DE69813844T2 - Temperaturkompensation in elektronischen einrichtungen - Google Patents

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft eine Temperaturkompensation in elektronischen Vorrichtungen, insbesondere bei Vorrichtungen mit integrierten Schaltungen.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Gemäß nachstehender Beschreibung ist die erfindungsgemäße Lösung geeignet für viele verschiedene Schaltungsanwendungen, bei denen die Wirkung von Temperaturfluktuationen kompensiert werden muss. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist ein Funktionsgenerator, der beispielsweise bei einer Funksende-/Empfangseinrichtung verwendet werden kann. Ein Funktionsgenerator wird somit bei der nachstehenden Beschreibung als Beispiel verwendet.
• Das Hauptproblem eines exponentiellen (oder logarithmischen) Funktionsgenerators ist seine Temperaturstabilität. Ein bekannter Weg zu Kompensierung der durch Temperaturfluktuationen verursachten Spannungsoder Stromveränderungen ist die Verwendung von zu dem absoluten Temperaturwert der Umgebung proportionalen Widerständen, sogenannten PTAT-Widerständen. Diese Widerstandsbauart ist als diskretes Bauteil von verschiedenen Herstellern kommerziell erhältlich.
• Die Verwendung dieser diskreten Bauteile in Verbindung mit integrierten Schaltungen weist jedoch einige Nachteile auf, die nachstehend kurz beschrieben werden.
• Zunächst erhöht ein derartiger externer Widerstand die Kosten der Schaltung: ein diskreter PTAT-Widerstand ist als solcher ein teures Bauteil, und da seine Anbringung auf der Schaltungsplatine Zeit erfordert, bedeutet dies ebenfalls zusätzliche Kosten. Die Kosten werden durch die Tatsache weiter erhöht, dass das Materialmanagement komplizierter wird, da die externen Bauteile auf Lager verfügbar sein müssen. Zweitens verringert ein externer PTAT-Widerstand die Zuverlässigkeit der Schaltung, d. h. der externe Widerstand verkleinert den MTTF-Wert (mittlere Zeit bis zum Ausfall) der Schaltung. Drittens macht eine externer PTAT-Widerstand die dazugehörige Schaltung empfindlicher gegenüber Störungen.
• Darüber hinaus ist eine Implementierung der Temperaturkompensation mit hoher Genauigkeit schwierig und erfordert eine komplizierte Schaltung. Dies liegt daran, dass die Temperatur eines externen PTAT-Widerstands verschieden von der des die Schaltung enthaltenden Chips sein kann, dessen Temperaturverhalten der Widerstand steuert. Daher erfordert eine genaue Kompensation, dass eine Temperaturmessung in die Schaltung eingeführt wird.
• Die vorstehenden Nachteile können zumindest teilweise. durch ein Integrieren der PTAT-Widerstände in die Chips eliminiert werden. Diese Art der Integration erfordert jedoch zusätzliche Verfahrensschritte, die nicht standardisiert sind und lediglich von einer geringen Anzahl von Zulieferern verfügbar sind. Somit involviert eine derartige Lösung hohe Kosten, die wiederum die Anwendung dieser Integration beispielsweise bei Billigoder Konsumprodukten verhindern. Zudem sind die verwendeten zusätzlichen Verfahrensschritte lieferantenspezifisch. Dies bedeutet, dass falls dieselbe Schaltung später von einem anderen Lieferanten bestellt wird, bestimmte Verfahrensschritte erneut ausgeführt werden müssen. Je komplizierter der Herstellungsvorgang ist, desto mehr unterscheiden sich die lieferantenspezifischen Verfahren voneinander.
• ERFINDUNGSZUSAMMENFASSUNG
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu verringern, und eine Lösung zu erzeugen, mittels derer es möglich ist, die Temperaturkompensation bei einer integrierten Schaltungsvorrichtung durchzuführen, ohne zu kostenintensiven Herstellungsvorgängen Zuflucht zu nehmen.
• Dieses Ziel kann unter Verwendung der in den unabhängigen Patentansprüchen definierten Lösung erreicht werden.
• Die Grundidee der Erfindung ist, einen zur Temperaturkompensation verwendeten PTAT-Widerstand durch eine Reihenschaltung aus einem gewöhnlichen Widerstand und einem Widerstandselement einer nichtlinearen Temperaturcharakteristik zu ersetzen, vorzugsweise einem (MOS)FET.
• Aufgrund dessen kann die Temperaturkompensation leicht in einem Chip unter Verwendung von Standardherstellungsvorgängen integriert werden. Somit wird erfindungsgemäß ein temperaturabhängiges Widerstandselement durch eine Reihenschaltung aus einem gewöhnlichen Widerstand und einem Widerstandselement mit einer nichtlinearen Temperaturcharakteristik simuliert. ("gewöhnlich" bezieht sich vorliegend auf ein Element mit einem im Wesentlichen konstanten Widerstand unabhängig von dem Temperaturwert).
• Die Erfindung bietet eine preiswerte Lösung für eine Temperaturkompensation bei elektronischen Vorrichtungen. Dies liegt daran, dass weder die spezielle IC-Herstellung noch die vorstehend angeführten externen Bauteile benötigt werden. Folglich ist die erfindungsgemäße Lösung besonders vorteilhaft bei Massen-/Billig-Anwendungen (d. h. beispielsweise bei Endkundenanwendungen wie etwa Mobiltelefonen).
• KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Nachstehend wird die Erfindung und ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Beispielen näher beschrieben. Es zeigen:
• 1 einen bekannten Exponentialfunktionsgenerator,
• 2 eine bekannte Temperaturkompensationsschaltung für einen Exponentialfunktionsgenerator,
• 3 eine erfindungsgemäße Temperaturkompensationsschaltung für einen Exponentialfunktionsgenerator, und
• 4 eine grafische Darstellung der erfindungsgemäßen Temperaturkompensation.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Wenn gemäß vorstehender Beschreibung die Erfindungsidee in die Praxis umgesetzt wird, ist ein bevorzugter Anwendungsbereich ein beispielsweise in AGC-Verstärkern von Funksende-/Empfangseinrichtungen verwendeter Exponentialfunktionsgenerator. Daher werden der Stand der Technik und die Erfindung nachstehend im Hinblick auf einen Exponentialfunktionsgenerator näher beschrieben.
• Falls ein AGC-Verstärker einer Funksende/Empfangseinrichtung zu implementieren ist, so dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Steuerspannung des AGC-Verstärkers und einer Verstärkung in Dezibel des Verstärkers aufgebaut wird, wird ein Exponentialfunktionsgenerator in der Schaltung zur Erzeugung von Strom für die Verstärkerstufe benötigt.
• 1 zeigt das Prinzip eins Exponentialfunktionsgenerators. Der Funktionsgenerator umfasst einen Konstantstromgenerator CCG, der einen Referenzstrom I_ref zuführt, einen Differenzenverstärker 11 und ein Transistorpaar TP mit zwei (bipolaren) Transistoren T1 und T2. Die gemeinsame Emitterelektrode der Transistoren ist mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden. Die Basis des Transistors T1 ist mit Masse verbunden, wohingegen die Basis des Transistors T2 als Eingang dient, mit dem die Eingangsspannung V_{i n} verbunden ist. Der Kollektor des Transistors T2 bildet den Generatorausgang, der einen Ausgangsstrom I_out zuführt. Dieser Strom wird als Biasstrom mit einer (in den Figuren nicht gezeigten) AGC-Verstärkerstufe verbunden. Die Verstärkerstufe kann beispielsweise mittels einer Gilbertzelle, einer in AGC-Verstärkern allgemein verwendeten Standardschaltung und in Mischeinrichtungen implementiert werden.
• Bekanntermaßen sind die Transfereigenschaften eines Exponentialfunktionsgenerators wie folgt gegeben:

  

  
  wobei I_out den Ausgangsstrom bezeichnet, d. h, den der Verstärkerstufe zugeführten Biasstrom, V_{i n} die Eingangsspannung bezeichnet, und V_th = T × (k/q) gegebene thermische Spannung bezeichnet, wobei T die Absoluttemperatur, k die Boltzmannkonstante und q die Elementarladung (Einheitsladung) bezeichnet.
• Gemäß Gleichung (1) ist der Ausgangsstrom exponentiell temperaturabhängig. Falls diese Abhängigkeit auf eine Dezibelskala (in Dezibel aufgetragene Verstärkung) übertragen wird, ist der Ausgangsstrom von der Absoluttemperatur linear abhängig.
• Vormals wurde die Temperaturabhängigkeit aus Gleichung (1) eliminiert, indem die Eingangsspannung V_in dem Funktionsgenerator mittels eines in 2 gezeigten einfachen Spannungsteilers zugeführt wurde. Der Spannungsteiler umfasst zwei Widerstände, die mit den Bezugszeichen R_in und R1 gekennzeichnet wurden. Der Widerstand R1 ist ein temperaturabhängiger Widerstand (d. h. ein PTAT-Widerstand), dessen Widerstandswert durch R1 = R₀ × (T/T₀) gegeben ist, wobei R₀ und T₀ konstant sind.
• Unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Wertes von R1 wird die Eingangsspannung V_{i n} somit berechnet zu:

  
• Gemäß den Gleichungen (1) und (2) arbeitet die Temperaturkompensation genau, falls der Wert von R_in zumindest zehnmal größer als der Wert von R₀ ist. In der Praxis ist diese Voraussetzung stets erfüllt.
• Gemäß vorstehender Beschreibung kann der temperaturabhängige Widerstand in den Chip integriert werden, indem zusätzliche Verfahrensschritte bei höheren Kosten verwendet werden. Die Herstellungskosten können jedoch bedeutend reduziert werden, falls das Temperaturverhalten eines FET (Feldeffekttransistors) für die Kompensation verwendet wird, wodurch beispielsweise ein allgemein verwendeter BICMOS-Herstellungsvorgang für die Integration verwendet werden kann (BICOS = Bipolar + CMOS, d. h. ein CMOS-Verfahren, in dem Bipolartransistoren hinzugefügt werden).
• Diese Kompensationsbauart bedeutet, dass der vorstehend beschriebenen temperaturabhängige Widerstand durch eine Reihenschaltung aus einem FET, vorzugsweise einem MOSFET und einem herkömmlichen Widerstand ersetzt wird.
• Diese Lösung ist in 3 dargestellt, die einen Spannungsteiler ähnlich zu dem gemäß 2 zeigt, außer dass dabei der temperaturabhängige Widerstand R1 gemäß 2 durch die Reihenschaltung ersetzt wurde, die mit dem Bezugszeichen TC gekennzeichnet ist. Die Reihenschaltung umfasst einen FET, vorzugsweise einen MOSFET 31, und eine Widerstand Rx. Die Sourceelektrode des MOSFET ist mit Masse verbunden, und die Drainelektrode ist mit dem ersten Pol des Widerstands Rx verbunden. Die Bezugsspannung V_{re f} wird der Gateelektrode des MOSFET zugeführt. Der zweite Pol des Widerstands Rx ist mit dem als der Eingangspol des Spannungsteilers dienenden Pols verbunden. Wie allgemein bekannt ist, kann die Widerstands-MOSFET-Kombination, wenn der MOSFET verwendet wird, im Triodenbereich angegeben werden zu:

  

  
  wobei
• 
• 
  den Drain-Source-Widerstand (d. h. den Kanalwiderstand) des Transistors angibt, W die Breite des Transistors, L die Länge des Transistors, β_o den Gegenwirkleitwertparameter (durch den Hersteller gegeben), V_t0 die Schwellenwertspannung, T₀ die Nominaltemperatur, T die Absoluttemperatur, V_GS die Gate-Source-Spannung und V_DS die Drain-Source-Spannung des Transistors bezeichnen. Die Schwellenwertspannung ist die minimal erforderliche Gate-Source-Spannung zum Öffnen des Transistors. Im Triodenbereich ist V_ds << (V_gs – Vt₀) .
• Der Effekt der Schwellenwertspannung V_t0 auf R kann durch Verwendung einer hohen Gate-Source-Spannung minimiert werden, d. h. die hohe Gate-Source-Spannung macht rdso weniger abhängig vom Herstellungsvorgang. In der Praxis kann die Gate-Source-Spannung in der Größenordnung von einem Volt sein. Zudem muss die Drain-Source-Spannung minimiert werden, um Linearitätsfehler im Drain-Source-Widerstand zu reduzieren, d. h. in der Verstärkung des Verstärkers.
• Eine Abschätzung der rechten Seite von Gleichung (3) mittels der bekannten Taylor-Reihe ergibt Gleichung (4) für R:

  
• Um die richtige Charakteristik für die Kompensation zu erzielen, sollte der Wert von Rx so gewählt werden, dass die ersten beiden Therme der rechten Seite von Gleichung (4) eliminiert werden. Daraus ergibt sich:

  
• Durch Auswahl des Wertes von Rx gemäß Gleichung (5) kann der Wert von R geschrieben als:

  
• 4 zeigt eine grafische Darstellung dieses Zusammenhangs, d. h. eine grafische Darstellung der Temperaturkompensation. In der Figur zeigt der Kurvenverlauf R den Zusammenhang gemäß Gleichung (4), wohingegen der Kurvenverlauf R' seine Annäherung gemäß Gleichung (6) zeigt.
• Gemäß vorstehender Beschreibung kann eine Reihenschaltung aus einem gewöhnlichen Widerstand (MOS)FET zur Temperaturkompensation auf dieselbe Weise wie ein temperaturabhängiger Widerstand verwendet werden.
• Wenn die vorstehend beschriebene Temperaturkompensation bei einem Exponentialfunktionsgenerator verwendet wird, ist es vorteilhaft, die Transistoren T1 und T2 (2) des Generators als MOSFET's zu implementieren, welche im Bipolarmodus arbeiten (schwache Inversion). (Ein MOSFET arbeitet wie ein Bipolartransistor, falls er durch eine sehr niedere Spannung angesteuert wird.) Auf diese Weise ist es möglich, den Funktionsgenerator mittels eines CMOS-Vorgangs herzustellen, welches das kostengünstigste verfügbare Verfahren ist.
• Obwohl die Erfindung vorliegend im Zusammenhang mit den in den beigefügten Figuren gezeigten Beispielen beschrieben ist, ist es klar, dass sie nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, da sie auf viele Arten innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche gesetzten Grenzen variiert werden kann. Nachstehend werden einige mögliche Variationen kurz beschrieben.
• Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel wurde der PTAT-Widerstand durch eine Reihenschaltung aus einem gewöhnlichen Widerstand und einem MOSFET ersetzt, d. h. ein MOSFET wurde als Beispiel eines Widerstandselements mit linearer Temperaturcharakteristik verwendet. Es wird jedoch angemerkt, dass eine Reihenschaltung aus einem kompensierenden Widerstand Rx und einem beliebigen resistiven Element mit nichtlinearer Temperaturcharakteristik auf die vorstehend beschriebene Weise zur Annäherung der Temperaturcharakteristik eines PTAT-Widerstands verwendet werden kann. Die einzige Beschränkung ist, dass der Wert des kompensierenden Widerstands Rx nicht negativ sein kann.
• Daher kann die Idee ebenfalls auf eine beliebige andere FET-Bauart angewendet werden, welche die vorstehend beschriebenen Charakteristiken erfüllt, beispielsweise auf einen JFET. Es ist ebenfalls klar, dass anstelle einer Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem FET ein FET alleine verwendet werden kann, vorausgesetzt, dass sein innerer Widerstand hoch genug für die vorstehend beschriebene Eliminierung von Termen ist, d. h. falls er einen internen Widerstand entsprechend der Hälfte seines Drain-Source-Widerstands haben kann. Die Schaltungsbauarten oder Vorrichtungen, bei der die kompensierende Reihenschaltung verwendet wird, kann ebenfalls auf viele Arten variieren.
• Somit kann zusammenfassend festgestellt werden, dass die Erfindungsidee auf ein beliebiges Element oder eine Kombination von Elementen angewendet werden kann, welche die vorstehend beschriebenen Eigenschaften erfüllen, d. h. auf ein beliebiges Element oder eine Kombination von Elementen, bei denen der Widerstandswert eines Teils des Elementes oder der Kombination so gewählt werden kann, dass der Gesamtwiderstand des Elements/der Kombination zumindest in erster Näherung proportional zu dem Wert der vorherrschenden Temperatur ist. Dieses Element oder diese Kombination von Elementen kann sodann in beliebigen elektrischen Schaltungen verwendet werden, wo ein temperaturabhängiger Widerstand zur Temperaturkompensation verwendet werden kann.
• Obwohl eine Integration der kompensierenden Reihenschaltung in einen Chip bevorzugt wird, ist die Lösung nicht auf integrierte Schaltungen beschränkt, sondern die Reihenschaltung kann ebenfalls mittels diskreter Bauelemente implementiert werden. In diesem Fall gehen jedoch einige der vorstehend beschriebenen Vorteile verloren.

Claims (9)

1. Verfahren zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit bei einer elektrischen Schaltung, das Verfahren umfasst dabei die Schritte: Verwenden eines Impedanzelements, dessen Widerstand im Wesentlichen direkt proportional zu der Temperatur zur Kompensation von durch Temperaturfluktuationen bei der Schaltung verursachten Effekten ist, gekennzeichnet durch Verwenden einen Reihenschaltung von zwei Widerstandselementen (Rx, 31) als das Impedanzelement, wobei das erste der Elemente (Rx) einen im wesentlichen konstanten Widerstand ungeachtet der Temperatur aufweist, und das zweite der Elemente (31) einen Widerstand aufweist, der nichtlinear abhängig von der Temperatur ist, und Auswählen des Wertes für das erste Element, so dass eine Annährung des Widerstands der Reihenschaltung direkt proportional zu der Temperatur ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Reihenschaltung eines gewöhnlichen Widerstandselements (Rx) und eines Feldeffekttransistors (31) als dem Impedanzelement.
3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine derartige Implementierung des gewöhnlichen Widerstandselements, dass dessen Widerstandswert im Wesentlichen die Hälfte des Drain-Source-Widerstandes des Feldeffekttransistors beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch das Anlegen einer Bezugsspannung an die Gateelektrode des Feldeffekttransistors, wobei sich die Bezugsspannung in der Größenordnung von einem Volt bewegt.
5. Verfahren nach Anspruch 2 zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit bei einer Vorrichtung mit Transistoren, gekennzeichnet durch das Implementieren der Transistoren als Feldeffekttransistoren, und das Verwenden der Transistoren in einer bipolaren Betriebsart.
6. Widerstandselement zur Kompensation einer Temperaturabhängigkeit bei elektrischen Schaltungen, wobei das Element einen Widerstandswert aufweist, der im wesentlichen direkt proportional zur Temperatur ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Element eine Reihenschaltung aus zwei Widerstandselementen (Rx, 31) aufweist, wobei das erste der Elemente (Rx) einen im wesentlichen konstanten Widerstand ungeachtet der Temperatur aufweist, und das zweite der Elemente (31) einen Widerstand aufweist, der nichtlinear von der Temperatur abhängig ist, wodurch der Widerstandswert des ersten Elementes so ausgewählt ist, dass eine Annäherung des Widerstands der Reihenschaltung direkt proportional zu der Temperatur ist.
7. Widerstandselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Element eine Reihenschaltung aus einem gewöhnlichen Widerstandselement (Rx) und einem Feldeffekttransistor (31) aufweist.
8. Widerstandselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert des gewöhnlichen Widerstandselementes im Wesentlichen die Hälfte des Drain-Source-Widerstandes des Feldeffekttransistors beträgt.
9. Widerstandselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feldeffekttransistor ein MOSFET ist.