsinkrement ^AVR _ des Widerstands R2 und die Ausgangsspannung Vref ansteigen. Zum Kompensieren des Spannungsinkrements ΔνΊ*₂ ist der Pinch-Widerstand R4 zum Widerstand R2 parallelgeschaltet, um den Basisstrom IB3 zu überbrücken. Der Widerstandswert des Pinch-Widerstands R4 entspricht:

R4 = VR2/IB3 (3)

Darin bedeutet VR2 den Spannungsabfall über den Widerstand R2 für den Fall, daß der Strom IB3 gleich Null ist. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, wird bei ansteigendem Faktor ß der Widerstandswert größer. Der Strom wird

dann über den Pinch-Widerstand R4 überbrückt (abgeleitet), so daß der Spannungsabfall über den Widerstand R2 weniger stark variiert.
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Wie erwähnt, ist der Widerstandswert R4 des Pinch-Widerstands R4 dem Faktor ß proportional. Das Produkt aus dem Widerstandswert R4 und dem Strom IB3 ist daher konstant. Demzufolge ist der Spannungsabfall über den Widerstand R2 unabhängig vom Stromverstärkungsfaktor ß konstant.

Der Grund, weshalb VR4 (R4 χ IB3) konstant ist, ist nachstehend erläutert.
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Es gilt:

R4 = Kß
mit K = Proportionalitätskonstante.

VR4 = R4 χ IB3 (mit VR4 = Spannungsabfall

über den Pinch-Widerstand
R4)

= Kß χ Ic/ß
= KIc

Da Ic konstant ist, ist (auch) VR4 (= R4 χ ΙΒ3) konstant. Fig. 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform

° der Erfindung, bei welcher der Widerstand R2 zwei in Reihe geschaltete Widerstandsabschnitte oder -teile R2a und R2b aufweist, die jeweils an der Ausgangsleitungsseite bzw. an der Basisseite des Transistors Q3 liegen. Der Widerstandsteil R2a ist zum Pinch-Widerstand R4 parallelgeschaltet. Die restlichen Schaltungsabschnitte, und die grundsätzliche Arbeitsweise entsprechen denen bei der zuerst beschriebenen

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Ausführungsform. Die Ausführungsform nach Fig. 3 liefert zudem im wesentlichen dieselben Ergebnisse wie die Ausführungsform nach Fig. 2. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 kann weiterhin der Widerstand R4 kleiner ausgebildet sein als bei der zuerst beschriebenen Ausführungsform. Darüber hinaus kann dabei, die Anordnuna in einem nichtgesättigten Bereich von elektrischem Strom /Spannung betrieben werden.

Fig. 5 veranschaulicht vergleichend die Vref/ß-Kennlinien für den bisherigen Spannungsausgangskreis und denjenigen gemäß der Erfindung. In Fig. 5 stehen die Kennlinie A für die bisherige Anordnung und die Kennlinie B für die Erfindung. Wie diese Kurven ohne weiteres erkennen lassen, ist die Änderung von Vref bei der Erfindung wesentlich kleiner als bei der bisherigen Anordnung.

Fig. 6 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Widerstand R2 zwei in Reihe geschaltete Widerstandsteile R2a und R2b aufweist, die an der Ausgangsleitungsseite bzw. an der Basisseite des Transistors Q3 liegen. Der Widerstandsteil R2b ist zum Pinch-Widerstand R4 parallelgeschaltet. Die restlichen Schaltungsabschnitte und die grundsätzliche Arbeitsweise entsprechen im wesentlichen denjenigen bei der ersten oder der zweiten Ausführungsform. Die Ausführungsform nach Fig. 6 liefert zudem praktisch dieselben Ergebnisse wie die Schaltung nach Fig. 2.

Fig. 7 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Widerstand R2 (wiederum) zwei in Reihe geschaltete Widerstandsteile R2a und R2b aufweist, die an der Ausgangsleitungsseite bzw. an der Basisseite des Transistors Q3 liegen. Der

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Pinch-Widerstand R4 besteht ebenfalls aus zwei in Reihe geschalteten Pinch-Widerstandsteilen R4a und R4b, die jeweils an der Ausgangsleitungsseite bzw. an der Basisseite des Transistors Q3 liegen. Die Pinch-Widerstandsteile R4a und R4b sind dabei jeweils zum Widerstandsteil R2a bzw. zum Widerstandsteil R2b parallelgeschaltet. Die restlichen Schaltungsabschnitte und die grundsätzliche Arbeitsweise sind wiederum dieselben wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen, und es werden dabei im wesentlichen dieselben Ergebnisse oder Wirkungen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 2 erzielt. Zudem kann die Anordnung nach Fig. 7 in einem nichtgesättigten Bereich von elektrischem Strom /Spannung betrieben werden.

Wie vorstehend beschrieben, wird mit der Erfindung somit ein Spannungsausgangskreis mit einem Ausgangs-NPN-Transistor geschaffen, dessen Kollektor mit einem Spannungsausgangsabschnitt, sein Emitter mit einem Bezugsspannungsabschnitt und seine Basis mit dem Spannungsausgangsabschnitt über einen Widerstand, der einen Spannungsabfall über die Basis und den Spannungsausgangsabschnitt hervorruft, verbunden sind, wobei ein Pinch-Widerstand zum genannten Widerstand parallelgeschaltet ist. Der Pinch-Widerstand bewirkt, daß die Ausgangsspannungen einzelner hergestellter Spannungsausgangskreise jeweils vorbestimmte, gleich große Bezugsgrößen besitzen, wenn die Ausgangstransistoren dieser Kreise ungleiche Stromverstärkungsfaktoren ß aufweisen.

Claims

Patentansprüche

1. Spannungsausgangskreis, umfassend
einen ersten Widerstand und

einen ersten NPN-Transistor, bei dem der Kollektor mit einem Spannungsausgangsabschnitt des Spannungsausgangskreises, der Emitter mit «einem Bezugspotentialabschnitt und die Basis mit einem Stromquellenpotential über den ersten Widerstand, der einen Spannungsabfall zwischen Basis und Spannungsausgangsabschnitt hervorruft, verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

weiterhin ein Pinch-Widerstand (R4) zum genannten Widerstand (R2) parallelgeschaltet ist.

2. Spannungsausgangskreis nach Anspruch 1, gekenn- _A zeichnet durch

einen zweiten NPN-Transistor (Ql), bei dem der Kollektor über einen zweiten Widerstand (Rl) mit dem Spannungsausgangsabschnitt und der Emitter mit dem Bezugspotentialabschnitt verbunden sind, ^und

einen dritten NPN-Transistor (Q2), bei dem die Basis mit der Basis des zweiten Transistors, der Kollektor über den ersten Widerstand mit dem Spannungsausgangsabschnitt und der Emitter über einen dritten Widerstand (R3) mit dem Bezugspotentialabschnitt verbunden sind.

3. Spannungsausgangskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (R2) zwei in Reihe geschaltete Widerstandsabschnitte oder -teile (R2a, R2b) aufweist und daß der Pinch-Wider-

stand (R4) zum einen der beiden Widerstandsteile parallelgeschaltet ist.

4. Spannungsausgangskreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand zwei in Reihe geschaltete Widerstandsabschnitte oder -teile (R2a, R2b) aufweist, daß der Pinch-Widerstand zwei in Reihe geschaltete Pinch-Widerstandsteile (R4a, R4b) aufweist, daß der eine (R4a) der beiden Pinch-Widerstandsteile zum einen (R2a) der beiden ersten Widerstandsteile parallelgeschaltet ist und daß der andere (R4b) der beiden Pinch-Widerstandsteile zum anderen (R2b) der beiden ersten Widerstandsteile parallelgeschaltet ist.