DE3027761A1

DE3027761A1 - Bezugsstromquellenschaltung

Info

Publication number: DE3027761A1
Application number: DE19803027761
Authority: DE
Inventors: Katsumi Nagano
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-08-09
Filing date: 1980-07-22
Publication date: 1981-02-12
Also published as: JPS5659321A; US4308496A; JPS6323568B2; DE3027761C2

Description

"Be zugs-Stromquellenschaltung"

Die Erfindung betrifft eine Bezugs-Stromquellenschaltung.

Es ist eine integrierte Bezugs-Stromquellenschaltung bekannt, die eine erste Stromquelle (Stromsenke) aus einem ersten und einem zweiten npn-Transistor, die unterschiedliche Emitterbereiche und miteinander verbundene Basiselektroden, wobei der eine Transistor in Diodenschaltung vorliegt, und einen Widerstand aufweisen, der an den Emitter des die größere Emitterfläche aufweisenden Transistors angeschlossen ist, so daß die Ströme (die Kollektorströme der beiden Transistoren) derselben Größe, die vom Emitterflächenverhältnis zwischen den beiden Transistoren und dem Widerstandswert des Widerstands abhängt, zum Fließen in die erste Stromquelle gebracht werden, eine zweite Stromquelle bzw. einen Stromspiegel unter Verwendung von pnp-Transistoren, wobei die gleich großen Kollektorströme des ersten und des zweiten Transistors in die erste Stromquelle fließen können, und einen durch die erste Stromquelle angesteuerten npn-Ausgangstransistör zur Lieferung eines AusgangsStroms umfaßt. Diese Schaltung ist in Fig. 10 auf Seite 7 einer Arbeit mit dem Titel "Integrated linear basic circuits" (Th.J.van Kessel und R.J.van de Plassche, Philips Technical Review, Vol. 32, 1971, Nr.1, S.1-12) dargestellt.

Der genannte Ausgangstransistor ist dabei mit dem in Diodenschaltung angeordneten Transistor der ersten Stromquelle in

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Stromspiegelkonfiguration geschaltet. Wenn der Diodenschaltung - Transistor und der Ausgangstransistor dieselbe Emitterfläche besitzen, ist der Ausgangsstrom I_Q den Kollektorströmen von erstem und zweitem Transistor äquivalent, und er bestimmt sich nach folgender Gleichung:

I_n- -± . InN ^ü R

worin V_T das Volt-Äquivalent der Temperatur, R die Widerstandsgröße des Emitterwiderstande und N das Verhältnis zwischen den Emitterflächen von erstem und zweitem Transistor bedeuten. Ersichtlicherweise ist der Ausgangsstrom I_Q von der Speisespannung unabhängig und der Temperatur proportional.

Bei dieser bisherigen Bezugs-Stromquellenschaltung dient ein aus pnp-Transistören bestehender Stromspiegel (current mirror) als zweite Stromquelle, damit die Senkenströme gleicher Größe von der ersten Stromquelle erzeugt werden. Bekanntlich besitzt ein pnp-Transistor einen kleineren ß-Wert (Emitterschaltung-Stromverstärkung) als ein npn-Transistor, so daß der Basisstrom des pnp - Transistors nicht vernachlässigt werden darf. Im Vergleich zu einem npn-Transistor-Stromspiegel ist daher der pnp-Transistor-Stromspiegel einem größeren Fehler bezüglich des Idealwerts "1" im Verhältnis zwischen den Größen zweier über den*Stromspiegel fließender Ströme unterworfen. Aufgrund dieses Fehlers unterliegt der Ausgangsstrom ebenfalls einem Fehler bezüglich einer gewünschten oder Soll-Größe. Wenn gemäß Fig. 10 der vorher genannten Veröffentlichung eine aus drei pnp-Transistoren bestehender Wilson-Stromquelle als Stromspiegel benutzt wird, nähert sich das Stromverhältnis des Stromspiegels weiter dem Wert 1 an, obgleich es weiterhin dem Einfluß von ß ausgesetzt ist.

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Aufgrund der- Temperatur abhängigkeit des ß-Werts von pnp-Transistoren ist zudem das Stromverhältnis des Stromspiegels temperaturabhängigen Änderungen oder Schwankungen unterworfen. Bei Verwendung eines Stromspiegais mit pnp-Transistoren ist es daher ziemlich schwierig₅ zwei Ströme derselben GrOBe₅, abhängig voe Emitterflächenverhältnis zwischen erstem und zweitem Transistor sowie vom Emitterwiderstand, in die erste Stromquelle fließen zu lassen. Bei der beschriebenen Schaltung ist darüber hinaus eine Anfahrschaltung zur Betätigung der- Schaltung, wenn ein Strom an sie angelegt wird_s erforderneh.

Aufgabe der Erfindung ist insbesondere die Schaffung einer Bezugs-Stromquallensolialtuiig, welch® is ¥©r-gleicli zur bisherigen Stromquellenschaltung einfacher eisia StroEs©nk© mit zwei Senkesströmen (sink currants) derselben Gr-oß© zu speisen vermag, die vom EmitterflächenveriiEltMs und vom Emitterwidsrstand abhängig Ist_s und welch© ksia® Anfahrschaltung benötigt.

Diese Aufgabe wird durch die in d@n beige fügt sei Pat@ntan-= Sprüchen geksnnzsicha©ten Merkmale geigst_o

Zur Speisung dar Stromsenke mit zwei Senkeaströaen der-= selben Größe, abhängig von der Stromsenke ₉ sind er-fin·= dungsgemSß zv/si Stromquellen zur Lieferung τοπ Quellen= strömen derselben _f die Größe der- Sanksnstrclat® überstei= genden Größe sowie ein an die Stromquellen angeschlossener Stromspiegel zur Aufnahme von Strömen einer Größe vorgesehen, weiche dem Unterschied zwischen den Größen des Quellenstroms und des Senkenstroms äquivalent ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert« Es zeigen:

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Fig. 1 ein Schaltbild einer Bezugs-Stromquellenschaltung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig.2A bis 2D Schaltbilder verschiedener Abwandlungen eines bei der Schaltung nach Fig. 1 vorgesehenen Stromspiegels,

Fig.3A bis 3H Schaltbilder verschiedener Abwandlungen einer bei der Schaltung nach Fig. 1 vorgesehenen Stromsenke,

Fig. 4 ein Schaltbild einer für die praktische Anwendung geeigneten Anordnung der erfindungsgemäßen Stromquellenschaltung und

Figo5A und 5B Schaltbilder abgewandelter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Strcmquellenschaltung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Bezugs-Stromquellenschaltung gemäß der Erfindung sind Konstantstromquellen 11 und 12 vorgesehen, die an eine positive bzw. Plus-Stromversorgungsklemme 21 angeschlossen sind und konstante Quellenströme I_ref1 bzw. I_ref2 derselben Größe liefern. Die

Ausgänge 13 und 14 der Konstantstromquellen 11 bzw. 12 sind mit einem Stromspiegel 15 verbunden^ der aus npn-Transistoren Q1 und Q2 gebildet ist. Die Transistoren Q1 und Q2 sind mit ihren Emittern gemeinsam an eine negative bzw. Minus-Stromversorgungsklemme 22 angeschlossen und an ihren Basis-Elektroden zusammengeschaltet. Basis und Kollektor des Transistors Q1 sind gemeinsam an den Ausgang 13 der Konstantstromquelle 11 anges;hlossen, so daß der Transistor Q1 in Diodenschaltung angeordnet ist. Andererseits ist der Kollektor des Transistors Q2 mit dem

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Ausgang 14 der Konstantstromquelle 12 verbunden. Wenn ein Strom I, (Eingangsstrom) über den Diodenschaltung-Transistor Q1 fließt, wird aufgrund des Stromspiegeleffekts ein Strom I^ (Ausgangsstrom) derselben Größe wie der Strom I- über den Transistor 02 zum Fließen gebracht.

Die Ausgänge 13 und 14 der Konstantstromquellen 11 und 12 sind weiterhin mit einer aus npn-Transistören Q3 und Q4 sowie einem Widerstand R1 bestehenden Stromsenke 16 verbunden. Insbesondere ist dabei der Transistor Q3 mit seinem Kollektor an die Konstantstromquelle 11, mit seinem Emitter über den Emitterwiderstand R1 an die Minus(stromversorgungs)klemme 22 und mit seiner Basis an die Basis des Transistors Q4 angeschlossen. Der Kollektor des Transistors Q4 ist mit der Konstantstromquelle 12 und mit seiner Basis verbunden, während sein Emitter an die Minusklemme 22 angeschlossen ist. Der Transistor Q4 ist somit in Diodenschaltung angeordnet. Die Transistoren Q3 und Q4 sind mit unterschiedlich großen Emitterbereichen bzw. -flächen ausgelegt. Wenn nämlich der Transistor Q4 eine Emitterfläche A besitzt, besitzt der Transistor Q3 gemäß Fig. 1 eine Emitterfläche von NxA (N > 1). Wenn ein Kollektorstrom I₂ über den Transistor Q4 der Stromsenke fließt, wird aufgrund des Vorhandenseins des Stromspiegels 15 ein Kollektorstrom I₁ mit derselben Größe wie der des Stroms I₂ über den Transistor Q3 zum Fließen gebracht. Wie noch näher erläutert werden wird, bestimmen sich die Senkenströme I₁ und I₂ durch das Emitterflächenverhältnis N zwischen den Transistoren Q3 und Q4 mit dem Emitterwiderstand R1. Im Betriebszustand der Schaltung mit I_ref <j > ¹^ und ^Iref2 ^> *2 absorbiert mithin der Stromspiegel 15 Überschußströme I_ref1 - I₁ (= I₃) und I_ref2 - I₂ (- I₄), so daß die Ströme I₁ und Ip mit einer vorgegebenen Größe durch die Stromsenke. 16 fließen können. Ein Ausgangskreis 17 mit einem npn-Transistör Q5 ist zur Lieferung eines AusgangsStroms

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I₀ an die Stromsenke 16 angeschlossen. Der Transistor Q5 ist mit dem Transistor Q4 in Stromspiegelkonfiguration geschaltet. Wenn der Transistor Q5 dieselbe Emitterfläche besitzt wie der Transistor Q4, gilt I_Q = I₁ = I₂*

In der Stromsenke 16 bestimmt sich die Basisspannung V«, des Transistors Q3 bezüglich des Potentials (-V) an der Minusklemme 22 durch

worin V_ßE5 für die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q3 steht. Vg, entspricht der Basis-Emitter-Spannung des Transistors. Somit gilt:

^VB3 * ^VBE4 - ^VBE3

I₁

^{Da V}BE4 * V^ln Äota» ^VBE3 ' V^ln N^s ⁽ gerichteter Sättigungsstrom) und I₁ = I₂ gilt, erhält man

Damit gilt

v_T

1=1« —.lnN ^{1 2} R1

Wenn der Transistor Q5» wie erwähnt, dieselbe Emitterfläche besitzt wie der Transistor Q4, ist der Ausgangsstrom Iq gleich I₁ und I₂, so daß gilt:

v_T

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Ersichtlicherweise ist der Ausgangsstrom I_Q von der Speisespannung unabhängig und der Temperatur proportional.

Die vorstehend "beschriebene Bezugs-Stromquellenschaltung gemäß der Erfindung verwendet die beiden KonstantStromquellen 11 und 12 sowie den Stromspiegel 15 als Schaltung zur Speisung der Stromsenke 16 mit zwei Strömen derselben Größe, die sich durch die Stromsenke 16 bestimmt. Die beiden Stromquellen 11 und 12 können ohne weiteres zur Lieferung von Bezugsströmen I_re£^ und Ι_Γβ£ρ derselben Größe ausgelegt werden, auch wenn sie aus pnp-Transistören in einem integrierten Schaltkreis ausgebildet werden. Da der Stromspiegel 15 zum Absorbieren von Überschußströmen npn-Transistören mit großem ß-Wert verwenden kann, kann der Fehler im Verhältnis zwischen den Absorptionsströmsn I-, und I. beträchtlich verringert werden. Dies bedeutet, daß die erfindungsgemäße Bezugs-Stromquellenschaltung im Vergleich zur eingangs beschriebenen, bisherigen Stromquellenschaltung die Stromsenke 16 leichter mit Senkenströmen I^ und Ip derselben Größe beschicken kann. Die Ausgangsströme I_ref1 und I_ref₂ ^der Konstantstromquellan bzw. 12 erhöhen oder verringern sich jeweils im selben Maß bei einer Änderung der Speisespannung und einer Änderung des ß-Werts der pnp-Transistoren aufgrund von Temperaturänderung. Die Änderungen der Ausgangsströme I_ref1 und I_ref2 werden jedoch vom Stromspiegel 15 absorbiert bzw. aufgefangen. Bei Verwendung der KonstantStromquellen 11 und 12 benötigt die erfindungsgemäße Schaltung weiterhin keine Anfahrschaltung für ihre Betätigung bzw. Aktivierung bei Stromanlegung.

Der praktisch temperaturunabhängige Ausgangsstrom I_Q kann durch entsprechende Einstellung des Temperaturkoeffizienten α des in der Stromsenke 16 verwendeten Emitterwiderstands

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R1 erzielt werden. Der Emitterwiderstand. R1 bestimmt sich bei einer Absoluttemperatur T durch die Gleichung

R1 » RO

in welcher RO die Widerstandsgröße bei einer Absoluttemperatur TO bedeutet. Um den Ausgangsstrom I_Q (= I₁ « Ip) von der Temperatur bei etwa TO unabhängig zu machen, muß α = 1/TO gelten. Wenn die Temperatur beispielsweise 27⁰C (300⁰K) beträgt, gilt α = 3 333 x 10"⁶/°K. Der Temperaturkoeffizient eines nach einem herkömmlichen Verfahren zur Fertigung von bipolaren Transistoren hergestellten Diffusions-Widerstands beträgt ungefähr 2000 χ 10 /⁰K, während der Temperaturkoeffizient eines durch Ionenimplantation hergestellten Widerstands etwa 3900 χ 10"" /⁰K beträgt. Der Temperaturkoeffizient eines Widerstands kann also durch Wahl des Fertigungsverfahrens eingestellt werden.

Die Fig. 2A bis 2D veranschaulichen Stromspiegel, die mit kleineren Fehlern behaftet sind als die beiden Stromspiegel gemäß Fig. 1. Die Stromspiegel gemäß den Fig. 2A bis 2D sind an sich bekannte Schaltungen, die als Wilson-Stromspiegel, basiskompensierter Stromspiegel, verbesserter Wilson-Stromspiegel bzw. Kaskaden-Stromspiegel bezeichnet werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die in den Fig. 1 und 2A bis 2D dargestellten Stromspiegel beschränkt.

Die Fig. 3A bis 3H veranschaulichen verbesserte, an sich bekannte Stromsenken, die anstelle der Doppeltransistor-Stromsenke 16 gemäß Fig. 1 verwendet werden können.

Fig. 4 veranschaulicht eine praktische Ausführungsform der Bezugs-Stromquellenschaltung gemäß der Erfindung, bei welcher ein Wilson-Stromspiegel aus npn-Transistören 0.11, Q12,

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Q13 anstelle des Stromspiegels 15 und die Schaltung nach Fig. 3A mit npn-Transistoren Q23, Q24, Q25 anstelle der Stromsenke 16 vorgesehen sind. Obgleich nicht unbedingt erforderlich, sind η Ausgangskreise 17-1, ... 17-n und 18-1, ... 18-n bei dieser Ausführungsform an beide Seiten der Stromsenke 16 angeschlossen. In diesen Ausgangskreisen sind Paare von npn-Transistoren Q50-1 und Q51-1» C50-n und Q51-n, Q60-1 und Q61-1 sowie Q60-n und Q6i-n in Reihe geschaltet. Die Basiselektroden der Transistoren Q50-1, ... Q50-n sind mit der Basis des Transistors Q24 verbunden, die Basiselektroden der Transistoren 051-1, ... Q51-n liegen am Kollektor des Transistors Q24, die Basiselektroden der Transistoren Q60-1, ... Q60-n sind an Kollektor und Basis des Transistors Q23 angeschlossen und die Basiselektroden der Transistoren Q61-1, ... Q6i-n sind mit dem Kollektor des Transistors Q25 verbunden. Infolgedessen sind die Basisspannungen der Transistoren Q50-1, ... Q50-n und Q60-1, ... Q60-n in bezug auf die Minus-(stromversorgungs)klemme 22 gleich der Basis-Emitter-Spannung V_BE eines Einzeltransistors, und die Basisspannungender Transistoren Q51-1, ... Q51-n und Q61-1, ... Q6i-n sind doppelt so groß wie Vgg. Die Ausgangsströme I₀ der Ausgangskreise 17-1, ... 17-n und 18-1, ... 18-n sind somit gut angepaßt.

Für die Konstantstromquellen 11 und 12 vorgesehene pnp-Transistoren Q31 und Q32 werden an ihren Basiselektroden gemeinsam durch eine Vorspannschaltung aus Transistoren Q33 und Q34 sowie einem Widerstand R2 vorgespannt, die zwischen die Stromversorgungsklemmen 21 und 22 geschaltet ist.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 1 sind die Kollektorspannungen der Transistoren Q1 und Q2 Im Stromspiegel 15 sowie des Transistors Q3 in der Stromsenke 16 mit einer Emitterflä-

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ehe von Ν·Α gleich der Basis-Emitter-Spannung V„_E eines einzelnen npn-Transistors. Zur Erhöhung der Kollektorspannungen der Transistoren Q2 und Q3 können beispielsweise gemäß Fig. 5A Konstantspannungseinrichtungen 23 und 24 unter Verwendung von Zenerdioden benutzt werden. Dabei ist die Konstantspannungseinrichtung 23 zwischen den Kollektor des Diodenschaltung - Transistors Q4 und den Ausgang 14 der Konstantspannungsquelle 12 eingeschaltet, während die andere Einrichtung 24 zwischen dem Kollektor des Diodenschaltung-Transistors Q1 und dem Ausgang 13 der Konstantspannungsquelle 11 liegt. Gemäß Fig. 5B können die Transistoren Q3 und Q4 nach Fig. 5A gegeneinander ausgetauscht werden. Wahlweise kann Jede Konstantspannungseinrichtung aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Zenerdioden, einer Anzahl von in Reihe geschalteten Dioden oder einer bekannten Kombination aus Widerständen und einem Transistor bestehen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. JBezugs-Stromquellenschaltung aus einem ersten Schaltkreis \_ J mit zwei KIeEMSn₉ zwei Transistoren desselben Leitungs= "typs und axt unterschiedlich großen laittsr-bereichen hzi-i» -flächen, deren Basiselektroden zusammengeschaltet slnä und von denen der eine in Diodensehaltung angeordnet ist, sowie einem an den Emitter des die größere Smitterflälche besitzenden Transistors angeschlossenen EmitterwM©rstand, so daß zwei Ströme derselben Größe, abhängig vom Emitterflächenverhältnis zwischen den beiden Transistoren sowie vom Widerstandswert des Emitterwiderstands, über die beiden Klemmen in den ersten Schaltkreis fließen können, einem an den ersten Schaltkreis angekoppelten Ausgangstransistor zur Lieferung eines Ausgangsstroms und einem zweiten Schaltkreis zur Anlegung der beiden Ströme an erste und zweite Klemme des ersten Schaltkreises, dadurch gekennzeichnet₈ daß der zweite Sehaltkreis (11, 12, 15) zwei KonstantStromquellen (11, 12J₉ deren Ausging® an erste bzw» zweite Klemme (13? 14} des ersten Schaltkreises

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(16) angeschlossen sind und die an ihren Ausgängen dritte bzw. vierte Ströme (I_ref-j» ^_ve±2^ o^eweils derselben, die Größe von erstem und zweitem Strom (I₁, I₂) übersteigenden Größe liefern, und einen an die Ausgänge von erster und zweiter Konstantstromquelle (11, 12) angeschlossenen Stromspiegel (15) aufweist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromspiegel (15) Transistoren (Q1, Q2; Q11, Q12, QIJ;) desselben Leitungstyps wie dem der beiden Transistoren (Q3_S Q4) im ersten Schaltkreis aufweist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Transistoren des ersten Schaltkreises und die Transistoren des Stromspiegels jeweils vom npn-Typ sind.

4ο Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Konstantstromquellen jeweils einen pnp-Transistor (Q31, Q32) aufweisen.

5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Konstantspannungselemente (23, 24) zwischen die erste Konstantstromquelle (11) und den Stromspiegel (15) bzw. zwischen die zweite Konstantstromquelle (12) und den ersten Schaltkreis (16) eingeschaltet sind.

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