DE2607419A1 - Stromteiler - Google Patents

Description

RCA 69,021
Brit.Ser.No: 00765?
Filed: 24-th February 1975
6th August 1975

ECA Corporation
New York, N. Y., V. St. v. A.

Stromteiler

Die Erfindung bezieht sich auf Stromteiler, die zum Aufbau in einer monolithischen integrierten Schaltung geeignet sind.

In der USA-Patentschrift 3 867 685 ist ein Stromteiler beschrieben, der vom selben allgemeinen Typ wie der erfindungsgemäße Stromteiler ist und zwei Transistoren gleichartigen Leitungstyps enthält, die bei im wesentlichen gleicher Temperatur T betrieben werden. Die Emitterelektroden dieser Transistoren sind mit dem gemeinsamen Anschluß des Stromteilers verbünde^ währdend die Kollektorelektroden getrennt mit den Zweiganschlüssen des Stromteilers verbunden sind. Zwischen die Basiselektroden der Transistoren wird eine der Temperatur T proportionale Spannung gelegt, um die Kollektor-Emitter-Ströme (oder Emitter-Kollektor-Ströme) in einem festen Verhältnis zueinander zu halten. Bei dem Stromteiler nach der genannten USA-Patentschrift wird diese der Temperatur T proportional Spannung aus der Differenz der Offsetspannungen an zwei Ketten gewonnen, die aus gleich vielen hintereinander geschalteten Transistoren bestehen, welche jeweils mit Selbstvorspannung

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und auf einer Temperatur von im wesentlichen gleich T betrieben werden. Die selbstvorges"oannten Transistoren in der einen Kette werden in Durchlaßrichtung von einem Strom durchflossen, der im festen Verhältnis zu einem die selbst—vorgespannten Transistoren der anderen Kette in Durchlassrichtung durchfließenden Strom steht.

Gegenstand der vorliegenden Zrfindunr ist ein Stromteiler, bei cfei?i zur Ableitung der temOeraturr>roportionalen Spannung eine andere Anordnung verwendet wird. Diese andere Anordnung besteht aus einem ohmcjchen Element und einer Einrichtung; zur Lieferung eines von der Temperatur T abhängigen Rtroms, die zwischen die beiden Enden des ohmschen Elements geschaltet ist, um zwischen diesen Enden eine -nro-nortione.l von der Temperatur T abhängige Spannung zu erzeugen. Bei Auslegung für hohe Stromteilungsverhi'ltnisse nehmen erfindungsgemcße Gtromteiler auf einem integrierten S_chaltungsplättchen weniger Raum ein als die bekannten Stromteiler. Ferner ist man wesentlich flexibler, was die Vorspannung: der Btromteileranschlüsse bezüglich der Vers or Prunks spannungen anbetrifft, und man kann mit niedrigen Versorgungsspannungen leichter auskommen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt das Schema einer Schaltung mit emittergekoppelten Transistorpaaren 10, 20, 30, 4-0,50 und 60, bei denen zxvischen den Basen ihrer Einzeltransistoren jeweils eine der Absoluttemperatur T des Transistorpaars proportionale Spannung liegt, die an einem ohmschen Element (oder mehreren solchen Elementen) erzeugt wird, welches von einem durch einen Stromregler Ί00 geregelten Strom (oder Strömen) durchflossen wird;

Figuren 2 und 3 zeigen jede ane Schaltung aus mehreren emittergekoppelten Transistorpaaren 10, 20, 30, 50 und 90, bei denen zwischen die Basiselektroden ihrer Einzeltran-

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sistoren eine der Absoluttemneratiir T dee ,leweiligen Transistorpaars t>roOortionale Spannung gelegt wird, die an einem ohmschen Element (oder mehreren solchen Elementen) erzeugt wird, welches von dnem durch einen Stromregler geregelten Strom (oder Strömen) durchflossen wird;

Figuren 4- und 5 zeigen alternative Ausführun^sformen von Stromversterkern zur Verwendung im Stromrecrler 100 nach Figur 1;

Figur 6 zeigt eine wiederum andere A usführungsform eines Stromverstärkers zur Verwendung im Stromregler 100 nach Figur 1 oder 200 nach Figur 2;

Figur 7 zeigt eine vierte Ausführungsform eines Stromverstärkers, der sich zur Verwendung im Stromregler nach Figur 1 oder 200 nach Figur 2 eignet und gemäß der vorliegenden Erfindung mit Paaren 70 und 80 emitfcergekoppelter Transistoren verbunden ist.

In Oraktischen Ausführungsformen der Erfindung enthalten die Stromteiler häufig Stromregler 100, 200 oder 300 in Verbindung mit nur einem einzigen Paar emittergekoppelter Transistoren. In den Figuren 1,2 und 3 sind jedoch je\\'eils mehrere Paare emittergekoppelter Stromteilertransistoren dargestellt, um die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung straffer beschreiben zu können und Vergleiche zwischen den Ausführungsformen zu erleichtern.

In der Anordnung nach Figur 1 liegt ein Stromregler 100 in • einer Serienschaltung zwischen einem positiven Versorgungspotential +V und einem Bezugs- oder Massepotential· In der

CC

Serienschaltung befinden sich nacheinander: eine als Avalanche-

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Diode 101 gezeigte Einrichtung zur Erzeugung einer Offsetspannung bezüglich +V , ein ohmsches Element 102, ein Strom-

cc

regler 100, ein ohmsches Element 103 sowie eine Einrichtung zur Erzeugung einer Offsetspannung bezüglich Masse, die im dargestellten Fall aus zwei hintereinandergeschalteten und in Durchlaßrichtung gespannten Flächendioden 104· und 105 besteht.

Der Stromregler 100 enthält einen ersten Stromverstärker und einen zweiten Stromverstärker 120, die in Mitkopplung geschaltet sind. Genauer gesagt: Die Ausgangsklemme 112 des Verstärkers 110 ist in galvanischer Kopplung über ein ohmsches Element 106 gleichstrommässig mit der Eingangsklemme 121 des Verstärkers 120 verbunden, und die Ausgangsklemme 122 des Verstärkers 120 ist in galvanischer Kopplung über das ohmsche Element 107 gleichstrommässig mit der Eingangsklemme 111 des Verstärkers 110 verbunden. Der Verstärker 120 ist ein sogenannter "Stromspiegelverstärker" und bringt äne feste Stromverstärkung. Der Stromverstärker 110 ist ein modifizierter Stromspiegelverstärker mit einem ohmschen Element 116, welches dafür sorgt, daß die Stromverstärkung absnkt, wenn der an der Einprangsklemme 111 zugeführte Eingangsstrom zunimmt. Der S-^romregler 100 hält die durch die Widerstände 106 und 107 fließenden Ströme in einem festen Verhältnis zueinander und somit auch in einem festen V_erhältnis zu ihrer Summe. Die Summe dieser Ströme fließt durch die Elemente 101 und 102 zur gemeinsamen Klemme 123 des Verstärkers 120 (d.h. zu der dem Eingangskreis und Ausgangskreis dieses Verstärkers gemeinsamen Anschlußklemme) und von der gemeinsamen Klemme 113 des Verstärkers 110 über die Elemente 103, 104 und 105.

Die Verhältniswerte der Transkonduktanzen zweier zu Jeweils einem Paar gehörender PNP-oder NPN-Transistoren eind in der Zeichnung in kleinen Kreisen neben den Emitterelektroden der betreffenden Transistoren angegeben. Diese Verhältniswerte können bestimmt werden durch das Verhältnis der effektiven Flächen der Basis-Emitter-Übergänge in den beiden jeweils ein Paar bildenden Transistoren. Die Stromverstärkung der einfachen

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Stromspiegelschaltung 120 zwischen den Klemmen 121 und 122 ist bekanntlich im wesentlichen gleich -n, d.h. dem Verhältnis der Steilheit oder Transkonduktanz des Ausgangstransistors 125 zur Transkonduktanz des Eingangstransistors 124, und ist im wesentlichen unabhängig sowohl von der Temperatur als auch von den h„ -Werten (d.h. den Vorwärts-Stromverstärkungen in Emitterschaltung) der Transistoren 124 und 125· Bei relativ niedrigen Ausgangsströmen des Verstärkers 110, wie sie unmittelbar bei Beginn des Aufbaus von Strömen in der positiven Rückkopplungsschleife des Reglers 100 auftreten, ist der Spannungsabfall am Emittergegenkopplungswiderstand 116 vernachlässigbar. Bei diesen niedrigen Ausgangsströmen verhält sich der Verstärker 110 wie ein Stromspiegelverstärker und hat eine Stromverstärkung von -m zwischen seinen Klemmen 111 und 112. Der für niedrige Ströme geltende Verstärkungsfaktor mn des offenen Regelkreises des Reglers ist größer als 1 gewählt, typischerweise einige wenige Vielfache.

mit den Stromverstärkern 110 und 120 gebildete positive Rückkopplungsschleife ist nicht selbsterregend. Es bedarf der Einführung einer anfänglichen Stromstörung in der Schleife, und dann bewirkt die Mitkopplung ein Anwachsen des Stroms, bis sich der Betrag der Stromverstärkung des Verstärkers 110 von -m auf -1/n verringert hat und sich mit dem E_rreichen der Schleifenverstärkung 1 die Gleichgewichtsbedingung einstellt. Die anfängliche Stromstörung in der Schleife kann durch den kleinen Leckstrom eines Transistors mit offener Basis eingeführt werden, wie es in der USA-Patentschrift 2 629 691 gezeigt ist. Es kann auch eine selbst wieder verlöschende Stromquelle verwendet werden, um einen Startstrom in die S_chleife zu injizieren. Jedoch reichen die Basisströme des emittergekoppelten Transistorpaars 10, 20, 30, 40, 50 oder 60 aus, die Leitfähigkeit in der positiven Rückkopp lungs schleife ohne die Notwendigkeit eina? besonderen Startschaltung auszulösen, vorausgesetzt, diese Basisströme werden dem Stromregler 100 wie im Falle der Figur 1 in der richtigen Polarität zugeführt.

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Die Gleichgewichtsbedingung in der aus den Verstärkern 110 und 120gebildeten mitgekoppelten Schaltung kann berechnet werden, indem man von der folgenden Grundgleichung für den Transistorbetrieb ausgeht·

Hierbei ist:

die Spannung am Basis-Emitter-Übergang des Transistors,

k die Boltzmannkonstante,

T die Absoluttemperatur,

q die Ladung eines Elektrons,

I-p der Emitterstrom des Transistors,

A die Fläche des Basis-Emitter-Übergangs des Transistors,

J₀ die Dichte des Stromflusses durch den Basis-Emifcer-Übergang des Transistors im Falle der Sättigung.

Nachstehend werden den Ausdrücken Vg-g, I-g und A Zahlen als Indices nachgesetzt, die den jeweils in den Zeichnungen gemeinten Transistor identifizieren. Jg wird für alle Transistoren desselben Leitungstyps, die in simultan ablaufenden Herstellungsschritten ausgehend vom selben Halbleiter-Grundmaterial gebildet worden sind, als gleich angenommen. Ferner wird angenommen, daß die Transistoren dieselbe Betriebstemperatur haben,da sie sich in dichter Nachbarschaft auf dem integrierten Schaltungsblock befinden und weil wegen des geringen Wärmewiderstands des Blocks bei seiner Halterung an einem Gehäusesockel die -thermische Kopplung eng ist.

Die Basisströme der Transistoren in Figur 1 werden zur Vereinfachung der Berechnungen vernachlässigt; diese Näherung ist gewöhnlich recht gut, genauere Ergebnisse können von auf diesem Gebiet Geübten leicht ausgerechnet werden. Wegen der besagten

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Näherung kann davon ausgegangen werden, daß kombinierte Ströme (I.+I^) zur Klemme 123 fließen, daß die Komponente I_x. dann im linken Zweig des Reglers 100 über die Emitier-Kollektor-Strecke des Transistors 125« das ohmsche Element 107 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 114 zur Klemme 113 fließt und daß die Komponente Ip im rechten Zweig des Reglers 100 über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 124, das ohmsche Element 106, die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 115 und das ohmsche Element 116 zur Klemme 113

Die Spannung V₁₁₆ am ohmschen Element 116 ist gleich der Differenz zwischen den Basis-Emitter-Offsetspannungen der Transistoren 114 und 115i

^V116 ^{= V}BE114 " ^VBE115 ^

Setzt man die Gleichung (ΐ) in die Gleichung (2) ein, dann erhält man:

V₁₁₆ = (kT/q) fa- CI₁ZJ₈) - (kT/q)/u(I₂/mJ_s)

= (kT/q) /t (m I₁A₂) (3)

Im Gleichgewichtszustand fürht die feste Stromverstärkung des Verstärkers 120 zur iÖLgenden Beziehung zwischen I₁ und I₂:

I₁ = nl₂ (4)

Indem man die Gleichung (4) in die Gleichung (3) einsetzt, erhält man den Wert von V₁₁^ für den Gleichgewichtsfall:

(kT/q) L·, mn (5)

Es sei nun der Pail betrachtet, daß bei einem als ömittergekoppelter Stromteiler geschalteten Transistorpaar wie z.B. 60 die Basis-Emitter-Spannung ν_ΒΕ_£ des ersten Tran-

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sistors die Basis-Emitter-Spannung V-n_E_a des zweiten Transistors um A V-g-g übersteigt und die effektive Transkonduktanz des ersten Transistors bei einem gegebenen Stromwert um einen Faktor ρ höher ist als diejenige des zweiten Transistors. Für diesen Fall kann man das Verhältnis des Kollektorstroms Lt des ersten Stromteilertransistors zum Kollektorstrom Iq__s des zweiten Transistors berechnen.

- ^VBE-L - ^VBE-S

Setzt man die Gleichung (1) in die Gleichung (6) ein, dann erhält man:

(7)

Die Kollektorströme X_{n T} und T_{n a} des ersten und des zweite— Jj W—b

ten Transistors stehen zu den jeweiligen Emitterströmen I_E τ und I_E_g über denselben Multiplikator ex in Beziehung.

¹C-L = * ¹E-L <8)

C-L = * ¹E-L
¹G-S ⁼ ^ ¹E-S
Δ V_BE = (kT/q)

_Die vorstehende Gleichung (10), welche die Stromteilerwirkung eines emittergekoppelten Transistorpaars beschreibt, erhält man durch Einsetzen der Gleichungen (8) und (9) in die Gleichung (7)·

Die Gleichung (10) kann für den bestimmten Fall des emittergekoppelten Transistorpaars 60 folgendermassen geschrieben werden:

60983SM045 -9-

Indem man V .~ durch Kombination der Gleichungen (5) und (11) eliminiert, erhält man die nachfolgende Gleichung (12), vorausgesetzt, daß die Transistoren 61 und 62 bei im wesentlichen der gleichen Temperatur wie die Transistoren 114 und 115 betrieben werden. Diese Bedingung wird in einer monolithischen integrierten Schaltung leicht erfüllt, wenn die Transistoren 114, 115, 61 und 62 nahe beieinander in einem Teil des integrierten Schal tungsblocks liegen, der keinem steilen Temperaturgradienten unterworfen ist.

= imp I₀₆₂ (12)

Somit bewirkt die Stromnachfrage der Stromquelle 63 an der gemeinsamen Klemme 64, mit der die Emitterelektroden der Transistoren 61 und 62 verbunden sind, daß ein oC'innp/(mnp +1) mal so großer Strom durch den Lastwiderstand 65 zum Anschluß des ersten Zweiges und somit als Kollektorstrom zum Transistor 61 fließt. Ein cwinp + 1) - mal so großer Strom wie der von der Klemme 64 geforderte Strom fließt durch den Lastwiderstand 67 zu einem zweiten Zweiganschluß 68 und von dort als Kollektorstrom zum Transistor 61. Die Stromteilung zwischen den Lasten oder Verbrauchern 65 und 67 ist somit im wesentlichen unabhängig von den h_f -Werten der Transistoren und von der Temperatur. Es ist wichtig zu verstehen, daß sich dieses erwünschte Ergebnis einstellt, weil der Spannungsabfall am ohmschen Element 116 proportional zu T gemacht ist, d.h. proportional zur Betriebstemperatur der Schaltung 60.

Bei den Elementen, die in den übrigen emittergekoppelten Transistorpaaren 10, 20, 30, 40 und 50 funktionsmässig den Elementen 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67 und 68 entsprechen, ist die letzte Ziffer der betreffenden Bezugszahl jeweils entsprechend. Die ersten Ziffern der Bezugszahlen für diese Elemente entsprechender ersten Ziffer der Bezugszahl des Transistorpaars, dem diese Elemente jeweils zugeordnet sind. Nach dem gleichen

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Schema sind auch die Bezugszahlen für die Elemente ausgewählt, die den emittergekoppelten Transistorpaaren 70» 80 und 90 in den nachfolgenden Figuren zugeordnet sind.

Da nach dem ohmschen Gesetz im wesentlichen der gleiche Strom Ip in den ohmschen Elementen 106 und'116 fließt, läßt sich der Spannungsabfall V-Qg am ohmschen Element 116 ausdrucken durch und ein Verhältnis der V/iderstandswerte R^Qg und. r

ohmschen Elemente 106 und 116:

(M/O 4 (mn) ⁰WW ₍₁₃₎

Wenn man Vy₁₀C zwischen die Basiselektroden der Transistoren 51 und 52 legt, dann erhält man unter der Voraussetzung, daß die Transistoren 51 und 52 bei gleichen Temperaturen wie die Transistoren 114- und 115 betrieben werden, folgende Beziehung

zwischen I_nc. und 1^_n.,. d.h. zwischen den Kollektorströmen der U?1 Opd,

Transistoren 51 und 52:

Um ein festes Verhältnis zwischen Iqcxi und Irjcp ^zu erhalten, sollten die Widerstandswerte R₁Qg ^un^· ^Ειΐ6 ^^Seachtet irgendwelcher Temperaturänderungen und über einen Herstellungsspielraum zueinander in einem festen V_erhältnis stehen. Dies ist bei monolithischen integrierten Schaltungen nicht schwer zu erreichen, vorausgesetzt, die Widerstände befinden sich nahe beieinander in einem Bereich des Schaltungsblocks, der keinem steilen Temperaturgradienten ausgesetzt ist, und werden mit denselben Verfahrensschritten hergestellt. Indem man ^R^O6^116 einigemal größer als 1 macht, lassen sich trotz kleiner Zahlen

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für m. η. und ρ sehr große Verhältnisse von Iqe.* zu ^

052 erzielen.

In jedem der Stromteiler, die den Stromregler 100 und irgendeines der stromteilenden emittergekoppelten Transistorpaare 10, 20, 30» 4-0 oder 50 enthalten, wird der Spannungsabfall A V-g_E am ohmschen Element 106 mit einem festen Paktor multipliziert "und zwischen die Basiselektroden der emittergekoppelten Transistoren gelegt· Der feste Faktor ergibt sich wegen dem festen Verhältnis zwischen den Strömen im Regler 100 und dem festen Widerstandsverhältnis zwischen dem ohmschen Element 106 und dem ohmschen Element 102, 107, 103 oder 116. Wenn die emittergekoppelten Transistoren auf im wesentlichen derselben Temperatur betrieben werden wie die Transistoren 114 und 115» erfolgt die Stromteilung zwischen den Emitter-Kollektor-Strecken der emittergekoppelten Transistoren einem festen Verhältnis.

Der durch das ohmsche Element 107 fließende Strom T. beträgt das η-fache des durch das ohmsche Element 116 fließenden Stroms Ip. Aus dieser Überlegung läßt sich in Verbindung mit dem ohmschen Gesetz die folgende Gleichung für den Spannungsabfall am ohmschen Element 107 herleiten:

^V1O7 ^{= (nR}i07/^R1i6^ ^V116 ⁼ ^'i' ^ν""ΐ07'"ΐ06) am mn

. (M/q) U <*») ^(nE WW (15)

Wenn man V^₀₇ zwischen die Basiselektroden der Transistoren 21 und 22 legt, dann erhält man folgende Beziehung zwischen Iq₂₁ "²^ ^022» ä-·*¹· zwischen den Kollektorströmen der Transistoren 21 und 22:

- ρ (mn) W ^⁶' I₀₂₂ (16)

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Der durch die ohmschen Elemente 102 und 103 fließende kombinierte Strom Ιχΐ+Ιρ ist (n+1) -mal so groß wie I.. Somit haben die Spannungsabfälle V.q₂ und V.q^ an den ohmschen Elementen 102 und 103 folgende Werte:

£n,_(w0

Beim Anlegen der Spannung 7 ₀„ ^{an das} Transistorpaar 10 erhält man folgende Beziehung zwischen den Kollektorströmen und 1q/|o ^er Transistoren 11 und 12:

^Ισΐ2 (19)

V/ird die Spannung V„_n, an das Transistorpaar 30 gelegt, dann erhält man folgende Beziehung zwischen den Kollektorströmen Iq^ und Iq^p der Transistoren 31 und 32:

= ρ(mn) - I_{032 (20)}

Zwischen den Basiselektroden der Transistoren 4-1 und 4-2 des emittergekoppelten Transistorpaars 4-0 liegt die Summe der Spannungen Vq-, und V.^g, so daß zv/ischen'den Kollektorströmen Iq/i^j und Iq^₂ ^der Transistoren dieses Paars folgende Beziehung besteht:

T «fmr,^ ^[1O6^C^1O3^{] /R}116 _ ₍^

¹C^i ⁼ PCmn; ^ I₀^₂ (21)

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Die Entscheidung des Konstrukteurs, welches der stromteilenden Transistorpaare 10, 20, 30, 40, 50 und 60 er verwendet, hängt zum großen Teil davon ab, auf welches Niveau bezüglich des Versorgungspotentials +V_cc und des Maesepotentials er die Basiselektroden des Transistorpaars vorzuspannen wünscht · Jedes Transistorpaar 10, 20, 30, 40, 50 und 60 kann durch ein Gegenstück aus Transistorendes entgegengesetzten Leitungstyps ersetzt werden, jedoch muß man hierbei Maßnahmen treffen, um die Leitfähigkeit in der durch die Verstärker 110 und 120 gebildeten Mitkopplungsschleife im Stromregler 110 anfänglich ii Gang zu setzen. Das Vorspannen des stromteilenden Transistorpaars kann auch in modifizierter Weise erfolgen, indem man weitere Einrichtungen zur Bildung von Offsetspannungen in geeigneter V/eise anschließt, z.B. zwischen den Widerstand 102 und die Klemme 123₅ wischen den Widerstand 106 und die Klemme 121, zwischen den Widerstand 107 und die Klemme 111 oder zwischen die Klemme 113 und den Widerstand 103.

Es sind mehrere Abwandlungen des Stromreglers 100 möglich. Der Stromverstärker 110 kann beispielsweise entweder durch den Stromverstärker 110* nach Figur 4 oder durch den Stromverstärker 110" nach Figur 5 ersetzt werden. Anstelle des Stromspiegelverstärkers 120 kann man nahezu jeden der vielen bekannten Stromspiegelverstärker einsetzen, einschl. solcher, die mit Feldeffekttransistoren oder Doppelkollektor-Transistoren aufgebaut sind. Der Stromspiegel 120' nach Figur 6 enthält einen Doppelkollektor-Transistor, und sein Stromverstärkungsfaktor wird bestimmt durch das Verhältnis der "Kollektionswirksamkeiten" der mitdsr Ausgangsklemme122 und mit der Eingangsklemme 121 verbundenen Kollektorgebiete. Der Verstärker 120 kann durch einen Stromspiegelverstärker ähnlich wie 120" in Figur 7 ersetzt werden. Jeder Stromspiegelverstärker, dessen S-^romverstärkungsfaktor durch Proportionierung der Transkonduktanzen von Transistoren 124 und 125 in Basis-Basis-Verbindung und Emitter-Emitter-Verbindung (oder Gate-Gate-Verbindung und Source-Source-Verbindung) bestimmt wird, kann durch Einfügung

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von Emittergegenkopplunprswiderständen 126 und 127 für die Transistoren 124 und 125 modifizi3?t werden. Indem man den Widerstand 126 η-mal so groß wie den Widerstand 127 macht, wobei η das Verhältnis der Basis-Smitter-Übergangsflache des Transistors 125 zu derjenigen des Transistors 124 ist, bleibt der Stromverstärkungsfaktor des Stromspiegelverstärkers unbeeinflußt von den Widerständen 126 und 127 auf dem Wert -n. Da I₁* durch den Widerstand 127 und I₂ durch den Widerstand 126 fließt, sind die durch die Widerstandswerte R^on und hervorgerufenen Spannungsabfälle V₁ ^n und V.pg der »Spannung proportional:

^V126 = ^(R126^/E116^)V116

(23)

V/enn man V.^o zwischen die Basiselektroden der Transistoren 71 und 72 legt, dann gilt folgende Beziehung zwischen den Kollektorströmen Ign^ und Iqoo dieser Transistoren:

(nR pr/^g) = ρ (mn) ^{i27 116} I₀₇₂ (24)

Wenn man V-₂^ zwischen die Basiselektroden der !Transistoren 81 und 82 legt, dann gilt folgende Beziehung zwischen den Kollektorströmen I₀Q₁ und Zqqo dieser Transistoren:

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= ρ (mn) '— ' ^lo I₀₈₂ (25)

Zur Erzielung einer klar definierten Stromteilung kann man auch die Summe von V₁₀₂ und entweder V₁₂₆ oder V₁₂^ zwischen die Basiselektroden zweier emittergekoppelter Transistoren legen·

In der Schaltungsanordnung nach Figur 2 bildet ein Stromregler 200 Teil einer zwischen +V und Kasse liegenden Serienschaltung· Die Serienschaltung enthält in dieser Reihenfolge: eine als ohmsches Element 201 dargestellte Einrichtung zur Erzeugung einer Offsetspannung gegenüber +V , ein ohmsches EIe-

VS C

ment 202, den Stromregler 200 und eine als ohmsches Element 204 dargestellte Einrichtung zur Erzeugung einer Offsetspannung gegenüber Masse· Der S^romregler 200 ist gebildet durch zwei in Mitkopplung angeordnete Stromverstärker 210 und 220, Der erste Stromverstärker 210 hat eine Stromverstärkung -H, die ausgehend von einem Anfangswert -m abnimmt, wm der seiner Einganprsklemme 211 züge führte Eingangs strom zunimmt. Der zweite Verstärker 220 kann irgendeiner der vielen bekannten Stromspiegelverstärker mit einer festen Stromverstärkung -n sein. Vorzugsweise hat der Stromverstärker 220 jedoch eine ähnliche Struktur wie ein Stromspiegelverstärker, der Transistoren mit parallelgeschalteten Basis-Emitter-Kreisen zur Bestimmung seiner Stromverstärkung aufweist, wobei jedoch der galvanisch mit der Eingangsklemme gekoppelte Transistor des Verstärkers einer stärkeren Emittergegenkopplung unterliegt als der galvanisch mit der Ausgangsklemme des Stromverstärkers gekoppelte Transistor· Dieser modifizierte Aufbau führt dazu, daß der Stromverstärker 220 eine Stromverstärkung -G hat, die ausgehend von einem Anfangsx^ert -n ansteigt, wenn der seiner Eingangsklemme 221 zugeführte Eingangsstrom ansteigt.

Die Mitkopplung der Verstärker 210 und 220 wird durch eine Gleichstromverbindung von der Ausgangsklemme 212 des Ver-

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stärkers 210 zur Eingangsklemme 221 des Verstärkers 220 erreicht, die als galvanische Kopplung über ein ohmsöies Element 206 dargestellt ist, sowie durch eine Gleichstromverbindung von der Ausgangsklemme 222 des Verstärkers 220 zur Eingangsklemme 211 des Verstärkers 210, die als galvanische Kopplung über ein ohmsches Element 207 dargestellt ist·

Die Verstärkung der offenen Schleife bei niedrigen S-^rompegeln hat den Wert mn, der größer als 1 gewählt ist, so daß die Tendenz besteht, daß eine anfängliche Stromstörung in der Schleife durch Mitkopplungswirkung zu einem wachsenden Strom führt. Das Anwachsen der Ströme in den Schleifen dauert so lange, bis der Spannungsabfall ^o^6 ^{am onm}schen Element 216 so groß geworden ist, daß -H (d.h. die Stromverstärkung des Verstärkers 210) auf im wesentlichen den Reziprokwert von -G (d.h. der Stromverstärkung des Verstärkers 220) abgesunken ist. Bei diesem Punkt ist die GIeichgewichtsbedingung einer Schleifenverstärkung von 1 erreicht.

Das Gleichgewicht stellt sich für bestimmte Werte von I₅, und I₁, ein, wobei I^ der durch die linke Hälfte des Stromreglers fließende Strom und I₁, der durch die rechte Hälfte fließende Strom ist. Im einzelnen fließt ein Strom von im wesentlichen gleich (I^+I^,) von der Klemme +V über die ohmschen Elemente 201 und 202 zur gemeinsamen Klemme 223 des Verstärkers 220. Von dieser Klemme 223 fließt der Strom I^ über das ohmsche Element 227 (oder eine stattdessen vorgesehene andere Gleichstromverbindung oder Direktverbindung), die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 225» die ohmschen Elemente 207 und 216 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 214-zur gemeinsamen Klemme 213 des Verstärkers 210. Der Strom I^ fließt über das ohmsche Element 226, die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 224, das ohmsche Element 206 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 215 zur gemeinsamen Klemme 213· Von der gemeinsamen Klemme 213 geht ein Strom von

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im wesentlichen gleich (Ι,+I^) über die ohmschen Elemente 203 und 20^- nach Masse. Infolge des Stroms I₇ erscheint an dem einen Widerstandswert Ro* 5 aufweisenden Element 216 ein Spannungsabfall

^V216 ^{= τ}3 ^R216 ^{= V}BE214- " ^VBE215 = (kT/q) /in. (I₃/J_s) - (kT/q)_4s

= (kT/q) Ä (mI₃/I₄) (26)

V/enn die Emittergegenkopplungswiderstände 226 und 227 Widerstandswerte Rp26 "¹¹^^{- R}227 ^{= R}226^ⁿ ^^a^^eni dann ist der Verstärker 220 ein Stromspiegelverstärker des in der USA-Patentschrift 3 566 289 beschriebenen Typs. Er hat eine Stromverstärkung -G, die gleichbleibend -n beträgt und ein Stromverhältnis 1-^/1^ - η ersswingt· Wenn der Verstärker 220 ein Stromspiegelverstärker ist, dann gehorcht Vo^,g der nachfolgenden Gleichung (27):

= (kT/q) A mn (27)

=(R₂₀₇/R₂₁₆)(kT/q) U. mn«(kT/q) ^L (mn) ²°^{7 216} (28)

^{R206 216 (29)}

U [(n+i)R_On^/^nRo^c 1

mn=(k!E/qM»i (mn) ^ <^^b

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Die Gleichungen (28) bis (31) sind abgeleitet unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes, ferner unter Besinnung auf die Beziehung Ι^Ι-,/η und Herleiting der Beziehung 1^+I₂, = (111+1)* I-,/η. Die diesen Gleichungen folgenden Spannungsabfälle werden den emittergekoppelten Transistorpaaren 10, 20, 30» 50 und 90 angelegt, was unter der Voraussetzung, daß die Transistorpaare bei im wesentlichen derselben Temperatur wie die Transistoren 214- und 215 betrieben werden, zu den folgenden Ergebnissen führt:

(n+1 )R^_rto/nRo>, ,-I

^IC12 (32)

= ρ(mn) ' ^IC22 (33)

= P (mn) I₀₃₂ (^

(R_pnf-/nRp _fi)
= P(mn) I₀₅₂ (35)

[1+(Rp₀₉ZRp./-)]
I₀₉₁ = _P(mn) ^{207 215} I₀₉₂ (36)

und I₀op sind die Kollektorströme der Transistoren 91 und 92.

Der in der Anordnung nach JTigur 3 enthaltene Stromregler 3OO unterscheidet sich vom Stromregler 200 dadurch, daß das ohmsche Element 227 durch eine Direktverbindung ersetzt ist. Für den Schaltungsentwurf wird zu Beginn entschieden, welche Größe G_E und H-g die Gleichgewichtswerte für -G und -H haben sollen, wobei G-g größer als η und Kg kleiner als m ist. G-g und Hg müssen Reziprokwerte zueinander sein, damit das Kriterium der für das Gleichgewicht notwendigen Schleifenverstärkung von 1 erfüllt wird. Die Gleichungen 25 bis 34- "beschreiben, wenn man darin η durch G₁₇ ersetzt, den Betrieb der Schaltungsanordnung nach Figur 3.

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Wie unter Würdigung der vorstehenden Beschreibung: zu erwarten ist, erhält man auch dann brauchbare Stromteiler, wenn der Wert für Ro?7 tischen O und E^pg/n liegt· Stromregler mit einer

gegenüber den beschriebenen Typen etwas weniger guten Stromregelung lassen sich bauen, indem man:

a) den Stromspiegelverstärker 120 im Regler 100 durch einen Stromverstärker ersetzt, bei dem die Stromverstärkung mit wachsendem Eingangsstrom ansteigt, wie es in Verbindung mit den Stromreglern 200 und 300 beschrieben ist, oder

b)den Stromverstärker 120 im Regler 100 oder den Stromverstärker 220 im Regler 200 durch einen Stromverstärker ersetzt, dessen Stromverstärkung wie beim Stromverstärker 110 mit wachsendem Eingangsstrompegel absinkt.

Die beiden Transistoren eines emittergekoppelten stromteilenden Transistorpaars mögen in ihren Basispotentialen einen gegenseitigen Offset um den SOannungsabfall am Emittergegenkopplungswiderstand 226 oder 227 haben.

Es gibt auch eine Vielzahl anderer Ausführungsformen, mit denen das in der vorstehenden Beschreibung zum Ausdruck kommenden Prinzip realisiert werden kann, und die Patentansprüche sind 3ntsprechend auszulegen. Beispielsweise können die Transistoren in einem emittergekoppelten stromteilenden Transistorpaar sogenannte Verbundtransistoren sein, die jeweils aus einer gleichen Anzahl mehrerer Transistoren in Darlington-Schaltung bestehen, um Basisstromfehler gering zu halten.

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Claims (1)

1. P at entanst) rüciie

   Stromteiler mit einem gemeinsamen Anschluß und zwei Zweiganschlüssen, ferner mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die jeweils eine Basis-,eine Emitter- und eine Kollektorelektrode haben und deren Emitterelektroden mit dem gemeinsamen Anschluß und deren Kollektorelektroden mit jeweils einem gesonderten der Zweiganschlüsse verbunden sind und die auf im wesentlichen der gleichen Temperatur T betrieben werden und vom selben Leitungstyp sind, sowie mit einer Quelle für eine cfer Temperatur T proportionale Spannung, die zwischen die Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle ein erstes ohmsches Element (102; 103; 106; 107;, 116; 103 und 116; 202; 2OJ; 206; 207; 207 und 216; 126; 127) enthält, 'welches mit seinem ersten Ende an die Basiselektrode des ersten Transistors (11; 21; 31;··· 91) angeschlossen ist und mit seinem zweiten Ende an die Basiselektrode des zweiten Transistors (12; 22; 32; ... 92) angeschlossen ist, und daß zwischen das erste und das zweite Ende des ohmschen Elements eine Quelle (100; 200; 300) für einen von der Temperatur T abhängigen Strom geschaltet ist, um zwischen diesen beiden Enden einen im wesentlichen der Temperatur T proportional folgenden Spannungsabfall zu erzeugen.

   2· Stromteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Temperatur T abhängige Stromquelle folgendes enthält:

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   eine erste und eine zweite Versorgungsklemme (+V_rtn- Masse):

   CC

   einen ersten Stromverstärker (110; 210) mit einer Eingangsklemme (111; 211), einer Ausgangsklemme (112; 212), einer gemeinsamen Klemme (113; 213)» einem dritten (114; 214·) und einem vierten (115> 215) Transistor eines ersten Leitungstyps, einer ersten galvanischen Kopplung (Leiter oder 216) zwischen der Kollektorelektrode des dritten Transistors und der Eingangsklerame (111; 211) des ersten Stromverstärkers, einer zwischai der Emitterelektrode des dritten Transistors und der gemeinsamen Klemme (113; 213) des ersten Stromverstärkers liegenden zweiten galvanischen Kopplung in Form einer Gleichstromverbindung ohne wesentliche Zyjischenimpedanz, einer Gleichstromverbindung (Leiter) von der Eingangsklemme des ersten Stromverstärkers zur Basiselektrode des dritten Transistors, einer Gleichstromverbindung (Leiter oder 216) von der Eingangsklemme des ersten Stromverstärkers zur Basiselektrode des vierten Transistors, einer dritten galvanischen Kopplung (Leiter oder 116) zwischen der Emitterelektrode des via?- ten Transistors und der gemeinsamen Klemme des ersten Stromverstärkers, einer vierten galvanischen Kopplung (Leiter)zwischen der Kollektorelektrode des vierten Transistors und der Ausgangsklemme des ersten Stromverstärkers, sowie ein zweites ohmsches Element (216; 116)-, dessen Widerstandswert demjenigen des ersten ohmschen Elements (102; 103; 106; 107; 116; i03ind 116; 202; 203; 206; 207; 207 und 216; 126; 127) auch bei änderungen ihrer im wesentlichen gleich hohen Betriebstemperaturen proportional ist und welches in der ersten oder in der dritten galvanischen Kopplung eingefügt ist;

   einen zweiten Stromverstärker (120; 220) mit einer Eingangsklemme (121; 221), einer Ausgangsklemme (122; 222), einer gemeinsamen Klemme (123; 223), einem fünften (124; 224·) und einem sechsten (125; 225) Transistor eines zwei-

   - 22 609835/1045

   ten Leitungstyps, einer fünften galvanischen Kopplung (Leiter) zwischen der Kollektorelektrode des fünften Transistors und der Eingangsklemme des zweiten Stromverstärkers, einer sechsten galvanischen Kopplung (Leiter oder 226) zwischen der Emitterelektrode des fünften Transistors und der gemeinsamen Klemme des zweiten Stromverstärkers, einer Gleichstromverbindung (Leiter oder 228) von der E-ingangsklemme des zweiten S-f-romverstärkers zur Basiselektrode des fünften Transistors, einer Gleichstromverbindung (Leiter) von der Basiselektrode des sechsten Transistors zur Basiselektrode des fünften Transistors, einer siebenten galvanischen Kopplung (Leiter oder 22?) zwischen der Emitterelektrode des sechsten Transistors und der gemeinsamen Klemme des zweiten Stromverstärkers, sowie einer achten galvanischen Kopplung (Leiter) zwischen der Kollektorelektrode des sechsten Transistors und der Ausgangsklemme des zweiten Stromverstärkers, wobei der erste und der zweite Leitungstyp zueinander komplementäre Leitungstypen sind;

   eine neunte galvanische Kopplung (103, 104-, 105; 2o3» 204-,) zwischen der ersten Versorgungsklemme (Masse) und der gemeinsamen Klemme des ersten Stromverstärkers;

   eine zehnte galvanische Kopplung (1O1, 102; 201, 202) zwischen der zweiten Versorgungsklemira (+V) und der ge-

   CC

   meinsamen Klemme des zweiten Stromverstärkers;

   eine elfte galvanische Kopplung (1O6, 206) zwischen der Ausgangsklemme des ersten Stromverstärkers und der Eingangsklemme des zweiten Stromverstärkers;

   eine zwölfte galvanische Kopplung (107; 207) zwischen der Ausgangsklemme des zweiten Stromverstärkers und der Eingangsklemme des ersten Stromverstärkers;

   und daß das erste ohmsche Element in einer anderen der galvanischen Kopplungen als das zweite ohmsche Element eingefügt ist·

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   3. Stromteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des von der Temperatur T abhängigen Stroms folgendes enthält:

   eine erste und eine zweite V_ersorgungsklemme (+^v _cc und Masse);

   einen ersten Stromverstärker (110; 210) mit einer Eingangsklemme (111; 211), einer Ausgangsklemme (112; 212), einer gemeinsamen Klemme (113; 213), einem dritten (114; 214·) und einem vierten (115| 215) Transistor eines ersten Leitungstyps, einer ersten galvanischen KoOplung (Leiter oder 216) zwischen der Kollektorelektrode des dritten Transistors und der Eingangsklemme des ersten Stromverstärkers, einer zweiten galvanischen Kopplung zwischen der Emitterelektrode des dritten Transistors uad der gemeinsamen Klemme des ersten Stromverstärkers in Form einer Gleichstromverbindung ohne wesentliche Zwischenimpedanz, einer Gleichstromverbindung (Leiter) von der Eingangsklemme des ersten Stromverstärkers zur Basiselektrode des dritten Transistors, einer Gleichstromverbindung (Leiter oder 216) von der Eingangsklemme des ersten Stromverstärkers zur Basiselektrode des vierten Transistors, einer dritten galvanischen Kopplung (Leiter oder 116) zwischen der Emitterelektrode des vierten Transistors und der gemeinsamen Klemme des ersten Stromverstärkers, einer vierten galvanischen Kopplung (Leiter) zwischen der Kollektorelektrode des vierten Transistors und der Ausgangsklemme des ersten Stromverstärkers, wobei das erste ohmsche Element (116; 216) in der ersten oder in der dritten galvanischen Kopplung eingefügt ist;

   einen zweiten Stromverstärker (120; 220) mit einer Eingangsklemme (121; 221), einer Ausgangsklemme (122; 222), einer gemeinsamen Klemme (123; 223), einem fünften (124 ; 224) und einem sechsten (125; 225) Transistor eines zweiten Leitungstyps, einer fünften galvanischen Kopplung

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   (Leiter) zwischen der Kollektorelektrode des fünften Transistors und der Eingangsklemme des zx^eiten Stromverstärkers, einer sechsten galvanischen Kopplung (Leiter oder 226) zwischen der Emitterelektrode des fünften Transistors und der gemeinsamen Klemme des zweiten Stromverstärkers, einer Gleichstromverbindung (Leiter oder 228) zwischen der Eingangsklemme des zweiten Stromverstärkers und der Basiselektrode des fünften Transistors, einer Gleichstromverbindung (Leiter) zwischen der Basiselektrode des sechsten Transistors rad der Basiselektrode des fünften Transistors, einer siebenten galvanischen Kopplung (Leiter oder 227) zwischen der Emitterelektrode des sechsten Transistors und der gemeinsamen Klemme des zweiten Stromverstärkers, sowie einer achten galvanischen Kopplung (Leiter) zwischen der Kollektorelektrode des sechsten Transistors und der Ausgangsklemme des zweiten Stromverstärkers, wobei der erste und der zweite Leitungstyp zueinander komplementäre Leitungstypen sind;

   eineneunte galvanische Kopplung (103, 104, 105; 203, 204) zwischen der ersten Versorgungsklemme (Masse) und der gemeinsamen Klemme des ersten Stromverstärkers;

   eine zehnte galvanische Kopplung (101, 102; 201, 202) zwischen der zweiten Versorgungsklemme (+V) und der gemeinsamen Klemme des zweiten Stromverstärkers;

   eine elfte galvanische Kopplung (1O6; 20 ) zwischen der Ausgangsklemme des ersten Stromverstärkers und der Eingangsklemme des zweiten Stromverstärkers;

   eine zwölfte galvanische Kopplung (107; 207) zwischen der Ausgangsklemme des zweiten Stromverstärkers und der Eingangsklemme des ersten Stromverstärkers·

   4. Stromteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fünfte (124) und der sechste (125) Transistor sich in eine gemeinsame Emitterelelcfcrode und eine gemeinsame Basiselektrode teilen (Figur 6).

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   a.

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