HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Stronspiegeischaltung bei
elektronischen Schaltungen, die in verschiedenen elektronischen
Vorrichtungen verwendet werden.
Verwandter Stand der Technik
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Eine herkämmliche Stromspiegelschaltung ist wie in Fig. 1 und
2 gezeigt aufgebaut.
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Die Stromspiegelschaltung nach Fig. 1 weist einen
Schaltungsaufbau derart auf, daß eine Konstantstromqueile 4 an die
Kollektorseite eines PNP Transistors 2 angeschlossen ist, bei
dem der Abschnitt zwischen der Basis und dem Kollektor
kurzgeschlossen und ein Ahschlußpunkt des Kollektor- und des
Basisanschlusses an einen Basisanschluß eines anderen PNP
Transistors 6 angeschlossen ist. Die Bezugszahl 1 bezeichnet eine
Spannungsversorgungsleitung. Ein Kollektorstrom Iout des
Transistors 6 wird im allgemeinen wie nachstehend unter
Verwendung des Kollektorstroms Iin des Transistors 2 ausgedrückt
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oder wie folgt in Anbetracht des Early-Effekts mit
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ausgedrückt, wobei
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HFE : stromverstärkungsfaktor
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VCB : Spannung zwischen Kollektor und Basis
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VA : Early-Spannung
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sind.
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Wie aus Gleichung (1) ersichtlich hängt Iout jedoch von der
Größe von HFE ab. Zum Beispiel, wenn HFE = 30 ist, ist Iout =
0,9375 Iin und ein Fehler von 6 % oder mehr tritt auf. Aus
der Gleichung (2), sogar wenn zum Beispiel hFE = ist, wenn
VA = 15 V und VCB = 2 V sind, ist IOUT = 0,88 Iin so daß ein
Problem derart entsteht, daß ein Fehler von 10 % oder mehr
tatsächlich auftritt.
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Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Stromspiegelschaltung zur
Verringerung der Abhängigkeit von HFE bei beiden vorstehenden
Problemen. Der Emitter eines Transistors 3, dessen Kollektor
an ein Bezugspotential VRef angeschlossen ist, ist an die
Basis des PNP Transistors 2 angeschlossen. Der Kollektor des
Transistors 2 ist an die Basis des Transistors 3
angeschlossen. Der weitere Aufbau ist ähnlich dem aus Fig. 1. In dem
Fall der Schaltung nach Fig. 2 wird der Kollektorstrom IOUT
des Transistors 6 im allgemeinen durch folgende Gleichung
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ausgedrückt.
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Zum Beispiel, wenn bei einer ähnlichen Schaltung wie in Fig.l
hFE= 30 ist, ist IJIL 0,998 hr und ein Spiegelkoeffizient
weist einen Wert von beinahe 100 % auf. Jedoch verbleibt noch
die Abhängigkeit von der Spannung zwischen Kollektor und
Basis infolge des Early-Effekts und es existiert ein Problem
derart, daß ein großer Fehler in einer ähnlichen Art wie bei
der in Fig. 1 gezeigten Schaltung auftritt.
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Die US-A-4 503 381 offenbart eine Stromspiegelschaltung mit
ersten und zweiten Transistoren eines ersten
Leitfähigkeittyps, deren Emitter an eine Spannungsversorgung angeschlossen
sind und deren Basisanschlüsse miteinander verbunden sind und
mit einem dritten Transistor des ersten Leitfähigkeitstyps,
dessen Kollektor an ein Bezugspotential angeschlossen ist und
dessen Emitter an die Basisanschlüsse der ersten und zweiten
Transistoren angeschlossen ist und dessen Basis an den
Kollektor des ersten Transistors angeschlossen ist, und mit
einem vierten Transistor des ersten Leitfähigkeittyps, dessen
Emitter an den Kollektor des zweiten Transistors
angeschlossen ist.
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Ferner offenbart die US-A-4 412 186 eine Stromspiegelschal
tung mit zwei Stufen. Die erste Stufe weist drei PNP
Transistoren Q&sub1;&sub1;, Q&sub1;&sub2; und Q&sub1;&sub3; auf, wobei die Emitter der ersten und
zweiten Transistoren Q&sub1;&sub2; und Q&sub1;&sub1; an einen ersten
Spannungsversorgungsanschluß angeschlossen sind und deren Basisanschlüsse
miteinander verbunden und an den Ernitter des dritten
Transistors Q&sub1;&sub3; angeschlossen sind. Der Kollektor dieses dritten
Transistors Q&sub1;&sub3; ist an einen zweiten
Spannungsversorgungsanschluß angeschlossen und dessen Basis ist an den Kollektor
des ersten Transistors Q&sub1;&sub2; angeschlossen. Die Emitter, der zu
der zweiten, auch drei PNP Transistoren aufweisenden Stufe
gehörenden, vierten und fünften Transistoren Q&sub1;&sub4; und Q&sub1;&sub5; sind
jeweils an die Kollektoren der zweiten und ersten
Transistoren Q&sub1;&sub1; und Q&sub1;&sub2; der ersten Stufe angeschlossen. Ferner ändert
sich der Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung entsprechend
dem Kollektorstrom des Transistors Q&sub1;&sub2;.
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Zusätzlich offenbart die EP-A-0 067 447 eine
Stronspiegelschaltung mit ersten und zweiten Stromspiegeltransistoren
eines ersten Leitfähigkeitstyps. Ihre Emitter sind beide an
eine Spannungsversorgung angeschlossen, ihre Basisanschlüsse
sind miteinander verbunden und ihre Kollektoren sind jeweils
an einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß
angeschlossen.
Ein dritter Transistor des ersten
Leitfähigkeitstyps ist mit seinem Emitter an die Basisanschlüsse der
ersten und zweiten Transistoren angeschlossen und sein
Kollektor ist an einem Bezugspotentialpunkt angeschlossen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Stromspiegelschaltung
vorzusehen, die gleichzeitig den Fehler infolge des
Basisstroms und den Fehler infolge des Early-Effekts verringert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Stromspiegelschaltung erfüllt, die folgendes aufweist: erste und zweite
Transistoren eines ersten Leitfähigkeitstyps, deren Emitter
an eine Spannungsversorgung angeschlossen sind und deren
Basisanschlüsse miteinander verbunden sind, einen dritten
Transistor des ersten Leitfähigkeitstyps, dessen Kollektor an ein
Bezugspotential angeschlossen ist und dessen Emitter an die
Basisanschlüsse der ersten und zweiten Transistoren
angeschlossen ist und dessen Basis an den Kollektor des ersten
Transistors angeschlossen ist, und einen vierten Transistor
des ersten Leitfähigkeitstyps, dessen Emitter an den
Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen ist, gekennzeichnet
durch eine Steuereinrichtung mit einem fünften Transistor
eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einer Konstantstromquelle
zur Steuerung der Basis des vierten Transistors durch einen
Ausgangsstrom, der sich entsprechend einem in den Kollektor
des ersten Transistors fließenden Strom ändert, wobei die
Basis des fünften Transistors an den Kollektor des ersten
Transistors angeschlossen ist, dessen Kollektor an die Spannungs-
Versorgung angeschlossen ist und dessen Emitter an die Basis
des vierten Transistors angeschlossen ist, und wobei die
Konstantstromquelle zwischen dem Emitter des fünften Transistors
und dem Bezugspotential vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der bevorzugten
Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
beschrieben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Fig. 1 ist ein Schaltbild einer herkömmlichen
Stromspiegelschaltung.
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Fig. 2 ist ein Schaltbild einer anderen herkömmlichen
Stromspiegelschaltung.
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Fig. 3 ist ein Schaltbild gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Fig. 4 ist ein Diagramm, das das Simulationsergebnis der
Schaltung der Erfindung zeigt.
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Fig. 5 ist ein Diagramm, das das Simulationsergebnis der
herkömmlichen Schaltung zeigt.
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Fig. 6 ist ein Schaltbild gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend
ausführlich mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Die
Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Ausführungsbeispiele
begrenzt, so kann sie auch auf jede andere Modifikation, die
die Aufgaben der Erfindung lösen, angewendet werden.
(Ausführungsbeispiel 1)
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Fig. 3 zeigt eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Bezugszahl 1
bezeichnet eine an eine Spannungsversorgung V angeschlossene
Spannungsversorgungsleitung. Die Bezugszahl 2 bezeichnet
einen
bipolaren Transistor eines ersten Leitfähigkeitstyps (PNP
Typ), dessen Kollektor an eine Konstantstromquelle 4 zur
Einspeisung des Eingangsstroms Iin angeschlossen ist und dessen
Emitter an die Spannungsversorgungsleitung 1 angeschlossen
ist. Die Basis des bipolaren Transistors 2 ist an eine Basis
eines Transistors 6 angeschlossen, der zusammen mit dem
Transistor 2 eine Stromspiegelschaltung bildet. Der Emitter des
Transistors 6 ist an die Spannungsversorgungsleitung 1
angeschlossen. Weiterhin sind die Basisanschlüsse der
Transistoren 2 und 6 an den Emitter des Transistors 3 des ersten
Leitfähigkeitstyps angeschlossen, dessen Kollektor an das
Bezugspotential VRef angeschlossen ist und der zur Kompensation
eines Basisstroms verwendet wird.
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Der Kollektor des Transistors 2 ist nicht nur an die
Konstantstromquelle 4 angeschlossen, sondern auch an die Basis
des Transistors 3 und an die Basis eines Transistors 7 des
zweiten Leitfähigkeitstyps (NPN Typ), dessen Kollektor an die
Spannungsversorgungsleitung 1 angeschlossen ist. Der Emitter
des Transistors 7 ist an die Basis eines den Ausgangsstrom
liefernden Transistors 8 des ersten Leitfähigkeitstyps und an
den anderen Anschluß einer Konstantstromquelle 9
angeschlossen, dessen eines Ende mit dem Bezugspotential VRef verbunden
ist.
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Der Emitter des Transistors 8 ist an den Kollektor des
Transistors 6 angeschlossen. Der Kollektorstrom des Transistors 2
wird mit IC2 bezeichnet, der Basisstrom wird mit IB2
bezeichnet, der Emitterstrom wird mit IE2 bezeichnet, die Spannung
zwischen Basis und Emitter wird mit VBE2 bezeichnet, und die
Spannung zwischen Kollektor und Basis wird mit WE2
bezeichnet. Auf ähnliche Weise lauten die Bezeichnungen für einen
Transistor N jeweils ICN, IBN, IEN, VBEN und VCBN. Andererseits
wird der Stromverstärkungsfaktor des Transistors des ersten
Leitfähigkeitstyps mit hFE1 bezeichnet, der
Stromverstärkungsfaktor des Transistors des zweiten Leitfähigkeitstyps wird
mit HFE2 bezeichnet und die Early-Spannung des Transistors des
ersten Leitfähigkeitstyps wird mit VA1 bezeichnet. Die
folgenden Gleichungen sind für die Schaltung in Fig. 3 erfüllt:
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Die Gleichung (4) zeigt, daß durch das Setzen von IB3 = IB7
die Eingangsströme Iin und IC2 gleichgemacht werden können und
der Fehler infolge des Basisstroms aufgehoben werden kann.
Die folgende Gleichung (7) wird aus den Gleichungen (5) und
(6) erhalten:
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Erfindungsgemäß werden der Eingangsstrorn Iin und der
Ausgangsstrom Iout gleichgemacht. Aus der Gleichung (4) folgt
durch das Setzen von IB3 = IB7, daß Iin = IC2 wird. Daher wird
aus der Gleichung (7) die folgende Gleichung (8) hergeleitet:
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Durch Setzen des in die Konstantstromquelle 9 zum Abgleich
fließenden Stroms IB auf den Wert der Gleichung (8) kann der
Fehler infolge des Basisstroms aufgehoben werden.
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Die Verringerung des Early-Effekts wird nun erläutert. Die
Kollektorpotentiale VC2 und VC6 der als Stromspiegelschaltung
dienenden Transistoren 2 und 6 können jeweils wie folgt
ausgedrückt werden. Unter der Annahme, daß das Potential der
Spannungsversorgungsleitung 1 auf VCC eingestellt ist gelten:
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Die folgenden Gleichungen sind im allgemeinen erfüllt:
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wobei IS2, IS6: Sättigungsströme in der entgegengesetzten
Richtung der Transistoren 2 und 6, und
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q, k, T: Konstanten sind.
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Da der Abschnitt zwischen dem Emitter und der Basis jedes der
Transistoren 2 und 6 kurzgeschlossen ist, kann VBE2 = VBE6 in
den Gleichungen (11) und (12) erhalten werden. Im allgemeinen
sind die entgegengesetzt gerichteten Sättigungsströme der
Transistoren gleicher Größe in der integrierten Schaltung
beinahe gleich und es kann IS2 = IS6 gesetzt werden. Daher ist
es beim Setzen von IS2 = IS6 hinreichend, daß die folgende
Gleichung (13) durch die Gleichungen (11) und (12) erfüllt
wird:
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VCB2 = VCB6 (13)
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Da die Basisanschlüsse miteinander verbunden sind, ist jedoch
die Bedeutung der Gleichung (13) im wesentlichen die gleiche
wie die der folgenden Gleichung (14):
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VC2 = VC6 (14).
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Durch Setzen von
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VBE7 = VBE8 (15)
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können von den Gleichungen (9), (10) und (14) die
Kollektorpotentiale der Transistoren 2 und 6 gleichgemacht werden und
der Early-Effekt kann verringert werden. Von der Gleichung
(15) wird folgende Gleichung (16) hergeleitet:
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In der Gleichung (16) kann der Transistorstrom IC7 durch die
folgende Gleichung (18) ausgedrückt werden
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von der folgenden Gleichung (17):
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Aus den Gleichungen (16) und (18) ergibt sich die folgende
Gleichung (19):
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Von der Gleichung (19) kann durch das Setzen von
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der Early-Effekt beseitigt werden. Fig. 4 zeigt das
Sirnulattonsergebnis gemäß der Strcmspiegelschaltung der Erfindung.
Die Abszisse zeigt das Kollektorpotential des Transistors 8
an und die Ordinate zeigt den Ausgangsstrom an. Wenn der
Eingangsstrom Iin = 10 µA ist, liegt der Ausgangsstrom innerhalb
eines Bereichs von 10,00235 µA bis 10,0025 µA so lang wie
das Kollektorpotential innerhalb eines Bereichs von 0 bis 3 V
liegt. Es tritt ein Fehler von bis zu 0,025 % auf. Fig. 5
zeigt das Sirnulationsergebnis der herkömmlichen Schaltung von
Fig. 2. Unter derselben wie vorstehend erwähnten Bedingung
liegt der Ausgangsstrom innerhalb eines Bereichs von 11,89 µA
bis 10,38 µA, wobei ein Fehler von bis zu 18,9 % auftritt.
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Die Stromspiegelschaltung mit einer hohen Genauigkeit kann
erfindungsgemäß erhalten werden.
(Ausführungsbeispiel 2)
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Fig. 6 zeigt eine Schaltung eines erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels 2. Die herkömmlichen Stromspiegelschaltungen
sind kaskadenartig verschaltet. In diesem Fall ergeben sich
zwei Vorteile derart, daß der konstante Gleichstrom 1 zum
Abgleich und der Transistor des zweiten Leitfähigkeitstyps
unnötig werden. In einer ähnlichen Art wie bei dem
Ausführungsbeispiel von Fig. 3 können die Kollektorpotentiale der
die Stromspiegelschaltung aufbauenden Transistoren 2 und 6
gleichgemacht und der Early-Effekt verringert werden
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Erfindungsgemäß ist es wie vorstehend erwähnt möglich eine
Stromspiegelschaltung einer hohen Genauigkeit zu erhalten,
die den Fehler infolge des Basisstroms und den Fehler infolge
des Early-Effekts beachtlich verringern kann.