DE19607802C2

DE19607802C2 - Circuit arrangement for generating a supply voltage

Info

Publication number: DE19607802C2
Application number: DE1996107802
Authority: DE
Inventors: Roland Schropp
Original assignee: Temic Semiconductor GmbH
Current assignee: Atmel Germany GmbH
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 1999-08-19
Anticipated expiration: 2016-03-02
Also published as: EP0793159A3; EP0793159B1; DE19607802A1; EP0793159A2; DE59712912D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer Ver sorgungsspannung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The invention relates to a circuit arrangement for generating a Ver supply voltage according to the preamble of claim 1.

Derartige Schaltungsanordnungen mit nachfolgender Filterstufe werden verwendet, um z. B. Sensoren mit einer Spannung zu versorgen, die gegen über der Eingangsspannung einen verbesserten Störabstand aufweist. Übli cherweise werden dafür Schaltungsanordnungen verwendet, welche die Versorgungsspannung für den Sensor um einen bestimmten Betrag ΔU un ter der Eingangsspannung hält. Der Betrag der Spannungsdifferenz ΔU ist dabei konstant. Diese reduzierte Spannung wird einer Glättungs- und Filter stufe zugeführt, um Spannungsspitzen und -schwankungen herauszufiltern. Arbeitet der zu versorgende Verbraucher über einen weiten Bereich der Eingangsspannung, so ist es erforderlich, den Betrag der Spannungsdiffe renz ΔU, um den die Eingangsspannung reduziert wird, dem absoluten Be trag der Eingangsspannung anzupassen. Es hat sich dabei als vorteilhaft her ausgestellt, die Spannungsdifferenz, mit dem die Versorgungsspannung für den Verbraucher unter der Eingangsspannung liegt, wie in der Fig. 2 dar gestellt, bis zu einem ersten Wert der Eingangsspannung auf einem ersten, konstanten Wert zu halten und ab einem bestimmten Wert der Eingangs spannung auf einem zweiten, größeren Wert konstant zu halten. Im dazwi schenliegenden Übergangsbereich bleibt die Versorgungsspannung kon stant und ist unabhängig von der Eingangsspannung.Such circuit arrangements with a subsequent filter stage are used, for. B. sensors with a voltage that has an improved signal-to-noise ratio compared to the input voltage. Circuitry is usually used for this purpose, which keeps the supply voltage for the sensor by a certain amount ΔU below the input voltage. The amount of the voltage difference ΔU is constant. This reduced voltage is fed to a smoothing and filtering stage to filter out voltage peaks and fluctuations. If the consumer to be supplied works over a wide range of the input voltage, it is necessary to adjust the amount of the voltage difference ΔU by which the input voltage is reduced to the absolute amount of the input voltage. It has been found to be advantageous to keep the voltage difference with which the supply voltage for the consumer is below the input voltage, as shown in FIG. 2, up to a first value of the input voltage at a first, constant value and from to keep a certain value of the input voltage constant at a second, larger value. In the intermediate transition area, the supply voltage remains constant and is independent of the input voltage.

Aus der DE 41 31 170 A1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Zwischen spannungen bekannt, bei der die Zwischenspannung durch einen Strom durch einen Zenerblock, der durch eine steuerbare Stromquelle eingeprägt wird, erzeugt wird. Die Stromquelle wird dabei in Abhängigkeit von Ver gleichswerten angesteuert, die sich aus dem Vergleich einer Sollspannung mit einer an einem Bauelement, das in Reihe geschaltet ist mit dem Zener block und der steuerbaren Stromquelle, abfallenden Spannung ergeben.DE 41 31 170 A1 describes a device for generating intermediate parts voltages known at which the intermediate voltage is caused by a current by a zener block, which is impressed by a controllable current source is generated. The current source is dependent on Ver equal values, which result from the comparison of a target voltage with one on a component that is connected in series with the Zener block and the controllable current source, falling voltage result.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen ei ner Versorgungsspannung anzugeben, wobei die Versorgungsspannung im unteren Bereich der Eingangsspannung bis zu einem unteren Schwellwert, eine erste konstante Differenz aufweist und von einem oberen Schwellwert der Versorgungsspannung ab, eine zweite konstante Differenz zur Versor gungsspannung aufweist, die größer ist als die erste konstante Differenz und im Bereich zwischen dem unteren Schwellwert und dem oberen Schwellwert konstant ist und die drei Bereiche stetig ineinander übergehen.The object of the invention is to create a circuit arrangement for generating egg ner supply voltage, the supply voltage in lower range of the input voltage up to a lower threshold value, has a first constant difference and an upper threshold the supply voltage, a second constant difference from the supplier voltage that is greater than the first constant difference and in the range between the lower threshold and the upper Threshold is constant and the three areas merge continuously.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merk malen des Anspruchs 1. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.This problem is solved by a circuit arrangement with the Merk paint the claim 1. The advantageous embodiment of the invention is carried out according to the features of the dependent claims.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figu ren erläutert. Es zeigen:In the following an embodiment of the invention with reference to the Figu ren explained. Show it:

Fig. 1 die Schaltungsanordnung nach der Erfindung im Prinzip schaltbild, Fig. 1 shows the circuitry diagram according to the invention, in principle,

Fig. 2 ein Diagramm der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung, Fig. 2 is a diagram of the supply voltage as a function of the input voltage,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung ge mäß Fig. 1, Fig. 3 shows a first embodiment of the circuit arrangement accelerator as Fig. 1,

Fig. 4 ein erweitertes Schaltbild der Schaltung der Fig. 3. Fig. 4 is an enlarged diagram of the circuit of FIG. 3.

Die Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Schaltungsanordnung nach der Erfin dung im Blockschaltbild. Die Eingangsspannung V_IN wird über den Wider stand R_DU und die steuerbare Stromquelle I₁ mit dem Massepotential ver bunden. In Abhängigkeit vom Strom I durch die Stromquelle I₁ und den Wi derstand R_DU entsteht entlang des Widerstands ein Spannungsabfall V_RDU. Der Verbindungspunkt zwischen der Stromquelle I₁ und dem Widerstand R_DU ist mit dem Eingang eines Impedanzwandlers bzw. Treiber-/Buffer-Verstärkers verbunden. An dessen Ausgang wird die Versorgungsspannung für den Ver braucher zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig ist dieser Ausgang über einen Spannungsteiler, bestehend aus den beiden Widerständen R₁ und R₂, mit dem Massepotential verbunden. Am Verbindungspunkt der beiden Wider stände ist der erste Eingang einer Komparatorstufe K angeschlossen. Der zweite Eingang der Komparatorstufe ist mit einer Referenzspannung V_REF verbunden. Der Ausgang ist mit dem Steuereingang der steuerbaren Stromquelle I₁ verbunden. Die Versorgungsspannung V_OUT kann durch fol gende Gleichung dargestellt werden:
Fig. 1 shows the basic principle of the circuit arrangement according to the inven tion in the block diagram. The input voltage V _IN is via the resistor R _DU and the controllable current source I ₁ connected to the ground potential. Depending on the current I through the current source I ₁ and the resistance R _DU , a voltage drop V _RDU arises along the resistance. The connection point between the current source I ₁ and the resistor R _DU is connected to the input of an impedance converter or driver / buffer amplifier. The supply voltage for the consumer is made available at its output. At the same time, this output is connected to the ground potential via a voltage divider consisting of the two resistors R ₁ and R ₂ . At the junction of the two resistors, the first input of a comparator stage K is connected. The second input of the comparator stage is connected to a reference _voltage V _REF . The output is connected to the control input of the controllable current source I ₁ . The supply voltage V _OUT can be represented by the following equation:

V_OUT = V_IN-V_RDU = V_IN-I₁.R_DU V _OUT = V _IN -V _RDU = V _IN -I ₁ .R _DU

Dabei ist der Strom I₁ abhängig vom Ausgangssignal der Komparatorstufe K.The current I _{1 is} dependent on the output signal of the comparator stage K.

Wie in der Fig. 2 dargestellt, kann die Schaltungsanordnung drei Zustände einnehmen. Für kleine Eingangsspannungen fließt ein minimaler Strom I_MIN =I_C = I_C1 durch die Stromquelle I₁. Am Widerstand R_DU fällt eine über den er sten Bereich konstante Spannung ab und die Versorgungsspannung V_OUT weist eine erste konstante Spannungsdifferenz V_B zur Eingangsspannung V_IN auf.As shown in FIG. 2, the circuit arrangement can assume three states. For small input voltages, a minimum current I _MIN = I _C = I _{C1 flows} through the current source I ₁ . At the resistor R _DU , a voltage drops over the first range and the supply voltage V _OUT has a first constant voltage difference V _B to the input voltage V _IN .

Liegt die Eingangsspannung V_IN im Bereich zwischen einer ersten Schwellspannung V_S1 und einer zweiten Schwellspannung V_S2, so greift der über den Komparator K verlaufende Regelkreis und die Versorgungsspan nung V_OUT wird auf einem konstanten Wert gehalten. Dabei fließt ein Strom
If the input voltage V _{IN is} in the range between a first threshold voltage V _S1 and a second threshold voltage V _S2 , then the control circuit running via the comparator K intervenes and the supply voltage V _OUT is kept at a constant value. A current flows in the process

I_C=I_C1+K.I_C2 mit 0≦K≦1
I _C = I _C1 + KI _C2 with 0 ≦ K ≦ 1

durch den Widerstand R_DU. Die Versorgungsspannung V_OUT stellt sich so ein, daß die Spannung V_T am Verbindungspunkt der beiden Widerstände R₁, R₂ des Spannungsteilers gleich der Referenzspannung V_REF ist.through the resistance R _DU . The supply voltage V _OUT is set such that the voltage V _T at the connection point of the two resistors R ₁ , R _{2 of} the voltage divider is equal to the reference voltage V _REF .

Zu größeren Spannungen hin, fließt der maximale Strom I_max=I_C=I_C1+I_C2 durch die steuerbare Stromquelle I₁. Dann hat die Versorgungsspannung V_OUT eine zweite konstante Spannungsdifferenz V_A zur Eingangsspannung V_IN. Towards higher voltages, the maximum current I _max = I _C = I _C1 + I _{C2 flows} through the controllable current source I ₁ . Then the supply voltage V _{OUT has} a second constant voltage difference V _A to the input voltage V _IN .

In der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 3 ist die Ausführung der ge steuerten Stromquellen detailliert dargestellt. Eine Referenzstromquelle I_REF versorgt den Stromspiegel aus dem als Diode geschalteten Eingangstransi stor Q_A und den beiden Transistoren Q_B1 und Q_B2 mit einem konstanten Ein gangsstrom I_A. Der konstante Eingangsstrom I_A ist bei der integrierten Vari ante der Schaltungsanordnung derart von der Temperatur abhängig, daß die Temperaturabhängigkeit des Widerstands R_DU kompensiert wird. Damit wird der Temperaturkoeffizient des ebenfalls integrierten Widerstands R_DU ausgeglichen. Der Emitter des als Diode geschalteten Transistors Q_A ist mit dem Widerstand R_A mit dem Massepotential verbunden. Der Kollektor des ersten Spiegeltransistors Q_B1 ist mit dem Widerstand R_DU und dem Eingang des Buffer-Verstärkers 1 verbunden. Der Emitter liegt über den Widerstand R_B1 an Massepotential. Die Basis ist mit der Basis von Q_A verbunden. Die Emit ter-Kollektorstrecke des zweiten Spiegeltransistors Q_B2 ist in diesem Ar beitspunkt abgeschaltet. Es fließt also ein konstanter Strom I_C1 über diesen Transistor gegen das Massepotential. Die Größe dieses Stromes bestimmt den Spannungsabfall V_RDU und somit die Größe der Spannungsdifferenz V_B für kleine Eingangsspannungen. Parallel zum ersten Transistor Q_B1 liegt ein zweiter Spiegeltransistor Q_B2, dessen Kollektor mit dem Kollektor des ersten Transistors Q_B1 und dessen Basis mit der Basis des ersten Transistors Q_B1 ver bunden ist. Sein Emitter ist über den Widerstand R_B2 mit dem Massepoten tial verbunden. Der Emitter des zweiten Transistors Q_B2 ist weiterhin mit dem Ausgang der regelbaren Stromquelle I₂, die ihrerseits vom Ausgang der Komparatorstufe angesteuert wird, verbunden. Bei kleinen Eingangsspan nungen ist der zweite Transistor Q_B2 abgeschaltet, da das Produkt I_R . R_B2= Spannung an Emitter Q_B2 größer als die Basisspannung von Q_B2 minus U_BE ist. Dann fließt nur der Strom I_C1 über den ersten Transistor Q_B1 durch den Wi derstand R_DU. Bei großen Eingangsspannungen fließt zusätzlich noch der Strom I_C2 durch den Transistor Q_B2, so daß durch den Widerstand R_DU insge samt der Strom I_C=I_C1+I_C2 fließt. Dazwischen liegt ein Regelbereich, bei dem zusätzlich zum Strom I_C1 durch den ersten Transistor Q_B1 ein zweiter Strom K.I_C2 (mit 0≦K≦1) durch den zweiten Transistor Q_B2 fließt, in diesem Bereich wird die Versorgungsspannung V_OUT auf einem konstanten Wert ge halten. In the circuit arrangement shown in FIG. 3 is shown the embodiment of the controlled current sources ge detail. A reference current source I _REF supplies the current mirror from the input transistor Q _A connected as a diode and the two transistors Q _B1 and Q _B2 with a constant input current I _A. The constant input current I _A in the integrated variant of the circuit arrangement is dependent on the temperature in such a way that the temperature dependence of the resistance R _{DU is} compensated for. This compensates for the temperature coefficient of the integrated resistor R _DU . The emitter of the transistor Q _A connected as a diode is connected to the resistor R _A with the ground potential. The collector of the first mirror transistor Q _B1 is connected to the resistor R _DU and the input of the buffer amplifier 1 . The emitter is connected to ground potential via the resistor R _B1 . The base is connected to the base of Q _A. The emit ter-collector path of the second mirror transistor Q _B2 is switched off at this operating point. A constant current I _C1 therefore flows through this transistor against the ground potential. The size of this current determines the voltage drop V _RDU and thus the size of the voltage difference V _B for small input voltages. Parallel to the first transistor Q _B1 is a second mirror transistor Q _B2 , the collector of which is connected to the collector of the first transistor Q _B1 and whose base is connected to the base of the first transistor Q _B1 . Its emitter is connected to ground potential via the resistor R _B2 . The emitter of the second transistor Q _B2 is also connected to the output of the controllable current source I ₂ , which in turn is controlled by the output of the comparator stage. At low input voltages, the second transistor Q _{B2 is} switched off because the product I _R. R _B2 = voltage at emitter Q _{B2 is} greater than the base voltage of Q _B2 minus U _BE . Then only the current I _{C1 flows} through the first transistor Q _B1 through the resistor R _DU . At high input voltages, the current I _C2 additionally flows through the transistor Q _B2 , so that the current I _C = I _C1 + I _C2 flows through the resistor R _DU . In between is a control range in which, in addition to the current I _C1 through the first transistor Q _B1, a second current KI _C2 (with 0 ≦ K ≦ 1) flows through the second transistor Q _B2 , in this range the supply voltage V _OUT becomes constant Keep value.

In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 ist weiterhin ein Ausführungs beispiel für die Komparatorstufe K dargestellt. Sie besteht aus einem Diffe renzverstärker, bestehend aus den Transistoren Q₃ und Q₄, deren Emitter mit einer Stromquelle I_D verbunden sind, wobei die Basis des Transistors Q₃ mit der Spannungsreferenz V_REF und die Basis des Transistors Q₄ mit der Spannung am Verbindungspunkt der beiden Widerstände des Spannungstei lers verbunden ist. Der Ausgang der Differenzstufe wird von einem Strom spiegel, bestehend aus den Transistoren Q₁ und Q₂ gebildet, der den Strom im Kollektorzweig des Transistors Q₃ in den Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Transistor Q_B2 des ersten Stromspiegels mit dem Widerstand R_B2 mit einem bestimmten Faktor n spiegelt. Durch diese Schaltungsanord nung kann die Versorgungsspannung V_OUT mit den gewünschten Eigenschaf ten auf einfachste Weise erzeugt werden.In the circuit arrangement shown in FIG. 4 is further for an execution of the comparator K shown. It consists of a differential amplifier consisting of the transistors Q ₃ and Q ₄ , the emitters of which are connected to a current source I _D , the base of the transistor Q ₃ having the voltage _reference V _REF and the base of the transistor Q ₄ having the voltage am Connection point of the two resistors of the voltage divider is connected. The output of the differential stage is formed by a current mirror consisting of the transistors Q ₁ and Q ₂ , the current in the collector branch of the transistor Q ₃ in the connection point between the second transistor Q _{B2 of} the first current mirror with the resistor R _B2 with a certain Factor n reflects. With this circuit arrangement, the supply voltage V _OUT with the desired properties can be generated in the simplest way.

Die Versorgungsspannung V_OUT der Schaltungsanordnung kann beispielswei se dazu benutzt werden, um eine Spannungsfolgerstufe, deren Ausgangs spannung sich nur mit einer bestimmten maximalen Geschwindigkeit än dern kann, mit einer Spannung zu versorgen. Der immer vorhandene Span nungsabstand zur Eingangsspannung V_IN stellt hierbei einen Arbeitsbereich dieser nachfolgenden Stufe dar. Man erreicht somit eine Verringerung der Störungen auf der Versorgungsspannung V_OUT bzgl. der Eingangsspannung V_IN.The supply voltage V _{OUT of} the circuit arrangement can, for example, be used to supply a voltage to a voltage follower stage, the output voltage of which can only change at a certain maximum speed. The voltage gap which is always present to the input voltage V _IN represents a working range of this subsequent stage. A reduction in the interference on the supply voltage V _OUT with respect to the input voltage V _{IN is} thus achieved.

Claims

1. Circuit arrangement for generating a supply voltage (V _OUT ) as a function of an input voltage supplied to the circuit arrangement (V _IN ), with

1. a first resistor (R _DU ), the one hand with the input voltage (V _IN ) and on the other hand via a controllable current source (I ₁ ) connected to the ground potential, so that at the connection point of the first resistor (R _DU ) with the controllable Current source (I ₁ ) a reduced voltage (V _DU ) is present,
2. an impedance converter ( 1 ), to which the reduced voltage (V _DU ) is supplied at its input and which provides the supply voltage (V _OUT ) at its output, and
3. A comparator (K) which compares the supply voltage (V _OUT ) with a reference voltage (V _REF ) and _controls the controllable current source (I ₁ ) in accordance with the result of the comparison.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the comparator (K), the supply voltage (V _OUT ) via a voltage divider (R ₁ , R ₂ ) is supplied.

3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the controllable current source (I ₁ ) consists of a reference current source (I _REF ) and a current mirror circuit (Q _A , Q _B1 , Q _B2 ).

4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the supply voltage (V _OUT ) at low input voltages gene (V _IN ) has a first constant voltage difference (V _B ) to the input voltage.

5. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the supply voltage (V _OUT ) at large input voltages gene (V _IN ) has a second constant voltage difference (V _A ) to the input voltage.

6. Circuit arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that in a transition region between small and large input voltages (V _IN ) the supply voltage (V _OUT ) has a variable voltage difference (V) to the input voltage according to V _B ≦ V ≦ V _A .