DE3125765C2

DE3125765C2 -

Info

Publication number: DE3125765C2
Application number: DE3125765A
Authority: DE
Inventors: Takashi Okada; Hiroshi Yokohama Kanagawa Jp Sahara; Fumikazu Tokio/Tokyo Jp Otsuka
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1980-07-02
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1990-01-18
Also published as: JPS5714918A; CA1158308A; KR830006990A; KR860000475B1; DE3125765A1; FR2486265B1; US4352057A; FR2486265A1; GB2080063B; GB2080063A

Description

Die Erfindung betrifft eine Konstantstromquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Bei einer herkömmlichen Konstantstromquelle, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt und nach der Zeitschrift "Electronics", 17. Aug. 1970, S. 92-95 bekannt ist, gilt zwischen der Basis/Emitter-Spannung V _BE eines darin verwendeten Transistors und dessen Emitterstrom I _E folgende Gleichung:

mit
k = Boltzmann-Konstante,
T = absolute Temperatur,
q = Elektronenladung,
I _s = Sättigungsstrom in Sperrichtung.

Zwischen dem Sättigungsstrom I _s in Sperrichtung und einer Emitter/Basis-Übergangsfläche A des Transistors gilt folgende Gleichung:

I _s = γ · A (2)

wobei γ eine Proportional-Konstante ist.

Bei der herkömmlichen Schaltung gemäß Fig. 1 ergibt sich, da die Basis/Emitter-Spannung eines Transistors Q₁ gleich der des anderen Transistors Q₂ ist, folgende Gleichung aus den Gleichungen (1) und (2):

mit
I _E1 = Emitterstrom des Transistors Q₁,
I _E2 = Emitterstrom des Transistors Q₂,
A₁ = Emitter/Basis-Übergangsfläche des Transistors Q₁,
A₂ = Emitter/Basis-Übergangsfläche des Transistors Q₂.

Wenn der Stromverstärkungsfaktor h _FE jedes der Transistoren Q₁ und Q₂ als ausreichend groß angenommen wird, kann dessen Basisstrom vernachlässigt werden. Folglich kann folgende Beziehung abgeleitet werden:

I₁ = I _E1 (4)
I₂ = I _E2

mit
I₁ = Kollektorstrom des Transistors Q₁,
I₂ = Kollektorstrom des Transistors Q₂.

Aus den Gleichungen (3) und (4) ergeben sich:

Da für den Transistor Q₁ folgende Gleichung gilt:

mit
V _CC = Versorgungsspannung,
R₁ = Widerstandswert eines Widerstandes R₁, der mit dem Kollektor des Transistors Q₁ verbunden ist,
ergibt sich der Strom I₂ aus den Gleichungen (5) und (6) zu:

Folglich dient der Transistor Q₂ als Absorptions-Konstant-Stromquelle, wobei sich der Strom gemäß Gleichung (7) ergibt.

Bei der herkömmlichen Schaltung ist, da die Beziehung oder das Verhältnis zwischen den Strömen I₁ und I₂ durch die Gleichung (5) wiedergegeben ist, wenn das Verhältnis I₂/I₁ groß ist, beispielsweise der Strom I₂ zum hundertfachen des Stromes I₁ gewählt ist, es notwendig, daß die Übergangsfläche A₂ zum Hundertfachen der Übergangsfläche A₁ gewählt wird. Daher erfordert die herkömmliche Schaltung eine große Fläche, weshalb sie nicht zur Herstellung als integrierte Schaltung (IC) geeignet ist. Wenn nun das Verhältnis I₂/I₂ klein ist, muß, wenn der Strom I₂ zu ¹/₁₀₀ des Stromes I₁ gewählt ist, die Übergangsfläche A₁ zum Hundertfachen derjenigen von A₂ gewählt werden. Daher ist auch dieser Fall nicht für eine integrierte Schaltung geeignet.

Bei der herkömmlichen Schaltung gemäß Fig. 2 gilt an der Basis des Transistors Q₂ folgende Gleichung:

I₁R₁ + V _BE1 = I₂R₃ + V _BE2 (8)

mit
V _BE1 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₁,
V _BE2 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₂,
R₃ = Widerstandswert eines Widerstandes R₃, der mit dem Emitter des Transistors Q₂ verbunden ist.

Da die folgende Gleichung (9) gilt, kann die Gleichung (10) aus den Gleichungen (8) und (9) abgeleitet werden:

wobei R₂ der Widerstandswert eines Widerstandes R₂ ist, der mit dem Emitter des Transistors Q₁ verbunden ist.

Wenn der Spannungsabfall über dem Widerstand R₁ bei etwa der Basis/Emitter-Spannung V _BE liegt, ist der zweite Term in der Klammer der Gleichung (10) klein und daher vernachlässigbar. Somit ergibt sich aus der Gleichung (10):

Somit ergibt sich der Strom I₂ zu:

Daher wirkt der Transistor Q₂ als Absorptions-Konstantstromquelle, deren Strom durch die Gleichung (12) wiedergegeben ist.

Da jedoch ein Widerstand einer integrierten Schaltung allgemein durch Verunreinigungsdiffusion gebildet wird, ist die Fläche des Widerstandes in der integrierten Schaltung proportional dessen Widerstandswert. Im Fall der Konstantstromquelle gemäß Fig. 2 muß, da die Beziehung zwischen den Strömen I₁ und I₂ durch die Gleichung (11) wiedergegeben ist, wenn der Strom I₂ beispielweise zum Hundertfachen des Stromes I₁ gewählt ist, der Widerstand R₂ einen Widerstandswert besitzen, der das Hundertfache desjenigen des Widerstandes R₃ beträgt. Das heißt, die Fläche des Widerstandes R₃ muß zum Hundertfachen derjenigen des Widerstandes R₂ gemacht werden.

Daher wird die integrierte Schaltung großflächig, weshalb die Schaltung gemäß Fig. 2 ebenfalls für eine integrierte Schaltung ungeeignet ist.

Fig. 3 zeigt eine praktische Schaltung, die durch Verwendung der Konstantstromschaltung gemäß Fig. 2 gebildet ist, um sechs Konstantstrom-Ausgänge I₂ bis I₇ zu erreichen. Wenn die Schaltung gemäß Fig. 3 als integrierte Schaltung ausgebildet wird, ist die Fläche, die von einem Transistor in der integrierten Schaltung eingenommen wird, annähernd gleich der Fläche eines Widerstandes mit einem Widerstandswert von 2 kΩ, der durch Verunreinigungsdiffusion gebildet ist. Somit ergeben sich für die Konstantstromschaltung gemäß Fig. 3 die folgenden Werte:

112 + 1 + 1 + 1 + 4,8 + 17 + 33 + 100 + 2 × 6 = 281,8
281,8/2 = 140,9.

Das heißt, die Schaltung gemäß Fig. 3 erfordert eine Fläche, die einem Widerstand von 281,8 kΩ oder einer Fläche, die 140,9 Transistoren entspricht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Konstantstromquelle mit Transistoren in integrierter Schaltungsweise anzugeben, die selbst bei großem Stromverhältnis geringen Flächenbedarf besitzt.

Die Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Es sei in diesem Zusammenhang erwähnt, daß nach der Zeitschrift "Electronic-Praxis", 1974, H. 12, S. 94 eine Konstantstromquelle bekannt ist, die den ersten und den zweiten Transistor sowie die zugehörigen Widerstände in derselben Schaltungskonfiguration zeigt, wie sie Bestandteil des Patentanspruches ist.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1-3 jeweils Schaltbilder herkömmlicher Konstantstromquellen,

Fig. 4 u. 5 jeweils Schaltbilder von Ausführungsbeispielen von Konstantstromquellen gemäß der Erfindung.

Herkömmliche Stromquellen wurden anhand der Fig. 1 bis 3 bereits erläutert.

Ein erstes Beispiel der Konstantstromquelle gemäß der Erfindung wird nun mit Bezug auf Fig. 4 erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kollektor eines Transistors Q₁ über einen Widerstand R₁ mit dem Versorgungsanschluß T₁ verbunden, der mit einer Spannung +V _CC versorgt ist, wobei dessen Emitter an Masse liegt.

Die Transistoren Q₂ und Q₃ sind basisseitig gemeinsam mit dem Kollektor des Transistors Q₁ verbunden und sind emitterseitig jeweils über Widerstände R₂ bzw. R₃ an Masse gelegt. Der Emitter des Transistors Q₂ ist auch mit der Basis des Transistors Q₁ verbunden. Der Emitter des Transistors Q₃ ist mit der Basis eines Transistors Q₄ verbunden, dessen Emitter an Masse liegt (geerdet ist).

Gemäß dem Schaltungsaufbau gemäß Fig. 4 gilt bezüglich der Basen der Transistoren Q₂ und Q₃:

V _BE1 + V _BE2 = V _BE3 + V _BE4 (13)

mit
V _BE3 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₃,
V _BE4 = Basis/Emitter-Spannung des Transistors Q₄.

Aus den Gleichungen (1) und (13) ergibt sich:

I₁ · I₂ = I₃ · I₄ (14)

mit
I₃ = Kollektorstrom des Transistors Q₃,
I₄ = Kollektorstrom des Transistors Q₄.

Wenn zur Vereinfachung folgende Bedingung erfüllt wird:

V _BE1 = V _BE2 = V _BE3 = V _BE4 = V _BE (14a)

ergeben sich die Ströme I₁, I₂ und I₃ zu:

Aus den Gleichungen (14) bis (17) ergibt sich der Strom I₄ zu:

Wie erwähnt, kann die Schaltung gemäß Fig. 4 die Konstantströme I₂ bis I₄ erzeugen, die durch die Gleichungen (16) bis (18) wiedergegeben sind. Beim Beispiel der Erfindung gemäß Fig. 4 können alle Transistoren Q₁ bis Q₄ mit gleicher Übergangsfläche bzw. Übergangszone versehen werden, d. h., daß keine große Übergangsfläche erforderlich ist. Somit ist die Konstantstromquelle gemäß Fig. 4 vorteilhaft, wenn sie als integrierte Schaltung ausgebildet werden soll. Für den Fall der herkömmlichen Schaltung gemäß Fig. 2 gilt folgende Gleichung:

Dagegen gilt für die erfindungsgemäße Schaltung gemäß Fig. 4 ausgehend von Gleichung (15):

Wenn daher der Bezugs-Strom I₁ bei den Schaltungen gemäß Fig. 2 und gemäß Fig. 4 gleich ist, ist der Widerstandswert R₁ gemäß Gleichung (20) kleiner als der Widerstandswert (R₁ + R₂) gemäß der Gleichung (19) um einen Betrag, der der Spannung V _BE entspricht.

Als Ergebnis kann die Fläche, die durch den Widerstand R₁ eingenommen wird, (bzw. in Fig. 2 durch die Widerstände R₁ und R₂), der den Strom I₁ bestimmt, verringert werden, weshalb die Schaltung gemäß Fig. 4 zur Ausbildung als integrierte Schaltung geeignet ist.

Fig. 5 zeigt eine Schaltung, die unter Verwendung der Schaltung gemäß Fig. 4 gebildet ist und die Ausgangs-Konstantströme ähnlich denen gemäß Fig. 3 erzeugt.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 5 ergeben sich folgende Werte:

106 + 33 + 1 + 2 × 12 = 164 (kΩ)
164/2 = 82.

Daher erfordert die Schaltung gemäß Fig. 5 lediglich die Fläche, die einen Widerstand mit 164 kΩ bzw. 82 Transistoren in einer integrierten Schaltung entspricht.

Dieser Wert entspricht 58% der Fläche der Schaltung gemäß Fig. 3. Folglich ist die Schaltung gemäß Fig. 5 vorteilhaft bei Ausbildung als integrierte Schaltung.

Weiter hängen, wenn die Ausgangsströme I₂ und I₃ der Schaltung gemäß Fig. 3 mit den Strömen I₇ und I₈ der Schaltung gemäß Fig. 5 verglichen werden, die Ströme I₂ und I₃ der Schaltung gemäß Fig. 3 von vier Widerständen R₁ bis R₄ ab, während die Ströme I₇ und I₈ der Schaltung gemäß Fig. 5 von lediglich dem Widerstand R₁ abhängen. Deshalb werden die Ströme I₂ und I₈ weniger gestreut. Selbst wenn die Ströme I₇ und I₈ gestreut werden, ist deren Streuungsrichtung gleich. Das heißt, daß die Schaltung gemäß Fig. 5 ebenfalls zur Ausbildung als integrierte Schaltung geeignet ist.

Wenn auch nicht dargestellt, kann ein Emitterwiderstand mit jedem der Transistoren Q₁ und Q₄ verbunden werden.

Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen möglich.

Claims

Konstantstromquelle mit Transistoren eines Leitfähigkeitstyps, die zwischen erstem und zweitem Spannungsanschluß einer Spannungsquelle geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß vier Transistoren (Q₁, Q₂, Q₃, Q₄) vorgesehen sind,
daß der Kollektor bzw. der Emitter des ersten Transistors (Q₁) mit dem ersten (T₁) bzw. dem zweiten Spannungsanschluß verbunden sind, wobei ein erster Widerstand (R₁) zwischen dem Kollektor und dem ersten Spannungsanschluß (T₁) geschaltet ist,
daß der Emitter des zweiten Transistors (Q₂) mit dem zweiten Spannungsanschluß über einen zweiten Widerstand (R₂) verbunden ist,
daß der Emitter des dritten Transistors (Q₃) mit dem zweiten Spannungsanschluß über ein drittes Impedanzglied (R₃) verbunden ist,
daß der Emitter des vierten Transistors (Q₄) mit dem zweiten Spannungsanschluß verbunden ist,
daß die Basis des ersten Transistors (Q₁) mit dem Emitter des zweiten Transistors (Q₂) verbunden ist,
daß der Kollektor des ersten Transistors (Q₁) mit den Basen des zweiten und des dritten Transistors (Q₂, Q₃) verbunden ist,
daß der Emitter des dritten Transistors (Q₃) mit der Basis des vierten Transistors (Q₄) verbunden ist und
daß jeweils eine Stromnutzungseinrichtung zwischen dem ersten Spannungsanschluß (T₁) und mindestens einem der Kollektoren von zweitem, drittem und viertem Transistor (Q₂, Q₃, Q₄) angeschlossen ist.