DD203415A1 - Schaltungsanordnung mit fallender spannungs-temperatur-charakteristik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit fallender Spannungs-Temperatur-Charakteristik unter Ausnutzung der Abhaengigkeit der Fluszspannung eines in Fluszrichtung betriebenen Halbleiter-PN-Ueberganges von der Temperatur, vorzugsweise zur Anwendung in Referenzspannungsquellen und Temperaturmeszeinrichtungen. Das Ziel, mit verhaeltnismaeszig geringem Mehraufwand den Anwendungsbereich bedeutend zu vergroeszern, wird durch die Loesung folgender Aufgabe erreicht: Es ist eine Schaltungsanordnung mit einer streng linear ueber der Temperatur abfallenden Spannung zu schaffen. Dies geschieht durch die Hinzufuegung eines weiteren in Fluszrichtung betriebenen Halbleiter-PN-Ueberganges zu dem bereits bekannten, wobei die ueber den beiden Halbleiter-PN-Uebergaengen entstehenden temperaturabhaengigen Fluszspannungen von einer zwischengeschalteten Anordnung nach einer bestimmten Vorschrift zu einer streng linear ueber der Temperatur fallenden Spannung verarbeitet werden.

Description

Titel der Erfindung

Schaltungsanordnung mit fallender Spannungs-Temperatur-Charakt erist ils:

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit fallender Spannungs-T emperatur-Charakt erist ik unter Ausnutzung der Abhängigkeit der Flußspannung eines in Flußrichtung betriebenen Halbleiter-PH-Überganges von der Temperatur, vorzugsweise zur Anwendung in Referenzspannungsquellen und Temperaturmeßeinrichtungen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Schaltungsanordnungen o. g. Art bekannt, bei denen der Halbleiter-PH-übergang mit einem Konstantstrom gespeist wird. Die entstehende Flußspannung weist in ihrer Temperaturabhängigkeit jedoch ITichtlinearitäten auf, so daß solche Schaltungsanordnungen für Fälle mit sehr hohen Genauigkeitsanforderungen nicht ausreichen, Zur Verringerung der Nichtlinearitäten im Zusammenhang zwischen Flußspannung und Temperatur werden Schaltungsanordnungen benutzt, bei denen die Konstantstromspeisung durch Speisung des Halbleiter-PH-überganges mit einem temperaturproportionalen Flußstrom I₁₇ ersetzt wird, der der Funktion

i_p (T) = I₀ . ^ΤΛ, (D

genügt j wobei I_Q der Bezugswert dieses Stromes bei der

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Temperatur T = T_Q ist.

Der bei derartiger Steuerung des Flußstromes entstehende Verlauf der Plußspannung in Abhängigkeit von der !Temperatur ist jedoch weiterhin durch Sichtlinearitäten gekennzeichnet. Dadurch ist auch hier die Genauigkeit von Anordnungen, die auf diese fallende Spannungs-Temperatur-Charakteristik Bezug nehmen, und damit der Anwendungsbereich der o. a. Schaltungsanordnungen begrenzt.

Zum Beispiel erreichen bekannte Band-Gap-Seferenzen im allgemeinen keinen geringeren Temperaturkoeffizienten als einige 10 ~^Ό K (Low cost voltage references for analog circuits. Analog Dialogue 8 /1974/ H. 2, S. 12). Weiterhin ist die Speisung eines Halbleiter-PIT-Überganges mit einem quadratisch mit der Temperatur steigenden Flußstrom bekannt (Pat O'jfeil, Carl Derrington: Transistoren als Temperatursensoren, Elektronik 29 /1980/ H. 11,S.81 - 84)«

Dadurch kann die ITichtlinearität der Spannungs-Temperatur-Charakteristik weiter verringert, aber nicht vollständig beseitigt werden. Außerdem entsteht bei dieser Speisungsvariante des Halbieiter-Pl-Überganges ein beträchtlicher Schaltungsaufwand.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung mit fallender Spannungs-Temperatur-Charakteristik zu schaffen, bei der mit verhältnismäßig geringem Mehraufwand der Anwendungsbereich bedeutend vergrößert wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einer streng linear über der Temperatur abfallenden Spannung zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zusätzlich zu dem bekannten Halbleiter-PH-Übergang ein zweiter

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Halbleiter-PN-Übergang angeordnet ist und der erste Halbleiter- P¥-Übergang mit einer Stromquelle, die einen Strom mit einer Temperaturabhängigkeit

liefert und der zweite Halbleiter-PU-Übergang mit einer Stromquelle, die einen Strom Ip mit einer Temperaturabhängigkeit

T ß I₂(T) = Iq₂ (jjT-) v.2)

liefert, verbunden ist, wobei Iq. bzw. I_Q2 die Bezugswerte der beiden Ströme bei der Temperatur T = T₀ und ei , Q Exponenten mit der Bedingung

Q-CaC έ ß ' (3)

sind» Der jeweilige Verbindungspunkt der Stromquelle mit dem zugeordneten Halbleiter-PH-Übergang ist jeweils mit einem Bingang einer Anordnung verbunden, welche so ausgelegt ist, daß sie die Vorschrift

U = U₁-M + "3* (U-Jj₁₀ - υ-,-, ) (4)

realisiert, wobei U^ die Ausgangsspannung der Anordnung, U-T₁., bzw. U-_o die am.Verbindungsnunkt des ersten bzw. zweiten Halbleiter-PH-Überganges mit der jeweils zugeordneten Stromquelle anliegenden Flußspannung der Halbleiter-PIT-Übergänge sind und für den Faktor ~£ die Vorschrift

> ο es)

Die Wirkung der Schaltungsanordnung beruht auf nachstehend näher erläuterten Zusammenhängen:

Über einem mit einem Flußstrom I™ gespeisten Halbleiter-Pnübergang . entsteht die temperaturabhängige Flußspannung U^₁(T). Für diese Flußspannung gilt in einem bestimmten Bereich der

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Strom-Spannungs-Kennlinie des Halbleiter-Plf-Überganges die Beziehung

U_p = -U₁ In J- , (6)

wobei U₂ = I T (7)

die Temperaturspannung mit der Boltzmannkonstanten k, der Slementarladung q und der absoluten Temperatur T und

I_Q = CT^ exp^ ' (8)

der Sättigungsstrom mit den. Bauelementeparametern C, P und dem Bandabstand W ist»

Gleichungen (7) und (8) eingesetzt in Gleichung (6) führen zu

:u w

woraus das Temperaturverhalten, der Spannung Dp durch Ableiten nach der Temperatur ermittelt werden kann:

^(u V f ^

ar--r ^(ug- V -f ^-^· ⁽¹⁰⁾

W Hierbei ist U=-^. (11)

Gibt man für den Flußstrom I^ eine bestimmte Temperaturabhängigkeit vor, so daß

T dl,

= const. . . ' (12)

gilt, ergibt sich als Lösung für die Differentialgleichung (10)

U^ = U . (u _ u) |_ -ι;'ϋ_φ I- In I- (13)

niit^; ü_,₀ = U₅, (2 = T₀), (14)

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^υτο

T dip und υ ' = χ) - ?—-4· ♦ (16)

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von zwei Halbleiter-PN-ÜTdergangen, die mit Strömen nach den Gleichungen (1) und (2) gespeist werden,' gilt für die entstehenden Flußspannungen tL,

- W Ij - »1 -*> ^uto

und U_M = U_g2 - (U_g2 - U₁₀₂) !jj - Co₂ -/3) U₁₀ f. in |_, (18)

wobei die Indizierung mit 1 bzw. 2 auf die Zugehörigkeit der entsprechenden Größen zu den Halbleiter-PSF-Übergängen 1 bzw. 2 hinY/eist.

Die Verknüpfung der Gleichungen (17) und (18) nach der Vorschrift (4) liefert

^Ü3 " V⁺ 'W-fer⁰«**' KV^^J} -1"^₁ -d+T (^₂ -/3--O₁ +^)J n_T0 ψ^ in |-. (19)

Durch Festlegung des Faktors 0 nach der Vorschrifi

1

Vo A T .,,

entsteht aus Gleichung (19) ein linearer Zusammenhang zwischen der Spannung U, und der 'Temperatur T:

Durch geeignete Wahl der Bezugsströme Iq. und sich der Zusammenhang

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^Ug2 " ^Ug1 " ^UK>2 " ^UP01 (22)

herstellen, womit aus Gleichung (21)

3 = ^üg1

^U3 = ^üg1 ^{+ί CU} _S2 - V " ^(ÜS1 " ¹W 3£ ⁽²³⁾

folgt.

Hoch günstigere Bedingungen ergeben sich bei der Verwendung gleicher, beispielsweise integrierter, Halbleiter-PlI-Übergänge 1 und 2,

wobei 'S) _Λ = V₀ =13 , (24)

• ^üP01 =

gilt

Damit vereinfacht sich Gleichung (21) zu

^Ü3 ^Us - ^(Ug - ^UP0^% '

wodurch ein streng linearer Zusammenhang zwischen der Spannung U, und der Temperatur T gegeben ist.

Äusführungsbeispiel

Die Erfindung soll im nachstehenden Äusführungsbeispiel näher erläutert werden.

Gemäß Zeichnung besteht die Schaltungsanordnung mit linear fallender Spannungs-Temperatur-Gharakteristik aus Halbleiter- PU-Übergängen 1 j 2, Stromquellen 3; 4, Verbindungspunkten 5? 6; .7 und einer Anordnung 8, die einen Operationsverstärker 9 mit Widerständen 10; 11 enthält und Eingänge 12; 13 sowie einen Ausgang 14 besitzt.-

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist folgende: Die Halbleiter-PiJ-tibergänge 1 bzw, 2 werden von den Stromquellen 3 bzw. 4 gespeist, die zur Erfüllung der Gleichung (12) die Ströme

I-j = I₀₁ = const. . (28)

bzw. I₂ = Iq₂ ψ- (29)

liefern, wodurch für das vorliegende Äusführungsbeispiel die Exponenten^ und/3 aus den · Gleichungen (1) und (2) die Werte

oi= 0 · (30)

bzw. /3= 1 . (31)

annehmen.

Die Anordnung 8 enthält zur Realisierung der Vorschrift (4) eine bekannte Operationsverstärkerschaltung mit den Widerständen 10 und 11, deren Werte R10 und R11 mit

R10 = {tf- 1) R11 (32)

festgelegt sind.

Der Wert R11 ist so gewählt, daß der über den.Widerstand 11 zum Verbindungspunkt 5 fließende Strom gegenüber dem . · Strom I₁ vernachlässigbar klein ist.

Die weitere Funktionsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird bei folgenden Materialkonstanten und frei gewählten Bezugsgrößen erläutert, wobei die Realisierung der Halbleiter-PlT-Übergänge 1 und 2 durch integrierte Silizium-Transistoren erfolgen soll, deren Kollektor-Basis-Übergang im Kurzschluß betrieben wird:

g1 ~" g2 ~ g "~ '

T₀ = 300 K.

Die benutzten Halbleiter-PH-Übergänge 15 2 sollen bei dieser 3ezug3temperatur T_Q und einem Strom

¹FOI ^{= 1}FC^ ^{= 1}FO "⁰^ ²^ eine Flußspannung

^ÜH)1 ^{= ü}F02 ^{= U}P0 ⁼

aufweisen

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Aus Gleichung (20) und den Beziehungen (30) und (31) erhält man

f = 3. (33)

Damit ergibt sich für die 'Widerstände 10 und 11 der Zusammenhang

RIO = 2 R11, (34)

der im Ausführungsbeispiel mit den Werten R10 = 20 kO. und R11 =10 k-Ω.

realisiert wird.

Am Ausgang 14 der Schaltungsanordnung entsteht gegenüber dem Yerbindungspunkt 7 eine Spannung U-, nach Gleichung (27)., die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Temperaturkoeffizient en Dm mit

_!k^2 ₌._2mYri ₍₃₅₎

gekennzeichnet ist.

Es ist auch denkbar, die Beziehung (4) mit einem Faktor/T nach Gleichung (20) zu erfüllen, wenn für die beiden Ströme I. und Ip

I₁ = I₂ (36)

mit oC = /3 (37)

gilt und die Materialkonstanten VL und V~ sich voneinander unterscheiden.

Weiterhin ist es möglich, die Anordnung 8 auf andere Weise als im Ausführungsbeispiel beschrieben au .realisieren. Für die Stromquellen 3 und 4 können zur Erzielung des erfindungsgemäßen Effektes allgemein übliche Anordnungen verwendet werden.

Claims (1)

1. 2348 9 9 3

   Erfindungsanspruch

   Schaltungsanordnung mit fallender Spannungs-Temperatur-Charakteristik unter Ausnutzung der Abhängigkeit der J¹IuB-spannirng eines in Flugrichtung betriebenen Halbleiter-PH-Überganges von der Temperatur, vorzugsweise zur Anwendungin Referenzspannungsquellen und Temperaturmeßeinrichtungen, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich zu dem bekannten Halb1eiter-PH-Übergang.(1) ein zweiter Halbleiter-?H-Übergang (2) angeordnet ist und der erste Halbleiter-PH-übergang (1) mit einer Stromquelle (3), die einen Strom I-. mit einer Temperaturabhängigkeit

   liefert und der zweite Halbleiter-PH-Übergang (2) mit einer Stromquelle (4), die einen Strom I₂ mit einer Temperaturabhängigkeit

   I₂ (T) = I₀₂ (ψ-)

   liefert, verbunden ist, wobei Iq₁ bzw. I_Qp die Bezugswerte der beiden Ströme bei der Temperatur T = T_Q und^ ,/? Sxponenten mit der Bedingung

   0 * o< &j3

   sind und der jeweilige Verbindungspunkt (5; 6) der Stromquelle (3; 4) mit den zugeordneten Halbleiter-PH-Übergängen (1; 2)'jeweils mit. einem Eingang (12; 13) einer Anordnung (8) verbunden ist, welche so ausgelegt ist, daß sie die Vorschrift ,

   realisiert, wobei U^ die Ausgangsspannung der Anordnung (8), U-Tj₁ bzv/. U-J₉ die an dem Verbindungspunkt (5; β) des ersten bzw. zweiten Halbleiter-PlT-überganges (1; 2) mit der jeweils zugeordneten Stromquelle (3; 4) anliegende. j?luß-, spannung ist und für den Faktor T die Vorschrift Q^"^O gilt.

   Hierzu 1 Seite Zeichnung