DE2746539C2

DE2746539C2 - Schaltungsanordnung mit zwei von einer gemeinsamen Stromquelle gespeisten Stromzweigen

Info

Publication number: DE2746539C2
Application number: DE2746539A
Authority: DE
Inventors: Tokyo Kumagaya Saitama Aketagawa; Shinichiro Fukaya Saitama Taguchi
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1976-10-16
Filing date: 1977-10-17
Publication date: 1983-09-15
Also published as: US4182962A; GB1583368A; AU2977377A; CA1080311A; AU508476B2; JPS5380944A; DE2746539A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, bestehend aus zwei von einer gemeinsamen Stromquelle gespeisten Stromzweigen, die jeweils einen Stromquellentransistor enthalten, deren Emitter über eine Emitterimpedanz mit einem Bezugsspannungspunkt verbunden sind und deren Basisanschlüsse mit jeweils einer Bezugsspannung beaufschlagt sind und in deren Kollektorkreisen jeweils eine Last vorgesehen ist.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 18 13 326 bekannt. Zur Einstellung des Arbeitspunktes eines Transistors dient ein mit der Versorgungsspannung verbundener Widerstand, über den dem Transistor ein Basisstrom zugeführt wird. Zum Ausgleich der Temperaturabhängigkeit dieses Widerstandes ist dieser in einen Basisspannungsteiler eingeschaltet, welcher eine Reihenschaltung von Transistoren mit Kollektor-Basisverbindung und eine dazu parallel angeordnete Zenerdiode enthält. Dadurch soll die Basisvorspannung von Ausgangstransistoren konstant gehalten werden und damit eine Kompensation der Basis-Vorspannungsänderungen in Abhängigkeit von der Temperatur realisiert werden. Mit Hilfe dieser bekannten Schaltungsanordnung läßt sich jedoch die Spannungsveränderung eines bestimmten Schaltungspunktes wie beispielsweise die Ausgangsspannung des (mit V_SEi = die über Basis und Emitter des Transistors Q₁ aufgeprägte Spannung)

45 /2 =

(mit Vg_f2 = Spafinung über Basis und Emitter des Transistors Qi).

Zur Vereinfachung der Beschreibung wird dieser die Voraussetzung Vi = V₂, Vbei=Vbe2 und Rt 1 = Re 2 7-ugrundegelegt. Wenn in diesem Fall der Stromverstärkungsfaktor β einen ausreichend großen Wert besitzt, so

ergibt der Ausdruck ungefähr 1.

1 + β

Dies bedeutet, daß beide Ströme /1 und /₂ dieselbe Größe besitzen. Wenn die Größe von β abnimmt, so

erhält der Ausdruck —

1 + ß

einen Wert kleiner als 1, so

daß der Strom /1 kleiner wird als der Strom /2. Im allgemeinen ändert sich der Strotnverstärkungsfaktor β eines Transistors, insbesondere in Abhängigkeit von Temperaturänderungen, zwischen einem vergleichsweise kleinen Wert und einem vergleichsweise großen Wert. Da sich hierbei eine Nichtübereinstimmung zwischen dem beim Entwurf der Schaltungsanordnung

geschätzten Stromverstarkungsfaktor β und dem im tatsächlichen Betrieb der Schaltung auftretenden Stromverstärkungsfaktor β ergibt, besitzt eine solche Halbleitervorrichtung im praktischen Gebrauch instabile Eigenschaften.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Schaltungsanordnung der eingangs definierten Art zu schaffen, b«*i welcher das Verhältnis zweier Ströme unabhängig von Einflüssen, wie Temperatur, unterschiedlicher Verstärkungsfaktor der verwendeten Transistoren, konstant gehalten wird.

Ausgebend von der Schaltungsanordnung der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) im Kollektorkreis des einen Stromquellentransistors η weitere Transistoren mit ihren Emitter-Kol-Iektor-Strecken in Reihe geschaltet sind und

b) der Basiskreis des anderen Stromquellentransistors eine ßasisimpedanz aufweist, deren Größe ungefähr gleich η-mal der Emitterimpedanz dieses Stromquellentransistors ist.

Erfindungsgemäß werden also mehrere Spannungen bzw. Ströme im Verhältnis zueinander kompensiert, wobei die einzelnen Spannungen bzw. Ströme der zwei Stromzweige voneinander unabhängig sind.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung gemäß dem Stand der Technik, die keine Gegenmaßnahmen für Schwankungen in den Eigenschaften eines Transistors enthält, und

F i g. 2 und 3 Schaltungsanordnungen gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.

Nachstehend ist anhand von F i g. 2 eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung beschrieben. Dabei ist die Basis eines Transistors Qi mit einer Vorspann-Stromquelle Vi verbunden, während sein Emitter über einen Emitterwiderstand Re ι an Masse liegt Der Kollektor des Transistors Q\ ist an den Emitter eines Transistors Qi angeschlossen, dessen Basis mit einer Signalquelle (oder Stromquelle) +B\ verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Qs ist mit einer Last 1 für den Meßstrom (Spannung) verbunden. Bei dieser Ausführungsfom ist IO

30

35

40

eine Zahl von η Transistoren mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe geschaltet, so d&ß sie als Signaleinlaß oder Vorspann-Stromquelle wirken. Zum Vergleich der Schaltungsanordnung mit Merkmalen nach der Erfindung mit derjenigen nach dem Stand der Technik sei zunächst ein Transistor betrachtet Die Basis eines Transistors Q₂ ist über einen Widerstand R₀ mit einer Signalquelle (oder Stromquelle) verbunden. Der Emitter des Transistors Qi ist über einen Widerstand Re2 an Masse gelegt, während sein Kollektor mit einer Last 2 zur Messung von Strom (Spannung) verbunden ist Wenn der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors mit β bezeichnet wird, lassen sich die der Last 1 und der Last 2 zugeführten Ströme I\ bzw. /'? durch folgende Gleichungen ausdrucken:

ff

f I

l+ß)

20

(mit V_BEX = die über Basis und Emitter des Transistors Q₁ aufgeprägte Spannung)

/ί =

\ R₀ + (I +ß)R_E2J

(mit V_Bri = Spannung über Basis und Emitter des Transistors Q₁.
Die obige Gleichung (3) läßt sich wie folgt umschreiben:

V,-

BEX

ι +β (ΐ +β)².

Unter Berücksichtigung des Umstands, daß der Stromverstärkungsfaktor β eines Transistors im tatsächlichen Betrieb eine Mindestgröße von 20-40 besitzt, kann der dritte Ausdruck der obigen Gleichung (5) als einen kleineren Wert als die anderen Ausdrücke besitzend angesehen werden. Infolgedessen ergibt sich die folgende Gleichung:

Unter der Voraussetzung, daß die durch Last 1 und Last 2 fließenden Ströme /,' bzw. I{ die gleiche Größe besitzen müssen, läßt sich die Bedingung für /,' = I₂' >° anhand nachstehender Gleichung (7) bestimmen:

Ϊ1ΖΪΜ1 Λ - _L_\ = ^Vi-^yB R_El \ 1 +ßj R_E2 + 1

1 -

Wenn zur Vereinfachung der Beschreibung ^ e>o Weiterhin sei angenommen, daß die folgende Formel V V V d/?R

Vbe\ - V_BE1 und./?/T₁ = /?£2 angenommen werden, läßt sich die obige Gleichung (7) umschreiben zu:

Jo
Rr:

Ro

+ 1

1 +ß

R₁:2

+ I +β

^b:> an die rechte Seite der obigen Gleichung (3) gesetzt (8) werden kann; hieraus ergibt sich dann die folgende

Gleichung:

2 _ Rf.:

+ I

1 +ß

do»

Hierdurch wird ermittelt, daß sich die Bedingung /ur Bestimmung von /,' =-· I₂' durch folgende Gleichung ausdrücken läßt:

II)

Wenn der Widerstand /Jo. wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, mit praktisch demsel

κ - y_Bt ι (

Rf. \

1 +ßJ

η+ Ι

- K₈,

(■"

ι/ ι/

F/ _ *\ 'Bt. I

-JLLL)
ι +ß)

(ü)

Rn = Π R₁:2

(14) ben Widerstandsweri gewühlt wird wie der Widerstand Rn. so können die Ströme /Ί, /'.· auch dann ungefähr dieselbe Größe besitzen, wenn der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors abfallen sollte. Ls ist somit möglich, mittels der Ströme /Ί. /'_> Signale beliebig zu handhaben.

Nachstehend ist nunmehr der Fall beschrieben, in welchem eine Anzahl von η Transistoren anstelle eines ein/igen Transistors Q\ mit ihren Emitter-Kollektor-Slrecken in Reihe geschaltet sind.

Der der Last I zugeführte Strom /Ί besitzt eine Größe, die sich durch folgende Gleichung ausdrucken läßt:

+ ßJ (12)

Die durch die ersten beiden Ausdrücke aus obiger Gleichung (12) entwickelte Gleichung dargestellte Näherungsgleichung läßt sich wie folgt darstellen:

Nunmehr sei angenommen, daß Gleichung (IJ) und Gleichung (4) denselben Wert besitzen, und wenn die Gleichungen V₁=V₂. V_He\=V'be2 und RfI = Rt: als anwendbar betrachtet werden, so ergibt die Berechnung anhand der vorstehenden Näherungsgleichung folgende Gleichung:

Wenn daher der Widerstand Rn mit einem Widerstandswert ausgelegt wird, der um das η-fache größer ist als derjenige des Widerstandes Rt 2. dann können die J5 Ströme l\. /': die gleiche Größe besitzen. Ersichtlicherweise kann eine derartige Schaltungsanordnung somit ebenso stabil arbeiten wie die vorher beschriebene

1 1 1 LL- :_ Ä 1 :

^MIUlUlIUIIg. UIIU Z.VTUI UliaLMiailglg WII nilUVIUIIgt.lt Uli Stromverstärkungsfaktor der verwendeten Transisto- w ren. Bei der ersten Ausführungsform wurde das Verhältnis zwischen den Werten bzw. Größen der Ströme /',. /2 mit I gewählt, doch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Wenn beispielsweise dafür gesorgt wird, daß der Emitterwiderstand Rei des Transistors Q₁ den vorgeschriebenen Widerstandswert besitzt, besitzen die Ströme /Ί, l'₂ das vorbestimmte Verhältnis zueinander, sofern Gleichung (14) erfüllt ist.

Im folgenden ist anhand von Fi g. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei welcher die Basis eines Transistors Q\ mit einer Vorspann-Stromquelle V verbunden ist.

Der Emitter dieses Transistors Q\ liegt über einen Widerstand R_E\ an Masse. Der Kollektor des Transistors Q: ist mit einem gemeinsamen Emitteranschluß von Transistoren Q₃. Q,, eines Differentialverstärkers verbunden, deren Basis-Elektroden gemeinsam mit einer Vorspann-Stromquelle (oder Signalquelle) + B\ verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren Q₃, w> Qi sind mit den Emitterschaltungen zweier Gruppen von Transistoren Qi-Q₆ und Qj-Qs verbunden, die in einem Ring-Differenzverstärker enthalten sind. Die Basis-Elektroden der Transistoren Qy, Qz sind an die Vorspann-Stromquelle (oder Signalquelle) +B₂ angeschlossen. Die Basis-Elektroden der Ti ansistoren Qe₁, Qr sind dagegen mit einer Vorspann-Stromquelle (oder Signalquelle) + Bi verbunden. Die Kollektorschaltungsklemme der Transistoren Qi. Qi liegt an einer Last 1 zur Messung von Strom (Spannung). Die Kollektorschaltungsklemme der Transistoren Q*. Qt ist an eine Stromqueiie V₁C angeschaltet. Die Basis des Transistors Q, liegt über einen Widerstand Rn an Masse. Der Emitter des Transistors Q₂ liegt über einen Widerstand /?n an Masse, während sein Kollektor mit einer Last 2 zur Messung von Strom (Spannung) verbunden ist.

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung arbeitet wie folgt: Wenn mit β der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors bezeichnet wird, lassen sich die an die Lasten 1 und 2 angelegten Ströme /". /"* durch folgende Gleichungen ausdrücken:

1 (-L Y

2 Vl +ßJ'

1 -

Wenn zur Vereinfachung der
Gleichungen Rei = — Re2 und Vbei

Beschreibung die = Vgf: als zutref-

fend vorausgesetzt werden und dieselbe Näherungsberechnung wie im vorherigen Fall durchgeführt wird, empfiehlt es sich, den Widerstand Rn mit einem etwa doppelt so großen Widerstandswert wie demjenigen des Widerstandes Rei auszulegen. Die Ströme /'Ί, /"> besitzen dann dieselbe Größe, auch wenn der Stromverstärkungsfaktor β eines Transistors abfällt, so daß die Schaltungsanordnung genauso stabil arbeiten kann wie dann, wenn der Stromverstärkungsfaktor β den vollen großen Wert besitzt.

Die schwankende Arbeitsweise einer Schaltungsanordnung aufgrund von Änderungen im Stromverstärkungsfaktor β eines Transistors führt zu Schwierigkeiten bei der Integration einer Anzahl von Transistoren. Mit der Erfindung wird dagegen eine Schaltungsanordnung geschaffen, die sich gut für die Ausführung als integrierte Schaltung eignet und mit welcher die vorstehend geschilderten Schwierigkeiten dadurch ausgeräumt werden können, daß das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der bestimmten Widerstände, das durch eine Anzahl von in Reihe geschalteten Transistoren bestimmt wird, auf eine vorbestimmte Größe festgelegt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung, bestehend aus zwei von einer gemeinsamen Stromquelle (Vcc) gespeisten Stromzweigen, die jeweils einen Stromquellentransistor (Qi, Qi) enthalten, deren Emitter über eine Emitterimpedanz (R_Eu Re2) mit einem Bezugsspannungspunkt verbunden sind und deren Basisanscblüsse mit jeweils einer Bezugsspannung beaufschlagt sind und in deren Kollektorkreisen jeweils eine Last (1, 2) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) im Kollektorkreis des einen Stromquellentransistors (Qi) π weitere Transistoren (Qi-Q_n+2) mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken in Reihe f eschaltet sind und

b) der Basiskreis des anderen Stromquellentransistors (Qi) eine Basisimpedanz (R₀) aufweist, deres Größe ungefähr gleich η-mal der Emiuerimpedanz dieses Stromquellentransistors (Qi) ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß Emitter- und Basisimpedanz jeweils durch einen Widerstand (Re2, Ro) gebildet sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emitterimpedanz (Re2) an den Emitter eines Transistors (Qi) angeschlossen ist, der mit einen der beiden Stromwege verbunden ist, und daß die Emitterimpedanz so gewählt ist, daß sie das vorbestimmte Verhältnis zur Emitterimpedanz (Rei) eines anderen, -knit dem anderen Stromweg H verbundenen Transistor (Qi) jesitzt, so daß die hauptsächlich über die beiden Stromwege fließenden Ströme im vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen.

40 genannten Transistors nicht kompensieren, und es werden auch relative Spannungsunterschiede zwischen einzelnen Stromkreisen nicht unterbunden.

Zur Änderung des Verstärkungsgrades von Signalen, z. B. in einem integrierten Schaltkreis, wird im allgemeinen ein Transistor eingesetzt. Wenn mehrere Ausgangsströme vorhanden sind, ist es aufgrund von Schwankungen im Stromverstärkungsfaktor der die Signalwcge bildenden Transistoren oder sufgrund eines Signalverlustes infolge von Temperaturät.-derungen schwierig, einen stabilen Betrieb des integrierten Schaltkreises zu gewährleisten. Insbesondere dann, wenn die jeweiligen Signalwege durch unterschiedliche Zahlen von Transistoren gebildet werden, muß eine Kompensationseinrichiung vorgesehen sein, um die Ströme in einem vorbestimmten Verhältnis über die Signalwege zu leiten. Fi g. 1 veranschaulicht eine bisher übliche Schaltung, die keine Gegenmaßnahmen für Abweichungen in den Eigenschaften der verwendeten Transistoren aufweist. Bei dieser bisherigen Schaltung ist die Basis eines Transistors Qi mit einer Vorspann-Stromquelle Vi verbunden. Der Emitter des Transistors Qi ist über einen Widerstand ReI an Masse gelegt, während sein Kollektor mit dem Emitter eines Transistors Qi verbunden ist, dessen Basis mit einer Stromquelle +Bi verbunden ist. Der Kollektor des Transistors Qi ist mit einer Last 1 zur Messung des Stroms (der Spamung) verbunden. Die Basis eines Transistors Qi ist an eine Vorspannungsquelle V₂ angeschlossen, während der Emitter des Transistors φ über einen Widerstand Re2 an Masse liegt und sein Kollektor mit einer Last 2 zur Messung von Strom (oder Spannung) verbunden ist.

Im folgenden ist die Arbeitsweise dieser bisherigen Schaltung erläutert. Wenn mit β der Stromverstärkungsfaktor der Transistoren bezeichnet wird, lassen sich die der Last 1 und der Last 2 eingespeisten Ströme /ι. h durch folgende Gleichungen ausdrucken: