DE2749855C2 - Spannungsreglerschaltung - Google Patents
SpannungsreglerschaltungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Spannungsreglerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
(US-PS 36 17 859).
; Spannungsregler in monolithischer Bandlücken-Bauart mit aktiver Rückkopplung sind bekannt. Sie ersetzten
die mit niedriger Leistung arbeitenden diskreten, modularen und hybriden Spannungsregler, bei welchen Zenerdloden-Bezugsquellen benutzt werden. Die verhältnismäßig weite Verbrettung der Bandlücken-Reglerschaltun-
gen ist darauf zurückzufahren, daß sie bei günstigen Kosten eine bessere Leltungs- und Lastregelung erlauben.
Bandlücl 'n-Spannungsreglerscfraltungen enthalten Im allgemeinen eine Interne Bezugsspannungsquelle, einen
getrennten Fehlerverstärker und eine Lelstungsaussgangsstufe. Der von der Bezugsspannungsquelle erzeugte
Wert der Bezugsspannung ist ein in passender Welse gewählter Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung.
Der FehlerverstSrker vergleicht dann die Bezugsspannung mit einem Bruchteil der Ist-Ausgangsspannung und
veranlaßt die Ausgangsstufe, Ue beiden verglichenen Spannungen gleich zu halten. Durch diese Rückkopplung
wird eine Ist-Ausgangsspannung erzeugt, welche kontinuierlich auf dem gewünschten Pegel gehalten ist.
Spannungsreglerschaltungen der Bandlücken-Bauart haben diese Bezeichnung erhalten, well die Bezugsspannungsquellen eine Nulltemperaturkoefflzlenten-Bezugsspannung erzeugen, welche proportional der Bandlückenspannung des Halbleitermaterials ist, indem die Differenz Δ VK zwischen der Basis-Em^r-Spannung zweier
einander zugeordneter Transistoren erzeugt wird, dieser Δ KS£-Spannungswert in geeigneter Welse herabgesetzt
wird und dieser untersetzte Δ KB£-Spannungswert zu der Basls-Emltter-Spannung eines anderen Transistors
addiert wird. Die so erzeugte Bezugsspannung ist im Regelfall ein ganzzahllges Vielfaches der Bandlückenspannung des Halbleiters. Eine Bandlücken-Regelelnrlchtung dieser Art, bei welcher variable Kollektorströme In
einer monolithischen Integrierten Schaltung verwendet werden, 1st in US-PS '36 17 859 beschrieben. Eine
Beschreibung dieser Bauart einer Regeleinrichtung mit variablen Emitterbereichen befindet sich auch In dem
Aufsatz von A. P. Brokaw »A Simple Three-Termlnal IC Band Gap Reference« In »IEEE Journal of Solid State
Circuits«, Band SC-9 Nr. 6, Dez. 1974, S. 388.
Wenn Spannungsreglerschaltunger· der Bandlücken-Bauart, welche In monolithischen integrierten Schaltungen
ausgebildet sind, die Bezugsspannungsquelle bilden, können der Fehlerverstärker und die zugehörige Stcuer-
so schaltung die aktive Fläche der Schaltung in der Größenordnung bis zur Hälfte und mehr beanspruchen. Die
Kosten je Einheit können beträchtlich herabgesetzt werden, wenn der Platzbedarf je Reglerschaltung auf dem
Halblelterplättchen gesenkt wird, da dann mehr Reglerschaltungen je Halblelterplättchen hergestellt werden
können und weniger Material je Funktion erforderlich 1st. Alternativ kann die Reduktion der erforderlichen
Fläche des Halblelterplättchens die Möglichkeit eröffnen, zusätzliche Schaltungen und dementsprechend zusätz
liehe Funktionen auf dem gleichen Chip-Bereich unterzubringen, als es bisher der Fall war.
Aus der bereits genannten US-PS 36 17 859 1st eine Spannungsreglerschaltung mit Interner Nulltemperaturkoefflzlenten-Bezugsspannungsquelle bekannt, welche eine Bezugsspannung erzeugt, die einer Halbleilermatcrlal-Bandlückenspannung proportional Ist. Diese Schaltung besitzt auch ein mit einem Ausgangsverstärker
verbundenes Spannungstellernetzwerk; ein Eingang des Fehlerverstärkers 1st mit einem Zweig des Spannungs
tellernetzwerks und ein anderer Eingang 1st mit der Bezugsspannungsquelle gekoppelt, während der Ausgang
des Fehlerverstärkers mit dem Eingang des Ausgangsverstärkers gekoppelt 1st.
, Diese Spannungsreglerschaltung hat den bereits beschriebenen Nachteil, daß die Bezugsspannungsquellc, der
Fehlerverstärker und die zugehörige Steuerschaltung die Größenordnung von V3 bis V3 des aktiven Gebietes der
Schaltung einnehmen, und dieser Anteil kann bei Schaltungen mit niedrigerer Leistung bis auf 80% steigen. Der
Erfindung Hegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Spannungsreglerschaltung der eingangs bezeichneten Art
die Zahl der Komponenten unter Beibehaltung der entsprechenden Funktionen zu reduzieren oder aber In einer
Schaltung die Ausführung einer größeren Zahl von Operationen zu ermöglichen.
49 855
Merkmale des Kennzelchnungslells gelöst.
Zum Stand der Technik wird in diesem Zusammenhang noch Bezug genommen auf »IEEE Transactions
Broadcast & Television Receivers«, Band BTR-18, 2. Mal 1972, S. 73-76. In dieser Veröffentlichung von Mitarbeitern
der Fairchild Camera and Instrument Corporation wird über neuere Entwicklungen auf dem Gebiet der
monolithischen Spannungsreglerschaltungen berichtet. Die Fig.4 und 5 und die zugehörigen Beschreibungsteile
auf den Selten 74 und 75 der genannten Schriftstelle beschreiben Spannungsregelschaltungen mit einer internen
Nulltemperaturkoeffizienten-Bezugsspannungsqueile, welche eine Bezugsspannung erzeugt» die proportional
einer Halbleitermaterial-Banklückenspannunglst^und in welchen Fehlerverstärker Integriert sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. ;■ ■ .......
Fig. 1 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild ejner Bandlücken-Spannungsregeleinrichtung bekannter Bauart. Ό
Flg.2 1st ein Blockschaltbild der Spannungsreglerschaltung gemäß der Erfindung, weiche In Kombination
eine Bezugsspannungsquelle und Fehlerverstärkeraufweist.
FIg. 3 enthält eine schematische Darstellung; der Schaltung gemäß der Erfindung zur Erläuterung der
Wirkungsweise als BezugsspannungsqueHe. , .
Flg.4 ist eine schemaifsche Darstellung der- Schaltung gemäß der Erfindung zur Darstellung der Wirkungs- !*
weise als Fehlerverstärker. :;:: ·. . ;:.; ; .- .■..-.. ^. ■·...-:-.. :>· -. - ; -.·-· .?"';■
Die Arbeitsweise einer Bandlür.ken-Spannungsreglerschaltung wird anhand von FIg-Λ allgemein beschrieben.
Die Funktion Im einzelnen kann Datenblättern für BandlOcken-Regeleinrichtungen entnommen werden,
beispielsweise der Serie Fairchild UA7800. Bei;.der. in,Fig. 1 dargestellten Schaltung wird die Spannung der
Eingangsleitung an Klemme 17 angelegt. Eine Stromquelle 9 legt einen Voispannungsstrom an Fehlerverstärker
11 und an Stromverstärker 12, und dadurch wird Ausgangstransistor 13 veranlaßt, Strom zur Ar.«jangsklemme
16 und zu dem aus Widerständen Γ4 und 15 bestehender. AusgangsteÜernetzwerk durchzulasseu. Zunächst !st
die am Tellernetzwerk anliegende Spannung rar.begrenzt durch, die. kombinierte Stromverstärkungen des Stromverstärkers
12 und des Ausgangstransistors 13* jedoch bestimmt BezugsspannungsqueHe 10 in Kombination mit
dem RQckkoppIungsvorgang schließlich die an Klemme 16 angelegte Ausgangsspannung in der nachfolgend
beschriebenen Weise. Der Ausgang der BezugsspannungsqueHe 10 wird als ein Eingang in den Fehlerverstärker
Ii eingeführt, welcher gewöhnlich ein Zweistufen-OperatlonsverstärKer ist. Der andere Eingang zum Fehlerverstärker
U wird von Klemme 19 Im mittleren Schaltpunkt des Ausgangs-Spannungsteilernetzwerks, welches
durch die Widerstände 14 und 15 gebildet ist, abgenommen. Der Ausgangsstrom des Fehlerverstärkers 11 wird in
Stromverstärker 12 eingeführt, dessen Ausgang den Leistungsausgangstransistor 13 steuert, welcher die bei
Klemme 16 vorhandene Spannung steuert. Die Spannung am Schaltungspunkt 19 muß gleich VR sein; andernfalls
wird ein Fehlersignal durch Fehlerverstärker 11 erzeugt, und dadurch wird Stromverstärker 12 veranlaßt, eine
neue Spannung an der Basis des Leistungsausgangstransistors 13 zu erzeugen, um dadurch die an Klemme 16
vorhandene Spannung auf einem konstanten Wert zu halten. Die Werte der Widerstände 14 und 15 sind so
gewählt, daß die Spannung VR am Schaltungspunkt 19 anliegt, wenn die Ausgangs- oder Lastspannung an
Klemme 16 den gewünschten Wert der Ausgangsspannung hat. Die Ausgangsspannung an Klemme 16 ist dann,
bezogen auf die Werte der Widerstände,
Vom —
... Vr (Ru + R\s)
Dieses aktive Rückkopplungs-Steuersystem ermöglicht eine sehr gute Leitungs- und Lastregelung, jedoch
erfordert es getrennt eine Bezugsspannungsouelle 10 und einen Fehlerverstärker 11. In Fig. 2 Ist eine Bandabstand-Spannungsrcgeieinrichtung
gemäß der Erfindung im Blockschaltbild dargestellt. Man erkennt aus dieser Darstellung, daß diese Schaltung die gleiche allgemeine Funktion erfüllt, wobei Bezugsspannungsquelle/Fehlerverstärker
20 kombiniert sind. Wie obenstehend beschrieben, kann der Wert der Ausgangsspannung an Klemme
25 durch üle folgende Formel wiedergegeben werden:
v _ KRv, +
fr.;)
Vr
In der Darstellung der Flg. 2 Ist die Kombination 20 aus BezugsspannungsqueHe und Fehlerverstärker allgemein
als Operationsverstärker dargestellt, welcher eine bewußt verhältnismäßig hoch gewählte Kompensatlonsspannung
bei vorzugebenden Werten von Polarität, Temperaturkoeffizient und Betrag hat. Nähere Einzelheiten
können beispielsweise der Schrift von Tobey u. a. »Operational Amplifiers: Design and Applications« entnommen
werden. Wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird, arbeitet die kombinierte Schaltung gleichzeitig
In 7.WCl unterschiedlichen Arbeltswelsen, damit die beiden gewünschten Funktionen zur Verfügung gestellt
werden können. Eine solche Simultanarbeitsweise ist dadurch möglich, daß die Bezugsspannungsquellle im
Glelchslrombelrleb arbeite1, und zwar bei Spannungswerten in der Größenordnung von Volt, während die
!•■ehlcrvcrsiürkerfunktlon Ir1I Wechselstrombetrieb arbeitet, und zwar mit nled.igen Spannungen in der Größen- ω
Ordnung von Millivolt. E?le Funktion der Fehlerverstärkung erfolgt durch Modulierung der Funktion der
iic/.ugsspunnungsquelle.
Hlnc Schaltung, welche kombiniert die Funktionen der Fehlerverstärkung und der BezugsspannungsqueHe
erfüHt, Ist Innerhalb von gestrichelten Linien 45 in Flg. 3 dargestellt; sie Ist getrennt herausgezeichnet In Flg.4.
Die Schaltung Ist In Flg. 3 mit zusätzlichen Komponenten dargestellt, um die Betriebswelse zu beschreiben, In
der sie die Funktion einer ßezugsspannungsquelle erfüllt. Aus Flg. 4 Ist Insbesondere erkennbar, daß die Schallung
in der Arbeitsweise der BezugsspannungsqueHe Identisch Ist mit der Schaltung In der Arbeltswelse des
Fchlcrvcrstilrkcrs. Die liifferenz in den beiden Arbeitswelsen liegt, wie nachfolgend noch näher beschrieben
werden wird, In der Art der Eingänge und Ausgänge und In den Punkten, in denen die Eingänge eingeführt und
die Ausgänge aus der Schaltung abgenommen werden.
Bei der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß npn-Translstoren mit hohem Beu-Wcrt (Transistoren, bei denen das Verhältnis von Kollektorstrom zum Basisstrom gegen unendlich geht) verwendet
werden. Nimmt man an, daß die in Flg. 3 dargestellte Schaltung sich In der Betriebswelse als Spannungsqucllc
befindet, so wird eine Bezugsspannung durch die Basls-Emltter-Spannungen von Transistoren 30 und 33 plus
dem Spannungsabfall Ober Widerstand 39 bestimmt. Die abhängige Stromquelle 46 treibt gleich Kollekiorströmc
In die Transistoren 30 und 31, so daß eine Spannung AVBE, welche von dem Verhältnis der EmUterbcrclche der
Transistoren 30 und 31 abhängig Ist, Ober Widerstand 38 eingeprägt wird. Diese Spannung aVHf ober Widerstand
38 bestimmt auch die Betriebskollektorströme der Transistoren 30 bis 33, wenn die Spannungsrückkopplungsschlelfe vollständig Ist. Mathematisch können die Spannung AVaE und die entsprechenden Kollekiorströmc der
Transistoren 30 bis 33 durch Gleichungen 1 und 2 wie folgt dargestellt werden:
(D ΔνΒΕ=γΙ
(2) lao β /οι a Ιώϊ β fc» "η^ ' ~ξ
Dabei ist:
k = Boltzmannsche Konstante
q = Ladung des Elektrons
— = 2,585 X 10-2 Volt bei 300° K
q
«ι
-in ^e30, AE)\ = Emitterbereiche der Transistoren 30 bzw. 31
lao bis Im = Kollektorströme in den Transistoren 30 bis 33.
Diese der Berechnung zugängliche Spannung Δ VBE hat einen positiven Temperaturkoeffizienten, wie sich aus
der pachfoigenden Gleichung ergibt:
If L4 Vbe1 =-Sf !J '"{ΑεΤοΙ J - 1 l"AD0 T
dT LT "J 6T [q \ Abo I J Q ado ι
4"
— [δ Kk] hat daher einen positiven Temperaturkoeffizienten, weil sowohl Δ VBE und Tposiiive reelle
Zahlen sind. Da nun npn-Transistoren mit holiem Beta-Wert vorausgesetzt sind, beträgt die Spannung über
Widerstand 39:
39 Ol 39 ßJg q
und diese muß auch einen positiven Temperaturkoeffizient haben, da das Verhältnis &,: Rn temperaturunabhängig ist. Daher kann die Spannung an der Basis des Transistors 33 und zwischen den Leitungen 42 un* 43, die
Bezugsspannung V^f, durch die nachfolgenden Gleichungen (4) und (5) wiedergegben werden:
(4) V11Ef= VBE30 + VBm + g · — In [^ ), oder
V =2V +— —In
H= Tnndctnnn in i.nri « aic i^onticrhp opfimptrischc Strukturen ausEsbildet sind. Da das erste Glied der
H= Tnndctnnn in i.nri « aic i^onticrhp opfimptrischc Strukturen ausEsbildet sind. Da das erste Glied der
da die Transistoren 30 und 33 als identische geometrische Strukturen ausgebildet sind. Da das erste Glied der
«ι Gleichung (5) auf der rechten Seite einen negativen Temperaturkoeffizienten und das zweite Glied einen positiven Temperaturkoeffizienten hat, kann restgestellt werden, daß ein Satz von Werten Tür Rx und R39 der
Bezugsspannung VREF einen Null-TemperaturkoeiTlzlenten verleiht. Bei der betrachteten Schaltung tritt dies ein
bei VREF = 2,56 Volt. In einer praktisch ausgeführten integrierten Schaltung hat der Wert Beta nicht immer den
oben angenommenen sehr hohen Wen, so daß die Arbeitsweise der Schaltung In geringem Umfang durch die
^ Basisströme der verschiedenen Transistoren beeinflußt wird. Die Wirkungen dieser endlichen Beta-Werte
werden sehr gering gehalten durch einen Widerstand 40. welcher die Basisstromfehler kompensiert.
PIe an Klemme 36 vorhandene Ausgangsspannung Ist dann nach der folgenden Gleichung (6) von der
Bc/upsspnnnunp abhängig:
(6) k«-^^ VKf-
Im wesentlichen wird die Ausgangsspannung an Klemme 36 bestimmt durch die Schaltung Innerhalb der
gestrichelten Linie 45, welche einen Null-Temperaturkoefflzlenten hat. VRFF wird erzeugt zwischen den Leltungen 42 und 43 und steuert den I.elstungsiiusgiing 34. Dies wird erreicht, well der Strom In die Leitung 44,
welche durch Klemme 44' mit dem Hingang des Stromverstärkers 35 verbunden Ist, sich so ändert, wie es erforderlich Ist, um die entsprechenden mathematischen Beziehungen von VREf aufrecht zu erhalten, wenn die
RückWwpplungsschlelfe durch die Widerstände 37 und 47 geschlossen wird. Die Kombination des Stromverstärkers 35 und des Leistungsausgangstransistors 34 arbeitet als Leistungsausgangsstufe. Die Ausgangsspannung
Vm, an Klemme 36 wird durch die Leistungsausgangsstufe unabhängig von der Eingangsspannung oder der
Ausgangsbelastung auf dem gewünschten Wert gehalten.
Die Betriebswelse der Fehlerverstärkung der Schaltung gemäß der Erfindung ist aus Flg.4 erkennbar. Die
Wirkungswelse dieser Schaltung als Verstärker wird nachfolgend beschrieben. Wenn die Spannungsdifferenz
zwischen den Leitungen 42 und 43 allmählich von Null auf einen Wert angehoben wird, welcher höher als die is
Bezugsspannung Ist, werden die Ströme /C3J und /c33 In gleicher Welse steigen. Aufgrund der verhältnismäßig
hohen Widerstandswerte der Widerstände 38 und 39, welche In der Größenordnung von Kiloohm liegen, steigt
jedoch Iex Im wesentlichen linear mit der Spannung, während /C3] näherungsweise exponentiell In demjenigen
Gebiet steigt. In dem /r]}«/ru«^£lst. Es Ist der Vorgang des Schlleßens der Rückkopplungsschielfe um den
nichtlinearen Regelverstärker durch die In Flg. 3 dargestellten Widerstände 37 und 47, welcher die Ausglelchs-Arbeltsströme der Transistoren 30 bis 33 bei dem Stromwert /)VBE/Rn zum Fließen bringt.
In der Nähe des Ausglelchsbetrlebsstroms kann man die Wirkungen kielner Störungen der Spannung auf
Leitung 42 gegenüber Leitung 43 so betrachten, als würden sie an der Verstärker-Ausgangsklemme 44 beobachtet. Für diese kleinen Störungen kann die Änderung des Ausgangsstroms /„, als Funktion der kleinen Eingangs- 2S
spannung auf Leitung 42, nämlich v„„ charakterisiert werden als eine lineare Funktion, und in der linearen
Analyse des kleinen Signals wird eine Stellheltsfunktlon (transconductance function) definiert als g„ = i,i,lvaia.
Die Steilheit (transconductance) der Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung In der Arbeltswelse des
Fehlervcrstürkers kann dann wiedergegeben werden durch Gleichung (7):
\ gml
^ +
[2 + gm, (
\ gml'
ß~+J [2 + gm, (Ä39 +
wobei a„ die Steilheit der Verstärkerstufe Ist und definiert Ist als das Verhältnis der Änderung des Ausgangs-Stroms des kleinen Signals zu der Änderung der Ihn hervorrufenden Eingangsspannung, und sie ist nach Definition = /a,„/v,i».
Dabei ist
β = Transistorstromverstärkung leih
RM und R39 sind die Widerstandswerte der Widerstände 38 und 39 In Flg.4. Bei der bevorzugten Ausführungs form der Erfindung betragt die Steilheit (transconductance) etwa 250 Microhm. Obwohl die Steilheit der
Verstärkerstufe verhältnismäßig niedrig 1st, kann man einen wirksam arbeitenden Fehlerverstärker darstellen,
wenn die Lastimpedanz am Schaltungspunkt 44' groß Ist. Dieses Erfordernis kann leicht erfüllt werden mit
verhältnismäßig einfachen Schaltungselementen in dem Stromverstärker 35, welcher nur eine große Stromverstärkung ermöglichen muß.
Im Betrieb liegt der Bereich der Gleichstrompegel, welche für die Transistoren 30 bis 33 zulässig sind,
zwischen zehntel Mikroampere bis etwa in die Größenordnung von Milliampere. Als praktische Grenze 1st dabei
die Größe der Oberfläche des Chip zu beachten, welche die Widerstände ÄM und Ri9 einnehmen, wenn sie In
monomischer Form hergestellt werden. Auf jeden Fail ist der Bereich der Strompegel weit genug und Hegt In
einer ausreichenden Größenordnung, um der Schaltung die Erzeugung einer Bezugsspannung zu erlauben, 5i
welche ein praktikabler Bruchteil der gewünschten Ausgangsspannung ist. Die Amplitude des niedrigen Wechselstromsignals, welches am Schaltungspunkt 44' durch den Fehlerverstärker entsprechend Flg. 4 erzeugt wird,
Ist sehr niedrig. Um 100 Milliampere Ausgangsgielchstrom auszuregeln, würde der Wechselstrom In der
Größenordnung von Nanoampere liegen oder noch niedriger sein. Der dem Fehlerverstärker zugeordnete
Wechselstrom Ist dann wesentlich niedriger als die Gleichströme auf dem Pegel von Mikroampere, welche bei «>
der Bezugsspannungsquelle auftreten. Dementsprechend wird die Funktion der Bezugsspannung nicht dadurch
beeinträchtigt, daß Ihr die Funktion des Fehlerverstärkers überlagert wird.
Claims (2)
1. Spannungsreglerschaltung mit Interner Nulltemperaturkoefflzlenten-Bezugsspannungsqueile, weiche eine
Beaigsspannung erzeugt, die einer Halbleitennaterial-Bandlflckenspannung proportional Ist, und mit einem
Fehlerverstarker und einem mit einem Ausgangsverstärker verbundenen Spannungsteilernetzwerk, wobei ein
. Eingang des Fehlerverstärkers mit einem Zweig des Spannungstellernetzwerks und ein anderer Eingang mit
der Bezugsspannungsquelle und der Ausgang des Fehlerverstärkers mit dem Eingang des Ausgangsverstärkers gekoppelt Ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerverstärker und die Bezugsspannungsquelle sich in derselben Integrierten Schaltung befinden, daß die Schaltung einen ersten Transistor (31)
ίο aufweist, dessen Kollektor und Basis mit der Basis eines zweiten Transistors (30) elektrisch verbunden sind,
daß der Emitter des zweiten Transistors (30) Ober einen ersten Widerstand (38) mit dem Emitter des ersten
Transistors (31) elektrisch verbunden ist, daß der Emitter eines dritten Transistors (32) mit dem Kollektor
des zweiten Transistors (30) elektrisch verbunden 1st, daß der Emitter eines vierten Transistors (33) mit der
Basis des dritten Transistors (32) und über einen zweiten Widerstand (39) mit dem Kollektor des ersten
is Transistors (31) elektrisch verbunden ist, und daß die Kollektoren des dritten (32) und des vierten (33)
Transistors miteinander gekoppelt sind, wobei die Basis des vierten Transistors (33) mit dem Spannungstellerneizwerk (37, 47) und der Kollektor des dritten Transistors (32) mit dem Ausgang des Fehlerverstärkers
verbunden sind.
2. Spannungsreglerschaltung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Widerstand (40)
zwischen der Basis des zweiten Transistors (30) und der Basis des ersten Transistors (31) eingeschaltet Ist.
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