DE3643573C2 - Stromverstärkungsstufe mit niedrigem Spannungsabfall - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromverstär­ kungsstufe mit niedrigem Spannungsabfall und einem hohen Präzisionsgrad.

Die Erfindung ist besonders nützlich im Bereich von mono­ lithisch integrierten Schaltungen, sowohl in integrier­ ten Systemen des analogen Typs als auch in integrierten Systemen des Schaltungs- oder Logiktyps.

Die allgemeine Kollektorverbindung von zwei Stufen (Tran­ sistoren), deren erster als Last den Eingangsleitwert des zweiten sieht, die sog. Darlington-Verbindung, ist weit verbreitet in Anwendungen, in denen die Notwendig­ keit herrscht, einen sehr kleinen Wert für die Eingangs­ admittanz eines Verstärkers zu erhalten, der Halbleiter- Bauelemente der Bipolarart verwendet.

Wie gut bekannt ist, haben die Stromverstärkungsstufen des Darlington-Typs einen Nachteil, der ihre Verwendung ihn vielen Anwendungen ausschließen kann, der durch be­ sondere Erfordernisse gekennzeichnet ist; d. h. die Span­ nung zwischen dem Kollektoranschluß und dem Emitteran­ schluß des "äquivalenten Transistors" in der Darlington- Anordnung kann nicht unter den Wert der Summe von V_BE des zweiten Transistors (T₂ in den Figuren) des Kaskadenpaares und von V_CE des ersten Transistors des Kaskadenpaares (T₁ in den Figuren) fallen.

In dem sehr oft vorkommenden Fall, wo der Ausgangsstrom des Darlingtons verwendet wird, um eine andere Schaltung irgendeiner Art durch einen Stromspiegel zu treiben, ist es oft von fundamentaler Wichtigkeit, daß der Spannungs­ abfall zwischen den Anschlüssen C (Kollektor) und E (Emitter) des Darlingtons sehr klein ist, um die Span­ nungsschwankung, mit anderen Worten die dynamische Cha­ rakteristik des E-Knotens oder des C-Knotens nicht über­ mäßig zu begrenzen. Tatsächlich kann der Stromspiegel eine Art der Schaltungsausführung haben, die komplex sein kann und dies kann einen gewissen Spannungsabfall zur Folge haben, der, summiert zu dem Spannungsabfall des Darlingtons (d. h. zwischen C- und E-Knoten), dazu führen kann, daß er selbst unvereinbar mit der Begren­ zung ist, die durch die Versorgungsspannung gesetzt ist, die oft nur 5 V beträgt.

Eine ähnliche Schwierigkeit von untolerierbarer übermä­ ßiger Begrenzung der Schwankungsmöglichkeit der Spannung trifft man in den Ausgangsstufen, die die Darlington-Ver­ bindung und einen Abtastwiderstand verwenden zur Erfas­ sung und Steuerung des Stroms durch den Ausgangstransi­ stor durch eine Rückführung. Auch in diesem Typ der An­ wendung begrenzt der Spannungsabfall zwischen den C- und E-Knoten des Darlingtons die maximale Spannung, die über die Last der Schaltung entwickelbar ist.

Mit dem Ziel, solch einen Nachteil von Darlington-Stufen zu überwinden, insbesondere in Schaltungssituationen des oben erwähnten Typs, und somit den Spannungsabfall der Stromverstärkungsstufe zu vermindern, ist es bekannt, den Kollektor des ersten Transistors T₁ (Treiber) nicht mit dem Kollektor des zweiten Transistors T₂ gemäß der typischen Darlington-Verbindung zu verbinden, sondern mit einem Schaltungsblock, der unterschiedlich von der "Last" oder von dem Stromspiegel ist, der durch den Aus­ gangstransistor E₂ getrieben wird, oder selbst direkt mit der Versorgungsleitung.

Diese Anordnung erlaubt, die minimale Spannung zwischen dem C- und E-Knoten der Stromverstärkungsstufe auf nur die V_CE-Spannung des Ausgangstransistors T₂ zu vermin­ dern, allerdings zum Nachteil der Präzision des Ausgangs­ stroms, wie es später in der Beschreibung besser erläu­ tert werden wird. Der Grad der Ungenauigkeit, wie er durch diese bekannte Anordnung eingeführt wird, ist in vielen Anwendungen nicht tolerierbar.

Es ist deswegen die Aufgabe der vorliegenden Erfin­ dung, eine Stromverstärkungsstufe mit niedrigem Spannungs­ abfall anzugeben, die zur gleichen Zeit eine hohe Präzi­ sion des Wertes des Ausgangsstroms in bezug auf ein ge­ gebenes Eingangssignal aufrecht erhält, der im wesentli­ chen gleich demjenigen ist, der durch eine Darlington- Stufe des konventionellen Typs angeboten wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mittels einer Stromverstär­ kungsstufe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 2 erreicht.

Die Erfindung und die Vorteile, die sie in bezug auf die bekannten Techniken in Relation zu den oben diskutierten technischen Problemen bietet, werden leichter erläutert unter Bezugnahme auf eine Reihe von Schaltbildern, die hier lediglich zu erläuternden und nicht begrenzenden Zwecken in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, worin:

Fig. 1a und 1b jeweils das typische Bild einer Stufe des Darlington-Typs und des äquivalenten Tran­ sistors erläutern,

Fig. 2a und 2b die sich darauf beziehenden Schaltbilder von zwei typischen Schaltungssituationen erläutern, die Stromverstärkungsstufen des Darlington-Typs verwenden;

Fig. 3a und 3b Stromverstärkungsstufen zeigen, die gemäß dem Stand der Technik modifiziert sind und anstelle der herkömmlichen Darlington- Stufen in ähnlichen Schaltungssituationen der Fig. 2a und 2b verwendet werden,

Fig. 4a und 4b Stromverstärkungsstufen gemäß der vorliegenden Erfindung erläutern, die in ähnlichen Schaltungssituationen, wie in Fig. 2a, 2b, 3a und 3b erläutert, verwen­ det werden;

Fig. 5 das Schaltbild einer Schaltung erläutert, die einen Darlington verwendet, der oft in vielen integrierten Systemen gefunden wird;

Fig. 6 die Anwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in der Schaltung von Fig. 5 erläutert;

Fig. 7 ein weiteres Schaltbild einer anderen Schaltung erläutert, die einen Darlington verwendet, der oft in vielen integrierten Systemen des digitalen oder schaltenden Typs verwendet wird, und

Fig. 8 die Anwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in der Schaltung von Fig. 7 erläutert.

In vielen Anwendungen kann der Spannungsabfall über die Knoten C und E einer weit verwendeten Stromverstärkungs­ stufe des Darlington-Typs, dessen Basisschaltbild in Fig. 1a und 1b gezeigt ist, und der nicht kleiner sein kann als V_BET2 + V_CEsatT1, übermäßig groß werden.

Eine Situation dieser Art kann beispielsweise in dem Fall vorkommen, worin der Ausgangsstrom des Darlington verwendet wird, um durch einen Stromspiegel eine andere Schaltung irgendeiner Art zu treiben, wie in dem Schalt­ bild von Fig. 2a erläutert. Der Stromspiegel, der in Fig. 2a durch den Block dargestellt ist, der die Bezeich­ nung trägt, kann tatsächlich eine ziemlich komplizierte Schaltungsanordnung haben, und dies kann einen Spannungs­ abfall zur Folge haben, der, wenn er zu dem Spannungsab­ fall der Darlington-Stromverstärkungsstufe addiert wird, nicht vereinbar mit der verfügbaren Versorgungsspannung ist. Ein ähnliches Erfordernis des Verminderns des Span­ nungsabfalls über die C- und E-Knoten des Stromverstär­ kers, um eine bessere dynamische Charakteristik zu er­ lauben, kann z. B. in dem Fall einer in Fig. 2b gezeigten Ausgangsstufe vorhanden sein, die einen Darlington ver­ wendet und durch zwei Transistoren T₁ und T₂ und durch einen Abtastwiderstand R_S für die Rückkopplungsregelung des Ausgangsstroms gebildet ist, d. h. der Spannungsab­ fall über die C- und E-Knoten des Darlington begrenzt die maximalen Spannungsschwankung, die über die Last Z_L entwickelt werden kann.

In beiden in Fig. 2a und 2b betrachteten Fällen ist es oft üblich, den Kollektor von Transistor T₁ (Treiber) nicht mit dem Kollektor des Ausgangstransistors T₂ zu verbinden, um so den Spannungsabfall über die C- und E-Knoten der Stromverstärkungsstufe nur auf die Spannung V_CEsatT2 (die Sättigungs-Kollektor-Emitter-Spannung von Transistor T₂) zu vermindern und statt dessen den Kollektor von Transistor T₁ mit einem Schaltungsblock zu verbinden, der verschieden von der Last und von dem Stromspiegel ist, der durch die Stromverstärkungsstufe betrieben wird, wie jeweils in Fig. 3a und 3b gezeigt.

Der unterschiedliche Schaltungsblock, der mit A in Fig. 3a und 3b bezeichnet ist, ist oft eine direkte Verbin­ dung des Kollektors von Transistor T₁ mit der Versorgungs­ leitung, obwohl er im allgemeinen jede geeignete Schal­ tungsanordnung haben kann.

Diese Anordnung des Standes der Technik bringt aller­ dings eine Ungenauigkeit des Ausgangsstromes einer Größe, die gleich zum Kollektorstrom des Transistors T₁ ist, mit sich, die in vielen Fällen nicht toleriert werden kann. Ein Beispiel kann die Anwendung sein, worin der Ausgangsstrom mit hoher Präzision gesetzt werden muß durch Steuern des Emitterstroms des Darlington. Tatsäch­ lich kann unter Bezugnahme auf Fig. 3a beobachtet wer­ den, daß:

I_E2 = I_C2 + I_B2
I_C2 = I_E2 - I_B2
= I_E2 - I_E1
= I_E2 - (I_C1 + I_B1)
= I_E2 - (β₁ + 1) I_B1

worin die Bezeichnungen wie herkömmlich sind und die Suffixe 1 oder 2 dazu dienen, jeweils den Bezug zu Tran­ sistor T₁ und T₂ der Verstärkungsstufe anzuzeigen.

Auch in dem zweiten der betrachteten Fälle kann unter Bezugnahme auf Fig. 3b beobachtet werden, daß der auf dem Abtastwiderstand R_S gemessene Strom sein wird

I_E2 = I_C2 + I_B2 = I_C2 + I_E1
= I_L + I_E1

es wird deswegen ein Fehler einer Größe zugelassen, der gleich ist zu dem Basisstrom des Transistors T₂, der unter Sättigungsbedingungen desselben Transistors T₂ nicht vernachlässigbar ist.

Solche Probleme des Präzisionsverlusts, die sich aus der Notwendigkeit des Verminderns des Spannungsabfalls über die C- und E-Knoten der Stromverstärkungsstufe durch Verbinden des Kollektors von Transistor T₁ (Treiber) mit einem anderen Schaltungsblock ergeben, werden in einer wirksamen Weise überwunden durch Verwenden der Stromver­ stärkungsstufe, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist.

Wie schematisch in Fig. 4 erläutert, die denselben An­ wendungstyp darstellt, der bereits in den vorherigen Fig. 2a und 3a untersucht wurde, betrachtet die Strom­ verstärkungsstufe der Erfindung die Verbindung des Kol­ lektors von Transistor T₁ (Treiber) mit einem Hilfsstrom­ spiegel AUX1. Der Ausgangsstrom I_OUT1 dieses Hilfsstrom­ spiegels wird dann zu dem Ausgangsstrom I_OUT2 des Strom­ spiegels addiert, der durch die Verstärkungsstufe als ein Korrekturstrom getrieben wird.

Auf diese Art kann, wenn man annimmt, daß die Stromspie­ gel genau sind, leicht beobachtet werden, daß

I_OUT = I_OUT1 + I_OUT2
I_OUT1 = I_C1 = I_E1 - I_B1
I_OUT2 = I_C2 = I_E2 - I_B2

und unter der Voraussetzung, daß

I_B2 = I_E1

ist, hat man

I_OUT1 + I_OUT2 = I_E1 - I_B1 + I_E2 - I_B2
= I_B2 - I_B1 + I_E2 - I_B2
= I_E2 - I_B1

Somit wird die Ungenauigkeit dieses Ausgangsstroms ver­ mindert auf eine Größe, die lediglich gleich dem Basis­ strom von Transistor T₁ ist, der, wie durch leichte Be­ trachtungen augenscheinlich wird, um einen Faktor β² kleiner ist als der Emitterstrom desselben Transistors T₂ und somit ergibt sich eine Ungenauigkeit einer Größe, die sicherlich vernachlässigbar ist.

Das Schaltbild von Fig. 4b erläutert die Stromverstär­ kungsstufe der Erfindung, die auf dieselbe Schaltungssi­ tuation angewendet ist, die bereits unter Bezugnahme auf Fig. 2b und 3b untersucht worden ist.

In diesem Fall wird die Addition des Kollektorstroms von Transistor T₁ zu dem Ausgangsstrom der Stromverstärkungs­ stufe vorgenommen durch Abziehen eines Stromes vom Kno­ ten C, d. h. direkt von der Last, wobei zu diesem Zweck ein zweiter Hilfsstromspiegel AUX2 verwendet wird, wo­ bei der Strom gleich dem Kollektorstrom von Transistor T₁ ist. Auch in diesem Fall kann, wenn man annimmt, daß die Stromspiegel genau sind, leicht beobachtet werden, daß:

I_L = I_C2 + I_C1
I_sens = I_E2 = I_C2 + I_C1 + I_B1 = I_L + I_B1

Die Ungenauigkeit des Ausgangsstroms führt zu einer Grö­ ße, die gleich dem Basisstrom I_B1 von Transistor T₁ (Trei­ ber) und somit praktisch vernachlässigbar ist.

Die Beschreibung geht nun weiter, um wenige typische Bei­ spiele von Schaltungssituationen zu erläutern, worin die Verstärkungsstufe der vorliegenden Erfindung eine beson­ ders wirksame Verwendung findet. In einigen integrierten Schaltungen kann es notwendig sein, von außen mittels einer Referenzspannung und/oder eines Referenzwiderstan­ des R_ref einen Strom für interne Verwendungen zu setzen. In diesen Fällen ist die typische Struktur die, die in Fig. 5 gezeigt ist, worin beobachtet werden kann, daß auf eine Differentialstufe (Eingangsübertragungsleitwert­ stufe) OTA eine Stromverstärkungsstufe des Darlington- Typs zum Treiben des Ausgangsstromspiegels folgt.

Die Referenzspannung V_ref, die über den Referenzwider­ stand R_ref angelegt wird, setzt den Emitterstrom von Transistor T₂.

Deswegen sollte der Ausgangsstrom I_OUT so dicht wie möglich zum Wert des Stromes I_ref sein.

Der Maximalwert, der für die Spannung V_ref zugelassen wird, ist:

V_ref,max = V_S - (V_BET2 + V_CEsatT1) - V_ds

worin:

V_S = Versorgungsspannung und
V_ds = für den Betrieb des Ausgangsstromspiegels notwendige Minimalabfall.

Im allgemeinen wird die Auswahl eines bestimmten Strom­ spiegels diktiert durch Präzisionserfordernisse, weil normalerweise ein Stromspiegel mit hohen Präzisionskenn­ werten eine komplexere Schaltung hat und deswegen not­ wendigerweise einen höheren Spannungsabfall darstellt. Es ist deswegen allgemeine Praxis, den Spannungsabfall wegen der ihn verursachenden Stromverstärkungsstufe auf die Grenze zu vermindern, die lediglich gleich dem Wert V_CEsatT2 gemäß der Technik ist, die in Verminderung mit Fig. 3a beschrieben worden ist, aber das impliziert, wie beobachtet worden ist, die Einführung einer nicht vernach­ lässigbaren Ungenauigkeit in Übertragung der Daten (d. h. Ungenauigkeit von I_OUT als eine Funktion von V_ref).

Die Anwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in diesem speziellen Fall kann, wie in dem Schaltbild von Fig. 6 gezeigt, implementiert werden, worin die Sym­ bole und die Bezeichnungen der verschiedenen Komponenten oder Blöcke die gleichen sind, wie die, die in den vor­ herigen Figuren verwendet wurden, und worin der Ausgangs­ stromspiegel und der Hilfsstromspiegel AUX1 gemäß einer der möglichen Schaltungsimplementierungen desselben ge­ zeigt sind.

Wie leicht beobachtet werden kann, erlaubt die Verwen­ dung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung in diesem besonderen Fall das Anwachsen der oberen Grenze für die Spannung V_ref, oder die Verwendung eines komplexeren Stromspiegels (präziser) am Ausgang, z. B., wie in Fig. 6 gezeigt, eines Wilson-Spiegels, der ein hochgenauer Spie­ gel ist, aber eine größere Dynamik erfordert.

In integrierten Systemen der Schaltart wird der Ausgangs­ strom, d. h. der Strom, der durch die Stromverstärkungs­ stufe an eine Last Z_L geliefert wird, unter Rückführung gesteuert mittels Messens über den Abtastwiderstand R_S und durch Vergleichen mit einer Referenzspannung V_ref, wie in dem Schaltbild von Fig. 7 gezeigt.

Bei Verwendung der Stromverstärkungsstufe der Erfindung anstelle des Darlington von Fig. 7, wie in Fig. 8 ge­ zeigt, ist es möglich, die Spannung zu vergrößern, die an die Last Z_L angelegt ist, und so den Minimalabfall der Verstärkungsstufe auf nur V_CEsatT2 zu vermindern und doch ein hohes Maß an Präzision im Ausgangsstrom auf­ recht zu erhalten. Tatsächlich wird der Kollektorstrom vom Transistor T₁ (Treiber) direkt über die Last Z_L zu dem Ausgangsstrom von Transistor T₂ addiert durch Spie­ geln des Kollektorstroms von T₁ durch die beiden Hilfs­ stromspiegel AUX1 und AUX2, die jeweils durch die bei­ den strichlierten Rechtecke von Fig. 8 dargestellt sind.

Claims (2)

1. Stromverstärkerstufe mit einem Eingangsanschluß und einem Aus­ gangsanschluß, wobei die Stufe aufweist:
einen ersten Transistor (T₁) und einen zweiten Transistor (T₂), die in Kaskade geschaltet sind, wobei die Basis (B) des ersten Transi­ stors (T₁) den Eingangsanschluß bildet;
einen ersten Stromspiegel (AUX1), der mit dem Kollektor des ersten Transistors (T₁) verbunden ist, wobei der erste Stromspiegel betrie­ ben wird, um einen Ausgangsstrom (I_OUT1) zu erzeugen, der gleich dem Kollektorstrom des ersten Transistors (T₁) ist; und
einen zweiten Stromspiegel, der durch den Kollektorstrom des zwei­ ten Transistors (T₂) angesteuert wird und betrieben wird, um einen Ausgangsstrom (I_OUT2) gleich dem Kollektorstrom des zweiten Transi­ stors (T₂) zu erzeugen, wobei der Ausgangsstrom (I_OUT1) des ersten Stromspiegels dem Ausgangsstrom (I_OUT2) des zweiten Stromspiegels hinzuaddiert wird, und wobei die Ausgangsströme der beiden Strom­ spiegel dem Ausgangsanschluß der Stromverstärkerstufe zuführbar sind.

2. Stromverstärkerstufe mit einem Eingangsanschluß und einem Aus­ gangsanschluß, wobei die Stufe aufweist:
einen ersten Transistor (T₁) und einen zweiten Transistor (T₂), die in Kaskade geschaltet sind, wobei die Basis (B) des ersten Transi­ stors (T₁) den Eingangsanschluß bildet und der Kollektor (C) des zweiten Transistors den Ausgangsanschluß bildet;
einen ersten Stromspiegel (AUX₁), der mit dem Kollektor des ersten Transistors (T₁) verbunden ist, wobei der erste Stromspiegel betrie­ ben wird, um einen Ausgangsstrom zu erzeugen, der gleich dem Kollektorstrom des ersten Transistors (T₁) ist; und
einen zweiten Stromspiegel (AUX₂), der durch den Ausgangsstrom des ersten Stromspiegels angesteuert wird, wobei der Ausgangsstrom des zweiten Stromspiegels direkt dem Strom (I_L) hinzuaddiert wird, der durch eine Lot (Z_L) fließt, welche mit dem Kollektor des zweiten Transistors (T₂) verbunden ist.