Integrierbarer Shunt-Regler

Abstract

 Ein Zweipol-Shunt-Regler mit integrierter Spannungsreferenz verbindet die Regelung der Differenz-Ausgangsspannung einer Bandabstands-Referenz mit der Versorgungsspannung. Die Bandabstands-Referenz wird durch zwei Transistoren (4, 5), deren Basis- und Kollektoranschlüsse miteinander verbunden sind und deren Emitteranschlüsse zum einen über einen Widerstand (6) und zum anderen über eine Reihenschaltung aus zwei Widerständen (7, 8) miteinander verbunden sind, gebildet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen integrierbaren Shunt-Regler mit einem steuerbaren Halbleiterbauelement, dessen Laststrecke zwischen die Pole einer Versorgungsspannungsquelle geschaltet ist, und dessen Steuereingang mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers verbunden ist.

[0002] Ein derartiger Shunt-Regler dient als Spannungsregler und ist auch als sogenannter Parallelregler bekannt. Die Laststrecke eines Halbleiterbauelementes z. B. eines Leistungstransistors liegt dabei zwischen den Polen der zu regelnden Versorgungsspannung. Der Leistungstransistor wird durch einen Operationsverstärker gesteuert, welcher wiederum von einer Referenzspannungsquelle gespeist wird. Als Referenzspannung dient dabei meist eine sogenannte Bandabstands-Referenz. Diese ist z. B. aus Halbleiterschaltungstechnik, Tietze Schenk, 8. Auflage 1986, Seite 534 ff bekannt.

[0003] Einen eine Bandabstands-Referenz sowie einen Parallelregler aufweisender Shunt-Regler ist aus dem Linear Circuits Data Book von Texas Instruments, 1984 auf S. 6-99 ff bekannt. Dieser einstellbare Shunt-Regler weist drei Anschlüsse auf, wobei Anode und Kathode des Shunt-Reglers mit den Polen einer Versorgungsspannung zu verbinden sind und dem Referenzeingang beispielsweise eine Referenzspannung über einen Spannungsteiler zugeführt werden muß. Der in der Schaltung auf S. 6-99 gezeigte Shunt-Regler ist relativ kompliziert aufgebaut und weist eine geregelte Bandabstands-Referenz, deren Spannungswert von außen einstellbar ist sowie einen mit ihr verkoppelten Operationsverstärker auf. Diese Lösung hat den Nachteil einer erhöhten Schwingneigung durch die beiden verkoppelten Operationsverstärker.

[0004] Speziell bei der Verwendung eines derartigen Shunt-Reglers in Chip-Karten oder in Chip-Schlüsseln ist weniger eine hohe Genauigkeit der Ausgangsspannung als ein möglichst platzsparender einfacher Aufbau des Shuntreglers gefordert. In derartigen Systemen ist zur genauen Ausregelung der Betriebsspannung meist ein Serienregler dem Shunt-Regler nachgeschaltet. Der Shunt-Regler dient hier also nur zur Vorstabilisierung.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher einen integrierbaren ShuntRegler anzugeben, der mit möglichst wenig Aufwand die Ausgangsspannung in einem definierten Bereich hält.

[0006] Diese Aufgabe wird durch folgende Merkmale gelöst:

• ein erster und ein zweiten Transistor 4, 5 vorgesehen, deren Basisanschlüsse und Kollektoranschlüsse miteinander und mit dem einen Pol (1) der Versorgungsspannungsquelle verschaltet sind,
• drei Widerstände 6, 7, 8 sind vorgesehen,
• der Emitteranschluß des ersten Transistors 4 ist zum einen über den ersten Widerstand 6 mit dem anderen Pol 2 der Versorgungsspannungsquelle und zum anderen mit dem ersten Eingang 20 des Differenzverstärkers 9 verbunden,
• der Emitteranschluß des zweiten Transistors 5 ist über eine Reihenschaltung aus zweitem und drittem Widerstand 7, 8 mit dem anderen Pol 2 der Versorgungsspannungsquelle verbunden,
• die Reihenschaltung der beiden Widerstände 7, 8 weist einen Verbindungsknoten auf, der mit dem zweiten Eingang (19) des Differenzverstärkers (9) verbunden ist.

[0007] Vorteil des erfindungsgemäßen Shunt-Reglers ist, daß er lediglich zwei Versorgungsspannungsanschlüsse ohne Steuer- oder Referenzeingang aufweist. Die Referenzspannungserzeugung geschieht mittels einer Bandabstands-Referenz derart, daß die Ausgangsgröße des Regelverstärkers die zu regelnde Spannung selbst ist.

[0008] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1

ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Shunt-Reglers,

FIG 2

eine Ausführungsform einer Bandabstands-Referenz.

[0009] Der in FIG 1 gezeigte Shunt-Regler weist zwei Anschlußklemmen 1, 2 auf, an denen die Versorgungsspannungsquelle anschließbar ist. Im gezeigten Beispiel liegt der positive Pol der Versorgungsspannungsquelle am Anschluß 1 und der negative Pol der Versorgungsspannungsquelle am Anschluß 2. Als Parallelregler ist ein Halbleiterbauelement, z. B. ein MOSFET 3 vorgesehen, dessen Laststrecke zwischen den Anschlußklemmen 1 und 2 geschaltet ist. Zur Ansteuerung des MOSFET 3 dient ein Operationsverstärker 9, dessen Ausgang mit dem Gate des MOSFET 3 verbunden ist. Der Operationsverstärker weist einen positiven und einen negativen Eingang auf. Desweiteren sind zwei npn-Transistoren 4, 5 vorgesehen. Die Basisanschlüsse und die Kollektoranschlüsse der beiden Transistoren 4, 5 sind miteinander verbunden und mit der Eingangsklemme 1 verschaltet. Der Emitteranschluß des ersten Transistors 4 ist über einen Widerstand 6 mit dem zweiten Anschluß 2 verschaltet. Außerdem ist der Emitteranschluß des ersten Transistors 4 mit dem negativen Eingang 20 des Operationsverstärkers 9. Weiterhin ist der Emitteranschluß des zweiten Transistors 5 über die Reihenschaltung eines zweiten und dritten Widerstandes 7, 8 mit dem Anschluß 2 verbunden. Die Reihenschaltung der beiden Widerstände 7, 8 weist einen Verbindungsknoten auf, der mit dem positiven Eingang 19 des Operationsverstärkers 9 verschaltet ist.

[0010] Die Bandabstands-Referenz wird durch die Transistoren 4, 5 sowie die Widerstände 6, 7, 8 gebildet. Die Ausgangsspannung dieser Bandabstands-Referenz wird dem Operationsverstärker 9 zugeführt, welcher wiederum den MOSFET 3 steuert. Es wird also die Regelung der Differenz-Ausgangsspannung der Bandabstands-Referenz mit der Versorgungsspannungregelung verbunden. Der Wert der Ausgangsspannung kann über die Wahl der Widerstandswerte der Widerstände 6 und 8 erfolgen. Entspricht die Ausgangsspannung an den Klemmen 1 und 2 dem durch die Widerstände 6 und 8 definierten Wert, so wird die Eingangsreferenzspannung des Operationsverstärkers zu 0.

[0011] Ein Nachteil der in FIG 1 dargestellten Bandabstands-Referenz ist, daß der Temperaturgang der Ausgangsspannung an den Anschlüssen 1 und 2 im gleichen Maße schlechter wird, wie die Ausgangsspannung von der Bandabstands-Referenzspannung abweicht. Außerdem ist die Arbeitspunkteinstellung des Operationsverstärkers 9 wegen der kleinen Schwellspannung der bipolaren Transistoren schwierig.

[0012] FIG 2 zeigt hier eine Verbesserung der in FIG 1 gezeigten Bandabstands-Referenzschaltung.

[0013] Die in FIG 2 gezeigte Bandabstands-Referenz weist zu der in FIG 1 gezeigten zusätzlich vier weitere Transistoren 10, 11, 12, 13 auf. Der Emitter des ersten zusätzlichen Transistors 10 ist mit den beiden Basisanschlüssen des ersten und zweiten Transistors 4, 5 verbunden. Der Emitter des zweiten zusätzlichen Transistors 11 ist mit der Basis des ersten zusätzlichen Transistors 10, der Emitter des dritten zusätzlichen Transistors 12 mit der Basis des zweiten zusätzlichen Transistors 11 und der Emitter des vierten zusätzlichen Transistors 13 mit der Basis des dritten zusätzlichen Transistors 12 verbunden. Die Kollektoren aller vier zusätzlichen Transistoren 10, 11, 12, 13 sind mit den Kollektoren des ersten und zweiten Transistors 4, 5 verschaltet. Weiterhin ist die Basis des vierten zusätzlichen Transistors 13 mit seinem Kollektor verschaltet. Es sind weiterhin ein vierter, fünfter und sechster Widerstand vorgesehen, wobei der vierte Widerstand 14 zwischen den Emitter des zweiten zusätzlichen Transistor 11 und dem Emitter des ersten zusätzlichen Transistors 10, der zweite Widerstand zwischen dem Emitter des dritten zusätzlichen Transistors 12 und dem Emitter des ersten zusätzlichen Transistors 10 und der dritte Widerstand 16 zwischen dem Emitter des vierten zusätzlichen Transistors 13 und dem Emitter des ersten zusätzlichen Transistors 10 geschaltet ist. Schließlich liegt zwischen den verschalteten Basisanschlüssen des ersten und zweiten Transistors 4, 5 und dem Anschluß 2 eine Reihenschaltung eines siebten und achten Widerstands 17 und 18. Die übrigen in FIG 2 dargestellten Bauelemente entsprechen den in FIG 1 gezeigten und haben die gleiche Bezeichnung. Mit 19 und 20 sind wiederum die Anschlüsse bezeichnet, die zu den beiden Eingängen des Operationsverstärkers 9 aus FIG 1 führen.

[0014] Durch Hinzufügen der vier Basis-Emitter-Spannungen der zusätzlichen Transistoren 10, 11, 12, 13, die in Reihe zur ursprünglichen Bandabstands-Referenz geschaltet sind, wird zum einen die Differenzeingangsspannung des nachfolgenden Operationsverstärkers 9 in günstiger Weise von dem am Anschluß 1 anliegenden Potential verschoben, zum anderen wird der Punkt der vollständigen Temperaturkompensation hier um den ca. 5-fachen Wert verschoben. Gegenüber der in FIG 1 gezeigten Schaltung, in der der Wert der Bandabstands-Referenzspannung bei ca. 1,2 V liegt, weist hier die Bandabstands-Referenzspannung einen Wert von ca. 6V auf. Abweichungen von dieser fallen also weniger ins Gewicht.

[0015] Eine Erweiterung wie sie in FIG 2 dargestellt ist, ist nicht auf vier Transistoren beschränkt, sondern kann beliebig innerhalb eines sinnvollen Rahmens vergrößert oder verkleinert werden. Erfindungswesentlich ist die Erhöhung der Bandabstands-Referenzspannung durch n in Serie geschaltete Transistoren, deren Kollektoren am positiven Versorgungspotential liegen. Die Ausgangsspannung ist dann beim n+1-fachen Wert der Bandabstands-Referenzspannung temperaturkompensiert.

[0016] Aus Gründen leichterer Einstellbarkeit von Widerstandswerten wurden in FIG 2 zwei Widerstände 17 und 18 gewählt. Diese können beliebig durch einen oder eventuell mehrere Widerstände ersetzt werden.

[0017] Die Schaltung incl. der bipolaren npn-Transistoren läßt sich besonders in einer CMOS-Technologie mit n-Substrat realisieren. Die Kollektoranschlüsse der bipolaren npn-Transistoren werden durch das gemeinsame Substrat gebildet. Dies ist möglich, da nur bipolare Transistoren verwendet werden, die als Emitterfolger geschaltet sind. Derartige Transistoren werden auch als parasitäre "Substrat-npn-Transistoren" bezeichnet.

[0018] Die gezeigte Schaltung eignet sich insbesondere für transportabble Datenträger, z. B. sogenannte Chip-Karten und Chip-Schlüssel, die keine eigene Stromversorgung aufweisen und deren Energiezuführung mittels zweier Spulen erfolgt.

Ansprüche

1. Integrierbarer Shunt-Regler mit einem steuerbaren Halbleiterbauelement (3), dessen Laststrecke zwischen die Pole (1, 2) einer Versorgungsspannungsquelle geschaltet ist, und dessen Steuereingang mit dem Ausgang eines Differenzverstärkers (9) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

- ein erster und ein zweiter Transistor (4, 5) vorgesehen ist, deren Basisanschlüsse und Kollektoranschlüsse miteinander und mit dem einen Pol (1) der Versorgungsspannungsquelle verschaltet sind,

- drei Widerstände (6, 7, 8) vorgesehen sind,

- der Emitteranschluß des ersten Transistors (4) zum einen über den ersten Widerstand (6) mit dem anderen Pol (2) der Versorgungsspannungsquelle und zum anderen mit dem ersten Eingang (20) des Differenzverstärkers (9) verbunden ist,

- der Emitteranschluß des zweiten Transistors (5) über eine Reihenschaltung aus zweitem und drittem Widerstand (7, 8) mit dem anderen Pol (2) der Versorgungsspannungsquelle verbunden ist,

- die Reihenschaltung der beiden Widerstände (7, 8) einen Verbindungsknoten aufweist, der mit dem zweiten Eingang (19) des Differenzverstärkers (9) verbunden ist.

2. Integrierbarer Shunt-Regler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

- n (n ≧ 1) weitere Transistoren (10, 11, 12, 13) vorgesehen sind, die zwischen die Basisanschlüsse und Kollektoranschlüsse des ersten und zweiten Transistors (4, 5) geschaltet sind,

- der Emitteranschluß des ersten der weiteren Transistoren (10) mit den Basisanschlüssen des ersten und zweiten Transistors (4,5) verbunden ist,

- der Emitteranschluß des n+1-ten der weiteren Transistoren (11, 12, 13) jeweils zum eine mit dem Basisanschluß des n-ten der weiteren Transistoren (10, 11, 12) und zum anderen über jeweils einen Widerstand (14, 15, 16) mit den Basisanschlüssen des ersten und zweiten Transistors (4, 5) verbunden ist,

- der Basisanschluß des letzten der weiteren Transistoren (13) mit seinem Kollektoranschluß verbunden ist,

- die Kollektoranschlüsse der n weiteren Transistoren (10, 11, 12, 13) mit den Kollektoranschlüssen des ersten und zweiten Transistors (4, 5) verbunden sind,

- ein Widerstand (17, 18) zwischen den Basisanschlüssen des ersten und zweiten Transistors (4, 5) und den anderen Pol (2) der Versorgungsspannungsquelle geschaltet ist.

3. Integrierbarer Shunt-Regler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt-Regler in CMOS-Technologie aufgebaut ist, wobei die bipolaren Transistoren durch parasitäre Strukturen gebildet werden.

4. Integrierbarer Shunt-Regler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Shunt-Regler in einer Chip-Karte oder in einem Chip-Schlüssel vorgesehen ist.

Zeichnung