DE2705276C2

DE2705276C2 - Auf einem Halbleiterchip gebildete Konstantstromquelle

Info

Publication number: DE2705276C2
Application number: DE2705276A
Authority: DE
Inventors: Masaru Kanagawa Hashimoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-02-26
Filing date: 1977-02-09
Publication date: 1983-11-10
Also published as: DE2705276A1; US4119869A; GB1518641A; JPS52113339U

Description

Die Erfindung betrifft eine auf einem gemeinsamen Halbleiterchip gebildete Konstantstromquelle mit einer Emitterfolger-Stufe aus einem Transistor, dessen Basis an einer über einen Vorwiderstand gespeisten Serienschaltung von zwei Dioden geschaltet ist, die aus Transistoren gebildet sind, deren Basis und Kollektor miteinander verbunden sind, und mit einem dem Emitterwiderstand des Transistors der Emitterfolger-Stufe nachgeschalteten Ausgangsstufe, gebildet aus einem Transistor, dessen Basis am Emitter des Emitterfolger-Transistors angeschlossen ist und in dessen Kollektorkreis der Verbraucher angeordnet ist.

In integrierten Halbleiterschaltungen können die Parameter und Eigenschaften der zum gleichen Halbleiterchip gehörenden Dioden und Transistoren einander derart angepaßt werden, daß eine Konstantstromschaltung entsteht, deren Ausgangsstrom gleich dem Steuerstrom oder gleich dem Vielfachen des Steuerstromes ist. Eine bereits vorgeschlagene, eine Diode aufweisende Konstantstromschaltung ist in ein Halbleiterchip derart eingearbeitet, daß eine schaltungsmäßig auf den Emitter eines Ausgangstransistors geführte Steuerstufe entsteht. Das zwischen dem Emitterbereich der Diode und dem Emitterbereich des Transistors gegebene Verhältnis weist einen Wert 1 : N auf. In diesem Fall besteht zwischen dem konstanten Strom /2. der durch den Kollektor des Transistors fließt, und dem Steuerstrom h. der durch die Diode fließt, die Zuordnung:
I₂Ih = N.

Ist der Wert für N fast Eins, dann entsteht eine Konstantstromschaltung extrem einfachen Aufbaues. Eine solche Schaltung ist aus »Wireless World«, Oktober 1970, Seiten 511 bis 513. bekannt.

Aus dem »IBM Technical Disclosure Bulletin« VoL 18, Nr. 3, August 1975, Seiten 737 und 738, ist weiterhin eine Konstantstromquelle bekannt, bei der die hierzu benutzten Transistoren nicht direkt an der Stromquelle bzw. am Emitterwiderstand liegen, sondern über zusätzliche, in deren Emitterkreis vorgesehenen Widerständen. Ferner liegt der Transistor der Emitterfolger-Stufe nicht direkt an durch Transistoren gebildeten Dioden. Vielmehr ist die durch den Transistor gebildete Diode durch einen aus Widerständen gebildeten Spannungsteiler überbrückt Damit ist eine Abhängigkeit des eingestellten konstanten Stromes von der auftretenden Temperatur gegeben. Diese Temperaturabhängigkeit wirkt sich aber nachteilig auf die Kontinuität des eingestellten Stromes aus.

In »Der Elektroniker« 1972, Nr. 5 ist auf den Seiten 226 bis 228 eine Konstantstromquelle beschrieben, die gemäß der Abbildungen 12 und 14 über einen weiten Temperaturbereich stabil ist und die trotzdem, aber von der Temperatur proportional abhängig bleibt Diese Abhängigkeit wird noch erhöht, weil in einer integrierten Schaltung weitere partielle Temperaturunterschiede gegeben sind. Außerdem wird in dieser Veröffentlichung ausdrücklich von der Benutzung zusätzlicher Widerstände abgeraten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstantstromschaltung für einen integrierten Schaltkreis zu schaffen, durch die ein von der Temperatur f unabhängigejTconstanter Strom erzielt wird, ohne daß dadurch das Halbleiterchip zu groß wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Basis des Emitterfolger-Transistt.-rs unmittelbar an die Serienschaltung aus den Dioden angeschlossen ist, daß bei mindestens einem der als Diode geschalteten Transistoren die Verbindung von Basis und Kollektor über einen Widerstand hergestellt ist und daß der Emitter des Transistors der Ausgangsstufe direkt an das andere Ende des Emitterwiderstandes des Emitterfolger-Transistors angeschlossen ist.

Die Emitterfolger-Stufe kann anstelle der einzigen Stufe in Kaskade angeordnete Einzelstufen aufweisen, und die Anzahl der Dioden kann die Anzahl der Einzelstufen um mindestens eins überschreiten!.

Ferner ist es möglich, die Emitterwiderstände durch Ko;;stantstromquellen zu ersetzen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von . Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine mit Dioden bestückte Konstantstromquelle mit einer Emitterfolger-Stufe,

F i g. 2 eine Konstantstromquelle mit mehreren in Kaskade geschalteten Emitterfolgcr-Stufen und

Fig.3 eine Konstantstromquelle gemäß der Erfindung.

Wie aus F i g. 1 ersichtlich könnten für die gezeichneten Dioden D, und D₂ auch Transistoren verwendet werden. Demnach können diese Transistoren auch bei den Beispielen nach den F i g. 1 und 2 entsprechend der Erfindung geschaltet sein, wie dies lediglich in der F i g. 3 dargestellt ist.

Bei dem in F i g. 1 gezeigten Beispiel sind die als Dioden geschalteten Transistoren als NPN-Transisto-

/wesentlich

ren ausgebildet, deren Kollektoren jeweils mit den Basen verbunden sind und die Anoden der Dioden bilden, während die Emitter jeweils die Kathoden darstellen. Die Anode der Diode Di ist schaltungsmäßig auf die Kathode der Diode D_t geführt, und die Kathode der Diode Di liegt an Erde. Eine Stromquelle / für den Steuerstrom ist auf die Anode der Diode Di geschaltet. Bei dieser Stromquelle kann es sich um einen Widerstand handeln, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Die Dioden D\ und Dz und die Spannungsquelle bilden eine Steuerstufe.

Die Anode der Diode Di steht mit einer Emitterfolger-Schtltung in Verbindung, die als Emitterfolger-Schaltung mit einer einzigen Emitterfolger-Stufe ausgeführt ist. Diese Emhterfolger-Stufe besteht aus dem NPN-Transistor Qi uno aus dem Widerstand Ru der schaltungsmäßig zwischen dem Emitter des Transistors <?i und Erde angeordnet ist. Die Basis dieses Transistors Qi ist auf die Anode der Diode A geführt, während der Kollektor dieses Transistors mit einer (nicht dargestellten) Stromquelle in Verbindung steht. Das hat zur Folge, daß die Basis des Transistors Q< und der Emitter aes Transistors Qi jeweils den E-ngangspunkt A und den Ausgangspunkt B der Emitterfolger-Stufe bilden.

Die Konstantstromschaltung wird durch eine Ausgangsstufe vervollständigt, die als N PN-Transistor Qa ausgeführt ist. Die Basis dieses Transistors ist mit dem Emitter des Transistors Q\ verbunden, der Emitter des Transistors Qa Hegt an Erde, und der durch den Kollektor fließende Strom ist der Ausgangsstrom, was bedeutet, daß der Laststromkreis oder der zu steuernde Stromkreis an den Kollektor des Transistors Qa angeschlossen werden muß.

Für die Beschreibung der Funktion der mit Fig. 1 wiedergegebenen Schaltung sowie für die Beschreibung der Zuordnung und der Verknüpfung zwischen dem Strom Iu der von der Stromquelle / her aufgeschaltet wird, und dem Kollektorstrom I₂ des Transistors Q\ sowie dem Ausgangsstrom /3 des Transistors Qa sei angenommen, daß die Emitterbereiche der beiden Transistoren Q\ und Q^ und die Emitterbereiche der Dioden Di und D₂ gleich sind und daß der Einfluß des Basisstromes der Transistoren Q₁ und Qa vernachlässigt werden kann und nicht berücksichtigt zu werden braucht. Für die Spannung Vbe zwischen der Basis und dem Emitter von irgendeiner der Dioden und irgendeinem der Transistoren gilt die nachstehend angeführte Gleichung:

KT L₁ Ii . /₂\ KT , I?

Vbe = (2 In -j- - In -J-) = In -L-.

? V h IJ 1 hh

Für die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q_A gilt ebenfalls die nachstehende Gleichung: -

Aus diesem Grunde kann das Verhältnis zwischen den Strömen I₁, I₁ und I₃ anhand der nachstehenden Gleichung ermittelt werden: -

^YBE

In dieser Gleichung ist K die Boltzmann-Konstante, T die abscJute Temperatur, q die Elektronenladung (e), l_c der Kollektorstrom und h der Sättigungsstrom. Weil sich nun die Dioden Di und Di sowie die Transistoren Q₁ und Qa im gleichen Halbleiterchip befinden, ist der Wert oder die Größe von h für alle gleich, damit aber kann auch KT/q als für alle Halbleiter-Vorrichtungen im Chip gleich betrachtet werden. Aus diesem Grunde wird die Basis-Emitter-Spannung Vbe für den Transistor Qa in der nachstehend gegebenen Gleichung dadurch bestimmt und festgelegt, daß das Potential am Punkt B vom Potential am Punkt A subtrahiert wird. Die dafür zutreffende Gleichung lau'et:

q I₁ q IJ₁ und schließlich auch mit...

If- hh

Die letzte Gleichung läßt erk«.men, daß das Verhältnis zwischen A und /3 gleich de»n Verhältnis zwischen I₂ und Λ ist Soll nun das Verhältnis zwischen I\ und /3 gleich 1 : N werden, dann läßt sich das dadurch erreichen, daß der Wert für I₂ so ausgelegt wird, daß dieser gleich l/Nvon /1 ist

Damit aber kann der Steuerstrom h auf einen kleinen Teil des Ausgangsstromes /3 gebracht werden, ohne daß der Emitterbereich des Ausgangsstufen-Transistors Qa gegenüber jenen der Steuerstufendioden Di und D₂ vergrößert wird, was wiederum zur Folge hat daß die Stromaufnahme oder der Stromverbrauch der integrierten Schaltung verringert werden kann, ohne daß dabei

j5 der Halbleiterchip ungewöhnlich groß ausgelegt und ausgeführt werden muß. Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach F i g. 1 liegt darin, daß der Ausgangsstrom /3 von der Temperatur unabhängig ist wie dies aus der letzten Gleichung klar hervorgeht

Es ist angenommen worden, daß die Emitterbereiche aller Transistoren und aller Dioden gleich groß sind. Wenn aber die Emitterbereiche der verschiedenen Schaltelemente unterschiedlich groß sind, dann braucht nur eine Konstante in die letzte Gleichung eingeführt zu werden. Unter der Voraussetzung, daß das Verhältnis zwischen den Emitterbereichen nicht xu groß ist werden deshalb die Resultate so ausfallen, als wenn alle Emitterbereiche gleich groß wären. Ein Ausgangsstrom /3, der gegenüber dem Steuerstrom I₂ kleiner ist, kann dadurch erzielt werden, daß ein starker Strom I₂ durch die Emitterfolger-Stufe zum Fließen gebracht wird.

Die modifizierte Konstantstromschaltung nach Fig.2 hat eine Emitterfolger-Schaltung mit (N-1) Emitterfolger-Stufen, zu denen die Transistoren Q\ bis Qn- ι und die Widerstände R\ bis Rn- ι gehören. Auch in diesem Falle ist der NPN-Transistor Qa der Ausgangstransistor. Die Anzahl der Dioden Di bis D_n ist gleich der Anzahl der Transistoren in der Emitterfolger-Schaltung und der Ausgangsstufe (Q\ bis Qn- ι und Q_A). Der Eingangspunkt der Fmitterfolger-Schaltung ist die Basis des Transistors Qu und der Ausgangspunkt der Emitter des Transistors Qn-u Unter Verwendung der mit F i g. 2 wiedergegebenen Schaltung läßt sich mit einem schwachen Steuerstrom I\ ein starker Ausgangsstrom

I_n+ 1 erzielen.

Nochmals zurück iu F i g. 1: Der Basisstrom des Ausgangstransistors Q_A kann den Emitterstrom /,eines Transistors einer früheren Stufe beeinflussen. Um dies

zu vermeiden oder diesen Effekt zu verringern, wird die Schaltung nach Fig.3 eingesetzt. Diese Schaltung unterscheidet sich von der mit Fig. 1 dargestellten Schaltung darin, daß ein Widerstand Rx schaltungsmäßig zwischen dem Kollektor und der Basis des die Diode Di bildenden Transistors angeordnet ist, durch den die Temperaturunabhängigkeit des Ausgangsstromes erreicht wird. Es ist ebenfalls möglich, daß in ähnlicher Weise ein Widerstand für den Stromkreis der Diode D\ sctialtungsmäßig vorgesehen wird.

Die mit Fig. 1 bis Fig.3 dargestellten NPN-Transi-

storen können durch PNP-Transistoren ersetzt werden. Dann aber sind die Dioden D mit entgegengesetzt 'gerichteter Polarität zu schalten, was wiederum zur Folge hat, daß der Strom in die entgegengesetzte Richtung fließt. Darüber hinaus kann der mit F i g. I und Fig.3 dargestellte Widerstand R\ der Emitterfolger-Stufe bzw. können die Widerstände R, bis R_n-, der mit F i g. 2 dargestellten Emitterfolger-Stufen durch eine Konstantstromquelle mit einem ohmschen Ausgangs-

ίο Gleichstromwiderstand ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Auf einem gemeinsamen Halbleiterchip gebildete Konstantstromquelle (I) mit einer Emitierfolger-Stufe aus einem Transistor (Qi), dessen Basis an einer über einen Vorwiderstand gespeisten Serienschaltung von zwei Dioden (D,, Di... Dn) geschaltet ist, die aus Transistoren gebildet sind, deren Basis und Kollektor miteinander verbunden sind, und mit einem dem Emitterwiderstand (R,) des Transistors (Q,) der Emitterfolger-Stufe nachgeschalteten Ausgangsstufe, gebildet aus einem Transistor (Qt bzw. Qa), dessen Basis am Emitter des Emitterfolger-Transistors (Qi) angeschlossen ist und in dessen Kollektorkreis der Verbraucher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Emitterfolger-Transistors (Qt) unmittelbar an die Serienschaltung aus den Dioden (D_x, D₂) angeschlossen ist, daß bei mindestens einem der als Diode geschalteten Transistoren (D2) die Verbindung von Basis und Kollektor über einen Widerstand (Rx) hergestellt ist und daß der Emitter des Transistors (Qa) der Ausgangsstufe direkt an das andere Ende des Emitterwiderstandes (R,) des Emitterfolger-Transistors (Qi) angeschlossen ist

2. Abgeänderte Konstantstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterfolger-Stufe anstelle der einzigen Stufe in Kaskade angeordnete Einzelstufen (Q, bis Qn-,) aufweist und die Anzahl der Dioden (D, bis Dn) die Anzahl der Einzelstufen um mindestens 1 überschreitet.

3. Konstantstromquellf* nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die imitterwiderstände (R, bzw. Rn-x) durch Konstantstromquellen ersetzt sind.