FR2628546A1 - Temperature-compensated LV bipolar IC source - has amplifier with NPN transistors in common-base configuration and load resistors whose ratio determines output voltage - Google Patents
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Abstract
Description
SOURCE BASSE TENSION STABILISE EN TEMPERATURE
La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés bipolaires et plus particulièrement la réalisation d'une source basse tension stabilisée en température dans de tels circuits intégrés.LOW VOLTAGE SOURCE STABILIZED IN TEMPERATURE
The present invention relates to the field of bipolar integrated circuits and more particularly to the production of a temperature-stabilized low voltage source in such integrated circuits.
On va d'abord décrire en relation avec la figure 1 une source basse tension stabilisée en température selon l'art antérieur pour montrer que ces sources sont limitées à la fourniture de tensions basses régules non inférieures à environ 1,25 volts. We will first describe in connection with Figure 1 a low temperature voltage stabilized source according to the prior art to show that these sources are limited to the provision of regulated low voltages of not less than about 1.25 volts.
Ainsi, la figure 1 représente une source de tension selon l'art antérieur comprenant deux transistors NPN à base commune T1 et T2. Le transistor T2 présente une surface d'émetteur p fois plus grande que la surface d'émetteur du transistor T1. Le collecteur et la base du transistor T1 sont interconnectés. Thus, FIG. 1 represents a voltage source according to the prior art comprising two NPN transistors with a common base T1 and T2. The transistor T2 has a transmitter area p times larger than the emitter area of the transistor T1. The collector and the base of transistor T1 are interconnected.
L'émetteur du transistor TI est relie directement à la masse et l'émetteur, de plus grande surface, du transistor T2 est relié à la masse par l'intermédiaire d'une résistance rl. Les transistors T1 et T2 sont respectivement traversés par des courants I et mI fournis par exemple par des transistors PNP de surfaces différentes T3 et T4 montés en miroir de courant, c'est-à-dire que leurs bases sont interconnectes et reliées à la base de l'un des transistors et que leurs émetteurs sont reliés à la source d'alimefi- tation haute VC. Un transistor PNP T5, également connecté en miroir de courant avec les transistors T3 et T4, fait passer un courant mI dans la connexion en série d'une résistance r2 et d'un transistor NPN T6 monté en diode.La tension stabilisée est disponible aux bornes de cette connexion ensérie entre une borne de sortie 1 et la masse.The emitter of the transistor TI is connected directly to ground and the emitter, of greater surface area, of the transistor T2 is connected to ground via a resistor rl. The transistors T1 and T2 are respectively traversed by currents I and MI provided for example by PNP transistors of different surfaces T3 and T4 mounted in current mirror, that is to say that their bases are interconnected and connected to the base. of one of the transistors and that their emitters are connected to the source of high power VC. A PNP transistor T5, also connected in current mirror with the transistors T3 and T4, passes a current mI in the series connection of a resistor r2 and a diode-mounted NPN transistor T6. The stabilized voltage is available at terminals of this connection ensured between an output terminal 1 and ground.
Comme cela est connu, ce montage peut, avec un choix approprié du rapport-de surface p des transistors T1 et T2 et un choix approprié des valeurs des résistances r2 et r1 fournir une tension à coefficient de température nul. En effet, la tension
V1 sur la borne 1 est égale à la somme de la chute de tension dans la résistance r2 parcourue par le courant mI et de la chute de tension base-émetteur VBE6 (ou plus simplement VBE) du transistor
T6. Ainsi
V1 = r2mI + VBE. (1)
Le courant MI traversant également la résistance rl, on voit que
r1mI = VBE1 - VBE2, (2) VBEl-étant la chute de tension base-émetteur du transistor T1 et
VBE2 la chute de tension base-émetteur du transistor T2.As is known, this arrangement can, with an appropriate choice of the surface-ratio p of the transistors T1 and T2 and an appropriate choice of the values of the resistors r2 and r1 provide a voltage with a zero temperature coefficient. Indeed, the tension
V1 on the terminal 1 is equal to the sum of the voltage drop in the resistor r2 traversed by the current mI and the base-emitter voltage drop VBE6 (or more simply VBE) of the transistor
T6. So
V1 = r2mI + VBE. (1)
The MI current also crossing the resistance rl, we see that
r1mI = VBE1 - VBE2, (2) VBE1-being the base-emitter voltage drop of transistor T1 and
VBE2 the base-emitter voltage drop of transistor T2.
En combinant les équations (1) et (2) et en appelant AVBE la valeur VBE1 - VBE2, on obtient
V1 = (r2/rl)AVBE + VBE. (3)
La tension base-émetteur d'un transistor s'exprimant en fonction du courant I qui le traverse, du courant de seuil Is, de la température T et de paramètres connus k et q par l'expression
VBE = (kT/q)Ln(I/Is), on a
QVBE = (kT/q)Ln(p/m), c'est-à-dire que la valeur V1 s'exprime comme la somme d'un premier terme (r2/rl)AVBE qui croît avec la température et d'un deuxième terme VBE dont il est connu qu'il décroît avec la température.Les coefficients de température de AVBE et VBE sont sensiblement égaux (environ 2 mV/OC) et de signes opposés comme on l'a vu ci-dessus. Ainsi, pour que la valeur V1 ait un coefficient de température nul, il faut que (r2/rl)AVBE soit sensiblement égal à à VBE. Il en résulte qu'avec ces sources de tension stabilisées en température de l'art antérieur, on est inévitablement amené à une valeur minimale de la tension stabilisée en température de l'ordre de 2VBE (environ 1,25 volts).By combining equations (1) and (2) and calling AVBE the value VBE1 - VBE2, we get
V1 = (r2 / rl) AVBE + VBE. (3)
The base-emitter voltage of a transistor which is expressed as a function of the current I passing through it, of the threshold current Is, of the temperature T and of known parameters k and q by the expression
VBE = (kT / q) Ln (I / Is), we have
QVBE = (kT / q) Ln (p / m), that is to say that the value V1 is expressed as the sum of a first term (r2 / rl) AVBE which increases with the temperature and of a second term VBE which is known to decrease with temperature. The temperature coefficients of AVBE and VBE are substantially equal (about 2 mV / OC) and of opposite signs as seen above. Thus, for the value V1 to have a coefficient of zero temperature, it is necessary that (r2 / r1) AVBE is substantially equal to VBE. As a result, with these temperature stabilized voltage sources of the prior art, it is inevitably brought to a minimum value of the temperature stabilized voltage of the order of 2VBE (about 1.25 volts).
Dans le domaine des circuits intégrés bipolaires, on connaît des circuits pour fournir I partir d'une tension régulée stabilisée en température une tension plus élevée présentant également une impédance de sortie faible et une faible consommat ion de puissance mais on ne connait pas de circuits pour obtenir simplement une tension régulée plus faible à partir d'une tension régulée stabilisée donnée. In the field of bipolar integrated circuits, there are known circuits for supplying a higher voltage voltage, also having a low output impedance and a low power consumption, from a temperature stabilized regulated voltage, but there are no known circuits for simply obtain a lower regulated voltage from a given stabilized regulated voltage.
En conséquence, un objet de la présente invention est de prévoir une source de tension stabilisée en température pouvant avoir toute valeur choisie inférieure à environ 2 VBE (environ 1,25 volts). Accordingly, it is an object of the present invention to provide a temperature stabilized voltage source that can have any chosen value less than about 2 VBE (about 1.25 volts).
En particulier, on cherche à obtenir une source de tension régulée stabilisée en température pouvant avoir des valeurs aussi faibles que quelques dizaines de millivolts. In particular, it is sought to obtain a regulated temperature stabilized voltage source that can have values as low as a few tens of millivolts.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une source brasse tension stabilisée comprenant un amplificateur à décalage de tension choisi (V) et stabilisé en température comprenant
- deux transistors NPN à base commune présentant un rapport de surfaces d'émetteurs déterminé (p),
- des moyens pour injecter un même courant dans chacun des collecteurs des transistors et pour polariser leurs bases,
- une première résistance ayant une première valeur déterminée (R1) entre la base et l'émetteur du premier transistor
- des deuxièmes résistances ayant de mêmes deuxièmes valeurs déterminées (R2) entre chaque émetteur et une borne respective d'entrée de l'amplificateur,
- d'où il résulte que
v = (R2/Rl)VBEl + AUBE,
VBE1 étant la tension base-émetteur du premier transistor, et EVBE la différence de tension base-émetteur des deux transistors. To achieve these and other objects, the present invention provides a stabilized voltage feeder source comprising a selected voltage offset (V) and temperature stabilized amplifier comprising
two NPN transistors with a common base having a given emitter area ratio (p),
means for injecting the same current into each of the collectors of the transistors and for polarizing their bases,
a first resistor having a first determined value (R1) between the base and the emitter of the first transistor
second resistors having the same second determined values (R2) between each emitter and a respective input terminal of the amplifier,
- from which it follows that
v = (R2 / R1) VBE1 + AUBE,
VBE1 being the base-emitter voltage of the first transistor, and EVBE the base-emitter voltage difference of the two transistors.
Les valeurs R2/R1 et p sont choisis pour que la tension de décalage V ait une amplitude choisie et un coefficient de température sensiblement nul.The values R2 / R1 and p are chosen so that the offset voltage V has a selected amplitude and a substantially zero temperature coefficient.
On voit qu'avec la présente invention, il s'agit d'obtenir un coefficient de température nul pour une expression qui n'est plus du type
(r2/r1)VBE + VBE mais du type
AVBE + (R2/R1)VBE. It can be seen that with the present invention, it is a question of obtaining a zero temperature coefficient for an expression which is no longer of the type
(r2 / r1) VBE + VBE but of the type
AVBE + (R2 / R1) VBE.
Ainsi, on pourra obtenir toute valeur de tension stabilisée choisie régulée en température sensiblement égale I 2(R2/Rl)VBE et non plus 2VBE. Thus, it will be possible to obtain any regulated stabilized voltage value that is regulated at a temperature substantially equal to 2 (R2 / R1) VBE and no longer 2VBE.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens pour injecter un même courant sont constitués d'un miroir de courant, et les moyens pour polariser les bases comprennent un troisième transistor NPN dont la base est reliée au collecteur du premier transistor, l'émetteur est relié à la base commune des premier et deuxième transistors, le collecteur est relié à une source d'alimentation. According to one embodiment of the present invention, the means for injecting the same current consist of a current mirror, and the means for biasing the bases comprise a third NPN transistor whose base is connected to the collector of the first transistor, transmitter is connected to the common base of the first and second transistors, the collector is connected to a power source.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit amplificateur a son entrée non-inverseuse reliée à la masse, son entrée inverseuse reliée à la masse par l'intermédiaire d'une troisième résistance et à une borne de sortie de la source par l'intermédiaire d'une quatrième résistance, et sa sortie, prise sur le collecteur du deuxième transistor, reliée à la base d'un quatrième transistor dont le collecteur est connecté à une source de tension haute, la base à des moyens de polarisation et l'émetteur à ladite borne de sortie de la source. According to an embodiment of the present invention, said amplifier has its non-inverting input connected to ground, its inverting input connected to ground via a third resistor and to an output terminal of the source by intermediate of a fourth resistor, and its output, taken on the collector of the second transistor, connected to the base of a fourth transistor whose collector is connected to a high voltage source, the base to polarization means and the emitter at said output terminal of the source.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la sortie de l'amplificateur est reliée à la base du quatrième transistor par l'intermédiaire de moyens d'amplification. According to one embodiment of the present invention, the output of the amplifier is connected to the base of the fourth transistor by means of amplification means.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens d'amplification comprennent un cinquième transistor recevant sur sa base la sortie de l'amplificateur, dont le collecteur est relié 1 l'alimentation, et dont l'émetteur est relié à la base d'un sixième transistor et à une première borne d'une résistance dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du sixième transistor et à la masse, le collecteur du sixième transistor étant relié à la base du cinquième transistor par l'intermédiaire d'un condensateur, 1 la source d'alimentation par l'intermédiaire de moyens de polarisation, et à la base du quatrième transistor. According to one embodiment of the present invention, the amplification means comprise a fifth transistor receiving on its base the output of the amplifier, whose collector is connected to the power supply, and whose transmitter is connected to the base a sixth transistor and a first terminal of a resistor whose other terminal is connected to the emitter of the sixth transistor and to the ground, the collector of the sixth transistor being connected to the base of the fifth transistor via a capacitor, the power source via polarization means, and the base of the fourth transistor.
Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers de la présente invention faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles
la figure 1, décrite précédemment, représente une source régulée stabilisée en température selon l'art antérieur ;
la figure 2 représente, partiellement sous forme de blocs, une source basse tension selon la présente invention
la figure 3 représente un mode de réalisation de l'amplificateur représenté en figure 2 ; et
la figure 4 représente un schéma d'ensemble plus détaillé d'un mode de réalisation d'une source basse tension selon la présente invention.These and other objects, features, and advantages of the present invention will be set forth in greater detail in the following description of particular embodiments of the present invention in connection with the accompanying figures among which:
FIG. 1, previously described, represents a regulated temperature-stabilized source according to the prior art;
FIG. 2 represents, partially in the form of blocks, a low voltage source according to the present invention
Figure 3 shows an embodiment of the amplifier shown in Figure 2; and
Figure 4 shows a more detailed block diagram of an embodiment of a low voltage source according to the present invention.
La figure 2 représente de façon schématique une source basse tension régulée stabilisée en température selon la présente invention. Cette source comprend un amplificateur A présentant entre ses bornes non-inverseuse et inverseuse une tension de décalage (tension d'offset) prédéterminée V stable et indépendante de la température. La borne d'entrée non-inverseuse de cet amplificateur est reliée directement la masse (ou autre potentiel de référence bas). La borne d'entrée inverseuse de l'amplificateur A est reliée la masse par l'intermédiaire d'une résistance RA et une borne de sortie 10 de la source basse tension par l'intermédiaire d'une résistance RB.L'amplificateur de courant A fournit un courant 10 à la base d'un transistor NPN T10 dont le collecteur est relié à une tension d'alimentation VC et dont l'émetteur est relié à la borne 10 sur laquelle est disponible la tension'de sortie Vs de la source de tension stabilisée. La base du transistor
TlO est alimentée par des moyens de polarisation 11, représentés sous forme d'une source de courant. Ainsi, quand l'état d'équilibre de ce circuit est atteint, le courant de sortie de l'amplificateur A est nul et la tension de décalage V entre les bornes d'entrée est disponible aux bornes de la résistance RA.On obtient -donc sur la borne de sortie 10 une tension Vs telle que
Vs = V [1 + (RB/RA)]
On notera que si RB est nul, VS = V et que l'on peut donc choisir selon la valeur de RB toute valeur supérieure à V comme tension de sortie Vs. Si, comme on l'a indiqué précédemment,
V est une tension stabilisée en température, Vs sera également une tension stabilisée en température. D'autre part, il est bien clair que la tension Vs est une tension régulée.Figure 2 schematically shows a temperature stabilized regulated low voltage source according to the present invention. This source comprises an amplifier A having between its non-inverting and inverting terminals a predetermined offset voltage (offset voltage) V stable and independent of the temperature. The non-inverting input terminal of this amplifier is directly connected to ground (or other low reference potential). The inverting input terminal of the amplifier A is connected to the ground via a resistor RA and an output terminal 10 of the low voltage source via a resistor RB.The current amplifier A provides a current 10 at the base of an NPN transistor T10 whose collector is connected to a supply voltage VC and whose emitter is connected to the terminal 10 on which the output voltage Vs of the source is available. stabilized voltage. The base of the transistor
T10 is fed by polarization means 11, represented as a current source. Thus, when the equilibrium state of this circuit is reached, the output current of the amplifier A is zero and the offset voltage V between the input terminals is available across the resistor RA. so on the output terminal 10 a voltage Vs such that
Vs = V [1 + (RB / RA)]
It will be noted that if RB is zero, VS = V and that it is therefore possible to choose, according to the value of RB, any value greater than V as the output voltage Vs. If, as indicated previously,
V is a voltage stabilized in temperature, Vs will also be a voltage stabilized in temperature. On the other hand, it is clear that the voltage Vs is a regulated voltage.
Outre la prévision de ce schEma général, la présente invention prévoit un amplificateur de courant particulier présentant une tension. de décalage déterminée indépendante de la température entre ses bornes d'entrée. Un exemple d'un tel amplificateur est illustré en figure 3. Cet amplificateur comprend deux transistors Q1 et Q2 à base commune dont les émetteurs sont reliés aux bornes d'entrée e et e de l'amplificateur A par des résistances respectives R2 et R3. La base commune des transistors Q1 et
Q2 est reliée à l'émetteur du transistor Ql par l'intermédiaire d'une résistance R1.Le transistor Q2 a un émetteur présentant une surface p fois plus grande que celle du transistor Q1. Des-courants égaux I sont injectés dans les collecteurs des transistors Q1 et
Q2 par des sources de courant égales 13 et 14 (dans la pratique un montage en miroir de courant). La borne de sortie 15 de l'amplif i- cateur est prise sur le collecteur du transistor Q2. Des moyens de polarisation, représentés sous forme d'un amplificateur de courant disposé entre le collecteur et la base du transistor Ql, servent à polariser les bases des transistors Q1 et Q2 et à permettre la circulation d'un courant dans la résistance R1.In addition to providing for this general scheme, the present invention provides a particular current amplifier having a voltage. determined offset independent of the temperature between its input terminals. An example of such an amplifier is illustrated in FIG. 3. This amplifier comprises two common base transistors Q1 and Q2 whose emitters are connected to input terminals e and e of amplifier A by respective resistors R2 and R3. The common base of transistors Q1 and
Q2 is connected to the emitter of transistor Q1 via a resistor R1. Transistor Q2 has an emitter having a surface p times larger than that of transistor Q1. Equal currents I are injected into the collectors of transistors Q1 and
Q2 by equal current sources 13 and 14 (in practice a current mirror arrangement). Output terminal 15 of the amplifier is taken from the collector of transistor Q2. Polarization means, represented in the form of a current amplifier disposed between the collector and the base of the transistor Q1, serve to bias the bases of the transistors Q1 and Q2 and to allow the flow of a current in the resistor R1.
Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. On déf i- nit la tension de décalage (ou tension d'offset) comme la tension
V qutil faut appliquer entre les entrées + et - pour que le courant de sortie lo vers la borne 15 soit nul, c'est-à-dire que les courants de collecteur des transistors Q1 et Q2 sont égaux au courant I.On a alors comme tension V
v R2(I + I1) + VBE1 - VBE2 - R3I
En notant que I1 = VBEl!Rl, en choisissant R2 = R3, et en posant
AVBE = VBE1 - VBE2, on obtient
V = (R2/RI)VBEl + AVBE. (4)
Cette relation ressemble à la relation (3) mentionnée précédemment sauf que le facteur R2/R1 affecte maintenant la tension VBE. Comme précédemment, VBE est une tension présentant un coefficient de température négatif et AVBE est une tension présentant un coefficient de température positif sensiblement égal.On voit donc que, selon la présente invention, en choisissant convenablement R2/R1 et le rapport p des surfaces d'émetteur des transistors Ql et Q2, on peut obtenir une tension stabilisée en température ayant une valeur sensiblement égale 1 2(R2/R1)VBE. Ainsi, en choisissant
R2/R1 nettement inférieur 1 1, on peut avoir des tensions régulées de l'ordre de quelques dizaines de millivolts.The operation of this circuit is as follows. We set the offset voltage (or offset voltage) as the voltage
V must be applied between the inputs + and - so that the output current lo to the terminal 15 is zero, that is to say that the collector currents of the transistors Q1 and Q2 are equal to the current I.On then as voltage V
v R2 (I + I1) + VBE1 - VBE2 - R3I
Noting that I1 = VBE1! R1, choosing R2 = R3, and asking
AVBE = VBE1 - VBE2, we get
V = (R2 / RI) VBE1 + AVBE. (4)
This relation resembles the relation (3) previously mentioned except that the factor R2 / R1 now affects the VBE voltage. As previously, VBE is a voltage having a negative temperature coefficient and AVBE is a voltage having a substantially equal positive temperature coefficient. It is thus seen that, according to the present invention, by appropriately selecting R2 / R1 and the ratio p of the When emitting transistors Q1 and Q2, a temperature stabilized voltage having a value substantially equal to 2 (R2 / R1) VBE can be obtained. So, by choosing
R2 / R1 significantly lower 1 1, one can have regulated voltages of the order of a few tens of millivolts.
La figure 4 représente un exemple de réalisation plus détaillé de la présente invention. Dans cette figure, de mêmes éléments qu'en figures 2 et 3 sont désignés par de mêmes références numériques. Figure 4 shows a more detailed exemplary embodiment of the present invention. In this figure, the same elements as in Figures 2 and 3 are designated by the same reference numerals.
On retrouve donc dans cette figure l'amplificateur A dans lequel le moyen de polarisation des bases communes des transistors Q1 et Q2 est constitué d'un transistor Q16 dont la base est reliée au collecteur du transistor Q1, dont l'émetteur est relié à la base commune des transistors Q1 et Q2 et dont le collecteur est relié à la tension haute VC. This figure therefore shows the amplifier A in which the means for biasing the common bases of the transistors Q1 and Q2 consists of a transistor Q16 whose base is connected to the collector of the transistor Q1, the emitter of which is connected to the transistor. common base of the transistors Q1 and Q2 and whose collector is connected to the high voltage VC.
Les sources de courant 13 et 14 sont réalisées au moyen de transistors PNP Q13 et Q14 montés en miroir de courant avec un transistor PNP Q15 relié à la masse par l'intermédiaire d'une source de courant 20. The current sources 13 and 14 are made by means of PNP transistors Q13 and Q14 mounted in current mirrors with a PNP transistor Q15 connected to ground via a current source 20.
La sortie 15 de l'amplificateur A, au lieu d'être reliée directement à la base du transistor T10 comme en figure 2, est reliée à cette base par l'intermédiaire d'un étage d'amplification comprenant un transistor NPN Q20 dont la base est reliée à la borne 15, dont le collecteur est relié à la tension d'alimentation
VC, et dont l'émetteur est relié à la base d'un transistor Q21 et à la première borne d'une résistance R4 dont l'autre borne est reliée à l'émetteur du transistor Q21 et à la masse. La base du transistor Q20 est également reliée au collecteur du transistor
Q21 par l'intermédiaire d'un condensateur C1. Le collecteur du transistor Q21 est également relié I la tension d'alimentation VC par l'intermédiaire de la source de courant 11 et à la base du transistor Tl0. Cet étage d'amplification permet d'augmenter le gain du système et de réduire l'impédance de sortie.The output 15 of the amplifier A, instead of being directly connected to the base of the transistor T10 as in FIG. 2, is connected to this base via an amplification stage comprising an NPN transistor Q20 whose base is connected to terminal 15, whose collector is connected to the supply voltage
VC, and whose emitter is connected to the base of a transistor Q21 and the first terminal of a resistor R4 whose other terminal is connected to the emitter of the transistor Q21 and grounded. The base of the transistor Q20 is also connected to the collector of the transistor
Q21 via a capacitor C1. The collector of the transistor Q21 is also connected to the supply voltage VC via the current source 11 and to the base of the transistor T10. This amplification stage makes it possible to increase the gain of the system and to reduce the output impedance.
Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes, notamment en ce qui concerne la réalisation d'un étage d'amplification intermédiaire, les modes de polarisation des bases de transistors, etc. De même, il serait possible d'inverser tous les types de conductivité des transistors décrits. Of course, the present invention is capable of numerous variants, in particular as regards the production of an intermediate amplification stage, the polarization modes of the transistor bases, etc. Likewise, it would be possible to invert all the types of conductivity of the transistors described.
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FR2628546B1 (en) | 1990-12-28 |
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