DE4219776A1 - Schaltung zur Ausbildung einer genauen Bezugsspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Ausbildung einer genauen Bezugsspannung, insbesondere für Spannungsregler für Feldtransistor-Speicher.

Nach der Erfindung ist es möglich, eine genaue Bezugsspannung auszubilden, die in einem Spannungsregler einer Einrichtung zur Stromversorgung von nutzen ist. Spannungsregler sind bekannt. Gegenüber diesen bekannten Spannungsreglern weist der nach der Erfindung neue Merkmale auf.

Ein Reihenspannungsregler weist üblicherweise einen Leistungstransistor auf, der von einem Differentialverstärker geregelt wird. Der Regler wird von einer geregelten Stromver­ sorgungseinrichtung betrieben, die eine etwas höhere Spannung aufweist. Zum Beispiel kann ein Regler eine Ausgangsspannung von 3,3 Volt ausbilden bei einer Eingangsspannung von 5 Volt durch die Stromversorgungseinrichtung. Ein Eingang des Diffe­ rentialverstärkers empfängt einen Bruchteil der Spannung am Reglerausgang und der andere Eingang empfängt eine Bezugs­ spannung, die der entsprechende Bruchteil der geregelten Spannung ist. In Reglern, die nach der Erfindung benutzt wer­ den, ist die Bezugsspannung halb so groß wie die geregelte Spannung, z. B. 1,65 Volt Bezugsspannung für einen Spannungs­ regler, der eine Ausgangsspannung von 3,3 Volt erzeugt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für einen Spannungs­ regler eine verbesserte Schaltung zur Ausbildung einer Bezugsspannung zu schaffen.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Bezugsspannungsschaltung nach der Erfindung weist eine Dioden-Widerstandsgruppe auf und einen Feldtransistor, der zum Betrieb als Stromquelle für die Dioden-Widerstandsgruppe angeschlossen ist. Dem Toranschluß des Feldtransistors wird eine ausreichende Spannung zugeführt, um zu bewirken, daß durch den Drainstrom des Feldtransistors Bezugsspannung über die Dioden-Widerstandsgruppe abfließt.

Diese Bezugsspannung ist unterschiedlich in Abhängigkeit von der Chip-Temperatur. Dieses Merkmal ist besonders vorteilhaft für einen Spannungsregler für einen Feldtransistor-Speicher. Die Kondensatorladung, die ein Datenbit repräsentiert, fließt bei hohen Chiptemperaturen schneller von einer Speicherzelle ab.

Die Torspannung für die Stromquelle wird durch einen Diffe­ rentialverstärker geregelt. Beide Eingänge des Differential­ verstärkers empfangen eine Bezugsspannung von unterschiedli­ chen Diodengruppen, die jeweils mit voneinander getrennten Stromquellen-Feldtransistoren verbunden sind. Eine Dioden­ gruppe hat große Dioden und die andere Diodengruppe hat kleine Dioden. Die Dioden bewirken bei den beiden Diodengrup­ pen unterschiedliche Temperaturcharakteristika. Der Differen­ tialverstärker regelt die Stromquellen-Feldtransistoren, um die Bezugsspannung entsprechend so zu erhöhen, wie die Chip­ temperatur ansteigt.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der in der Zeichnung schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungs­ form einer Schaltung zur Ausbildung einer Bezugsspannung näher erläutert.

Zunächst wird die Schaltung des Feldtransistors T11 beschrie­ ben. Der P-Kanal Feldtransistor T11 ist mit seiner Quellenan­ schlußstelle mit einer Spannung VDD verbunden und der Toran­ schlußstelle wird eine angemessene Spannung zugeführt, um eine Stromquelle zu bilden. In der Zeichnung ist mit VDD die Stromversorgungsanschlußstelle gekennzeichnet. Dies wird wei­ ter unten näher beschrieben. Der in der Zeichnung nach außen gerichtete Pfeil kennzeichnet schematisch einen P-Kanal Feld­ transistor. Zwei Widerstände R3 und R4 und eine Diode D4 ver­ binden die Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors T11 mit Erde. Die Bezugsspannung ref wird an der Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors T11 durch den Spannungsabfall über die Widerstände R3, R4 und die Diode D4 gebildet. An dieser Anschlußstelle ist ein Feldtransistor angekoppelt, um hier einen Kondensator C1 zu bilden. Dieser Kondensator C1 dient zur Stabilisierung der Spannung-am Knotenpunkt der Bezugspan­ nung ref zwischen dem Feldtransistor T1 und dem Widerstand R3.

Eine andere Ausgangsspannung vbref als Bandlücken- Bezugs­ spannung (band gap voltage) von 1,2 Volt wird an dem gemein­ samen Verbindungspunkt der Widerstände R3 und R4 ausgebildet.

Andere in der Zeichnung dargestellte Komponenten setzen die an der Toranschlußstelle des Feldtransistors T11 gewünschte Spannung fest, um den ausgewählten Wert der Bezugsspannung ref zu liefern. Diese Komponenten variieren die Torspannung in Abhängigkeit von der Chiptemperatur, so daß die Spannung des Feldtransistors T11 ansteigt und die Spannungen ref und vbref um einen entsprechenden Wert ansteigen wenn die Chip­ temperatur sich erhöht.

Zwei Diodengruppen und Stromquellen stellen die Bezugsspannungen d3 und CMP für den Differentialverstärker 1 bereit. Einige der Komponenten dieser Schaltkreise sind bereits aus der Schaltung des Feldtransistors T10 bekannt. Nachstehend wird zunächst die erste Bezugsspannungs-Dioden­ gruppe für die Bezugsspannung d3 beschrieben.

Die Diodengruppen ermöglichen eine Temperaturkompensation. In der ersten Bezugsspannungs-Diodengruppe sind die Dioden D5, D6, D7 in Serie mit einem Widerstand R2 und mit dem Feldtran­ sistor T8 verbunden. Die Spannung über die Widerstände addiert sich zur Bezugsspannung, die an dem Knoten CMP anliegt.

Der P-Kanal Feldtransistor T8 ist zur Bildung einer Strom­ quelle angeschlossen. Seine Stromquellenanschlußstelle ist an VDD angeschlossen und seine Drain-Anschlußstelle ist mit der Widerstands-Diodengruppe verbunden. Das Tor des Feldtransi­ stors T8 ist mit dem Ausgang des Differentialverstärkers 1 für eine Operation verbunden, die ebenso wie die des Feld­ transistors T10 weiter unten beschrieben wird.

Nun wird die zweite Bezugsspannungs-Diodengruppe für das Signal CMP beschrieben. Die Dioden D1, D2, D3 und der Feld­ transistor T10 sind ähnlich zu der gerade beschriebenen Gruppe mit Ausnahmen, die jetzt näher erläutert werden. Diese Dioden D1, D2, D3 sind im Vergleich zu den Dioden D5, D6, D7 klein und ihre Spannung ändert sich mit der Temperatur weni­ ger als die Spannung der Dioden der ersten Gruppe. Ein Kon­ densator C2 ist am Knotenpunkt von d3 angeschlossen, während am Knotenpunkt von CMP kein entsprechender Kondensator vor­ handen ist. Der Kondensator C2 dient zur Stabilisierung der Bezugsspannung D3. Der Feldtransistor T9 ist Teil der Start­ schaltung, die noch beschrieben wird.

Die Temperaturkompensation ist wie folgt. Der Spannungsabfall über eine Diode variiert als Funktion der Temperatur. Wie bekannt ist die Temperaturabhängigkeit der großen Dioden D5, D6, D7 größer als bei den kleinen Dioden D1, D2, D3. Die Spannungen d3 und CMP sind annähernd gleich. Wenn sich die Chiptemperatur ändert, ändern sich auch die Differenzen zwi­ schen den Spannungen d3 und CMP. Ein Beispiel hierfür wird weiter unten angegeben.

Der Differentialverstärker 1 wird durch die Feldtransistoren T4, T5, T6 und T7 und den Widerstand Rl gebildet. Die N-Kanal Feldtransistoren T6 und T7 sind miteinander verbunden und eingangseitig mit den Spannungen d3 bzw. CMP von der ersten und zweiten Diodengruppe beaufschlagt. Die Quellen-Anschluß­ stellen der P-Kanal Feldtransistoren T4 und T5 sind an VDD angeschlossen und ihre Tor-Anschlußstellen sind miteinander verbunden, so daß sie als ähnliche Stromquellen entsprechend der Spannung an der Torverbindung wirken.

Die Toranschlußstellen der Feldtransistoren T4 und T5 sind mit der Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors T7 verbun­ den. Der Ausgang des Differentialverstärkers 1 ist an der Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors T6 über einen Aus­ gangspfad an die Spannung vbs angeschlossen.

Die Operation der Schaltung als Reaktion auf die Eingänge von d3 und CMP ist wie folgt. Die Spannungen d3 und CMP sind annähernd gleich und die zwei Feldtransistoren T6 und T7 des Differentialverstärkers 1 reagieren annähernd gleich. Die Spannungen d3 und CMP ändern sich temperaturabhängig, wie noch beschrieben wird. Bei einer ausgewählten Temperatur wie z. Bsp. der Zimmertemperatur bewirkt die Spannung vbs an der Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors T6 und der Tor-An­ schlußstelle des Feldtransistors T11 einen Strompegel im Feldtransistor T11, der den gewünschten Spannungsabfall über die Komponentengruppe an der Drain-Anschlußstelle des Feld­ transistors T11 bewirkt. In der beschriebenen Schaltung betrug der Spannungsabfall 1,65 Volt.

Die Operation der Schaltung als Reaktion auf eine Tempera­ turänderung wird nun beschrieben. Als Beispiel wird angenom­ men, daß die Chiptemperatur von 0 Grad Celsius auf 90 Grad Celsius ansteigt. Es fließt mehr Strom in der ersten Dioden­ gruppe und verursacht dabei einen großen Spannungsabfall über den Widerstand R2 und eine höhere Spannung CMP am Tor des Feldtransistors T7. Der Stromfluß in der zweiten Diodengruppe steigt nicht vergleichbar an, und die Spannung d3 am Tor des Feldtransistors T6 bleibt verhältnismäßig unverändert.

Die Feldtransistoren T8 und T10 sind beide in Größe und Tor­ spannung identisch. Sie leiten den gleichen Strom zu den bei­ den Diodengruppen. Bei höherer Temperatur steigt der Strom von den großen Dioden stärker an als der von den kleinen Dioden. Daher haben Gruppen großer Dioden einen kleineren Spannungsabfall. Die Spannung d3 ist größer als die Spannun­ gen CMP und vbs. Als Reaktion auf diese Änderung der Ein­ gangsspannung CMP verringert der Differentialverstärker 1 die Spannung vbs an der Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors T6 und der Tor-Anschlußstelle des Feldtransistors T11 und bewirkt dabei am Feldtransistor T11 einen größeren Stromfluß. Die Größe der Änderung der Bezugsspannung bei Temperaturände­ rung ist eine Funktion der Charakteristika der Dioden, der Verstärkung des Differentialverstärkers 1 und der Werte der Widerstände, die mit der Drain-Anschlußstelle des Feldtransi­ stors T11 verbunden sind. Deshalb kann die Schaltung leicht angepaßt werden, um eine besondere Bezugsspannungs ref und ein besonderes Verhältnis zwischen dieser Spannung und der Chiptemperatur zu erzielen.

Die Schaltungsanordnung zum Start der Schaltung umfaßt die Feldtransistoren T1, T2, T3 und T9, die beim Start zusammenwirken und zuerst mit Energie beaufschlagt werden. Ferner ist ein Kondensator C3 vorgesehen. Während der Anlauf­ phase bilden die Feldtransistoren T1, T2 und der Kondensator C3 ein RC-Netzwerk, um am Knotenpunkt START mindestens 2 Volt unter einer Spannung Vcc zu halten, die die Schwellenspannung des PMOS-Transistors ist und bei der die Schaltung zu arbei­ ten beginnt. Der Feldtransistor T9 ist parallel mit dem Feldtransistor T10 verbunden. Wenn der Feldtransistor T9 als Reaktion auf ein Signal der Leitung START eingeschaltet wird, wird der Knotenpunkt d3 angezogen und dabei der Feldtransi­ stor T7 in dem Differentialverstärker 1 eingeschaltet. Der Differentialverstärker 1 verringert seine Ausgangsspannung vbs, die die Stromquellen Feldtransistoren T8, T10 und T11 einschalten. Die Leitung START verbindet die Tor-Anschluß­ stelle des Feldtransistors T9 mit der Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors T3. Die P-Kanal Feldtransistoren T1 und T2 sind miteinander verbunden und erzeugen eine Schwellen­ spannung Vt über ihre Quellen- und Drain-Anschlußstellen. Der Feldtransistor T3 ist sehr viel kleiner als die Feldtransi­ storen T1 und T2. Wenn die Schaltung zuerst Energie empfängt, schaltet der Feldtransistor T3 als Reaktion ein zu einem obe­ ren Schwellenwert am Tor, das an den Knotenpunkt von D3 angeschlossen ist, und erzeugt eine Spannung von VDD-2Vt an der Tor-Anschlußstelle des Feldtransistors T9.

Aus der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform einer Schaltung lassen sich weitere abgeänderte Ausführungsformen ableiten, die von der Erfindung und den Patentansprüchen umfaßt werden.

Claims (12)

1. Schaltung zur Ausbildung einer genauen Bezugsspannung, insbesondere für Spannungsregler für Feldtransistor-Spei­ cher, gekennzeichnet durch einen als Stromquelle ange­ schlossenen Feldtransistor (T11) und zwischen der Drain- Anschlußstelle des Feldtransistors (T11) und dem Erdleiter angeordneten Komponenten zur Ausbildung einer Bezugsspan­ nung (ref) als Reaktion auf den Strom, einen aus Feldtran­ sistoren (T4, T5, T6, T7) bestehenden Differentialverstär­ ker (1) zur Regelung des Elektronenübergangs am Stromquellen-Feldtransistor (T11), ersten Mitteln (D5, D6, D7) zur Bereitstellung einer Spannung (CMP) an einem Ein­ gang des Differentialverstärkers (1) und weiteren Mitteln (D1, D2, D3) zur Bereitstellung einer Spannung (d3) an dem anderen Eingang des Differentialverstärkers (1), wobei die ersten und zweiten Mittel unterschiedliche Temperaturcha­ rakteristika zur Variierung der Bezugsspannung als Funk­ tion der Chiptemperatur aufweisen.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors (T11) und dem Erdleiter angeordneten Komponenten eine Diode (D4) und einen Widerstand (R3) umfassen.

3. Schaltung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zwischen der Drain-Anschlußstelle des Feldtransistors (T11) und dem Erdleiter angeordneten Kom­ ponenten eine Widerstand (R4) zur Erzeugung einer Bandlüc­ ken-Bezugsspannung (vbref) umfassen.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Widerstand (R4) eine Bandlücken-Bezugsspannung (vbref) von 1,2 Volt erzeugt wird.

5. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel eine erste Gruppe von Dioden (D5, D6, D7) und eine erste Einrichtung (T8) zur Stromversorgung dieser Dioden und die zweiten Mittel eine zweite Gruppe von Dioden (D1, D2, D3) und eine zweite Einrichtung (T10) zur Stromversorgung dieser Dioden umfassen, wobei die Spannung dieser Dioden (D5, D6, D7; D1, D2, D3) mit der Temperatur und dem Diodenstrom variiert.

6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden (D5, D6, D7) der ersten Diodengruppe größer sind als die Dioden (D1, D2, D3) der zweiten Diodengruppe, so daß bei einer Temperaturänderung die Spannungsänderung an den Dioden (D5, D6, D7) größer ist als an den Dioden (D1, D2, D3).

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Einrichtung zur Stromversorgung der Dio­ dengruppen einen ersten mit der ersten Diodengruppe ver­ bundenen Feldtransistor (T8) und einen mit der zweiten Dio­ dengruppe verbundenen Feldtransistor (T10) umfaßt.

8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tor-Anschlußstellen des ersten und zweiten Feldtransistors (T8, T10) mit dem Ausgang des Differentialverstärkers (1) verbunden sind, so daß bei einem Anstieg der Chiptempera­ tur der Stromfluß durch die erste und zweite Diodengruppe steigt.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Diodengruppe einen Widerstand (R2) zur weiteren Steigerung des Spannungsabfalls über die Leitung (CMP) umfaßt, wenn bei einem Temperaturanstieg die Spannung am Ausgang des Differentialverstärkers (1) steigt.

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialverstärker (1) Feldtransistoren (T6, T7; T4, T5) umfaßt, von denen der erste Feldtransistor (T6) und der zweite Feldtransistor (T7) mit einem Widerstand (R1) verbunden sind zur unterschiedlichen Leitung von Strom als Reaktion auf die Spannung von der ersten und zweiten Dio­ dengruppe, und von denen der dritte Feldtransistor (T4) und vierte Feldtransistor (T5) jeweils als Ladeeinrichtung angeschlossen sind und die Tor-Anschlußstellen eines der ersten und zweiten Feldtransistoren (T6, T7) mit der Drain-Anschlußstelle eines der ersten oder zweiten Feld­ transistoren (T6, T7) und die Drain-Anschlußstellen der anderen als der erste und zweite Feldtransistor (T6, T7) mit den Tor-Anschlußstellen der Stromquellen-Feldtransi­ storen (T8, T10) verbunden sind.

11. Schaltung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel zur Einschaltung des zweiten Stromquellen-Feldtransistors (T10), wenn die Schaltung erstmalig mit Energie beauf­ schlagt wird.

12. Schaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einschaltung des zweiten Stromquellen-Feld­ transistors einen Feldtransistor (T9) umfassen, der paral­ lel zu dem zweiten Stromquellen-Feldtransistor (T10) geschaltet ist, wobei dieser über die Tor-Anschluß­ stelle des Feldtransistors (T9) eingeschaltet wird, wenn die Schaltung erstmalig mit Energie beaufschlagt wird.