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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromquelle, die kurze
Schwankungen der Spannung an ihrem Ausgang verträgt, ohne daß
diese auf den gelieferten Strom zurückwirken. Diese Quelle
verdankt dieses Merkmal zum Teil ihrer Struktur und zum Teil
ihrer Ausführung mit Transistoren des NPN-Typs.
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Eine Stromquelle ist nach Definition eine Schaltung, die an
eine andere elektronische Schaltung einen stabilen Strom
liefern soll. Tatsächlich kommt es jedoch während des Betriebs
vor, daß diese zweite Schaltung aufgrund von
Zustandsänderungen kurzen Stromschwankungen unterliegt, die auf den Ausgang
der Stromquelle zurückwirken.
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Wenn die Stromquelle eine niedrige Impedanz besitzt, kann sie
den notwendigen Strom liefern, wegen dieser geringen Impedanz
erfolgt jedoch eine Reaktion, die den Ausgangsstrom
destabilisiert. Falls dagegen die Stromquelle eine hohe Impedanz
besitzt, ist sie stabiler, sie kann jedoch auf kurze
Schwankungen nicht antworten.
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Das Schaltbild einer Stromquelle gemäß dem Stand der Technik
ist in Fig. 1 angegeben. Es ist sehr einfach und enthält einen
Stromspiegel, der aus den Transistoren Q1 und Q2 sowie durch
die Stromquelle Q3 gebildet ist: Diese wird anhand einer
Referenzspannung gesteuert, die sich über den Anschlüssen
eines Widerstandes Rref aufbaut, und durch das Normal VBG sowie
durch den Transistor Qref hinsichtlich der Temperatur
kontrolliert.
Der Transistor Q4 ist mit dem Transistor Q3 als Spiegel
geschaltet.
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Falls R3 = R4 und falls die Transistoren Q3 und Q4 die
gleichen Geometrien besitzen, liefern sie die gleichen Ströme,
insbesondere liefert Q3 einen Strom, der gleich Iref ist.
Falls dagegen der Transistor Q1 eine Geometrie besitzt, die
"n"-mal größer als diejenige von Q2 ist, liefert er einen "n"-
mal größeren Strom: Wenn beispielsweise n = 5, ist der
Ausgangsstrom Is sechsmal größer als der Referenzstrom Iref (1Iref
über Q2 + 5Iref über Q1).
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Diese Architektur hat den Vorteil, daß sie sehr einfach ist,
daß sie nur wenig Transistoren erfordert und daß sie einen
geringen Verbrauch hat. Sie ist insofern besser, als der
Stromspiegel Q1 + Q2 aus NPN-Transistoren, der die Verstärkung
gewährleistet, die Beseitigung der Schwankungen des
Stromverstärkungsfaktors im Transistor Q3, der ein PNP ist,
ermöglicht.
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In der schnellen Bipolartechnologie besitzen nämlich die PNP-
Transistoren im allgemeinen eine größere
Verstärkungsfaktorstreuung als die NPN-Transistoren.
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Außerdem besitzen die PNP-Transistoren wie etwa Q3 und Q4
dynamische Leistungseigenschaften, die viel kleiner als jene
der NPN-Transistoren wie etwa Q1 und Q2 sind, weil die
parasitären Kapazitäten eines PNP größer als jene eines NPN sind.
Unter diesen Umständen wird eine kurze Schwankung des
Ausgangsstroms IS (oder der Ausgangsspannung VS) wegen der
parasitären Kollektor-Basis-Kapazität des PNP Q3 nicht sofort an
dessen Basis übertragen, außerdem reagiert Q3 ausreichend
schnell, um diese Schwankung zu korrigieren.
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Schließlich ist die Modulation des Kollektorstroms IC in
Abhängigkeit von der Kollektor-Emitter-Spannung, die unter der
Bezeichnung "Early"-Spannung bekannt ist, für einen PNP sehr
gering, was zu einer Abhängigkeit des Ausgangsstroms IS von
der Ausgangsspannung VS führt, woraus sich eine statische
Ungenauigkeit ergibt.
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Um diese Nachteile zu beseitigen, schlägt die Erfindung vor:
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- eine Stromquelle zu verwirklichen, indem ausschließlich
NPN-Transistoren verwendet werden,
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- die Architektur dieser Stromquelle abzuwandeln, indem
insbesondere der Stromspiegel durch einen
Differenzverstärker ersetzt wird, der in der Weise arbeitet, daß er an
den Anschlüssen eines Widerstands eine konstante
Potentialdifferenz aufrechterhält, wodurch ein konstanter
gelieferter Strom unabhängig vom Potential am Ausgang
sichergestellt ist. Die Folge davon ist, daß die Stromquelle
gemäß der Erfindung kurze Spannungsschwankungen am Ausgang
verträgt: Sie leitet sie nicht zurück und setzt die
Lieferung eines stabilen Ausgangsstroms IS fort.
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Genauer betrifft die Erfindung eine an kurze Schwankungen der
Spannung an ihrem Ausgang angepaßte Stromquelle mit, wie aus
der EP-A-0 219 682 bekannt ist, einerseits einem Zweig zum
Erzeugen des Ausgangsstroms aus einem ersten, in Serie mit
einem ersten Widerstand geschalteten Transistor und
andererseits einem von einer Referenzspannungsquelle in Serie mit
einem zweiten Widerstand und einem zweiten Transistor
gebildeten Referenzzweig, wobei die Basisanschlüsse des ersten und
des zweiten Transistors verbunden und über einen Widerstand an
eine Versorgungsspannung gelegt sind, wobei einer dritter und
ein vierter Transistor als Differenzverstärker geschaltet
sind, wobei die Stromquelle gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet ist, daß zum Konstanthalten der
Potentialdifferenz an den Klemmen des ersten Widerstands der erste
Transistor mit seinem Kollektoranschluß an die positive
Versorgungsspannung und mit seinem Basisanschluß an den Ausgang der
Stromquelle angeschlossen ist, während der vierte Transistor
mit seinem Kollektoranschluß an dem gemeinsamen "hohen" Punkt
mit den Basisanschlüssen des ersten und des zweiten
Transistors und mit seinem Basisanschluß an dem gemeinsamen
"niedrigen" Punkt zwischen dem ersten Widerstand und der
Referenzspannungsquelle angeschlossen ist, wobei die
Kollektoranschlüsse des ersten und des zweiten Transistors mit der
positiven Versorgungsspannung verbunden sind.
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Die Erfindung wird besser verständlich durch die nun folgende
genauere Beschreibung in Verbindung mit dem im Anhang
beigefügten Figuren, in denen:
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- Fig. 1 ein elektrisches Schaltbild einer Stromquelle des
Standes der Technik zeigt, die vorher erläutert worden
ist;
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- Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild einer Stromquelle gemäß
der Erfindung zeigt;
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- Die Fig. 3 bis 5 Vergleichskurven für eine aufgeprägte
Schwankung (Fig. 3) zwischen der Antwort der Quelle des
Standes der Technik (Fig. 4) und der Antwort der Quelle
gemäß der Erfindung (Fig. 5) zeigen.
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Fig. 2 zeigt das elektrische Schaltbild der Stromquelle gemäß
der Erfindung.
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Der Zweig, der zwischen einer positiven Spannung +VCC und
einer negativen Spannung -VEE versorgt wird und der einen
Referenzstrom Iref liefert, ist im wesentlichen der gleiche
wie derjenige von Fig. 1: Ein Transistor Qref und ein
Widerstand Rref, die durch eine Spannungsquelle VBG
temperaturgeregelt werden, steuern den Strom, der durch den Transistor Q6
fließt, der mit einem zwischen dem Emitter von Q6 und dem
Kollektor von Qref befindlichen Widerstand R6 in Serie
geschaltet ist.
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Der Zweig, der die eigentliche Stromquelle bildet, enthält
einen Transistor Q5, der an die Versorgungsspannung +VCC
angeschlossen ist und mit einem Widerstand R5 in Serie
geschaltet ist, dessen freies Ende den Ausgangsanschluß der
Schaltung bildet. Die Basen der Transistoren Q5 und Q6 sind
miteinander verbunden und ausgehend von VCC über einen
Widerstand R8 vorgespannt
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Die Grundlage der Erfindung besteht darin, eine konstante
Potentialdifferenz an den Anschlüssen des Widerstandes R5
aufrechtzuerhalten, wodurch ein konstanter gelieferter Strom
Is unabhängig vom Ausgangspotential VS sichergestellt ist.
Dies wird mittels eines Differenzverstärkers erhalten, der
durch die Transistoren Q7 und Q8 gebildet ist. Der Transistor
Q7 ist mit seiner Basis an den niedrigen Punkt VS, dem freien
Ende des Widerstands R5, angeschlossen und mit seinem
Kollektor an die Versorgungsspannung angeschlossen. Der Transistor
Q8 ist mit seiner Basis an den niedrigen Punkt VB des
Widerstands R6 angeschlossen und mit seinem Kollektor an den Punkt
VH angeschlossen, der dem Widerstand R8 und den Basen der
Transistoren Q5 und Q6 gemeinsam ist.
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Die Emitter des Differenzverstärkers Q7 + Q8 sind an eine
Vorspannungsquelle angeschlossen, die einen Strom 1po1 zur
Versorgungsspannung -VEE zieht.
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Es ist die Symmetrie des Schaltbilds, abgesehen von der
Referenz Qref + Rref, sowie die Versorgung von Q7 ausgehend von VCC
und diejenige von Q8 ausgehend von VH erkennbar. Die Spannung
im Punkt VH entspricht jedoch bis auf eine Emitter-Basis-
Verbindung von Q5 der Spannung am ersten "hohen" Ende von R5,
während die Spannung im Punkt VB über dem Differenzverstärker
der Spannung am zweiten "niedrigen" Ende von R5 entspricht,
welche außerdem die Ausgangsspannung VS ist.
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Dieses Schaltbild könnte mit einer Anpassung mit Transistoren
des PNP-Typs arbeiten, um jedoch das Ziel, das darin besteht,
daß der Strom IS konstant bleibt, wenn die Spannung VS
schwankt, zu erreichen, ist es notwendig, es ausschließlich
mit NPN-Transistoren zu verwirklichen, die eine geringere
parasitäre Basis-Kapazität besitzen.
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Im Betrieb stellt die Referenzstromquelle Qref + Rref eine
konstante Potentialdifferenz VH - VB an den Anschlüssen des
Widerstandes R6 (von einer Verbindungsstelle abgesehen)
sicher, außerdem wird im Gleichgewicht die Spannung im Punkt VB
auf die Ausgangsspannung im Punkt VS oder die Spannung im
"niedrigen" Punkt von R5 geregelt.
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Gleichzeitig wird jedoch die Spannung im "hohen" Punkt VH von
R5 (von einer Verbindungsstelle abgesehen) auf das
Ausgangspotential VS über den Differenzverstärker geregelt, der auf den
Verstärkungsfaktor 1 rückgekoppelt ist. Wenn daher die
Ausgangsspannung VS infolge des Betriebs schwankt, wird diese
Schwankung von der Spannung VH begleitet, wobei, da die
Differenz VH - VB konstant ist, auch die Differenz VH - Vg konstant
ist und der Ausgangsstrom IS konstant ist.
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Die Stromverstärkung wird durch die Geometrie der
symmetrischen Bauteile Q5 + RS und Q6 + R6 erhalten. Wenn der Strom IS
gleich "n"-mal der Strom Iref sein soll, sind die
geometrischen Abmessungen des Transistors Q5 gleich "n"-mal jene des
Transistors Q6, ferner ist der Wert des Widerstands R5 gleich
"1/n"-mal jener des Widerstands R6. Um daher lediglich
beispielhaft mit einem Referenzstrom von 500 A einen Strom von
3 mA zu liefern, wie im Beispiel von Fig. 1, muß Q5 eine
Geometrie besitzen, die sechsmal jene von Q6 ist, außerdem muß
R5 = R6/6 sein.
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Die ausschließliche Verwendung von NPN-Transistoren, die eine
geringere parasitäre Basis-Kapazität besitzen, haben zwei
Typen von Vorteilen zur Folge:
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- Unter dem dynamischen Aspekt werden kapazitive Effekte der
Basis von Q7 am Ausgang VS beseitigt. Es bleibt lediglich
eine kapazitive Wirkung am Transistor Qref, diese
beeinflußt jedoch den Ausgang nicht und kann verringert werden,
indem die Geometrie von Qref verringert wird;
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- unter dem statischen Aspekt hängt die Veränderung von
als Funktion von VS vom Early-Effekt des Transistors Qref,
der reduziert ist, weil ein NPN-Transistor eine größere
Early-Spannung als ein PNP besitzt, sowie vom Offset des
verwendeten Verstärkers ab.
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Die Kurven der Fig. 3 bis 5 zeigen den Nutzen der NPN-
Transistoren und der Schaltung gemäß der Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik.
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Die Kurve von Fig. 3 zeigt die Form der Spannung, die dem
Ausgang VS aufgeprägt wird: Sie verändert sich in 1 ns um 2 V,
was eine Schwankung von 2000 V/µs ergibt, die besser unter dem
Namen "slew-rate" bekannt ist. Es ist ersichtlich, wie die
Stromquelle in den zwei Fällen von Schwankungen, einer
Anstiegsflanke und einer Abstiegsflanke, reagiert.
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Im Fall des Standes der Technik, in Fig. 4 gezeigt, ergibt die
Quasigerade 1 die Reaktion des Referenzstroms Iref, die
verstärkt wird, um auf den Pegel des Ausgangsstroms Is geführt zu
werden. Der Strom Iref ist sehr konstant, der Ausgangsstrom
der Kurve 2 unterliegt jedoch zwei Ausschlägen, die besser
unter dem Namen "overshoot" bekannt sind, der eine bei der
Anstiegsflanke und der andere bei der Abstiegsflanke. Für
einen Impuls mit 2000 V/µs erreicht der Overshoot 115 % und
dauert 4,8 ns, bis die Schaltung wieder das Gleichgewicht +5%
erreicht.
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Die Kurven 3 und 4 von Fig. 5 zeigen die Entsprechungen der
vorangehenden Kurven, jedoch für die Stromquelle gemäß der
Erfindung. Für den gleichen Impuls von 2 V und mit einer
Slew-Rate
von 2000 V/µs ist ersichtlich, daß der Referenzstrom
(Kurve 3) einer sehr leichten Störung unterliegt, daß jedoch
der Ausgangsstrom (Kurve 4) viel weniger als im Stand der
Technik gestört ist. Der Overshoot ist auf 9 % begrenzt,
außerdem dauert die Störung nur 1,5 ns.
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Diese sehr erhebliche Verbesserung ist durch die
ausschließlich Verwendung von Transistoren des NPN-Typs in der
Stromquelle gemäß der Erfindung bedingt, welche geringere
parasitäre Kapazitäten besitzen. Eine Stromquelle kann in Form eines
Stromgenerators (Id), der zu einem Widerstand (RS) und zu
einer Kapazität (Cd) parallelgeschaltet ist, nachgebildet
werden. Für denselben erzeugten Strom Id = 3 mA besitzt die
Stromquelle von Fig. 1 (Stand der Technik) einen Widerstand
RS= 10 kOhm sowie eine parasitäre Kapazität Cd = 2,3 pF,
während für die Stromquelle gemäß der Erfindung gilt:
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Rs = 100 kOhm,
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Cd = 0,15 pF,
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was eine Division der Kapazität der Quelle durch 15,3 und
daher eine Verbesserung der Ansprechzeit ergibt, welche somit
ermöglicht, daß der gelieferte Strom von den Schwankungen der
Ausgangsspannung unabhängig ist.