DE19612269C1 - Stromspiegelschaltung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Stromspiegelschaltung (EP 0 520 858 A1).

Es ist schon eine Stromspiegelschaltung bekannt, die aus einem Referenz- und einem Ausgangstransistor besteht. Die Druckschrift EP 0 520 858 A1 beispielsweise beschreibt eine Stromspiegelschaltung mit einem Referenztransistor T₁, einem Ausgangstransistor T₂, einem Regeltransistor T₅ und einem Abtasttransistor T₆. Der Referenztransistor bestimmt das Basispotential des Ausgangstransistors, wodurch ein durch den Ausgangstransistor fließender Ausgangsstrom proportional zu einem durch den Referenztransistor fließenden Eingangsstrom festgelegt wird.

Die Druckschrift EP 0 561 469 A2 beschreibt eine Stromspiegelschaltung aus einer Kombination von selbstleitenden und selbstsperrenden MOS-Transistoren.

Eine Stromspiegelschaltung stellt eine platzsparende Stromquelle insbesondere in der Anwendung bei integrierten Schaltkreisen dar. In vielen Fällen, wenn im Herstellungsprozeß solcher integrierter Schaltkreise keine geeigneten Bipolartransistoren vorhanden sind, scheidet eine integrierte Stromspiegelschaltung aus Bipolartransistoren aus, und man verwendet MOSFET-Transistoren.

Solch eine Stromspiegelschaltung aus MOSFET-Transistoren soll unter wechselnden Belastungen große Ausgangsströme liefern, auch wenn bei einem großen Lastwiderstand die als Ausgangsspannung bezeichnete Drain-Source-Spannung am Ausgangstransistor stark absinkt.

Um den gewünschten hohen Ausgangsstrom in einem weiten Betriebsbereich zu erhalten, ist es möglich, das als Spiegelverhältnis definierte Verhältnis von Ausgangsstrom zu Eingangsstrom bei der Stromspiegelschaltung nach dem Stand der Technik zu erhöhen, indem man die Kanalweiten und -längen der verwendeten MOSFET-Transistoren entsprechend wählt. Nachteilig daran ist, daß der Ausgangstransistor dann sehr groß ausgelegt werden muß.

Eine zweite Möglichkeit, einen großen Ausgangsstrom zu erhalten, ist bei gegebenem Spiegelverhältnis den Eingangsstrom zu erhöhen. Zu beachten ist, daß sich bei dem Referenztransistor dadurch die Gate-Source-Spannung erhöht und damit auch die Gate-Source-Spannung am Ausgangstransistor größer wird. Eine größere Gate-Source- Spannung aber hat zur Folge, daß ein Sättigungsbereich, in dem der Ausgangstransistor als Stromquelle arbeitet, erst bei größeren Ausgangsspannungen erreicht wird. Bei erhöhtem Eingangsstrom ist daher schneller eine untere Grenze für die Ausgangsspannung erreicht, wenn der Lastwiderstand größer wird und dementsprechend die Ausgangsspannung absinkt. Überschreitet man diese untere Grenze, sinkt der Ausgangsstrom unerwünscht ab und entspricht nicht mehr dem durch das Spiegelverhältnis vorgegebenen Wert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung löst die Aufgabe, auch bei niedrigen Ausgangsspannungen einen großen und konstant hohen Ausgangsstrom zu liefern. Durch die Vermeidung eines großen Ausgangstransistors kann dabei Chipfläche eingespart werden. Vorteilhaft ist hierbei eine Zusatzschaltung, die lediglich aus zwei weiteren Transistoren und einer Stromquelle besteht. Diese Zusatzschaltung bedarf nur eines minimalen Platzaufwandes, ist einfach realisierbar und damit mit nur geringem Ausfallrisiko verbunden. Durch geeignete Dimensionierung der Kanalweiten und -längen der beiden Zusatztransistoren sowie des Stroms der Stromquelle der Zusatzschaltung läßt sich erreichen, daß die Ansteuerung des Ausgangstransistors bei kleinen Ausgangsspannungen so gestaltet ist, daß der Ausgangsstrom einen konstant hohen Wert in einem größeren Bereich von Ausgangsspannungen beibehält als dies ohne diese Zusatzschaltung der Fall ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Stromspiegelschaltung aus MOSFET-Transistoren nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines selbstsperrenden MOSFET-Transistors und

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine Stromspiegelschaltung nach dem Stand der Technik, aufgebaut aus selbstsperrenden P-Kanal- MOSFET-Transistoren. Ein als Referenztransistor bezeichneter Transistor 1 ist über den Source-Anschluß mit einer Versorgungsleitung 3 verbunden. Sein Drain-Anschluß 10 ist über einen Verbindungsknoten 8 mit einer einen Eingangsstrom I_ein liefernden Referenzstromquelle 4 verbunden. Sein Gate-Anschluß 9 ist mit dem Verbindungsknoten 8 über eine Gate-Drain-Verbindung 6 kurzgeschlossen, wodurch zwischen Verbindungsknoten 8 und Versorgungsleitung 3 die Gate-Source-Spannung 5 des Referenztransistors anliegt. Der Gate-Anschluß 9 ist mit dem Gate-Anschluß eines als Ausgangstransistor bezeichneten Transistors 2 verbunden, dessen Source-Anschluß mit der Versorgungsleitung 3 verbunden ist und dessen Drain-Anschluß 11 über einen Lastwiderstand 12 mit Masse verbindbar ist, wobei zwischen Drain und Source des Ausgangstransistors 2 eine als Ausgangsspannung 7 bezeichnete Drain-Source-Spannung abfällt und ein als Ausgangsstrom bezeichneter Strom fließt. Aufgrund der Gate-Drain-Verbindung 6 wird die Gate-Source- Spannung beider Transistoren durch den Eingangsstrom, der von der Referenzstromquelle 4 geliefert wird, vorgegeben. Gate- und Source-Potentiale beider Transistoren sind identisch. Der Referenztransistor arbeitet im Sättigungsbereich. Solange die Ausgangsspannung 7 am Ausgangstransistor nicht unter eine effektive Gate-Source- Spannung absinkt, die als Differenz von Gate-Source-Spannung und einer konstanten, gegebenen Schwellspannung definiert ist, fließt auch durch den Ausgangstransistor ein Sättigungsstrom. Solange also beispielsweise der Lastwiderstand 12 nicht zu groß ist, ist das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsstrom allein durch das Spiegelverhältnis gegeben und beide Transistoren sind im gleichen Betriebszustand, vorausgesetzt, sie sind vom gleichen Typ. Das Spiegelverhältnis kann über eine passende Wahl von Kanalweiten und -längen, die in Fig. 2 definiert sind, eingestellt werden.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze eines selbstsperrenden MOSFET-Transistors 13 mit einem mit einem Source-Bereich 14a verbundenen Source-Anschluß 14, einem Gate-Anschluß 15 und einem mit einem Drain-Bereich 16a verbundenen Drain-Anschluß 16. Eine Kanallänge 18 ist definiert als Abstand zwischen Source-Bereich 14a und Drain-Bereich 16a. Eine Kanalweite 17 ist definiert als Länge des Kanalbereichs 15a in seiner räumlichen Erstreckung parallel zu Source- und Drain- Bereich. Eine Verdoppelung der Kanalweite W bei gegebener Kanallänge L bewirkt das gleiche wie eine Parallelschaltung zweier baugleicher Transistoren mit der einfachen Kanalweite. Will man nun also beispielsweise ein Spiegelverhältnis von 20 in der Stromspiegelschaltung nach Fig. 1 realisieren, so wählt man bei den beiden Transistoren, die sonst von gleichem Typ sind und angenommener gleicher Kanallänge 18 die Kanalweiten so, daß die Kanalweite des Ausgangstransistors das Zwanzigfache beträgt wie die Kanalweite des Referenztransistors.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung. Diese baut auf der Stromspiegelschaltung nach Fig. 1 auf und enthält zwischen dem Verbindungsknoten 8, Drain-Anschluß 10 des Referenztransistors sowie Drain-Anschluß des Ausgangstransistors eine Zusatzschaltung. Diese Zusatzschaltung ist so ausgebildet, daß zwischen Verbindungsknoten 8 und Drain-Anschluß 10 des Referenztransistors 1 ein als Regeltransistor bezeichneter Transistor 20 zwischengeschaltet ist, wobei dessen source- seitiger Anschluß an 10 und dessen drain-seitiger Anschluß an 8 anliegt und wobei dessen Gate über einen Gate-Anschluß 22 mit dem Gate eines als Abtasttransistor bezeichneten Transistors 21 verbunden ist. Der Source-Anschluß des Abtasttransistors ist mit dem Drain-Anschluß 11 des Ausgangstransistors 2 verbunden. Der Drain-Anschluß 23 des Abtasttransistors ist sowohl mit dem Gate-Anschluß 22 über eine Gate-Drain-Verbindung 24 kurzgeschlossen als auch an eine Stromquelle 25 angeschlossen. Ein Strom I_bias der Stromquelle 25 ist klein verglichen mit dem Ausgangsstrom. Die Versorgungsleitung 3 hat das Potential ϕ₀. Der Drain-Anschluß 11 des Ausgangstransistors hat das Potential ϕ₁, der Gate-Anschluß 22 des Abtast- und Regeltransistors hat das Potential ϕ₂, der Drain-Anschluß 10 des Referenztransistors hat das Potential ϕ₃ und der Verbindungsknoten 8 hat das Potential ϕ₄. Der Abtasttransistor 21 stellt mit der Gate- Drain-Verbindung 24 einen Zweipol dar, durch den ein konstanter Strom der Stromquelle 25 fließt. Dadurch wird die Potentialdifferenz ϕ₁-ϕ₂ konstantgehalten. Der Strom der Stromquelle 25 ist dabei im Vergleich zum Ausgangsstrom vernachlässigbar klein. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Versorgungsleitung 3 ein positives Potential ϕ₀. Ist das Potential ϕ₁ niedrig, was gleichbedeutend ist mit einer großen Ausgangsspannung, so ist auch das Potential ϕ₂ niedrig. Daher wird der Regeltransistor 20 voll angesteuert. Er wirkt wie ein eingeschalteter Schalter. Dadurch unterscheiden sich die Potentiale ϕ₃ und ϕ₄ nur unwesentlich voneinander. Im Falle großer Ausgangsspannungen, wenn also ein einfacher Stromspiegel nach Fig. 1 den nach dem Spiegelverhältnis vorgegeben Strom liefert, hat die Zusatzschaltung keine Wirkung, die erfindungsgemäße Stromspiegelschaltung wirkt wie ein einfacher Stromspiegel nach Fig. 1.

Sinkt die Ausgangsspannung ab, erhöht sich also das Potential ϕ₁, so folgt dementsprechend das Potential ϕ₂.

Der Regeltransistor 20 wird hochohmiger, wodurch das Potential ϕ₃ ansteigt und das Potential ϕ₄ sinkt. Durch die Erhöhung des Potentials ϕ₃ wird die Drain-Source-Spannung des Referenztransistors reduziert und somit verstellt in Richtung der reduzierten Ausgangsspannung. Zum anderen erhöht sich die Gate-Source-Spannung von Referenz- und Ausgangstransistor durch die Reduzierung des Potentials ϕ₄.

Ausgangs- und Referenztransistor werden also stärker angesteuert. Einem Absinken des Ausgangsstroms wird also entgegengewirkt.

Soll auch bei einem Absinken der Ausgangsspannung unter die effektive Gate-Source-Spannung genau der Strom fließen, der dem Spiegelverhältnis entspricht, so müssen Regel- und Abtasttransistor sowie der Strom der Stromquelle 25 in spezieller Weise gewählt werden. Ziel ist dabei, Referenz- und Ausgangstransistor wieder exakt in den gleichen Betriebszustand zu bringen. Dann wird durch den Eingangsstrom wieder über das Spiegelverhältnis der ursprüngliche Ausgangsstrom erzwungen. Die Gate-Potentiale der beiden Transistoren sind identisch; ebenso die Source-Potentiale. Für den gleichen Betriebszustand vom Referenz- und Ausgangstransistor fehlt also nur noch die Gleichheit der Potentiale ϕ₁ und ϕ₃. Dies erreicht man, wenn man Abtast- und Regeltransistor mit gleicher Stromdichte betreibt, das heißt, bei einem zeitlich veränderlichen Eingangsstrom I_ein den Strom I_bias der Stromquelle 25 entsprechend mitregelt. Zum einen wählt man hierzu, wie man bei einem einfachen Stromspiegel als Referenz- und Ausgangstransistor Transistoren vom gleichen Typ verwendet, auch hier als Abtast- und Regeltransistor Transistoren vom gleichen Typ ("Matching"). Gleiche Stromdichte im Abtast- und Regeltransistor ist gegeben, wenn das Verhältnis I_bias zu I_ein die folgende Gleichung erfüllt:

mit
W1, W2: = Kanalweite von Regel- bzw. Abtasttransistor,
L1, L2: = Kanallänge von Regel- bzw. Abtasttransistor.

Dann ist die Potentialdifferenz ϕ₃-ϕ₂ gleich der Potentialdifferenz ϕ₁-ϕ₂, und Referenz- und Ausgangstransistor haben die gleiche Drain-Source-Spannung, sind also im gleichen Betriebszustand, und die Stromspiegelschaltung liefert auch bei Ausgangsspannungen unterhalb der effektiven Gate-Source-Spannung den gewünschten, konstanten hohen Ausgangsstrom.

Die Schaltung ist analog zum bisher Beschriebenen auch aus N-Kanal-MOSFET-Transistoren aufbaubar.

Claims (2)

1. Stromspiegelschaltung aus selbstsperrenden P-Kanal- MOSFET-Transistoren mit einem als Referenztransistor bezeichneten Transistor (1), dessen Sourceanschluß mit einer Versorgungsleitung (3) verbunden ist, dessen Drainanschluß (10) über einen Verbindungsknoten (8) mit einer einen Eingangsstrom I_ein liefernden Referenzstromquelle (4) verbunden ist und dessen Gateanschluß (9) mit dem Verbindungsknoten (8) über eine Gate-Drain-Verbindung (6) kurzgeschlossen ist, wobei der Gateanschluß (9) mit dem Gateanschluß eines Ausgangstransistors (2) verbunden ist, dessen Sourceanschluß mit der Versorgungsleitung (3) und dessen Drainanschluß (11) über einen Lastwiderstand (12) mit Masse verbindbar ist, und wobei zwischen Drain und Source des Ausgangstransistors (2) eine als Ausgangsspannung (7) bezeichnete Drain-Source-Spannung abfällt und ein als Ausgangsstrom bezeichneter Strom fließt, wobei eine Zusatzschaltung vorgesehen ist, die eine Erniedrigung der Ausgangsspannung (7) nachweist und die Gate-Source-Spannung des Ausgangstransistors (2) erhöht, um einem durch die Erniedrigung der Ausgangsspannung (7) bewirkten Absinken des Ausgangsstroms entgegenzuwirken, wobei für die Zusatzschaltung zwischen Verbindungsknoten (8) und Drainanschluß (10) des Referenztransistors (1) ein Regeltransistor (20) vorgesehen ist, wobei dessen sourceseitiger Anschluß am Drainanschluß (10) des Referenztransistors und dessen drainseitiger Anschluß am Verbindungsknoten (8) anliegt, und wobei dessen Gate über einen Gateanschluß (22) mit dem Gate eines Abtasttransistors (21) verbunden ist, dessen Sourceanschluß mit dem Drainanschluß (11) des Ausgangstransistors (2) verbunden ist und dessen Drainanschluß (23) sowohl mit dem Gateanschluß (22) über eine Gate-Drain-Verbindung (24) kurzgeschlossen als auch an eine Stromquelle (25) angeschlossen ist, wobei ein Strom I_bias der Stromquelle (25) klein ist, verglichen mit dem Ausgangsstrom und der Regeltransistor (20) mit einer Kanalweite (17) W1 und einer Kanallänge (18) L1 sowie der Abtasttransistor (21) mit einer Kanalweite (17) W2 und einer Kanallänge (18) L2 vorgesehen ist und wobei das Verhältnis vom Strom I_bias der Stromquelle (25) zum Eingangsstrom I_ein folgende Gleichung erfüllt: I_bias/I_ein = (W2/L2) / (W1/L1).

2. Stromspiegelschaltung wie in Anspruch 1 beschrieben, dadurch gekennzeichnet, daß statt P-Kanal-MOSFET- Transistoren N-Kanal-MOSFET-Transistoren verwendet werden.