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Die
vorliegende betrifft eine Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor
und einem Messtransistor.
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Der
Messtransistor dient in einer solchen Schaltungsanordnung zum Messen
eines den Lasttransistor durchfließenden Laststromes. Der
Messtransistor wird hierbei im selben Arbeitspunkt betrieben wie
der Lasttransistor; ein den Messtransistor durchfließender
Messstrom ist dann unmittelbar proportional zu einem den Lasttransistor
durchfließenden Laststrom. Ein Proportionalitätsfaktor
zwischen dem Messstrom und dem Laststrom ist dabei bestimmt durch
ein Verhältnis zwischen der aktiven Transistorfläche
des Messtransistors und der aktiven Transistorfläche des
Lasttransistors.
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Zur
Einstellung des Arbeitspunktes des Messtransistors ist bei einer
derartigen Schaltungsanordnung eine Regelschaltung vorhanden, die
einen Messverstärker und einen in Reihe zu dem Messtransistor
geschalteten einstellbaren Widerstand aufweist. Der Messverstärker
dient dazu, eine Differenz zwischen elektrischen Potenzialen an
Laststreckenanschlüssen des Last- und des Messtransistors
zu erfassen und den Widerstandswert des Widerstands idealerweise
so nachzuregeln, dass diese Potenzialdifferenz Null ist. Besitzt
der Messverstärker einen Spannungsoffset, so kann dieser
Offset die Einstellung des Arbeitspunktes des Messverstärkers,
und damit die Strommessung negativ beeinflussen. Dieser Offset kann
sich besonders bei kleinen Lastströmen, und damit bei kleinen
Messströmen, negativ auswirken.
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Es
besteht die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor
und einem Messtransistor zur Verfügung zu stellen, die
eine zuverlässige Strommessung auch bei kleinen Lastströmen gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung nach Anspruch
1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Ein
Beispiel einer solchen Schaltungsanordnung umfasst: einen Laststrompfad
mit einem Lasttransistor, der einen ersten und einem zweiten Laststreckenanschluss
und einen Steueranschluss aufweist; einen ersten Messstrompfad mit
einem Messtransistor, der einen ersten und einen zweiten Laststreckenanschluss
und einen Steueranschluss aufweist, dessen Steueranschluss an den
Steueranschluss des Lasttransistors und dessen erster Laststreckenanschluss
an den ersten Laststreckenanschluss des Lasttransistors gekoppelt
ist; eine erste Regelschaltung, die einen steuerbaren Widerstand aufweist
und die dazu ausgebildet ist, diesen Widerstand abhängig
von elektrischen Potenzialen an den zweiten Laststreckenanschlüssen
des Lasttransistors und des Messtransistors anzusteuern; einen zweiten
Messstrompfad und eine zwischen den ersten und den zweiten Messstrompfad
gekoppelte Stromspiegelschaltung; eine Deaktivierungsschaltung,
die dazu ausgebildet ist, die erste Regelschaltung abhängig
von einem den Messtransistor durchfließenden Strom zu deaktivieren.
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Verschiedene
Beispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren erläutert.
Die Figuren dienen zur Erläuterung des Grundprinzips, so
dass lediglich die zum Verständnis dieses Grundprinzips notwendigen
Teile bzw. Bauelementzonen dargestellt. In den Figuren bezeichnen,
sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile
mit gleicher Bedeutung.
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1 zeigt
ein erstes Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor,
einem Messtransistor, einer Regelschaltung, einer Stromspiegelschaltung
und einer Deaktivierungsschaltung für die Regelschaltung.
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2 zeigt
ein zweites Beispiel einer Schaltungsanordnung mit einem Lasttransistor,
einem Messtransistor, einer Regelschaltung, einer Deaktivierungsschaltung
für die Regelschaltung und einer Stromspiegelschaltung.
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3 veranschaulicht
ein erstes Realisierungsbeispiel der Stromspiegelschaltung.
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4 veranschaulicht
ein erstes Beispiel der Deaktivierungsschaltung.
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5 veranschaulicht
ein zweites Beispiel der Deaktivierungsschaltung.
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6 veranschaulicht
im Detail Schaltungsblöcke der in 1 dargestellten
Schaltungsanordnung.
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7 veranschaulicht
im Detail Schaltungsblöcke der in 2 dargestellten
Schaltungsanordnung.
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8 veranschaulicht
ein weiteres Beispiel der Deaktivierungsschaltung.
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9 veranschaulicht
ein Beispiel einer Überbrückungsschaltung und
einer Strommessanordnung.
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Die 1 und 2 zeigen
jeweils Beispiele einer Schaltungsanordnung, die einen Lasttransistor 21 und
einen Messtransistor 22 aufweist. Die in den 1 und 2 dargestellten
Schaltungsanordnungen weisen jeweils gleiche Schaltungsblöcke
bzw. Schaltungskomponenten auf, die in diesen Figuren mit gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind. Die in den 1 und 2 dargestellten
Schaltungsanordnungen unter scheiden sich lediglich dadurch, dass der
Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 bei der
Schaltungsanordnung gemäß 1 Transistoren eines
ersten Leitungstyps und bei der Schaltungsanordnung gemäß 2 Transistoren
eines zweiten Leitungstyps sind. Speziell sind der Lasttransistor 21 und
der Messtransistor 22 bei der in 1 dargestellten
Schaltungsanordnung n-leitende MOSFET und bei der Schaltungsanordnung
gemäß 2 p-leitende MOSFET. Die MOSFET 21, 22 sind
in dem Beispiel selbstsperrende MOSFET. Es sei darauf hingewiesen,
dass die Verwendung von selbstsperrenden MOSFET als Lasttransistor 21 und
Messtransistor 22 lediglich als Beispiel zu verstehen ist,
dass auch selbstleitende MOSFET verwendet werden können und
dass anstelle von MOSFET selbstverständlich auch Bipolartransistoren
oder IGBT verwendet werden können.
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Der
Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 weisen
jeweils einen Steueranschluss und einen ersten und einen zweiten
Laststreckenanschluss auf. Bei den in den 1 und 2 dargestellten
MOSFET bilden deren Gateanschlüsse G die Steueranschlüsse,
deren Drainanschlüsse D die ersten Laststreckenanschlüsse
und deren Sourceanschlüsse S die zweiten Laststreckenanschlüsse.
Laststrecken des Lasttransistors 21 und des Messtransistors 22 verlaufen
jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Laststreckenanschluss
des jeweiligen Transistors.
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Die
dargestellte Schaltungsanordnung kann zum Schalten einer elektrischen
Last Z verwendet werden, die an den Lastanschluss 12 anschließbar ist.
Die Laststrecke des Lasttransistors 21 ist hierzu zwischen
einen Lastanschluss 12 der Schaltungsanordnung und eine
Klemme für ein erstes Versorgungspotenzial geschaltet.
Dieses erste Versorgungspotenzial ist bei der Schaltungsanordnung
gemäß 1 ein negatives Versorgungspotenzial
GND bzw. ein Bezugspotenzial, wie z. B. Masse, und bei der Schaltungsanordnung
gemäß 2 ein positives Versorgungspotenzial
V+. Die Last Z ist zwischen den Lastan schluss 12 und eine
Klemme für ein zweites Versorgungspotenzial (V+ in 1 und
GND in 2) geschaltet.
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Der
Steueranschluss G des Lasttransistors 21 ist an einen Ansteuereingang 11 der
Schaltungsanordnung angeschlossen. Dieser Ansteuereingang 11 dient
zur Zuführung eines den Lasttransistor 21 ansteuernden
Schaltsignals. Zur Erzeugung dieses Schaltsignals kann an den Ansteuereingang 11 eine herkömmliche
Ansteuer- bzw. Treiberschaltung angeschlossen sein (nicht dargestellt).
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Zwischen
dem zweiten Laststreckenanschluss S des Lasttransistors 21 und
der Klemme für das erste Versorgungspotenzial (GND in 1 und V+
in 2) ist ein Laststromwiderstand vorhanden, der
in den 1 und 2 durch einen Ohmschen Widerstand 3 repräsentiert
ist. Dieser Laststromwiderstand 3 resultiert aus unweigerlich
vorhandenen Bahn- und Zuleitungswiderständen zwischen der Klemme
für das erste Versorgungspotenzial und dem zweiten Laststreckenanschluss
S des Lasttransistors 21. Der Lasttransistor 21 kann
in herkömmlicher Weise in einem Halbleiterchip (die) integriert
sein, der in einem Chipgehäuse (nicht dargestellt) angeordnet ist.
Der Lasttransistor 21 ist in diesem Fall in bekannter Weise über
Anschlussbeine des Chipgehäuses und über Bonddrähte,
die zwischen den Anschlussbeinen und dem Halbleiterchip angeordnet
sind, kontaktierbar. Der in den 1 und 2 dargestellte Laststrompfadwiderstand 3 umfasst
insbesondere Ohmsche Widerstände von Metallisierungen,
Bonddrähten und Anschlussbeinen.
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Entsprechende
Laststrompfadwiderstände sind auch zwischen dem ersten
Laststreckenanschluss D des Lasttransistors 21 und dem
Lastanschluss 12 der Schaltungsanordnung vorhanden. Diese
weiteren Laststrompfadwiderstände spielen allerdings für
die weitere Betrachtung keine Rolle, so dass diese in den Figuren
nicht dargestellt sind.
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Ein
Schaltungszweig von dem Lastanschluss 12 über
die Laststrecke des Lasttransistors 21 und den Laststromwiderstand 3 zu
der Klemme für das erste Versorgungspotenzial (GND bzw.
V+) wird nachfolgend als Laststrompfad der Schaltungsanordnung bezeichnet.
Während des Betriebs der Schaltungsanordnung wird dieser
Laststrompfad bei leitend angesteuertem Lasttransistor 21 von
einem Laststrom IL durchflossen. Aus unterschiedlichen Gründen
kann es erforderlich sein, diesen Laststrom IL zu messen. Eine solche
Strommessung kann beispielsweise zur Regelung eines Stromes durch
die Last Z oder zur Begrenzung eines die Last Z durchfließenden
Stromes verwendet werden. Zur Strommessung könnte grundsätzlich
ein Shunt-Widerstand verwendet werden, der in den Laststrompfad
geschaltet ist. Die Verwendung eines solchen Shunt-Widerstands zur
Strommessung ist im Hinblick auf die dadurch entstehende Verlustleistung
allerdings nachteilig.
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Bei
der in den 1 und 2 dargestellten Schaltungsanordnung
dient der Messtransistor 22 zur Messung des den Laststrompfad
durchfließenden Laststromes IL. Der Steueranschluss G dieses Messtransistors 22 ist
hierzu an den Steueranschluss G des Lasttransistors 21 gekoppelt,
und der erste Laststreckenanschluss D dieses Messtransistors 22 ist
an den ersten Laststreckenanschluss D des Lasttransistors 21 und
damit an den Lastanschluss 12 der Schaltungsanordnung gekoppelt.
Ein Strompfad von dem Lastanschluss 12 über die
Laststrecke des Messtransistors 22 wird nachfolgend als erster
Messstrompfad bezeichnet. Ein diesen ersten Messstrompfad während
des Betriebs der Schaltungsanordnung durchfließender Strom
Is1 wird nachfolgend als erster Messstrom bezeichnet.
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Werden
der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 im
selben Arbeitspunkt betrieben, so ist der den Messtransistor 22 durchfließende
unmittelbar proportional zu dem den Lasttransistor 21 durchfließenden
Laststrom IL. Ein Proportionalitätsfaktor zwischen dem
Laststrom IL und dem ersten Messstrom Is1 entspricht in diesem Fall
dem Verhältnis zwischen der aktiven Transistorfläche
des Lasttransistors 21 und der aktiven Transistorfläche
des Messtransistors 22. Der Lasttransistor 21 und
der Messtransistor 22 können in nicht näher
dargestellter Weise in einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert sein
und jeweils eine Anzahl parallel geschalteter Transistorzellen (nicht
dargestellt) aufweisen. Das Verhältnis zwischen der Anzahl
der Transistorzellen, die der Lasttransistor 21 aufweist
und der Anzahl der Transistorzellen, die der Messtransistor 22 aufweist, entspricht
dann dem Verhältnis zwischen den aktiven Transistorflächen
bzw. dem Verhältnis zwischen dem Laststrom IL und dem ersten
Messstrom Is1.
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Die
Schaltungsanordnung weist eine erste Regelschaltung 4 auf,
die dazu ausgebildet ist, den Arbeitspunkt des Messtransistors 22 abhängig
vom Arbeitspunkt des Lasttransistors 21 zu regeln. Diese erste
Regelschaltung 4 weist einen steuerbaren Widerstand 42 und
einen den steuerbaren Widerstand 42 ansteuernden Messverstärker 41 auf.
Aufgabe des Messverstärkers 41 ist es, den steuerbaren
Widerstand 42, der in dem dargestellten Beispiel in Reihe
zu der Laststrecke des Messtransistors 22 geschaltet ist,
derart anzusteuern, dass eine Spannungsdifferenz zwischen den elektrischen
Potenzialen an den zweiten Laststreckenanschlüssen S des Lasttransistors 21 und
des Messtransistors 22 Null ist. Beträgt diese
Spannungsdifferenz Null, so befinden sich der Lasttransistor 21 und
der Messtransistor 22 im selben Arbeitspunkt. Der erste
Eingang des Messverstärkers 41 ist zu diesem Zweck
an den zweiten Laststreckenanschluss S des Lasttransistors 21 angeschlossen
und der zweite Eingang des Messverstärkers 41 ist
an den Laststreckenanschluss S des Messtransistors 22 angeschlossen.
Der erste Eingang des Messverstärkers 41 ist der
invertierende Eingang des Messverstärkers. Entsprechend
ist der zweite Eingang der nicht-invertierende Eingang. Diese Art
der Verschaltung des Messverstärkers 41 berücksichtigt
die Art des verwendeten veränderlichen Widerstands 42.
Der veränderliche Widerstand 42 ist in den dargestellten
Beispielen jeweils ein Transistor, und zwar bei dem Beispiel gemäß 1 ein
n-leitender Transistor, insbesondere ein n-MOSFET, und bei dem Beispiel
gemäß 2 ein p-leitender Transistor, insbesondere
ein p-MOSFET. Der Ausgang des Messverstärkers 41 ist
an den Steuereingang dieses Transistors 42 angeschlossen,
der nachfolgend auch als Regeltransistor bezeichnet wird.
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Der
Regeltransistor 42 wird durch den Messverstärker 41 jeweils
so weit aufgesteuert oder so weit abgeregelt, dass das elektrische
Potenzial am zweiten Laststreckenanschluss S des Messtransistors 22 dem
elektrischen Potenzial am zweiten Laststreckenanschluss S des Lasttransistors 21 entspricht.
Der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 befinden
sich dann im selben Arbeitspunkt.
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Grundsätzlich
könnte der erste Messstrom Is1 mittels eines in den ersten
Messstrompfad geschalteten Shunt-Widerstands unmittelbar erfasst werden.
Der Widerstandswert des Shunt-Widerstands müsste in diesem
Fall jedoch so gewählt werden, dass der Spannungsabfall über
dem Shunt-Widerstand sicher kleiner ist als der durch den Laststrom
IL bedingte Spannungsabfall über dem Laststrompfadwiderstand 3.
Da man grundsätzlich bemüht ist, den Laststrompfadwiderstand 3 zur
Reduktion der in der Schaltungsanordnung entstehenden Verlustleistung
möglichst klein zu machen, ist der Spannungsabfall in diesem
Laststromwiderstand 3 entsprechend klein, was dann auch
für das an dem Shunt-Widerstand abgreifbare Messsignal
gelten würde. Um die Amplitude eines den ersten Messstrom
Is1 repräsentierenden Strommesssignals, bzw. den Signalhub
eines solchen Strommesssignals bei einer gegebenen Änderung
des Laststroms IL, unabhängig vom maximalen Spannungsabfall über
dem Laststromwiderstand 3 einstellen zu können,
ist eine Stromspiegelschaltung 6 vorgesehen, die zwischen den
ersten Messstrompfad und einen zweiten Messstrompfad gekoppelt ist
und die dazu ausgebildet ist, den in dem ersten Messstrompfad Is1
fließenden Messstrom auf einen in einem zweiten Messstrompfad
fließenden zweiten Messstrom Is2 abzubilden. Der zweite
Messstrompfad verläuft von einem Messanschluss 13 der
Schaltungsanordnung über die Stromspiegelschaltung 6 zu
der Klemme für das erste Versorgungspotenzial (GND bei
der Schaltungsanordnung gemäß 1 und
V+ bei der Schaltungsanordnung gemäß 2).
Die Stromspiegelschaltung 6 kann eine herkömmliche
Stromspiegelschaltung sein, die geeignet ist, den im ersten Messstrompfad fließenden
Laststrom Is1 auf den im zweiten Messstrompfad fließenden
zweiten Messstrom Is2 abzubilden. Das Abbildungsverhältnis
der Stromspiegelschaltung 6 kann 1:1 sein. In diesem Fall
entspricht der zweite Messstrom Is2 dem ersten Messstrom Is1. Das
Abbildungsverhältnis bzw. Stromspiegelverhältnis
kann sich jedoch auch von 1:1 unterscheiden. In diesem Fall ist
der zweite Messstrom Is2 über das Abbildungsverhältnis
bzw. Stromspiegelverhältnis des Stromspiegels 6 proportional
zu dem ersten Messstrom Is1.
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Zwischen
den Messanschluss 13 und die Klemme für das zweite
Versorgungspotenzial (V+ bei der Schaltung gemäß 1 und
GND bei der Schaltung gemäß 2)
kann ein Strommesswiderstand Rs geschaltet werden. Ein Spannungsabfall über
diesem Strommesswiderstand Rs ist – über den Widerstandswert
des Messwiderstandes als Proportionalitätsfaktor – unmittelbar
proportional zu dem zweiten Messstrom Is2 und – über
das Abbildungsverhältnis der Stromspiegelschaltung 6 – unmittelbar
proportional zu dem ersten Messstrom Is1.
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Bei
der Schaltung gemäß 2 ist die
Messspannung bzw. das Strommesssignal eine Spannung gegen Bezugspotenzial
GND, und bei der Schaltung gemäß 1 eine
Spannung gegen das positive Versorgungspotenzial V+. Anstatt den
Messwiderstand RS bei der Schaltung gemäß 1 unmittelbar
zwischen den Messanschluss 13 und das positive Versorgungspotenzial
V+ zu schalten, besteht auch die Möglichkeit, an den Messanschluss 13 eine
weitere Stromspiegelschaltung anzuschließen, die den zweiten
Messstrom Is2 auf einen Strommesswiderstand abbildet bzw. spiegelt,
der an Bezugspotenzial GND angeschlossen ist. Diese Variante ist
in 1 gepunktet dargestellt. Das Be zugszeichen 8 bezeichnet in 1 die
weitere Stromspiegelschaltung.
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Die
Schaltungsanordnung weist außerdem eine Deaktivierungsschaltung 7 auf,
die dazu ausgebildet ist, die erste Regelschaltung 4 abhängig
von dem den Messtransistor 22 durchfließenden
ersten Messstrom Is1 dann zu deaktivieren, wenn dieser Messstrom
Is1 einen vorgegebenen Stromschwellenwert unterschreitet. Die Deaktivierungsschaltung 7 wertet
hierzu beispielsweise den zweiten Messstrom Is2 aus, der in erläuterter
Weise unmittelbar zu dem ersten Messstrom Is1 in Beziehung steht.
Die Deaktivierungsschaltung 7 erzeugt ein Deaktivierungssignal
S7, das abhängig davon, ob der erste Messstrom Is1 unterhalb
des Stromschwellenwertes liegt einen ersten oder einen zweiten Signalpegel
annimmt. Eine Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 erfolgt
durch dieses Deaktivierungssignal S7.
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Die
Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 durch das Deaktivierungssignal
S7 kann auf beliebige Weise erfolgen. So besteht beispielsweise
die Möglichkeit, abhängig von diesem Deaktivierungssignal 57 die
Leitungsverbindung zwischen dem Messverstärker 41 und
dem durch den Messverstärker 41 angesteuerten
veränderbaren Widerstand zu unterbrechen, was schematisch
in den 1 und 2 dargestellt ist. Alternativ
könnte ein Schalter in Reihe zu dem veränderlichen
Widerstand 42 geschaltet werden, der durch das Deaktivierungssignal
S7 unterbrochen wird, wenn der erste Messstrom Is1 den vorgegebenen
Schwellenwert unterschreitet.
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Um
zu verhindern, dass bei deaktivierter Regelschaltung 4 der
Strompfad in den ersten Messstrompfad unterbrochen ist, ist parallel
zu dem veränderlichen Widerstand 42 eine Überbrückungsschaltung 5 vorgesehen,
die dazu ausgebildet ist, bei deaktivierter Regelschaltung 4 den
den ersten Messstrompfad durchfließenden Messstrom Is1
zu übernehmen.
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Mögliche
Beispiele der Überbrückungsschaltung 5,
der Stromspiegelschaltung 6 sowie der Deaktivierungsschaltung 7 werden
nachfolgend erläutert. Die nachfolgend erläuterten
Schaltungsbeispiele basieren – mit Ausnahme des Beispiels
in 7 – auf der Schaltungsanordnung gemäß 2,
bei der Lasttransistor 21 und der Messtransistor als n-Kanal-MOSFET
realisiert sind. Die nachfolgend erläuterten Beispiele
gelten in entsprechender Weise auch für die Grundschaltung
gemäß 1, bei der der Lasttransistor 21 und
der Messtransistor 22 p-Kanal-MOSFET sind. In diesem Fall
sind die Versorgungspotenzialanschlüsse zu vertauschen
und die in den nachfolgenden Beispielen erläuterten n-MOSFET
sind jeweils durch p-MOSFET zu ersetzen.
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Bei
dem in 3 dargestellten Beispiel weist die Überbrückungsschaltung 5 einen
Ohmschen Widerstand 51 auf, der dauerhaft parallel zu dem
einstellbaren Widerstand 42 der ersten Regelschaltung 4 geschaltet
ist. Für einen Widerstandswert R51 dieses Widerstands gilt
beispielsweise: R51 > k·R3 (1)
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R3
bezeichnet dabei den Widerstandswert des Laststrompfadwiderstandes 3 und
k bezeichnet das Verhältnis zwischen der aktiven Transistorfläche des
Lasttransistor 21 und der aktiven Transistorfläche
des Messtransistors 22. Durch diese Dimensionierung des Überbrückungswiderstands 51 ist
sichergestellt, dass der Arbeitspunkt des Messtransistors 22 während
des normalen Betriebs der Schaltungsanordnung auf den Arbeitspunkt
des Lasttransistors 21 eingeregelt werden kann.
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Entsprechend
des Laststrompfadwiderstandes 3 kann in Reihe zu der Laststrecke
des Regeltransistors 42 ebenfalls ein ohmscher Widerstand vorhanden
sei (nicht dargestellt), der beispielsweise durch Metallisierungen,
Bonddrähte oder Anschlussbeine gebildet ist. Die zuvor
erwähnte Regelung des Arbeitspunktes des Messtransistors 22 funktioniert, sofern ein
Widerstandswert dieses Widerstandes kleiner ist als das k-fache
des Laststrompfadwiderstandes 3, also kleiner ist als k·R3.
Diese Bedingung kann einfach erfüllt werden, so dass keine
weiteren Ausführungen hierzu erforderlich sind.
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Die
Stromspiegelschaltung 6 weist bei dieser Schaltungsanordnung
einen Stromspiegeltransistor 61 auf, der entsprechend des
Regeltransistors 42 durch den Regelverstärker 41 angesteuert
ist. Der Regeltransistors 42 und der Stromspiegeltransistor 61 können
gleich dimensioniert sein. In diesem Fall wird der Stromspiegeltransistor 61 bei
aktivierter erster Regelschaltung 4 vom gleichen Strom
durchflossen, wie der Regeltransistor 42. Parallel zu dem Stromspiegeltransistor 61 ist
ein Ohmscher Widerstand 62 geschaltet, so dass in der Stromspiegelschaltung 6 die
gleiche Schaltungsstruktur vorhanden ist, wie sie im ersten Messstrompfad
durch die parallele Schaltung des Regeltransistors 42 und
des Überbrückungswiderstandes 51 vorhanden
ist.
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Der
parallel zu dem Stromspiegeltransistor 61 geschaltete Widerstand 62 wird
nachfolgend als Stromspiegelwiderstand bezeichnet. Ein Widerstandswert
dieses Stromspiegelwiderstands 62 kann so gewählt
sein, dass er wenigstens annäherungsweise dem Widerstandswert
des Überbrückungswiderstandes 51 entspricht,
und zwar dann wenn der Regeltransistor 42 und der Stromspiegeltransistor 61 gleich
dimensioniert sind. Sind der Regeltransistor 42 und der
Stromspiegeltransistor 61 gleich dimensioniert, so entspricht
ein den Regeltransistor 42 durchfließender Strom
einem den Stromspiegeltransistor 61 durchfließenden
Strom, wenn die erste Regelschaltung 4 aktiviert ist. Zur
Regelung eines Stromes durch den Stromspiegelwiderstand 62 ist
eine zweite Regelschaltung 63, 64 vorgesehen.
Diese zweite Regelschaltung weist einen Messverstärker 63 und
einen durch den Messverstärker 63 angesteuerten
veränderlichen Widerstand 64 auf, der in dem Beispiel als
Transistor realisiert ist. Der Messverstärker 63 vergleicht
die elektrischen Potenziale an den dem ersten Versorgungspotenzial GND
abgewandten Anschlüssen des Überbrückungswiderstandes 51 und des
Stromspiegelwiderstandes 62 und regelt über den
Regeltransistor 64 den Spannungsabfall über dem
Stromspiegelwiderstand 62 so ein, dass er dem Spannungsabfall über
dem Überbrückungswiderstand 51 entspricht.
Sind der Überbrückungswiderstand 51 und
der Stromspiegelwiderstand 62 annähernd gleich
dimensioniert, so entspricht der den Stromspiegelwiderstand 62 durchfließende
Strom wenigstens annähernd dem den Überbrückungswiderstand 51 durchfließenden
Strom. Der im zweiten Messstrompfad fließende zweite Messstrom
Is1 entspricht dann wenigstens annäherungsweise dem ersten
Messstrom Is1. Die Parallelschaltung mit Stromspiegeltransistor 61 und
dem Stromspiegelwiderstand 62 ist bei dieser Anordnung
in Reihe zu dem Regeltransistor 64 in dem zweiten Messstrompfad verschaltet.
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Der
Regeltransistor und der Stromspiegeltransistor müssen nicht
notwendigerweise gleich dimensioniert sein sondern können
unterschiedlich dimensioniert sein, wobei die Dimensionierung des Überbrückungswiderstandes 51 und
des Stromspiegelwiderstandes 62 an die Dimensionierung
des Regeltransistors 42 und des Stromspiegeltransistors 61 anzupassen
sind. Sind der Regeltransistor 42 und der Stromspiegeltransistor 61 beispielsweise
so dimensioniert, dass bei einer gegebenen Ansteuerspannung für
das Verhältnis zwischen einem Strom durch den Regeltransistor 41 und
einem Strom durch den Stromspiegeltransistor 61 1:n beträgt,
so ist der Widerstandswert des Stromspiegelwiderstandes 62 so
an den Widerstandswert des Überbrückungswiderstandes 51 anzupassen,
dass bei einem gleichen Spannungsabfall über diesen Widerständen
ein Verhältnis zwischen einem Strom durch den Überbrückungswiderstand 51 und
einem Strom durch den Stromspiegelwiderstand 61 ebenfalls
1:n beträgt. Das Verhältnis zwischen dem zweiten
und dem ersten Messstrom Is1, Is2 beträgt dann ebenfalls
1:n. Ein solches Stromverhältnis lässt sich erreichen, wenn
die aktive Transistorfläche des Stromspiegeltransistors 61 das
n-fache der aktiven Transistorfläche des Regeltransistors 41 beträgt
und wenn der Widerstandswert des Stromspiegelwiderstands 62 das
1/n-fache des Widerstandswerts des Regeltransistors 41 beträgt.
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Der
Messverstärker 63 der zweiten Regelschaltung 63, 64 kann
offsetbehaftet sein. In diesem Fall regelt der Messverstärker
die Spannungen V51, V62 über dem Überbrückungswiderstand 51 und dem
Stromspiegelwiderstand nicht auf denselben Spannungswert sondern
so, dass eine Spannungsdifferenz zwischen diesen Spannungen besteht.
Diese Spannungsdifferenz entspricht einer Offsetspannung des Messverstärkers 63.
Diese Spannungsdifferenz führt dazu, dass die der Überbrückungswiderstand 51 und
der Stromspiegelwiderstand von Strömen durchflossen werden,
die nicht exakt im Verhältnis der Widerstandswerte dieser
Widerstände 51, 62 zueinander in Beziehung
stehen. Im Ergebnis stehen der erste und der zweite Messstrom Is1,
Is2 ebenfalls nicht in dem gewünschten durch die Dimensionierungen
der Transistoren 42, 61 und Widerstände 51, 62 gegebenen
Verhältnis zueinander. Ein negativer Einfluss des Offset,
der einige mV betragen kann, auf die Strommessung ist um so größer,
je kleiner der Spannungsabfall über dem Stromspiegelwiderstand 62 ist, je
kleiner also die Messströme Is1, Is2 sind.
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Sinkt
bei der in 3 dargestellten Schaltungsanordnung
der zweite Messstrom Is2 unter einen vorgegebenen Schwellenwert
ab, so deaktiviert die Deaktivierungsschaltung 7 die erste
Regelschaltung 4 mit dem Regeltransistor 42 und
damit auch den Stromspiegeltransistor 61. Der erste Messstrom Is1
wird dann durch den Überbrückungswiderstand 51 übernommen,
und der Stromspiegelwiderstand 62 übernimmt den
zweiten Messstrom Is2. Die Spannung V62 über dem Stromspiegelwiderstand 62 steigt
dadurch an, wodurch sich die Auswirkungen eines Spannungsoffset
des Messverstärkers 63 auf den Strom durch den
Stromspiegelwiderstand 62 verringern. Da der Messtransistor 22 bei
deaktivierter erster Regelschaltung 4 nicht mehr im selben
Arbeitspunkt wie der Lasttransistor 21 betrieben wird, gilt
die zuvor erläuterte Proportionalität zwischen erstem
Messstrom Is1 und Laststrom 11 bei deaktivierter erster
Regelschaltung 4 nicht mehr. Der durch die fehlende Regelung
der Arbeitspunkte bei kleinen Lastströmen verursachte Fehler
ist allerdings geringer, als der Fehler bzw. die Unsicherheit bezüglich des
Messergebnisses, die durch den Offset des Verstärkers 63 bei
kleinen Lastströmen verursacht wird.
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Ein
Abschalten der Regelschaltung 42, und damit auch des Stromspiegeltransistors 61,
bewirkt, dass sich der in Reihe zu dem Messtransistor 22 und der
in Reihe zu dem zweiten Regeltransistor 64 geschaltete
Widerstand vergrößert, und zwar durch Abschalten
eines der Zweige der Parallelschaltungen mit dem Regeltransistor 42 und
dem Überbrückungswiderstand 51 einerseits
und mit dem Stromspiegeltransistor 61 und dem Stromspiegelwiderstand 62 andererseits.
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Bei
den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen wertet
die Deaktivierungsschaltung 7 den zweiten Messstrom Is2
aus, um dadurch den den Messtransistor 22 durchfließenden
ersten Messstrom Is1 zu ermitteln und dadurch abhängig
von diesem ersten Messstrom Is1 das Deaktivierungssignal S7 zu erzeugen.
Die Ermittlung des zweiten Messstromes Is2 durch die Deaktivierungsschaltung 7 kann
auf beliebige herkömmliche Weise erfolgen. Der Deaktivierungsschaltung 7 kann
hierzu das am Messeingang 13 zur Verfügung stehende
Messsignal zugeführt sein. Alternativ besteht die Möglichkeit,
in dem zweiten Messstrompfad einen Shunt-Widerstand vorzusehen,
die Spannung über diesem Shunt-Widerstand zu erfassen und
die so erhaltene Spannung der Deaktivierungsschaltung 7 zuzuführen.
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Bei
Vorsehen einer Stromspiegelschaltung 6 wie sie anhand von 3 erläutert
wurde, besteht bezugnehmend auf 4 auch die
Möglichkeit, der Deaktivierungsschaltung 7 die
Ansteuerspannung des Regeltransistors 64 der zweiten Regelschaltung 63, 64 als
Eingangssignal zuzuführen. Der den Regeltransistor 64 durchfließende
zweite Messstrom Is2 ist über die Transistorkennlinie dieses
Transistors unmittelbar abhän gig von der Ansteuerspannung
dieses Transistors. Eine Auswertung dieser Ansteuerspannung ermöglicht
damit unmittelbar eine Auswertung des zweiten Messstromes Ist. Um
auszuwerten, ob der zweite Messstrom Ist unter einen vorgegebenen
Schwellenwert absinkt, ist dabei lediglich auszuwerten, ob die Ansteuerspannung
unter einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert absinkt, der über die
Transistorkennlinie des Regeltransistors 64 in Beziehung
zu dem Stromschwellenwert steht.
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Bezugnehmend
auf 5 ist bei einem weiteren Beispiel zur Ermittlung
des den ersten Messtransistor Is1 durchfließenden Stromes
vorgesehen, der Deaktivierungsschaltung 7 die Ansteuerspannung,
d. h. in dem dargestellten Beispiel die Gate-Source-Spannung, des
zweiten Messtransistors 22 als Eingangssignal zuzuführen.
Der den Messtransistor 22 durchfließende erste
Messstrom Is1 steht hierbei über die Transistorkennlinie
des Messtransistors 22 unmittelbar in Beziehung zu dieser
Ansteuerspannung. Die Deaktivierungsschaltung 7 ist bei
diesem Beispiel dazu ausgebildet, den ersten Regelverstärker 4 über
das Deaktivierungssignal S7 zu deaktivieren, wenn die Ansteuerspannung
des Messtransistors 22 unter einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert
absinkt, der über die Transistorkennlinie des Messtransistors 22 zu
dem Stromschwellenwert des ersten Messstroms Is1 in Beziehung steht.
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Ein
weiteres Beispiel einer Deaktivierungsschaltung 7 ist in 6 dargestellt.
Diese Deaktivierungsschaltung ist ähnlich der anhand von 4 erläuterten
Stromspiegelschaltung 6 aufgebaut und weist einen ersten
Transistor 72, der durch den Regelverstärker 41 der
ersten Regelschaltung 4 angesteuert ist, sowie einen parallel
zu diesem ersten Transistor 72 geschalteten ersten Widerstand 73 auf. Der
erste Transistor 72 ist beispielsweise entsprechend des
Stromspiegeltransistors 61 dimensioniert, und der erste
Widerstand 73 ist beispielsweise entsprechend des Stromspiegelwiderstandes 62 dimensioniert.
Die Transistoren 72, 61 und die Widerstände 73, 62 können
jedoch auch unterschiedlich dimensioniert sein, wo bei die Dimensionierung
so erfolgen sollte, dass allgemein die aktiven Transistorflächen der
Transistoren 61, 72 im Verhältnis 1:m
und die Widerstandswerte der Widerstände 62, 73 im
Verhältnis m:1 zueinander stehen, so dass die Ströme
durch die Transistoren 61, 72 im gleichen Verhältnis
zueinander stehen wie die Ströme durch die Widerstände 62, 73.
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In
Reihe zu der Parallelschaltung mit dem ersten Transistor 72 und
dem ersten Widerstand 73 ist eine Stromquelle 76 geschaltet,
die einen Referenzstrom Iref liefert. In Reihe zu der Stromquelle 76 und
der Parallelschaltung mit dem ersten Transistor 72 und
dem ersten Widerstand 73 ist eine Last 74 geschaltet,
die in dem Beispiel als zweiter Transistor 74 – gleichartig
zu dem zweiten Regeltransistor 64 – realisiert
ist, der als Diode verschaltet ist, indem dessen Drainanschluss
an dessen Gateanschluss angeschlossen ist. Die Deaktivierungsschaltung 7 weist außerdem
einen Komparator 75 auf, der die elektrischen Potenziale
an dem Steueranschluss des Regeltransistors 64 der zweiten
Regelschaltung 63, 64 sowie dem Gateanschluss
des zweiten Transistors 74 vergleicht und der abhängig
von diesem Vergleich das Deaktivierungssignal S7 erzeugt. Zur Deaktivierung
der ersten Regelschaltung 4 ist in dem dargestellten Beispiel
ein dritter Transistor 71 vorgesehen, der zwischen den
Ausgang des Messverstärkers 41 und das erste Versorgungspotenzial
GND geschaltet ist. Dieser dritte Transistor 71 ist durch
das Deaktivierungssignal S7 leitend oder sperrend angesteuert. In leitendem
Zustand setzt dieser dritte Transistor 71 die Ansteuerspannung
des Regeltransistors 42 zu Null und deaktiviert dadurch
die erste Regelschaltung 4. In entsprechender Weise deaktiviert
der dritte Transistor 71 in leitend angesteuertem Zustand
auch den Stromspiegeltransistor 61 sowie den ersten Transistor 72 der
Deaktivierungsschaltung 7.
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Das
Deaktivierungssignal S7 wird bei der in 6 dargestellten
Deaktivierungsschaltung derart erzeugt, dass ein Deaktivierungspegel
dieses Deaktivierungssignals S7 einem High- Pegel entspricht. Ein
solcher Deaktivierungspegel des Deaktivierungssignals S7 wird in
dem dargestellten Beispiel durch den Komparator 75 dann
erzeugt, wenn das elektrische Potenzial an dem Steueranschluss des
dritten Transistors 74 über den Wert des elektrischen
Potenzials am Steueranschluss des Regeltransistors 64 ansteigt.
Dies ist jeweils dann der Fall, wenn der zweite Messstrom Is2 unter
den Wert des Referenzstroms Iref absinkt bzw. wenn der zweite Messstrom Is2
unter einen Wert absinkt, der dem 1/m-fachen des Referenzstroms
Iref entspricht, wenn für die Transistoren 61, 72 und
die Widerstände 62, 73 die zuvor allgemein
erläuterte Dimensionierung gilt.
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Anstatt
die elektrischen Potenziale an den Ansteueranschlüssen
des Regeltransistors 64 und des dritten Transistors 74 zu
vergleichen, besteht alternativ auch die Möglichkeit, die
elektrischen Potenziale an Schaltungsknoten in dem zweiten Messstrompfad
der Deaktivierungsschaltung zu vergleichen, die zwischen den Regeltransistor 64 und
der Parallelschaltung des Stromspiegeltransistors 61 und
des Stromspiegelwiderstands 62 einerseits und dem zweiten
Transistor 74 sowie der Parallelschaltung mit dem ersten
Transistor 72 und dem ersten Widerstand 73 der
Deaktivierungsschaltung 7 liegen.
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7 zeigt
eine Stromspiegelschaltung 6 sowie eine Deaktivierungsschaltung 7,
wie sie anhand von 6 erläutert wurde,
für die Grundschaltung gemäß 2,
bei der der Lasttransistor 21 und der Messtransistor 22 jeweils
p-Kanal-MOSFETs sind. Die zuvor für das Beispiel gemäß 6 gemachten
Ausführungen gelten entsprechend für das Beispiel
gemäß 7.
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8 zeigt
ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, bei der zur Deaktivierung
der ersten Regelschaltung 4 ein Umschalter 71 vorgesehen
ist, der abhängig von dem Deaktivierungssignal S7 derart umschaltet,
dass bei aktivierter erster Regelschaltung 4 der erste
Messstrom Is1 durch den steuerbaren Wider stand 42 fließt,
und bei deaktivierter erster Regelschaltung 4 über
die Überbrückungsschaltung 5 fließt.
Die Überbrückungsschaltung 5 weist entsprechend
der Ausführungen zu 3 beispielsweise
einen Ohmschen Widerstand auf. Die Stromspiegelschaltung 6 und
die Deaktivierungsschaltung 7 können entsprechend
der bisherigen Ausführungen realisiert werden. Werden diese
Stromspiegelschaltung 6 und die Deaktivierungsschaltung 7 gemäß der Ausführungen
zu 6 realisiert, so ist in der Stromspiegelschaltung 6 und
der Deaktivierungsschaltung 7 ebenfalls ein durch das Deaktivierungssignal
S7 gesteuerter Umschalter vorzusehen, und zwar in der Stromspiegelschaltung 6 zwischen
dem Stromspiegeltransistor 61 und dem Stromspiegelwiderstand 62,
und in der Deaktivierungsschaltung 7 zwischen dem ersten
Transistor 72 und dem ersten Widerstand 73.
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9 zeigt
ein Beispiel einer Schaltungsanordnung, bei der abhängig
von dem Deaktivierungssignal S7 zwischen dem Regeltransistor 42 und
der Überbrückungsschaltung 5 umgeschaltet
wird. Die Überbrückungsschaltung 5 weist
in diesem Beispiel einen Schalter 52 auf, der in dem Beispiel
als Transistor realisiert ist und der in Reihe zu einem optional vorhandenen Überbrückungswiderstand 51 geschaltet
ist. Dieser Schalter 52 und ein Schalter zur Deaktivierung
der Regelschaltung 4 sind durch das Deaktivierungssignal 57 komplementär
zueinander angesteuert, so dass bei Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 der
Schalter 52 eingeschaltet und damit der Überbrückungsstrompfad
aktiviert wird. Zur Ansteuerung des Schalters 52 der Überbrückungsschaltung 5 dient
in dem Beispiel ein Inverter, dem das Deaktivierungssignal S7 als
Eingangssignal zugeführt ist. Der Schalter 71 zur
Deaktivierung der ersten Regelschaltung 4 kann entsprechend
der Erläuterungen zu 6 durch
einen Transistor realisiert sein.
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Die
Stromspiegelschaltung 6 umfasst bei diesem Beispiel einen
ersten Stromspiegeltransistor 67, der entsprechend des
Regeltransistors 42 über den Messverstärker 41 angesteuert
ist.
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Dieser
erste Stromspiegeltransistor 67 ist insbesondere entsprechend
des Regeltransistor 42 dimensioniert, so dass der erste
Stromspiegeltransistor 67 bei aktivierter erster Regelschaltung 4 von
dem gleichen Strom wie der Regeltransistor 42 durchflossen
wird. Die Stromspiegelschaltung 6 umfasst außerdem
einen Stromspiegel mit einem zweiten und einem dritten Stromspiegeltransistor 68, 66.
Der zweite Stromspiegeltransistor 68 ist dabei in Reihe
zu der Überbrückungsschaltung 5 geschaltet
und dient dazu, bei aktivierter Überbrückungsschaltung 5 den die Überbrückungsschaltung 5 durchfließenden Strom
auf den dritten Stromspiegeltransistor 66 abzubilden, der
parallel zu dem ersten Stromspiegeltransistor 67 geschaltet
ist. In Reihe zu dem dritten Stromspiegeltransistor 66 ist
optional ein weiterer Schalter 65 geschaltet, der entsprechend
des Schalters 52 in der Überbrückungsschaltung 5 angesteuert ist.
Auf diesen weiteren Schalter 65 kann auch verzichtet werden,
denn bei deaktiviertem Schalter 52 in der Überbrückungsschaltung 5 wird
der zweite Stromspiegeltransistor nicht von einem Strom durchflossen,
so dass auch durch den dritten Stromspiegeltransistor 66 kein
Strom fließt. Die Parallelschaltung mit dem ersten und
dritten Stromspiegeltransistor 67, 66 der Stromspiegelschaltung 6 ist
zwischen den Messeingang 13 und das erste Versorgungspotenzial
GND geschaltet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10120524
A1 [0004]
- - DE 102004041886 A1 [0004]