DE69213243T2 - Schaltung zur Stromversorgung - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine stromerzeugende Schaltung, die eine Hauptstromquelle umfaßt, die in der Lage ist, einen konstanten, stationären Referenzstrom von einer stationären Referenzspannung&sub1; die durch eine Spannungsquelle bereitgestellt wird, zu erzeugen.
• Eine derartige Schaltung ist in der Technik wohl bekannt; eine Stromspiegelschaltung, die dafür oft verwendet wird, stellt zum Beispiel den stationären Referenzstrom für unterschiedliche Stufen von Operationsverstärkern analoger integrierter Schaltungen bereit.
• Die stationäre Referenzspannung, die in der stromerzeugenden Schaltung verwendet wird, muß von Schwankungen der Spannungsversorgung und von der Temperatur unabhängig sein, und zu diesem Zweck verwendet die Spannungsquelle, die solch eine stationäre Referenzspannung erzeugt, im allgemeinen eine stabile von einer Versorgung und von der Temperatur unabhängige Stromquelle. Jedoch hat dieses eine negative Auswirkung auf die Komplexität der Gestaltung einer integrierten Schaltung, in der die stromerzeugende Schaltung verwendet wird, und auf die notwendige Chipfläche, wenn die obige Stromquelle in die integrierte Schaltung aufgenommen werden muß.
• Die oben erwähnte Spannungsquelle ist zum Beispiel eine Bandabstands-Referenzquelle, von denen unterschiedliche Ausführungsformen in dem Kapitel A4.3.2 des Buches "Analysis and design of analog integrated circuits" von Paul R. Gray und Robert G. Meyer beschrieben werden, und das von John Wiley & Sons 1977 herausgegeben wurde.
• Die US-Patentschrift A-4 839 535 offenbart eine MOS-Bandabstands-Spannungsreferenzschaltung, die sowohl gegenüber Temperaturänderungen als auch gegenüber Anderungen der Schwellenspannung stabil ist. Die Referenz wird durch eine MOS-Stromquelle erzeugt, die Substratbipolartransistoren mit Strom versorgt, die bei unterschiedlicher Stromdichte arbeiten und als Emitterfolger mit einem Paar MOS-Stromspiegeln, die Strom ziehen, betrieben werden. Bei Anlegen der Versorgungsspannungen löst eine Anlaufschaltung den Betrieb der Schaltung aus. Eine Ausgangsstufe vervielfacht die Bandabstands-Referenzspannung auf den gewünschter Ausgangsspannungspegel. Eine Rückkopplungsstufe verbessert durch Anpassen des Stromes in der Referenzschaltung die Genauigkeit der Ausgangsspannung.
• Die US-Patentschrift A-4 857 823 offenbart eine Bandabstands- Spannungsreferenz-Anlaufschaltung. Sie umfaßt einen Differenzverstärker in der Bandabstands-Spannungsreferenzstufe, der die Stromquelle für entgegengesetzte bipolare Bauelemente, die in parallelen Pfaden angeordnet sind, steuert. Während des Anlaufs startet ein Komparator die Einspeisung eines Stroms in ein bipolares Bauelement der Bandabstands-Referenzschaltung, um die Bandabstandsschleife in den geeigneten der beiden möglichen Betriebszuständen zu bringen.
• Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine stromerzeugende Schaltung der obigen Art bereitzustellen, die aber weniger komplex ist und weniger zu integrierende Fläche auf dem Chip benötigt.
• Diese Aufgabe wird aufgrund der Tatsache erreicht, daß Sie weiterhin eine Hilfsstromquelle und eine Ausgangsschaltung umfaßt, zu der die Hilfs- und Hauptstromquellen in der Anlaufphase entsprechend abfallende und ansteigende Ströme liefern und welche Strom für die Spannungsquelle liefert, wobei die Spannungsquelle folglich eine ansteigende Spannung in der Anlaufphase bereitstellt und die ansteigende Spannung und der Strom die stationäre Referenzspannung bzw. den -strom erreichen.
• Der stabile und von der Versorgung und der Temperatur unabhängige Strom, der von der Spannungsquelle benötigt wird, wird also durch die stromerzeugende Schaltung bereitgestellt. Infolgedessen benötigt die Schaltung Hilfsstromquelle zum Anlaufen. Der Strom, der durch diese Quelle bereitgestellt wird, muß jedoch nicht sehr genau oder von der Versorgung und der Temperatur unabhängig sein und ist infolgedessen relativ einfach zu realisieren, vorausgesetzt natürlich, daß er nach dem Anlaufen unwirksam wird, spätestens wenn der nominelle Arbeitspunkt der stromerzevgenden Schaltung, das heißt der Punkt, an dem Sie den stationären Referenzstrom erzeugt, erreicht wird.
• Charakteristische Merkmale der stromerzeugenden Schaltung gemäß der Erfindung sind, daß die Ausgangsschaltung in Reihe mit der Parallelverbindung der Hauptstromquelle und der Hilfsstromquelle geschaltet ist, welche eine Stromquelle enthält, die den abfallenden Strom beim Verbindungspunkt der Ausgangsschaltung und der Hauptstromquelle erzeugt, wodurch ein Ausgang der Hilfsstromquelle realisiert und auch eine regelnde Stufe mit dem Verbindungspunkt verbunden wird, um die Stromquelle in der Weise zu steuern, daß Sie spätestens außer Betrieb gesetzt wird, wenn der stationäre Referenzstrom durch die stromerzeugende Schaltung erreicht wird, daß die regelnde Stufe einen Zweig einschließt, in dem der Strom, der durch die stromerzeugende Schaltung erzeugt wird, gespiegelt wird, daß die regelnde Stufe in dem Zweig zwischen einer ersten und einer zweiten Versorgungsspannung eine Reihenschaltung eines PMOS-Transistors und eines Widerstandes einschließt, wobei das Gate des PMOS-Transistors mit dem Ausgang der Hilfsstromquelle verbunden ist und die Verbindung des PMOS- Transistors und des Widerstandes mit der Basis eines ersten npn- Transistors verbunden sind, dessen Emitter mit der zweiten Versorgungsspannung verbunden ist, und daß die Stromquelle einen zweiten npn-Transistor, dessen Kollektor mit dem Ausgang der Hilfsstromquelle verbunden ist, umfaßt und dessen Emitter mit der zweiten Versorgungsspannung mit einem zweiten Widerstand verbunden ist und die eine Reihenschaltung zwischen der ersten und der zweiten Versorungsspannung eines dritten und eines vielten Widerstandes umfaßt, wobei deren Verbindungspunkt mit der Basis des zweiten npn-Transistors und dem Kollektor des ersten npn-Transistors verbunden ist.
• In der in dieser Weise realisierten Hilfsstromquelle steuert die regelnde Schaltung die Stromquelle, um den abfallenden Strom zu erzeugen, und setzt die Quelle außer Betrieb, wenn ein vorbestimmter Wert überschritten wird, das heißt spätestens wenn dei stationäre Referenzstrom durch die stromerzeugende Schaltung erzeugt wird. Dies erfolgt aufgrund des Stromes, der in dem erwähnten Zweig fließt.
• Ein anderes Merkmal der stromerzeugenden Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, daß die Hauptstromquelle die Reiherschaltung eines mit Masse verbundenen und eines npn-Transistors einschließt, an dessen Basis eine Basisspann.ung angelegt witd, die von der ansteigenden und stationären Referenzspannung in der Anlaufphase bzw. im Nennbetrieb abgeleitet ist, und daß die Basisspannung an die Basis des npn-Transistors über einen pnp- Transistor gelegt wird, dessen Emitter mit der Basis des npn- Transistors verbunden ist, wobei die ansteigende und die stationäre Referenzspannung an die Basis des pnp-Transistors während der Anlaufphase bzw. im Nennbetrieb gelegt wird, wodurch die stromerzeugende Schaltung temperaturunabhängig gemacht wird.
• Die oben erwähnten und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden deutlicher werden, und die Erfindung selbst wird durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung einer Ausführungsform, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, die eine stromerzeugende Schaltung gemäß der Erfindung vorstellen, vorgenommen wird, bestens verstanden.
• Die stromerzeugende Schaltung, die in der Figur gezeigt wird, hat zwei Spannungsversorgungsanschlüsse V2 und V1, die eine negative bzw. eine positive Spannung bereitstellen, und einen Masseanschluß. Sie umfaßt eine Stromspiegel-Schaltungsanordnung CM, die zum einen mit einer Hauptstromquelle MCR und zum anderen mit einer Hilfsstromquelle ACS zwischen V1 und V2 in Reihe geschaltet ist, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt von CM, MCR und ACS durch JP gekennzeichnet ist. Die Stromspiegelschaltung CM ist weiterhin mit einer Referenzspannungsschaltung VRS verbunden, deren Ausgang die Referenzquelle für den Hauptstrom MCI steuert.
• Die Stromspiegelschaltungsanordnung umfaßt einen als Diode verschalteten PMOS-Transistor M1 und eine Vielzahl von PMOS-Transistoren wie M3, M4, M5, deren Source-Gate-Pfade parallel zwischen V1 und JP verbunden sind.
• Die Hauptstromquelle MCR erzeugt bei Nennbetrieb einen stationären Referenzstrom Iref, der in den Transistor M1, M3, M4 und M5 von CM gespiegelt wird. M3 und M4 versorgen eine nicht gezeigte integrierte Schaltung, während M5 Iref für die Spannungsquelle VRS liefert, die daraufhin eine stationäre Referenzspannung Vref bei Nennbetrieb erzeugt. Spannungsreferenzquellen wie VRS, die eine stationäre Referenzspannung von einem stationären Strom ableiten, sind in der Technik wohlbekannt, und deshalb wird die VRS nicht im Detail beschrieben. Eine derartige Spannungsreferenzquelle ist zum Beispiel eine Bandabstands-Referenzquelle, wie Sie in dem oben erwähnten Buch beschrieben wird.
• Die MCR umfaßt zwischen V1 und V2 die Reihenschaltung eines Widerstands R6 und des Emitter-Kollektor-Pfades eines pnp-Transistors Q1, dessen Basis durch den Ausgang Vref der VRS gesteuert wird. Der Emitter von Q1 ist mit der Basis eines npn-Transistois Q2 verbunden. Eine Diode D1, der Kollektor-Emitter-Pfad des Transistors Q2 und ein Widerstand R1 sind zwischen JP und Masse angeschlossen.
• Die ACS hat einen Stromquellenteil CS und einen Regelungsstufenteil RS. RS umfaßt einen PMOS-Transistor M2, dessen Source- Drain-Pfad in Reihe mit einem Widerstand R2 zwischen V1 und V2 geschaltet ist und dessen Drain die Basis eines npn-Transistors Q3 steuert. In der CS bildet der Kollektor-Emitter-Pfad von Q3 für den Widerstand R4 eines ohmschen Spannungsteilers R3, R4, der die Widerstände R3 und R4 umfaßt, die in Reihe zwischen V1 und V2 geschaltet sind, einen Nebenschluß. Der Abgriffpunkt zwischen R3, R4 ist mit der Basis eines npn-Transistors Q4 verbunden, dessen Kollektor-Ernitter-Pfad in Reihe mit dem Widerstand R5 zwischen JP und V2 geschaltet ist.
• Typische Werte für die Elemente der Strom-Vorspannungsschaltung sind R1 = 80k, R2 = 46k, R3 = 200k, R4 = 65k, RS = 10k, R6 = 100k, M1 und M2 von gleicher Baugröße, Vref = 2,41 V, V1 = 9,5 V, V2 = -5,5 V.
• Mit Bezugnahme auf die Figur ist das Folgende eine Beschreibung der Arbeitsweise der stromerzeugenden Schaltung, wobei vorausgesetzt wird, daß der Referenzstrom Iref in einen Hauptstrom Im, der in der MCR fließt, und einen Hilfsstrom, der in der ACS fließt, aufgeteilt wird.
• Da MCR auf der Verfügbarkeit von Vref zum Erzeugen von Iref aufbaut, während VRS Iref benötigt, um Vref zu erzeugen, ist eine zusätzliche Schaltung erforderlich, um die stromerzeugende Schaltung anlaufen zu lassen. Diese Anlaufphase wird durch die Hilfsstromquelle ACS realisiert.
• Beim Anlauf beginnt ein Strom, von V1 nach V2 durch die Widerstände R3 und R4 von CS zu fließen, infolgedessen wird an der Basis von Q4 eine Spannung erzeugt, die ausreichend positiv ist, um ihn leitend zu machen. Infolgedessen fließt von V1 nach V2 ein Strom Ia, der gleich Iref ist, durch M1, und die Reihenschaltung von Q4 und R5. Tatsächlich ist im gleich Null, da Vref Null ist, so daß Iref gleich Ia, der durch CS erzeugt wird, ist.
• Da M1 und M2 eine Stromspiegelschaltung bilden, fließt Iref auch durch R2, und folglich ist folgende Gleichung beim Anlauf gültig:
• Ia = Iref = VBE(Q3)/R2
• wobei VBE(Q3) die Basis-Emitterspannung von Q3 ist.
• Aufgrund des Stroms Iref, der auf diese Weise beim Anlauf erzeugt wird, kann Vref durch VRS erzeugt werden, und ihr Wert steigt von 0V bis zu einem Maximum der stationären Vref an. Das hat zur Folge, daß Q1 und deshalb auch Q2 leitend werden, und Im steigt von 0 µA bis zu einem Maximum des stationären Iref an, während Ia von dem oben ermittelten Wert abfällt, das heißt von VBE(Q3)/R2 auf Null.
• Iref hat in der Tat einen konstanten Wert, der gleich VBE(Q3)/R2 ist, solange Im kleiner als VBE(Q3)/R2 ist, weil Q3 wie eine Regeleinrichtung wirkt, die Ia durch Steuern des Spannungspegels des Verbindungspunktes zwischen R3 und R4 in der Weise steuert, daß Iref gleich VBE(Q3)/R2 ist. Dies bedeutet, daß Ia abfallen muß, wenn Im ansteigt. Wenn Im einen vorbestimmten Wert überschreitet, so daß Iref VBE(Q3)/R2 überschreitet, wird Q3 vollständig leitend und schließt dadurch den Widerstand R4 kurz, wodurch der Transistor Q4 gesperrt wird. Deshalb wird Im gleich Iref.
• Auf diese Weise führt CS den Anlauf der Versorgungsschaltung durch und wird durch RS außer Betrieb gesetzt, wenn Iref einen vorbestimmten Wert, das heißt VBE(Q3)/R2 überschreitet.
• Der Nullwert von Ia während des Nennbetriebes ist zwingend, weil die Erzeugung von Ia nicht so genau ist wie die von Im und auch weil Ia empfindlicher gegenüber Störungen der Spannungsversorgung und gegenüber Temperaturänderungen ist.
• Im Gegensatz dazu ist die stromerzeugende Schaltung wie oben beschrieben unabhängig von der Spannungsversorgung und von der Temperatur, da Vref versorgungs- und temperaturunabhängig ist und auch dank Q1 und Q2, die in Kombination tatsächlich Änderungen ihrer Basis-Emitterspannung, die durch Temperaturwechsel verursacht werden, kompensieren.
• Die Diode D1 zwischen MCR und ACS wird im Fall der Integration auf einem Chip verwendet, um die Bildung eines parasitären Transistors und infolgedessen auch den Fluß von parasitären Strömen von Q2 zu der Hilfsstromquelle während der Anlaufphase zu vermeiden.
• Es muß festgestellt werden, daß für die früher spezifizierten typischen Werte der Schaltungselemente der vorbestimmte Wert von Iref, auf den während der Anlaufphase Q3 regelt, gleich 15 µA ist, vorausgesetzt, daß VBE(Q3) gleich 0,7V ist, während der maximale oder nominale Wert von Iref gleich Vref/R1 = 30 uA ist
• Es muß auch festgestellt werden, daß Vref mit Bezug auf die Masse spezifiziert ist. Aus diesem Grund ist der Zweig von MCR, der Iref erzeugt, das heißt der Zweig mit Q2 und R1, auch mit Masse verbunden.

Claims (10)

1. Stromerzeugende Schaltung, die eine Hauptstromquelle (MCR) umfaßt, die in der Lage ist, einen konstanten stationären Referenzstrom (Iref) von einer stationären Referenzspannung (Vref), die durch eine Spannungsquelle (VRS) bereitgestellt wird, zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß Sie weiterhin eine Hilfsstromquelle (ACS) und eine Ausgangsschaltung (CM) umfaßt, für die die Hufs- (ACS) und die Hauptstromquelle (MCR) abfallende (Ia) bzw. ansteigende (Im) Ströme in der Anlaufphase liefert und die den Referenzstrom (Tref) für die Spannungsquelle (VRS) liefert, wobei die Spannungsquelle folglich eine ansteigende Spannung (Vref) in der Anlaufphase bereitstellt und die ansteigende Spannung (Vref) und der Strom (Im) die stationäre Referenzspannung bzw. den -strom erreichen.

2. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstromquelle (ACS) außer Betrieb ist, wenn die stromerzeugende Schaltung den stationären Referenzstrom (Iref) erreicht.

3. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung (CM) in Reihe mit der Parallelverbindung der Hauptstromquelle (MCR) und der Hilfsstromquelle (ACS) geschaltet ist, die eine Stromquelle (CS) enthält, die den abfallenden Strom (Ia) an dem Verbindungspunkt der Ausgangsschaltung (CM) und der Hauptstromquelle (MCR) erzeugt, wodurch ein Ausgang der Hilfsstromquelle realisiert wird, und die eine regelnde Stufe (RS) umfaßt, die auch mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, um die Stromquelle in der Weise zu steuern, daß Sie spätestens wenn der stationäre Referenzstrom durch die stromerzeugende Schaltung erreicht wird, außer Betrieb gesetzt wird.

4. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die regelnde Stufe (RS) einen Zweig enthält, in dem der Strom, der durch die stromerzeugende Schaltung erzeugt wird, gespiegelt wird.

5. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die regelnde Stufe (RS) in dem Zweig zwischen einem ersten (V1) und einer zweiten (V2) Spannungsversorgung eine Reihenschaltung eines PMOS-Transistors und eines Widerstandes (R2) einschließt, wobei das Gate des PMOS- Transistors (M2) mit dem Ausgang der Hilfsstromquelle (ACS) verbunden ist und die Verbindung des PMOS-Transistors (M2) und des Widerstandes (R2) mit der Basis eines ersten npn- Transistors (Q3), dessen Emitter mit der zweiten Spannungsversorgung (V2) verbunden ist, verbunden wird.

6. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (CS) einen zweiten npn-Transistor (Q4) einschließt, dessen Kollektor mit dem Ausgang der Hilfsstromquelle (ACS) verbunden ist und dessen Emitter mit der zweiten Spannungsversorgung (V2) über einen zweiten Widerstand (R5) verbunden ist, und die eine Reihenschaltung zwischen der ersten (V1) und der zweiten (V2) Spannungsversorgung eines dritten (R3) und eines vierten (R4) Widerstandes einschließt, wobei deren Verbindungspunkt mit der Basis des zweiten npn-Transistor (Q4) und dem Kollektor des ersten npn-Transistors verbunden ist.

7. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung (CM) ein Stromspiegel ist und daß der stationäre Referenzstrom (Iref) über eine integrierte Schaltung verteilt ist und für die Spannungsquelle (VRS) mittels der Stromspiegelschaltung (CM) bereitgestellt wird.

8. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstromquelle (MCS) die Reihenschaltung eines mit Masse verbundenen Widerstandes (R1) und eines npn-Transistors (Q2) einschließt, an dessen Basis eine Basisspannung, die von der ansteigenden und der statiorlären Referenzspannung (Vref) abgeleitet wird, in der Anlaufphase bzw. bei Nennbetrieb gelegt wird.

9. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsschaltung ein Stromspiegel ist und daß der Kollektor des npn-Transistors (Q2) mit der Drain und mit dem Gate eines PMOS-Transistors (M1) verbunden ist, der einen Teil der Stromspiegelschaltung (CM) bildet.

10. Stromerzeugende Schaltung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisspannung an die Basis des npn-Transistors (Q2) über einen pnp-Transistor (Q1), dessen Emitter mit der Basis des npn-Transistors (Q2) verbunden ist, angelegt wird, wobei die ansteigende und die stationäre Referenzspannung an die Basis des pnp-Transistors (Q1) in der Anlaufphase bzw. bei Nennbetrieb gelegt wird, wodurch die stromerzeugende Schaltung temperaturunabhängig gemacht wird.