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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromquelle, eine Stromquellenanordnung mit mehreren derartigen Stromquellen sowie die Verwendung der Stromquellenanordnung.
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Bei zahlreichen Anwendungen der Elektronik werden Stromquellen benötigt, um elektrische Lasten zu treiben. Beispielsweise können derartige Stromquellen in Serie mit einer elektrischen Last schaltbar sein, wobei diese Serienschaltung wiederum von einem Spannungsregler versorgt wird. Die Stromquelle dient dabei zum exakten Einstellen der Stromhöhe für die elektrische Last.
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Derartige, präzise Stromquellen finden beispielsweise Einsatz zum Treiben von Leuchtmitteln, insbesondere von Licht emittierenden Dioden (LEDs). Hierfür kann beispielsweise im an den Spannungsregler anzuschließenden Lastzweig die elektrische Last in Serie mit der gesteuerten Strecke eines Transistors und mit einem Widerstand geschaltet sein. Transistor und Widerstand sind dabei von der Stromquelle umfast.
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Eine Realisierung der Stromquelle in integrierter Schaltungstechnik ist häufig gewünscht. Herkömmlicherweise ist, um die gewünschte Genauigkeit zu erzielen, ein unipolarer Transistor als Leistungselement erforderlich, beispielsweise ein MOSFET, metal oxide semiconductor field effect transistor. Der unipolare Transistor zeichnet sich dadurch aus, dass die Höhe des Laststroms in der gesteuerten Strecke durch das Potential an der Gateelektrode eingestellt wird, was somit exakt möglich ist. Drain- und Sourcestrom sind dabei definitionsgemäß gleich groß.
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Ein Bipolartransistor ist dort deswegen nicht einsetzbar, weil bei Verschaltung des Transistors in Emitterschaltung der Basisstrom keine genaue Einstellung des Stroms am Kollektor, das heißt des Laststroms, ermöglicht.
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In
US 4 302 726 A ist eine Stromquelle gezeigt, in der ein Ausgangsstrom einer Verstärkerstufe (2) durch ein Eingangssignal gesteuert wird einer Signalquelle (11) kontrolliert wird. Eine Eingangsverstärkerstufe (1) umfasst, zusätzlich zu einem negativen Feedback-Pfad zwischen dem Stromeingangspfad der Endstufe (2) und dem Eingangsverstärker (1), Überwachungsmittel (5) im Signaleingangspfad zum Verstärkerausgang (2) und eine Steuereinrichtung (4) in einem Eingangspfad zum Eingangsverstärker (1). Die Überwachungsmittel (5) überwachen den Stromfluss in den Stromeingangspfad zum Ausgangsverstärker (2) und prägt mittels der Steuereinrichtung (4) ein Signal am Eingangsverstärker (1) auf, so dass die Abhängigkeit des Stromflusses im Stromausgangspfad von der Verstärkung der Endstufe (2) reduziert wird.
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DE 10 2005 028 403 A1 zeigt eine Stromquellenanordnung, bei der zumindest ein Zweig, umfassend eine Stromquelle (1) und Mittel (2) zum Anschließen einer elektrischen Last (3), vorgesehen ist. An einen Spannungsabgriffsknoten (4) dieses Zweigs ist ein Vergleicher (5) mit nach geschaltetem Transistor (7) angeschlossen. Der Transistor (7) ist mit einer gemeinsamen Signalleitung (8) verbunden, die wiederum an einen Rückführungseingang eines Gleichspannungsreglers (10) angeschlossen ist. Die Anordnung ist mit beliebiger Anzahl weiterer Zweige bei gemeinsamer Signalleitung (8) erweiterbar. Die vorgeschlagene Stromquellenanordnung ist insbesondere zur Versorgung mehrerer LED-Stränge für Beleuchtungsanwendungen und Displays geeignet.
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Bei einer Schaltungsanordnung nach
DE 44 43 469 A1 wird mit einem üblicherweise als Schalter betriebenen Bipolartransistor, der einen Eingangsstrom am Eingangsanschluss der Schaltungsanordnung zu einem Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung schaltet, mittels einer Kompensationseinheit der Basisstromanteil am durch den Ausgangsanschluss fließenden Ausgangsstrom kompensiert. Die Kompensationseinheit zweigt hierzu vom Ausgangsanschluss der Schaltungsanordnung einen Kompensationsstrom ab, der annähernd gleich groß ist wie der in die Basis des Bipolartransistors gespeiste Basisstrom.
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B.-S. Song et al. zeigen in „A Precision Curvature-Compensated CMOS Bandgap Reference", IEEE JSSC, Vol. SC-18, No. 6, December 1983 eine Stromquellenanordnung mit Basisstromkompensation eines Bipolartransistors.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Stromquelle zu schaffen, die die Bereitstellung eines exakten Laststroms ermöglicht und dabei auch ohne MOS-Technologie als Leistungselement auskommt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Stromquellenanordnung mit mehreren Stromquellen sowie eine Verwendung der Stromquellenanordnung anzugeben.
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Die Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Stromquelle einen Bipolartransistor mit einem Steueranschluss und einer gesteuerten Strecke. An einem ersten Anschluss der gesteuerten Strecke ist eine elektrische Last anschließbar. An einen zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke ist ein Widerstand anschließbar, der mit Bezugspotential verbindbar ist. Weiterhin ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die mit dem Steueranschluss des Bipolartransistors gekoppelt ist zum Messen eines am Steueranschluss des Bipolartransistors fließenden Steuerstroms. Eine Kompensationseinrichtung ist mit der Messeinrichtung gekoppelt. Die Kompensationseinrichtung ist weiterhin mit dem Bipolartransistor gekoppelt, derart, dass der Steuerstrom am ersten Anschluss der gesteuerten Strecke kompensiert ist.
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Durch die Kompensation des Steuerstroms auf der Lastseite des Bipolartransistors ist es möglich, eine Stromquelle mit Bipolartransistor zu schaffen, die eine hohe Genauigkeit bietet.
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In einer Ausführungsform speist die Kompensationseinrichtung den Kompensationsstrom am ersten oder am zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke des Bipolartransistors ein.
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Ziel ist es, einen Laststrom, das ist bevorzugt der Strom am zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke, mit dem eine anschließbare elektrische Last betreibbar ist, bereitzustellen, der unabhängig vom Basisstrom ist.
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Mit dem vorgeschlagenen Prinzip kann die gleiche Genauigkeit erzielt werden wie bei Verwendung eines MOSFET als Transistor der Stromquelle. Der vorgeschlagene Bipolartransistor, insbesondere bei hohen Lastströmen, zeichnet sich jedoch durch deutliche Kostenvorteile gegenüber Feldeffekttransistoren aus.
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Der Kostenvorteil kommt mit besonderem Vorteil dann zum Tragen, wenn Hochvoltprozesse zur Herstellung der Stromquelle erforderlich sind. Ein Hochvolt-Bipolartransistor ist deutlich kostengünstiger zu fertigen als ein Hochvolt-Feldeffekttransistor. Als Hochvolttechnologie wird dabei jede Technologie verstanden, die in integrierter Schaltungstechnik höhere Nennspannungen ermöglicht als ein Standardprozess, wobei letzterer normalerweise für Nennspannungen von einem oder wenigen Volt ausgelegt ist.
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In einer Ausführungsform ist ein Vergleicher vorgesehen, der einen ersten Eingang aufweist, an dem eine Referenzspannung zuführbar ist und der einen zweiten Eingang aufweist, der mit dem zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke verbunden ist. Ein Ausgang des Vergleichers ist mit dem Steueranschluss des Bipolartransistors gekoppelt. Der Vergleicher und die Referenzspannung ermöglichen es mit der vorgeschlagenen Verschaltung, einen in Abhängigkeit von der Referenzspannung exakt einstellbaren Laststrom bereitzustellen. Darüber hinaus ist der Laststrom von der Größe des Widerstands am zweiten Anschluss abhängig.
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Die Kompensationseinrichtung ist in einer nicht beanspruchten Ausführungsform zwischen eine Referenzspannungsquelle, die die Referenzspannung für den Vergleicher bereitstellt, und den ersten Eingang des Vergleichers geschaltet und mit der Messeinrichtung verbunden. Durch diese Ausführung wird die Referenzspannung am ersten Eingang des Vergleichers in Abhängigkeit eines von der Messeinrichtung bereitgestellten Signals leicht verändert, derart, dass gerade der vom Basisstrom induzierte Fehler auf der Lastseite des Bipolartransistors kompensiert wird. Hierfür ist keine zusätzliche Stromquelle nötig.
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Der Vergleicher ist bevorzugt als Operationsverstärker ausgeführt.
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In einer nicht beanspruchten Ausführung wird eine Spannung bereitgestellt, die dem Produkt aus dem Widerstand am zweiten Anschluss und dem Steuerstrom entspricht. Diese Spannung wird zur Referenzspannung addiert und dem ersten Eingang des Vergleichers zugeführt.
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Bei dieser Alternative der Kompensation des Steuerstroms an der Basis, der bei Verschaltung des Bipolartransistors in Emitter- oder Kollektorschaltung auch als Basisstrom bezeichnet werden kann, erfolgt kein unmittelbares Eingreifen in den Strom im Lastzweig. Unter dem Lastzweig ist dabei ein Stromzweig verstanden, der die elektrische Last, die gesteuerte Strecke des Bipolartransistors und den Widerstand am zweiten Anschluss umfasst. Dieser Lastzweig ist zwischen eine Versorgungsspannung und einen Bezugspotentialanschluss schaltbar. Die Versorgungsspannung kann beispielsweise von einem Gleichspannungsregler bereitgestellt werden.
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Die gesteuerte Strecke des Bipolartransistors ist bei Emitter- oder Kollektorschaltung zwischen Emitter und Kollektor des Transistors gebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kompensationseinrichtung als Kompensationsstromquelle ausgeführt. In diesem Fall ist die Kompensationsstromquelle mit einem der beiden Anschlüsse der gesteuerten Strecke des Bipolartransistors gekoppelt. Beispielsweise wird der Emitterstrom mit einem Kompensationsstrom überlagert.
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In einer Ausführung ist die Kompensationsstromquelle mit dem zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke des Bipolartransistors gekoppelt.
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Die Kompensationsstromquelle kann parallel zu dem Widerstand geschaltet sein, demnach in einer Ausführungsform zwischen den zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke und einem Bezugspotentialanschluss.
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Alternativ kann die Kompensationsstromquelle auch an den ersten Anschluss der gesteuerten Strecke des Bipolartransistors angeschlossen sein. Im Falle einer elektrischen Last in Form von einer oder mehreren LEDs bedeutet das, dass die Kompensationsstromquelle an den Kathodenanschluss der transistorseitigen LED angeschlossen ist.
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Ohne die Kompensationsstromquelle errechnet sich der Laststrom am ersten Anschluss der gesteuerten Strecke gemäß:
wobei ILAST der Laststrom am zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke, VI die Referenzspannung, RI der Wert des Widerstands und IBASIS der Steuerstrom des Bipolartransistors ist.
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Wenn man den Kompensationsstrom ISUB, der in dieser Ausführung gleich dem Steuerstrom IBASIS ist, am zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke des Bipolartransistors hinzuaddiert, so ergibt sich der Laststrom gerade exakt zu
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Man erkennt, dass der Laststrom vollständig unabhängig von dem Steuerstrom des Bipolartransistors ist.
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In einer Ausführungsform ist der Steueranschluss des Bipolartransistors ein Basisanschluss, der erste Anschluss der gesteuerten Strecke der Kollektoranschluss und der zweite Anschluss der gesteuerten Strecke der Emitteranschluss des Transistors.
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Mit der Definition der Referenzspannung VI und des Widerstands RI ist eine hochpräzise Einstellung des Laststroms möglich.
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Um zu gewährleisten, dass die Kompensationsstromquelle einen Kompensationsstrom bereitstellt, der exakt gleich dem Basisstrom ist, oder diesem in einem exakten, vorgebbaren Verhältnis entspricht, kann beispielsweise ein Stromspiegel eingesetzt werden.
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In einer Ausführungsform ist ein erster Stromspiegel vorgesehen, der die Messeinrichtung umfasst, und ein weiterer Stromspiegel, der die Kompensationsstromquelle umfasst. Diese Stromspiegel sind bevorzugt miteinander gekoppelt.
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Im Falle eines Vergleichers, der eine differentiell aufgebaute Ausgangsstufe hat, beispielsweise im Rahmen eines differentiellen Operationsverstärkers, kann es sinnvoll sein, die Eingangsstufe desjenigen Stromspiegels, der die Messeinrichtung umfasst, ebenfalls differentiell aufzubauen. Somit kann mit einer entsprechend gespiegelten Ausgangsstufe des Vergleichers der Steuerstrom des Bipolartransistors exakt herausgespiegelt werden. Mit einem weiteren Stromspiegel kann der Strom dann wiederum in die Kompensationsstromquelle hineingespiegelt werden.
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In einer Ausführungsform haben beide Stromspiegel ein umgekehrt proportionales Übersetzungsverhältnis, beispielsweise der erste Stromspiegel 1:N und der zweite Stromspiegel 1:N.
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Hierdurch ist eine Strom- und Flächenersparnis ohne Verzicht auf Genauigkeit möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Messeinrichtung anstelle eines Stromspiegels mit einem Serienwiderstand ausgeführt. Durch Abgreifen der Spannungsdifferenz über dem Widerstand erfolgt eine Konversion des zu messenden Stroms in eine Messspannung. Diese Messspannung wird wiederum dem Steuereingang einer Kompensationsstromquelle zugeführt, welche in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Transistor umfasst, zu dem in Serie ein Kompensationswiderstand geschaltet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung haben der Serienwiderstand der Messeinrichtung und der Widerstand der Kompensationsstromquelle den gleichen Widerstandswert.
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In einer Ausführungsform ist eine Stromquellenanordnung vorgesehen, die mehrere der vorstehend beschriebenen Stromquellen aufweist. Die Stromquellenanordnung umfasst einen Spannungsregler mit einem Eingang zum Zuführen einer Spannung von einer Spannungsquelle und hat weiterhin einen gemeinsamen Rückführungseingang zum Zuführen einer Rückführungsspannung. An einem Ausgang wird eine Versorgungsspannung abgegeben, welche in Abhängigkeit der Rückführungsspannung bereitgestellt und von der Spannungsquelle gespeist wird.
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Eine erste der beschriebenen Stromquellen ist an ihrem ersten Anschluss der gesteuerten Strecke des Bipolartransistors über eine elektrische Last mit dem Ausgang des Spannungsreglers verbunden. Mindestens eine weitere Stromquelle ist ebenfalls am ersten Anschluss ihrer gesteuerten Strecke über eine weitere elektrische Last mit dem Ausgang des Spannungsreglers verbunden.
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Die elektrische Last ist wahlweise von der bevorzugt integriert ausgeführten Stromquellenanordnung umfasst oder nicht, im letzteren Fall ist die elektrische Last von extern an die jeweilige Stromquelle anschließbar.
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Jeweils der erste Anschluss der gesteuerten Strecke der Stromquellen ist mit dem gemeinsamen Rückführungseingang des Spannungsreglers gekoppelt. Die gemeinsame Rückführungsleitung ermöglicht einen einfachen Schaltungsaufbau bei zugleich gutem Wirkungsgrad der Stromversorgung mehrerer elektrischer Lasten.
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Wenn über eine der Stromquellen eine zu geringe Spannung abfällt, wird die Rückführungsspannung am gemeinsamen Rückführungseingang nach unten gezogen. Somit wird auch der gemeinsame Rückführungseingang des Gleichspannungsreglers nach unten gezogen. Der Spannungsregler kompensiert dies dadurch, dass seine Ausgangsspannung zunimmt, um wieder die korrekte Rückführungsspannung am Rückführungseingang zu erhalten.
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Da mehrere Stromquellen vorgesehen sind, wird die gemeinsame Rückführungsleitung dann nach unten gezogen, wenn über irgendeine der angeschlossenen Stromquellen eine zu geringe Spannung abfällt. Somit wird auch der gemeinsame Rückführungseingang des Spannungsreglers nach unten gezogen, was von dem Gleichspannungsregler durch Erhöhen der Versorgungsspannung an seinem Ausgang kompensiert wird, solange, bis die Spannung am Rückführungseingang wieder dem gewünschten Sollwert entspricht.
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Die vorgeschlagene Stromquellenanordnung kann in einfacher Weise und in kleiner Bauform realisiert werden. Darüber hinaus kann sie leicht erweitert, kaskadiert und beinahe beliebig konfiguriert werden.
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Jede beliebige Anzahl von Stromquellen kann hinzugefügt werden, ohne dass zusätzliche Stromkreise nötig wären, sogar über verschiedene Halbleiterchips hinweg. Zwischen mehreren Stromquellen ist nur eine einzige Leitung erforderlich, nämlich die hier als gemeinsame Rückführungsleitung bezeichnete Signalleitung, die die Rückführungsspannung führt.
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Wenn mehrere unterschiedliche Lasttypen angesteuert werden sollen, beispielsweise LEDs von verschiedenem Typ, wie zum Beispiel RGB-Anwendungen fordern, zum Beispiel rote, grüne und blaue LEDs, so können die Stromquellen bevorzugt in Gruppen angeordnet sein, derart, dass für jeden Lasttyp eine wie vorstehend beschriebene gemeinsame Signalleitung vorgesehen ist.
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In einer Ausführung ist an den ersten Anschluss der gesteuerten Strecke der Stromquelle jeweils ein erster Eingang eines Vergleichers angeschlossen, an dessen zweitem im Eingang je eine Referenzschwelle zuführbar ist. Es ist je ein Transistor vorgesehen mit einem Steueranschluss, der mit einem Ausgang des Vergleichers verbunden ist und bei dem ein Anschluss der gesteuerten Strecke mit dem gemeinsamen Rückführungseingang des Spannungsreglers verbunden ist. Die Referenzschwellen können gleich oder verschieden sein.
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Der Vergleicher kann als Operationsverstärker ausgeführt sein.
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Die elektrische Last kann jeweils zumindest eine Leuchtdiode oder eine Serienschaltung von Leuchtdioden umfassen.
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Weitere Ausführungsformen von Stromquellenanordnungen sind in der
DE 10 2005 028 403 A1 , eingereicht am 20. Juni 2005, beschrieben, die mit den vorliegenden Stromquellen kombinierbar ist. Insofern wird die
DE 10 2005 028 403 A1 in der vorliegenden Anmeldung vollinhaltlich in Bezug genommen.
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Zur Stromversorgung von Leuchtdioden oder zur Rückbeleuchtung in einer Anzeigevorrichtung mittels weißer oder RGB-Leuchtdioden ist die Stromquellenanordnung bevorzugt verwendbar.
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Gerade in solchen Anwendungen spielt das vorgeschlagene Prinzip seine Vorteile aus. Die gemeinsame Rückführungsleitung sowie die hohe Genauigkeit und das gute Matching ermöglichen, eine Vielzahl elektrischer Lasten gleichlaufend zu betreiben, wie es beispielsweise bei der Rückbeleuchtung von Anzeigevorrichtungen mit LEDs, so genannten LED-Backlights, gefordert ist. Diese werden bevorzugt in Fernsehgeräten und Monitoren sowie bei Displays von mobilen Geräten angewandt.
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In einer anderen Anwendung sind eine oder mehrere Stromquellenanordnungen zur Stromversorgung von Leuchtdioden zur Rückbeleuchtung in einem Fernsehgerät vorgesehen. Dies wird auch als TV Backlight bezeichnet.
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Das vorgeschlagene Prinzip ist jedoch nicht auf derartige Anwendungen begrenzt, sondern kann auch bei anderen Anwendungen vorteilhaft eingesetzt werden, je nach Anwendung.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stromquelle mit Kompensationsstromquelle,
- 2 ein anderes Beispiel einer Stromquelle mit Kompensation der Referenzspannung,
- 3 eine Weiterbildung der Ausführung von 3 an einem Beispiel mit Stromspiegeln,
- 4 eine Weiterbildung der Ausführung von 3 am Beispiel einer differentiellen Ausgangsstufe des Vergleichers,
- 5 eine weitere beispielhafte Ausführung mit Serienwiderstand zur Strommessung,
- 6 ein Ausführungsbeispiel einer Stromquellenanordnung mit mehreren Stromquellen nach dem vorgeschlagenen Prinzip und
- 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromquelle mit Kompensationsstromquelle.
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1 zeigt eine Stromquelle 10 aufweisend einen Bipolartransistor 1, eine Messeinrichtung 2, eine als Kompensationsstromquelle 3 ausgeführte Kompensationseinrichtung sowie einen Widerstand 4. Darüber hinaus sind eine Referenzspannungsquelle 5 sowie ein Vergleicher 6 vorgesehen. Der Vergleicher kann als Operationsverstärker ausgeführt sein.
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Der Bipolartransistor 1 weist einen als Basisanschluss B ausgeführten Steueranschluss, einen als Kollektoranschluss C ausgeführten ersten Anschluss der gesteuerten Strecke und einen als Emitteranschluss E ausgeführten zweiten Anschluss der gesteuerten Strecke auf. An den Kollektoranschluss C ist eine elektrische Last D1, D2 anschließbar, welche eine Serienschaltung einer oder mehrerer Dioden umfasst. Die elektrische Last Dl, D2 ist zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss VDD und den Kollektoranschluss C geschaltet. An den Emitteranschluss E ist der Widerstand 4, der den Widerstandswert RI aufweist, gegen Bezugspotential G geschaltet.
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Neben der Stromquelle 10 zeigt 1 die bereits erwähnte elektrische Last D1, D2 sowie einen Spannungsregler 60. Der Kollektoranschluss C ist mit einem Rückführungseingang des Spannungsreglers 60 gekoppelt, wobei der Spannungsregler 60 eine Versorgungsspannung am Versorgungsspannungsanschluss VDD für die elektrische Last bereitstellt. Eine den Spannungsregler 60 versorgende Spannungsquelle ist nicht eingezeichnet.
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Die Messeinrichtung 2 ist zwischen den Ausgang des Vergleichers 6 und den Basisanschluss B des Bipolartransistors gekoppelt. Die Messeinrichtung 2 ist mit einem Steuereingang der Kompensationsstromquelle 3 verbunden, welche wiederum lastseitig parallel zu dem Widerstand 4 zwischen Emitter und Bezugspotential geschaltet ist. Darüber hinaus umfasst der Vergleicher 6 einen ersten, nicht invertierenden Eingang, der mit einer Referenzspannungsquelle 5 verbunden ist. Die Referenzspannungsquelle 5 stellt die Referenzspannung VI bereit. Der zweite Eingang des Vergleichers 6, der invertierend arbeitet, ist mit dem Emitteranschluss des Bipolartransistors 1 verbunden.
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Die vorliegende Ausführung ermöglicht die Bereitstellung eines exakten Laststroms für die elektrische Last Dl, D2 am Kollektoranschluss C. Die Höhe des Laststroms der Stromquelle 10 ist durch die Referenzspannung VI einstellbar.
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Herkömmlich würde der Basisstrom den Ausgangsstrom an der Last verfälschen. Der Ausgangsstrom wäre in diesem Fall definiert als ILAST = VI/RI - IBASIS.
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Da jedoch vorliegend der Kompensationsstrom ISUB emitterseitig hinzuaddiert wird, ergibt sich kollektorseitig gerade der Laststrom zu ILAST = VI/RI. Somit wird der Basisstrom präzise eliminiert auf der Lastseite. Folglich bietet die vorgeschlagene Schaltung mit Bipolartransistor die gleiche Genauigkeit wie sie herkömmlich nur mit potentialmäßig gesteuerten Feldeffekttransistoren erzielt werden konnte.
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Darüber hinaus ist der Bipolartransistor in einem Bipolarprozess kostengünstiger herstellbar als ein entsprechend dimensionierter Feldeffekttransistor, was insbesondere bei Hochvoltapplikationen und den damit verbundenen Hochvolt-Prozessen bei der Fertigung integrierter Schaltkreise oder verfügbaren diskreten Transistoren vorteilhaft zum Tragen kommt.
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Anstelle der auf der Lastseite angreifenden Kompensationsstromquelle 3 ist in 2 eine Kompensation am Referenzeingang des Vergleichers 6 vorgesehen. Das Ausführungsbeispiel von 2 entspricht demjenigen von 1 weitgehend und wird insoweit nicht noch einmal beschrieben.
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Die Kompensationsstromquelle 3 entfällt bei 2. Stattdessen ist der Ausgang der Messeinrichtung 2 über ein Multiplizierglied 7 auf einen Summierknoten 8 geführt. Der Summierknoten 8 ist zwischen die Referenzspannungsquelle 5 und den ersten Eingang des Vergleichers 6 geschaltet. Das Multiplizierglied 7 stellt eine Spannung bereit, die sich aus dem Steuerstrom multipliziert mit dem Wert des Widerstands RI berechnet. Diese Spannung wird der Referenzspannung VI überlagert und damit als Sollwert dem Vergleicher 6 vorgegeben. Die positive Referenzspannung des als Operationsverstärker ausgeführten Vergleichers 6 wird damit gegenüber 1 leicht verändert. Die zusätzliche Spannung vom Multiplizierglied 7 ist so berechnet, dass sich der von dem Steuerstrom induzierte Fehler lastseitig am Kollektor C gerade kompensiert.
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Gegenüber 1 hat 2 den Vorteil, dass keine zusätzliche Kompensationsstromquelle, als kein weiteres Leistungsbauteil für die Zwecke der Kompensation nötig ist.
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3 zeigt eine Weiterbildung der beispielhaften Stromquelle von 1, die sich in den verwendeten Bauteilen und der vorteilhaften Funktion weitgehend entsprechen. Insofern wird die Beschreibung an dieser Stelle nicht wiederholt.
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Abweichend von 1 sind bei der Ausführung gemäß 3 zwei Stromspiegel Q1, Q2; Q3, Q4 vorgesehen, mit denen sowohl die Messeinrichtung 2, als auch die Kompensationsstromquelle 3 realisiert sind. Im Einzelnen ist in einem ersten Stromspiegel Q1, Q2 ein Stromspiegeltransistor Q2 zwischen einen Ausgang des Vergleichers 6 und den Basisanschluss des Bipolartransistors geschaltet, wobei bei Realisierung in Feldeffekt-Technik der Gateanschluss an den Ausgang des Vergleichers 6 geschaltet ist. Ein Source-Drain-Anschluss des Stromspiegeltransistors Q2 ist mit der Basis verbunden, der andere auf ein Versorgungspotential gelegt. Dieser Transistor Q2 des Stromspiegels, der auch als Eingangsseite des Stromspiegels betrachtet werden kann, kann in einer Ausführungsform eine Ausgangsstufe des Vergleichers 6 sein. Gateseitig ist mit diesem Transistor ein weiterer Stromspiegeltransistor Ql verbunden, der an seiner gesteuerten Strecke ebenfalls einerseits mit einem Versorgungspotential des Transistors Q2 verbunden ist und andererseits einen Ausgang der Messeinrichtung bildet. Der Transistor Q1 kann zum Transistor Q2 herunterskaliert ausgeführt sein, also beispielsweise kann das Weite zu Länge-Verhältnis W/L des Transistors Q1 zum Transistor Q2 1:n betragen.
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Ein zweiter Stromspiegel Q3, Q4 ist mit einem als Diode verschalteten Transistor Q3 und einem weiteren Transistor Q4 gebildet. Der Transistor Q4 und der Transistor Q3 sind gateseitig miteinander verbunden und mit je einem Source-Drain-Anschluss gegen Bezugspotential geschaltet. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren Q1 und Q3 sind miteinander verbunden, während der Drain-Anschluss des Transistors Q4 mit dem Emitter E des Bipolartransistors 1 verbunden ist. Der Stromspiegel Q3, Q4 kann dasselbe Übersetzungsverhältnis wie der erste Stromspiegel Q1, Q2 aufweisen, nämlich ein Weite zu Länge-Verhältnis des Transistors Q3 zu Q4 von 1:n. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Kompensationsstrom ISUB am Drain-Anschluss des Transistors Q4 exakt dem Basisstrom, also dem Steuerstrom des Transistors 1 entspricht. In der Folge ist eine besonders große Exaktheit des Kompensationsstroms mit dem Basisstrom sichergestellt, wobei zusätzlich aufgrund des Übersetzungsverhältnisses der Stromspiegel Chip-Fläche eingespart werden kann und der Stromverbrauch reduziert ist.
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4 zeigt eine Weiterbildung der Ausführung von 3, bei der die Ausgangsstufe des Vergleichers 6 differentiell ausgeführt ist mit den Transistoren Q2 und Q6, die ein komplementäres Transistorpaar eines PMOS- und eines NMOS-Transistors bilden. Diese sind drainseitig im Basisanschluss des Transistors 1 zusammengeschaltet und sourceseitig jeweils auf ein Versorgungs- beziehungsweise Bezugspotential gelegt. Identisch zu den beiden Transistoren Q2, Q6 der Ausgangsstufe ist eine Auskopplungsstufe mit den Transistoren Q1, Q5 gebildet, wobei am gemeinsamen Drain-Anschluss der Messstrom ausgekoppelt wird. Abgesehen von der differentiellen Funktionsweise entspricht die Schaltung von 4 derjenigen von 3. Die Kompensation mit dem zweiten Stromspiegel Q3, Q4 ist wie bei 3 eingerichtet.
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5 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform in Abwandlung der Ausführung von 1, bei der die Messeinrichtung mit einem Serienwiderstand 9 realisiert ist. Der Serienwiderstand 9 ist zwischen Ausgang des Vergleichers 6 und Basisanschluss B des Bipolartransistors 1 geschaltet. Mit einem Differenzglied 11 wird die Spannungsdifferenz über dem Serienwiderstand 9 ermittelt und einem Differenzverstärker 12 an einem nicht invertierenden Eingang zugeführt. Der Differenzverstärker 12 steuert den Gateanschluss eines Transistors 13 der Kompensationsstromquelle, welcher lastseitig zwischen den Emitteranschluss E und, über einen Kompensationswiderstand 14, auf einen Bezugspotentialanschluss G gelegt ist. Der Schaltungsknoten zwischen dem Kompensationstransistor 13 und dem Kompensationswiderstand 14 ist auf einen negativen Eingang des Differenzverstärkers 12 rückgeführt.
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Hier ergibt sich eine besonders gute Genauigkeit, insbesondere dann, wenn der Kompensationswiderstand 14 den gleichen Widerstandswert wie der Serienwiderstand 9 aufweist.
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6 zeigt eine Ausführung einer Stromquellenanordnung mit mehreren Stromquellen, die beispielsweise wie in einer der 1 bis 5 gezeigt ausgeführt sein können. Die Stromquellenanordnung umfasst in diesem Beispiel einen Spannungsregler 500, der eine geregelte Versorgungsspannung VDD bereitstellt. Weiterhin ist ein gemeinsamer Rückführungseingang vorgesehen, an dem eine Rückführspannung UV zuführbar ist. Der Spannungsregler 500 wird von einer nicht eingezeichneten Spannungsquelle versorgt. Die Versorgungsspannung VDD wird in Abhängigkeit der Rückführspannung UV erzeugt und abgegeben.
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Es sind mehrere Lastkanäle vorgesehen. Jeder Lastkanal 100, 200, 300, 400 umfasst eine elektrische Last D1, D2. Die elektrische Last D1, D2 ist jeweils an einem Anschluss an den Versorgungsspannungsanschluss VDD angeschlossen. Ein weiterer Anschluss der elektrischen Last D1, D2 ist jeweils mit dem Kollektoranschluss C des Bipolartransistors 1 der jeweiligen Stromquelle 10 verbunden. Der Aufbau der Stromquellen 10 in den Lastkanälen 100 bis 400 ist in diesem Beispiel jeweils wie in 1 beschrieben ausgeführt und wird an dieser Stelle nicht wiederholt. Vom Kollektoranschluss C ist jeweils eine Leitung auf einen Vergleicher 15 geführt und dort an einem invertierenden Eingang angeschlossen. An einem nicht invertierenden Eingang des Vergleichers 15 ist jeweils eine Referenzschwelle VC zuführbar, deren Höhe vom Typ der elektrischen Last und deren elektrischen Eigenschaften abhängig vorgegeben werden kann. Der Ausgang des Vergleichers 15 ist jeweils auf einen Transistor 16 an dessen Steueranschluss geführt. Lastseitig ist der Transistor 16 jedes Lastkanals der gezeigten vier Lastkanäle zwischen einen Bezugspotentialanschluss und dem gemeinsamen Rückführungseingang des Spannungsreglers geschaltet.
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Die gemeinsame Rückführungsspannung UV steuert die Versorgungsspannung am Versorgungsspannungsanschluss VDD. Wenn eine der Stromquellen 10 eine zu geringe Spannung, also eine Spannung unter der jeweiligen Referenzschwelle VC aufweist, wird die Spannung am Rückführungseingang etwas nach unten gezogen. Dies wird vom Spannungsregler 500 dadurch kompensiert, dass die Spannung am Versorgungsspannungsanschluss VDD solange erhöht wird, bis die korrekte Spannung UV am gemeinsamen Rückführeingang anliegt.
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Der Spannungsregler 500 kann beispielsweise ein induktiver Buck, Boost, Buck/Boost-Regler oder eine kapazitive Ladungspumpe sein. Auch ein einfacher Längsregler ist möglich.
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Der einfache Schaltungsaufbau erlaubt eine Erweiterung mit zusätzlichen Lastkanälen, aber auch eine Kaskadierung. Es kann eine beliebige Anzahl von Stromquellen hinzugefügt werden, wofür keine zusätzlichen Stromkreise nötig sind. Eine vorteilhafte Besonderheit ist es, dass nur eine Leitung, nämlich die gemeinsame Signalleitung zur Kopplung der einzelnen Stromquellenzweige miteinander vorgesehen und erforderlich ist.
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7 zeigt eine alternative Ausführungsform der Schaltung von 1. Die beiden Ausführungsformen nach 1 und 7 sind weitgehend identisch und insofern wird die Beschreibung an dieser Stelle nicht wiederholt. Im Unterschied zu 1 ist bei 7 der Eingang des Spannungsreglers 60 nicht mit dem Kollektoranschluss C, sondern mit dem Basisanschluss B des Bipolartransistors 1 verbunden.
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Der Eingang des Spannungsreglers 60 ist auf einen Vergleicher an einem ersten Eingang geführt, dessen zweiter Eingang mit einer Referenzschwelle VB gespeist wird. Der Ausgang des Vergleichers ist über einen Transistor an eine gemeinsame Rückführungsleitung, wie in 6 gezeigt, geführt. In Abhängigkeit davon wiederum wird die Versorgungsspannung VDD erzeugt, beispielsweise in einem DC/DC-Wandler.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolartransistor
- 2
- Messeinrichtung
- 3
- Kompensationsstromquelle
- 4
- Widerstand
- 5
- Referenz-Spannungsquelle
- 6
- Vergleicher
- 7
- Multiplizierglied
- 8
- Summierknoten
- 9
- Serienwiderstand
- 10
- Stromquelle
- 10'
- Stromquelle
- 11
- Subtrahierer
- 12
- Vergleicher
- 13
- Kompensationstransistor
- 14
- Kompensationswiderstand
- 15
- Vergleicher
- 16
- Transistor
- 60
- Spannungsregler
- 100
- Lastkanal
- 200
- Lastkanal
- 300
- Lastkanal
- 400
- Lastkanal
- 500
- Spannungsregler
- B
- Basisanschluss
- C
- Kollektoranschluss
- D1
- LED
- D2
- LED
- E
- Emitter
- G
- Bezugspotenzialanschluss
- IBASIS
- Steuerstrom
- ISUB
- Kompensationsstrom
- RI
- Widerstandswert
- RSNS
- Serienwiderstand
- VB
- Referenzschwelle
- VC
- Referenzschwelle
- VI
- Referenzspannung
- VDD
- Versorgungspotenzialanschluss
