DE1638014A1

DE1638014A1 - Monolithisch integrierte Parallelregelschaltung

Info

Publication number: DE1638014A1
Application number: DE19511638014
Authority: DE
Inventors: Bleher Hartmut Dipl-Ing Dr
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1951-01-28
Filing date: 1951-01-28
Publication date: 1971-06-16
Also published as: DE1638014B2; DE1638015A1; DE1638014C3; DE1638015B2; GB1231902A

Description

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Deutsche ITT Industries GmbH H. Bleher - 4

78 Freiburg, Hane-Bunte-Str. 19 7· Februar 1968

Pat.Mo/Ko

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DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG, FREIBURG i.Br.

Monolithisch Integrierte Parallelregelschaltung

Die Erfindung bezieht sich auf eine auf konstante Spannung regelnde, monolithisch integrierte Parallelregelschaltung/ die aus einem zweistufigen Regelverstärker, dessen erste Stufe ein Differenzverstärker bildet, aus einer Referenzspannungsquelle und aus einer Leiatungsstufe als Regelstrecke besteht.

Es wurde bereits eine monolithisch integrierbare Parallelregelschaltung vorgeschlagen, deren elektrisches Ersatzschaltbild in Fig. 1 gezeigt ist. Sie besteht im wesentlichen aus dem symmetrischen Differenzverstärker DV und der Leistungsstufe LS als Regelstrecke. Die Referenzspannungsquelle besteht aus der Serienschaltung von in Flußrichtung betriebenen Halbleiterdioden und Z-Dioden. Nach dem älteren Vorschlag ist diese Serienschaltung derart aufgeteilt, daß ein Teil der Serlensohaltung zwischen dem einen Eingangspol des Differenzverstärkers und dem einen Pol der geregelten Ausgangsspannung U angeschlossen ist, während der andere Teil dieser

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Serienschaltung zwischen dem anderen Eingangspol des Differenzverstärkers und dem anderen Pol der geregelten Ausgangsspannung liegt. Die Serienschaltung von in Flugrichtung betriebenen Dioden und Z-Dioden, sowie die Aufteilung dieser Serienschaltung wird aus Gründen der Temperaturstabilität der Regelschaltung vorgenommen. Ein Maß für die Regelgüte der Regelschaltung ist das Verhältnis der Ausgangsspannungsänderung bei einer vorgegebenen Änderung der Einäangsspanriung bzw. des durch den Lastwiderstand fließenden Stromes. Ein Maß für diese Güte ist der Regelfaktor. Dieser Regelfaktor ist in erster Näherung proportional dem Verstärkungsgrad des Differenzverstärkers.

Tritt nun die Forderung auf, den Regelfaktor weiter zu verbessern, sowie den Innenwiderstand der Parallelregelschaltung zu erniedrigen, so bietet sich die Losung an, eine zweite Verstärkerstufe dem Differenzverstärker nachzuordnen. Solche zweistufigen Differenzverstärker sind an sich bekannt, wie z.B. aus der deutschen Auslegeschrift 1 214 723 hervorgeht. Diese mehrstufigen Differenzverstärker haben jedoch den Nachteil, daß sie, wenn man sie in einer Regelschaltung verwendet, bei hohen Frequenzen aufgrund der dort auftretenden Phasendrehungen zu Eigenschwingungen neigen, welche Schwlngnelgunü durch geeignete Schaltmaßnahmen unterdrückt werden muß. Dieses Schwingen bei hohen Frequenzen führt nämlich dazu, daß nachfolgende Verstärkerstufen die Gleichspannungspotentiale dieser Verstärkerstufen infolge von Gleichrichtungseffekten so verlagern, daß eine sinnvolle Verstärkung nicht mehr stattfinden kann. Ein Mittel, die Sehwingneigung zu unterbinden, besteht darin, die obere Grenzfrequenz einer Stufe des mehrstufigen Differenzverstärker mit Hilfe von Kondensatoren stark zu erniedrigen.

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Soll nun ein solcher Differenzverstärker in einer monolithisch integrierten Parallelregelsohaltung verwendet werden, so tritt auch hier das Problem der Sahwingneigung bei hohen Frequenzen auf« Die Lösungsmögllchkeit, wie sie für Schaltungen mit diskreten Bauelementen in einfacher Weise gegeben ist, nämlich das Beschälten mit Kondensatoren, ist Jedoch bei einer monolithisch integrierten Festkörperschaltung nicht anwendbar. Dies liegt darin begründet, daß zwar Kapazitäten monolithisch integriert werden könne* Jedoch nur relativ kleine Kapazitätswerte möglich sind. Große Kapazitätswerte führen nämlich zu einem unverhältnismäßig großen Flächenaufwand, wodurch die Vorteile der durch die Integrierung erreichten Mikrominiaturisierung wieder zunichte gemacht werden.

Die Erfindung hat sich somit zur Aufgabe gestellt, die Schwingneigung eines zweistufigen Differenzverstärkers, der in monolithisch integrierter Bauweise als Teil einer Parallelregelschaltung hergestellt werden soll, auf andere Welse zu unterbinden. Diese Aufgabe löst die oben angegebene Parallelregelsohaltung erfindungsgemäß dadurch, daß die zweite Verstärkerstufe des Regelverstärkers aus einem Paar komplementärer Transistoren aufgebaut ist und daß einer der beiden komplementären Transistoren als an sich bekannter monolithisch integrierter Verbundtransistor ausgebildet ist, der aus einer lateralen Transistorstruktur und einer dazu komplementären üblichen Transistorstruktur besteht.

Dieser Verbundtransistor ist aus ^wProc. IEEE¹¹, Dezember 1964, Seiten 1491 - 1495 bekannt. Er besteht aus der lateralen Transistorstruktur Tg_A und der komplementären üblichen Transistorstruktur Tg_B, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Auch ist aus dieser.

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Literaturstelle ein zweistufiger Differenzverstärker bekannt, dessen zweite Verstärkerstufe aus je einem solohen Verbundtransistor gebildet wird. Demgegenüber hat Jedoch die Erfindung erkannt, daß es bei der erfindungsgemäßen Parallelregelsclialtung nicht notwendig ist, zwei solche Verbundtransistoren zu verwenden, sondern daß es genügt, die erfindungsgemäße Kombination eines Transistors und eines Verbundtransistors in der zweiten Verstärkerstufe anzuwenden .

In den weiteren Fig. 2 und j5 der Zeichnung sind ein Ausführungs- · beispiel der Erfindung und eine vorteilhafte Weiterbildung gezeigt. In der Fig« 2 der Zeichnung ist das elektrische Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Parallelregelschaltung dargestellt. Der als Differenzverstärker DV aufgebaute Regelverstärker besteht aus den beiden Veretärkerstuferi, die von den Transistoren T₁ und T₂* bzw. T_r und Tg gebildet werden. Dem einen Eingangspol A des Differenzverstärker ist die Dezugsspannung einer Referenzepannungsquelle zugeführt, während dem anderen Eingangspol B eine der zu regelnden Spannung U proportionale Spannung zugeführt wird. Die Ileferenzspannungsquelle besteht aus einer Serienschaltung von Flußdioden FD₁ bis FDg und Z-Dioden ZD₁, ZDg, welche Serienschaltung, wie schon oben bei Erläuterung <ier Fig. 1 beschrieben, derart aufgeteilt ist, daß ein Teil der Flußdioden zwischen dem einen Eingangspol A und dem einen Pol der zu regelnden Spannung U und der andere Teil zwischen dem anderen Eingangspol B und dem anderen Pol der Spannung U liegt. Die beiden Transistoren T₁ und Tg besitzen die in ihren Kollektorkreisen als Arbeltswiderstände liegenden Widerstände R₁ und R_g, deren kollektorfernes Ende miteinander verbunden ist und am Emitter eines spannungsregelnden

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Transistors T^ angeschlossen ist. Der Kollektor dieses Transistors lot mit dem anderen Pol der zu regelnden Spannung U verbunden, während dessen Basis am Verbindungspunkt der beiden Zenerdioden angeschlossen ist. Dieser Transistor verhindert, daß auf die Arbeitswiderstände R₁ und R₂ nooh etwa auftretende Spannungsänderungen der Spannung U einwirken können.

Die zweite Stufe des Regelverstärkers ist mit ihren Transistoren Tf- und T^ an den Ausgang der ersten Verstärkerstufe angeschlossen, und zwar liegt die Basis des Transistors T₆. am Kollektor von Transistor T^ und die Basis des Transistors Tg am Kollektor des Traneistors Tg. Der Transistor T₅ ist vom npn-Typ, während als Transistor Tg der bekannte Verbundtransistor verwendet ist, der aufgrund seines elektrischen Verhaltens als pnp-Transistor anzusehen ist. Die Emitter dieser beiden Transistoren sind aus Gegenkopplungsgründen Über einen Widerstand R₁. miteinander verbunden. Diese aus den Transistoren T₁- und Tg gebildete zweite Verstärker-•tufe stellt einen unsymmetrischen Differenzverstärker dar, da die durch den Transistor Tc gebildete Verstärkerhälfte keinen Kollektorarbeitswiderstand besitzt. Vielmehr ist der Kollektor dieses Transistors direkt mit dem anderen Pol der zu regelnden Spannung verbunden. Die andere Verstärkerhälft® besitzt den Arbeitswiderstand Rg, der zwischen dem Kollektor des Verbundtransistors Tg und dem einen Pol der zu regelnden Spannung angeschlossen ist. Vom Kollektor dieses Verbundtransistors wird die Basis des zur Leistungs- «tufe LS gehörenden Transistors To angesteuert. Die Leistungsstufe LS besteht im AusfUhrungsbeispiel der Pig. 2 aus den beiden Transietoren T₇ und Tq, wobei der Transistor Tg den Emitterwiderstand ' besitzt.

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Die Emitter der beiden Transistoren der ersten Differenzverstärkerstufe sind über die niederohmigen Widerstände Rq und R,_Q miteinander verbunden. Am Verbindungspunkt dieser beiden Widerstände ist der Kollektor des Transistors T-, angeschlossen, der in Basisschaltung betrieben ist und somit, wie bei Differenzverstärkern allgemein üblich, einen großen dynamischen gemeinsamen Emitterwiderstand darstellt. Die Basis des Transistors T, ist an einem Verbindungspunkt zweier Flußdioden der Referenzspannungsquelle angeschlossen, wodurch diese Basis auf festem Potential liegt. Der Arbeitswiderstand R, dieses Transistors liegt in dessen Emitterkreis . Über den Vorwiderstand R₇ erhält der eine Teil der Reihenschaltung der ReferenzBpannungsquelle einen konstanten Strom zugeführt. Der Widerstand R₇ liegt zwischen der Basis des Transistors T₁ und der Basis von Transistor T^. In gleicher Weise ist durch den Widerstand R^ der Strom durch den anderen Teil der Referenzspannungsquelle festgelegt. Dieser Widerstand liegt zwischen der Basis von Transistor T₀ und dem einen Pol der zu regelnden Spannung U .

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Die erfindungsgemäße integrierte Parallelregelsohaltung benötigt aufgrund der Tatsache, daß in erfindungsgemäßer Weise in der zweiten Verstärkerstufe der bekannte Verbundtransistor verwendet wird, keine zusätzlichen Kapazitäten, um ein Schwingen bei hohen Frequenzen zu vermeiden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß einerseits der Verbundtransistor Tg eine relativ niedrig liegende Grenzfrequenz besitzt, die weit unterhalb der Grenzfrequenz der übrigen npn-Traneietoren liegt, und daß andererseits Schwingungen durch die Eingangskapazität von Transistor Tp unterbunden werden. Somit kann bei der monolithischen Integrierung der erfindungsgemäßen Parallelregeliohaltung auf eindiffundierte oder von außen anzuschließende

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Kapazitäten verzichtet werden, was die monolithisch integrierte Parallelreceü schaltung wesentlich vereinfacht und auch die Abmessungen des fertigen Bauelements kleiner ausfallen läßt, als wenn integrierte Kapazitäten mitverwendet werden müßten.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen ä Parallelregel schaltung. Die Parallelregelschaltung nach Fig. kann „ώπΐ ich dadurch in vorteilhafter Weise verbessert werden, daß die Basis des Verbundtransistors Tg direkt am Kollektor des zugehörigen Transietors T« der ersten Verstärkerstufe angeschlossen ist, sowie zwischen Basis des Verbundtransistors Tg und kollektorseitiges Ende des Arbeitswiderstandes Rg eine oder mehrere in Serie geschaltete, bezüglich des Kollektorstronis des Transistors Tp in Flußrichtung betriebene Dioden PD„ und FD₁q eingeschaltet sind und daß die Basis des zum Verbundtransistor Tg komplementären Transistors T_r über eine oder mehrere in Serie geschaltete, bezüglich des Kollektorstroms des Transistors T₁ in Flußrichtung betriebene Dioden FD., und PDq mit dem Kollektor des Transistors T₁ verbunden ist. In Fig. 2 sind die zusätzlichen Dioden FD₇ bis in der angegebenen Weise eingezeichnet. Die übrige Schaltung ist gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Schaltung nicht verändert.

Durch die vorteilhafte Weiterbildung wird erreicht, daß die zweite Verstärkerstufc mit den komplementären Transistoren T_r und Tg schon bei einer zwischen den Kollektoren der Transistoren T. und T₂ gemessenen Ausgangsspannung, der Ausgangsdifferenzspannung, von 0 Volt aufgesteuert wird. Sind die Dioden FD₇ bis FD₁₀ dagegen nicht vorhanden, so muß die erste Stufe des Differenzverstlirkerr DV eine Ausgangsdlfferenzspannung abgeben, die mindestens gleic

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der Summe der Emitter-Basis-Schwellspannungen der beiden Transistoren T_r und T^ 1st. Dies hat aber zur Folge, daß die erste Stufe des Differenzverstärker schon unsymmetrisch arbeitet, wenn die zweite Stufe gerade zu arbeiten beginnt, d.h. aufgesteuert wird. Durch die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird das symmetrische Arbeiten sämtlicher Stufen des Differenzverstärkers erreicht, wodurch sich eine optimale Regelgenauigkeit ergibt, da der Differenzverstärker mit maximaler Verstärkung nur bei vollständiger Symmetrie arbeitet.

Die in Serie geschalteten Dioden wirken hierbei wie Batterien, die auch bei nahezu symmetrischem Betriebszustand der ersten Verstärkerstufe des Differenzverstärkers dafür sorgen, daß die zweite Verstärkerstufe im aktiven Bereich arbeitet. In der Ausführung als monolithisch integrierte Festkörperschaltung tritt noch der weitere Vorteil auf, daß die Symmetrie der ersten Verstärkerstufe des Differenzverstärkers von der Temperatur unabhängig ist, da die an den in Serie geschalteten Dioden abfallenden Spannungen und die Basis-Emitter-Schwellspannung der zweiten Verstärkerstufe bei geeigneter Bemessung der für die Dioden verwendeten Strukturen des Halbleiterkörper denselben Temperaturgang besitzen.

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Claims

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1. Auf konstante Spannung regelnde, monolithisch integrierte Parallelregelsohaltung, die aus einem zweistufigen Regelverstärker, dessen erste Stufe ein Differenzverstärker bildet, aus einer Referenzspannungsquelle und aus einer Leistungsstufe als I Regelstrecke besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verstärkerstufe des RegelVerstärkers (DV) aus einem Paar komplementärer Transistoren (TV, Tg) aufgebaut ist und daß einer (Tg) der beiden komplementären Transistoren als an sich bekannter monolithisch integrierter Verbundtransistor ausgebildet ist, der aus einer lateralen Transistorstruktur (Tg_A) und einer dazu komplementären Üblichen Transistorstruktur (Tg₈) besteht*

2. Parallelregelsohaltung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Verbundtransistors (Tg) direkt am Kollektor des zugehörigen Transistors (Tg) der ersten Verstärkerstufe angeschlossen 1st, sowie zwischen Basis des Verbundtransistors (Tg) und kollektorseitiges Ende des Arbeitswiderstandes (Rg) eine oder mehrere in Serie geschaltete, bezUglioh des Kollektorstrome des Tranaistors (T₂) in Pluöriohtung betriebene Dioden (FDq, FD}q) eingeschaltet sind und daß die Basis des zum Verbundtran· sistor (Tg) komplementären Transistors (Te) über eine oder mehrere in Serie gesohaltete, bezUglioh des Kollektorstroms des Transistors (T₁) in Flugrichtung betriebene Dioden (FD₇, FDo) mit de« Kollektor de« Transietors (T₁) verbunden 1st.

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