DE2200454A1

DE2200454A1 - Temperaturkompensierte Stromquelle

Info

Publication number: DE2200454A1
Application number: DE19722200454
Authority: DE
Inventors: Steckler Steven Alan
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1971-01-07
Filing date: 1972-01-05
Publication date: 1972-07-20
Also published as: CA951790A; FR2121595B1; GB1375998A; JPS5131178B1; FR2121595A1; AU468270B2; IT946340B; NL7200182A; ES398674A1; US3895286A; AU3728871A

Description

7332-71/Sch/Ba
ROA 59,499
U.S.Ser.No. 104,627
AT: 7« Januar 1971

ROA Corporation, New York, N.Y. (V.St.A.) Temperaturkompensierte Stromquelle

Die Erfindung betrifft eine temperaturkompensierte Stromquelle für integrierte Schaltungen, mit einem ersten Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke von einem ersten temperaturkompensierten Strom durchflossen ist.

Derartige Stromquellen werden beispielsweise in Verbindungmit Verstärkern oder anderen elektrischen Schaltungen benötigt, und sie liefern einen Strom, der im wesentlichen unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung und/oder der Temperatur ist. Solche Schaltungen eignen sich insbesondere zur Herstellung in monolithischer integrierter Form, wo sich eine enge thermische Kopplung, eine Anpassung der Charakteristiken der aktiven Bauelemente wie Transistoren sowie ein genaues Einhalten von Widerstandsverhältnissen relativ leicht erreichen läßt. Die Erfindung wird daher im Zusammenhang mit diesem Anwendungsgebiet beschrieben.

Die verschiedenen Komponenten, wie Transistoren, Dioden und Widerstände einer integrierten Schaltung aeigen vorhersagbare Temperaturabhängigkeiten. Beispielsweise steigt der Wert diffundierter Widerstände mit zunehmender Temperatur um einen vorbestimmten Betrag. Andererseits nimmt bei einem vorgegebenen Strom der Durchlaßspannungsabfall über einem Halbleiterübergang, wie etwa dem Basis-lmitter-Übergang eines Transistors oder eines als Diode geschalteten Transistors bei zunehmender Temperatur in einem anderen vorbestimmten Maße ab. lawinendioden (beispielsweise Zenerdioden) lassen sich so herstellen, daß sie einen positiven oder negativen oder praktisch überhaupt keinen Temperaturkoeffizienten haben, je nachdem, unter ande-

209830/0737

ren Parametern, bei welcher Sperrdurchbruchsspannung und welchem Durchbruchsstrom sie betrieben werden. Da die Komponenten einer monolithischen integrierten Schaltung sehr dicht beieinander angeordnet sind, liegt zwischen ihnen ein guter Wärmeübergang vor, so daß die Gesamtvariation der Betriebscharakteristiken in Abhängigkeit von der Temperatur sich für eine solche Anordnung vorhersagen läßt. Bauelemente mit negativem Temperaturkoeffizienten können daher mit solchen mit positivem Temperaturkoeffizienten kombiniert werden, wobei sich insgesamt Betriebsparameter, wie ein Strom, ergeben, die praktisch teinperaturunabhängig sind. In diesem Sinne ist im US-Patent 3 534 245 vom 13. Oktober 1970 eine temperaturkompensierte Stromquelle beschrieben: Bei dieser Anordnung ist eine vorbestimmte Anzahl von pn-Übergangs-Durchlaßspannungsabfallen, beispielsweise Basis-Emitter-Spannungen V, , in Reihe mit einem temperaturabhängigen Widerstand über eine Spannungsquelle geschaltet. Die Anzahl der Spannungsabfälle ist ao gewählt, daß durch den Widerstand der gewünschte temperaturkumpensierte Strom fließt. Die Unabhängigkeit von Betriebsspannungsschwankungen ist hierbei beispielsweise durch Einfügung einer Lawinendiode in die Spannungsquelle erreicht worden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Weiterentwicklung derartiger temperaturkompensierter Stromquellen und wird bei einer Stromquelle der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der Basis-Emitter-Kreis des ersten Transistors mindestens einen ersten Widerstand aufweist und mit dem Ausgang eines Gleichspannungsteilers gekoppelt ist, dessen Eingang an einem Anschluß einer mit ihrem anderen Anschluß an einem Bezugspotential liegenden geregelten Spannungsquelle angeschlossen ist.

Hierbei hat der im Kollektor-Emitter-Kreis des Transistors liegende Emitterwiderstand einen ersten Temperaturkoeifizienten. Die dem Gleichspannungsteiler zugeführte geregelte Spannung kann beispielsweise durch eine in ihr Lawinengebiet vorgespannte Diode geliefert werden. Am Ausgang des Gleiohspannungsteilers

209830/0737

220U454

_ 3—

liegt dann die Reihenschaltung des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors mit seinem Emitterwiderstand. In Verbindung mit der Schwellenspannung des Basis-Emitter-Übergangs erzeugt die Ausgangsspannung des Gleichspannungsteilers am Emitterwiderstand eine Spannung, welche sich mit der Temperatur in gleicher Weise wie der Emitterwiderstand ändert.

Die Erfindung sei nun anhand eines in der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die in der Zeichnung dargestellte Stromquelle wird vorzugsweise in integrierter 3?orm hergestellt. Sie enthält die Reihenschaltung eines Strombegrenzungswiderstandes 10 mit einer lawinendiode 12, welche über die Anschlüsse 14 und 16 an einer Betriebsspannungsquelle liegt. Am Anschluß 14 liegt der positive Pol, der Anschluß 16 liegt am Bezugspotential wie Masse. Die Lawinen- oder Zenerspannung an der Diode 12 wird mit Hilfe eines Gleichspännungsteilers 22 herabgeteilt und der Reihenschaltung eines Widerstandes 18 mit einer Diode 20 zugeführt. Der Gleichspannungsteiler 22 enthält einen ersten Transistor 24, der mit Hilfe eines zwischen seinem Emitter und der Bezugsklemme 16 angeordneten Widerstandes 26 gegengekoppelt ist. Über der Diode 12 liegt ein Spannungsteiler aus den Widerständen 28 und 30, an deren Verbindungspunkt der Kollektor des Transistors 24 angeschlossen ist.

Ein zweiter Transistor 32 ist als Gegenkopplungstransistor für den Widerstand 24 geschaltet und liegt mit seiner Basis am Kollektor des Transistors 24, mit seinem Emitter an der Basis des Transbtors 24 und dem der Diode 20 abgewandten Ende des Widerstandes 18; Der Kollektor des Transistors 32 ist an den Ausgange ans chluß 34 geführt. Spannungsteiler dieser Art aus aktiven Bauelementen sind grundsätzlich im US-Patent 3 383 612 beschrieben.

Zur Erzeugung eines Ausgangsstromes an einem zweiten Ausgangs-

209830/0737

220ÜA5A

anschluß 38 kann ferner ein dritter Transistor 36 vorgesehen sein. Seine Basis-Emitter-Strecke liegt über der Diode 20 und sein Kollektor ist an einen Anschluß 38 geführt. Der Transistor 36 und die Diode 20 sind so angeordnet, daß ihre Leitungseigenschaften sich proportional zueinander verhalten, wie es im US-Patent 3 531 730 beschrieben ist.

Die vorstehend erläuterte Schaltung arbeitet in folgender Weise: Es sei zum Zwecke der Erläuterung angenommen, daß die Stromverstärkung /3 jedes der Transistoren 24, 32 und 36 genügend groß ist, daß der Kollektorstrom der Bauelemente jeweils praktisch gleich ihrem Emitterstrom ist und der Basisstrom im Vergleich dazu vernachlässigbar ist. Eine solche Annahme ist für die in integrierter Form hergestellten npn-Transistoren gerechtfertigt.

In diesem Falle kann der am Anschluß 34 abgenommene Ausgangsstrom I₀₁₁J. als gleich dem durch die Reihenschaltung des Widerstandes 18 mit der Diode 20 fließenden Strom angesehen werden. Der Ausgangsstrom bei einer gegebenen Temperatur T₁ läßt sich ausdrücken durch die Gleichung

wobei E die Spannung an der Basis des Transistors 24 gegenüber der Klemme 16 in Volt, V^q ^ie Spannung an der Diode 20 und R₁₈ der Wert des Widerstandes 18 in 0hm ist. Der Ausgangsstrom bei einer zweiten Temperatur Tp läßt sich ausdrücken durch die Gleichung

^{2 Έ}18 ⁺

wobei ^E die Änderung der Basisspannung des Transistors 24 in Volt bei einer Temperaturänderung von T₁ bis T₂, ^V^g die Änderung der Spannung an der Diode 20 bei einer Temperaturänderung von T₁ nach T₂ und AR₁₈ die Änderung des Widerstandes 18

209830/0737

—5—
für die Temperaturänderung von T* nach Tg ist.

Die notwendigen Bedingungen zur Stabilisierung des Ausgangsstromes gegenüber der Temperatur lassen sich durch Gleichsetzen der Ausdrücke für die Ströme I,. und I^ in folgender Weise

1 2 finden:

B - ^VD2O E

+ ΔΒ₁₈

Auflösung dieser Gleichung nach der Spannung E, welche einen konstanten Strom ergibt, führt auf

^E

Nimmt man vereinfachend an, daß die Spannung E unabhängig von der Temperatur ist und somitΔΈ gleich Null ist, dann läßt sich die Gleichung umordnen zur Gleichung

^Econst

Auf diese Weise kann der Strom I₀₁₁^ unabhängig von der Temperatur gemacht werden, indem man die Spannung über dem Widerstand 18 (also die Spannung E - V₁J₂₀) in ihrem Temperaturverhalten gleich und entgegengesetzt dem Widerstandsverhalten des Widerstandes 18 mit der Temperatur macht. Stellt man die Schaltung also integrierte Siliziumschaltung her, dann ist der Spannungsabfall an dem in Durchlaßrichtung vorgespannten Halbleiterübergang der Diode 20 in einem weiten Strombereich etwa gleich 0,7 Volt, während die Änderung des Spannungsabfalls in Abhängigkeit von der Temperatur etwa -1,75 mV pro Grad Celsius ist. Die Widerstandswerte ändern sich in einer solchen Schaltung um etwa +1,9 Einheiten pro 1000 Ohm und Grad Celsius für einen typisch:;«, di!'fundierten Widerstand mit einem I'lächenwider standswert von 2ϋύ ühm pro Quadrat. Setzt man die oben erwähnten Wer-

209830/0737

22ÜU454

te für ^Vjjpn ¹^d ^^ia^ie ^{in die Gleicimn}S für E . , ein, so ergibt sich

^E const I = 4^F ⁺ °·7 = 1.62VoIt.

Der gewünschte temperaturunabhängige Pegel von 1,62 Volt läßt sich mit Hilfe des temperaturvmabhängigen aktiven Spannungsteilers 22 aus einer üblichen Lawinendiode ableiten, deren Temperaturkoeffizient praktisch gleich Null ist. Typischerweise haben Lawinendioden in integrierter Form mit dem Temperaturkoeffizienten Null eine Durchbruchsspannung, die wesentlich größer als 1,62 Volt ist (nämlich in der Größenordnung von 6,2 Volt liegt). Die Spannung an der Diode 12 kann jedoch mit Hilfe des temperaturunabhängigen Spannungsteilers 22 leicht um einen vorbestimmten Paktor heruntergeteilt werden.

Unter der Annahme, daß der Widerstand 10 relativ groß im Vergleich zu den Widerständen 28 und 30 ist, läßt sich die Kombination aus der Diode 12 und den Widerständen 28 und 30 durch eine äquivalente Spannungsquelle mit der Spannung Γ ^R30 Ί

(V₁₉) B^—τ-«— und einer Quellimpedanz, die gleich der L Λά K₂₈ + K₅₀J _{E H}

Parallelschaltung der Widerstände 28 und 30 (also )

^K28 ^+K3ö

ist, ersetzen.

Macht man entsprechend den Lehren des US-Patentes 3 383 612 den Widerstand 26 ebenso groß wie die Parallelschaltung der Widerstände 28 und 30, dann ist die Spannung an der Basis des Transistors 24 halb so groß wie die temperaturunabhängige augeführte äquivalente Spannung. Bei der dargestellten Schaltung

30 1

H^_{1 +} k_3ü J

zur Erreichung der gewünschten Temperaturunabhängigkeit des Au8*:angsstromes I + gleich 3»24 Volt. Die Widerstände 28 und 3u erlauben die Verwendung einer Mode 12 mit einer anderen Durchbruchsepannung als 3,24 Volt.

209830/0737

wäre diese äquivalente Spannung F _ίν \ 30 1 und damit

μ'«¹ ^ J

Bs sei erwälint, daß in integrierten Schaltungen sich Widerstandsverhältnisse sehr leicht in engen Toleranzen realisieren lassen und unabhängig von der Betriebstemperatur sind. Ferner wird durch die Verwendung der Diode 12 die am Widerstand 18 liegende Spannung praktisch unabhängig von Schwankungen der Hauptbetriebsspannung zwischen den Klemmen 14 und 16.

Der am Kollektor des Transistors 32 zur Verfügung stehende Ausgangsstrom ist durch den Wert des Widerstandes 18 bestimmt. Mehrfache dieses Stromes lassen sich gegebenenfalls mit Hilfe des Transistors 36 und/oder zusätzlicher gleicher Transistoren zur Verfugung stellen, deren Eingangskreis (Basis-Emitter-Kreis) an die Diode 20 angeschlossen sind.

Die dargestellte Schaltung ist in der Lage, einen vorbestimmten Strom zu liefern, der praktisch unabhängig von Änderungen der Versorgungsspannung und der Temperatur ist. Der stabilisierte Strom wird im Falle der Abnahme vom Kollektor des Transistors 32 oder des Transistors 36 mit relativ hoher Quellimpedanz zur Verfügung gestellt.

Die Schaltung läßt sich in verschiedener Weise abwandeln, beispielsweise kann die Lawinendiode 12 durch eine andere Quelle geregelter Spannung ersetzt werden. Wenn eine derartige Spannungsquelle eine temperaturabhängige Spannung liefern sollte, kann diese Temperaturabhängigkeit in die obigen Rechnungen einbezogen werden. Ferner kann der Spannungsteiler 22 so ausgebildet sein, daß sein Teilerfaktor anders als ein Halb ist, wie es im US-Patent 3 383 612 der-Fall ist. Auch können zusätzliche Dioden oder andere Bauelemente in die Schaltung eingefügt werden. Jegliche Hinzufügung oder Wegnahme muß jedoch in der Gleichung für die Spannung E, welche an der Basis des Transistors 24 liegt, berücksichtigt werden.

209830/0737

Claims

220ÜA54

-8-Patentansprüche

Temperaturkompensierte Stromquelle für integrierte Schaltungen mit einem ersten Transistor, dessen Kollektor-Emitter-Strecke von einem ersten temperaturkompensierten Strom durchflossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Emitter-Kreis des ersten Transistors (32) mindestens einen ersten Widerstand (18) aufweist und mit dem Ausgang eines Gleichspannungsteilers (22) gekoppelt ist, dessen Eingang an einem Anschluß einer mit ihrem anderen Anschluß an einem Bezugspotential (Klemme 16) liegenden geregelten Spannungsquelle (10,12) angeschlossen ist.
2) Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geregelte Spannungsquelle eine in Sperrichtung vorgespannte Diode (12) und eine an diese geschaltete Gleichspannungsquelle (Anschlüsse 14,16) zur Lieferung eines Sperrdurchbruchsstromes enthält.
3) Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Emitterkreis des ersten Transistors (31) in Reihe mit dem ersten Widerstand (18) eine Diode (20) liegt, welche vom Emitterstrom des Transistors (32) in Durchlaßrichtung durchflossen wird.
4) Stromquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (20) an den ersten Anschluß (16) der geregelten Spannungsquelle angeschlossen ist und daß ein zweiter Transistor (36) mit seiner Basis-Emitter-Strecke parallel zu der Diode (20) geschaltet ist und an seinem Kollektor (Anschluß 38) einen zweiten kompensierten Strom in Abhängigkeit von dem ersten temperaturkompensierten Strom liefert.
5) Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungsteiler einen zweiten

209830/0737

und einen dritten Widerstand (30 bzw. 28) enthält, die mit ihren einen Enden zusammen an die Basis des ersten Transistors (32) geschaltet und mit ihren anderen Enden an die Anschlüsse der geregelten Spannungsquelle (Zenerdiode 12) geschaltet sind.
6) Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4> dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (30) des Gleichspannungsteilers zwischen den zweiten Anschluß (16) der geregelten Spannungsquelle (Diode 12) und die Basis des ersten Transistors (32) geschaltet ist, daß ein weiterer Transistor (24) mit Basis bzw. Kollektor an Emitter bzw. Basis des ersten Transistors (32) geschaltet ist und daß ein weiterer Widerstand (26) zwischen den Emitter des weiteren Transistors (24) und dem ersten Anschluß (16) der geregelten Spannungsquelle (Diode 12) geschaltet ist.
7) Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (28) des G-leichspannungsteilers zwischen den zweiten Anschluß der Lawinendiode (12) und die Basis des ersten Transistors (32) geschaltet ist, daß ein weiterer Transistor (24) mit Basis bzw. Kollektor an Emitter bzw. Basis des ersten Transistors (32) angeschlossen ist und daß Emitter bzw. Basis des weiteren Transistors (24) über einen dritten und einem vierten Widerstand (30 bzw. 26) an den ersten Anschluß (16) der geregelten Spannungsquelle (Diode 12) angeschlossen ist.

209830/0737

Leerseite