DE1277386B - Transistorschaltung zur Lieferung eines konstanten Stromes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES imW^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Q.:

H 02 m

Deutsche Kl.: 21 a4-35/14

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 77 386.3-35 (T 31679)

26. Juli 1966

12. September 1968

Die Erfindung betrifft eine Transistorschaltung zum Konstanthalten eines durch einen Verbraucher veränderlichen Widerstandes fließenden Stromes, insbesondere zur Verwendung in integrierten Schalttoreisen.

Eine derartige Schaltung mit diskreten Bauelementen ist z.B. aus dem Buch von S. Schwartz »Selected Semiconductor Circuits Handbook«, Verlag J. Wiley & Sons, 1961, S. 2 bis 25, bekannt und ist in der F i g. 1 a dargestellt. Sie besteht aus einem als Emitterfolger geschalteten Transistor Π mit einem Basisspannungsteiler R11, i?12 und einem Emitterwiderstand 2? 13. Zwischen dem Kollektor und der Versorgungsspannung liegt eine veränderliche Last V. Die Emitterspannung wird abgesehen vom Spannungsabfall der Emitterdiode auf dem Wert der Basisspannung gehalten. Der Strom durch die Last V wird mithin im normalen Aussteuerungsgebiet der Schaltung von der Basisspannung und dem Emitterwiderstand bestimmt, nicht aber von dem »0 jeweiligen Widerstandswert der Last V. Die bekannte Schaltungsanordnung verhält sich also in Verbindung mit der Versorgungsspannung wie eine Quelle, die unabhängig von der Belastung einen konstanten Strom (Stromquelle) liefert. Sie hat insbesondere den Vorteil niedriger Verlustleistung, da der Emitterwiderstand niedrig gehalten werden kann.

Eine derartige Schaltung in monolithisch integrierter Form weist aber eine nichtvernachlässigbare Kapazität zwischen dem Transistorkollektor und Masse auf. Die Stromquelle (Fig. Ib) wird kapazitiv (Kondensator C) und ist infolgedessen zur Speisung von Impulsschaltungen hoher Frequenz, z. B. Nanosekundengebiet, nicht mehr verwendbar.

Die Erfindung gibt nun eine Stromquelle niedriger Verlustleistung an, die diesen Nachteil vermeidet. Sie ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der F i g. 2 a bis 6 beschrieben. Es zeigt , F i g. 2 a die erfindungsgemäße Stromquelle,

Fig.2b ein Ersatzschaltbild für die Schaltung nach F i g. 2 a,

Fig.3a und 3b Kennlinienfelder zur Schaltung |achFig.2a,

Fig.4a die Stromquelle der Fig.2a zur temperaturabhängigen Steuerung einer Gleichspannung,

Fig.4b eine Abwandlung der Stromquelle nach Flg. 4 a,

■ F i g. 5 einen an sich bekannten emittergekoppelten Stromschalter mit der bekannten Stromquelle nach F i g. 1 a und

Transistorschaltung zur Lieferung
eines konstanten Stromes

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
7900 Ulm, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Herbert Stopper, 7751 Litzelstetten

Fig.6 den Stromschalter der Fig.5 mit der Stromquelle nach Fig. 2a als Emitterwiderstand und nach F i g. 4 a zur temperaturabhängigen Ansteuerung eines Transistors des Schalters.

Die Stromquelle der F i g. 2 a besteht aus einer Spannungsquelle — J723, Widerständen i?21 und jR22 und einem Transistor Tl. Der positive Pol der Spannungsquelle ist an Masse gelegt, während der negative über die Widerstände R 22 und jR21 an die einseitig an Masse liegende Last V geführt ist. Die Basis des Transistors liegt am Verbindungspunkt K des Widerstandest21 mit der Last V, der Emitter am Verbindungspunkt der Widerstände und der Kollektor an einer Spannung t/21, die positiver als der Punkte ist. Der Transistor arbeitet zusammen mit dem Widerstand R 22 als Emitterfolger, und der Spannungsabfall U_BE am Widerstand R 21 bestimmt die Aussteuerung des Transistors.

Die Wirkungsweise der Schaltung beruht auf der stark gekrümmten Basis-Emitter-Kennlinie des Transistors, die kleine Änderungen der Basis-Emitter-Spannung U_BE in große Änderungen des Emitter-Stromes I_E übersetzt. Die genannte Kennlinie zeigt die Fig. 3a. Eine Änderung der Spannung U_BE wird mit einer gleichsinnigen Stromänderung AI_E beantwortet, die eine gleichsinnige Änderung der Spannung am Widerstand i?22 bewirkt. Der Transistor Ti verursacht also eine Einströmung in den aus den Widerständen R21 und R22 bestehenden Spannungsteiler, die in Abhängigkeit von der Basis-Emitter-Spannung U_BE geregelt wird, derart, daß U_BE sich möglichst wenig ändert. Da der Basisstrom des Transistors gegenüber dem Strom /1 vernachlässigbar klein ist,

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bedeutet ein konstantes U_BE am Widerstand R 21, gen gegeben ist, so erfährt die Spannung U_R eine daß auch ein konstanter Strom durch den Ver- weitere gleichsinnige Änderung gegenüber dem vorbraucher fließt. herigen Fall, da sich die 7_£(17_ߣ)-Beziehung des Tran-

Da die Schaltung den Charakter eines Emitter- sistors T 4 mit der Temperatur in gleichem Maße folgers hat, können die Widerstände R 21 und 2? 22 5 ändert wie die der Stromquelle Q 2. niederohmig gehalten werden, so daß eine niedrige Die Schaltung der Fig. 4a kann derart umgestaltet

Verlustleistung gewährt ist. Der wesentliche Vorteil werden, daß der Widerstand R 41 entfällt und der der Schaltung ist aber der, daß die bei integrierten Widerstand R 21 der Stromquelle β 2 in zwei WiderSchaltungen nicht vermeidbare Kapazität zwischen stände R 42 und R 43 aufgeteilt und die Spannung U_R dem Kollektor und Masse an fester Spannung liegt io am Verbindungspunkt beider Widerstände abgegriffen und somit für den Betrieb unschädlich ist. wird (Fig.4b). Durch entsprechende Dimensionie-

Jeder Transistor weist eine Kollektor-Basis-Kapa- rung beider Widerstände kann U_R in jedem beliezität auf. Um die Wirkung auch dieser Kapazität beim bigen Teilerverhältnis zur Spannungsänderung von Betrieb der Schaltung im Bereich höchster Frequen- U_BE gewonnen werden.

zen unwirksam zu machen, ist in die Schaltung ein 15 Eine besonders vorteilhafte Verwendung der nicht zu hoher Basisvorwiderstand einzuführen. Eine Stromquelle wird im folgenden an Hand eines emiterprobte Schaltung ist z. B. folgendermaßen gekenn- tergekoppelten Transistorschalters aufgezeigt werden, zeichnet: R 21 = 50 Ω, R 22 = 150 Ω, Basisvorwider- Einen derartigen an sich bekannten Schalter zeigt stand = 200Ω, Z721 = OVoIt und 1723 = 6VoIt. die Fig. 5. Er besteht aus zwei Transistoren Γ51

Zur Erzielung einer sehr hohen Stromkonstanz so und T 52, deren Kollektoren je über einen Widerstand kann nun eine zusätzliche Ausregelung derart vor- R 51 an Masse und deren Emitter gemeinsam über genommen werden, daß zwischen die Widerstände eine Stromquelle β 1 der bekannten Art nach Fig. 1 7?21 und 7?22 ein weiterer Widerstand eingefügt an Masse geführt sind. Die Basis des Transistors Γ51 wird, dem in analoger Form zum Transistor Tl am wird wahlweise mit den Spannungen E/51 und Z752 Widerstand R 21 ein Transistor zugefügt wird. Der 25 angesteuert. Die Basis des Transistors Γ 52 liegt an Regelfaktor der Gesamtschaltung ergibt sich dann als einer festen Spannung U 53, die zwischen den AnProdukt der Regelfaktoren beider Transistorkreise. Steuerspannungen U 51 und U 52 liegt und vorteil-

Die Fig. 2b zeigt das Ersatzschaltungssymbol ß2 hafterweise zu (U51 + U52)12 gewählt wird. Jeweils für die Schaltung der Fig. 2a. der Transistor ist leitend, dessen Basis die positivere

Die Fig. 3b zeigt den Verlauf der Ströme/1, /2 30 Spannung aufweist. Der von der Stromquelle gelie- und I_E in Abhängigkeit von der Spannung U_K am ferte Strom liegt unterhalb des Transistorsättigungs-PunktTL Mit zunehmender Spannung U^ steigt Zl Stromes.

zunächst linear an und knickt dann zu einem hori- Wird diese Schaltung in monolithisch integrierter

zontalen Verlauf ab. Der letztere kennzeichnet den Form ausgeführt, so besteht wieder die Kapazität C Regelbereich der Schaltung. 35 zwischen dem Transistorkollektor und Masse der.

Mit der Stromquelle nach Fig.2 läßt sich nun Schaltung nach Fig. la. Diese Kapazität setzt die in einfacher Weise eine Schaltung zur temperatur- Brauchbarkeit der gesamten Schaltung bei hohen abhängigen Steuerung einer Gleichspannung U_R auf- Schaltfrequenzen erheblich herab, unter anderem bauen. Eine derartige Schaltung zeigt die Fig.4a. auch deswegen, weil sie in Verbindung mit den In-Sie besteht aus einer gegen Masse geschalteten Strom- 40 duktivitäten der Basiszuleitungen den Schaltkreis zu quelle β2 nach Fig. 2, die über einen Widerstand Schwingungen erregt. Dieser Nachteil wird dann be-7? 41 und die Emitter-Kollektor-Strecke eines Tran- hoben, wenn die Stromquelle β 1 durch die Stromsistors Γ 4 an eine Betriebsspannung Z742 führt. An quelle β2 ersetzt wird.

der Basis des Transistors liegt eine Spannung Z741. Den so abgeänderten emittergekoppelten Schalter

Der Emitter liegt, abgesehen vom Spannungsabfall an 45 der Fig. 5 zeigt die Fig. 6. In ihr sind weiterhin Ander Emitterdiode von Γ 4, ebenfalls auf der Span- Steuerschaltungen für beide Transistoren Γ 51 und nung UAl. T52 dargestellt. Der Transistor Γ51 wird über einen

Mit steigender Temperatur wird die Kurve der aus einem Transistor Γ 6 und einem Widerstand R 6 Fig. 3a immer weiter parallel zu sich selbst nach gebildeten Emitterfolger von den Spannungen U61 links verschoben (Diodentemperaturverhalten). Der 50 und U62 angesteuert. Die Spannungen 1751 und Z752 Strom 71 wird im Regelbereich infolgedessen immer unterscheiden sich also jeweils von U 61 und U 62 niedriger. Mit abnehmendem 71 wird der Spannungs- um den Spannungsabfall an der Emitterdiode des abfall am Widerstand R 41 ebenfalls geringer, so daß Transistors Γ 6.

der Punkt U_R immer weiter zur Spannung U41 hin- Die Basis des Transistors Γ52 wird von einer

wandert: Bei konstanter Spannung am Emitter des 55 Schaltung nach Fig. 4a mit einer Spannung U_R Transistors Γ4 wird die Spannung U_R in dem Maße angesteuert. Dabei ist: U_R = (U51 + U52)12. im Verhältnis i? 41: Ti 21 positiver, wie sich die Kenn- Wie bereits erwähnt wurde, arbeiten die Tranlinie Ie(U_Be) der Emitterdiode des Transistors Tl sistoren Γ51 und Γ52 nicht in der Sättigung. Die mit steigender Temperatur nach links verlagert. Diese Höhe ihrer Ansteuerspannung richtet sich nach dieser Wirkung wird durch den natürlichen positiven Tem- 60 Bedingung. Denn in emittergekoppelten Schaltern peraturkoeffizienten des Widerstandes 7? 21 weiter nach der F i g. 6 wird an den Kollektorwiderständen verstärkt. Die so gesteuerte Spanung U_R eignet sich 7?51 jeweils ein Spannungshub U62-U61 = II·R51 vor allem zur temperaturkompensierenden Ansteue- erzeugt, der unmittelbar zur Ansteuerung des Tranrung weiterer Transistorstufen. Hierfür ist eine vor- sistors T6 einer gleichartigen Schaltung verwendet teilhafte Bemessung: 7? 41 = 0,5-7? 21. 65 wird. Aus diesem Grund ist U 62 = OVoIt,

Wird der Transistor Γ4 der gleichen Umgebungs- U61= — 71-Τ?51. Damit einerseits die Differenz temperatur ausgesetzt wie die Stromquelle β2, was der Basisspannungen der Transistoren Γ51 und Γ52 allgemein und insbesondere bei integrierten Schaltun- zur Erreichung eines großen Störabstandes möglichst

groß ist und da andererseits die Kollektor-Basis-Spannung des Transistors Γ 51 zur Vermeidung von Übersteuerungen dieses Transistors nicht negativ werden darf, wird 1751 zweckmäßigerweise gleich dem Spannungsabfall der Emitterdioden der verwendeten Transistoren gewählt. Eine negative Kollektor-Basis-Spannung kann aber am Transistor Γ 51 deswegen nicht ohne weiteres verhindert werden, weil die Widerstände R 51 (und Widerstände allgemein) in integrierten Schaltungen einen nicht zu vernachlässigenden positiven Temperaturkoeffizient aufweisen und die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren mit zunehmender Temperatur ΰ· abnimmt (1751 und U 52 werden dann um den Betrag Δ U_BE [·&] positiver).

Dieser Nachteil träte in der Schaltung nach F i g. 6 so lange auf, wie der von der Stromquelle β 2 gelieferte Strom über die Temperatur konstant bliebe. Wie aber in Verbindung mit der Fig.4a gezeigt wurde, nimmt der von der Stromquelle β 2 gelieferte Strom/1 mit zunehmender Temperatur ebenfalls ab. Damit verringert sich der Spannungsabfall an den Kollektorwiderständen R 51, und die Gefahr der Sättigung für den Transistor 51 in F i g. 6 ist beseitigt. Sind insbesondere die Temperaturkoeffizienten der Widerstände der Stromquelle β 2 und der Kollektorwiderstände gleich und ebenso die Temperaturkoeffizienten der Transistoren, so tritt eine völlige Kompensation des im vorigen Absatz beschriebenen Effektes bezüglich der Sättigung ein.

Da zum Arbeiten bei möglichst hohen Störabständen die Basisspannung U_R des Transistors Γ 52 immer den Betrag (1751 + U 52)12 aufweisen soll, muß auch diese mit der Temperatur geregelt werden, derart, daß TJ_R mit zunehmender Temperatur positiver wird. Dies leistet, wie in Verbindung mit der Fig.4a beschrieben wurde, die Ansteuerschaltung dieses Transistors. Die genannte Bedingung für U_R wird dann genau eingehalten, wenn der Temperaturkoeffizient aller Widerstände einerseits und aller Transistoren andererseits des hier betrachteten Schaltungsteiles gleich sind.

Der Einsatz der Stromquelle β 2 in emittergekoppelten Schaltern bringt also neben der Kapazitätsfreiheit den zusätzlichen Effekt des automatischen Transistorsättigungsschutzes. Der gleiche Vorteil wird neben den übrigen dargelegten Vorteilen bei allen mit der erfindungsgemäßen Stromquelle stromgesteuerten Impulsschaltungen erreicht, die über Emitterfolger angesteuert werden.

Weiter läßt sich mit gleichem Vorteil der Erfindungsgegenstand mit seinen Weiterbildungen in allen insbesondere in integrierter Technik aufgebauten stromgesteuerten Schaltungen, wie z. B. Differenzverstärkern, verwenden.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Transistorschaltung zum Konstanthalten eines durch einen Verbraucher veränderlichen Widerstandes fließenden Stromes, insbesondere zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zum Verbraucher (F) die Serienschaltung zweier Widerstände^ 22, .R21) liegt, daß die Laststrecke des Transistors (Γ1) vom Verbindungspunkt beider Widerstände an eine Hilfsspannung (U 21) führt, daß an den Anschlüssen des dem Verbraucher zugewandten Widerstandes (i?21) die Steuerstrecke des Transistors liegt und daß die Hilfsspannung (U21) eine derartige Größe und die Widerstände derartige Werte aufweisen, daß der Spannungsabfall an dem den Transistor steuernden Widerstand bei Widerstandsschwankungen des Verbrauchers (F) im wesentlichen konstant bleibt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unwirksammachung der zwischen der Transistorausgangselektrode und der Transistorsteuerelektrode wirksamen Transistorschaltkapazität in Reihe mit der Transistorsteuerelektrode ein Widerstand liegt.

3. Schaltung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur temperaturabhängigen Steuerung einer am Verbraucher (R 41) abnehmbaren Gleichspannung (U_R) der den Reihenwiderständen (R 21, A 22) abgewandte Anschluß des Verbrauchers mit einer zweiten Hilfsspannung (U41) verbunden ist.

4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorsteuerstrecke zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände (K 22, R 43) und der zweiten Hilfsspannung (t/41) liegt.

5. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (R 41) mit dem Emitter eines Transistors verbunden ist, dessen Basis an der Hilfsspannung (U 41) und dessen Kollektor an einer Betriebsspannung (U42) liegt.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Emitterwiderstand in emittergekoppelten Stromschaltern.

7. Schaltung nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zwei Widerständen ein dritter Widerstand in Serie geschaltet ist, an dessen Klemmen ein Transistor mit seiner Steuerstrecke liegt und daß die Laststrecke dieses Transistors zwischen einer weiteren Hilfsspannung und dem Verbindungspunkt des zweiten und dritten Widerstandes liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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