CN1081841C - 具有小的输出电流波动的恒流电路 - Google Patents

Abstract

提供一种恒流电路，其输出电流几乎不依赖于晶体管的电流增益或提供于其上的前电压。该恒流电路由形成恒流产生单元的晶体管和电流镜像电路之间的一个差分电路组成。该差分电路作为一个反馈电路工作并且该电流镜像电路的镜像系数几乎不受电流增益或前电压的影响。

Description

具有小的输出电流波动的恒流电路

本发明涉及一种恒流电路，并且具体地说涉及一种恒流电路，其中电流流经两个具有不同发射极(源极)大小的晶体管，并且基于晶体管的基极(栅极)和发射极(源极)之间产生的电压差的恒定电流由此被输出。

上面那种常规的恒流电路的一个例子表示在图1中。

在图1所示的恒流电路中，由PNP晶体管Q23和Q24组成的一个电流镜像电路连接到由电阻R21和NPN晶体管Q21和Q22组成的一个恒流产生单元的输出端，晶体管Q21和Q22的发射极大小比率是1∶n1，并且通过晶体管Q23和Q24以及PNP晶体管Q25得到输出电流Iout，Q25与Q23和Q24共享公共基极。

在这个电路中，令Iref是流经晶体管Q22的发射极的基准电流，I1是流经晶体管Q21的发射极的电流，以及Iout是流经晶体管Q25的集电极的输出电流。令1∶n1是晶体管Q21和Q22的发射极大小比率，1∶n2是晶体管Q24和Q25的发射极大小比率，和R21是串联到晶体管Q22的电阻。关于PNP晶体管的电流增益hFE的影响，从下列等式得到：

         Iref＝(1/R21)·(K·T/q)·1n(n1·I1/Iref)

         I1＝Iref·hFE/(hFE+2+n2)

         Iout＝Iref·n2·hFE/(hFE+2+n2)其中K表示波尔兹曼常数，T表示绝对温度，以及q表示电子的电荷。

由于从上面的等式显而易见，输出电流Iout极大地依赖于电流增益。输出电流Iout也依赖于前电压V_A，如下所示：

         I1＝Iref·(1+V_CEQ23/V_A)/(1+V_CEQ24/V_A)

         ＝Iref·(1+V_CEQ23/V_A)/(1+V_BEQ24/V_A)

         Iout＝Iref·n2·(1+V_CEQ25/VA)/(1+V_BEQ24/V_A)

图3和图4分别是表示输出电流对hFE和前电压的相关特性的图，两个图通过仿真得到。图3和图4中的虚线20表示这个电路的输出特性。

图2表示这种具有改进的输出电流的hFE相关性的另一种常规恒流电路的结构和其由互导放大器(TCA)电路6构成。

在图2所示的电路结构中，晶体管Q40和Q41通过与晶体管Q31和Q32共享公共基极而被连接。晶体管Q31和Q40的发射极大小是相同的，这对晶体管Q32和Q41也是如此。电阻R31和R32具有相同的阻值。

晶体管Q40的集电极连接到由TCA电路6组成的差分电路的反向输入端。晶体管Q41的集电极连接到该差分电路的非反向输入端。这个差分电路的输出端连接到晶体管Q32的集电极。

图2所示的常规电路的操作在下面说明。

晶体管Q40的集电极电流IC10和晶体管Q41的集电极电流IC11产生与晶体管Q31的集电极电流IC1和晶体管Q32的集电极电流IC2之间的电流差相同量值的差分电流。差分电流通过电阻R33和R34被变换为差分电压△Vd。差分电压接着通过由TCA电路6组成的差分电路被变换为电流，并且提供给晶体管Q32和Q34之间的集电极连接点。

例如，如果PNP晶体管的电流增益hFE减小，则晶体管Q33，Q34和Q39的电流增益变得更小，并且Q33，Q34和Q39的基极电流变大。因此，电流差(IC2-IC1)变大，并且差分电流(IC11-IC10)也变大。因此，TCA输入电压△Vd变大，以及TCA输出电流(IC6-IC7＝I_F8)变大，并且被反馈以减少电流差(IC2-IC1)。

利用这种反馈控制，即使在电流增益hFE减小的情况下，也可以使输出电流Iout的变化很小。

如上所述，在上面的常规恒流电路中，图1所示的电路具有这样的问题，即输出电流既依赖于电流增益hFE，又依赖于前电压。另一方面，图2所示的电路具有问题，即尽管电流增益波动的影响可以变得很小，但输出电流仍依赖于前电压。换句话说，在低的前电压的情况下，当电源电压变高时，晶体管Q32，Q33，Q40和Q41的集电极-发射极电压V_CE变高。这导致电流IC1，IC2，IC10和IC11增加。但是，因为Q32和Q33属于不同的导电性类型，并且因而具有不同的前电压，电流IC1和IC2以不同的量值增加。

而且，晶体管Q31和Q40的集电极-发射极电压V_CE是不同的，而且难以得到准确的电流差和电压差。因此，输出电流Iout变为波动的，以响应前电压或电源电压波动的变化。

本发明的一个目的是提供一种恒流电路，它不依赖于电流增益hFE或前电压。

根据本发明的一个方面，提供一种恒流电路，利用晶体管的集电极中的等值电流，输出基于具有不同发射极大小的晶体管的基极和发射极之间产生的电压差的恒定电流；该恒流电路包括：工作在公共电源下的一个差分电路；其集电极和基极共同连接到该差分电路的反向输入端并且其发射极接地的第一导电性类型的第一双极型晶体管；其集电极和基极连接到该差分电路的非反向输入端并且其发射极通过一个电阻接地的第一导电性类型的第二双极型晶体管；具有其发射极连接到公共电源，其集电极连接到第一双极型晶体管的集电极，和其基极连接到该差分电路的反向输出端的具有与上述第一导电性类型相反的第二导电性类型的第三双极型晶体管；其发射极连接到公共电源，其集电极连接到第二双极型晶体管的集电极，和其基极连接到该差分电路的反向输出端的第二导电性类型的第四双极型晶体管；至少一个其发射极连接到公共电源，并且其基极连接到第三和第四双极型晶体管的基极的第二导电性类型的第五双极型晶体管；其特征在于，恒定电流从第五双极型晶体管的集电极输出。

根据本发明的另一个方面，提供一种恒流电路，利用晶体管的漏极中的等值电流，输出基于具有不同源极大小的晶体管的源极和漏极之间产生的电压差的恒定电流；该恒流电路包括：工作在公共电源下的一个差分电路；其漏极和栅极共同连接到该差分电路的反向输入端并且其源极接地的第一导电性类型的第一MOSFET；其漏极和栅极连接到该差分电路的非反向输入端并且其源极通过一个电阻接地的第一导电性类型的第二MOSFET；具有其源极连接到公共电源，其漏极连接到第一MOSFET的漏极，和其栅极连接到该差分电路的反向输出端的具有与第一导电性类型相反的第二导电性类型的第三MOSFET；其源极连接到公共电源，其漏极连接到第二MOSFET的漏极，和其栅极连接到该差分电路的反向输出端的第二导电性类型的第四MOSFET；至少一个其源极连接到公共电源，并且其栅极共同连接到第三和第四MOSFET栅极的第二导电性类型的第五MOSFET；其特征在于，恒定电流从第五MOSFET的漏极输出。

在本发明中，通过形成一个位于常规恒流电流的晶体管之间的差分电路构成反馈电路，使由于电流增益hFE或前电压引起的输出电流偏差和波动被减小了。

而且，不仅通过使用双极型晶体管，而且通过使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)，输出电流对电流增益hFE或前电压的依赖也可以减少。

参照示意本发明的示例的附图，本发明的上面的和其它的目的，特点和优点，将从下面描述中变得清楚。

图1是一种常规恒流电路的电路图；

图2是另一种常规恒流电路的电路图；

图3是通过仿真得到的并且表示输出电流与hFE依赖关系的图；

图4是通过仿真得到的表示输出电流与前电压依赖关系的图；

图5是表示根据本发明第一实施例的恒流电路的电路图；

图6是表示根据本发明第二实施例的恒流电路的电路图。

现在参照图5，根据本发明第一实施例的恒流电路包括差分电路5，它由晶体管Q5，Q6，Q7和Q8以及电阻R5组成。晶体管Q1的集电极和基极共同连接到差分电路5的反向输入端，晶体管Q2的集电极和基极共同连接到差分电路5的非反向输入端，并且电阻R1串联到晶体管Q2的发射极。与晶体管Q1，Q2具有相反导电性的晶体管Q3和Q4的基极连接到差分电路5的反向输出端。

与晶体管Q3和Q4共享基极的晶体管Q9连接到差分电路5的恒流输出端，并且恒流电流从晶体管Q9的集电极输出。

在这个实施例中的恒流电路的工作将在下面说明。

图5中，Iref表示晶体管Q2的发射极中的基准电流，I1表示晶体管Q1的发射极中的电流，并且Iout表示晶体管Q9的集电极中的电流。令1∶n1是晶体管Q1和Q2的发射极大小比率，以及1∶n2是晶体管Q4和Q9的发射极大小比率，R1是串联到Q2的电阻。下面的等式表示它们之间的关系：

         Iref＝(1/RI)·(K·T/q)·1n(n1·I1/Iref)

         (K·T/q)·1n{(1+hFE)/hFE·Iref/Is}

         ＝(K·T/q)·1n{(1+hFE)/hFE·I1/Is}

         ＝(K·T/q)·1n{(1+hFE)/hFE·Iout/n2·Is}其中K是波尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子的电荷，并且Is是饱和电流。从上面的等式，得到等式

          I1＝Iref和Iout＝n2·Iref

这表示输出电流Iout不受hFE影响。

关于前电压V_A，得到下面的等式：

          I1＝Iref·(1+V_CEQ3/V_A)/(1++V_CEQ4/V_A)

          Iout＝Iref·n2·{(1+V_CEQ9/V_A)/(1+V_CEQ4/V_A)}但是，由于由晶体管Q4，Q5和Q6组成的反馈电路引起的晶体管Q4的集电极电压等于晶体管Q3的集电极电压。因此，V_CEQ3＝V_CEQ4和I1＝Iref。因此，电流I1不受前电压V_A的影响。

而且，与常规恒流电路相比，输出电流Iout不受前电压V_A的影响，因为V_CEQ4≠V_BEQ4。

图3和图4分别表示输出电流关于hFE和前电压的相关特性。两个图都是通过仿真得到的。两个图中的实线10表示根据这个实施例的电路特性。

由于实线10和表示图1所示的常规电路的输出特性的虚线20之间的比较是显而易见的，在这个实施例中的镜像系数几乎不受电流增益hFE影响，因为晶体管Q3，Q4和Q9的基极不短路地共同连接到晶体管Q4的集电极和基极之间。而且，通过提供晶体管Q4的集电极-基极电压的反馈和晶体管Q3的集电极-基极电压的反馈，以便均衡差分电路5的反向输入电压和它的非反向输入电压，晶体管Q3和Q4的镜像系数几乎不受前电压的影响。因而，得到了由图3和图4的实线10表示的好的特性。

在图5所示的实施例中，恒流输出端仅连接到与晶体管Q3和Q4共享基极的一个晶体管Q9。但是，多个晶体管可以连接到恒流的输出端。

如图6所示，在本发明的第二实施例中，N型金属氧化物(MOS)场效应晶体管(FET)Q11，Q12，Q15和Q16代替了图5所示的第一实施例中的恒流电路的晶体管Q1，Q2，Q5和Q6，并且P型MOSFETQ13，Q14，Q17、Q18和Q19代替了晶体管Q3，Q4，Q7、Q8和Q9。第二实施例的操作与第一实施例的操作相同。

另外，图5与图6中的电阻R5可以用一个恒流源来代替。

虽然使用特定术语描述了本发明的优选实施例，但是这些描述仅作为说明目的，并且可以理解在不脱离下面权利要求书的精神或范围下可以作出改变和变化。

Claims (4)

1.一种恒流电路，利用晶体管的集电极中的等值电流，输出基于具有不同发射极大小的晶体管的基极和发射极之间产生的电压差的恒定电流；该恒流电路包括：

工作在公共电源下的一个差分电路；

其集电极和基极共同连接到该差分电路的反向输入端并且其发射极接地的第一导电性类型的第一双极型晶体管；

其集电极和基极连接到该差分电路的非反向输入端并且其发射极通过一个电阻接地的第一导电性类型的第二双极型晶体管；

具有其发射极连接到公共电源，其集电极连接到第一双极型晶体管的集电极，和其基极连接到该差分电路的反向输出端的具有与上述第一导电性类型相反的第二导电性类型的第三双极型晶体管；

其发射极连接到公共电源，其集电极连接到第二双极型晶体管的集电极，和其基极连接到该差分电路的反向输出端的第二导电性类型的第四双极型晶体管；

至少一个其发射极连接到公共电源，并且其基极连接到第三和第四双极型晶体管的基极的第二导电性类型的第五双极型晶体管；其特征在于

恒定电流从第五双极型晶体管的集电极输出。

2.如权利要求1所述的恒流电路，其特征在于，该恒流电路形成在一个半导体集成电路中。

3.一种恒流电路，利用晶体管的漏极中的等值电流，输出基于具有不同源极大小的晶体管的源极和漏极之间产生的电压差的恒定电流；该恒流电路包括：

工作在公共电源下的一个差分电路；

其漏极和栅极共同连接到该差分电路的反向输入端并且其源极接地的第一导电性类型的第一MOSFET；

其漏极和栅极连接到该差分电路的非反向输入端并且其源极通过一个电阻接地的第一导电性类型的第二MOSFET；

具有其源极连接到公共电源，其漏极连接到第一MOSFET的漏极，和其栅极连接到该差分电路的反向输出端的具有与第一导电性类型相反的第二导电性类型的第三MOSFET；

其源极连接到公共电源，其漏极连接到第二MOSFET的漏极，和其栅极连接到该差分电路的反向输出端的第二导电性类型的第四MOSFET；

至少一个其源极连接到公共电源，并且其栅极共同连接到第三和第四MOSFET栅极的第二导电性类型的第五MOSFET；其特征在于

恒定电流从第五MOSFET的漏极输出。

4.如权利要求3所述的恒流电路，其特征在于，该恒流电路形成在一个半导体集成电路中。

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