CMOS-Spannungsreferenz

Abstract

 Zur Erzeugung einer temperaturunabhängigen Referenzspannung (UR) mit Hilfe einer Schaltungsanordnung in komplementärer MOS-Technik, die eine nur unipolare Versorgungsspannung (VDD, VSS) besitzt, wird vorgeschlagen, den Ausgang der verwendeten Bandgap-Schaltung (VG1) auf ihren Bezugspunkt (VG2) rückzu­koppeln. Vorzugsweise dient dazu ein Operationsverstärker (OP2). Mit Hilfe einer Anlaufschaltung (IA) läßt sich die Referenzspannung (UR) als Betriebsspannung der Schaltungs­anordnung verwenden, so daß Speisespannungsänderungen wirk­sam unterdrückt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung im komplementärer MOS-Technik nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bandgap-bzw. Bandabstands-Schaltungen sind bekannt und bei­spielsweise in dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 7. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1985, Seiten 534 ff. beschrieben.

[0003] In der vorgenannten Veröffentlichung ist ausgeführt, daß mit derartigen Bandgap-Schaltungen Referenzspannungen erzeugt werden können, die unabhängig von Temperaturkoeffizienten der in ihr verwendeten Bauelemente eine temperaturunabhängige Re­ferenzspannung liefern. Das Prinzip derartiger Schaltungen be­steht darin, den negativen Temperaturkoeffizienten der Basis-­Emitter-Diodenspannung eines Bipolartransistors durch Addition einer Spannung mit entsprechend positivem Temperaturkoeffi­zienten zu kompensieren, indem ein zweiter Transistor mit an­derer Basis-Emitter-Spannung und einem Emitterwiderstand be­nutzt wird.

[0004] Aus der Veröffentlichung IEEE ISSC Vol.SC-20, No. 6, Dec. 1985, pp. 1151-1157 ist eine Bandgap-Schaltung in komplementärer CMOS-Technik gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 be­kannt. Die unterschiedlichen Basis-Emitter-Spannungen der Bipolartransistoren werden beispielsweise durch unterschied­liche Flächenverhältnisse der Emitterzonen erzeugt. Die Schaltung bezieht sich auf eine p-Wannen-CMOS-Technik, wie sie beispielsweise auf einem n⁻-leitenden Substrat oder einer ent­sprechend leitfähigen epitaktischen Schicht realisiert werden kann. n-Kanal-Feldeffekttransistoren werden erzeugt, indem p⁺-Zonen für Source und Drain in das Substrat eingebracht werden. Zur Herstellung von p-Kanal-Feldeffekttransistoren ist ist eine p⁻-leitende Wanne erforderlich, in die für die Source-­und Drainanschlüsse n⁺-leitende Zonen eingebracht werden. Bipo­lartransistoren lassen sich in dieser Technik erzeugen, indem auf dem n⁻-leitenden Substrat eine p⁻-leitende Wanne und in die­se wiederum eine n⁺-leitende Anschlußzone eingebracht wird. Auf diese Weise entsteht ein Substrat-npn-Transistor, bei dem die n⁺-Zone den Emitter, die p⁻-Wanne die Basis und das Substrat den Kollektor darstellt. Der Kollektor bzw. das Substrat müssen an die positive Betriebsspannung angeschlossen werden, um parasitä­re Dioden zwischen den p-Wannen und dem Substrat sicher zu sper­ren.

[0005] Die aus der genannten Vorveröffentlichung bekannte CMOS-Bandgap-­Schaltung hat als Bezugspunkt für die Bandgap-Spannung die Basis­anschlüsse der beiden npn-Transistoren. Üblicherweise legt man diesen Punkt an das Bezugspotential, d. h. an Masse. Der Ausgangs­anschluß der Bandgap-Spannung liegt am Verbindungspunkt des Drainanschlusses eines MOS-Transistors mit einem Widerstand, die beide im Emitterkreis eines Bipolartransistors angeordnet sind. In jedem Fall ist für die bekannte CMOS-Bandgap-Schaltung eine bezüglich des Bezugspotentials positive und eine negative Ver­sorgungsspannung erforderlich.

[0006] Andererseits sind Bandgap-Schaltungen bekannt, die mit einer nur unipolaren Versorgungsspannung auskommen, dafür jedoch auf bipolare Transistoren verzichten müssen. Diese Schaltungen erreichen jedoch nicht die Temperaturstabilität von bipolaren Bandgap-Schaltungen.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine CMOS-Spannungs-­Referenzschaltung anzugeben, die mit einer nur unipolaren Versorgungsspannung auskommt und die Temperaturstabilität bipolarer Bandgap-Schaltungen erreicht.

[0008] Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kenn­zeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0009] Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besitzt den Vorteil, daß sie sich mit einer niedrigen und dazu unipolaren Spannung bezüglich des Bezugspotentials betreiben läßt und daß sich mit ihr auch höhere Referenzspannungen als die Bandgap-Spannung des Halbleitermaterials realisieren läßt.

[0010] Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekenn­zeichnet.

[0011] Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Figur der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

[0012] Gemäß der Figur enthält die Bandgap-Schaltung zwei bipolare Transistoren T1 und T2 mit unterschiedlichen Basis-Emitter-­Spannungen. Beide Kollektoranschlüsse sind an die Klemme VDD angeschlossen, die gegenüber der Bezugsspannung ein positives Potential führt. Im Emitterkreis des Transistors T1 ist ein Widerstand R3 und in Reihe dazu der Ausgangskreis eines Feld­effekttransistors M1 angeordnet, dessen Source an der Klemme VSS liegt. Die Klemme VSS ist an Bezugspotential, d. h. an Masse gelegt. Im Ausgangskreis des Transistors T2 ist die Reihenschaltung zweier Widerstände R1 und R2 sowie des Aus­gangskreises eines anderen Feldeffekttransistors M2 ange­ordnet. Der Sourceanschluß von M2 liegt ebenfalls an der Klemme VSS. Die Verbindungspunkte des Emitters von T1 mit dem Wider­stand R3 einerseits und der beiden Widerstände R1 und R2 andererseits führen auf die Eingänge eines Operationsverstär­kers OP1, dessen Ausgang die Transistoren M1 und M2 steuert. Am Drainanschluß des Transistors M2, dem der Anschluß VG1 ent­spricht, ist bezogen auf die Basisanschlüsse der Bipolartran­sistoren T1 und T2, denen der Anschluß VG2 entspricht, die Bandgap-Spannung UG abzugreifen.

[0013] Erfindungsgemäß ist nun der Ausgang der Bandgap-Schaltung VG1 auf den Bezugspunkt VG2 rückgekoppelt. Dazu ist der Anschluß VG1 auf einen Eingang eines zweiten Operationsverstärkers OP2 geschaltet, dessen anderer Eingang am Teilerpunkt eines ohm­schen Spannungsteilers aus den Widerständen R4 und R5 liegt.

[0014] Der ohmsche Spannungsteiler ist zwischen den Anschluß VG2 und die Klemme VSS, d. h. Masse, geschaltet. Der Ausgang des Ope­rationsverstärkers OP2 ist auf den Anschluß VG2, d. h. auf die Basisanschlüsse der Bipolartransistoren T1 und T2 rückgeführt.

[0015] Gleichzeitig ist der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OP2 an die Klemme VR gelegt, an der bezüglich des an der Klemme VSS liegenden Bezugspotentials die temperaturunabhängige Referenzspannung UR abgegriffen werden kann. Die Beziehung zwischen der temperaturunabhängigen Referenzspannung UR und der Bandgap-Spannung UG wird durch den ohmschen Spannungsteiler aus den Widerständen R4 und R5 hergestellt. So berechnet sich die temperaturunabhängige Referenzspannung UR aus dem Produkt der Bandgap-Spannung UG einerseits und der Summe der beiden Widerstände R4 und R5 bezogen auf den Widerstand R4 anderer­seits.

[0016] Eine Ausgestaltung der Erfindung gemäß der Figur enthält eine Anlaufschaltung IA, die zwischen dem Ausgangsanschluß VR des zweiten Operationsverstärkers OP2 und der Klemme VDD mit dem relativ positiven Versorgungsspannungspotential angeschlossen ist. Diese Anlaufschaltung IA ist als Stromquelle gezeichnet und kann beispielsweise durch einen Stromquellentransistor oder einen Widerstand realisiert werden. Die Anlaufschaltung IA er­möglicht es, daß die Referenzspannung UR als Betriebsspannung der Bandgap-Schaltung verwendet wird, so daß sich die eigentliche Referenzspannungsquelle aus den beiden Bipolartransistoren T1 und T2 mit der stabilisierten Ausgangsreferenzspannung betreiben läßt. Auf diese Weise ergibt sich eine ausgezeichnete Unter­drückung von Eingangsspannungsschwankungen an der Klemme VDD. Die Anlaufschaltung IA ist erforderlich, da sich bei Anlegen einer Spannung an die Klemme VDD die aus der temperaturunab­hängigen Referenzspannung UR abgeleitete Betriebsspannung erst aufbauen muß. Die Schaltung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur ermöglicht es, auf eine separate Anschlußklemme VR zu verzichten, so daß die erfindungsgemäße CMOS-Spannungsreferenz nach außen nur die beiden Anschlußklemmen VDD und VSS besitzt.

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung in komplementärer MOS-Technik zur Erzeugung einer von der Temperatur unabhängigen Referenzspannung mit Hilfe einer Bandgap-Schaltung, bei der die Reihenschaltung aus dem Ausgangskreis eines ersten Bipolartransistors (T1) mit einer ersten Basis-Emitter-Schwellspannung, einem ersten Wider­stand (R3) und dem Ausgangskreis eines ersten Feldeffekttran­sistors (M1) zwischen den Klemmen (VDD, VSS) einer Versorgungs­spannungsquelle liegt und entsprechend parallel dazu die Reihen­schaltung aus dem Ausgangskreis eines zweiten Bipolartransistors (T2) mit einer zweiten Basis-Emitter-Schwellspannung, zwei in Reihe geschalteten Widerständen (R1, R2) und dem Ausgangskreis eines zweiten Feldeffekttransistors (M2) vorgesehen ist, und bei der die Basisanschlüsse der Bipolartransistoren (T1, T2) miteinander verbunden sind und die Verbindungspunkte des ersten Bipolartransistors (T1) mit dem ersten Widerstand (R3) einer­seits und der zwei in Reihe geschalteten Widerstände (R1, R2) andererseits an die Eingänge (-, +) eines ersten Operations­verstärkers (OP1) gelegt sind, dessen Ausgang die beiden Feldeffekttransistoren (M1, M2) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Bandgap-­Schaltung (VG1) am Drainanschluß des zweiten Feldeffekttran­sistors (M2) auf die Basisanschlüsse der Bipolartransistoren (T1, T2) rückgekoppelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß im Rückkoppelzweig ein zweiter Opera­tionsverstärker (OP2) eingangsseitig (-, +) einerseits am Ausgang der Bandgap-Schaltung (VG1) und andererseits am Teilerpunkt eines zwischen den Basisanschlüssen der Bipolar­transistoren (T1, T2) und der Klemme (VSS) mit relativ ne­gativem Versorgungsspannungspotential liegenden ohmschen Spannungsteilers (R3, R4) angeschlossen ist und ausgangs­seitig (VR) mit den Basisanschlüssen (VG2) der Bipolar­transistoren (T1, T2) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Ausgangsanschluß (VR) des zweiten Operationsverstärkers (OP2) und der Klemme (VDD) mit relativ positivem Versorgungspotential eine Anlauf­schaltung (IA) angeschlossen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Anlaufschaltung (IA) aus einer Stromquelle besteht.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Anlaufschaltung (IA) aus einem Widerstand besteht.

Zeichnung