DE10213515A1

DE10213515A1 - Device with shunt regulator producing internal supply voltage for vehicle and sensor circuitry, includes second highly-amplifying stage following shunt regulator, to control output stage

Info

Publication number: DE10213515A1
Application number: DE2002113515
Authority: DE
Inventors: Mario Motz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-12-18
Anticipated expiration: 2022-03-27
Also published as: DE10213515B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer internen Versorgungsspannung (VDDint) mit einem Shuntregler (10, 12, 16). Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine zweite hoch verstärkende Stufe (14), die dem Shuntregler (10, 12, 16) nachgeschaltet ist, und durch eine dritte Stufe aus, die einen Transistor (28) umfasst, der die Versorgungsspannung (VDDint) regelt, und von der zweiten Stufe angesteuert wird. Die zweite und dritte Stufe bewirken, dass der Shuntstrom von der Last abgekoppelt und daher relativ unabhängig von dieser geregelt werden kann.The invention relates to a device for generating an internal supply voltage (VDDint) with a shunt regulator (10, 12, 16). The device is characterized by a second high-gain stage (14) which is connected downstream of the shunt regulator (10, 12, 16) and by a third stage which comprises a transistor (28) which regulates the supply voltage (VDDint), and is controlled by the second stage. The second and third stages ensure that the shunt current is decoupled from the load and can therefore be regulated relatively independently of it.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung mit einem Shuntregler gemäß Anspruch 1. The invention relates to a device for generating according to a supply voltage with a shunt regulator Claim 1.

Shuntregler werden beispielsweise in linearen Spannungsreglern zur Erzeugung einer geregelten Versorgungsspannung eingesetzt. Ein Shuntregler dient dazu, einen überschüssigen Strom von einer Stromquelle gegen Masse abzuleiten. Als Regelelemente werden überwiegend Transistoren eingesetzt, die von einem Verstärker angesteuert werden, der die zu regelnde Versorgungsspannung mit einer Referenzspannung vergleicht und davon abhängig die Transistoren steuert. Zur Erzeugung der Referenzspannung wird in der Regel eine Bandgapschaltung eingesetzt, die von der zu regelnden Versorgungsspannung gespeist wird. Shunt controllers are, for example, in linear Voltage regulators for generating a regulated Supply voltage used. A shunt regulator is used an excess current from a power source to ground derive. Transistors are predominantly used as control elements used, which are controlled by an amplifier, the the supply voltage to be regulated with a Compares the reference voltage and depending on that Controls transistors. To generate the reference voltage usually a bandgap circuit used by the to regulating supply voltage is fed.

Um aus einer hohen externen Versorgungsspannung eine niedrige, geregelte Versorgungsspannung zu erzeugen, werden meistens so genannte zweitstufige Bandgap-Regler eingesetzt. Derartige Regler weisen eine erste Stufe auf, die ein Regelsignal zum Einstellen einer zweiten Stufe erzeugt. Die zweite Stufe ist hierbei mit der externen, ungeregelten Versorgungsspannung verbunden. Die zweite Stufe kann auch durch einen Shuntregler gegen Masse gebildet sein. Es ist auch bekannt, als zweite Stufe einen Emitter- oder Source- Folger einzusetzen. To get a high external supply voltage to produce low, regulated supply voltage mostly so-called two-stage band gap controllers used. Such controllers have a first stage, the Control signal for setting a second stage generated. The second stage is the external, unregulated one Supply voltage connected. The second stage can also be formed by a shunt regulator against ground. It is also known as an emitter or source Use follower.

Fig. 5 zeigt einen derartigen zweistufigen Bandgap- Regler, bei dem als zweite Stufe ein als Emitter-Folger geschalteter npn-Bipolartransistor 40 eingesetzt ist. Der Kollektor des Transistors 40 ist mit einer externen, ungeregelten Versorgungsspannung VDDext verbunden. FIG. 5 shows such a two-stage band gap controller, in which an npn bipolar transistor 40 connected as an emitter follower is used as the second stage. The collector of transistor 40 is connected to an external, unregulated supply voltage VDDext.

Emitterseitig ist der Transistor 40 mit einer Last 24 verbunden. Zur Ansteuerung der Basis des Transistors 40 ist ein Verstärker 12 vorgesehen, der eingangsseitig mit einer Bandgapschaltung 10 beschaltet ist. Während der Verstärker 12 von der externen, ungeregelten Versorgungsspannung VDDext versorgt wird, wird die Bandgapschaltung 10 von einer internen, geregelten Versorgungsspannung VDDint gespeist, die im wesentlichen über den Transistor 40 eingestellt wird. Bandgapschaltung 10 und Verstärker 12 bilden die erste Stufe dieses zweistufigen Bandgap-Reglers. Ein Kondensator C1 (Bezugszeichen 18) liegt am Ausgang des Verstärkers 12 gegen Masse. Er dient der einfachen, robusten und EMG-festen dynamischen Kompensation. Dieser Regler hat jedoch den gravierenden Nachteil, dass in der Ausgangsstufe ein hoher Spannungsabfall von mindestens einer Basis-Emitterspannung stattfindet. Demnach ist die Höhe der internen, geregelten Versorgungsspannung VDDint auf ungefähr VDDext-0.8V begrenzt. On the emitter side, transistor 40 is connected to a load 24 . To control the base of transistor 40 , an amplifier 12 is provided, which is connected on the input side to a bandgap circuit 10 . While the amplifier 12 is supplied by the external, unregulated supply voltage VDDext, the bandgap circuit 10 is fed by an internal, regulated supply voltage VDDint, which is essentially set via the transistor 40 . Bandgap circuit 10 and amplifier 12 form the first stage of this two-stage bandgap regulator. A capacitor C1 (reference number 18 ) is connected to ground at the output of the amplifier 12 . It is used for simple, robust and EMG-proof dynamic compensation. However, this regulator has the serious disadvantage that a high voltage drop of at least one base-emitter voltage takes place in the output stage. Accordingly, the level of the internal, regulated supply voltage VDDint is limited to approximately VDDext-0.8V.

In Fig. 6 ist ein weiterer zweistufiger Bandgap-Regler dargestellt, der im Unterschied zu dem in Fig. 5 gezeigten Regler anstelle des Transistors 40 eine Stromquelle 42 sowie einen als Shuntregler geschalteten pnp-Bipolartransistors 44 aufweist. Der Transistor 44 wird vom Verstärker 12 angesteuert. Seine Laststrecke ist zwischen die interne, geregelte Versorgungsspannung VDDint und Masse geschaltet. Über den Transistor 44 wird überschüssiger Strom von der Stromquelle 42 gegen Masse abgeleitet. Nachteilig an diesem Bandgap-Regler ist ein permanenter hoher Konstantstrom, aufgrund dessen der Eigenstromverbrauch insbesondere bei niedrigen Lastströmen relativ hoch ist. Ferner ist der Laststrom durch den eingestellten Konstantstrom begrenzt; er kann nämlich nur kleiner als dieser sein. Schließlich entspricht die Regelgenauigkeit nur der eines einstufigen Operationsverstärkers, da die Verstärkung der zweiten Stufe, die im wesentlichen durch den Transistor 44 gebildet ist, etwas geringer als 1 ist. In FIG. 6, a further two-stage band-gap regulator is represented, which has in contrast to that shown in Fig. 5 controller instead of the transistor 40, a current source 42 and a shunt regulator connected as a pnp bipolar transistor 44th The transistor 44 is driven by the amplifier 12 . Its load path is connected between the internal, regulated supply voltage VDDint and ground. Excess current is diverted from the current source 42 to ground via the transistor 44 . A disadvantage of this bandgap regulator is a permanent high constant current, due to which the self-consumption is relatively high, especially at low load currents. Furthermore, the load current is limited by the constant current set; it can only be smaller than this one. Finally, the control accuracy corresponds only to that of a single-stage operational amplifier, since the gain of the second stage, which is essentially formed by transistor 44 , is somewhat less than 1.

Von Vorteil ist bei den beiden oben erläuterten Reglern allerdings, dass die dynamischen Stabilitätsanforderungen unkompliziert und robust zu erfüllen sind. Dies liegt insbesondere an der durch den Kondensator 18 gebildeten Kapazität am Ausgang der ersten Stufe. An advantage of the two controllers explained above is that the dynamic stability requirements are uncomplicated and robust to meet. This is due in particular to the capacitance formed by the capacitor 18 at the output of the first stage.

Um Regelabweichungen zu verringern, sind zweistufige Regelverstärker vorgeschlagen worden, in denen die Verstärkung der zweiten Stufe sehr viel höher als 1 ist. Diese Regelverstärker bzw. Regler sind jedoch noch komplizierter dynamisch zu kompensieren, was um so mehr gilt, wenn auch noch eine sehr gute Störsignalunterdrückung gefordert ist. Auch ist bei diesen Reglern in den meisten Fällen die Stromaufnahme der zweiten Stufe noch relativ hoch, da deren Grundstromaufnahme schon sehr hoch ist. To reduce control deviations, there are two stages Control amplifiers have been proposed in which the Second stage gain is much higher than 1. However, these control amplifiers or controllers are still more complex to compensate dynamically, which is all the more true albeit a very good noise suppression is required. Also in most of these regulators If the current consumption of the second stage is still relatively high, since their base current consumption is already very high.

Weiterhin wurden mehrstufige Regler vorgeschlagen, die eine sehr gute Regelgenauigkeit aufweisen. Diese sind aber noch komplizierter als die vorher beschriebenen zweistufigen Regelverstärker mit einer sehr hohen Verstärkung in der zweiten Stufe zu stabilisieren und robust gegen Störsignale auszulegen. Ein Beispiel eines dreistufigen Reglers ist in dem Aufsatz "A Low-Power Differential CMOS Bandgap-Reference" T. L. Brooks, A. L. Westwick, IEEE-ISSCC 1994, Digest of Technical Papers, S. 248-249, angegeben. Dieser Regler regelt letztlich die Stromaufnahme in einem Shuntzweig. Allerdings ist der zu realisierende Kompromiss zwischen Stromaufnahme und Lastregelgeschwindigkeit nachteilig: Je größer das Stromspiegelverhältnis, desto kleiner zwar die Stromaufnahme, desto größer aber eine erforderliche Kompensationskapazität. Diese muss obendrein noch größer als gewöhnlich ausgelegt werden, da die parasitäre Polfrequenz im Ausgangsstromspiegel kleiner wird. Das jedoch führt wiederum zu langsamen Lastregelgeschwindigkeiten. Furthermore, multi-stage controllers have been proposed which have very good control accuracy. However, these are even more complicated to stabilize than the previously described two-stage control amplifiers with a very high gain in the second stage and to be designed robustly against interference signals. An example of a three-stage controller is given in the article "A Low-Power Differential CMOS Bandgap-Reference" TL Brooks, AL Westwick, IEEE-ISSCC 1994 , Digest of Technical Papers, pp. 248-249. This controller ultimately regulates the current consumption in a shunt branch. However, the compromise to be realized between current consumption and load regulation speed is disadvantageous: the larger the current mirror ratio, the smaller the current consumption, but the greater the required compensation capacity. On top of that, this must be designed to be larger than usual, since the parasitic pole frequency in the output current mirror becomes smaller. However, this in turn leads to slow load regulation speeds.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung mit einem Shuntregler vorzuschlagen, mit der einerseits die Versorgungsspannung stabil geregelt werden kann und die andererseits einen geringen Eigenstromverbrauch aufweist, einen großen Laststrombereich abdecken kann und unempfindlich gegenüber Störsignalen ist. The object of the invention is therefore to provide a device for Generation of a supply voltage with a shunt regulator to propose with the one hand the supply voltage can be regulated stably and on the other hand, one has low self-consumption, a large one Can cover load current range and insensitive to Interference signals.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung mit einem Shuntregler mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen, Ausgestaltungen und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. This task is accomplished by a device for generation a supply voltage with a shunt regulator with the Features solved according to claim 1. More beneficial Embodiments, configurations and aspects of present invention result from the dependent Claims, the description and the accompanying Drawings.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, einen Shuntregler mit einer insbesondere hoch verstärkenden zweiten und dritten Stufe derart zu kombinieren, dass die Vorteile eines robusten Shuntreglers und der zweiten und dritten Stufe erhalten bleiben, ohne deren Nachteile zu haben. Dies betrifft insbesondere Stromaufnahme, Robustheit, insbesondere dynamische Stabilität unter allen möglichen Betriebszuständen, Spannungsabfall, Lastbereich, Störunterdrückung und/oder Lastregelgeschwindigkeit. Hierbei soll die Regelgenauigkeit der einer zwei- bis dreistufigen Verstärkeranordnung entsprechen. Eine derartige Vorrichtung kann vorteilhafterweise in Schaltkreisen eingesetzt werden, die mit einer insbesondere ungeregelten Versorgungsspannung gespeist werden und eine intern herabgesetzte und geregelte Versorgungsspannung mit hoher Stabilität und geringem Eigenstromverbrauch benötigen. Derartige Schaltkreise können beispielsweise in einer hoch integrierten Technologie ausgeführt sein, in der sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders vorteilhaft implementieren lässt. Vorzugsweise soll ein geringer Spannungsabfall zwischen einer externen Betriebsspannung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer aus dieser erzeugten Versorgungsspannung vorliegen. An essential idea of the invention is a shunt regulator with a particularly high gain to combine the second and third stages such that the Advantages of a robust shunt regulator and the second and third stage remain without their disadvantages to have. This applies in particular to power consumption, robustness, especially dynamic stability among all possible Operating conditions, voltage drop, load range, Interference suppression and / or load regulation speed. in this connection the control accuracy of a two- to three-stage Amplifier arrangement correspond. Such a device can advantageously be used in circuits, those with a particularly unregulated supply voltage be fed and an internally reduced and regulated Supply voltage with high stability and low Need own power consumption. Such circuits can for example in a highly integrated technology be carried out in the device according to the invention can be implemented particularly advantageously. Preferably should a small voltage drop between an external Operating voltage of the device according to the invention and one from this generated supply voltage.

Konkret betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung mit einem Shuntregler. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine zweite hoch verstärkende Stufe, die dem Shuntregler nachgeschaltet ist, und eine dritte Stufe aus, die einen Transistor, der die Versorgungsspannung regelt, umfasst und die von der zweiten Stufe angesteuert wird. Die zweite und dritte Stufe bewirken, dass der Shuntstrom klein dimensioniert werden kann und von der Last abgekoppelt und daher relativ unabhängig von dieser geregelt werden kann. Durch die Regelung der Versorgungsspannung durch den einzelnen Transistor der dritten Stufe kann die Stromaufnahme der Vorrichtung und der Spannungsabfall zwischen einer externen Spannung, welche die Vorrichtung speist, und der erzeugten Versorgungsspannung verringert werden. Insbesondere ist die Stromaufnahme gegenüber einem Strom der Last in allen Betriebszuständen der Vorrichtung nur um einen Minimalbetrag größer. Hierdurch kann der Lastbereich sehr groß ausgelegt werden, während die Stromaufnahme nicht unnötig in einem oder anderen Betriebsfall erhöht ist. Eine hohe innere Stabilität kann durch eine Gegenkopplung der zweiten und dritten Stufe mit der Impedanz des Shuntreglers eine hohe innere Stabilität erreicht werden. Ebenso kann eine hohe Stabilität der zweiten und dritten Stufe durch ein entsprechend dimensioniertes Stellglied für den Transistor der dritten Stufe erzielt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Regelgeschwindigkeit der durch die zweite und dritte Stufe gebildeten inneren Schleife hoch gewählt werden kann, da diese Schleife durch den Shuntregler überbrückt wird und so auf eine kleine Verstärkung von ca. 1 eingestellt ist, wodurch diese Schleife keine Eigenschwingungen erzeugen kann. Specifically, the invention relates to a device for Generation of a supply voltage with a shunt regulator. The device is characterized by a second high amplifying stage, which is connected downstream of the shunt regulator, and a third stage, which is a transistor that the Supply voltage regulates, includes and that of the second Stage is controlled. The second and third stages cause that the shunt current can be dimensioned small and by decoupled from the load and therefore relatively independent of it can be regulated. By regulating the Supply voltage through the single transistor third stage, the current consumption of the device and the Voltage drop between an external voltage that the Device feeds, and the generated supply voltage be reduced. In particular, the current consumption against a current of the load in all operating states of the Device only larger by a minimum amount. This can the load range can be designed very large, while the Power consumption is not unnecessary in one way or another Operating case is increased. A high internal stability can by negative feedback of the second and third stages a high internal stability due to the impedance of the shunt regulator can be achieved. The second can also be highly stable and third stage by an appropriately dimensioned Actuator for the transistor of the third stage achieved become. Another advantage is that the Control speed of the through the second and third stage formed inner loop can be chosen high because this loop is bridged by the shunt regulator and so is set to a small gain of approx. 1, whereby this loop cannot generate natural vibrations.

Der Shuntregler umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform eine Bandgapschaltung, die von der Versorgungsspannung gespeist wird, einen ersten Verstärker zum Verstärken von Ausgangssignalen der Bandgapschaltung und einen als Source-Folger geschalteten Transistor, der vom Ausgangssignal des Verstärkers angesteuert wird und dessen Laststrecke zwischen die Versorgungsspannung und ein Bezugspotential geschaltet ist. Die Bandgapschaltung und der erste Verstärker erzeugen eine Spannung am Steueranschluss des Transistors, die durch laufende Messung der internen Versorgungsspannung geregelt wird. Über den Transistor können positive Abweichungen der internen Versorgungsspannung direkt ausgeregelt werden, da über seine Laststrecke "überschüssiger" Strom abgeleitet werden kann. The shunt regulator comprises in a preferred Embodiment a bandgap circuit by the Supply voltage is fed, a first amplifier for amplifying output signals of the bandgap circuit and a transistor connected as a source follower, which from Output signal of the amplifier is driven and its Load distance between the supply voltage and a Reference potential is switched. The bandgap circuit and the first amplifiers generate a voltage at the control connection of the transistor by running measurement of the internal Supply voltage is regulated. Can over the transistor positive deviations of the internal supply voltage directly be corrected because of its load path "excess" electricity can be derived.

Zur einfachen, robusten, EMC-festen dynamischen Kompensation kann zwischen den Ausgang des ersten Verstärkers und ein Bezugspotential eine Kapazität geschaltet sein. For simple, robust, EMC-proof dynamic Compensation can be between the output of the first amplifier and a reference potential can be connected to a capacitance.

Die zweite Stufe umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform einen zweiten Verstärker und mindestens einen Stromspiegel. Der zweite Verstärker steuert über mindestens einen Stromspiegel den Transistor der dritten Stufe an. Über den mindestens einen Stromspiegel kann ein Teil des Ausgangsstroms des ersten Verstärkers in mindestens einen Pfad gespiegelt werden und somit den Transistor der dritten Stufe beeinflussen. The second stage comprises in a preferred one Embodiment a second amplifier and at least one Current mirror. The second amplifier controls at least a current mirror to the third stage transistor. about the at least one current mirror can be part of the Output current of the first amplifier in at least one Path are mirrored and thus the transistor of the third Influence level.

In einer schaltungstechnisch sehr einfachen, derzeit bevorzugten Ausführungsform umfasst der zweite Verstärker einen als Source-Folger geschalteten Transistor. In a circuit technically very simple, currently preferred embodiment comprises the second amplifier a transistor connected as a source follower.

Der zweite Verstärker steuert vorzugsweise einen ersten Stromspiegel an, der den Transistor über einen zweiten und dritten Stromspiegel parallel ansteuert; der zweite Stromspiegel wird ferner von einer Stromquelle angesteuert, die von der Versorgungsspannung gespeist wird. In diesem Fall sind zwei Pfade gebildet, in welche der Teil des Ausgangsstroms des ersten Verstärkers gespiegelt wird. Dies verdoppelt nahezu die Regelgeschwindigkeit der Vorrichtung. The second amplifier preferably controls a first one Current mirror on the transistor via a second and controls third current mirror in parallel; the second Current mirror is also controlled by a current source, which is fed by the supply voltage. In this case two paths are formed, in which the part of the Output current of the first amplifier is mirrored. This almost doubles the control speed of the device.

Zwischen den ersten Stromspiegel und dem Steueranschluss des Transistors kann die Laststrecke eines zweiten Transistors geschaltet sein, der von der Versorgungsspannung angesteuert wird und dessen Emitter bzw. Drain über eine Kapazität mit der Versorgungsspannung gekoppelt ist. Dieser Transistor wirkt als Kaskode und verbessert wesentlich die Lastregelgeschwindigkeit der Vorrichtung. Between the first current mirror and the control connection of the transistor, the load path of a second Be connected to the transistor by the supply voltage is controlled and its emitter or drain via a Capacity is coupled to the supply voltage. This Transistor acts as a cascode and significantly improves the Load control speed of the device.

Um die Wirkung der durch den zweiten Transistor gebildeten Kaskode sicher zu stellen, wird der zweite Transistor vorzugsweise über eine Tiefpassschaltung angesteuert. To the effect of through the second transistor to ensure the cascode formed will be the second Transistor preferably via a low pass circuit driven.

Um eine hohe Verstärkungssteilheit zu erreichen, können der erste und/oder zweite Verstärker als Transkonduktanz- Verstärker ausgebildet sein. Transkonduktanz-Verstärker bilden eine Art Steilheitsstufe, die eine Eingangsspannung in einen Ausgangsstrom umsetzt. Hierdurch wird die Lastregelgeschwindigkeit erhöht. Da die erste und zweite Stufe im wesentlichen die innere Regelschleife bilden, kann deren Regelgeschwindigkeit durch den Einsatz von Transkonduktanz-Verstärkern höher gewählt werden, insbesondere da ein Pol aufgrund eines üblicherweise vorhandenen Ausgangsstromspiegels bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht existiert. Transkonduktanz-Verstärker sind Spannungs-Stromverstärker und bieten ein genaues Verstärkungs-Bandbreite-Produkt und im wesentlichen eine rückkopplungsfreie Verstärkung, so dass sie hier besonders vorteilhaft eingesetzt werden können. To achieve a high gain steepness, you can the first and / or second amplifier as a transconductance Be trained amplifier. Transconductance amplifier form a kind of steepness level that an input voltage in converts an output current. This will make the Load control speed increased. Because the first and second Can essentially form the inner control loop whose control speed by using Transconductance amplifiers can be chosen higher, especially since a pole is usually due to one existing output current level in the invention Device does not exist. Transconductance amplifiers are Voltage current amplifier and offer an accurate Gain bandwidth product and essentially one feedback-free gain, making them special here can be used advantageously.

Vorzugsweise ist der Transistor der dritten Stufe derart ausgebildet, dass seine Eingangskapazität die durch die zweite und dritte Stufe gebildete inneren Schleife der Vorrichtung kompensiert. Hierdurch können ansonsten erforderliche Kompensationskapazitäten eingespart werden. The transistor of the third stage is preferably such trained that its input capacity through the second and third stages formed inner loop of the Device compensated. This can otherwise required compensation capacities can be saved.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Automobil- und/oder Sensorschaltkreis eingesetzt, da bei derartigen Schaltkreisen die Vorteile der Erfindung in der Regel typische Anforderungen sind. The device according to the invention is preferably shown in an automotive and / or sensor circuit used because in such circuits, the advantages of the invention in are typically typical requirements.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren der Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen: The invention is explained below with reference to figures of the Drawing shown in more detail. Show it:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung; Fig. 1 shows a first embodiment of the inventive apparatus for generating a supply voltage;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung; Fig. 2 shows a second embodiment of the inventive apparatus for generating a supply voltage;

Fig. 3A ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung; Fig. 3A, a third embodiment of the inventive apparatus for generating a supply voltage;

Fig. 3B ein Ausführungsbeispiel einer Bandgapschaltung zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 3B is an embodiment of a bandgap circuit for use in the inventive apparatus;

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung; Fig. 4 shows a fourth embodiment of the inventive apparatus for generating a supply voltage;

Fig. 5 einen Bandgap-Regler mit einem Emitter-Folger nach dem Stand der Technik; und 5 shows a band gap controller comprising an emitter follower to the prior art. and

Fig. 6 einen Bandgap-Regler mit einem Shuntregler nach dem Stand der Technik. Fig. 6 shows a bandgap regulator with a shunt regulator of the prior art.

Im folgenden werden gleich und insbesondere funktional gleiche Elemente mit den selben Bezugsziffern bezeichnet. Zur Beschreibung der Fig. 5 und Fig. 6 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen. In the following, elements that are the same and in particular functionally the same are designated with the same reference numbers. For the description of Fig. 5 and Fig. 6 is referred to the description Introduction.

Die in Fig. 1 gezeigte elektronische Schaltung dient zur Erzeugung einer geregelten Versorgungsspannung VDDint aus einer externen, insbesondere ungeregelten Versorgungsspannung VDDext. Zwischen die Versorgungsspannung VDDext und die interne Versorgungsspannung VDDint ist die Laststrecke eines pnp-Bipolartransistors 28 geschaltet. Der Transistor 28 wirkt als dritte Stufe im Sinne der Erfindung mit einer Steilheit gm3. Die Steilheit gm sei durch di/dV definiert, also als das Verhältnis einer Stromänderung zu einer Spannungsänderung. Mit dem Kollektor des Transistors 28 ist eine Last 24 verbunden, die mit einem Ausgangstrom des Transistors 28 gespeist wird. The electronic circuit shown in FIG. 1 is used to generate a regulated supply voltage VDDint from an external, in particular unregulated supply voltage VDDext. The load path of a pnp bipolar transistor 28 is connected between the supply voltage VDDext and the internal supply voltage VDDint. The transistor 28 acts as a third stage in the sense of the invention with a slope gm3. The slope gm is defined by di / dV, i.e. as the ratio of a change in current to a change in voltage. A load 24 is connected to the collector of transistor 28 and is fed with an output current of transistor 28 .

Zur Ansteuerung des Transistors 28 sind eine erste und zweite Stufe der elektronischen Schaltung vorgesehen. Die erste Stufe wird im wesentlichen durch eine Bandgapschaltung 10, einen ersten Transkonduktanz-Verstärker 12 und einen als Shuntregler geschalteten p-Kanal-MOSFET 16 gebildet. Die Bandgapschaltung 10 und der erste Transkonduktanz-Verstärker 12 werden von der Versorgungsspannung VDDint gespeist. Der Transkonduktanz-Verstärker 12 verstärkt Ausgangsströme der Bandgapschaltung 10 und erzeugt daraus eine Spannung, die am Gate des p-Kanal-MOSFETs 16 anliegt. Die Laststrecke des MOSFETs 16 ist zwischen die Versorgungsspannung VDDint und Masse geschaltet. Der MOSFET 16 wirkt somit für die Versorgungsspannung VDDint als Shuntregler. Durch ihn können positive Abweichungen der geregelten Versorgungsspannung VDDint direkt ausgeregelt werden, da über seine Laststrecke überschüssiger Strom gegen Masse abgeleitet werden kann. A first and second stage of the electronic circuit are provided for driving the transistor 28 . The first stage is essentially formed by a bandgap circuit 10 , a first transconductance amplifier 12 and a p-channel MOSFET 16 connected as a shunt regulator. The bandgap circuit 10 and the first transconductance amplifier 12 are fed by the supply voltage VDDint. The transconductance amplifier 12 amplifies output currents of the bandgap circuit 10 and generates a voltage therefrom which is present at the gate of the p-channel MOSFET 16 . The load path of the MOSFET 16 is connected between the supply voltage VDDint and ground. The MOSFET 16 thus acts as a shunt regulator for the supply voltage VDDint. It can be used to correct positive deviations in the regulated supply voltage VDDint directly, since excess current can be dissipated to ground via its load path.

Ein Teil eines Ausgangsstroms des ersten Verstärkers 12 wird über einen zweiten Transkonduktanz-Verstärker 14 über einen Stromspiegel 20 nach Masse abgeleitet. Der zweite Transkonduktanz-Verstärker 14 und der Stromspiegel 20 bilden im wesentlichen die zweite Stufe im Sinne der Erfindung. Der zweite Transkonduktanz-Verstärker 14 vergleicht den ihm zugeführten Teil des Ausgangsstroms des ersten Verstärkers 12 mit einer durch eine Spannungsquelle 26 vorgegebenen Spannung Vth. Dadurch wird eine Stellgröße auf zwei Wegen für eine entgegengesetzte Ansteuerung des Transistors 28 erzeugt. Dies bewirkt eine wirksame Unterdrückung von positiven und negativen Störsignalen sowohl auf Seiten der Last 24 als auch auf Seiten der Versorgungsspannung VDDext. Insgesamt entspricht die Stabilität und Robustheit der eines einfachen Shuntreglers. Part of an output current of the first amplifier 12 is derived to ground via a second transconductance amplifier 14 via a current mirror 20 . The second transconductance amplifier 14 and the current mirror 20 essentially form the second stage in the sense of the invention. The second transconductance amplifier 14 compares the part of the output current of the first amplifier 12 fed to it with a voltage Vth predetermined by a voltage source 26 . As a result, a manipulated variable is generated in two ways for the opposite actuation of the transistor 28 . This causes an effective suppression of positive and negative interference signals both on the part of the load 24 and on the part of the supply voltage VDDext. Overall, the stability and robustness correspond to that of a simple shunt regulator.

Fig. 2 zeigt eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung einer geregelten Versorgungsspannung VDDint, bei der ein Teil des Ausgangsstroms des Transkonduktanz-Verstärkers 12 über einen ersten Stromspiegel 32 in zwei weitere Stromspiegel 20 und 30 gespiegelt wird. Der Teil des Ausgangsstroms des Transkonduktanz-Verstärkers 12 wird zuerst über einen p- Kanal-MOSFET 34 in den Stromspiegel 32 gespiegelt. Der Stromspiegel 32 weist zwei Ausgänge Out1 und Out2 auf. Die beiden Ausgänge Out1 und Out2 entsprechen zwei verschiedenen Strompfaden. Der Strompfad des Ausgangs Out2 führt über einen Stromspiegel 20 zu einer Beeinflussung, insbesondere einer Erhöhung des Potentials an der Basis des pnp- Bipolartransistors 28. Dies bewirkt, dass der Strom durch den Transistor 28 sinkt und die Versorgungsspannung VDDint abgeregelt wird. Der Stromspiegel 20 ist eingangsseitig ferner mit einer Stromquelle 22 beschaltet, die den Stromspiegel 20 mit einem Konstantstrom speist. Dies wiederum bewirkt, dass der Stromspiegel 20 einen vorgegebenen Ausgangsstrom an seinem Ausgang Out liefert, der im wesentlichen durch den vom Stromspiegel 32 gelieferten Strom beeinflusst, d. h. geändert wird. FIG. 2 shows a further device for generating a regulated supply voltage VDDint, in which part of the output current of the transconductance amplifier 12 is mirrored into two further current mirrors 20 and 30 via a first current mirror 32 . The part of the output current of the transconductance amplifier 12 is first mirrored into the current mirror 32 via a p-channel MOSFET 34 . The current mirror 32 has two outputs Out1 and Out2. The two outputs Out1 and Out2 correspond to two different current paths. The current path of the output Out2 leads to an influence, in particular an increase in the potential at the base of the pnp bipolar transistor 28 , via a current mirror 20 . This causes the current through transistor 28 to drop and the supply voltage VDDint to be cut off. The current mirror 20 is also connected on the input side to a current source 22 which feeds the current mirror 20 with a constant current. This in turn causes the current mirror 20 to deliver a predetermined output current at its output Out, which is essentially influenced, ie changed, by the current supplied by the current mirror 32 .

Der weitere Pfad durch den Ausgang Out1 des Stromspiegels 32 führt über den Stromspiegel 30 ebenfalls zu einer Erhöhung des Potentials an der Basis des Transistors 28. Hierdurch wird die Regelgeschwindigkeit nahezu verdoppelt. The further path through the output Out1 of the current mirror 32 also leads to an increase in the potential at the base of the transistor 28 via the current mirror 30 . As a result, the control speed is almost doubled.

Zum einen kann durch die oben erläuterte Schaltung überschüssiger Strom von der Last 24 weggeregelt werden und zum anderen fehlender Strom aufgebracht werden. Hierdurch kann die interne Versorgungsspannung VDDint relativ lastunabhängig geregelt werden. Im eingeschwungenen Zustand der dargestellten Schaltung stellt sich in den beiden p- Kanal-MOSFETs 16 und 34 ein Strom ein, der sich im wesentlichen nach der Konstantstromquelle 22 über die Spiegelverhältnisse richtet. Das gleiche gilt für den Stromspiegel 30. Als Versorgungsstrom wird hierdurch immer nur der Strom über die Last 24 und ein konstanter Shuntstrom benötigt. Die Bandgapschaltung 10 wird damit als konstante Last betrachtet. On the one hand, excess current can be regulated away from the load 24 by the circuit explained above and, on the other hand, missing current can be applied. In this way, the internal supply voltage VDDint can be regulated relatively independently of the load. In the steady state of the circuit shown, a current is established in the two p-channel MOSFETs 16 and 34 , which essentially depends on the constant current source 22 via the mirror conditions. The same applies to the current mirror 30 . As a result, only the current via the load 24 and a constant shunt current are required as the supply current. The bandgap circuit 10 is thus regarded as a constant load.

Der Kondensator 18 am Ausgang des ersten Transkonduktanz-Verstärkers 12 dient der einfachen, robusten und EMC-Festen dynamischen Kompensation. Diese einfache Kombination ist durch die Shuntregel-Transistoren 16 und 34, die als Source-Folger geschaltet sind, möglich, da ihre Verstärkung auf die interne Versorgungsspannung VDDint etwas geringer als 1 ist. Die zweite und dritte Stufe, die im wesentlichen durch die Stromspiegel 20, 30, 32, den p-Kanal- MOSFET 34 und dem pnp-Bipolartransistor 28 gebildet werden, erhöhen wesentlich die Regelgenauigkeit durch ihre innere hohe Verstärkung. Die Stufen werden durch eine große Eingangskapazität des pnp-Bipolartransistors 28 kompensiert. The capacitor 18 at the output of the first transconductance amplifier 12 is used for simple, robust and EMC-resistant dynamic compensation. This simple combination is possible through the shunt control transistors 16 and 34 , which are connected as source followers, since their amplification to the internal supply voltage VDDint is somewhat less than 1. The second and third stages, which are essentially formed by the current mirrors 20 , 30 , 32 , the p-channel MOSFET 34 and the pnp bipolar transistor 28 , substantially increase the control accuracy due to their high internal amplification. The stages are compensated for by a large input capacitance of the pnp bipolar transistor 28 .

Fig. 3A zeigt eine weitere Schaltung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung mit einem Shuntregler, bei welcher der interne Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Stromspiegel 32, 20 und 30 dargestellt ist. Weiterhin ist zwischen dem Ausgang des Stromspiegels 20 und der Basis des Transistors 28 ein npn-Bipolartransistor 36, genauer gesagt dessen Laststrecke geschaltet. Die Basis des npn-Bipolartransistor 36 ist über einen Widerstand R1 mit der internen, geregelten Versorgungsspannung VDDint verbunden. Ferner ist die Basis des Transistors 36 über einen Kondensator C3 mit Masse verbunden. Ein weiterer Kondensator C2 verbindet die interne, geregelte Versorgungsspannung VDDint mit dem Emitter des Transistors 36. Diese Kapazität dient als zusätzliche Kaskode-Miller-Kompensation, die das Regelverhalten beschleunigt und die Stabilität erhöht. Eine EMC-feste Realisierung dieser Kompensation ist dadurch sicher gestellt, dass beide Anschlüsse des Kondensators C2 unterhalb der geregelten, internen Versorgungsspannung VDDint liegen. Dadurch kann die externe Versorgungsspannung VDDext weniger auf die interne, geregelte Versorgungsspannung VDDint durchgreifen. Die Lastregelgeschwindigkeit ist durch einen nahezu direkten Pfad von der internen, geregelten Versorgungsspannung VDDint durch den Kondensator C2 und den npn-Bipolartransistor 36 auf die Basis des pnp- Bipolartransistors 28 verbessert. Die Wirkung der Kaskode wird durch den Tiefpass sicher gestellt, der durch den Widerstand R1 mit dem Kondensator C3 gebildet ist. Durch die Kaskode wird die Regelgeschwindigkeit der inneren Schleife nicht mehr durch eine ansonsten niedrige Transitfrequenz gm2/(2 π C2) begrenzt. FIG. 3A shows a further circuit for generating a supply voltage with a shunt regulator, in which the internal structure of the current mirrors 32 , 20 and 30 shown in FIG. 2 is shown. Furthermore, an npn bipolar transistor 36 , more precisely its load path, is connected between the output of the current mirror 20 and the base of the transistor 28 . The base of the npn bipolar transistor 36 is connected to the internal, regulated supply voltage VDDint via a resistor R1. Furthermore, the base of transistor 36 is connected to ground via a capacitor C3. Another capacitor C2 connects the internal, regulated supply voltage VDDint to the emitter of transistor 36 . This capacity serves as additional cascode-Miller compensation, which speeds up the control behavior and increases stability. An EMC-proof implementation of this compensation is ensured by the fact that both connections of the capacitor C2 are below the regulated, internal supply voltage VDDint. This means that the external supply voltage VDDext is less able to reach through to the internal, regulated supply voltage VDDint. The load control speed is improved by an almost direct path from the internal, regulated supply voltage VDDint through the capacitor C2 and the npn bipolar transistor 36 to the base of the pnp bipolar transistor 28 . The effect of the cascode is ensured by the low pass, which is formed by the resistor R1 with the capacitor C3. With the cascode, the control speed of the inner loop is no longer limited by an otherwise low transit frequency gm2 / (2 π C2).

In den p-Kanal-MOSFET-Zweigen fließen Ströme, die im wesentlichen durch die Konstantstromquelle 22 vorgegeben sind. Im pnp-Bipolartransistor 28 fließen Ströme, die sich nach der Last richten. Die Bipolartransistoren können auch durch MOSFETs ersetzt werden und umgekehrt. P-Kanal-MOSFETs an der externen Versorgungsspannung VDDext bräuchten jedoch so genannte Reverse-Schutz-Widerstände im Bulkzweig, damit nicht die Drain-Bulk-Diode zu einer Begrenzung der Reversespannung führt. Currents flow in the p-channel MOSFET branches, which are essentially predetermined by the constant current source 22 . Currents flow in the pnp bipolar transistor 28 , which depend on the load. The bipolar transistors can also be replaced by MOSFETs and vice versa. However, P-channel MOSFETs on the external supply voltage VDDext would need so-called reverse protection resistors in the bulk branch, so that the drain bulk diode does not limit the reverse voltage.

Fig. 3B zeigt eine mögliche Realisierung der in den Fig. 1-3A abgebildeten Bandgapschaltung 10. Fig. 3B shows a possible implementation of the depicted in Fig. 1-3A bandgap circuit 10th

Fig. 4 zeigt eine weitere Schaltung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung mit einem Shuntregler. Bei dieser Schaltung sind keinerlei Stromspiegel vorgesehen. Dadurch lässt sie sich relativ einfach ohne großen technischen Aufwand realisieren und vor allem mit wenigen Bauelementen ausführen. Die Stromspiegel 20 und 32 der in Fig. 3A dargestellten Schaltung sind hier im wesentlichen durch die Stromquelle 38 ersetzt, die einen Konstantstrom liefert. Ferner ist der Stromspiegel 30 aus Fig. 3A durch einen einfachen Widerstand R2 ersetzt. Auch bei dieser Schaltung fließen in den p-Kanal-MOSFET-Zweigen Ströme, die letztlich durch einen Teilstrom der Konstantstromquelle 38 vorgegeben sind. Ferner fließen im pnp-Bipolartransistor 28 Ströme, die sich nach der Last 24 richten. Im Prinzip kann der Widerstand R2 an der Basis des pnp-Bipolartransistor 28 auch weggelassen oder durch eine Stromquelle ersetzt werden. Fig. 4 shows a further circuit for generating a supply voltage with a shunt regulator. No current mirrors are provided in this circuit. As a result, it can be implemented relatively easily without great technical effort and, above all, can be carried out with a few components. The current mirrors 20 and 32 of the circuit shown in FIG. 3A are essentially replaced here by the current source 38 , which supplies a constant current. Furthermore, the current mirror 30 from FIG. 3A is replaced by a simple resistor R2. In this circuit, too, currents flow in the p-channel MOSFET branches, which are ultimately predetermined by a partial current of the constant current source 38 . Furthermore, currents flow in the pnp bipolar transistor 28 , which are based on the load 24 . In principle, the resistor R2 at the base of the pnp bipolar transistor 28 can also be omitted or replaced by a current source.

Die beschriebenen Schaltungen werden vorzugsweise in Schaltkreisen in hochintegrierten Technologien eingesetzt, die eine intern herabgesetzte Versorgungsspannung mit hoher Stabilität und geringem Eigenstromverbrauch benötigen. Besonders vorteilhaft können die Schaltungen in Automobil- und Sensorschaltkreisen eingesetzt werden, insbesondere wenn diese eine interne geregelte Versorgungsspannung benötigen, die aus einer externen Versorgungsspannung mit einem weiten Spannungsbereich abgeleitet wird. Bezugszeichenliste 10 Bandgap
12 erster Transkonduktanz-Verstärker
14 zweiter Transkonduktanz-Verstärker
16 p-Kanal-MOSFET
18 Kondensator
20 Stromspiegel
22 Stromquelle
24 Last
26 Spannungsquelle
28 pnp-Bipolartransistor
30 zweiter Stromspiegel
32 dritter Stromspiegel
34 zweiter MOSFET
36 npn-Bipolartransistor
38 Stromquelle
40 npn-Bipolartransistor
42 Stromquelle
44 pnp-Bipolartransistor
The circuits described are preferably used in circuits in highly integrated technologies which require an internally reduced supply voltage with high stability and low internal power consumption. The circuits can be used particularly advantageously in automotive and sensor circuits, in particular if they require an internally regulated supply voltage which is derived from an external supply voltage with a wide voltage range. Legend: 10 bandgap
12 first transconductance amplifier
14 second transconductance amplifier
16 p-channel MOSFET
18 capacitor
20 current mirror
22 power source
24 load
26 voltage source
28 pnp bipolar transistor
30 second current mirror
32 third current mirror
34 second MOSFET
36 npn bipolar transistor
38 power source
40 npn bipolar transistor
42 power source
44 pnp bipolar transistor

Claims

1. Device for generating an internal supply voltage (VDDint) with a shunt regulator ( 10 , 12 , 16 ), characterized by a second high-gain stage ( 14 ) which is connected downstream of the shunt regulator ( 10 , 12 , 16 ) and a third stage drives which comprises a transistor ( 28 ) which regulates the supply voltage (VDDint).

2. Device according to claim 1, characterized in that the shunt regulator a bandgap circuit ( 10 ) which is fed by the supply voltage (VDDint), a first amplifier ( 12 ) for amplifying output signals of the bandgap circuit ( 10 ) and one as a source follower Switched transistor ( 16 ), which is driven by the output signal of the amplifier ( 12 ) and whose load path is connected between the internal supply voltage (VDDint) and a reference potential.

3. Device according to claim 2, characterized in that a capacitance ( 18 ) is connected between the output of the first amplifier ( 12 ) and a reference potential.

4. The device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the second stage comprises a second amplifier ( 14 ; 34 ) and at least one current mirror ( 20 , 30 , 32 ) and the second amplifier ( 14 ; 34 ) at least one current mirror ( 20 , 30 , 32 ) controls the transistor ( 28 ) of the third stage.

5. The device according to claim 4, characterized in that the second amplifier comprises a transistor connected as a source stage or emitter stage ( 34 ).

6. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the second amplifier ( 34 ) drives a first current mirror ( 32 ) which drives the transistor ( 28 ) in parallel via a second and third current mirror ( 20 , 30 ) and the second current mirror ( 20 ) is further controlled by a current source ( 22 ) which is fed by the internal supply voltage (VDDint).

7. The device according to claim 6, characterized in that between the first current mirror ( 20 ) and the control terminal of the transistor, the load path of a second transistor ( 36 ) is connected, which is driven by the internal supply voltage (VDDint) and its emitter or source is coupled to the internal supply voltage (VDDint) via a capacitance (C2).

8. The device according to claim 7, characterized in that the second transistor ( 36 ) is driven via a low-pass circuit (R1, C3).

9. The device according to one or more of claims 2 to 8, characterized in that the first and / or second amplifier ( 14 ; 34 ) are transconductance amplifier.

10. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the transistor ( 28 ) of the third stage is designed such that its input capacitance compensates for the inner loop of the device formed by the second and third stages.

11. Use of the device according to one of the preceding Claims in an automotive and / or sensor circuit.

12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the internal Supply voltage VDDint with an output of the Device is connected, creating additional external Loads can also be controlled.