DE3642167A1 - Stromspiegelschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromspiegelschaltung mit einem ersten und einem zweiten Zweig, die zueinander parallelgeschaltet sind. Eine solche Schaltung ist vorzugsweise Teil einer Integrierten Schaltung.

Stromspiegelschaltungen dieser Art sind seit langem bekannt. Sie enthalten im ersten Zweig eine Diode, die meist durch einen Transistor gebildet wird, dessen Kollek­ tor mit seiner Basis verbunden ist, und im zweiten Zweig die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors. Stromspiegel dieser Art liefern einen Ausgangsstrom, der dem Eingangs­ strom entspricht (wenn die wirksamen Emitterflächen der Transistoren in den beiden Zweigen einander gleich sind) bzw. der um einen definierten Faktor größer oder kleiner ist als der Eingangsstrom (wenn die wirksame Emitterfläche des Transistors im zweiten Zweig um diesen Faktor größer oder kleiner ist als die Emitterfläche des als Diode geschalteten Transistors im ersten Zweig). In der Praxis ist das Emitterflächenverhältnis aber auf Werte zwischen etwa 1 : 10 und 10 : 1 beschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Strom­ spiegel anzugeben, mit dem andere Verhältnisse zwischen Ausgangsstrom und Eingangsstrom realisierbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Zweig zwei in Serie geschaltete Dioden und der zweite Zweig die Serienschaltung der Basis-Emitter- Strecken zweier Transistoren enthält.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, daß das Verhältnis zwischen dem Strom im zweiten Zweig der Wurzel aus der Stromverstärkung des einen Transistors im zweiten Zweig proportional ist. Der Stromverstärkungsfaktor der Transistoren einer inte­ grierten Schaltung ist zwar im wesentlichen der gleiche, jedoch können die Stromverstärkungsfaktoren der Tran­ sistoren von zwei integrierten Schaltungen des gleichen Typs wesentlich voneinander abweichen, insbesondere, wenn die Schaltungen nicht von der gleichen Kristall-Scheibe stammen. Bei verschiedenen Schaltungstypen ergibt sich aber ein - in der Regel unerwünschter - Ruhestrom, der ebenfalls mit der Wurzel aus dem Stromverstärkungsfaktor bzw. dem Kehrwert dieser Wurzel schwankt.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Stromspiegel­ schaltung ist daher gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Kompensation des der Wurzel des Stromverstärkungs­ faktors der Transistoren einer Schaltung oder dem Kehrwert dieses Wertes proportionalen Ruhestroms in einer inte­ grierten Schaltung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung, Fig. 2 ihre Verwendung zur Kompensation des Ruhestroms bei einem AM-Demodulator.

Die in Fig. 1 dargestellte Stromspiegelschaltung enthält in einem ersten Zweig zwei mit gleicher Durchlaßrichtung in Serie geschaltete Dioden, die durch je einen npn-Tran­ sistor 1 bzw. 2 gebildet werden, deren Kollektor-Basis- Anschlüsse kurzgeschlossen sind.

Der zweite Zweig enthält zwei npn-Transistoren 3 und 4, deren in Serie geschaltete Basis-Emitter-Strecken den in Serie geschalteten Dioden 1, 2 parallelgeschaltet sind. Demgemäß ist die Basis des Transistors 3 mit dem Kollektor-Basis-Anschluß des Transistors 1 verbunden; dieser Verbindungspunkt bildet einen Anschlußpunkt 5 der Stromspiegelschaltung. Weiterhin ist der Emitter des Transistors 3 mit der Basis des Transistors 4 verbunden, dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors 2 verbunden ist. Die Verbindung der Emitter der Transistoren 2 und 4 bildet einen weiteren Anschlußpunkt 6 der Schaltung.

Den dritten Anschlußpunkt des Stromspiegels bildet der Kollektor des Transistors 4, mit dem der Kollektor des Transistors 3 verbunden ist. Da der Kollektorstrom des Transistors 3 wesentlich kleiner ist als der Kollektor­ strom des Transistors 4 kann die letztgenannte Verbindung gegebenenfalls aber auch entfallen.

Bei der nachfolgenden Berechnung sei zunächst angenommen, daß die vier Transistoren 1 bis 4 die gleichen Eigen­ schaften aufweisen. Der Emitterstrom 14 des Transistors 4 ist um den Stromverstärkungsfaktor B dieses Transistors größer als der Emitterstrom des Transistors 3. Wegen des exponentiellen Zusammenhanges zwischen der Basis-Emitter- Spannung eines Transistors und seinem Emitterstrom gilt daher die Gleichung:

U₄-U₃ = U _T 1n B (1)

Dabei sind U₃ bzw. U ₄ die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren 3 bzw. 4, und U _T ist die sogenannte Tempe­ raturspannung, die bei Zimmertemperatur etwa 25,5 mV beträgt. Weiterhin gilt:

U₃ = U₁-U _d (2)

wobei U ₁ die Basis-Emitter-Spannung des als Diode geschal­ teten Transistors 1 ist und U _d die Spannung zwischen dem Emitter des Transistors 3 und dem Emitter des Tran­ sistors 1 ist. Ebenso gilt:

U₄ = U₂ + U _d (3)

wobei U ₂ die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 2 ist. Da die als Diode geschalteten Transistoren 1 und 2 den gleichen Strom führen, gilt:

U₁ = U₂ (4)

Da gemäß Gleichung (3) die Basis-Emitter-Spannung des Transistors 4 um U _d größer ist als die Basis-Emitter- Spannung des Transistors 2, gilt wegen des exponentiellen Zusammenhanges zwischen Emitterstrom und Basis-Emitter- Spannung schließlich die Gleichung:

I₄/I₁ = exp(U _d /U _T ) (5)

wobei I ₄ der Emitterstrom des Transistors 4 und I ₁ der Emitterstrom der Transistoren 1 bzw. 2 ist. Aus den Gleichungen (2), (3) und (4) ergibt sich:

U₄-U₃ = 2U _d (6)

Durch Gleichsetzen der Gleichungen (1) und (6) folgt:

U _d = 0,5 U _T · 1n B (7)

Durch Einsetzen von Gleichung (7) in Gleichung (5) ergibt sich:

Da der Strom I ₁ praktisch gleich dem über den Anschluß 5 fließenden Strom ist (die Abweichungen bewegen sich im Promillebereich) und da der Emitterstrom des Tran­ sistors I ₄ nahezu mit dem Strom über den dritten Anschluß 7 identisch ist, gilt also, daß der Strom über die Klemme 7 um den Faktor √ größer ist als der Strom über die Klemme 5.

Die vorstehenden Beziehungen wurden unter der Voraus­ setzung abgeleitet, daß alle Transistoren identisch sind. Es ist aber auch möglich, daß nur die Transistoren 1 und 3 einander gleich sind und andere Emitterflächen aufweisen als die einander gleichen Transistoren 2 und 4, oder daß die Transistoren 3 und 4 einander gleich sind und andere Stromverstärkungsfaktoren aufweisen als die Transistoren 1 und 2. Schließlich können alle vier Transistoren vonein­ ander abweichende Emitterflächen haben. In allen diesen Fällen gilt, daß der Faktor √ in Gleichung (8) mit einem Faktor zu multiplizieren ist, der von den wirksamen Emitterflächen abhängt.

Der Eingangsstrom kann an der Klemme 5 zugeführt werden, wobei der proportionale Strom an der Klemme 7 weiterver­ arbeitet wird (in diesem Fall kann die Klemme 6 beispiels­ weise mit Masse verbunden sein), jedoch kann auch der Strom über den Anschluß 6 weiterverarbeitet werden, weil dieser wenigstens näherungsweise dem Strom I ₄ entspricht. Ebenso kann dem Anschluß 6 ein Eingangsstrom zugeführt und der Ausgangsstrom dem Anschluß 5 entnommen werden. In diesem Fall ist der Ausgangsstrom um den Faktor 1/√ kleiner als der Eingangsstrom.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Schaltung bei einem Amplitudendemodulator. Dabei sind zwei Zweige, die je die Serienschaltung der Kollektor-Emitter-Strecken zweier npn-Transistoren 11 und 12 bzw. 13 und 14 enthalten, an eine Gleichstromquelle 15 angeschlossen. Während jedoch der Transistor 11 direkt mit der durch die Kollektor-Emitter-Strecke eines Tran­ sistors 15 gebildeten Gleichstromquelle verbunden ist, ist der Emitter des Transistors 14 im anderen Zweig über einen Widerstand 16 mit der Gleichstromquelle verbunden. Außer­ dem sind die Basisanschlüsse der Transistoren 11 bzw. 14, deren Emitter direkt bzw. über den Widerstand 16 mit der Gleichstromquelle 15 verbunden sind, an die Emitter der Transistoren im jeweils anderen Zweig angeschlossen; die Basis des Transistors 14 ist also mit dem Emitter des Transistors 12 und die Basis des Transistors 11 mit dem Emitter des Transistors 13 verbunden.

Der Kollektorstrom des Transistors 13 wird über einen aus pnp-Transistoren gebildeten Stromspiegel, dessen Ausgangs­ strom doppelt so groß ist wie der Kollektorstrom des Tran­ sistors 13, einem Ausgangswiderstand 17 zugeführt, dessen vom Stromspiegel abgewandter Anschluß mit Masse verbunden ist.

Die Eingänge 18 und 19 der Schaltung sind mit den Basis­ anschlüssen der Transistoren 12 und 13 verbunden und an eine nicht näher dargestellte Signalquelle angeschlossen, die amplitudenmodulierte Signale erzeugt. Wenn die Basis­ ströme der Transistoren vernachlässigbar klein wären, würde der Transistor 13 nur dann einen Kollektorstrom führen, wenn das Potential an der Eingangsklemme 18 gegen­ über dem Potential an der Eingangsklemme 19 positiv wäre. Es fände dann also eine Gleichrichtung statt, woraus mittels eines nicht näher dargestellten, mit dem Ausgangs­ widerstand 17 gekoppelten Filters eine Gleichspannung erzeugt werden könnte, die u.a. zu Regelzwecken benutzbar wäre.

Da die Basisströme der Transistoren 11...14 aber nicht vernachlässigbar sind bzw. da die Stromverstärkungs­ faktoren dieser Transistoren endlich sind, ist diesem Nutzsignalanteil in der Praxis ein Ruhestrom I _r über­ lagert, der von den Exemplarstreuungen der Schaltung abhängig ist und der das Regelverhalten in unerwünschter Weise beeinflussen würde.

Dieser Ruhestrom hängt von dem von der Gleichstrom­ quelle 15 gelieferten Gleichstrom I _o und dem Stromver­ stärkungsfaktor B der Transistoren 11...14 nach der Beziehung:

ab. A ist dabei ein Faktor, der vom Gleichstrom I _o und vom Widerstand R nach der Beziehung:

abhängt. Mit einem Wert R von 60 Ohm und einem Gleich­ strom I _o von ca. 2 mA ergibt sich der Faktor A näherungs­ weise zu 0,5, so daß nach der Verdopplung des Ruhestroms im Stromspiegel 20 dem Ausgangswiderstand ein Ruhestrom I _r der Größe:

zugeführt würde. I _r ist demnach der Wurzel aus dem Strom­ verstärkungsfaktor umgekehrt proportional und ist daher Exemplarstreuungen ausgesetzt.

Dieser Ruhestrom wird von dem Widerstand 17 nahezu voll­ ständig dadurch ferngehalten, daß mittels der in Fig. 1 dargestellten Schaltung, die zusammen mit dem Amplituden­ modulator Teil einer Integrierten Schaltung ist, ein Gleichstrom abgezogen wird, der nahezu die gleiche Größe und die gleiche Abhängigkeit vom Stromverstärkungsfaktor aufweist wie der Ruhestrom. Zu diesem Zweck ist die in Fig. 1 dargestellte Schaltung mit ihrem Anschluß 6 an eine Stromquelle 21 und mit ihrem Anschluß 5 an den Verbin­ dungspunkt des Ausgangs des Stromspiegels 20 mit dem Widerstand 17 angeschlossen. Die Stromquelle 21 wird durch die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors gebildet, der die gleichen Eigenschaften aufweist, wie der Tran­ sistor 15 und dessen Basis-Emitter-Strecke der Basis- Emitter-Strecke des Transistors 15 parallelgeschaltet und somit an den gleichen Vorspannungserzeuger 22 ange­ schlossen ist wie der Transistor 15. Infolgedessen wird dem Anschluß 6 der Strom I _o zugeführt, so daß über den Anschluß 5 näherungsweise der Strom I _o /√ abgeführt wird, der gerade dem Ruhestromanteil entspricht. Infolgedessen fließt über den Widerstand 17 nur der von der Wechsel­ spannung an den Eingängen 18, 19 abhängige Nutzanteil, der unabhängig von Exemplarstreuungen zu Regelzwecken benutzt werden kann.

Die durch den Stromspiegel 20 hervorgerufene Verdopplung des Ruhestroms (und des Nutzsignals) kann entfallen, wenn durch Änderung der Transistorgeometrie entweder der Kollektorstrom des Transistors 21 halbiert oder der Emitterstrom der Transistoren 3 und 4 verdoppelt wird. - Die mit npn-Transistoren 1...4 realisierte Stromspiegelschaltung kann in analoger Weise auch aus pnp-Transistoren aufgebaut werden.

Claims (5)

1. Stromspiegelschaltung mit einem ersten und einem zweiten Zweig, die zueinander parallelgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zweig zwei in Serie geschaltete Dioden (1, 2) und der zweite Zweig die Serien­ schaltung der Basis-Emitter-Strecken zweier Tran­ sistoren (3, 4) enthält.

2. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsstrom dem Verbin­ dungspunkt (6) der beiden Zweige zugeführt wird, mit dem der Emitter eines Transistors (4) in dem zweiten Zweig verbunden ist, und daß der Ausgangsstrom dem anderen Verbindungspunkt (5) der beiden Zweige entnommen wird.

3. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsstrom dem Verbin­ dungspunkt (5) zugeführt wird, der mit Basis eines Tran­ sistors (3) im zweiten Zweig verbunden ist, und daß der Ausgangsstrom dem anderen Verbindungspunkt (6) oder dem Kollektor (7) desjenigen Transistors (4) im zweiten Zweig entnommen wird, dessen Emitter mit dem anderen Verbin­ dungspunkt (6) verbunden ist.

4. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren der beiden Transistoren (3, 4) des zweiten Zweiges miteinander verbunden sind.

5. Stromspiegelschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Kompensation des der Wurzel des Stromverstärkungsfaktors der Transistoren einer Schaltung (11...19) oder dem Kehrwert dieses Wertes proportionalen Ruhestroms in einer integrierten Schaltung.