DE69021574T2

DE69021574T2 - Integrierte Schaltung zur Erzeugung eines temperaturunabhängigen Stromes, der der Spannungsdifferenz zwischen einer Signal- und einer Referenzspannung proportional ist.

Info

Publication number: DE69021574T2
Application number: DE69021574T
Authority: DE
Inventors: David Moloney; Fabrizio Sacchi; Gianfranco Vai; Maurizio Zuffada
Original assignee: SGS Thomson Microelectronics SRL
Current assignee: STMicroelectronics SRL
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1996-02-01
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: EP0490016A1; KR920013895A; JPH0548352A; DE69021574D1; EP0490016B1; US5352944A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung zum Erzeugen eines Stroms, der proportional ist zu der Differenz zwischen einer Signalspannung und einer Referenzspannung und der unabhängig von der Temperatur und Schwankungen in den integrierten Widerständen ist. Die Schaltung ist insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, nützlich zum Bewirken einer automatischen Verstärkungsregelung in Signalverarbeitungssystemen. Beispiele für verstärkungsgeregelte Verstärker mit niedrigen Temperaturkoeffizienten finden sich in der US-A-4 413 235 und der US-A- 4 101 841.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Das Eingangssignal eines Signalverarbeitungssystems, insbesondere für den Fall, daß es von magnetischen Wandlern, mechanischen Wandlern, Abstimmeinrichtungen und dergl. kommt, kann starken Amplitudenschwankungen unterliegen. Unter gewissen Umständen können Schwankungen von 30 - 40 dB auftreten. Deshalb ist es nützlich, das System zur Verarbeitung des Signals mit einer Einrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung auszustatten, die üblicherweise mit dem Kürzel AGC bezeichnet wird, die eine veränderliche Verstärkung des Eingangssignals derart festlegt, daß am Ausgang ein verstärktes Signal mit konstanter Amplitude erhalten wird. Ein typisches vereinfachtes Diagramm eines mit AGC ausgestatteten Systems ist in Figur 1 gezeigt. Das Signal am Eingang der AGC-Schaltung ist eine Gleichspannung VAGC, die proportional zur Amplitude des Signals Vx ist. Die AGC-Schaltung liefert einen Ausgangsstrom VOUT, der die Verstärkung des Verstärkers G reguliert und dadurch die Amplitude des Signals Vx unabhängig von der Amplitude des Eingangssignals VIN konstant hält.
Andererseits besitzen integrierte Schaltungskomponenten stark temperaturabhängige elektrische Eigenkennwerte. Zu erwähnen ist, daß die Sperrschicht-VBE in Silizium umgekehrt proportional zu der Temperatur ist, während der Wert eines integrierten Widerstands direkt proportional zur Temperatur ist.
In AGC-Systemen und in analogen integrierten Schaltungen können solche Schwankungen in den elektrischen Kennwerten in Relation zu den Entwurfst-Nennwerten häufig unzulässige Ungenauigkeiten im Betrieb dieser sehr empfindlichen Schaltungen darstellen.

Ziel und Offenbarung der Erfindung

Es ist folglich ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung gemäß den beigefügten Ansprüchen, eine integrierte Schaltung zu schaffen, die in der Lage ist, einen zu der Differenz zwischen einer Signalspannung und einer Referenzspannung proportionalen Strom, der im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwankungen ist, zu generieren.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten AGC-Schaltung.
Die Schaltung nach der Erfindung zum Erzeugen eines temperaturunabhängigen Stroms proportional zur Differenz zwischen einer Signalspannung und einer Referenzspannung beinhaltet eine Differenzeingangsschaltung mit einem ersten Anschluß, an den die Signalspannung angelegt wird, und einem zweiten Anschluß, an den eine bezüglich der Temperatur stabile Referenzspannung angelegt wird. Gebildet wird die Schaltung aus einem Paar von Transistoren in Emitterschaltung, wobei jeder Transistor mit Hilfe einer individuellen Stromquelle vorgespannt wird, die zwischen einem ersten Schaltungs-Spannungsversorgungsknoten und dem Emitter des betreffenden Transistors liegt. Die zwei Stromquellen sind im wesentlichen identisch und liefern im wesentlichen einen Strom, der umgekehrt proportional zu einem gewissen integrierten Widerstandswert ist (d.h. umgekehrt proportional zu dem Temperaturkoeffizienten der integrierten Widerstände), und die Emitter der beiden Transistoren sind parallel zu einem integrierten Widerstand geschaltet, um den Auslöseschwellenwert für die Differenz anzuheben und dadurch den linearen Bereich zu erhöhen, damit die Umsetzung der Potentialdifferenz zwischen der Signalspannung und der Referenzspannung in eine Differenz zwischen den durch die zwei Zweige der Differenzschaltung fließenden Strömen gewährleistet ist.
Zwischen einem zweiten (virtuellen) Speisespannungsknoten und den jeweiligen Kollektoren der zwei Transistoren der Differenzeingangsschaltung sind zwei identische, in Durchlaßrichtung vorgespannte Dioden geschaltet, die jeweils als Last für den zugehörigen Transistor fungieren. Auf diese Weise wird zwischen den Ausgangs-(Kollektor-)Knoten der Differenzeingangsschaltung eine Differenzspannung erhalten, die eine Strom/Spannungs-Umsetzung entsprechend einer Logarithmusfunktion der durch die zwei Zweige der Differenzschaltung fließenden Ströme repräsentiert.
Diese Differenzspannung wird an die Eingänge einer ersten Differenzstufe gelegt, über die zwangsweise ein Vorstrom geleitet wird, der von einer Schaltungseirrrichtung erzeugt wird, die imstande ist, einen Strom zu erzeugen, welcher direkt proportional zur Temperatur und umgekehrt proportional zu dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands ist. Diese Schaltungseinrichtung zum Erzeugen eines Stroms proportional zur Temperatur und umgekehrt proportional zum Wert eines integrierten Widerstands kann verschledenartig sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform läßt sich ein Vorstrom mit diesen Kennwerten in geeigneter Weise von einer gemeinsamen "Bandlücken" -Schaltung ableiten, die sich normalerweise in integrierten Schaltungen zum Zweck der Signalverarbeitung befindet und weithin als Quelle für eine konstante Spannung verwendet wird, deren Wert im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwankungen und der Versorgungsspannung ist, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Die Differenzausgangsspannung, die von einer solchen ersten Differenzstufe erzeugt wird, wird an die Eingänge einer zweiten Differenzstufe gelegt, die in der Lage ist, eine Spannungs-/Strom-Umsetzung entsprechend einer Exponentialfunktion durchzuführen, um den gewünschten Ausgangsstrom an einem Ausgangsanschluß als Funktion der an die individuellen Eingänge angelegten Differenzspannung zu erzeugen. Diese zweite Differenzstufe wird vorgespannt mit Hilfe einer Konstantstromquelle, die im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwankungen ist.
Der Ausgangsstrom ist gleich dem Produkt der Stärke des konstanten Vorstroms der zweiten Differenzstufe, der unabhängig von Temperaturschwankungen ist, und einer Exponentialfunktion eines Verhältnisses zwischen integrierten Widerständen (die deshalb im wesentlichen invariant bezüglich der Temperatur ist) des Logarithmus einer reinen Zahl und des Verhältnisses zwischen Spannungen, die im wesentlichen temperaturstabil sind, wie es im folgenden detaillierter dargelegt werden wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die verschiedenen Aspekte und Vorteile der den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildenden Schaltung ergeben sich deutlicher durch die nachfolgende Beschreibung und Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 , wie bereits beschrieben, ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Systems zur automatischen Verstärkungsregelung (AGC);
Fig. 2 ein funktionelles Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltung;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltung nach Figur 2;
Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm einer Schaltung, die einen Strom proportional zur Temperatur und umgekehrt proportional zum Wert eines integrierten Widerstandes liefert, und die alternativ in der erfindungsgemäßen Schaltung nach Figur 3 einsetzbar ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Gemäß Figur 2 enthält die Schaltung nach der Erfindung betrieblich einen ersten Block A, der eine linear-logarithinische Umsetzung der Differenzspannung VAGC - VR in Ströme I&sub1; + x und I&sub1; - x vornimmt.
Der Block B vollzieht eine Strom-/Spannungs-Umwandlung entsprechend einer Logarithmusfunktion der Ströme I&sub1; + x und I&sub1; - x in die Differenzspannung Vd.
Der Block C ist eine erste Differenzstufe, über die ein Vorstrom I&sub2; getrieben wird, der von einer Schaltung erzeugt wird, die in der Lage ist, einen derartigen Strom I&sub2; zu erzeugen, welcher direkt proportional zur Temperatur und umgekehrt proportional zu dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands ist. Diese Schaltung kann eine "Bandlücken"-Schaltung (B.G.) sein. Der Block C vollzieht betrieblich eine Spannungs-Spannungs-Umsetzung entsprechend einer Exponentialfufliction der Differenzspannung Vd, die an die Eingänge angelegt wird, in eine Differenz-Ausgangsspannung VD.
Der Block D ist eine zweite Differenzstufe, über die ein Vorstrom IEE getrieben wird, der im wesentlichen temperaturunabhängig ist. Betrieblich vollzieht der Block D eine Spannungs-Strom-Umsetzung entsprechend einer Exponentialfunktion zwischen der Differenzspannung Vd an den individuellen Eingängen in einen Ausgangsstrom IOUT, der eine Funktion der Differenz zwischen den Spannungen VAGC und VR und unabhängig von Temperaturschwankungen ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Schaltung nach Figur 3 dargestellt, in der die relevanten Schaltungsblöcke A, B, C, D und B.G. durch gestrichelte Rahmen angedeutet sind.
Eine typische "Bandlücken"-Schaltung (B.G.) besteht aus den Transistoren T6, T7, T8, T9, T10 und T11 und den Widerständen RA, RB, RC und RD. Diese Schaltung ist üblicherweise in integrierten Schaltkreisen enthalten, wo sie in weitem Umfang dazu benutzt wird, an dem jeweiligen Ausgangsanschluß eine konstante Spannung VG zu erzeugen, die extrem temperaturstabil und unabhängig von Schwankungen der Versorgungsspannung ist.
Der Strom durch die Transistoren T6 und T7 der Bandlückenschaltung kann mit Hilfe eines Transistors T5 gespiegelt werden, und man kann zeigen, daß dieser Strom 12 durch folgende Beziehung gegeben ist:
I&sub2; = KT/qRA ln A (1)
wobei K die Boltzmann-Konstante, q die Elektronen-Ladung, T die Temperatur in Grad Kelvin und A die Fläche des Transistors T8 ist. Die Widerstände R, die zwischen den Emittern der Transistoren T6, T7 und T8 liegen, können wahlweise mit dem Zweck eingeführt werden, die Genauigkeit der Spiegelverhältnisse zu erhöhen, entsprechend dem dem Fachmann bekannten Stand der Technik.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform wird daher eine Bandlückenschaltung dazu ausgenützt, einen Vorstrom I&sub2; zu erzeugen, der im wesentlichen proportional ist zur Temperatur (T), und der umgekehrt proportional ist zu dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands (RA), welcher Strom zwangsweise durch eine erste Differenzstufe (Block C) geleitet wird, die durch die Tranistoren T3 und T4 und durch die relevanten Lastwiderstände R&sub2; gebildet wird.
Die zweite Differenzstufe oder Differenzausgangsstufe (Block D) setzt sich aus den Transistoren T12 und T13 und dem relevanten Generator für den Vorstrom IEE, der im wesentlichen temperaturunabhängig ist, zusammen. In der Literatur sind zahlreiche temperaturunabhängige Stromquellenschaltungen beschrieben.
Die Arbeit mit dem Titel "Analysis and Design of Analog Integrated Circuits" von P. R. Gray, R.G. Meyer, Herausgeber J. Wiley & Sons, 1984, 2. Ausgabe, enthält im Anhang A3 auf den Seiten 284 bis 296 eine Beschreibung zahlreicher temperaturunabhängiger Strom- und Spannungs-Quellenschaltungen, weiche Beschreibung hier durch ausdrückliche Bezugnahme inkorporiert wird. Andere Schaltungen dieses Typs sind dem Fachmann ebenfalls bekannt, so daß eine wiederholte Beschreibung dieser Schaltungen sich erübrigt.
Die Differenzeingangsschaltung (Block A) setzt sich zusammen aus dem Paar Transistoren T1 und T2, dem integrierten Widerstand R&sub1;, der zwischen den Emittern der beiden Transistoren liegt, und dem Paar Stromquellen für den Strom I&sub1;, die imstande sind, einen durch folgende Beziehung gegebenen Sirom abzugeben:
I&sub1; = VREF/RE (2)
wobei VREF eine konstante, temperaturunabhängige Spannung und RE ein integrierter Widerstand ist, dessen Wert also von Temperaturschwankungen beeinflußt wird. Wie deutlich werden wird, ist eine geeignete Spannung VREF in geeigneter Weise von der verfügbaren Spannung VG innerhalb der integrierten Schaltung an dem zugehörigen Anschluß der Bandlückenschaltung (B. G.) ableitbar.
Der Block B repräsentiert die jeweiligen Lasten der beiden Transistoren T1 und T2 der Differenzeingangsschaltung D1 bzw. D2. Die zwei Dioden D1 und D2 sind mit den jeweiligen Kollektoren der zwei Transistoren T1 und T2 sowie mit einem virtuellen Spannungsversorgungsknoten der Schaltung verbunden. Der Widerstand RV hat die alleinige Wirkung, einen Spannungsabfall hervorzurufen, der ausreicht, um das Paar von Transistoren T3 und T4 der ersten Differenzstufe (Block C) in einer geeigneten Zone der dynamischen Betriebskennlinie zu halten.

Analyse der Betriebsweise der Schaltung

Beim Vergleich einer temperaturstabilen Referenzspannung VR (die sich von der durch die gleiche Bandlücken-Schaltung gelieferten konstanten Spannung VG ableiten läßt) mit einer Signalspannung VAGC kann man unter der Bedingung:
R&sub1; I&sub1; > > VT (mit VT = KT/9 schreiben:
VAGC - VR/R&sub1; = x (3)
Die Differenzspannung Vd am Eingang der ersten Differenzstule T3-T4 (Block C) ist gegeben durch die Differenz zwischen VBE der Dioden D1 und D2:
Va = VBE1 - VBE2 = VT ln I&sub1; + x/I&sub1; - x (4)
Die Gleichung, die den Strom y mit der Differenzeingangsspannung Vd verknüpft, ist folgende:
y = I2/2tabhVd/2VT (5)
Einsetzen von (4) in (5) ergibt:
y = I&sub2;/2 VAGC - VR/R&sub1;I&sub1; (6)
Das Einsetzen der Gleichung (1) für I&sub2; und der Gleichung (2) für I&sub1; ergibt: Die folgende Gleichung
ist gültig für den Ausgangsstrom IOUT der von der zweiten Differenzstufe T12-T13 (Block D) erzeugt wird, und wenn VD > > VT, wird
IOUT = IEE exp (- VD/VT) (9)
erhalten.
Das Einsetzen der Gleichung (7) in die Gleichung (9) ergibt:
IOUT = IEE exp (- R&sub2;/R&sub1; RE/FA(ln (A)) VAGC-VR/VREF) (10)
Wie man sieht, ist der Ausgangsstrom IOUT gegeben durch das Produkt des konstanten Vorstroms IEE der zweften Differenzstufe (Block D), der von sich aus temperaturstabil ist, mit der Exponentialfunktion eines Verhältnisses zwischen integrierten Widerständen, wobei das Verhältnis folglich unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen ist, eines Logarithmus einer reinen Zahl und eines Verhältnisses zwischen im wesentlichen temperaturstabilen Spannungen.
Der Strom IOUT ist deshalb besonders geeignet zum Ausüben der Regelung der Verstärkung eines Verstärkers, um ein extrem genaues System für die automatische Verstärkungsregelung (AGC) zu bewirken, welches unempfindlich gegenüber Temperaturschwankiingen ist.
Die notwendige Bedingung für das zwangsweise Eintreiben eines Stroms, der proportional zur Temperatur und unbekehrt proportional zu dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands ist, in die erste dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands ist, in die erste Differenzstufe (Block C) mit dem Zweck, die gewünschte Temperaturkompensation der erfindungsgemäßen Schaltung zu ermöglichen, läßt sich auch erfüllen, wenn man Schaltungen einsetzt, die sich von der Bandlückenschaltung (Block B.G.) unterscheiden. Figur 4 zeigt eine alternativ geeignete Schaltung zum Erzeugen eines Stroms, der proportional zur Temperatur und umgekehrt proportional zu dem Wert des Temperaturkoeffizienten der integrierten Widerstände ist. Der Ausgangsstrom I&sub2; wird tatsächlich in guter Annäherung durch folgende Gleichung wiedergegeben:
I&sub2; = KT/q 1/RA (11)
Folglich kann diese ähnlich wie andere Schaltungen genutzt werden, den Strom I&sub2; zu erzeugen, der zwangsweise in die erste Differenzstufe T3- T4 der erfindungsgemäßen Schaltung eingespeist wird, wie dem Fachmann ersichtlich ist. Darüber hinaus bleibt es in integrierten Schaltkreisen, in denen eine Bandlückenschaltung bereits vorhanden ist, vorteilhaft, einen Transistor (T5) hinzuzufügen, um den notwendigen Strom I&sub2; über die erste Differenzstufe zu treiben.

Claims

1. Integrierte Schaltung zum Erzeugen eines temperaturunabhängigen Stroms, der proportional zu der Differenz zwischen einer Signalspannung (VAGC) und einer Referenzspannung (VR) ist, umfassend:

eine erste Einrichtung (B.G.), die in der Lage ist, einen Vorstrom, der direkt proportional zu der Temperatur und umgekehrt proportional zu dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands ist, zu treiben über

eine erste Differenzstufe (C) mit einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang sowie einem ersten und einem zweiten Ausgang, die in der Lage ist, eine Spannungs-/Spannungsumsetzung nach Maßgabe einer Exponentialfunktion von einer an die Eingänge angelegten Differenz-Eingangsspannung (Vd) durchzuführen;

ein Strom (IEE)-Generator, der in der Lage ist, einen konstanten Vorstrom, der im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwankungen ist, zu treiben über

eine zweite Differenzstufe (D), die einen ersten Eingang, der mit dem ersten Ausgang der ersten Differenzstufe gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem zweiten Ausgang der ersten Differenzstufe gekoppelt ist, aufweist, und die in der Lage ist, eine Spannungs-/Strom-Umsetzung nach Maßgabe einer Exponentialfunktion durchzuführen, um den genannten Ausgangsstrom (IOUT) an einem Ausgangsanschluß zu erzeugen als Funktion der an die Eingänge angelegten Differenzspannung (VD);

eine Differenzeingangsschaltung (A) mit einem ersten Eingangsanschluß, dem die Signalspannung (VAGC), und einem zweiten Eingangsanschluß, dem die Referenzspannung (VR), die im wesentlichen temperaturunabhängig ist, zugeführt wird, gebildet durch ein Paar Transistoren (T1, T2) in Emitterschaltung, jeweils vorgespannt mit Hilfe von zwei identischen Stromquellen (I&sub1;), die zwischen einem ersten Versorgungsspannungsknoten der Schaltung und den Emittern der Transistoren liegen und in der Lage sind, einen Strom zu generieren, der umgekehrt proportional zu dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands ist, wobei die Emitter über einen integrierten Widerstand (R&sub1;) miteinander verbunden sind, und wobei die Transistoren identische, in Durchlaßrichtung vorgespannte Dioden (D1, D2) als jeweilige Last aufweisen, die jeweils zwischen die Kollektoren der Transistoren und einem zweiten virtuellen Versorgungsspannungsknoten der Schaltung gekoppelt sind, wobei die Differenz-Ausgangsspannung (Vd) zwischen dem Kollektorknoten des Paars von Transistoren eine Strom/Spannungs-Umsetzung nach Maßgabe einer Logarithmus-Funktion der jeweiligen Ströme (I&sub1; + x und I&sub1; - x) darstellt, welche durch die Transistoren (T1, T2) des Paares fließen und an die Eingänge der ersten Differenzstufe (A) angelegt werden, welche Ströme eine Spannungs-/Strom-Umsetzung entsprechend einer Linear-/Logarithmusfunktion der Differenz zwischen der Signalspannung (VAGC) und der Referenzspannung (VR) repräsentieren.

2. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei der die erste Einrichtung, die in der Lage ist, einen Vorstrom zu erzeugen, der direkt proportional zu der Temperatur und umgekehrt proportional zu dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands ist, eine Bandlückenschaltung und ein Transistor (T5) ist, dessen Kollektor an einen gemeinsamen Emitterknoten eines Paares von Eingangstransistoren (T3, T4) der ersten Differenzstufe (C) gekoppelt ist, dessen Emitter im wesentlichen mit einem Versorgungsspannungsknoten gekoppelt ist, und dessen Basis an die Basen eines ersten Paares von Transistoren (T6, T7) der Bandlückenschaltung gekoppelt ist, die mit ihren Emittern an den Versorgungsspannungsknoten gekoppelt sind.

3. Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, bei der die zwei identischen Stromquellen (I&sub1;) zum Vorspannen der Transistoren (T1, T2) des Paares von Transistoren der Differenzeingangsschaltung (A) einen Strom mit einer Strärke erzeugen, die einem Verhältnis zwischen einer konstanten, temperaturstabilen Spannung und einem integrierten Widerstand gleicht.

4. Integrierte Schaltung zum Erzeugen eines Gleichstroms (IOUT) zum Steuern der Verstärkung eines Verstärkers, umfassend eine Schaltung gemäß Anspruch 1.

5. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, bei der die erste Einrichtung, die in der Lage ist, einen Vorstrom zu erzeugen, der direkt proportional zur Temperatur und umgekehrt proportional zu dem Wert mindestens eines integrierten Widerstands ist, eine Bandlückenschaltung und ein Transistor (T5) ist, dessen Kollektor an einen gemeinsamen Emitterknoten eines Paares von Eingangstransistoren (T3, T4) der ersten Differenzstufe gekoppelt ist, dessen Emitter im wesentlichen mit einem Versorgungsspannungsknoten gekoppelt ist, und dessen Basis mit den Basen eines ersten Paares von Transistoren (T6, T7) der Bandlückenschaltung gekoppelt ist, welche mft ihren jeweiligen Emittern an den Versorgungsspannungsknoten gekoppelt sind.

6. Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, bei der die zwei identischen Stromquellen (I&sub1;) zum Vorspannen der Transistoren (T1, T2) des Paares von Transistoren der Differenzeingangsschaltung (A) einen Strom erzeugen, dessen Stärke einem Verhältnis zwischen einer Konstanten, temperaturstabilen Spannung und einem integrierten Widerstand gleicht.