DE4224584A1 - Hochgenaue Referenzspannungsquelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hochgenaue Referenzspannungsquellen beinhalten Bandgapschaltun­ gen. Dabei wird die Basis-Emitter-Spannung eines Bipolartransi­ stors als Spannungsreferenz genutzt. Um den auftretenden Tempe­ raturkoeffizienten zu kompensieren, wird eine Spannung mit einem entgegengesetzten Temperaturkoeffizienten dazu addiert. Schal­ tungstechnisch erfolgt dies so, daß die Differenz der Basis- Emitter-Spannungen von zwei bei unterschiedlichen Kollektorströ­ men betriebenen Transistoren gebildet wird. Diese Kollektorströ­ me sind temperaturproportional, d. h. mit zunehmender Temperatur steigen die Kollektorströme an, besitzen also PTAT-Charakter. Der Nachteil solcher nichtkorrigierten Bandgapreferenzen ist ein temperaturabhängiger Fehler.

In der Literatur sind Lösungen bekannt, diesen Temperaturfehler mit Hilfe einer Korrekturspannung zu korrigieren. Dabei wird ebenfalls die Abhängigkeit der Differenz zweier in Flußrichtung betriebener pn-Übergänge von der Temperatur ausgenutzt, von denen der erste von einem Konstantstrom und der zweite von einem proportional mit der absoluten Temperatur steigendem Strom durch­ flossen wird.

Gemäß DD 2 26 098 ist eine solche Korrekturschaltung extern an die Bandgapschaltung angeschlossen und kompensiert mit Hilfe der er­ zeugten Differenzspannung den temperaturabhängigen Fehler der Bandgapreferenz. Gemäß DD 2 46 387 wird eine solche Schaltung so in die Bandgapschaltung eingefügt, daß das Bandgapelement zu­ gleich als Verstärker für diese Flußspannungsdifferenz dient.

Die dargelegten Lösungen erfordern in jedem Fall die Erzeugung einer Korrekturspannung, die zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand notwendig macht. Weiterhin beinhalten die aufgeführten Lösungen nur die Korrektur des Temperaturfehlers der Bandgapre­ ferenz selbst. Eine Referenzspannungsquelle beinhaltet neben der Bandgapschaltung selbst noch andere Schaltungsteile, die eben­ falls Temperaturschwankungen unterworfen sind. Der die Bandgap­ referenz versorgende Strom wird grundsätzlich aus einer Konstant­ stromquelle bereitgestellt, welche über einen Transistor auf die Bandgapreferenz führt. Diese separate Stromquelle unterliegt ebenfalls normalen Prozeßstreuungen. Neben Temperaturschwankungen sind Betriebsspannungsschwankungen und Lastabhängigkeiten zu be­ achten, auf die eine Konstantstromquelle nicht im ausreichenden Maße reagieren kann. Um eine hochgenaue Referenzspannungsquelle zu realisieren ist es notwendig, die Schwankungen auszuregeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochstabile Re­ ferenzspannungsquelle zu entwickeln, welche alle prozeßbedingten Einflüsse selbsttätig ausregelt.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruches 1 gelöst.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Stromerzeugung für die Referenzspannungsquelle direkt aus der Bandgap erfolgt. Dieser Strom wird zur Korrektur der Prozeßstreu­ ungen ausgenutzt. Zusätzliche externe Beschaltungen entfallen somit. Die Konstantstromquelle wird durch eine steuerbare Stromquelle ersetzt. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein geschlos­ sener Regelkreis erzeugt, der auf die Prozeßstreuungen reagieren kann.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Figur zeigt das Schaltbild der erfindungsgemäßen Referenzspannungsquelle.

Die Referenzspannungsquelle liefert eine temperatur-, betriebs­ spannungs- und lastunabhängige Referenzspannung U_REF von 6 V im Betriebsspannungsbereich von 9-35 V. Das Anlaufen der Gesamt­ schaltung wird durch eine sogenannte Anlaufschaltung realisiert, welche aus dem Widerstand R1 und den in Reihe geschalteten Tran­ sistoren T1 und T2 besteht. Diese Anlaufschaltung wird nur im Einschaltmoment der Betriebsspannung U_s wirksam, d. h. wenn die Betriebsspannung Us von 0 V auf den Nennwert hoch läuft. Durch das anliegende Potential wird der erste Transistor T3 eines Differenzverstärkers leitend und steuert den pnp-Stromspiegel T5, T6, T7 an und ermöglicht das Starten der eigentlichen Band­ gapreferenz. Nachdem die Referenzspannung U_REF etwa 4,8 V er­ reicht hat, übernimmt der zweite Transistor T4 des Differenzver­ stärkers aufgrund des höheren Potentials die Versorgung des pnp- Stromspiegels T5, T6, T7. Der Transistor T3 bleibt dann gesperrt und die gesamte Anordnung bildet einen in sich geschlossenen Re­ gelkreis, der sich selbst automatisch mit dem erforderlichen PTAT-Strom versorgt. Der pnp-Stromspiegel T5, T6, T7 ist mittels eines Transistors T9 erweitert und durch die Emitterwiderstände R3, R4, R5 gegen den Early-Effekt kompensiert.

Die eigentliche Bandgapreferenz besteht aus den Transistoren T11, T12, T13, T14, den Widerständen R6, R7, R8, R9, R10 und dem Kon­ densator C1. Um den Einfluß des Basisstromes von T10 gegenüber dem Kollektorstrom von T11 zu minimieren, wird der Kollektor­ strom von T6 doppelt so groß wie der von T5 ausgelegt. Da die Basis-Emitter-Flußspannungen von T11, T13 und T14 gleich groß sein müssen, erhalten T11 und T14 die doppelte Emitterfläche gegenüber T13. Entsprechend dem Grundprinzip der Bandgap wurde die Emitterfläche von T12 vier mal größer gewählt als die von T13. An der Basis des Transistors T14 stellt sich die doppelte Bandgap-Spannung von 2 × 1,235 V ein. Mit dem Spannungsteiler R9, R10 wird diese hochstabile Spannung U_BT14 = 2470 mV auf die eigentliche Referenzspannung U_REF = 6 V hochtransformiert. Die hohe Konstanz der Referenzspannung wird erfindungsgemäß durch gleich große Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T13 der Bandgapreferenz und T4 des Differenzverstärkers und durch gleich große Widerstände R7 und R2 erreicht.

Aus den beiden Gleichungen

und den Bedingungen U_BET13 = U_BET4 und R7 = R2 folgt, daß I_R7 = I_R2. Da I_R7 bekannterweise PTAT-Charakter besitzt, hat I_R2 zwangsläufig PTAT-Charakter. Da nun der Strom I_R2 nur noch über die Transistoren T5 und T6 des Stromspiegels T5, T6, T7 gespiegelt wird und wieder als Emitterstrom I_ET11 des Transi­ stors T11 erscheint, ist sichergestellt, daß alle drei Ströme I_ET11, I_ET12 und I_ET13 völlig identischen PTAT-Charakter besitzen. Daraus resultiert eine sehr hohe Temperaturkonstanz der Referenz­ spannung, weil der Emitterstrom von T11 PTAT-Charakter besitzt. Bei herkömmlichen Bandgapreferenzen wird T11 aus einer Konstant­ stromquelle ohne PTAT-Charakter mit Strom versorgt. Der Transi­ stor T10 (Substrattransistor mit hohem Stromverstärkungsfaktor B) verfälscht bei unterschiedlichem R_L den Strom I_CT11 nur sehr wenig, da I_CT11 ≈ I_CT6 ist.

Claims (4)

1. Hochgenaue Referenzspannungsquelle mit einer die Referenz­ spannung bereitstellenden Bandgapschaltung, und an deren Aus­ gang eine Last angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Regelkreis erzeugt wird, indem

• - direkt aus der Bandgap ein PTAT-Strom erzeugt wird, indem der Verbindungspunkt der Bandgapwiderstände (R6, R7) und der Emitter eines Transistors (T14) der Bandgapschaltung (B) auf die Basis eines ersten Transistors (T4) eines Differenz­ verstärkers (T3, T4) führt, dessen Emitter genau so wie der Emitter eines zweiten Transistors (T3) des Differenzver­ stärkers (T3, T4) über einen Widerstand (R2) an Masse liegt und die Kollektoren dieser beiden Transistoren (T3, T4) mit dem Emitter eines ersten Transistors (T5) eines Stromspie­ gels (T5, T6, T7, T9) verbunden ist;
• - die Basis des zweiten Transistors (T3) des Differenzverstär­ kers (T3, T4) mit einer Anlaufschaltung verbunden ist, welche gebildet wird aus
• - einem Transistor (T1), welcher in Reihe mit einem weiteren Transistor (T2) liegt, dessen Emitter auf Masse führt,
• - die Basis-Kollektor-Strecken beider Transistoren (T1, T2) kurzgeschlossen sind,
• - und der Verbindungspunkt von Basis und Kollektor des ersten Transistors (T1) den Eingang der Anlaufschaltung bildet, der über einen Widerstand (R1) mit der Betriebsspannung (Us) verbunden ist;
• - die Emitter der Stromspiegeltransistoren (T5, T6, T7) über jeweils einen Widerstand (R3, R4, R5) an der Betriebsspan­ nung (Us) liegen;
• - der Kollektor eines zweiten Transistors (T6) direkt und der Kollektor eines dritten Transistors (T7) des Stromspiegels (T5, T6, T7, T9) über die Emitter-Basis-Strecke eines wei­ teren Transistors (T10), dessen Kollektor auf Masse liegt, mit dem Kollektor des Ableittransistors (T11) der Bandgap­ schaltung (B) verbunden ist;
• - und der Kollektor des dritten Transistors (T7) weiterhin mit der Basis eines Transistors (T8) verknüpft ist, dessen Kollektor an der Betriebsspannung (Us) und dessen Emitter mit der Last (R_L), dem Kollektor des Transistors (T14) der Bandgapschaltung (B) und dem einen Ende des Widerstandes (R9), der zusammen mit (R10) einen Spannungsteiler bildet, ver­ knüpft ist, wobei die Basis des Transistors (T14) der Band­ gapschaltung (B) mit dem anderen Ende des Widerstandes (R9) verbunden ist.

2. Hochgenaue Referenzspannungsquelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und dritte Transistor (T6, T7) des Stromspiegels (T5, T6, T7, T9) gegenüber dem ersten Tran­ sistor (T5) jeweils doppelten Strom liefern und daß die Wi­ derstände (R4) und (R5) gegenüber (R3) nur halb so groß sind.

3. Hochgenaue Referenzspannungsquelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterflächen der Transistoren (T11) und (T14) doppelt so groß sind gegenüber der Emitterfläche von (T13) und daß die Emitterfläche von (T4) und (T13) gleich groß sind.

4. Hochgenaue Referenzspannungsquelle nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kollektor des zweiten Strom­ spiegeltransistors (T6) und der Basis des Transistors (T10) die Emitter-Kollektor-Strecke eines weiteren Transistors ge­ schaltet ist, dessen Basis an die Basis des Stromspiegeltran­ sistors (T9) führt.