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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Stromspiegelanordnung
- – mit
einem Eingangsstrompfad, umfassend je einen Hauptstrompfad eines
ersten Stromspiegeltransistors und eines damit nach Art einer Kaskodeschaltung
verbundenen, als erster Kaskodetransistor bezeichneten Transistors,
- – mit
einem Ausgangsstrompfad, umfassend je einen Hauptstrompfad eines
zweiten Stromspiegeltransistors und eines damit nach Art einer Kaskodeschaltung
verbundenen, als zweiter Kaskodetransistor bezeichneten Transistors,
- – wobei
die Stromspiegeltransistoren nach Art eines Stromspiegels miteinander
und ihre Steueranschlüsse
mit einem ersten Schaltungspunkt verbunden sind,
- – wobei
die Kaskodetransistoren mit ihren verbundenen Steueranschlüssen miteinander
und mit einem Eingangsanschluss im Eingangsstrompfad der Stromspiegelanordnung
verbunden sind,
- – wobei
der Eingangsanschluss durch einen vom ersten Stromspiegeltransistor
abgewandten Anschluss des Hauptstrompfades des ersten Kaskodetransistors
und ein Ausgangsanschluss durch einen vom zweiten Stromspiegeltransistor
abgewandten Anschluss des Hauptstrompfades des zweiten Kaskodetransistors
gebildet ist,
- – mit
einer Dimensionierung der Stromspiegel- und Kaskodetransistoren
für einen
Strom im Eingangsstrompfad, der wenigstens nahezu dem n-fachen Wert
des Stromes im Ausgangsstrompfad entspricht,
- – und
mit einer Stromaufteilschaltung zum Ableiten eines Teils eines Stromes
aus dem ersten Schaltungspunkt in den Ausgangsanschluss.
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Stromspiegelanordnungen
dienen in der Transistorschaltungstechnik dazu, Referenzströme umzuleiten,
zu vervielfältigen
oder um einen definierten Faktor zu verändern. Die Abweichung des Ausgangsstromes
vom Eingangsstrom oder vom gewünschten
Vielfachen des Eingangsstromes hängt von
unterschiedlichen Einflüssen
ab, von denen die Kompensation der Steuerströme der Transistoren oder – bei bipolaren
Transistoren – die
Kompensation der sogenannten Earlyspannungen sehr wichtig sind. Vorzugsweise
durch symmetrische Ausbildung der Stromspiegelanordnungen kann diesen
Einflüssen begegnet werden,
jedoch auf Kosten des Schaltungsaufwandes und der mindestens notwendigen Versorgungsspannung.
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Aus
der Monografie „Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und
Ch. Schenk, 8. Auflage, Springer-Verlag, 1986, Seiten 62 bis 64,
ist ein Stromspiegel aus zwei bipolaren Transistoren bekannt, deren
Emitter einerseits und deren Basen andererseits miteinander verbunden
sind. Außerdem sind
die Basis und der Kollektor des Eingangstransistors miteinander
verbunden. Bei dieser einfachen Stromspiegelanordnung wird das Stromspiegelverhältnis durch
die über
den Eingang fließenden
Basisströme
beider Transistoren verfälscht.
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Wird
eine derartige Stromspiegelanordnung durch einen Transistor erweitert,
dessen Emitter mit den gekoppelten Basen der Stromspiegeltransistoren
verbunden ist, dessen Basis mit dem Eingang und dessen Kollektor
mit einem Bezugspotential verbunden ist, verringert sich der Fehler
im Stromspiegelverhältnis
auf den Basisstrom des zusätzlichen Transistors.
Insbesondere bei Stromspiegeln aus PNP-Transistoren mit vergleichsweise
geringen Stromverstärkungen
kann für
bestimmte Anwendungen auch dieser Fehler noch zu groß sein.
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Aus
der genannten Monografie „Halbleiter-Schaltungstechnik" ist ebenfalls ein
sogenannter Wilson-Stromspiegel bekannt, bei dem zusätzlich zum
Stromspiegeltransistor im Ausgangszweig ein weiterer Transistor
in Art einer Kaskodeschaltung angeordnet ist. Die verbundenen Basen
der Stromspiegeltransistoren sind mit diesem Kaskodezweig verbunden,
und der Steueranschluss des Kaskodetransistors ist an den Eingangzweig
angeschlossen. Mit dieser Schaltung ist eine weitgehende Basisstromkompensation
für ein
Spiegelverhältnis
von 1 erreichbar. Allerdings gibt es Verfälschungen durch die Earlyspannungen.
Zwar zeigt es sich, dass durch Einfügen eines weiteren, als Diode
geschalteten Transistors in den Eingangszweig des Wilson-Stromspiegels in
der Weise, dass dieser Transistor in Kaskode zum Stromspiegeltransistor
im Eingangszweig angeordnet ist, der Einfluss der Earlyspannungen
für die Stromspiegeltransistoren
des Wilson-Stromspiegels unterdrückt
werden kann. Dennoch ergibt sich eine exakte Kompensation der Basisströme und damit
ein fehlerfreies Stromverhältnis
nur für
einen Wert dieses Stromverhältnisses
von wenigstens nahezu 1.
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Aus
US-PS 5.627.732 ist ein
Stromspiegel mit einem Eingangszweig und wenigstens zwei Ausgangszweigen
mit PNP-Stromspiegeltransistoren bekannt. Jeder dieser Stromspiegeltransistoren
ist mit einem Kaskodetransistor in Kaskode geschaltet. In
4 von
US-PS
5.627.732 werden die Basisströme der Stromspiegeltransistoren
gesammelt und an einen gemeinsamen Emitter eines Stromverteilertransistors
mit dem dortigen Bezugszeichen T7 geleitet. Dieser Stromverteilertransistor
ist als Mehrkollektortransistor ausgebildet. Die gesammelten Basisströme der Stromspiegeltransistoren
werden zu gleichen Teilen auf die Ausgangsanschlüsse der Ausgangszweige des
Stromspiegels verteilt. Durch eine solche Verteilung wird jedoch
keine exakte Kompensation der Basisströme und damit des Stromspiegelfehlers erreicht.
Es verbleibt ein Fehler im Stromspiegelverhältnis zwischen den Ausgangsstrompfaden
und dem Eingangsstrompfad. Zur Vermeidung dieses Nachteils werden
in
US-PS .627.7325 verschiedene Schaltungen
gemäß den dortigen
5,
6 und
8 vorgeschlagen. Insbesondere
8 zeigt eine Anordnung, die sowohl ein
exaktes Stromspiegelverhältnis als
auch eine Unabhängigkeit
von Variationen des Eingangsstromes des Stromspiegels gewährleisten soll
und gleichzeitig von 1 verschiedene Stromspiegelverhältnisse
erzeugen soll. Dies wird jedoch mit einem verhältnismäßig hohen Schaltungsaufwand erkauft.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, eine Stromspiegelanordnung der eingangs
genannten Art so auszubilden, dass sie ein exaktes Stromspiegelverhältnis größer als
1 zwischen einem Eingangsstrompfad und einem Ausgangsstrompfad aufweist
und mit geringem Schaltungsaufwand und für niedrige Versorgungsspannungen
aufgebaut werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einer Stromspiegelanordnung der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst,
dass
- – n
größer als
1 ist,
- – dass
die Stromaufteilschaltung eine Transistoranordnung mit einem ersten
und einem zweiten Strompfad umfasst, die beide einseitig mit dem ersten
Schaltungspunkt verbunden sind, dass der erste Strompfad anderseitig
mit dem Bezugspunkt und der zweite Strompfad anderseitig mit dem Ausgangsanschluss
verbunden ist und die Strompfade für ein Verhältnis der durch sie geführten Ströme von m:1
zwischen dem zweiten und dem ersten Strompfad dimensioniert sind,
wobei die Stromaufteilschaltung ausgebildet ist, den Strom aus dem
ersten Schaltungspunkt unmittelbar auf den Ausgangsanschluss und
einen Bezugspunkt in einem Verhältnis
von m:1 aufzuteilen, worin für m
wenigstens nahezu die Beziehung m = 1/(n – 1) erfüllt ist.
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Bei
der erfindungsgemäßen Stromspiegelanordnung
ist die Stromaufteilschaltung mit den Steueranschlüssen der
Stromspiegeltransistoren und der Kaskodetransistoren derart verbunden,
dass im Eingangsstrompfad und im Ausgangsstrompfad sich während des
Betriebes symmetrische Potentialverhältnisse einstellen. Bei einer
Ausbildung der verwendeten Transistoren in bipolarer Schaltungstechnik
werden dadurch die Effekte durch Earlyspannungen verringert; dadurch
bedingte Fehler im Stromspiegelverhältnis treten nicht auf. Für den gewählten Wertebereich
des Faktors n, für
den der Strom im Eingangsstrompfad größer ist als der Strom im Ausgangsstrompfad,
wird ein durch die Ströme
in den Steueranschlüssen
der Kaskodetransistoren hervorgerufener Fehlerstrom durch Addition
eines vorbestimmten Anteils der Summe der Ströme aus den Steueranschlüssen der
Stromspiegeltransistoren zu dem Strom im Ausgangsanschluss kompensiert.
Die angegebene Beziehung zwischen m und n gilt dabei exakt nur für Transistoren
mit sehr großen
Stromverstärkungen.
Unter Berücksichtigung
endlicher Werte für
die Stromverstärkung
B ergibt sich für
die Beziehung zwischen den Faktoren m und n die folgende Gleichung: m = (B + 1)/(B·(n – 1) – 1).
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Durch
die erfindungsgemäße Stromspiegelanordnung
wird eine präzise
Einhaltung des gewünschten
Stromspiegelverhältnisses
ohne Abweichungen durch Ströme
in den Steueranschlüssen
der Transistoren erhalten. Der Schaltungsaufwand für die erfindungsgemäße Stromspiegelanordnung
ist sehr gering. Die erfindungsgemäße Stromspiegelanordnung kann
mit sehr geringen Versorgungsspannungen betrieben werden. Durch
geringe Variation des Faktors m, d.h. des für die Aufteilung des Stromes
in der Stromaufteilschaltung maßgeblichen
Faktors, können
gegebenenfalls auch Einflüsse
auf das Stromspiegelverhältnis
zwischen dem Eingangsstrompfad und dem Ausgangsstrompfad ausgeglichen
werden, die auf unterschiedliche Potentiale am Eingangsanschluss
und am Ausgangsanschluss zurückzuführen sind.
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In
einer Variante der erfindungsgemäßen Stromspiegelanordnung,
bei der der Strom im Ausgangsstrompfad größer gewählt werden soll als der Strom
im Eingangsstrompfad und bei der somit der dieses Stromspiegelverhältnis bestimmende
Faktor n kleiner als 1 ist, kann eine Kompensation von Fehlerströmen durch
die Ströme
aus den Steueranschlüssen
der Kaskodetransistoren dadurch erfolgen, dass ein in vergleichbarer
Weise bestimmter Anteil der Ströme
aus den Steueranschlüssen
der Stromspiegeltransistoren dem Eingangsanschluss zugeleitet wird.
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Die
erfindungsgemäße Stromaufteilschaltung
kann weiter in solcher Weise verbessert werden, dass der erste Strompfad
der Stromaufteilschaltung durch den Hauptstrompfad eines ersten
Aufteiltransistors und der zweite Strompfad der Stromaufteilschaltung
durch den Hauptstrompfad eines zweiten Aufteiltransistors gebildet
ist, und dass der erste und der zweite Aufteiltransistor nach Art
eines Stromspiegels miteinander und ihre Steueranschlüsse mit
dem Eingangsanschluss verbunden sind. Eine Variante dieser Ausbildung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Strompfad
in einem Transistor mit zwei Hauptstrompfaden und einem gemeinsamen
Steueranschluss gebildet sind und der Steueranschluss mit dem Eingangsanschluss
verbunden ist.
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Stromspiegelanordnungen
werden bevorzugt mit bipolaren Transistoren aufgebaut. In einer entsprechenden
Weiterbildung sind demgemäß bei der
erfindungsgemäßen Stromspiegelanordnung
die Transistoren als bipolare Transistoren ausgebildet. Besonders
vorteilhaft ist die Erfindung in einer Stromspiegelanordnung mit
PNP-Transistoren, da hier vielfach niedrigere Stromverstärkungen
B und damit höhere
Basisströme
auftreten, deren exakte Kompensation besonders wichtig ist.
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Die
im Vorstehenden beschriebenen Faktoren m und n definieren bei der
erfindungsgemäßen Stromspiegelanordnung
allgemein das einzustellende Stromspiegelverhältnis bzw. das Verhältnis der Stromaufteilung
in der Stromaufteilschaltung. Bei einer Ausbildung mit bipolaren
Transistoren können diese
Stromverhältnisse
in einfacher Weise durch Verhältnisse
der Emitter- bzw. Kollektorflächen
der entsprechenden Transistoren realisiert werden. Eine vorteilhafte
Weiterbildung der Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass
die Emitter- und Kollektorflächen
des ersten Stromspiegeltransistors und des ersten Kaskodetransistors
dem n-fachen der Emitter- und Kollektorflächen des zweiten Stromspiegeltransistors
und des zweiten Kaskodetransistors entsprechen und dass die im ersten
und zweiten Strompfad der Stromaufteilschaltung angeordneten Emitter-
und Kollektorflächen
zueinander im Verhältnis
1:m gewählt
sind. Obgleich die Bezeichnungen der Faktoren m und n als Flächenfaktoren
aus diesem Zusammenhang heraus gewählt sind, ist ihre Bedeutung
für die
erfindungsgemäße Lehre
nicht auf die Definition von Flächen
begrenzt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigt:
die einzige Figur der Zeichnung eine Stromspiegelanordnung,
die zwischen einem Versorgungsspannungsanschluss 1 und
einem Eingangsanschluss 2 einen Eingangsstrompfad und zwischen
dem Versorgungsspannungsanschluss 1 und einem Ausgangsanschluss 3 einen
Ausgangsstrompfad aufweist. Im Eingangsstrompfad sind die Hauptstrom pfade
eines ersten Stromspiegeltransistors 4 und eines ersten Kaskodetransistors 5 nach
Art einer Kaskodeschaltung miteinander verbunden, d.h. in Reihe
angeordnet. Im Ausgangsstrompfad sind entsprechend die Hauptstrompfade
eines zweiten Stromspiegeltransistors 6 und eines zweiten
Kaskodetransistors 7 nach Art einer Kaskodeschaltung in
Reihe angeordnet. Im Ausführungsbeispiel
sind die Transistoren 4, 5, 6, 7 als
bipolare Transistoren vom PNP-Typ ausgebildet. Entsprechend sind
ihre Hauptstrompfade durch die Kollektor-Emitter-Strecken dieser Transistoren
zwischen dem Kollektor und dem Emitter gebildet. Die Basis des Transistors
bildet einen zugehörigen
Steueranschluss.
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In
dem Ausführungsbeispiel
sind die Stromspiegeltransistoren 4, 6 nach Art
eines Stromspiegels miteinander verbunden. Dazu sind die Emitter
der Stromspiegeltransistoren 4 und 6 mit dem Versorgungsspannungsanschluss 1 verbunden.
Die Basen der Stromspiegeltransistoren 4, 6 sind
mit einem ersten Schaltungspunkt 8 verbunden. Die Kollektoren der
Stromspiegeltransistoren 4 bzw. 6 sind mit den Emittern
der zugehörigen
Kaskodetransistoren 5 bzw. 7 verbunden. Der Kollektor
des ersten Kaskodetransistors 5 ist mit dem Eingangsanschluss 2,
der Kollektor des zweiten Kaskodetransistors 7 ist mit dem
Ausgangsanschluss 3 verbunden. Die Basen der Kaskodetransistoren 5, 7 sind
miteinander und außerdem
mit dem Eingangsanschluss 2 verbunden. Zur Einstellung
eines gewünschten
Stromspiegelverhältnisses
zwischen dem Strom im Eingangsanschluss 2 und dem Strom
im Ausgangsanschluss 3 im Betrieb sind die Emitterflächen des
ersten Stromspiegeltransistors 4 und des ersten Kaskodetransistors 5 als
das n-fache der Emitterflächen
des zweiten Stromspiegeltransistors 6 des zweiten Kaskodetransistors 7 gewählt. Der
Faktor n ist größer als
1 festgesetzt. Das Ausführungsbeispiel
gemäß der Figur
umfasst weiterhin eine Stromaufteilschaltung, die aus einem ersten
Aufteiltransistor 9 und einem zweiten Aufteiltransistor 10 besteht.
Durch diese Stromaufteilschaltung wird im Betrieb die Summe der
Ströme
in den Basen der Stromspiegeltransistore 4, 6 über den ersten
Schaltungspunkt 8 abgeführt
und auf einen Bezugspunkt 11, im vorliegenden Beispiel
Masse, und den Ausgangsanschluss 3 aufgeteilt. Dazu bildet die
Stromaufteilschaltung zusammen mit den Aufteiltransistoren 9, 10 einen
ersten Strompfad, der vom ersten Schaltungspunkt 8 über die
Kollektor-Emitter-Strecke des ersten Aufteiltransistors 9 zum
Bezugspunkt 11 führt,
und einen zweiten Strompfad, der vom ersten Schaltungspunkt 8 über die
Kollektor-Emitter-Strecke des zweiten Aufteiltransistors 10 zum
Ausgangsanschluss 3 führt.
Diese Strompfade sind für
ein Verhältnis
der durch sie geführten
Ströme von
m:1 zwischen dem zweiten und dem ersten Strompfad dimensioniert.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind die Aufteiltransis toren 9, 10 ebenfalls als bipolare
Transistoren vom PNP-Typ ausgeführt.
Sie weisen Emitterflächen
auf, die in einem Verhältnis von
m:1 festgelegt sind. Durch diesen Faktor m wird ein Teil des aus
dem ersten Schaltungspunkt 8 abgeleiteten Stromes an den
Bezugspunkt 11 und der Rest dieses Stromes, der dem m-fachen
des Stromes am Bezugspunkt 11 entspricht, an den Ausgangsanschluss 3 geführt. Die
Aufteiltransistoren 9, 10 sind dazu in der Art
eines Stromspiegels miteinander verbunden, d.h. einerseits sind
ihre Emitter mit dem ersten Schaltungspunkt 8 und andererseits
sind ihre Basen mit dem Eingangsanschluss 2 verbunden. Für die Faktoren
m und n sowie für
die Stromverstärkung
B der Transistoren gilt näherungsweise
die Beziehung M = 1/(n – 1)
oder, unter Berücksichtigung der
Stromverstärkung
B und der Annahme gleicher Stromverstärkungen für alle Transistoren der Schaltungsanordnung,
genauer die Gleichung m = (B + 1)/(B·(n – 1) – 1).
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Bei
einer derartigen Dimensionierung der Stromspiegelanordnung entspricht
der Strom im Eingangsanschluss 2 exakt dem n-fachen des
Stromes im Ausgangsanschluss 3.
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In
einer Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels können die
Aufteiltransistoren 9, 10 zu einem Transistor
mit zwei Hauptstrompfaden zusammengefasst werden, die dann die beiden Strompfade
der Stromaufteilschaltung bilden. Ein derartiger Transistor ist
mit einem Emitter und zwei Kollektoren sowie einem gemeinsamen Steueranschluss
(Basis) ausgebildet. Der Steueranschluss ist dabei wiederum mit
dem Eingangsanschluss 2 verbunden. Der einen Endpunkt des
ersten Strompfades bildende Kollektor dieses Transistors ist mit
dem Bezugspunkt 11 und der zweite Kollektor ist mit dem Ausgangsanschluss 3 verbunden.
Die Kollektorflächen
des ersten und des zweiten Strompfades in diesem Transistor sind
im Verhältnis
1:m dimensioniert, wobei für
m die vorstehenden Beziehungen gelten.