DE2035969C - Integrierbare stromgesteuerte Stromquelle - Google Patents

Description

benötigt, kommt im Hinblick auf den technischen Auf- mathematischen Abhandlung nachgewiesen werden, wand bei integrierten Schaltungen bekanntlich keine Hierzu sind in der Figur die für die mathematische Bedeutung zu, da sich Transistoren, insbesondere in Abhandlung erforderlichen Spannungen und Ströme monolithischer Technik, einfach und billig herstellen angegeben, und zwar ist der in den Anschluß 2 hineinlassen und darüber hinaus einen minimalen Platz- 5 fließende Wechselstrom mit /»,die am Anschluß 2 gegen bedarf in Anspruch nehmen. Masse wirksame Wechselspannung mit m, die am An-

Besteht die Forderung, daß der Betrag des am Aus- Schluß 1 gegen Masse auftretende Wechselspannung

gang der Stromquelle auftretenden Gleichstroms gleich mit «2 und die am gemeinsamen Verbindungspunkt

dem Betrag des in den Eingang der Stromquelle hinein- des Widerstandes R, des Emit.ers des Transistors 7V3.

fließenden Gleichstroms ist, so kann diese Forderung io des Kollektors und der Basis des Transistors Tr 2 und

in einfacher Weise dadurch erfüllt werden, daß der der Basis des Transistors TrI gegen Masse auftretende

Widerstand wenigstens so groß gewählt wird, daß der Wechselspannung mit «1 bezeichnet. Neben diesen

ihn durchfließende, sich dem Ausgangsstrom über- Größen erscheint in der Rechnung noch die Steilheit S

lagernde Gleichstrom einen vernacLlässigbar kleinen der Transistoren, die für sämtliche Transistoren als

Wert hat. 15 gleich angenommen werden kann und gleich dem

An Hand einer kurzen mathematischen Betrachtung reziproken Wert des Emitterwiderstandes ist. Eni-

in Verbindung mit der in der Zeichnung dargestellten sprechend den in der Figur angenommenen Strömen

Figur soll die Erfindung im folgenden noch näher er- und Spannungen ergibt sich für den Wechselstrom /«

läutert werden. L = (u2 - ul) ■ S. (I)

Die Figur zeigt die ernndungsgemäße Stromquelle ao

mit den Transistoren Tr 1 bis TrA sowie dem im Die Summe aus dem Wechselstrom i_a und dem Emitterzweig des Transistors 7>4 angeordneten Wider- durch den Widerstand R fließenden Wechselstrom erstand R. Alle vier Transistoren sind npn-Transistoren. gibt sich zu

DieEmitterderTransistoren7Vlund7V21iegenaufdem . , _ID „./0 . i/d\ n\\

negativen BczugspotenUal V— und der Kol'ektor des as

Transistors Tr4 auf dem positiven ßezugspotential V \ . Ferner gilt

Der Kollektor des Transistors Tr 1 ist mit dem den , „1 c o; mn Eingang darstellenden Anschluß 1 der stromgesteuerten Stromquelle verbunden und der Kollektor des Hierin bedeutet Ri der Innenwiderstand, den die Transistors Tr 3 mit dem den Ausgang der strom- 30 Schaltung vom Anschluß 1 gegen Masse sieht. Durch gesteuerten Stromquelle darstellenden Anschluß 2. In Einsetzen der Gleichung (UI) in Gleichung (I) ergibt den Anschluß 1 ist ein vom nicht dargestellten posi- sich

tiven Bezugspotential V+ her kommender Referenz- , ._ . ις,γ i-S Ri) (IV) strom Ir eingeprägt, der den in den Anschluß 2

hineinfließenden, vom Referenzstrom //· abhängigen 35 und durch Einsetzen der Gleichung (IV) in GIe',-

Gleichstrom / bedingt. chung (II)

Zunächst sei kurz die Funktion der aus den Transistoren TrI bis 7V3 bestehenden stromgesteuerten j_al\ ^ - ^ _ . -\ — — " . (V) Stromquelle für sich kurz erläutert. Der in den An- \ 1 H- S Ri R-Sj R
Schluß 1 hineinfließende Referenzgleichstrom Ir findet 40

infolge der zwischen den Transistoren Tr 1 und 7>3 Da im allgemeinen die Ausdrücke SR und SRi sehr

bestehenden Gegenkopplung eine niederohmige Ein- groß gegen 1 sind, ergibt sich mit guter Näherung

gangsimpedanz vor. Die Spannungsschwankungen am .· ^ _ß ty\)

Anschluß 1 treten praktisch in gleicher Größe auch / « ~

am Emitter des Transistors 7>3 und damit auch an 45 Der ausgangsseitige Widerstand der stromgesteuerder Basis des Transistors TrI auf. Die an der Basis des ten Stromquelle nach der Erfindung ist also gleich dem Transistors Tr 1 wirksamen Spannungsschwankungen negativen Wert des Widerstandes R. Physikalisch gesteuern diesen Transistor in dem Sinne aus, daß der sehen kommt dieses Ergebnis dadurch zustande, daß Referenzgleichstrom Ir praktisch ungehindert in den der durch den Widerstand R fließende Wechselstrom Kollektor des Transistors Tr 1 hineinfließen kann. 50 infolge der Gegenkopplung zwischen den Transistoren Somit ist die Eingangsimpedanz für den Referenz- TrI und TrS praktisch ausschließlich über die Einittergleichstrom gleich der reziproken Steilheit S des Kollektor-Strecke des Transistors 7>3 gegen den AnTransistors TrI. Da alle drei Transistoren als unter Schluß 2 fließt.

sich gleich angesprochen werden können, ist somit der Durch Wahl der Größe des Widerstandes R kann in den Anschluß 2 hineinfließende Strom / gleich dem 55 der negative Widerstand der Stromquelle in weiten in den Anschluß 1 hineinfließenden Referenzgleich- Grenzen eingestellt werden. Für manche Anwendungsstrom Ir. Entsprechendes gilt für einen dem Referenz- fälle ist es in diesem Zusammenhang zweckmäßig, gleichstrom Ir überlagerten Wechselstrom, der am die Schaltung so auszuführen, daß der Widerstand R Anschluß 2 als ein dem Gleichstrom / überlagerter als einstellbarer Widerstand extern anschließbar ist. Wechselstrom gleicher Amplitude in Erscheinung tritt. 60 Bei der in der Figur dargestellten stromgesteuerlen

Durch Erweiterung der aus den Transistoren 7VI Stromquelle mit negativem Widerstand sind die Tran-

bis 7V3 bestehenden Stromquelle durch den Transistor sistoren als η pn-Transistoren ausgeführt. Die Schal-

TrA mit dem in seiner Emitterzuleitung angeordneten lung läßt sich selbstverständlich in gleicher Weise in

Widerstand R wird gemäß der Erfindung am An- pnp-Transistoren ausführen. Schaltbildmäßig sind

Schluß 2 gegen Masse wechselstrommäßig ein negativer 65 hierzu lediglich die Pfeile der Transistoren sowie die

Widerstand wirksam, dessen Betrag praktisch gleich Pfeile des Referenzgleichstroms Ir und des Gleich-

der Größe des Widerstandes R ist. Stroms / umzukehren und die Bezugspotentiale V \-

Dieser Sachverhalt soll an Hand einer kurzen und V— miteinander zu vertauschen. Die Transistoren

7>1 bis TrA können in bekannter Weise auch durch Ersatztransistoren, beispielsweise Superpaare oder Supertripletts, realisiert sein.
Für manche Anwendungsfälle ist es zweckmäßig, TrA komplex zu gestalten, um hierdurch einen komplexen negativen ausgangsseitigen Widerstand der stromgesteuerten Stromquelle zu verwirklichen. Beispielsweise läßt sich mittels dieser Maßnahme eine

den Widerstand R im Ernitterzweig des Transistors 5 Phasenkompensation durchführen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

J> bis 348, ist insbesondere auf S. 344, Fig. 6a, eine Patentansprüche: solche Stromquelle angegeben, die bis zu Frequenzen in der Größenordnung von 1 MHz verwendbar ist

1. Integrierbare stromgesteuerte Stromquelle mit und lediglich aus zwei Transistoren und einer Diode einem Eingang für den steuernden Strom und 5 besteht. Die Diode wird hierbei zweckmäßig ebenfalls einem Ausgang für den gesteuerten Strom, be- als Transistor verwirklicht, dessen Basis und Kollektor stehend aus drei Transistoren vom gleichen Leit- miteinander verbunden sind. Die drei Transistoren fähigkeitstyp, von denen der erste Transistor mit sind vom gleichen Leitfähigkeitstyp. Ihre Zusammenseinem auf einem ersten Bezugspotential liegenden schaltung ist so vorgenommen, daß der erste Transistor Emitter dem Emitter und mit seiner Basis der io mit seinem auf einem ersten Bezugspotential liegenden Basis und dem Kollektor des zweiten Transistors Emitter dem Emitter und mit seiner Basis der Basis parallel geschaltet ist, während sein mit der Basis und dem Kollektor des zweiten Transistors parallel des dritten Transistors verbundener Kollektor den geschaltet ist, während sein mit der Basis des dritten Eingang bildet und der Kollektor des dritten Tran- Transistors verbundener Kollektor den Eingang der sistors, dessen Emitter an die Basis und den 15 Stromquelle bildet und der Kollektor des dritten Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen Transistors, dessen Emitter an die Basis und den Kolist, den.Ausgang abgibt, dadurch gekenn- lektor des zweiten Transistors angeschlossen ist, den zeichnet, daß ein vierter Transistor (JrA) Ausgang der Stromquelle abgibt.

vom Leitfähigkeitstyp der übrigen Transistoren Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den

{Tr I, 7>2, TrS) vorgesehen ist, dessen Kollektor 20 Funktionsbereich der beschriebenen bekannten stromauf einem zweiten Bezugspotential (V+) liegt, und gesteuerten Stromquelle mit einfachen Mitteln wesentdessen Basis-Emitter-Strecke in Reihe mit einem Hch zu erweitern.

emitterseitigen Widerstand (R) der Kollektor- Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

Emitter-Strecke des dritten Transistors (Tr3) gelöst, daß der stromgesteuerten Stromquelle ein vierparallel liegt. 35 ter Transistor vom Leitfähigkeitstyp der übrigen

2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch ge- Transistoren beigeordnet wird, dessen Kollektor auf kennzeichnet, daß der Widerstand (R) wenigstens einem zweiten Bezugspotential liegt und dessen Basisso groß gewählt ist, daß der ihn durchfließende, Emitter-Strecke in Reihe mit einem emitterseitigen sich dem Ausgangsgleichstrom (/) überlagernde Widerstand der Kollektor-Emitter-Strecke des dritten Gleichstrom einen vernachlässigbar kleinen Wert 30 Transistors parallel liegt.

hat. Bei integrierten elektronischen Halbleiterschaltun-

3. Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gen treten vielfach unvermeidbare Verlustwiderstände gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) einstellbar auf, die mitunter außerordentlich störend sind. Dies ist und extern anschließbar ist. insbesondere dann der Fall, wenn die Halbleiter-

4. Stromquelle nach einem der vorhergehenden 35 schaltung Ersatz für ein Schaltelement, insbesondere Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Spule ist. Die in der Ersatzschaltung wirksamen Widerstand (R) ein komplexer Widerstand ist. Verlustwiderstände setzen die Güte des durch sie realisierten Schaltelementes in unerwünschter Weise herab. Gegebenenfalls müssen hier negative Impedanzkonver-

40 ter vorgesehen werden, die für die erforderliche Entdämpfung im Sinne einer Kompensation von Verlustwiderständen sorgen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierbare Bei der Erfindung wird von der an sich bekannten

stromgesteuerte Stromquelle mit einem Eingang für Erkenntnis ausgegangen, daß sich die erwünschte den steuernden Strom und einem Ausgang für den ge- 45 Entdämpfung auch dadurch herbeiführen läßt, daß steuerten Strom. eine in der Schaltung bereits vorhandene Stromquelle

Bei der Gestaltung elektronischer Halbleiterschal- durch geeignete Maßnahmen so gestaltet wird, daß sie tungen in integrierter Technik ist es im Hinblick auf zusätzlich die Funktion eines negativen Widerstandes eine optimale Ausnutzung der hier zur Verfugung auszuüben vermag. Eine solche Schaltung ist durch stehenden Verfahren der Dickfilm-, Dünnfilm- und 50 die Literaturstelle »IEEE Transactions on Circuits monolithischen Technik erforderlich, die Schaltungen Theory«, Vol. CT-12, Juni 1965, S. 299 und 300, anohne Spulen und, soweit möglich, auch mit einem gegeben. Diese Schaltung benötigt jedoch außer den Minimum an Kondensatoren und Widerständen zu beiden Transistoren vier Widerstände, die in einer verwirklichen. integrierten Schaltung bekanntlich einen erheblichen

Die bei solchen elektronischen Halbleiterschaltun- 55 Platzbedarf haben und somit möglichst zu vermeiden gen primär zur Anwendung gelangenden Transistoren sind. Entsprechendes gilt für die in der deutschen sind im Gegensatz zur klassischen Verstärkerröhre Auslegeschrift 1 283 909 im Zusammenhang mit einer stromgesteuerte Elemente, die für ihre einwandfreie integrierbaren Gyratorschaltung angegebene Lösung, Funktion innerhalb der Gesamtschaltung vielfach die neben den beiden Transistoren sogar neun WiderStromquellen benötigen. Stromquellen ermöglichen 60 stände benötigt.

eine weitgehende Unabhängigkeit der Funktions- Im Gegensatz zu diesen bekannten Lösungen erfor-

tüchtigkeit solcher Schaltungen von der Versorgungs- dert die Schaltung nach der Erfindung lediglich einen spannung. Im allgemeinen werden in einer integrierten einzigen Widerstand, dessen Größe, wie später an Halbleiterschaltung eine größere Anzahl solcher Hand einer mathematischen Betrachtung noch gezeigt Stromquellen benötigt. Sie lassen sich ihrerseits mit 65 werden wird, mit der Größe des durch die Schaltung Transistoren und Widerständen realisieren. realisierten negativen Widerstandes in einem weiten

In der Literaturstelle »IEEE Journal of Solid-State Anwendungsbereich identisch ist. Der Tatsache, daß Circuits«. Vol. SC-3, Nr. 4, Dezember 1968, S. 341 die Schaltung nach der Erfindung vier Transistoren