DE1764014B1

DE1764014B1 - Schaltung zur nachbildung der strom-spannungskennlinie einer halbleiterdiode

Info

Publication number: DE1764014B1
Application number: DE19681764014
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Luetze Wilhelm Otto
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1968-03-22
Filing date: 1968-03-22
Publication date: 1972-05-31
Also published as: DE1764014C2; FR1600785A; JPS4928218B1; GB1233353A

Description

auch noch die Eigenschaft besitzt, daß im Sperrzustand nur sehr kleine Restströme fließen und die Belastung einer angeschlossenen Bezugsspannungsquelle vernachlässigbar gering ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der erste Transistor im Sperrzustand der Schaltung nichtleitend und im Durchlaßzustand leitend ist, die Emitter der Transistoren über einen gemeinsamen Widerstand an die eine Klemme der Betriebsstromquelle und die beiden Kollektoren über je einen Widerstand mit der anderen Klemme der Betriebsstromquelle verbunden sind, der zweite Transistor im Sperr- wie im Durchlaßzustand der Schaltung leitend ist, der erste Anschluß den Eingang der Schaltung bildet und an ihn eine Elektrode einer üblichen Diode angeschlossen ist, daß der Kollektor des ersten Transistors an den Eingang eines in Kollektorschaltung betriebenen Verstärkers angeschlossen ist, mit dessen Ausgang die andere Elektrode der Diode verbunden ist, und daß der den Ausgang bildende zweite Anschluß der Schaltung die eine Klemme der Betriebsstromquelle oder einer zusätzlichen Betriebsstromquelle ist, deren einer Pol mit dem gleichnamigen Pol der ersten Betriebsstromquelle verbunden ist.

Baut man die erfindungsgemäße Schaltung mit NPN-Transistoren auf, so werden Eingangsspannungen, die positiver sind als die Bezugsspannung, auf einen in unmittelbarer Nähe der Bezugsspannung liegenden Wert begrenzt, ohne daß die Bezugssparinungsquelle dabei wesentlich belastet wird.

Baut man dagegen die eingangs erwähnte, schon vorgeschlagene Schaltung auch aus NPN-Transistoren auf, so werden Eingangsspannungen die negativer als die Bezugsspannung sind, auf einen in unmittelbarer Nähe der Bezugsspannung liegenden Wert begrenzt.

Auf Grund der Erfindung ist es damit möglich, Diodennachbildungen aus Transistoren gleicher Zonenfolge sowohl zur Begrenzung von positiveren als auch negativeren Spannungen als die Bezugsspannung zu verwenden. Mit der eingangs erwähnten vorgeschlagenen Schaltung war die Begrenzung von sowohl positiveren als auch negativeren Spannungen als die Bezugsspannung nur möglich, wenn Transistoren unterschiedlicher Zonenfolge verwendet wurden. Der obenerwähnte Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung fällt besonders dann ins Gewicht, wenn eine Schaltung in monolithisch integrierter Bauweise ausgeführt ist. In dieser Bauweise sind nämlich bis jetzt gute Transistoren mit unterschiedlicher Zonenfolge nur sehr umständlich und unter relativ hohen Kosten in einer Halbleiterscheibe zu integrieren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, von denen zeigt

Fig. 1 die Schaltung zur Nachbildung der Strom-Spannungskennlinie einer Halbleiterdiode,

F i g. 2 die Strom-Spannungskennlinie der Schaltung gemäß F i g. 1,

Fig. 3 eine Variante der Schaltung nach Fig. 1.

In F i g. 1 ist eine Schaltung mit verbesserten Diodeneigenschaften dargestellt. Die Schaltung enthält zwei NPN-Transistoren Tl und Γ 2, deren Emitter miteinander verbunden sind und über den Widerstand R3 an den Minuspol der Betriebsstromquelle angeschlossen sind. Der Kollektor des Transistors T1 ist über den Widerstand Rl und der Kollektor des Transistors Γ 2 über den Widerstand R 2 mit dem Pluspol der Betriebsstromquelle 3 verbunden. Außerdem ist der Kollektor des Transistors T1 mit der Basis eines weiteren Transistors Γ 3 verbunden, dessen Kollektor über einen Widerstand R 4 an den Pluspol der Betriebsstromquelle 3 angeschlossen und dessen Emitter mit der Basis eines weiteren Transistors Γ 4 verbunden ist, dessen Kollektor ebenfalls über den Widerstand R 4 an den Pluspol der Betriebsstromo quelle 3 angeschlossen ist. Der Emitter des in Kollektorschaltung betriebenen Transistors Γ 4 ist über einen Widerstand R 5 mit dem Minuspol der Betriebsstromquelle 3 verbunden. Die Basis des Transistors T 2 ist an einen Abgriff A der Betriebsstromquelle 3 angeschlossen, mit dem auch eine Klemme 2, die der Kathode einer herkömmlichen Diode entspricht, verbunden ist. Die Basis des Transistors Tl ist mit einer Klemme 1 verbunden, die der Anode einer herkömmlichen Diode entspricht. An die Basis des

ao Transistors 1 ist außerdem die Anode einer Diode D angeschlossen, deren Kathode an den Verbindungspunkt des Emitters des Transistors Γ 4 mit dem Widerstand R 5 angeschlossen ist. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 1 ist folgende: Solange das Potential der Klemme 1 wesentlich negativer ist als das Potential der Klemme 2, befindet sich die Diodennachbildung im Sperrzustand. In diesem Zustand sind der Transistor T1 und die Diode D nichtleitend, während die Transistoren Γ 2, Γ 3 und T 4 leitend sind. Wird das Potential der Klemme 1 bis in die Nähe des Potentials der Klemme 2 angehoben, so beginnt auch der Transistor T1 leitend zu werden. Er wird so lange immer stärker leitend, bis sich der den Widerstand R 3 durchfließende Strom gleichmäßig auf die beiden Transistoren T1 und T 2 verteilt. Sobald der Transistor T1 denselben Emitterstrom führt wie der Transistor T 2, gelangt die Diodennachbildung in den Durchlaßzustand. Beim Leitendwerden des Transistors T1 sinkt dessen Kollektorpotential ab. Damit sinken auch die Emitterpotentiale der beiden in Kollektorschaltung betriebenen Transistoren T 3 und T 4 ab.

Sobald das Emitterpotential des Transistors Γ 4 etwa um 0,5 Volt negativer wird als das Potential der Klemme 1, beginnt die Diode D zu leiten. Der in die Klemme 1 der Diodennachbildung hineinfließende Strom fließt, abgesehen von dem geringen Anteil, der in die Basis des Transistors T1 fließt, über die Diode D, den Widerstand R 5 und den als Bezugsspannungsquelle dienenden unteren Teil der Betriebsstromquelle zur Klemme 2, die der Kathode einer herkömmlichen Diode entspricht.

In F i g. 2 ist die Strom-Spannungskennlinie der Diodennachbildung wiedergegeben. Die Kennlinie gibt den Zusammenhang zwischen dem die Klemmen 1 und 2, die der Anode und Kathode einer herkömmlichen Diode entsprechen, durchfließenden Strom I und der zwischen diesen Klemmen bestehenden Spannung ZZ₁₂ wieder. Der scharfe obere Knick der Kennlinie ist durch den Widerstand R 5 bedingt, der den Stromfluß vorteilhaft begrenzt.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 fließt der in die Klemme 1 hineinfließende Strom, abgesehen von dem Basisstrom des Transistors Tl, auch durch den als Bezugsspannungsquelle dienenden Teil der Betriebsstromquelle. Diese unerwünschte Belastung der Bezugsspannungsquelle ist bei der Schaltung nach F i g. 3 vermieden. Bei dieser Schaltung wird die Be-

zugsspannung ζ. B. von einem parallel zu einer Betriebsstromquelle 4 liegenden Spannungsteiler P abgegriffen, dessen Abgriff mit der Basis des Transistors 2 verbunden ist. Der Spannungsteiler wird daher nur mit dem relativ kleinen Basisstrom des Transistors T 2 belastet, während bei der in der Beschreibungseinleitung erwähnten Schaltung die Bezugsspannungsquelle mindestens mit einem Emitterstrom belastet wird.

Bei der Schaltung nach Fig. 3 fließt der weitaus größte Teil des im Durchlaßzustand von der äußeren Schaltung über die Klemme 1 in die Diodennachbil-

dung fließenden Stromes durch die Diode D und den Widerstand R 5 zum Minuspol einer zweiten Betriebsstromquelle 4, durch diese hindurch, zu deren Pluspol und von dort über die Klemme 6 zurück in die als Blocks dargestellte äußere Schaltung. Die beiden Betriebsstromquellen können auch in vorteilhafter Weise zusammengefaßt werden, indem man entweder die zweite Betriebsstromquelle 4 wegläßt und dafür die Klemme 6 mit dem Pluspol der ersten Betriebsstromquelle (Klemme 2) verbindet oder eine der Betriebsstromquellen durch einen Abgriff aus der jeweils anderen Betriebsstromquelle bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Nachbildung der Strom-Spannungskennlinie einer Halbleiterdiode, enthaltend einen ersten und einen zweiten Transistor, deren Emitter miteinander verbunden und an eine Klemme einer Betriebsstromquelle angeschlossen sind, während der Kollektor des ersten Transistors an die andere Klemme der Betriebsstromquelle und dessen Basis an einen ersten Anschluß der Schaltung angeschlossen ist, da durch gekennzeichnet, daß der erste Transistor im Sperrzustand der Schaltung nichtleitend und im

Es ist bereits eine zwei Transistoren enthaltende Schaltung zur Nachbildung der Strom-Spannungskennlinie einer Halbleiterdiode bekannt. Die bekannte Schaltung ist jedoch speziell auf die Nachbildung der Strom-Spannungskennlinie einer Tunneldiode ausgerichtet (vgl. die Zeitschrift »radio und fernsehen«, Bd. 15, 1966, Heft 16, S. 507).

Ferner ist bereits eine zwei Transistoren enthaltende Schaltung zur Kompensation der durch Temperaturschwankungen verursachten Basisstromschwankungen des einen Transistors durch den zweiten bekannt (vgl. belgische Patentschrift 654 255).

Es ist weiter bekannt, den Ausgang einer Transistorstufe zur Verminderung der Speicherung von Mi-

d d

Durchlaßzustand leitend ist, die Emitter der 15 noritäts-Ladungsträgern über eine Diode mit dem Transistoren (7Ί, Tl) über einen gemeinsamen Eingang zu verbinden (vgl. Hunter L. P., »Hand-Widerstand (R_s) an die eine Klemme der Be- book of Semiconductor Electronics«, 1. Auflage, triebsstromquelle (3) und die beiden Kollektoren New York, 1956, S. 15 bis 48).

über je einen Widerstand (R₁, R₂) mit der ande- Zur weitgehenden Vermeidung der eingangs er-

ren Klemme der Betriebsstromquelle (3) verbun- 20 wähnten Nachteile üblicher Halbleiterdioden ist auch

den sind, der zweite Transistor (T 2) im Sperr- bereits eine Transistor-Schaltung zur Nachbildung

wie im Durchlaßzustand der Schaltung leitend ist, der erste Anschluß den Eingang (1) der Schaltung bildet und an ihn eine Elektrode einer üblichen Diode (D) angeschlossen ist, daß der Kollektor des ersten Transistors (Γ1) an den Eingang eines in Kollektorschaltung betriebenen Verstärkers (T 3, T 4) angeschlossen ist, mit dessen Ausgang die andere Elektrode der Diode (D) verbunden ist, und daß der den Ausgang bildende zweite An-Schluß der Schaltung die eine Klemme (2) bzw. (6) der Betriebsstromquelle (3) oder einer zusätzlichen Betriebsstromquelle (4) ist, deren einer Pol mit dem gleichnamigen Pol der ersten Betriebsstromquelle (3) verbunden ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bezugsspannungsquelle, mit der die Basis des zweiten Transistors (Γ 2) verbunden ist, mittels eines Abgriffs (A) aus der Betriebsstromquelle gebildet wird.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Bezugsspannungsquelle durch einen parallel zur Betriebsstromquelle liegenden Spannungsteiler (P) gebildet wird.

der Strom-Spannungskennlinie einer Halbleiterdiode vorgeschlagen worden (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 537 612, Anmeldetag 1. Juli 1967).

Bei dieser Schaltung sind die Basiselektroden zweier Transistoren miteinander verbunden und über einen Widerstand an den einen Pol der Betriebsstromquelle angeschlossen. Der Emitter des ersten Transistors, der durch geeignete Wahl des Basis- und Emitterpotentials im Sperrzustand der Diodennachbildung gesperrt und im Durchlaßzustand-leitend ist, ist mit einer Klemme verbunden, die der einen Elektrode (z. B. der Kathode) einer herkömmlichen Diode entspricht. Der Emitter des zweiten Transistors, der im Durchlaß- wie im Sperrzustand der Diodennachbildung leitet, ist außer mit dem anderen Pol der Betriebsstromquelle noch mit einer Klemme verbunden, die der zweiten Elektrode (z. B. der Anode) einer herkömmlichen Diode entspricht. Durch Anschließen dieser Klemme an eine Bezugsspannungsquelle kann die Lage der Strom-Spannungskennlinie der Diodennachbildung längs der Spannungsachse verschoben werden. Durch Hinzufügen eines Verstärkers kann man erreichen, daß die Kennlinie der Diodennachbildung im Durchlaßbereich einen fast senkrechten Ver-

lauf aufweist, was einen sehr geringen differentiellen

Innenwiderstand bedeutet.

Diese vorgeschlagene Schaltung zur Nachbildung

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Nachbil- einer herkömmlichen Halbleiterdiode ist für sehr dung der Strom-Spannungskennlinie einer Halbleiter- 50 viele Anwendungszwecke, für die ein kleiner Spandiode, enthaltend einen ersten und einen zweiten nungsabfall in Vorwärtsrichtung, eine geringe Tem-Transistor, deren Emitter miteinander verbunden und peraturabhängigkeit dieses Spannungsabfalls und ein an eine Klemme einer Betriebsstromquelle angeschlos- kleiner differentieller Innenwiderstand zu fordern sen sind, während der Kollektor des ersten Trans'i- sind, sehr gut geeignet. Lediglich in den Fällen, in destors an die andere Klemme der Betriebsstromquelle 55 nen darüber hinaus zu verlangen ist, daß im Sperrzu- und dessen Basis an einen ersten Anschluß der Schal- stand der Diodennachbildung nur sehr kleine Resttung angeschlossen ist. ströme fließen, ist die vorgeschlagene Schaltung, bei

Der bei den heute bekannten Halbleiterdioden in der im Sperrzustand der Kollektor-Emitter-Reststrom Vorwärtsrichtung auftretende Spannungsabfall,.der . des gesperrten Transistors in die an die Diodennachbei Siliziumdioden beispielsweise mehr als 0,5 Volt 60 bildung angeschlossene äußere Schaltung fließt, wenibeträgt, ist für bestimmte Anwendungsfälle, wie z. B. ger geeignet.

Begrenzerschaltungen oder Eingangsstufen von Ver- Außerdem wird bei der vorgeschlagenen Schaltung

stärkern störend. Außerdem stellt die starke Tempe- beim Benutzen einer Bezugsspannungsquelle diese raturabhängigkeit dieses Spannungsabfalls eine uner- mit mindestens einem Emitterstrom belastet.'
wünschte Eigenschaft dar. Schließlich wäre für 65 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine manche Zwecke ein geringerer differentieller Innen- Schaltung zur Nachbildung der Strom-Sparmungswiderstand als ihn herkömmliche Halbleiterdioden
besitzen von Vorteil.

kennlinie einer Halbleiterdiode anzugeben, die außer den Vorteilen der bereits vorgeschlagenen Schaltung