DE3027761A1 - Bezugsstromquellenschaltung - Google Patents
BezugsstromquellenschaltungInfo
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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 IQ den Kollektorströmen
von erstem und zweitem Transistor äquivalent, und er bestimmt sich nach folgender Gleichung:
In- -± . InN
ü R
worin VT 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 IQ 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 wirds 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 Ists und welch© ksia® Anfahrschaltung
benötigt.
Diese Aufgabe wird durch die in d@n beige fügt sei Pat@ntan-=
Sprüchen geksnnzsicha©ten Merkmale geigsto
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
Iref1 bzw. Iref2 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 Iref <j
> 1^ und Iref2 >
*2 absorbiert mithin der Stromspiegel 15 Überschußströme
Iref1 - I1 (= I3) und Iref2 - 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 IQ = I1 = I2*
In der Stromsenke 16 bestimmt sich die Basisspannung V«,
des Transistors Q3 bezüglich des Potentials (-V) an der Minusklemme 22 durch
worin VßE5 für die Basis-Emitter-Spannung des Transistors
Q3 steht. Vg, entspricht der Basis-Emitter-Spannung
des Transistors. Somit gilt:
VB3 * VBE4 - VBE3
I1
Da VBE4 * Vln Äota» VBE3 ' Vln N^s (
gerichteter Sättigungsstrom) und I1 = I2 gilt, erhält man
Damit gilt
vT
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:
vT
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Ersichtlicherweise ist der Ausgangsstrom IQ 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 Ire£^ und ΙΓβ£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 Iref1 und Iref2 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 Iref1 und Iref2
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 IQ 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 IQ (= 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 VBE 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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■η-
Leerseite
Claims (5)
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 (Iref-j» ^ve±2^ oeweils 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
(Q3S 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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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OD | Request for examination | ||
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Representative=s name: HENKEL, G., DR.PHIL. FEILER, L., DR.RER.NAT. HAENZ |
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D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA, KAWASAKI, KANAGAWA, JP |
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