DE2447517B2

DE2447517B2 - Schaltungsanordnung zur Stromteilung

Info

Publication number: DE2447517B2
Application number: DE2447517A
Authority: DE
Inventors: Arthur John Flemington N.J. Leidich (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1973-10-05
Filing date: 1974-10-04
Publication date: 1978-08-10
Also published as: CA1018616A; JPS5066139A; FR2247006B1; USB403990I5; DE2447517A1; FR2247006A1; US3914684A; GB1477224A; JPS5412305B2; DE2447517C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnungen zur Stromteilung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist aus der US-PS 36 89 752, insbesondere F i g. 3, bekannt. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist zusätzlich eine dritte Gleichstromversorgung vorgesehen, die parallel zu dem bzw. den in Reihe geschalteten zweiten Halbleiterübergängen liegt und diese mit einem Strom in Durchlaßrichtung vorspannt, der komplementär zu dem Strom der zweiten Gleichstromversorgung ist. Auf diese Weise erhält mai für die zu teilenden Ströme ein temperaturunabhängiges Verhältnis, das gleich dem variierbaren Verhältnis der Ströme der zweiten und dritten Gleichstromversorgungen ist. Die bekannte Schaltungsanordnung kann z. B. als analoge Vierquadranten-Multiplizierschaltung verwendet werden. Diese Schaltung erzeugt jedoch keine Ströme, deren Teilverhältnis umgekehrt proportional zu einer Potenz der Emitterverstärkung eines Transistors ist, wie dies in manchen Fällen notwendig sein kann.

Ausgehend von der US-PS 36 89 752 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Stromteilung zu schaffen, deren Ausgangsstrom proportional einem Eingangsstrom geteilt durch eine Potenz der Verstärkung hf_e eines Transistors in Emitterschaltung (Emitterverstärkung) ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigt
F i g. 1 teilweise in Blockform das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Stromteilerschaltung zur Erzeugung von Strömen, deren Beziehung einem Faktor von im wesentlichen 1/Afc entspricht,

F i g. 2 teilweise in Blockform das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Stromteilerschaltung zur Erzeu-

bo gung von Strömen, deren Beziehung einem Faktor von im wesentlichen \/hf_e ⁿ entspricht, wobei π eine ganze Zahl größer als 1 ist,

F i g. 3 und 4 Schaltbilder bevorzugter Ausführungsformen von Stromschalterteilungen des in F i g. 1 allgemein dargestellten Typs.

In der Schaltung nach F i g. 1 befinden sich zwei Transistoren 101 und 102, deren Basiselektroden über die Basis-Emitter-Übergänge zweier weiterer Transi-

stören 103 und 104 mit einem Schaltungspunkt 105 verbunden sind. Eine Gleichstromversorgung 107 zieht einen Strom h aus dem gemeinsamen Anschluß 106 der zusamniengekoppelten Emitter der beiden Transistoren 101 und 102. Diese Transistoren 101 und 102 ziehen Kollektorströme /cioi und lam über Stromverbraucher 108 und 109 aus der Stromversorgung 107. Eine weitere Gleichstromversorgung 110 dient dazu, den Basis-Emitter-Übergang des Transistors 103 in Durchlaßrichtung vorzuspannen.

Jeder der Transistoren 101,102,103 und 104 gehorcht der nachstehenden bekannten Transistorgleichung Vorwärtsstromverstärkung in Emitierschaltung h_fe zueinander in folgender Beziehung:

11. =

I₁₁ =

hj, + 7,,,.

Aus Fig. 1:

V₁, =

in

f .

(D

Darin ist

Voe die Basis-Emitter-Spannung des Transistors,

k die Boltzmann- Konstante,

T die absolute Temperatur,

q die Ladung eines Elektrons,

Ic der Kollektorstrom des Transistors,

Is der Sättigungsstrom des Transistors.

Durch Einsetzen der Ausdrücke aus den Gleichungen (5) und (4) in die Gleichung (6) erhäJl m;i/>

Elektrische Größen, die sich auf einen bestimmten Transistor beziehen, sind in der nachstehenden Beschreibung mit einer Indexzahl versehen, die der Bezugszahl des entsprechenden Transistors in der Zeichnung entspricht Für die Transistoren 101,102,103 und 104 sei angenommen, daß sie dasselbe Diffusionsprofil haben und daß ihre effektiven Basis-Emitler-Übergangsflächen im Verhältnis a: b:c:d zueinander stehen und daß sie suf gleicher Temperatur T gehalten sind. Diese Bedingungen können speziell in monolithischen integrierten Halbleiterschaltungen in guter Näherung eingehalten werden. In einem solchen Fall ist Tioi = TW = 71o3 = 7io4 = T und alsio\ = bls\o2 — C/si 03 = C//S! 04·

In der Anordnung nach F i g. 1 liegen die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 101 und 103 dem Stromweg über die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 102 und 104 parallel.

Es gilt somit

— ^H

Wenn man die Gleichung (1) in die Gleichung (2) einsetzt und vereinfacht, dann erhält man

I₁₁

/(H)J

(3)

In jedem Transistor stehen der Basisstrom Ib, der Emitterstrom Ie, der Kollektorstrom Ic und die

"/V102

Die Substitution der Gleichung (7) in die Gleichung ) ergibt

In

= In

+ In

+ In

..^Λ/ί·.Ί»

Ί/,-lnj. +

'!/,.102

Λ 1(12 d

Die Bildung des Numerus der beiden Seiten dieser Gleichung lührt zur Gleichung

'(ΙΟΙ
/(1(12

'¹ZcKU
/l/VK

+ I '^!/VIO2

'(102 Λ'ΙΟΛ

Für einen weiten Bereich von Stromdichten im Basis-Emitter-Übergang gilt

/)/et

Afcl

bo wenn die Transistoren 101, 102, 103 und 104 gleiches Diffusionsprofil haben.

Die Stromversorgungen 107 und 110 liefern unabhängig voneinander gewählte Stromstärken, wobei der von der Versorgung 110 gelieferte Strom notwendigerweise hoch genug ist, damit Basisströme fließen, welche die von der Stromversorgung 107 geforderten Emitterströme der Transistoren 101 und 102 stützen. Zur Erleichterung einer Analyse der Schaltung sei das

Verhältnis des von der Stromversorgung 110 gelieferten Stroms zu dem von der Stromversorgung 107 gelieferten Strom /omit mbezeichnet. Wenn der von der Stromversorgung 110 gelieferte Strom m ■ I₀ wesentlich, z. B. hundertmal, größer ist als der durch den Strombedarf /o der Stromversorgung 107 angeforderte Betrag von /βίοι + /ßiw, dann fließt der von der Stromversorgung 110 gelieferte Strom hauptsächlich über den selbstvorgespannten, d. h. als Diode geschaltefolgende Gleichung (10) gilt:

/o — 1 IAO) —

"./Vl

'CI(U

Wenn man die Gleichung (10) in die Gleichung (9) einsetzt und dann davon ausgeht, daß alle A/_C-Werte

ten Transistor 103, so daß in sehr guter Näherung io gleich/jfi.sind.kommtmanzufolgenderGleichungill):

/(■mi ac

/('102 b(l 'l/r 102 ''/.'1(H +

V Λ/,.103 + 1 J

ac 1 /(Hi₂

bdm hy,. /o

Der Quotient

'(102
___

Gleichung ist in ähnlicher Weise wie zuvor die Gleichung (2) abgeleitet.

ViiiAm +

muß natürlich stets zumindest etwas kleiner als 1 sein. Dann ist, wenn m ■ b · d ■ hf_e groß gegenüber a · c ist (was dem üblichen Fall entspricht), der Transistor 102 wesentlich mehr leitend als der Transistor 101, und praktisch der gesamte Strom /o kommt dann als Emitterstrom /eio2 vom Transistor 102. Der Strom der gleich

— ' Ηί.Ί02

ist, wird dann annähernd gleich k sein. Somit kann für diese Bedingungen die vorstehende Gleichung (11) in guter Näherung auf die nachfolgende Form reduziert werden:

'CHIl —

(IC /(K)₂

bdm h ,„

Es sei angenommen, daß die Transistoren 203-1 .. 203-Λ in ihrem Aufbau und in ihren Kennlinien im wesentlichen einander und dem durch sie ersetzter Transistor 103 gleich sind. Die Transistoren 204-1 .. 204-/7 seien ebenfalls in ihrem Aufbau und in ihrer Kennlinien einander und dem durch sie ersetzter Transistor 103 im wesentlichen gleich. Unter diesel Voraussetzung läßt sich die Gleichung (13) folgendermaßen vereinfachen:

•45 + >'^BKl

I.102 + "'⁷BM(W- (14)

Durch ähnliche Schritte, wie sie bei den Gleichunger (3) bis (12) durchgeführt wurden, erhält man die (12) so nachstehende Gleichung (15):

Das-heißt, /cioi ist im wesentlichen proportional zu /o geteilt durch hr*

Die F i g. 2 zeigt eine Abwandlung der in F i g. 1 dargestellten Schaltung, wo der als Diode geschaltete Transistor 103 durch eine Reihenschaltung 203 aus η als Diode geschalteten Transistoren ersetzt ist, deren erster mit 203-1 und deren letzter mit 203-/7 bezeichnet ist Der eo Transistor 104 ist durch eine Anordnung 204 ersetzt, in welcher der Basis-Emitter-Übergang eines einzelnen Transistors 204-1 in Reihe mit n-1 als Dioden geschalteten Transistoren liegt, deren letzter mit 204-/7 bezeichnet ist. b5

Die in der Schaltung nach Fig.2 erscheinenden Spannungen haben zueinander die mit der nachfolgenden Gleichung (13) ausgedrückte Beziehung. Diese Λ 1(12
/(Ί01

Hr

Wenn n=l ist, dann vereinfacht sich die Gleichung (15) auf Jie Gleichung (12).

Die Ströme /cioi und /002 können den Eingangskreisen zweier Stromverstärker zugeführt we~den, derer Stromverstärkungen zueinander in einem festen Verhältnis stehen. Die Ausgangskreise dieser beider Verstärker liefern dann Ausgangsströme im Verhältnis 1 : hf_c", die dann dazu verwendet werden können, die »Basis« und den »Kollektor« eines »Transistors« vorzuspannen, wie es in der nicht vorveröffentlichter US-PS 38 78 471 beschrieben ist. Wenn η größer ist als 1, dann handelt es sich bei dem besagten »Transistor«

um eine Transistorkombination in Form einer Darlingtonschaltung aus einfachen Transistoren.

Während im Fall der F i g. 1 der Transistor 104 so geschaltet ist, daß er Kollektorstrom von der Stromversorgung 1197 empfängt, kann der Transistor 104 jedoch "> auch so geschaltet sein, daß er statt dessen Strom von der Stromversorgung 110 empfängt. Diese Alternative ist in Fig.3 dargestellt. (In ähnlicher Weise kann auch der Transistor 204-1 in F i g. 2 so geschaltet sein, daß er Kollektorsitrom von der Stromversorgung 110 statt von κι der Stromversorgung 107 empfängt.) Mit dieser Verbindungsart der Kollektorelektrode bleibt die Proportionierung der Ströme lam und /cioi praktisch unverändert.

Die Fig.3 zeigt auch spezielle Schaltungsmaßnah- r> men zur Lieferung der Ströme /n/o und k- Der Strom m/o wird nach dem Ohmschen Gesetz bestimmt durch die Spannung am Widerstand 302 geteilt durch dessen Widerstandswert Rio2-

_ml _ '-3"I _ ' H/. 111.1 — · «/..1(1.1 — > H/..K14 ...

Hierin ist

£301 die von der Batterie 301 gelieferte Spannung,

die Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors 103, jo die Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors 303,

die Basis-Emitter-Offsetspannung des Transistors 304.

j

Für Siliziumtransistoren sind die Spannungen Vs£io3, Vß£303 und Vflao4 jeweils etwa gleich 650 Millivolt. Der Strom /0 fließt im Kollektorkreis des Transistors 107, dessen effektive Basis-Emitter-Übergangsfläche 1/m-mal so groß wie diejenige des Transistors 304. Die in F i g. 3 neben den Emittern der Transistoren 107' und 304 in einem kleinen Kreis eingetragenen Größen geben die relativen Größen der Basis-Emitter-Übergangsflächen dieser Transistoren an. Die Kollektorströme /not und /cio2 der Transistoren 101 und 102 werden <r> aus den Eingangskreisen von Stromverstärkern 305 und 306 gezogen. Diese Stromverstärker 305 und 306 sind von bekannter Bauart.

Die Ausgangskreise der Stromverstärker 305 und 306 speisen jeweils einen Stromverbraucher 307 bzw. 308. In w einem Fall von besonderer Bedeutung haben die Verstärker 305 und 306 gleiche Stromverstärkungsfaktoren und bestehen die Stromverbraucher 307 und 308 aus dem Basiskreis bzw. dem Kollektorkreis eines Verstärkertransistors, dessen Stromverstärkung in Emitterschaltung hr_e gleich derjenigen des Transistors 102 ist.

In der Schaltungsanordnung nach Fig.4 bestimmt der Widerstandswert Λ401 eines Widerstands 401 den Wert des Stroms A>, der aus dem Verbindungspunkt 106 wi der Emitter der beiden Transistoren 101 und 102 gezogen wird. Unter der Voraussetzung, daß die als Dioden geschalteten Transistoren 303 und 304 in herkömmlicher Weise durch einen größeren Teil von /n/o vorgespannt sind, läßt sich für die an der Klemme 106 erscheinende Spannung £Ίο6 folgende Gleichung schreiben:

in. M

(17)

Da Veffür ein Silizium-Bauelement über einen weiten Bereich von Strömen annähernd 650 Millivolt beträgt, ist der Strom I₀ näherungsweise gleich 650 Millivolt geteilt durch Ä401. Der Stromverstärkungsfaktor G der Stromverstärker 305 und 306 wird, was den über den Widerstand 402 gelieferten Strom angeht, im wesentlichen gleich — /77 gemacht. Die Stromverstärker 305 und 306 liefern gemeinsam den kombinierten Kollektor- und Basisstrom /n/o des Transistors 103 und den viel kleineren kombinierten Kollektor- und Basisstrom des Transistors 104.

Die Stromverbraucher 307 und 308 erhalten Eingangsströme von den Kollektoren der Transistoren 403 und 404. Da der Transistor 403 die gleiche Basis-Emitter-Offsetspannung (Vbe) wie der Transistor 309 hat, dessen Kollektor den Strom /cioi liefert, hat der Kollektorstrom /«03 des Transistors 403 ein bestimmtes Verhältnis zum Strom /002· Falls die Transistoren 309 und 403 völlig gleich ausgebildet sind, ist /«03 gleich lam- Wenn andererseits die Basis-Emitter-Übergänge der Transistoren 309 und 403 zwar gleiche Diffusionsprofile, jedoch unterschiedliche effektive Übergangsflächen haben, die im Verhältnis 1 : G zueinanderstehen, dann ist /oto3 G-mal so groß wie /cioi. Durch ähnliche Maßnahmen wird der Kollektorstrom /0104 des Transistors 404 in ein bestimmtes Verhältnis zum Strom /002 gesetzt.

In der Schaltung nach F i g. 4 ist ein Feldeffekttransistor 405 mit automatischer Vorspannung vorgesehen, der einen kleinen Strom (10 — 50 Mikroampere) liefert, um die Leitfähigkeit im Eingangskreis des Stromverstärkers 306 auszulösen. Dies führt dazu, daß der Ausgangskreis des Stromverstärkers 306 einen Strom in Durchlaßrichtung an die als Dioden geschalteten Transistoren 103,303 und 304 liefert. Dies ist notwendig, um die Basis-Emitter-Übergangsflächen der Transistoren 104,102 und 101 in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Diese Vorspannung führt zu einer Spannung £Ίοβ, um den Strom I₀ fließen zu lassen. Der Widerstand 402 dient zur Begrenzung des Stroms /n/o bei Einschwingvorgängen.

Der in den Patentansprüchen verwendete Ausdruck »Halbleiterübergang« ist sehr allgemein zu verstehen, er umfaßt neben einem einfachen PN-Übergang auch den Basis-Emitter-Übergang eines als Emitterfolger geschalteten Transistors oder einen als Diode geschalteten Transistor, z. B. einen Transistor, dessen Basis und Kollektor miteinander gekoppelt sind. Einfache PN-Übergänge können den Transistor 103 und den Emitterfolger 104 in Fig. 1 ersetzen; in Fig. 2 können sie die Transistoren in der Anordnung 203 und den Emitterfolger 204-1 sowie die übrigen Transistoren in der Anordnung 204 ersetzen, und in den F i g. 3 und 4 können sie die Transistoren 103, 104, 303 und 304 ersetzen,

Hierzu 3 IiIuII ZcichiuiimiMi

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Stromteilung mit einem ersten und einem zweiten Flächentransistor vom gleichen Leitfähigkeitstyp, deren Emitter zusammengeschaltet und von einer ersten Gleichstromversorgung mit dem zu teilenden Strom beaufschlagt sind und deren Kollektorströme die beiden Teilströme darstellen, wobei der Teilstrom des zweiten Transistors groß gegen den Teilstrom des ersten Transistors ist, mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten ersten Halbleiterübergängen, die die Basis des ersten Transistors mit einem ersten Schaltungspunkt verbinden und gleichsinnig mit dem Basis-Emitter-Übergang des ersten Transistors gepolt sind, mit einem oder mehreren in Reihe geschalteten zweiten Halbleiterübfirgängen, deren Anzahl gleich der Anzahl der ersten Halbleiterübergänge ist und die die Basis des zweiten Transistors ebenfalls mit dem ersten Schaltungspunkt verbinden und gleichsinnig mit dem Basis-Emitter-Übergang des zweiten Transistors gepolt sind, mit einer zweiten Gleichstromversorgung parallel zu dem bzw. den in Reihe geschalteten ersten Halbleiterübergängen, die diese mit einem Strom in Durchlaßrichtung vorspannt, der groß gegen den Basisstrom des ersten Transistors und deren mit dem ersten Schaltungspunkt verbundener Anschluß in bezug auf die erste Gleichstromversorgung ein Potential aufweist, das die Basis-Emitter-Übergänge des ersten und zweiten Transistors über den bzw. die mit diesen in Reihe liegenden Halbleiterübergänge in Durchlaßrichtung vorspannt, wobei die vorgenannten Transistoren und Halbleiterübergänge im wesentlichen die gleiche Temperatur haben, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisstrom des zweiten Transistors (102) der einzige Strom ist, der den bzw. die in Reihe geschalteten zweiten Halbleiterübergänge (Basis-Emitter-Übergang des Transistors 104 bzw. Basis-Emitter-Übergänge der Reihenschaltung (204) durchfließt, daß der von der zweiten Gleichstromversorgung (110) an den ersten bzw. die in Reihe geschalteten ersten Halbleiterübergänge (Basis-Emitter-Übergänge des Transistors 103 bzw. Basis-Emitter-Übergänge der Reihenschaltung 203) gelieferte Strom (mj_o) und der Strom (k) der ersten Gleichstromversorgung (107) in einem festen Verhältnis zueinander stehen und daß die Anzahl N der ersten und die Anzahl N der zweiten Halbleiterübergänge entsprechend der gewünschten Abhängigkeit des Stromteilungsverhältnisses von der Emitterstromverstärkung des zweiten Transistors gewählt ist, wobei das Verhältnis des Kollektorstromes des zweiten Transistors (102) zu dem Kollektorstrom des ersten Transistors (101) im wesentlichen proportional der N-ten Potenz der Emitterstromverstärkung des zweiten Transistors mit N gleich einer positiven ganzen Zahl größer als Null ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Halbleiterübergänge (103, 104 bzw. 203, 204) durch einen Transistor gebildet ist, dessen Kollektor mit seiner Basis verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Halbleiterübergang bzw. einer der zweiten Halbleiterübergänge der

Emitter-Basis-Übergang eines Transistors (104, 204-1) ist, dessen Basis mit dem ersten Schaltungspunkt (103) verbunden und dessen Kollektor für normalen Transistorbetrieb vorgespannt ist (Fig. 1, 2)·

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der anderen ersten und zweiten Halbleiterübergänge durch einen Transistor gebildet ist, dessen Kollektor mit seiner Basis verbunden ist.