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DE4229329C1 - Voltage stabilization circuit - Google Patents

Voltage stabilization circuit

Info

Publication number
DE4229329C1
DE4229329C1 DE19924229329 DE4229329A DE4229329C1 DE 4229329 C1 DE4229329 C1 DE 4229329C1 DE 19924229329 DE19924229329 DE 19924229329 DE 4229329 A DE4229329 A DE 4229329A DE 4229329 C1 DE4229329 C1 DE 4229329C1
Authority
DE
Germany
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voltage
temperature
transistor
series circuit
resistor
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE19924229329
Other languages
German (de)
Inventor
Erich Bayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texas Instruments Deutschland GmbH
Original Assignee
Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Texas Instruments Deutschland GmbH filed Critical Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority to DE19924229329 priority Critical patent/DE4229329C1/en
Priority to EP93114044A priority patent/EP0585918A1/en
Priority to JP21888193A priority patent/JPH06282340A/en
Application granted granted Critical
Publication of DE4229329C1 publication Critical patent/DE4229329C1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05FSYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F3/00Non-retroactive systems for regulating electric variables by using an uncontrolled element, or an uncontrolled combination of elements, such element or such combination having self-regulating properties
    • G05F3/02Regulating voltage or current
    • G05F3/08Regulating voltage or current wherein the variable is DC
    • G05F3/10Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics
    • G05F3/16Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
    • G05F3/20Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations
    • G05F3/22Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the bipolar type only
    • G05F3/222Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the bipolar type only with compensation for device parameters, e.g. Early effect, gain, manufacturing process, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage
    • G05F3/225Regulating voltage or current wherein the variable is DC using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices using diode- transistor combinations wherein the transistors are of the bipolar type only with compensation for device parameters, e.g. Early effect, gain, manufacturing process, or external variations, e.g. temperature, loading, supply voltage producing a current or voltage as a predetermined function of the temperature

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Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsstabilisierungsschaltung, bei der die stabilisierte Ausgangsspannung in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall an einem temperaturkompensierten Se­ rienkreis erzeugt wird, der wenigstens eine in Durchlaßrich­ tung verbundene Diode sowie einen zur Kompensation des resul­ tierenden Dioden-Temperaturkoeffizienten dienenden ersten Widerstand umfaßt.The invention relates to a voltage stabilization circuit, where the stabilized output voltage is dependent of the voltage drop at a temperature compensated Se Rienkreis is generated, the at least one in Durchlaßrich connected diode and one to compensate the result serving diode temperature coefficient serving first Resistance includes.

Eine solche Spannungsstabilisierungsschaltung ist aus DE-Elektronik, 1976, Heft 1, Seite 68 bekannt. In dieser bekannten Schaltung werden neben zwei Siliziumtransistoren zwei Germaniumdioden eingesetzt. Diese Kombination von Siliziumbauelementen und von Germaniumbauelementen verhindert, daß sich die Schaltung in Form einer integrierten Schaltung herstellen läßt. Wenn also in einer integrierten Schaltung, die auf der Silizium-Technologie beruht, eine Spannungsstabilisierungsschaltung benötigt wird, kann die bekannte Stabilisie­ rungsschaltung nicht eingesetzt werden. Überdies ist bei der bekannten Stabi­ lisierungsschaltung eine Temperaturkompensation (also ein geringer TK) nur dann erreichbar, wenn eine bestimmte Spannung Uz vorhanden ist. Durch Be­ rechnung läßt sich zeigen, daß nur bei Uz=1,3 V die gewünschte Temperatur­ kompensation erreicht wird.Such a voltage stabilization circuit is known from DE-Elektronik, 1976, Issue 1, page 68. In addition to two silicon transistors, two germanium diodes are used in this known circuit. This combination of silicon components and germanium components prevents the circuit from being produced in the form of an integrated circuit. Thus, if a voltage stabilization circuit is required in an integrated circuit based on silicon technology, the known stabilization circuit cannot be used. Furthermore, in the known stabilization circuit, temperature compensation (ie a low TC) can only be achieved if a certain voltage U z is present. By calculation it can be shown that the desired temperature compensation is only achieved at U z = 1.3 V.

Zur Stabilisierung von Gleichspannungen werden häufig Zener- Dioden eingesetzt, die sich von den anderen Dioden in erster Linie dadurch unterscheiden, daß die Durchbruchspannung, bei der ein Steilanstieg des Sperrstromes erfolgt, genau spezifi­ ziert ist. Die stabilisierende Wirkung einer solchen Zener- Diode beruht darauf, daß eine große Stromänderung lediglich eine kleine Spannungsänderung hervorruft. Die Stabilisierung ist um so besser, je steiler die Strom/Spannungs-Kurve ver­ läuft, d. h., je kleiner der differentielle Innenwiderstand ist. To stabilize DC voltages, Zener Diodes used that differ from the other diodes in the first Distinguish the line in that the breakdown voltage, at which is a steep increase in reverse current, exactly specific is adorned. The stabilizing effect of such a zener Diode is based on the fact that a large current change only causes a small change in voltage. The stabilization the better the steeper the current / voltage curve running, d. that is, the smaller the differential internal resistance is.  

Bei in Bipolartechnik hergestellten Halbleiterelementen wird zur Realisierung einer solchen Zenerdiode üblicherweise der Avalanche-Effekt ausgenutzt. Bei derartigen, auf dem Avalan­ che-Effekt beruhenden Zener-Dioden mit positivem Temperatur­ koeffizienten liegt die Durchbruchspannung in der Regel zwi­ schen 6 und 8,5 V.In semiconductor elements manufactured in bipolar technology to realize such a Zener diode usually the Avalanche effect exploited. With such, on the Avalan che effect based Zener diodes with positive temperature breakdown voltage is usually between between 6 and 8.5 V.

In der Praxis werden jedoch häufig deutlich kleinere Durch­ bruchspannungen gefordert. Zur Erzielung derart kleiner Durchbruchspannungen wurde bereits vorgeschlagen, eine ent­ sprechende Anzahl von in Durchlaßrichtung betriebener Dioden hintereinanderzuschalten und den resultierenden negativen Temperaturkoeffizienten dieser Dioden durch einen in Reihe mit den Dioden geschalteten Widerstand zu kompensieren.In practice, however, it is often much smaller breaking stress required. To achieve this small Breakdown voltages have already been proposed, an ent speaking number of diodes operated in the forward direction connect in series and the resulting negative Temperature coefficients of these diodes through one in series to compensate with the diode switched resistance.

Mit einem solchen Serienkreis erhält man zwar eine Art Zener- Diode mit niedriger Durchbruchspannung und einer Temperatur­ kompensation. Eine solche Spannungsstabilisierungsschaltung weist jedoch den Nachteil auf, daß sich insbesondere bei hö­ heren Temperaturen ein nur schwach gekrümmter Kniepunkt er­ gibt und die Steigung der Strom/Spannungs-Kurve in hohem Maße von der Betriebstemperatur abhängig ist. Ein relativ schwach gekrümmter Kniepunkt ist gleichbedeutend mit einem relativ hohen dynamischen Ausgangswiderstand der nachgebildeten Ze­ ner-Diode, der zudem von der jeweiligen Betriebstemperatur abhängig ist. Überdies ist eine vollständige Temperaturkom­ pensation nur bei einem bestimmten Spannungswert gegeben, der von der Anzahl der Dioden sowie dem Wert des Temperaturkoef­ fizienten des Widerstandes abhängt.With such a series circle you get a kind of zener Low breakdown voltage and temperature diode compensation. Such a voltage stabilization circuit has the disadvantage, however, that especially at high a weakly curved knee point there and the slope of the current / voltage curve to a high degree depends on the operating temperature. A relatively weak one curved knee point is synonymous with a relative high dynamic output resistance of the simulated Ze ner diode, which also depends on the respective operating temperature is dependent. Furthermore, a complete temperature comm pensation only given at a certain voltage value, the on the number of diodes and the value of the temperature coefficient efficiency of the resistance depends.

Um einen steileren Anstieg der Strom/Spannungs-Kurve zu er­ halten, wurde auch bereits vorgeschlagen, einen solchen Se­ rienkreis zwischen den Kollektor und die Basis eines aus­ gangsseitigen, zwischen Kollektor und Emitter die stabili­ sierte Ausgangsspannung liefernden Transistors zu schalten.To get a steeper rise in the current / voltage curve hold, has already been proposed such a Se circle between the collector and the base of one aisle side, between the collector and emitter the stabili Switched transistor supplying output voltage.

Nachdem hierbei nur noch ein geringer Teil des Durchbruch- bzw. Durchlaßstromes über den Widerstand des Serienkreises fließt, kann von einer Temperaturkompensation keine Rede mehr sein. Es ist zwar eine relativ konstante Steigung der betref­ fenden Strom/Spannungs-Kurve sichergestellt. Von Nachteil ist jedoch, daß die Durchbruchspannung in hohem Maße von der je­ weiligen Temperatur abhängig ist.After only a small part of the breakthrough or forward current through the resistance of the series circuit  flows, there is no longer any question of temperature compensation his. Although there is a relatively constant slope of the subject current / voltage curve ensured. The disadvantage is however, that the breakdown voltage is highly dependent on the depending on the temperature.

Ziel der Erfindung ist es, eine Spannungsstabilisierungs­ schaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau einen relativ scharf gekrümmten Kniebereich und einen konstanten dynamischen Ausgangswiderstand besitzt sowie gleichzeitig temperaturkompensiert ist.The aim of the invention is a voltage stabilization to create circuit of the type mentioned at the beginning simple construction a relatively sharply curved knee area and has a constant dynamic output resistance and at the same time is temperature compensated.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features in claim 1.

Aufgrund dieser Ausbildung wird nicht nur ein kleiner, die stabilisierende Wirkung erhöhender und über einen großen Tem­ peraturbereich hinweg im wesentlichen konstanter differen­ tieller Ausgangswiderstand erzielt, sondern gleichzeitig auch eine optimale, umfassende Temperaturkompensation sicherge­ stellt, so daß auch die Durchbruch- bzw. Durchlaßspannung praktisch unabhängig von der jeweiligen Betriebstemperatur ist. Die jeweilige Durchbruchspannung kann in weiten Grenzen variiert werden, indem insbesondere eine entsprechende Anzahl von Dioden in Reihe geschaltet und für den ersten Widerstand ein entsprechender Temperaturkoeffizient gewählt wird. Die jeweilige Durchbruchspannung ist sowohl von der Diodenzahl als auch von diesem Temperaturkoeffizienten abhängig.Because of this training, not only is a small one stabilizing effect increasing and over a large tem temperature range is essentially constant tial output resistance achieved, but also at the same time an optimal, comprehensive temperature compensation provides so that the breakdown or forward voltage practically independent of the respective operating temperature is. The respective breakdown voltage can be within wide limits can be varied by in particular a corresponding number connected in series by diodes and for the first resistor an appropriate temperature coefficient is selected. The respective breakdown voltage is both from the number of diodes as well as depending on this temperature coefficient.

Der zweite Widerstand ist vorzugsweise parallel zur Basis- Emitter-Strecke der Transistor-Ausgangsstufe geschaltet. Hierbei ist der Temperaturkoeffizient der an diesem zweiten Widerstand abfallenden Spannung gleich dem Temperaturkoeffi­ zienten der Basis-Emitter-Spannung des betreffenden Transi­ stors zu wählen. The second resistor is preferably parallel to the base Emitter path of the transistor output stage switched. Here the temperature coefficient is that of this second Resistance falling voltage equal to the temperature coefficient the base-emitter voltage of the transi in question to choose stors.  

Die Diode bzw. die Dioden können jeweils durch einen Transi­ stor realisiert sein, dessen Kollektor-Basis-Strecke kurzge­ schlossen ist.The diode or the diodes can each by a Transi stor be realized, its collector-base section short is closed.

Zumindest der dem temperaturkompensierten Serienkreis zu­ geordnete erste Widerstand kann durch mehrere Widerstände vorzugsweise unterschiedlicher Bauart gebildet sein, so daß innerhalb des Bereiches zwischen dem höchstmöglichen und dem kleinstmöglichen Wert jeder beliebige Temperaturkoeffizient durch ein Zusammenschalten verschiedener Widerstände reali­ sierbar ist.At least that of the temperature-compensated series circuit too ordered first resistance can be through multiple resistors preferably be of different types, so that within the range between the highest possible and the smallest possible value any temperature coefficient by interconnecting different resistors reali is sizable.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausführungs­ varianten der Erfindung angegeben.Further advantageous embodiments are in the subclaims variants of the invention specified.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:The invention is illustrated below with the aid of an embodiment game explained in more detail with reference to the drawing; in this shows:

Fig. 1 den die Dioden umfasssenden temperaturkompensierten Serienkreis der in Fig. 5 gezeigten erfindungsge­ mäßen Spannungsstabilisierungsschaltung, Fig. 1 to the diodes umfasssenden temperature compensated series circuit of erfindungsge MAESSEN voltage stabilizing circuit shown in Fig. 5,

Fig. 2 die sich bei unterschiedlichen Temperaturen erge­ benden Strom/Spannungs-Kennlinien des in Fig. 1 gezeigten temperaturkompensierten Serienkreises, Fig. 2, at different temperatures reproduced current / voltage characteristics of the temperature compensated erge series circuit shown in Fig. 1,

Fig. 3 den in Fig. 1 gezeigten Serienkreis mit nachge­ schaltetem Transistor ohne Temperaturkompensation, Fig. 3 shows the series circuit shown in Fig. 1 with secondary transistor is switched without temperature compensation,

Fig. 4 die sich für unterschiedliche Temperaturen erge­ benden Strom/Spannungs-Kennlinien der in Fig. 3 gezeigten Schaltung, Fig. 4, for different temperatures reproduced current / voltage characteristics erge the circuit shown in Fig. 3,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannungsstabilisierungsschaltung mit einem Se­ rienkreis gemäß Fig. 1 und einem nachgeschalteten, temperaturkompensiertenn Transistor, und Fig. 5 shows an embodiment of the voltage stabilization circuit according to the invention with a Se rienkreis according to FIG. 1 and a downstream, temperature-compensated transistor, and

Fig. 6 die sich für unterschiedliche Temperaturen erge­ benden Strom/Spannungs-Kennlinien der in Fig. 5 gezeigten erfindungsgemäßen Spannungsstabilisie­ rungsschaltung. Fig. 6 which erge for different temperatures reproduced current / voltage characteristics shown Spannungsstabilisie 5 according to the invention approximately the circuit in Fig..

Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsvariante der erfin­ dungsgemäßen Spannungsstabilisierungsschaltung umfaßt einen temperaturkompensierten, eine oder mehrere Dioden Q₁-QN sowie wenigstens einen ersten Widerstand R1 umfassenden Serienkreis SK gemäß Fig. 1. Die Dioden Q₁-QN sind jeweils durch einen Bipolar-Transistor mit kurzgeschlossener Kollektor-Basis- Strecke realisiert. Grundsätzlich sind jedoch auch normale Dioden verwendbar.The embodiment shown in Fig. 5 of the voltage stabilization circuit according to the invention comprises a temperature-compensated, one or more diodes Q₁-Q N and at least one first resistor R1 comprising series circuit SK according to FIG. 1. The diodes Q₁-Q N are each by a bipolar transistor realized with short-circuited collector-base section. In principle, however, normal diodes can also be used.

Gemäß Fig. 1 sind drei hintereinandergeschaltete Dioden Q₁-QN sowie ein mit diesen in Reihe geschalteter Widerstand R1 vor­ gesehen. Dieser Serienkreis SK kann jedoch eine beliebige Anzahl von Dioden sowie auch mehrere Widerstände umfassen.Referring to FIG. 1, three series-connected diodes Q₁-Q N and a switched with these series resistor R1 before are seen. However, this series circuit SK can comprise any number of diodes and also several resistors.

Der Temperaturkoeffizient TCD der Durchlaßspannung UD der in Durchlaßrichtung verbundenen Dioden Q₁-QN ist jeweils negativ und beträgt etwa -2 mV/K. Demgegenüber ist der Temperatur­ koeffizient TCR1 des zur Kompensation des resultierenden Dioden-Temperaturkoeffizienten TCN vorgesehenen Widerstandes R1 positiv.The temperature coefficient TC D of the forward voltage U D of the diodes Q₁-Q N connected in the forward direction is in each case negative and is approximately -2 mV / K. In contrast, the temperature coefficient TC R1 of the resistor R1 provided to compensate for the resulting diode temperature coefficient TC N is positive.

Der resultierende Dioden-Temperaturkoeffizient TCN ergibt sich aus der folgenden Beziehung:The resulting diode temperature coefficient TC N results from the following relationship:

TCN = N · TCD (1)TC N = N · TC D (1)

mit
N = Anzahl der in Reihe geschalteten Dioden Q₁-QN,
TCD = Temperaturkoeffizient der Durchlaßspannung UD einer jeweiligen Diode (≈ -2 mV/K),
TCN = resultierender Dioden-Temperaturkoeffizient.
With
N = number of diodes Q₁-Q N connected in series,
TC D = temperature coefficient of the forward voltage U D of a respective diode (≈ -2 mV / K),
TC N = resulting diode temperature coefficient.

Um eine Kompensation dieses resultierenden Dioden-Temperatur­ koeffizienten TCN durch den Widerstand R1 zu gewährleisten, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:In order to ensure compensation of this resulting diode temperature coefficient TC N by resistor R1, the following conditions must be met:

mit
T = Temperatur,
R125° = Wert des Widerstandes R1 bei 25°C,
TCR1 = Temperaturkoeffizient des Widerstandes R1,
IOpt = optimaler Betriebsstrom im temperaturkompensierten Serienkreis SK.
With
T = temperature,
R1 25 ° = value of resistance R1 at 25 ° C,
TC R1 = temperature coefficient of resistance R1,
I Opt = optimal operating current in the temperature-compensated SK series circuit.

Aus der Beziehung (2A) ergibt sich, daß beispielsweise bei einem gegebenen Temperaturkoeffizienten TCR1 für den Wider­ stand R1 die gewünschte Temperaturkompensation nur bei einem bestimmten optimalen Betriebsstrom IOpt für den Serienkreis SK gegeben ist. Dies läßt sich auch deutlich dem Diagramm gemäß Fig. 2 entnehmen, in dem für drei unterschiedliche Tem­ peraturen (-40°C, 25°C, 85°C) die jeweiligen Strom/Spannungs­ Kennlinien (ILIM, ULIM) dargestellt sind.From the relationship (2A) it follows that, for example, given a temperature coefficient TC R1 for the resistance R1, the desired temperature compensation is only given at a certain optimal operating current I Opt for the series circuit SK. This can also be clearly seen in the diagram according to FIG. 2, in which the respective current / voltage characteristics (I LIM , U LIM ) are shown for three different temperatures (-40 ° C, 25 ° C, 85 ° C).

Die dem optimalen Betriebsstrom IOpt des Serienkreises SK zu­ geordnete optimale Betriebsspannung über dem Serienkreis SK läßt sich wie folgt bestimmen: The optimum operating voltage across the series circuit SK, which is assigned to the optimum operating current I Opt of the series circuit SK, can be determined as follows:

mit
UOpt = optimale Betriebsspannung über dem Serienkreis SK
= Spannung über einer jeweiligen Diode (Basis-Emitter- Spannung) bei 25°C
= Spannung über dem Widerstand R1 bei 25°C.
With
U Opt = optimum operating voltage across the SK series circuit
= Voltage across a respective diode (base-emitter voltage) at 25 ° C
= Voltage across resistor R1 at 25 ° C.

Für das in Fig. 1 wiedergegebene Beispiel eines Serienkrei­ ses, der identisch im in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spannungsstabilisierungsschaltung ent­ halten ist, sind die folgenden Werte vorgesehen:The following values are provided for the example of a series circuit shown in FIG. 1, which is identical in the exemplary embodiment of the voltage stabilization circuit according to the invention shown in FIG. 5:

N = 3
R125° = 100 kΩ
TCR1 = 6000 ppm/K,
N = 3
R1 25 ° = 100 kΩ
TC R1 = 6000 ppm / K,

woraus sich für den Serienkreis SK theoretisch die folgenden optimalen Betriebswerte ergeben:which theoretically results in the following for the SK series circuit optimal operating values result:

IOpt = 10 µA (vgl. 2A)
UOpt = 3,1 V (vgl. 3A)
I Opt = 10 µA (see 2A)
U Opt = 3.1 V (see 3A)

Anhand der in Fig. 2 wiedergegebenen Kennlinien eines solchen Serienkreises SK ergibt sich nun, daß für einen bestimmten Arbeitspunkt IOpt, UOpt zwar eine Temperaturkompensation ge­ geben ist, insbesondere bei der hohen Temperatur von 85°C jedoch ein nur schwach gekrümmter Kniebereich vorliegt. Über­ dies weist die ILIM/ULIM-Kennlinie bei -40°C eine größere Steilheit auf als bei 85°C. Würde man somit unmittelbar die am Serienkreis SK abfallende Spannung als stabilisierte Aus­ gangsspannung ULIM verwenden, so wäre zwar eine gewisse Tem­ peraturkompensation gegeben, es müßte jedoch ein relativ ho­ her dynamischer Ausgangswiderstand in Kauf genommen werden, der dazu noch von der Temperatur abhängig ist.Based on the characteristics of such a series circuit SK shown in FIG. 2, it now emerges that for a certain operating point I Opt , U Opt temperature compensation is given, but in particular at the high temperature of 85 ° C. there is only a slightly curved knee area. The I LIM / U LIM characteristic curve has a greater slope at -40 ° C than at 85 ° C. If one were to use the voltage drop across the series circuit SK as a stabilized output voltage U LIM , there would be a certain temperature compensation, but a relatively high dynamic output resistance would have to be accepted, which is also dependent on the temperature.

In Fig. 3 ist eine Schaltung gezeigt, in der der Serienkreis SK gemäß Fig. 1 parallel zur Kollektor-Basis-Strecke eines zwischen Kollektor und Emitter die stabilisierte Ausgangs­ spannung ULIM liefernden Transistors T geschaltet ist. FIG. 3 shows a circuit in which the series circuit SK according to FIG. 1 is connected in parallel with the collector-base section of a transistor T supplying the stabilized output voltage U LIM between the collector and emitter.

Wie sich aus den in Fig. 4 dargestellten ILIM/ULIM-Kennlinien dieser Schaltung ergibt, läßt sich durch diese Maßnahme zwar ein schärfer gekrümmter Kniebereich sowie ein im wesentli­ chen konstanter dynamischer Ausgangswiderstand erzielen. Nachdem jedoch nur noch ein kleiner Teil des Durchbruch- bzw. Durchlaßstromes durch den Kompensationswiderstand R1 fließt, ist die gewünschte Temperaturkompensation der Schaltung nicht mehr gewährleistet. Mit der Temperatur ändert sich stets auch die Durchbruchspannung.As can be seen from the I LIM / U LIM characteristics of this circuit shown in FIG. 4, this measure allows a sharper curved knee area and an essentially constant dynamic output resistance to be achieved. However, after only a small part of the breakdown or forward current flows through the compensation resistor R1, the desired temperature compensation of the circuit is no longer guaranteed. The breakdown voltage always changes with the temperature.

In Fig. 5 ist nun eine bevorzugte Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Spannungsstabilisierungsschaltung gezeigt. Auch bei dieser Schaltung wird die stabilisierte Ausgangs­ spannung ULIM in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall USK an einem temperaturkompensierten Serienkreis SK gemäß Fig. 1 erzeugt.In Fig. 5, a preferred embodiment of the voltage stabilizing circuit according to the invention is shown. In this circuit too, the stabilized output voltage U LIM is generated as a function of the voltage drop U SK at a temperature-compensated series circuit SK according to FIG. 1.

Der Serienkreis SK umfaßt demnach wiederum wenigstens eine in Durchlaßrichtung verbundene Diode Q₁-QN sowie einen zur Kompensation des resultierenden Dioden-Temperaturkoeffizien­ ten TCN dienenden ersten Widerstand R1. Die Temperaturkompen­ sation des Serienkreises SK sowie die Dimensionierung der jeweiligen Bauelemente erfolgt auf genau dieselbe Weise, wie dies im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 dargestellten, identi­ schen Serienkreis SK beschrieben wurde. Die Anzahl N der Dio­ den Q₁-QN kann insbesondere wiederum in Abhängigkeit von der jeweils gewünschten Durchlaßspannung gewählt werden. Grund­ sätzlich ist es möglich, statt mehrerer Dioden nur eine ein­ zige Diode vorzusehen. The series circuit SK accordingly comprises at least one diode Q 1 -Q N connected in the forward direction and a first resistor R1 serving to compensate for the resulting diode temperature coefficients TC N. The temperature compensation of the series circuit SK and the dimensioning of the respective components takes place in exactly the same way as was described in connection with the identical series circuit SK shown in FIG. 1. The number N of the Dio the Q₁-Q N can in particular be selected depending on the forward voltage desired. In principle, it is possible to provide only a single diode instead of several diodes.

Dem temperaturkompensierten Serienkreis SK ist eine Transi­ stor-Ausgangsstufe mit einem Transistor T nachgeschaltet, der eingangsseitig eine Basis-Emitter-Strecke BE umfaßt, deren Temperaturkoeffizient TCBE durch einen zweiten Widerstand R2 kompensiert ist. Dieser zweite Widerstand R2 ist parallel zur Basis-Emitter-Strecke BE des Transistors T geschaltet. Demge­ genüber ist der temperaturkompensierte Serienkreis SK paral­ lel zu der Kollektor-Basis-Strecke C-B des Transistors ge­ schaltet. Demnach bilden der temperaturkompensierte Serien­ kreis SK sowie der zur Kompensation des Temperaturkoeffizien­ ten TCBE der Basis-Emitter-Spannung UBE des Transistors T dienende Widerstand R2 einen Spannungsteiler SK, R2, dessen zwischen dem Serienkreis SK und dem zweiten Widerstand R2 gelegener Mittelabgriff M mit der Basis B des nachgeschalte­ ten Transistors T verbunden ist. Die stabilisierte Ausgangs­ spannung ULIM liegt zwischen dem Kollektor C und dem Emitter E des Transistors T an.The temperature-compensated series circuit SK is followed by a transistor output stage with a transistor T, which on the input side comprises a base-emitter path BE, the temperature coefficient TC BE of which is compensated by a second resistor R2. This second resistor R2 is connected in parallel to the base-emitter path BE of the transistor T. In contrast, the temperature-compensated series circuit SK is connected in parallel to the collector-base section CB of the transistor. Accordingly, the temperature-compensated series circuit SK and the compensation for the temperature coefficient TC BE of the base-emitter voltage U BE of the transistor T serving resistor R2 form a voltage divider SK, R2, the center tap M located between the series circuit SK and the second resistor R2 the base B of the downstream transistor T is connected. The stabilized output voltage U LIM is present between the collector C and the emitter E of the transistor T.

Beim in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind im Serien­ kreis SK wiederum drei Dioden Q₁-QN vorgesehhen, die jeweils durch einen Bipolar-Transistor mit kurzgeschlossener Kollek­ tor-Basis-Strecke gebildet sind. Vorzugsweise handelt es sich auch bei dem nachgeschalteten Transistor T um einen Bipolar- Transistor.In the embodiment shown in Fig. 5, three diodes Q₁-Q N are again provided in the series circuit SK, each of which is formed by a bipolar transistor with a short-circuited collector-base path. The downstream transistor T is preferably also a bipolar transistor.

Zumindest der erste Widerstand R1 kann durch mehrere Teilwi­ derstände R1′; R1′′ vorzugsweise unterschiedlicher Bauart ge­ bildet sein. So können beispielsweise nach dem LBC2 (Lin-Bi CMOS 2)-Verfahren unterschiedliche Widerstandsarten (Poly, Base, Nwell) hergestellt werden, wobei innerhalb des Berei­ ches zwischen einem maximal erreichbaren und einem minimal erreichbaren Wert jeder beliebige Temperaturkoeffizient durch ein serielles Zusammenschalten zweier oder mehrerer Wider­ stände unterschiedlicher Art realisierbar ist.At least the first resistor R1 can be divided by several parts resistances R1 ′; R1 '' preferably of different types ge be educated. For example, according to the LBC2 (Lin-Bi CMOS 2) process different resistance types (poly, Base, Nwell) are produced, with within the range ches between a maximum achievable and a minimum achievable value by any temperature coefficient a serial interconnection of two or more cons stands of different types can be realized.

Der Temperaturkoeffizient TCBE der Basis-Emitter-Spannung UBE des leitenden Transistors T ist negativ und beträgt etwa -2 mV/K. Bei einem vorgegebenen, durch den zweiten Widerstand R2 fließenden Strom IR2 weist die am Widerstand R2 abfallende Spannung UR2 denselben Temperaturkoeffizienten wie die Basis- Emitter-Spannung UBE des Transistors T auf. Damit werden die mit sich ändernder Temperatur auftretenden Schwankungen der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T kompensiert.The temperature coefficient TC BE of the base-emitter voltage U BE of the conductive transistor T is negative and is approximately -2 mV / K. For a given current I R2 flowing through the second resistor R2, the voltage U R2 dropping across the resistor R2 has the same temperature coefficient as the base-emitter voltage U BE of the transistor T. This compensates for the fluctuations in the base-emitter voltage of the transistor T that occur with changing temperature.

Nachdem der Basisstrom des nachgeschalteten Transistors T ver­ nachlässigbar ist, kann der durch den zweiten Widerstand R2 fließende Strom IR2 praktisch dem durch den ebenfalls tempe­ raturkompensierten Serienkreis SK fließenden Strom IOpt (vgl. [2A]) gleichgesetzt werden.After the base current of the transistor T downstream can be neglected, the current flowing through the second resistor R2 current I R2 can practically the current flowing through the series circuit also tempe raturkompensierten SK current I Opt (see FIG. [2A]) be equated.

Um neben der Temperaturkompensation des Serienkreises SK gleichzeitig auch die Kompensation des Temperaturkoeffizien­ ten TCBE der Basis-Emitter-Spannung UBE des leitenden Tran­ sistors T sicherzustellen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein:In order to ensure not only the temperature compensation of the series circuit SK, but also the compensation of the temperature coefficient TC BE of the base-emitter voltage U BE of the conductive transistor T, the following conditions must be met:

mit
R225° = Wert des Widerstandes R2 bei T = 25°C
TCR2 = Temperaturkoeffizient des zweiten Widerstandes R2
IR2 = Strom durch den zweiten Widerstand R2
With
R2 25 ° = value of the resistance R2 at T = 25 ° C
TC R2 = temperature coefficient of the second resistor R2
I R2 = current through the second resistor R2

Nachdem der die Elemente R1 und Q₁-QN umfassende Serienkreis SK in der zuvor beschriebenen Weise temperaturkompensiert sein muß (vgl. die Beziehungen [2] und [2A]) und der Basis­ strom des Transistors T praktisch vernachlässigbar ist, gilt die folgende Beziehung:After the series circuit SK comprising the elements R1 and Q₁-Q N must be temperature-compensated in the manner described above (cf. relations [2] and [2A]) and the base current of the transistor T is practically negligible, the following relationship applies:

IR2 = IOpt (5)I R2 = I Opt (5)

wobei
IOpt = hinsichtlich der Temperaturkompensation des Serien­ kreises optimaler durch den Serienkreis SK fließen­ der Strom.
in which
I Opt = with regard to the temperature compensation of the series circuit, the current flows more optimally through the series circuit SK.

Aus (5) in (4A) folgt:From (5) in (4A) it follows:

R225° · TCR2 · IOpt = -2 mV/K (6)R2 25 ° TC R2I Opt = -2 mV / K (6)

Bei einer Temperatur T von 25°C gilt für die Basis-Emitter- Spannung des nachgeschalteten Transistors T:At a temperature T of 25 ° C applies to the base emitter Voltage of the downstream transistor T:

= 0,7 V (7) = 0.7 V (7)

Nachdem der zweite Widerstand R2 zur Basis-Emitter-Diode des Transistors T parallelgeschaltet ist, müssen die beiden an diesen Elementen abfallenden Spannungen gleich groß sein, woraus folgt:After the second resistor R2 to the base-emitter diode of the Transistor T is connected in parallel, the two must be on voltages falling across these elements are of equal magnitude, From which follows:

= = 0,7 V (8) = = 0.7 V (8)

= IOpt · R225° (9)= I OptR2 25 ° (9)

Aus (8) in (9) folgt:From (8) in (9) it follows:

IOpt · R225° = 0,7 V (10)I Opt · R2 25 ° = 0.7 V (10)

Der Wert des zweiten Widerstandes R2 ergibt sich demnach aus der folgenden Beziehung:The value of the second resistor R2 therefore results from the following relationship:

Aus den Beziehungen (10) und (6) läßt sich für den Tempera­ turkoeffizienten TCR2 des Widerstandes R2 der folgende Wert berechnen:The following value can be calculated from the relationships (10) and (6) for the temperature coefficient TC R2 of the resistor R2:

TCR2 = -2850 ppm/KTC R2 = -2850 ppm / K

Mit einem solchen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R2 ist die in Fig. 5 gezeigte erfindungsgemäße Spannungsstabili­ sierungsschaltung auch hinsichtlich der nachgeschalteten Transistor-Ausgangsstufe temperaturkompensiert.With such a temperature coefficient of the resistor R2, the voltage stabilization circuit according to the invention shown in FIG. 5 is also temperature-compensated with regard to the downstream transistor output stage.

Der Wert des zweiten Widerstandes R2 läßt sich durch die fol­ gende Beziehung bestimmen:The value of the second resistor R2 can be determined by the fol determine the relationship:

Bei der erfindungsgemäßen Spannungsstabilisierungsschaltung gemäß Fig. 5 setzt sich die zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors T anliegende stabilisierte Ausgangs­ spannung ULIM aus der an dem Serienkreis SK abfallenden Span­ nung USK und der Basis-Emitter-Spannung UBE des Transistors T zusammen. Im Vergleich zu der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ist daher zusätzlich noch die Basis-Emitter-Spannung UBE zu berücksichtigen, die ebenso wie die Durchlaßspannung UD einer jeweiligen Diode Q₁-QN beispielsweise gleich 0,7 V gesetzt werden kann. Demnach ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Spannungsstabilisierungsschaltung gemäß Fig. 5 hinsichtlich einer möglichst optimalen Temperaturkompensation des Serien­ kreises SK für die zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors T liegende stabilisierte Spannung ULIM der fol­ gende Optimalwert:In the voltage stabilization circuit according to the invention shown in FIG. 5, the stabilized output voltage U LIM between the collector and the emitter of the transistor T is composed of the voltage U SK falling across the series circuit SK and the base-emitter voltage U BE of the transistor T. . In comparison to the circuit shown in Fig. 1, the base-emitter voltage U BE must therefore also be taken into account, which, like the forward voltage U D of a respective diode Q 1 -Q N , can be set to 0.7 V, for example. Accordingly, in the voltage stabilization circuit according to the invention according to FIG. 5, the optimal value for the temperature compensation of the series circuit SK for the stabilized voltage U LIM lying between the collector and the emitter of the transistor T is as follows:

Durch eine entsprechende Variation der Anzahl N der im Se­ rienkreis SK enthaltenen Dioden Q₁-QN und des Temperaturkoef­ fizienten TCR1 kann somit jede beliebige Durchbruchspannung UOpt eingestellt werden. By a corresponding variation of the number N of the diodes Q 1 -Q N contained in the series circuit SK and the temperature coefficient TC R1 , any breakdown voltage U Opt can thus be set.

Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung mit drei Dioden Q₁-QN (N=3) und der zusätzlichen Basis-Emitter-Strecke des Transistors T wurde in einer Simulation getestet. Die Elemente des Serien­ kreises SK waren genauso dimensioniert wie im Zusammenhang mit Fig. 1 angegeben. Der Wert des zweiten Widerstandes R2 betrug 70 kΩ. Der Temperaturkoeffizient TCR2 dieses Wider­ standes war auf -2800 ppm/K festgesetzt.The circuit shown in Fig. 5 with three diodes Q₁-Q N (N = 3) and the additional base-emitter path of the transistor T was tested in a simulation. The elements of the series circle SK were dimensioned exactly as specified in connection with FIG. 1. The value of the second resistor R2 was 70 kΩ. The temperature coefficient TC R2 of this resistance was set at -2800 ppm / K.

Wie sich den in Fig. 6 dargestellten Kennlinien für die Tem­ peraturen -40°C, 25°C, 85°C entnehmen läßt, ergibt sich für sämtliche Temperaturen ein scharf gekrümmter Kniebereich. In sämtlichen Fällen stellt sich ein relativ steiler Kennlinien­ anstieg ein, was gleichbedeutend mit einem die Stabilisierung verbessernden kleinen differentiellen Ausgangswiderstand rz ist, für den bei 25°C ein Wert von etwa 1,4 kΩ gemessen wurde. Darüber hinaus bleibt dieser differentielle Ausgangswider­ stand rz auch konstant. Schließlich ist bei einem optimalen Arbeitspunkt OA auch die gewünschte Temperaturkompensation gegeben. Die Durchbruch- bzw. Durchlaßspannung bleibt demnach auch bei unterschiedlichen Temperaturen stets gleich.As can be seen from the characteristic curves shown in FIG. 6 for the temperatures -40 ° C, 25 ° C, 85 ° C, there is a sharply curved knee area for all temperatures. In all cases there is a relatively steep increase in the characteristic curve, which is equivalent to a small differential output resistance r z which improves the stabilization and for which a value of about 1.4 kΩ was measured at 25 ° C. In addition, this differential output resistance r z also remains constant. Finally, the desired temperature compensation is also given at an optimal operating point OA. The breakdown or forward voltage therefore always remains the same even at different temperatures.

Claims (3)

1. Spannungsstabilisierungsschaltung, bei der die stabilisierte Ausgangsspan­ nung (ULIM) in Abhängigkeit von dem Spannungsabfall (USK) an einem tempe­ raturkompensierten Serienkreis (SK) erzeugt wird, der wenigstens eine in Durchlaßrichtung verbundene Diode (Q₁-QN) sowie einen zur Kompensation des resultierenden Dioden-Temperaturkoeffizienten (TCN) dienenden ersten Widerstand (R1) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß dem temperaturkompensier­ ten Serienkreis (SK) eine von einem Transistor (T) gebildete Ausgangsstufe nachgeschaltet ist, zu dessen Basis-Emitter-Strecke (B-E) ein zweiter Widerstand (R2) parallelgeschaltet ist und zu dessen Kollektor-Basis-Strecke (C-B) der Serienkreis (SK) parallelgeschaltet ist, wobei der Serienkreis (SK) mit dem zweiten Widerstand (R2) einen Spannungsteiler bildet, dessen am Se­ rienkreis (SK) entstehender Spannungsabfall an die Transistorausgangsstufe als Eingangsspannung anliegt, und die wobei die stabilisierte Ausgangsspannung (ULIM) zwischen dem Kollektor (C) und dem Emitter (E) des Transistors (T) der Transistor-Ausgangsstufe abgreifbar ist.1. Voltage stabilization circuit in which the stabilized output voltage (U LIM ) in dependence on the voltage drop (U SK ) on a temperature-compensated series circuit (SK) is generated, the at least one diode connected in the forward direction (Q₁-Q N ) and one for Compensation of the resulting diode temperature coefficient (TC N ) serving first resistor (R1), characterized in that the temperature compensating th series circuit (SK) is followed by an output stage formed by a transistor (T), to the base-emitter path (BE ) a second resistor (R2) is connected in parallel and the series circuit (SK) is connected in parallel to its collector-base section (CB), the series circuit (SK) forming a voltage divider with the second resistor (R2), the voltage divider on the series circuit ( SK) resulting voltage drop to the transistor output stage as an input voltage, and the stabilized output voltage (U LIM ) between hen the collector (C) and the emitter (E) of the transistor (T) of the transistor output stage can be tapped. 2. Spannungsstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Diode durch einen Transistor (Q₁-QN) mit kurzgeschlossener Kollektor- Basis-Strecke gebildet ist.2. Voltage stabilization circuit according to claim 1, characterized in that each diode is formed by a transistor (Q₁-Q N ) with a short-circuited collector-base path. 3. Spannungsstabilisierungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der erste Widerstand (R1) durch mehrere Teilwiderstände (R1′, R1′′) vorzugsweise unterschiedlicher Bauart gebildet ist.3. Voltage stabilization circuit according to one of the preceding claims, characterized in that at least the first resistor (R1) by several Partial resistors (R1 ', R1' ') preferably formed different types is.
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