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Dokumentenidentifikation DE102004055039A1 01.06.2006
Titel Spannungsreferenz mit Temperatursensor und Überwachung der Referenzspannung
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Kargl, Walter, Graz, AT;
Zimek, Bernd, Graz, AT
Vertreter Epping Hermann Fischer, Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80339 München
DE-Anmeldedatum 15.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004055039
Offenlegungstag 01.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.06.2006
IPC-Hauptklasse G01R 19/165(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G05F 3/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01K 7/01(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Überwachungsanordnung mit einer ersten Spannungserzeugungsschaltung (G1) und einer zweiten Spannungserzeugungsschaltung (G2), wobei die Spannung der ersten Spannungserzeugungsschaltung temperaturunabhängig und die Spannung der zweiten Spannungserzeugungsschaltung temperaturabhängig ist, wobei die temperaturabhänige Spannung (Vtemp) und die temperaturunabhängige Spannung (Vref) mit Eingängen einer Vergleichseinrichtung (C) verbunden sind. Verfahren zur Spannungsüberwachung, bei der eine auf Basis eines in Durchlassrichtung gepolten PN-Übergangs erzeugte temperaturabhängige Spannung (Vtemp) und eine auf dem Bandabstandsprinzip basierend erzeugte temperaturunabhängige Spannung (Vref) einer Vergleichseinrichtung (C) zugeführt werden und in dieser verglichen werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Erzeugen einer temperaturunabhängigen Referenzspannung und einer temperaturabhängigen Spannung.

Referenzspannungen sind stabile Spannungen, die man als Bezugsgrößen verwendet. Aus ihnen lassen sich Spannungen ableiten, die beispielsweise in Stromversorgungen, Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandlern und anderen elektronischen Schaltungen benötigt werden. Neben Zenerdioden, bei denen der Strom in einer in Sperrrichtung betriebenen Diode oberhalb der Durchbruchspannung stark ansteigt, haben sich insbesondere Bandabstandsreferenzen, die auf dem Bandabstands- oder Band-Gap-Prinzip beruhen, als Referenzspannungsquellen durchgesetzt. Bandabstandsreferenzen besitzen den Vorteil, dass sie kleinere Spannungswerte liefern können, günstigere Rauscheigenschaften aufweisen und keine zusätzlichen Prozessschritte bei einer integrierten Herstellung erforderlich sind. Von herausragender Bedeutung ist jedoch, dass die von ihnen gelieferte Spannung annähernd temperaturunabhängig ist. Dazu wird auf die Basis-Emitter-Schwellspannung Vbe eines Transistors oder die Durchlassspannung einer Diode, die beide einen negativen Temperaturkoeffizienten von –2 mV/°C besitzen, eine zweite Spannung mit positiven, gleich großen Temperaturkoeffizienten aufaddiert. Die resultierende Spannung ist nicht nur konstant sondern auch temperaturstabil.

Anstelle Spannung mit entgegengesetzten, gleich großen Temperaturkoeffizienten zu addieren, was im Allgemeinen durch eine Serienschaltung geschieht, lässt sich die gleiche Wirkung auch erreichen, indem man Ströme mit entgegengesetzten, gleich großen Temperaturkoeffizienten durch eine Parallelschaltung addiert. Diese Art von Schaltung besitzt dann zusätzlich den Vorteil, dass sie mit Versorgungsspannungen von unter 1 V betrieben werden kann. Eine derartige Bandabstands-Referenzschaltung ist in "A CMOS Bandgap Reference Circuit With Sub-1V Operation, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 34, No. 5, May 1999" von Hironori Banba angegeben und wird im Folgenden anhand von 1 näher beschrieben. Gezeigt ist ein Transkonduktanzverstärker A1, dessen Ausgang mit den Gates der PMOS-Transistoren P0, P1 und P2 verbunden ist und die so angesteuert werden, dass sich die Spannungen Va am positiven Eingang und Vb am negativen Eingang des Verstärkers A1 auf den gleichen Spannungswert einstellen. Da die Gate-Anschlüsse von P0, P1 und P2 gemeinsam verbunden sind, stellen die Transistoren P0, P1 und P2 einen Stromspiegel dar, sodass für die Ströme durch die Transistoren gilt: I1 = I1 = I3. Der positive Eingang des Verstärkers A1 ist mit einem Widerstand R1 und einer zum Widerstand R1 parallel geschalteten Diode D1 verbunden. Der negative Verstärkereingang ist mit einem Widerstand R1 und dazu parallel einer Serienschaltung, bestehend aus dem Widerstand R0 und der Diode D2, verbunden. Der PN-Übergang der Diode D2 hat dabei eine N-mal größere Fläche als der der Diode D1, sodass bei gleicher angelegter Spannung durch die Diode D2 ein N-mal größerer Strom fließt als durch die Diode D1. Die Dioden D1 und D2 sind durch als Diode geschaltete Bipolartransistoren realisiert.

Für die Durchlassspannung einer Diode gilt in erster Näherung: V = Vt·ln(I/Is)·Vt ist dabei die Temperaturspannung, I der Strom, der durch die Diode fließt, und Is der Sättigungs-Sperrstrom des Halbleiters. Die Temperaturspannung Vt berechnet sich aus: Vt = kT/q, wobei k die Bolzmann-Konstante, q die Elementarladung des Elektrons und T die absolute Temperatur in Kelvin ist. Sie ist also proportional zur absoluten Temperatur und besitzt eine positive Temperaturabhängigkeit mit einem Temperaturkoeffizienten von +0,086 mV/°C. Die Durchlassspannung Vd der Diode weist dagegen insgesamt einen negativen Temperaturkoeffizienten von –2 mV/°C auf.

In der in 1 gezeigten Schaltung gilt, da I1 = I2 und Va = Vb, dass I1b = I2b und damit auch I1a = I2a. Die Spannung dV am Widerstand R0 ergibt sich aus der Differenz der Spannungen Vd2 an der Diode D2 und Vd1 an der Diode D1: dV = Vd2 – Vd1 = Vt·ln(N·I2a/Is) – Vt·ln(I1a/Is) = Vt·ln(N). Um die gesuchte Referenzspannung Vref = R2·I3 zu berechnen, wird, da gilt: I3 = I2, zunächst der Strom I2 = I2a + I2b berechnet. Der Strom I2a = dV/R0 ist proportional zu Vt, der Strom Ib2 = Vd1/R1 und proportional zu Vd1. Damit setzt sich I2 aus einem Anteil mit positivem und einem Anteil mit negativem Temperaturkoeffizienten zusammen. Vref ergibt sich zu Vref = R2·I3 = R2·(Vd1/R1 + dV/R0). Durch geschickte Wahl der Widerstandsverhältnisse von R2, R1 und R0 sowie des Flächenfaktors N lässt sich eine temperaturunabhängige Spannung Vref am Ausgang der Schaltung erreichen. Voraussetzung dafür ist zusätzlich, dass die Widerstände R0, R1 und R2 gleiche Temperaturabhängigkeiten aufweisen.

Bandabstands-Referenzschaltungen werden z. B. in Chipkarten zur Spannungsversorgung eingebaut. Da Chipkarten unter anderem zur Authentifizierung für finanzielle Transaktionen eingesetzt werden, sind die Anforderungen an die Sicherheit von derartigen Karten sehr hoch. Um Manipulationen vorzubeugen, wird die Referenzspannung in der Chipkarte überwacht. Auf jedem Chipkarten-Mikrocontroller ist dazu eine Spannungsüberwachung vorhanden. Diese sorgt für ein definiertes Abschalten des Bausteins, wenn die oberen oder unteren Grenzen der Betriebsspannung über- bzw. unterschritten werden. Damit wird sichergestellt, dass ein Betrieb in den Grenzbereichen, in denen der Chip nicht mehr voll funktionsfähig ist, unmöglich ist. Wäre keine Spannungsüberwachung vorhanden, kann es in diesen Grenzbereichen vorkommen, dass z. B. der Programmzähler des Prozessors nicht mehr stabil läuft, was beispielsweise zu unkontrollierten Sprüngen innerhalb des Programms führt oder zu Rechenfehlern im Prozessor.

In Chipkarten sind weiter Sensoren vorgesehen, die Angriffe auf die Karte erkennen können. Auf diese Weise kann z. B. verhindert werden, dass die Chipkarte einem Temperaturbereich ausgesetzt wird, bei dem Fehler auftreten können. Um einen solchen Angriff zu verhindern, sind Chipkarten in der Regel mit Sensoren für die Temperaturüberwachung ausgerüstet.

Bisher wurden die Bandabstands-Referenzschaltung und der Temperatursensor als zwei separate Module aufgebaut. Sowohl für die Bandabstands-Referenz als auch den Temperatursensor werden PNP-Transistoren, die als Dioden geschaltet sind, eingesetzt, die relativ viel Strom benötigen. Neben dem hohen Stromverbrauch ist auch von Nachteil, dass durch den getrennten Aufbau relativ viel Chipfläche benötigt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Referenzspannung mit integriertem Temperatursensor zur Verfügung zu stellen, wobei in einfacher Weise gleichzeitig die Temperatur und die Referenzspannung überwacht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Überwachungsanordnung mit einer ersten und einer zweiten Spannungserzeugungsschaltung vorgesehen ist, wobei die Spannung der ersten Spannungserzeugungsschaltung temperaturunabhängig und die Spannung der zweiten Spannungserzeugungsschaltung temperaturabhängig ist, und eine Vergleichseinrichtung vorgesehen ist, deren Eingänge mit der temperaturunabhängigen Spannung und der temperaturabhängigen Spannung verbunden sind.

Dadurch, dass die temperaturabhängige Spannung mit der temperaturunabhängigen Spannung in der Vergleichseinrichtung verglichen wird, ist es möglich, bei konstanter Referenzspannung die Temperatur zu überwachen oder bei konstanter Temperatur die Referenzspannung zu überwachen.

Vorteilhafterweise ist die erste Spannungserzeugungsschaltung zum Erzeugen der temperaturunabhängigen Spannung eine Bandabstands-Referenz. Diese liefern kleinere Spannungswerte als Zenerdioden, weisen günstigere Rauscheigenschaften auf und erfordern zudem keine zusätzlichen Prozessschritte bei der Herstellung.

Vorteilhafterweise ist die temperaturunabhängige Spannung der Bandabstandsreferenz proportional zur Summe von zwei Strömen, die gleiche, aber entgegengesetzte Temperaturabhängigkeiten aufweisen. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass sehr geringe Betriebsspannungen von unter 1 V zur Erzeugung der Referenzspannung benutzt werden können, was insbesondere bei batteriebetriebenen Anwendungen wichtig ist.

Vorteilhafterweise ist die zweite Spannungserzeugungsschaltung ein in Durchlassrichtung gepolter PN-Übergang. Mit Hilfe derartiger Übergänge ist es auf einfache Weise möglich, eine temperaturabhängige Spannung zu erzeugen.

Vorteilhafterweise ist die temperaturunabhängige Spannung mit einem ersten Spannungsteiler verbunden, der ein erstes Teilungsverhältnis aufweist und die temperaturunabhängige Spannung in eine erste Referenzspannung teilt, welche dann mit dem Eingang der Vergleichseinrichtung verbunden ist. Durch den Spannungsteiler lässt sich die Referenzspannung, mit der die temperaturabhängige Spannung verglichen wird, einstellen, sodass eine Temperaturgrenze frei vorgegeben werden kann.

Vorteilhafterweise beinhaltet die Vergleichseinrichtung einen Komparator, dessen positiver Eingang mit der temperaturabhängigen Spannung verbunden ist und dessen negativer Eingang mit der ersten Referenzspannung verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, einen Alarm auszugeben, falls eine Temperaturgrenze überschritten wird. Wird die Referenzspannung überwacht, so wird ebenfalls ein Alarm ausgegeben, wenn die Spannung einen bestimmten Wert überschreitet.

Vorteilhafterweise beinhaltet die Vergleichseinrichtung einen Komparator, dessen negativer Eingang mit der temperaturabhängigen Spannung verbunden ist und dessen positiver Eingang mit der ersten Referenzspannung verbunden ist. Mit einer solchen Einrichtung kann ein Alarm ausgegeben werden, falls die Temperatur eine vorgegebene Temperatur unterschreitet oder falls die Referenzspannung einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

Vorteilhafterweise ist die temperaturunabhängige Spannung mit einem ersten Spannungsteiler verbunden, der ein erstes Teilungsverhältnis aufweist und die temperaturunabhängige Spannung auf eine erste Referenzspannung teilt und, weiter, die temperaturunabhängige Spannung mit einem zweiten Spannungsteiler verbunden, der ein zweites Teilungsverhältnis aufweist und die temperaturunabhängige Spannung auf eine zweite Referenzspannung teilt, wobei die zweite Referenzspannung größer als die erste Referenzspannung ist und die erste und zweite Referenzspannung mit Eingängen der Vergleichseinrichtung verbunden sind. Da zwei Referenzspannungen zur Verfügung stehen, lassen sich auch zwei Grenzen für die Temperatur oder den Spannungsbereich überwachen. Auf diese Weise ist es möglich, Angriffe zu detektieren, wenn die Temperatur oder die Versorgungsspannung einen Bereich, der zwischen den Grenzen liegt, verlässt.

Vorteilhafterweise beinhaltet die Vergleichseinrichtung einen Fensterkomparator, dessen Eingänge so mit der ersten und der zweiten Referenzspannung und der temperaturabhängigen Spannung verbunden sind, dass die erste Referenzspannung einen unteren Grenzwert vorgibt, die zweite Referenzspannung einen oberen Grenzwert vorgibt und die temperaturabhängige Spannung mit den Grenzwerten verglichen wird. Auf diese Weise lässt sich ein Alarm ausgeben, sollte die zu überwachende Temperatur oder die Referenzspannung einen bestimmten Bereich verlassen.

Vorteilhafterweise ist zumindest die erste Spannungserzeugungsschaltung, die zweite Spannungserzeugungsschaltung und die Vergleichseinrichtung auf einem gemeinsamen Substrat integriert ausgebildet. Der Temperatursensor und die Referenzspannungserzeugung werden in einem Modul kombiniert. Der für den Temperatursensor, die Referenzspannung und die Überwachungsanordnung erforderliche Platzbedarf auf einen Chip wird minimiert, was zu günstigeren Herstellungskosten führt. Da gemeinsame Bauelemente sowohl für den Temperatursensor als auch die Versorgungsreferenzspannung eingesetzt werden, reduziert sich auch der Stromverbrauch, was insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten von Vorteil ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Spannungsüberwachung gelöst, bei dem eine temperaturabhängige Spannung auf Basis eines in Durchlassrichtung gepolten PN-Übergangs erzeugt wird und eine auf dem Bandabstandsprinzip basierende temperaturunabhängige Spannung erzeugt wird und die temperaturunabhängige Spannung und die temperaturabhängige Spannung einer Vergleichseinrichtung zugeführt und in dieser miteinander verglichen werden. Auf diese Weise kann sowohl die Temperatur als auch die temperaturunabhängige Referenzspannung einfach überwacht werden.

Vorteilhafterweise wird die temperaturunabhängige Spannung in zumindest eine erste und in zumindest eine zweite Referenzspannung geteilt, wobei die zweite Referenzspannung größer als die erste Referenzspannung ist die erste, die zweite Referenzspannung und die temperaturabhängige Spannung werden verglichen und ein Alarm ausgegeben, falls die temperaturabhängige Spannung kleiner als die erste Referenzspannung oder größer als die zweite Referenzspannung ist. Auf diese Weise kann überwacht werden, ob die Temperatur sich in einem durch erste und die zweite Referenzspannung vorgegebenen Bereich bewegt. Des Weiteren kann die Referenzspannung überwacht werden, sodass, falls von außen ein Kurzschluss oder eine überhöhte Spannung mit der temperaturunabhängigen Referenzspannung verbunden wird, diese Manipulation erkennbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen und anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1: eine Bandabstands-Referenz aus dem Stand der Technik,

2: ein Blockschaltbild der Erfindung,

3: ein Ausführungsbeispiel einer Vergleichseinrichtung mit einem Komparator und einem Spannungsteiler,

4: ein Stromlaufplan eines Ausführungsbeispiels mit einem Fensterkomparator, und

5: die Überwachung der Temperatur und der Referenzspannung.

In 2 ist ein Blockschaltbild der Erfindung gezeigt. In einem Modul M ist eine erste Spannungserzeugungsschaltung G1 und eine zweite Spannungserzeugungsschaltung G2 angeordnet, wobei die erste Spannungserzeugungsschaltung G1 eine temperaturunabhängige Spannung Vref und die zweite Spannungserzeugungsschaltung G2 eine temperaturabhängige Spannung Vtemp erzeugt. Die beiden Spannungen Vref und Vtemp werden einer Vergleichseinrichtung C zugeführt, die ein Ausgangssignal A bereitstellt. Die Vergleichseinrichtung C ermöglicht es, sowohl die temperaturunabhängige Referenzspannung Vref, als auch die temperaturabhängige Vtemp zu überwachen. Dadurch können Angriffe, die durch eine Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur genauso erkannt werden wie Angriffe, bei denen die Referenzspannung Vref manipuliert wird.

Von Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist es, dass die erste und zweite Spannungserzeugungsschaltung G1, G2 und die Vergleichseinrichtung C auf einem gemeinsamen Substrat integriert ausgeführt sind und als Modul zur Verfügung stehen. Auf einfache Weise werden dadurch nicht nur die Bauelemente eines Temperatursensors mit denen einer Schaltung zum Erzeugen einer Referenzspannung kombiniert, sodass die resultierende Schaltung weniger Strom und weniger Chipfläche erfordert als zwei getrennte Module, sondern durch die Vergleichseinrichtung auch noch eine Überwachung der Referenzspannung und der temperaturabhängigen Spannung ermöglicht.

3 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Vergleichseinrichtung C. Die temperaturunabhängige Referenzspannung Vref wird einem Spannungsteiler zugeführt, der aus einer Serienschaltung der Widerstände R3 und R4 besteht. Zwischen den Widerständen R3 und R4 wird eine Referenzspannung Vref1 abgegriffen, die den Wert Vref1 = k1·Vref besitzt, wobei k1 = R4/(R3 + R4) ist. Diese Referenzspannung wird an den negativen Eingang eines Komparators A2 geführt, dessen positiver Eingang mit der temperaturabhängigen Spannung Vtemp verbunden ist. Mit sich ändernder Temperatur ändert sich auch Vtemp. Ist Vtemp größer als k1·Vref, erhält man am Komparatorausgang A eine positive Spannung oder einen High-Pegel und falls Vtemp kleiner als k1·Vref ist, eine negative Spannung bzw. einen Low-Pegel. Über den Spannungsteiler lässt sich die Temperatur einstellen, bei der der Komparator der Vergleichseinrichtung ansprechen soll.

Die Eingänge des Komparators A2 können auch vertauscht werden, sodass die temperaturunabhängige Spannung Vref über den Spannungsteiler an dem positiven Eingang anliegt und die temperaturabhängige Spannung Vtemp an dem negativen Eingang. Ist die temperaturabhängige Spannung Vtemp in diesem Fall kleiner als die durch die Referenzspannung Vref und den Spannungsteiler aus den Widerständen R3 und R4 vorgegebene Referenzspannung Vref1, so erhält man ein Ausgangssignal A, das einen positiven Spannungswert oder einen High-Pegel darstellt. Steigt die temperaturabhängige Spannung Vtemp und wird größer als k1·Vref, so ändert sich der Pegel des Komparators A2, das Ausgangssignal A wird negativ bzw. nimmt einen Low-Pegel ein.

Die in 3 gezeigte Anordnung lässt sich bei konstanter Temperatur zum Überwachen der Referenzspannung Vref einsetzen. In diesem Fall wird der Wert, den die Referenzspannung Vref nicht überschreiten bzw. unterschreiten darf, durch den Wert Vref = Vtemp/k1 gegeben.

In 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die erste und zweite Spannungserzeugungsschaltung G1, G2 sowie die Vergleichseinrichtung C im Detail dargestellt sind. Die temperaturunabhängige Spannung Vref und die temperaturabhängige Spannung Vtemp werden wie in der Beschreibung zu 1 angegeben erzeugt. Die Vergleichseinrichtung C besteht in 4 aus einem Fensterkomparator. Die Referenzspannung Vref kann über zwei Abgriffe an dem Widerstand R2 den Komparatoren A2 und A3 zugeführt werden. Die Abgriffe an dem Widerstand R2 realisieren die Funktion eines Spannungsteilers, wie in 3 angegeben. Der erste Abgriff liefert eine erste Referenzspannung Vref1 = k1·Vref, welche an den negativen Eingang des Komparators A2 angeschlossen wird. Der zweite Abgriff liefert eine zweite Referenzspannung Vref2 = k2·Vref, welche an den positiven Eingang des Komparators A3 angeschlossen wird. Es gilt dabei k1 < k2. Die temperaturabhängige Spannung Vtemp wird an den positiven Eingang des Komparators A2 geführt und an den negativen Eingang des Komparators A3. Die Ausgänge der Komparatoren A2 und A3 werden einem UND-Gatter L zugeführt, an dessen Ausgang der Pegel A zur Verfügung gestellt wird.

Über die Abgriffe am Widerstand R2 werden die Triggerpunkte der Komparatoren A2 und A3 eingestellt.

Um die Temperatur zu überwachen, wird die temperaturabhängige Spannung Vtemp mit der temperaturunabhängigen Spannung Vref verglichen. Steigt die Temperatur, so sinkt aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten der Diode D1 die Spannung Va und damit Vtemp. Der Fensterkomparator gibt an, ob die temperaturabhängige Spannung Vtemp zwischen der ersten und der zweiten Referenzspannung Vref1, Vref2 liegt. Der Komparator A2 liefert an seinem Ausgang einen hohen Pegel, solange die temperaturabhängige Spannung Vtemp größer als Vref1 = k1·Vref ist. Der Komparator A3 liefert einen hohen Pegel, solange die temperaturabhängige Spannung Vtemp kleiner als Vref2 = k2·Vref ist. Sobald sich die Temperaturspanne außerhalb der Grenzen k1·Vref und k2·Vref bewegt, ändert sich das Ausgangssignal A des UND-Gatters L und ein Alarm wird ausgegeben.

Die Schaltungsanordnung in 4 kann auch zur Überwachung der temperaturunabhängigen Spannung Vref eingesetzt werden. Dabei dient die temperaturabhängige Spannung Vtemp als Referenz und es wird vorausgesetzt, dass sich die Temperatur nicht ändert. In ähnlicher Weise wie oben angegeben, kann hergeleitet werden, dass, solange für die temperaturunabhängige Spannung Vref gilt Vtemp/k2 < Vref < Vtemp/k1, ein hoher Pegel am Ausgang A des UND-Gatters ausgegeben wird. Wird versucht, von außen die Referenzspannung Vref auf einen niedrigeren Pegel als Vtemp/k2 oder einen höheren Pegel als Vtemp/k1 zu ziehen, ändert sich der Pegel am Ausgang A des UND-Gatters L und ein Alarm wird ausgelöst.

Anstelle eines Fensterkomparators kann auch ein entsprechend dimensionierter Schmidt-Trigger eingesetzt werden.

Die PMOS Feldeffekt-Transistoren P0, P1 und P2 sind identisch dimensioniert, das Flächenverhältnis N der PN-Übergänge der Dioden D1 und D2 beträgt 1:10, das Widerstandsverhältnis von R1 zu R0 ist 1:10. Selbstverständlich sind auch andere Dimensionierungen möglich, so lange sich eine insgesamt temperaturunabhängige Referenzspannung Vref ergibt. Die Dioden D1 und D2 sind als Transistor geschaltete Dioden realisiert. Die Temperaturabhängigkeit der Widerstände R0, R1 und R2 sind näherungsweise gleich.

In 5 ist das Prinzip der in 4 gezeigten Schaltung zusammengefasst. Gezeigt ist der Verlauf der temperaturabhängigen Spannung Vtemp über der Temperatur T aufgetragen. Da die Temperaturabhängigkeit einen negativen Koeffizienten aufweist, fällt die Spannung Vtemp mit zunehmender Temperatur ab. An den Spannungsgrenzwerten k2·Vref und k1·Vref sind die entsprechenden Temperaturpunkte L und H eingezeichnet. Liegt die Temperatur T zwischen den Punkten L und H, wird ein logischer 1-Pegel am UND-Gatter L ausgegeben. Erhöht man die Temperatur T über den Punkt H hinaus oder erniedrigt sie unter den Punkt L, so verlässt die temperaturabhängige Spannung Vtemp die Grenzen k2·Vref nach oben bzw. k2·Vref nach unten hin. Der Ausgangspegel der Vergleichseinrichtung C ändert sich und ein Alarm kann registriert werden. Geht man nun von einer festen Temperatur T aus, die als Punkt F eingezeichnet ist, so kann eine Änderung der Referenzspannung Vref detektiert werden. Wird die Referenzspannung Vref nämlich manipuliert, so verschieben sich die Grenzen k1·Vref und k2·Vref nach oben bzw. nach unten, sodass der Punkt F den Bereich verlässt, in dem kein Alarm ausgegeben wird. Eine Überwachung von Temperatur und Referenzspannung ist somit möglich.

AAusgangssignal der Vergleichseinrichtung A1Transkonduktanzverstärker A2, A3Komparatoren CVergleichseinrichtung D1, D2Dioden G1, G2erste und zweite Spannungserzeugungsschaltung k1, k2Teilungsfaktoren LUND-Gatter MModul P0, P1, P2PMOS-Feldeffekttransistoren R0, R1, R2Widerstände R3, R4Widerstände Vreftemperaturunabhängige Referenzspannung Vref1, Vref2temperaturunabhängige Referenzspannungen Vtemptemperaturabhängige Spannung

Anspruch[de]
  1. Überwachungsanordnung mit einer ersten Spannungserzeugungsschaltung (G1) und einer zweiten Spannungserzeugungsschaltung (G2), wobei die Spannung der ersten Spannungserzeugungsschaltung (G1) temperaturunabhängig und die Spannung der zweiten Spannungserzeugungsschaltung (G2) temperaturabhängig ist, gekennzeichnet durch eine Vergleichseinrichtung (C), wobei die temperaturabhängige (Vtemp) Spannung und die temperaturunabhängige Spannung (Vref) mit Eingängen der Vergleichseinrichtung (C) verbunden sind.
  2. Überwachungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannungserzeugungsschaltung (G1) zum Erzeugen der temperaturunabhängigen Spannung (Vref) eine Bandabstandsreferenz ist.
  3. Überwachungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturunabhängige Spannung (Vref) in der Bandabstandsreferenz proportional zur Summe von zwei Strömen ist, die gleiche, aber entgegengesetzte Temperaturabhängigkeiten aufweisen.
  4. Überwachungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannungserzeugungsschaltung (G2) ein in Durchlassrichtung gepolter PN-Übergang ist.
  5. Überwachungsanordnung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die temperaturunabhängige Spannung (Vref) mit einem ersten Spannungsteiler verbunden ist, der ein erstes Teilungsverhältnis aufweist und die temperaturunabhängige Spannung (Vref) auf eine erste Referenzspannung (Vref1) teilt und

    – die erste Referenzspannung (Vref1) mit einem Eingang der Vergleichseinrichtung (C) verbunden ist.
  6. Überwachungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (C) ein Komparator ist, dessen positiver Eingang mit der temperaturabhängigen Spannung (Vtemp) verbunden ist und dessen negativer Eingang mit der ersten Referenzspannung (Vref1) verbunden ist.
  7. Überwachungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (C) ein Komparator ist, dessen negativer Eingang mit der temperaturabhängigen Spannung (Vtemp) verbunden ist und dessen positiver Eingang mit der ersten Referenzspannung (Vref1) verbunden ist.
  8. Überwachungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die temperaturunabhängige Spannung (Vref) mit einem ersten Spannungsteiler verbunden ist, der ein erstes Teilungsverhältnis aufweist und die temperaturunabhängige Spannung (Vref) auf eine erste Referenzspannung (Vref1) teilt,

    – die temperaturunabhängige Spannung (Vref) mit einem zweiten Spannungsteiler verbunden ist, der ein zweites Teilungsverhältnis aufweist und die temperaturunabhängige Spannung (Vref) auf eine zweite Referenzspannung (Vref2) teilt, wobei die zweite Referenzspannung (Vref2) größer als die erste Referenzspannung (Vref1) ist,

    – und die erste und zweite Referenzspannung (Vref1, Vref2) mit Eingängen der Vergleichseinrichtung (C) verbunden sind.
  9. Überwachungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung (C) ein Fensterkomparator ist, dessen Eingänge so mit der ersten und der zweiten Referenzspannung (Vref1, Vref2) und der temperaturabhängigen Spannung (Vtemp) verbunden sind, dass die erste Referenzspannung (Vref1) einen unteren Grenzwert vorgibt, die zweite Referenzspannung (Vref2) einen oberen Grenzwert vorgibt und die temperaturabhängige Spannung (Vtemp) mit den Grenzwerten verglichen wird.
  10. Überwachungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die erste Spannungserzeugungsschaltung (G1), die zweite Spannungserzeugungsschaltung (G2) und die Vergleichseinrichtung (C) auf einem gemeinsamen Substrat integriert ausgebildet sind.
  11. Verfahren zur Spannungsüberwachung, bei dem eine auf Basis eines in Durchlassrichtung gepolten PN-Übergangs erzeugte temperaturabhängige Spannung (Vtemp) erzeugt wird und eine auf dem Bandabstandsprinzip basierende temperaturunabhängige Spannung (Vref) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturunabhängige (Vref) und die temperaturabhängige (Vtemp) Spannung einer Vergleichseinrichtung (C) zugeführt werden und in dieser miteinander verglichen werden.
  12. Verfahren zur Spannungsüberwachung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass

    – die temperaturunabhängige Spannung (Vref) in zumindest eine erste Referenzspannung (Vref1) geteilt wird,

    – die temperaturunabhängige Spannung (Vref) in zumindest eine zweite Referenzspannung (Vref2) geteilt wird, wobei die zweite Referenzspannung (Vref2) größer als die erste Referenzspannung (Vref1) ist,

    – die erste, die zweite Referenzspannung (Vref1, Vref2) und die temperaturabhängige Spannung (Vtemp) verglichen werden und

    – ein Alarm ausgegeben wird, falls die temperaturabhängige Spannung (Vtemp) kleiner als die erste Referenzspannung (Vref1) oder größer als die zweite Referenzspannung (Vref2) ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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