DE2746539C2 - Schaltungsanordnung mit zwei von einer gemeinsamen Stromquelle gespeisten Stromzweigen - Google Patents
Schaltungsanordnung mit zwei von einer gemeinsamen Stromquelle gespeisten StromzweigenInfo
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- G05F3/16—Regulating voltage or current wherein the variable is dc using uncontrolled devices with non-linear characteristics being semiconductor devices
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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 VSEi = die über Basis und Emitter des Transistors
Q1 aufgeprägte Spannung)
45
/2 =
(mit Vgf2 = 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 VBEX = die über Basis und Emitter des Transistors
Q1 aufgeprägte Spannung)
/ί =
\ R0 + (I +ß)RE2J
(mit VBri = Spannung über Basis und Emitter des
Transistors Q1.
Die obige Gleichung (3) läßt sich wie folgt umschreiben:
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
REl \ 1 +ßj RE2
+ 1
1 -
Wenn zur Vereinfachung der Beschreibung ^ e>o Weiterhin sei angenommen, daß die folgende Formel
V V V d/?R
Vbe\ - VBE1 und./?/T1 = /?£2 angenommen werden,
läßt sich die obige Gleichung (7) umschreiben zu:
Jo
Rr:
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 -
yBt
ι
(
Rf. \
1 +ßJ
η+ Ι
- K8,
(■"
ι/ ι/
F/ _ *\
'Bt.
I
-JLLL)
ι +ß)
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. VHe\=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 RE\ 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
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 (3)
1. Schaltungsanordnung, bestehend aus zwei von einer gemeinsamen Stromquelle (Vcc) gespeisten
Stromzweigen, die jeweils einen Stromquellentransistor (Qi, Qi) enthalten, deren Emitter über eine
Emitterimpedanz (REu 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-Qn+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:
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