DE3118617A1 - Stromspiegelschaltung mit hoher ausgangsimpedanz und niedrigem spannungsverlust - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Stromgeneratoren mit Transistoren und insbesondere eine.Schaltung mit Stromspiegel, die vor allem dazu geeignet ist, in linearen integrierten Schaltungen mit geringer Speisespannung verwendet zu werden.

Die Verbindung von zwei Transistoren über Stromspiegel ist bekannt und wird häufig bei integrierten Schaltungen verwendet.

Eine Schaltung dieser Art ist in Figur 1 dargestellt. Die beiden mit T und Tp bezeichneten Transistoren sind gleich ausgebildet und NEN-Transistoren. Die Basis und der Emitter des Transistors T_x. sind mit der Basis bzw. dem.Emitter des Transistors Tp "verbunden. Der Kollektor von T. ist sowohl mit der gemeinsamen Basis der beiden Transistoren als auch, über einen Widerstand R^,mit einer Versorgungsleitung +V„

I CC

verbunden. Auch der Kollektor von Tp ist mit der Versorgungsleitung verbunden,und zwar über eine Last, die durch den Widerstand R^ dargestellt ist.

Wenn man die Funktion dieser Schaltung untersucht, stellt man

V V fest, daß über den Zweig a ein Strom I = --«- fließt, wo-

— a SXy,

bei Yqv die Spannung am Bani.^rJ-Emitfcerüberp;ang des Transistors T,, ist. Wenn man die Basissfcröme I_ß bezüglich dor KoIl ektatröme vernachlässigt, was erlaubt ist, wenn die Verstärkung der Tran-

sistoren ausreichend hoch ist, ist der Strom, der durch den

Zweig b fließt,gleich I . Nachdem die beiden Transistoren ~~ a

gleich sind und dieselbe Basis-Emitterspannung (V-d-g,) haben, ist der Strom, der durch den Zweig d. fließt, gleich dem Strom, der "durch den Zweig b_ fließt. Der Zweig _c_ wird von einem Strom I_n durchflossen, der ungefähr gleich dem Strom ist, der durch den Zweig el fließt,so daß I_n=I · Damit fließt durch die Last Ε- ein konstanter Strom, der durch die vorbestimmten Schaltungsparameter bestimmt ist.

Eine Schaltung derselben Art kann mit zwei Transistoren verwirklicht werden, die untereinander bezüglich Dimensionen und konstruktiven Kennwerten verschieden sind, wodurch I_n=KI mit K

ο a

als Konstanter erreicht wird. Es ist außerdem klar, daß beide Transistoren PNP-Tränsistoren anstatt NPN-Transistoren sein können.

Eine bekannte Verbesserung der in Figur 1 gezeigten Stromspiegelschaltung ist in Figur 2 dargestellt und betrifft den sogenannten "Wilson-Spiegel", bei dem einer die beiden Transistoren T^ und T^ aufweisenden Spiegelschaltung die Aufgabe übertragen ist, den Basisstrom L, des Transistors T~ und damit dessen Kollektorstrom I =ßlgi zu steuern, wobei ß die Stromverstärkung von Tp ist;.

Der Transistor T₅, wirkt als Stromsonde, die den Emitterstrom I_E des TransistorStroms T₂ erfaßt. Die Basis des Transistors T^ ist mit der Basis des Transistors T, verbunden. Der Kollektor von T,

ist mit dem Emitter von T₀ und direkt mit der Basis von T-verbunden. Der Kollektor von T,. ist mit der Basis von Tp verbunden, in der damit der Summenstrom aus dem Eingangsstrom T^ und dem Kollektorstrom von T. zusammenfließt.

Mit diesem Aufbau . kann man den Bezugs strom I„ konstant halten. Da der Kollektorstrom von Tp, !„=°Κ I„, mit dem Emitterstrom übet" den Parameter οζ , der eine Funktion der Kollektor-Emitter spannung Vq_E ist, verbunden ist, hängt jedoch der Ausgangsstrom I =1 seinerseits vom Wert dieser Spannung ab. Die-

O C

se Schaltung garantiert daher nicht die Konstanz des Ausgangsstroms I .

Ein idealer Stromgenerator kennzeichnet sich durch einen unendlichen Innenwiderstand und durch einen inneren Spannungsabfall, der 0 ist. Ein wirklicher Stromgenerator muß Eigenschaften haben, die sich so gut wie möglich an die Eigenschaften eines idealen Generators annähern. Ein wirklicher Stromgenerator ist daher umso besser, je besser diese Annäherung ist.

Die Schaltung eines wirklichen Stromgenerators muß daher am Ausgang eine hohe Impedanz und einen sehr niedrigen "Spannungsverlust" aufweisen, wobei unter der Bezeichnung "Spannungsverlust" die Minimalspannung verstanden werden soll, die notwendig ist, damit die Schaltung ihre typischen Betriebseigenschaften behält.

Eine Schaltung mit "Wilson-Spiegel" hat eine wesentlich höhere Ausgangsimpedanz, als eine in Figur 1 gezeigte Schaltung mit 'hasse Emitter", wobei das Verhältnis '-x : 1 ist,

aber ihr "Spannungsverlust" ist größer, nämlich

^Vmin ~ ^VCE.sat T₂ ^{+ 7}BE

wobei V_{CE sat T} die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T₂ an der Grenze der Sättigung und V_ßE die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T-, sind.

Eine nach dem. Schema der Figur 1 aufgebaute Schaltung hat je doch einen Spannungsverlust

CE sat

Es wurde auch mit anderen bekannten Schaltschemen versucht, sich so gut wie möglich den Eigenschaften eines idealen Stromgenerators zu nähern. So ist beispielsweise eine Stromspiegelschaltung bekannt, die ähnlich derjenigen in Figur 1 ist, wobei geeignete Widerstände E_E in Reihe mit dem Emitter der Transistoren geschaltet sind: dieses Schema erlaubt- es, die Ausgangsxmpeaanz um einen Faktor (1+Rg/r ) bezüglich der in Figur 1 dargestellten, bekannten Schaltung zu erhöhen, wobei r den Innenwiderstand des Emitters des Transistors im Ausgangszweig darstellt, aber

-V-" ■

gleichzeitig wird durch den erhöhten Spannungsabfall R₁, I·- am Emitterwiderstand der Spannungsverlust beträchtlich er

Ein anderes bekanntes Schema ist die Stromspiegel-Kaskaden-Schaltung, die in Fig. 3 gezeigt ist. Bei dieser wird der Transistor T» im aktiven Betriebsbereich gehalten, und zwar durch den Transistor T₃, der durch Kurzschließen von Basis und Kollektor als Diode geschaltet ist, und der Transistor T^ prägt über den Transistor T₃ den Emitterstrom des. Transistors T₄ auf, wobei die Ausgangsimpedanz erhöht wird.

Dieses Schema erlaubt es jedoch nicht, den Spannungsverlust unter den Wert

min ^VBE T₂ ^{+ V}CE sat

zu verringern, wobei V_{BE T} die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T₂ ¹^ ^VGE sat T ^die Sättigungssp'annung des Transistors T^. sind. Die Verbesserung der Ausgangsimpedanz gegenüber derjenigen der Schaltung nach Figur 1 ist gleich derjenigen, die mit dem Wilson-Spiegel erreicht wird, d. h., die Ausgangsimpedanz verbessert

ß
sich im Verhältnis 5 ^{: 1}·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung mit Stromspiegel zu schaffen, die einen Spannungsverlust hat, der so gering wie in einer Stromspiegelschaltung mit Transistoren

möglich ist,und die gleichzeitig eine Ausgangsimpedanz hat, die größer ist als in bekannten Schaltungen mit niedrigem Spannungsverlust und die damit insbesondere geeignet ist, in integrierten Schaltungen mit niedriger Yersorgungsspannung eingesetzt zu werden.

Diese Aufgabe wird mit einer übertxagerschaltung mit definiertem Strom gelöst, wie sie in den Patentansprüchen und der Beschreibung gekennzeichnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend in der Beschreibung näher erläutert, die neben den bereits beschriebenen drei Figuren ein Ausführungsbeispiel zeigt. Es zeigen:

Figur 1 eine bekannte Stromspiegelschaltung in ihrer einfachsten Form,

Figur 2 eine Stromspiegelschaltung, die unter der Bezeichnung "Wilson-Spiegel" bekannt ist,

Figur 3 eine bekannte.Stromspiegelschaltung in Kaskadenform und

Figur A- das Schema einer Stromspiegelschaltung gemäß der Erfindung.

Die in Fig. 4· gezeigte Schaltung hat 6 Transistoren, die mit T^, T₂, T-,, T^, Tr und Tg bezeichnet sind und von denen T_x., T₂ und T^ - bipolare PNP-Transi stören und T^_, T₁- und Tg bipolare NPN-Transistoren sind. . ' ■

Der Transistor T^ ist sowohl mit T₂ als auch mit T^ nach dem Stromspiegelschema verbunden. Die so erhaltene Schaltung ist in Fig. 4- durch gestrichelte Linien umgrenzt und. mit A be-zeichnet.

Die Transistoren T^ und T₁- sind nach dem Stromspiegelschema miteinander verbunden und mit B bezeichnet.

Die Kollektoren des Transistors T^. und des Transistors T₂ sind mit den Kollektoren des Transistors Tg bzw. T^ verbunden. Der Kollektor des Transistors T,- ist über einen Knotenpunkt D mit einem Eingangsstromgenerator I. und der Basis des Transistors.

T,- verbunden,
b

Die durch den Transistor Tg und den Knotenpunkt D gebildete Schaltung ist mit C bezeichnet.

Die Emitter der Transistoren T^, T₂ und T^ sind mit dem positiven Pol +V eines Speisespannungsgenerators verbunden, während die

Emitter der Transistoren T^, T₁- und Tg mit dem negativen Pol dieses Spannungsgenerators verbunden sind.

Bei der..in Fig. 4 gezeigten Schaltung sind dem Transistor T zur Bildung einer Stromspiegelschaltung .nur zwei Transistoren (T„ und T₃) zugeordnet, jedoch können dem Transistor T, ganz allgemein viele andere· Transistoren in derselben Konfiguration zugeordnet werden.

Jeder der auf diese Weise nach dem Stromspiegelschema mit T_x. verbundenen Transistoren bildet einen Stromgenerator, der andere Schaltungen steuern kann. Einer dieser Transistoren,beispielsweise der Transistor Tp in Fig. 4-, ist mit dem Stromspiegel B verbunden, der von diesem den Strom I_n -übernimmt und zur Basis von Tg weiterleitet, wodurch die Steuerung des Stromes I_n bezüglich des Eingangsstromes I- und, über den Transistor Tg, dessen Einstellung möglich wird.

Auch der Kollektorstrom I von T, (und der, wie gesagt, möglichen anderen angeschlossenen Transistoren) wird in gleicher Weise gesteuert und automatisch eingestellt.

Diese neue Schaltung mit Stromspiegel erlaubt daher die Einstellung des Kollektorstroms Iq, indem dieser direkt gesteuert wird, im Gegensatz zum "Wilson-Spiegel".

Zur Vereinfachung der Rechnung soll der EaIl betrachtet werden, bei dem außer den Transistoren T^ u¹¹^ ¹^x ^m^ ^^er Basis von weitere n-1 Transistoren verbunden sind, die mit Tp und T, gleich sind.

Der Basisstrom des Transistors Tg ist ¹B₆ - ¹I - ¹C₅ - ¹X - ^ßIB5

wobei der Emitterstrom mit L,, der Kollelrfcorstrom mit I_n und der Basisstrom mit Lg bezeichnet sind und im.Index die Nummer des Transistors hinzugefügt ist, auf den sich dieser Strom bezieht. .

Der Basisstrom des Transistors T_c ist mit dem Strom I_n durch die Beziehung

¹C ^{= 1}B^ ^{+ I}B4 ^{+ 1}G^ ^{= I}B5

verknüpft, so daß sich im'Fall von Ig^ » Ig,-· ergibt

¹C

Der Basisstrom des Transistors Tg ist T - T
^XB6 " ^x±

Der Kollektorstrom des Transistors T^, der in den Stromspicgel A fließt, ist

¹CG ^{= ßl 1}BI ^{+ 1}BI ^{+ Τ}Β2 ^{+ n 1}B '

wobei mit I₃ der Basisstrom des Transistors T^ und der anderen, in ähnlicher Weise verbundenen Transistoren bezeichnet ist. Zur Vereinfachung des Beispiels kann gesetzt werden Ig=I^p Mit ß' wird die Verstärkung der PNP-Transistoren bezeichnet, die im allgemeinen kleiner ist.als die Verstärkung ß der NPN-Transistoren derselben integrierten Schaltung. Da

I
^ΧΒ2 ⁼ "B^T »

ist der Basisstrom des Transistors T„

Für den Kollektorsstrom des Transistors T^- gilt damit ¹Co = <ⁿ⁺¹> "Β- . ¹C⁺^^+1} B^? =^ⁿ⁺¹> "Β- ¹C Da Ip^- = ßl-g'-, ergibt sich aus den Beziehungen (4) und (2)

SB ¹C ⁺ ^^+Λ) "Β-

Da die Verstärkung sowohl für die NPIT-Transistoren als auch

für die PNP-Transistoren viel größer ist als 2, gilt die Annäherung

ßl, = QI_n + (n+1) I_n .

Vorausgesetzt, daß die Zahl der zum Stromspiegel A verbundenen' Transistoren bezüglich dem Wert ß vernachlässigbar ist, ergibt sich

¹X ^ ¹C

Auf jeden Fall kann mit Maßnahmen, die dem Fachmann für lineare Schaltungen bekannt sind, der Einfluß der Basisströme auf die Kollektorströme minimiert werden, so daß die Beziehung (3) um so mehr Gültigkeit hat.

Die Schaltung gemäß der Erfindung hat einen Spannungsverlust

^Vmin " ^VCE sat T

wobei mit V^g . m die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors T₇. bezeichnet ist, wenn er an der Sättigungsgrenze arbeitet.

Der Gpannungsverlust hat also einen konstanten Wert, der gleich dem in einer Stromspiegelschaltung mit Transistoren minimal erreichbaren Wert ist.

Die Ausgangsimpedanz der Schaltung gemäß der Erfindung ist größer als diejenige der bekannten Schaltungen, die auch einen niedrigen und konstanten Spannungsverlust haben. Die Schaltung gemäß der Erfindung hat eine Ausgangsimpedanz, die um den Faktor ß größer ist als diejenige der Stromspiegelschaltung mit nasseverbundenem Emitter (Fig. 1) , 'so daß sie einen Wert hat, der doppelt so groß ist wie derjenige der Äusgangsimpedanz des "Wilson-Spiegels" und der "Kaskadenspiegelschaltung". Damit nähert sich die Schaltung der Erfindung besser als die bekannten Schaltungen den Eigenschaften eines Stromgenerators; sie erlaubt folglich die Verwendung von Speisespannungen, die kleiner sind als diejenigen, die für bekannte Schaltungen erforderlich sind, was für bestimmte Anwendungsfälle mit niedriger Speisespannung sehr wichtig ist.

über das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel hinaus sind selbstverständlich zahlreiche Varianten im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise können statt der. direkten Verbindungen zwischen Basis und Kollektor der Transistoren T,- und T^ der Schaltung nach Fig. 4- jeweils Verbindungen über den Basis-Emitter-übergar-ζ; eines Transistors erfolgen. Außerdem können alle oder ein Teil der bipolaren Transistoren mit geeigneten Schaltungsänderungen, die dem Fachmann bekannt sind, durch Feldeffekttransistoren ersetzt werden.

Die neue Stromspiegelschaltung ist also eine Transistorschaltung, die insbesondere dazu geeignet ist, integriert zu werden, umfassend einen PrimärStromspiegel, einen Sekundärstromspiegel sowie eine Schaltungseinrichtung zum Stromvergleich und zur Stromverstärkung.

Der Strom am Eingang des Primärstromspiegels wird in eine Violzahl von Ausgangszweigen gespiegolt, von denen jeder mit einem Verbraucher verbunden werden kann. .

An einem Ausgangszweig ist der Eingang des Sekundärstromspiegels angeschlossen, der damit den Ausgangsstrom des Primärstromspiegels auf den Ausgangszweig überträgt, der sowohl an den , Eingangsanschluß des zu übertragenden Stromes als auch an den Eingang der Schaltungseinrichtung zum Vergleichen und Verstärken des Stromes angeschlossen ist.

Diese Schaltungseinrichtung ist daher ein "Fehlorverstärkcr". Der "Fehlerstrom" wird verstärkt und zum Eingang des Primärspiegels geleitet. Den Veränderungen des Ausgangsstromes entsprechen entgegengesetzte Änderungen des verstärkten Stromes, die diese daher kompensieren.

Leerseite

Claims (6)

1. ELISABETH JUNG dr.phil,dipl'phem.: ' : : JÜRGEN SCHIRDEWAHN dr"rer.nat..dipl-phys. GERHARD SCHMITT-NIL.SON dr,ing. GERHARD B. HAGEN dr.phil. PETER HIRSCH dipl,ing.

   PATENTANWÄLTE

   EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

   8000 MÖNCHEN 40, - P. O. BOX 40 14 68
   CLEMENSSTRASSE 30 TELEFON: (089) 34 50 TELEGRAMM/CABLE: INVENT MÜNCHEN TELEX: 5-29 686

   u.Z.: M 2147 M3 (HI/gu)

   11 . Mai 1981:

   SGS-ATES Component! Elettronici S.p.A. Via C. Olivetti, 2
   Agrate (Mailand) Italien

   Stromspiegelschaltung mit hoher Ausgangsimpedanz und niedrigem Spannungsverlust

   Patentansprüche

   Strcmübertragerschaltung mit einem ersten Anschluß zur Verbindung mit einem Eingangsstromgenerator (I·)» einem zweiten und einem dritten Anschluß zur Verbindung mit den Anschlüssen eines Speisespannungsgenerators sowie mit einer Hauptstromspiegelschaltung (A) mit Transistoren, die einen Eingangszweig und wenigstens

   zwei Aus gangs zweige hat, an jeden von denen ein Verbraucherkreis anschließbar ist, gekennzeichnet durch eine Schalt-ungseinrichtung (C) zum Vergleichen und Verstärken von Strom und eine Sekundärstromspiegelschaltung (B) mit Transistoren, wobei diese Stromspiegelschaltung einen Eingangszweig hat, der an einen der Ausgangszweige der Hauptstromspiegelschaltung (A) angeschlossen ist, und einen Ausgangszweig, der an einen ersten Eingangsanschluß der Schaltungseinrichtiang (C) angeschlossen ist, welche einen zweiten Eingangsanschluß hat, der an den Eingangsstromgenerator (I.) angeschlossen ist, und einen Ausgangsanschluß, der mit dem Eingangszweig der Hauptstromspiegelschaltung (A) verbunden ist.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Hauptstromspiegelschaltung (A) einen ersten Transistor (T,.), einen zweiten Transistor (Tp) und wenigstens einen dritten Transistor (T-,) aufweist, von denen jeder einen ersten und einen zweiten Anschluß sowie einen Steueranschluß hat, wobei der Steueranschluß des zweiten Transistors (Tp) und der Steueranschluß des dritten Transistors (T-) mit dem Steueranschluß des ersten Transistors (T,,) verbunden sind und der erste Anschluß des ersten Transistors (T,,), der erste Anschluß des zweiten Transistors (Tp) und der erste Anschluß des dritten Transistors (T^) mit demselben Pol eines Spannungsgenerators verbunden sind und wobei zwischen den zweiten Anschluß und den Steueranschluß des ersten Transistors (T,,) eine Kopplungseinrichtung eingeschaltet ^ist' dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärstromspiegelschaltung (B) einen vierten Transistor (T₄) und

   .:"^:V:-'_: :■". " 31T8617 -■3-"

   einen fünften Transistor (T₁-) aufweist, von denen jeder einen ersten und einen 2weiten Anschluß sowie einen Steueranschluß hat, wobei der Steueranschluß des fünften Transistors(Τ^) mi Steueranschluß des vierten Transistors (T^) verbunden ist, der Steueranschluß und der zweite Anschluß des vierten Transistors (T) miteinander · durch eine Kopplungseinrichtung verbunden sind, der erste Anschluß des vierten Transistors (T^) und der des fünften Transistors (Tc-) an den Pol des Spannungsgenerators angeschlossen sind, der dem Pol entgegengesetzt ist, an den die Transistoren der Hauptstromspiegelschaltung (A) angeschlossen sind, und wobei der zweite Anschluß des fünften Transistors (T₁-) der Ausgangszweig der Sekundärstromspiegelschaltung (B)- und der zweite Anschluß des vierten Transistors (T^.) der Eingangszweig der Sekundärstromspiegelschaltung (B) sind.
3. 3. Schaltung nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtung (C) zum Vergleichen und Verstärken des Stroms einen Komparatorknotenpunkt (D) und einen sechsten Transistor (T_fi) aufweist, dessen erster Anschluß mit dem Pol des Spannungsgenerators verbunden ist, mit dem der vierte Transistor (T^) und der fünfte Transistor (T₁-) verbunden sind, dessen zweiter Anschluß den Ausgangszweig der Schaltungseinrichtung (C) bildet und dessen Steueranschiuß mit dem Komparatorknotenpunkt (D) verbunden ist, welcher mit dem ersten und dem zweiten Eingangsanschluß der Schaltungseinrichtung verbunden ist.
4. 4·. Schaltung nach, den Ansprüchen 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (T.), der zweite Transistor (Tp), der dritte Transistor (T₇,), der vierte Transistor (T^), der fünfte Transistor (Tj-) und der sechste Transistor (T,-) bipolare Transistoren sind, von denen der erste Anschluß, der Steueranschluß und der zweite Anschluß der Emitter "bzw. die Basis "bzw. der Kollektor ist.
5. 5- Schaltung nach den Ansprüchen 2 und 3» dadurch gekennzeichnet, daß der erste Transistor (T,,), der zweite Transistor (T^), der dritte Transistor (T,), der vierte Transistor (T^), der fünfte Transistor (T₁-) und der sechste Transistor (Tg) Feldeffekttransistoren sind,-deren erster Anschluß, deren Steueranschluß und deren zweiter Anschluß Source bzw. Gate bzw.. Drain sind.
6. 6. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Schaltung in einen monolithischen Halbleiterblock integriert ist.