DE19825029B4

DE19825029B4 - Strommessende Schaltung zur Messung eines Stromflusses durch eine elektrische Last

Info

Publication number: DE19825029B4
Application number: DE19825029A
Authority: DE
Inventors: Junji Kariya Hayakawa; Junichi Kariya Nagata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-05
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: US6011413A; ITMI981217A1; DE19825029A1

Abstract

Strommessende Schaltung zur Messung eines Stromflusses durch eine elektrische Last, mit:
einem ersten elektrischen Pfad, in welchem die elektrische Last angeordnet ist, wobei der erste elektrische Pfad einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, der erste Anschluß sich auf einem ersten elektrischen Potential befindet und der zweite Anschluß sich auf einem zweiten elektrischen Potential unterschiedlich zu dem ersten elektrischen Potential befindet;
einem stromführenden Transistor, welcher erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist, die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß des ersten elektrischen Pfads über die elektrische Last verbunden ist und die dritte Elektrode mit einem Erregungssignal beaufschlagt wird, um einen Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten elektrischen Pfads durch die elektrische Last zu ermöglichen;
einem zweiten elektrischen Pfad, welcher einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß mit...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine strommessende Schaltung, welche entworfen ist, um den Stromfluß durch einen elektrischen Pfad zu messen, und insbesondere auf eine strommessende Schaltung, welche eine einfache Struktur besitzt und darüber hinaus geeignet ist, eine Strommessung mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Das U.S.-Patent Nr. 5,081,379 von Korteling lehrt eine stromabtastende Schaltung, die entworfen ist, den Stromfluß durch einen Leistungstransistor zu messen.
11 stellt eine stromabtastende Schaltung ähnlich der von Korteling entworfenen dar, welche einen stromführenden Transistor Q1, einen strommessenden Transistor Q2 und n-Kanal MOS-Transistoren Q4 und Q5 enthält. Der stromführende Transistor Q1 ist ein n-Kanal MOS-Transistor, welcher mit einem Drainanschluß an eine Spannungsquelle VD und an einem Sourceanschluß über eine elektrische Last L an Masse angeschlossen ist. Der strommessende Transistor Q2 ist ein n-Kanal MOS-Transistor, der mit einem Drain an dem Drain des stromführenden Transistors Q1 angeschlossen ist und mit einem Gate an einem Gate des stromführenden Transistors Q1 angeschlossen ist. Der MOS-Transistor Q4 besitzt einen Drain und ein Source, welche in einem Strompfad angeordnet sind, der sich von dem Source des stromführenden Transistors Q2 zur Masse erstreckt, und besitzt ein Gate, welches mit seinem Drain verbunden ist. Der MOS-Transistor Q5 bildet zusammen mit dem MOS-Transistor Q4 einen Stromspiegel.
Die stromabtastende Schaltung enthält ebenfalls einen Operationsverstärker OP und einen p-Kanal MOS-Transistor Q3. Der Operationsverstärker OP ist mit einem nichtinver tierenden Eingang (+) an dem Source des stromführenden Transistors Q1 angeschlossen und mit einem invertierenden Eingang (–) an dein Source des stromführenden Transistors Q2 angeschlossen und dient dazu, die Sourcespannung des strommessenden Transistors Q2 an die Sourcespannung des stromführenden Transistors Q1 anzupassen. Der MOS-Transistor Q3 ist in Serie zwischen dem Source des stromführenden Transistors Q2 und dem Drain des MOS-Transistors Q4 angeschlossen und ist mit einem Gate an einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP angeschlossen.
Wenn eine gemeinsame Spannung an die Gates des stromführenden Transistors Q1 und des strommessenden Transistors Q2 angelegt wird, fließt der Strom durch die Transistoren Q1 und Q2, wodurch veranlaßt wird, daß die Drain-Source-Spannung des MOS-Transistors Q3, welcher durch einen Ausgang des Operationsverstärkers OP angesteuert wird, sich derart ändert, daß die Sourcespannung des strommessenden Transistors Q2 mit der Sourcespannung des stromführenden Transistors Q1 übereinstimmt. Dadurch wird veranlaßt, daß die elektrischen Potentiale, welche an allen Anschlüssen des stromführenden Transistors Q1 und des strommessenden Transistors Q2 auftreten, identisch zueinander sind. Der Strom I_Q1 fließt somit durch den stromführenden Transistor Q1 (und bildet den Laststrom, welcher durch die elektrische Last L fließt), während der Strom I_Q2, welcher durch ein Größenverhältnis des strommessenden Transistors Q2 zu dem stromführenden Transistor Q1 bestimmt wird, durch den stromführenden Transistor Q2 fließt und durch den MOS-Transistor Q3 in den MOS-Transistor Q4 eintritt. Dadurch wird veranlaßt, daß der Strom i, welcher ein Vielfaches des Stroms I_Q2 ist, durch den MOS-Transistor Q5 fließt, welcher beim Messen des Stroms I_Q1 verwendet wird, der durch den stromführenden Transistor Q1 fließt.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die herkömmliche stromabtastende Schaltung zum genauen Messen des Stroms I_Q1, der durch den stromführenden Transistor Q1 fließt, durch Anpassen der Sourcespannung des strommessenden Transistors Q2 an die Sourcespannung des stromführenden Transistors Q1 unter Verwendung des Operationsverstärkers OP und des spannungssteuernden MOS-Transistors Q3 geeignet ist, jedoch die folgenden Nachteile besitzt.
Die Übereinstimmung der Sourcespannung des strommessenden Transistors Q2 mit derjenigen des stromführenden Transistors Q1 wird durch Steuern der Gate-Source-Spannung des stromsteuernden MOS-Transistors Q3 erreicht. Das Source des MOS-Transistors Q3 ist mit dem Source des strommessenden Transistors Q2 verbunden, und die Sourcespannung des strommessenden Transistors Q2 ist im wesentlichen gleich der Sourcespannung, welche eine Ausgangsspannung Va des stromführenden Transistors Q1 ist, und daher muß der Operationsverstärker OP die dem Gate des MOS-Transistors Q3 ausgegebene Spannung Vb in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Va des stromführenden Transistors Q1 ändern.
Insbesondere wird verlangt, daß der Operationsverstärker OP einen Spannungsausgang über einen Bereich bereitstellt, innerhalb welchem die Ausgangsspannung Va des stromführenden Transistors Q1 sich ändern wird. Wenn beispielsweise sich die Ausgangsspannung Va des stromführenden Transistors Q1 von 1 Volt oder weniger auf einige 10 Volt ändert, muß der Operationsverstärker OP die dem Gate des MOS-Transistors Q3 ausgebene Spannung entsprechend der Änderung der Ausgangsspannung Va stark ändern.
Dementsprechend muß bei der herkömmlichen stromabtastenden Schaltung die Ausgangsspannung Va des stromführenden Transistors Q1 bei der Bestimmung der Spannung und der Kapazität einer Spannungsquelle des Operationsverstärkers OP berücksichtigt werden, was zu einer Komplexidität des Schaltungsentwurfs führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bei dem Stand der Technik auftretenden Nachteile zu vermeiden.
Insbesondere ist es Aufabe der vorliegenden Erfindung, eine leicht zu entwerfende strommessende Schaltung bereitzustellen, welche zur Durchführung einer Strommessung mit hoher Genauigkeit geeignet ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen nebengeordneten Ansprüche.
Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine strommessende Schaltung zum Messen eines Stromflusses durch eine elektrische Last bereitgestellt, welche folgende Komponenten aufweist:

(a) einen ersten elektrischen Pfad, in welchem die elektrische Last angeordnet ist, wobei der erste elektrische Pfad einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, der erste Anschluß sich auf einem erstem elektrischen Potential befindet, der zweite Anschluß sich auf einem zweiten elektrischen Potential befindet, das sich von dem ersten elektrischen Potential unterscheidet;
(b) einen stromführenden Transistor, welcher erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist, die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß des elektrischen Pfads durch die elektrische Last verbunden ist und die dritte Elektrode mit einem Erregungssignal beaufschlagt wird, so daß ein Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten elektrischen Pfads durch die elektrische Last ausgebildet wird;
(c) einen zweiten elektrischen Pfad, welcher einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist und der zweite Anschluß sich auf einem dritten elektrischen Potential befindet;
(d) einen dritten elektrischen Pfad, welcher einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß sich auf einem vierten elektrischen Potential befindet und der zweite Anschluß mit dem zweiten elektrischen Pfad verbunden ist;
(e) einen strommessenden Transistor, welcher in dem zweiten elektrischen Pfad zwischen einer Verbindungsstelle der zweiten und dritten elektrischen Pfade und dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads angeordnet ist, der strommessenden Transistor bezüglich des Typs und der Polarität indentisch zu dem stromführenden Transistor ist und erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit der ersten Elektrode des stromführenden Transistors verbunden ist und die dritte Elektrode mit der dritten Elektrode des stromführenden Transistors verbunden ist;
(f) einen Stromspiegel, welcher einen ersten und einen zweiten Transistor enthält, wobei der erste Transistor in dem zweiten elektrischen Pfad zwischen der Verbindungsstelle der zweiten und dritten elektrischen Pfade und der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeordnet ist, der zweite Transistor in dem dritten elektrischen Pfad zwischen der Verbindung der zweiten und dritten elektrischen Pfade und dem ersten Anschluß des dritten elektrischen Pfads angeordnet ist, so daß ein Stromfluß dadurch ausgebildet wird, welcher ein Vielfaches eines Stroms darstellt, der durch den ersten Transistor fließt; und
(g) eine Spannungssteuerschaltung, die derart entworfen ist, daß eine Spannung, welche an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, an eine Spannung angepaßt wird, welche an der zweiten Elektrode des stromführen den Transistors auftritt, so daß der Stromfluß durch den strommessenden Transistor proportional zu dem Strom sein kann, welcher durch den stromführenden Transistor fließt, wobei die Spannungssteuerschaltung eine spannungsändernde Last, einen Operationsverstärker und einen spannungssteuernden Transistor enthält, wobei die spannungsändernde Last in dem zweiten elektrischen Pfad in Serie mit dem zweiten Anschluß des zweiten elektrischen Pfads und dem ersten Transistor des Stromspiegels angeordnet ist, um eine Spannung zu ändern, welche an einer Verbindungsstelle der spannungsändernden Last und des ersten Transistors entsprechend einem Strom auftritt, der durch die spannungsändernde Last fließt, wobei der Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang an die zweite Elektrode des stromführenden Transistors angeschlossen ist und mit einem nichtinvertierenden Eingang an die zweite Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen ist, und wobei der spannungssteuernde Transistor mit einer ersten Elektrode an der ersten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen ist, mit einer zweiten Elektrode an der Verbindungsstelle der spannungsändernden Last und des ersten Transistors angeschlossen ist und mit einer dritten Elektrode an einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen ist, um den Stromfluß durch die spannungsändernde Last im Ansprechen auf ein Erregungssignal zu modifizieren, welches von dem Operationsverstärker der dritten Elektrode eingegeben wird, um die Spannung zu steuern, die an der Verbindungsstelle der spannungsändernden Last und des ersten Transistors auftritt, so daß die Spannung, welche an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, an die Spannung angepaßt werden kann, die an der zweiten Elektrode des stromführenden Transistors auftritt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zweite elektrische Potential größer als das erste elektrische Potential. Der spannungssteuernde Transistor der Spannungssteuerschaltung ist ein n-Kanal MOS-Transistor.
Das zweite elektrische Potential kann alternativ geringer sein als das erste elektrische Potential. In diesem Fall ist der spannungssteuernde Transistor der Spannungssteuerschaltung ein p-Kanal MOS-Transistor.
Der spannungssteuernde Transistor ist ein Bipolartransistor, welcher einen Kollektor, einen Emitter und eine Basis als die ersten, zweiten und dritten Elektroden des spannungssteuernden Transistors aufweist.
Wenn das zweite elektrische Potential größer als das erste elektrische Potential ist, wird der Bipolartransistor als npn-Bipolartransitor ausgebildet.
Wenn das zweite elektrische Potential niedriger als das erste elektrische Potential ist, wird der Bipolartransistor als npn-Bipolartransistor ausgebildet.
Die spannungsändernde Last der Spannungssteuerschaltung ist ein Widerstand, welcher einen vorgewählten Widerstandswert besitzt.
Die spannungsändernde Last enthält einen Transistor und ein strombeschränkendes Bauelement. Der Transistor ist mit einer ersten Elektrode an dem zweiten Anschluß des zweiten elektrischen Pfads angeschlossen, mit einer zweiten Elektrode an dem ersten Transistor des Stromspiegels angeschlossen und mit einer dritten Elektrode an dem strombeschränkenden Bauelement angeschlossen. Das strombeschränkende Bauelement beschränkt einen Stromfluß durch den Transistor auf einen Wert unterhalb eines vorgewählten Werts.
Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine strommessende Schaltung zur Messung eines Stromflusses durch eine elektrische Last bereitgestellt, welche die folgenden Kompoenten aufweist:

(a) einen ersten elektrischen Pfad, in welchem die elektrische Last angeordnet ist, wobei der erste elektrische Pfad einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, der erste Anschluß sich auf einem ersten elektrischen Potential befindet und sich der zweite Anschluß auf einem zweiten elektrischen Potential befindet, das sich von dem ersten elektrischen Potential unterscheidet;
(b) einen stromführenden Transistor, welcher erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist, die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß des ersten elektrischen Pfads durch die elektrische Last verbunden ist und die dritte Elektrode mit einem Erregungssignal beaufschlagt wird, wodurch ein Stromfluß durch die elektrische Last zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten elektrischen Pfads gebildet wird;
(c) einen zweiten elektrischen Pfad, welcher einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist und der zweite Anschluß sich auf dem dritten elektrischen Potential befindet;
(d) einen strommessenden Transistor, welcher in dem zweiten elektrischen Pfad angeordnet ist, wobei der strommessenden Transistor bezüglich des Typs und der Polarität identisch zu dem stromführenden Transistor ist und erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit der ersten Elektrode des stromführenden Transistors verbunden ist und die dritte Elektrode mit der dritten Elektrode des stromführenden Transistors verbunden ist; und
(e) eine Spannungssteuerschaltung, die entworfen ist, um eine Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors an eine Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors derart anzupassen, daß ein Stromfluß durch den strommessenden Transistor proportional zu dem Stromfluß durch den stromführenden Transistor sein kann, wobei die Spannungssteuerschaltung einen Operationsverstärker und einen spannungssteuernden Transistor enthält, wobei der Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang an der zweiten Elektrode des stromführenden Transistors angeschlossen ist und mit einem nichtinvertierenden Eingang an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen ist, und wobei der spannungssteuernde Transistor mit einer ersten Elektrode aus der ersten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen ist, mit einer zweiten Elektrode an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen ist, und mit einer dritten Elektrode an einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen ist, um die Spannung zu steuern, die an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, so daß die Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors an die Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors angepaßt wird.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Spannungssteuerschaltung ebenfalls eine spannungsändernde Last, welche in dem zweiten elektrischen Pfad in Serie mit dem zweiten Anschluß des zweiten elektrischen Pfads und dem strommessenden Transistor angeordnet ist, um eine Spannung zu ändern, welche an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors entsprechend einem Stromfluß durch die spannungsändernde Last auftritt. Der spannungssteuernde Transistor spricht auf das Erregungssignal von dem Operationsverstärker an, um den Stromfluß durch die spannungsändernde Last zu modifizieren, um die Spannung zu steuern, welche an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, so daß die Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors an die Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors angepaßt wird.
Entsprechend einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine strommessende Schaltung zur Messung eines Stromflusses durch eine elektrische Last bereitgestellt, welche die folgenden Komponenten aufweist:

(a) einen elektrischen Pfad, in welchem die elektrische Last angeordnet ist, wobei der elektrische Pfad einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß sich auf einem ersten elektrischen Potential befindet und sich der zweite Anschluß auf einem zweiten elektrischen Potential unterschiedlich zu dem ersten elektrischen Potential befindet;
(b) einen stromführenden Transistor, welcher erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist, die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß des ersten elektrischen Pfads durch die elektrische Last verbunden ist und die dritte Elektrode mit einem Erregungssignal beaufschlagt wird, so daß ein erster Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des elektrischen durch die elektrische Last ausgebildet wird;
(c) einen strommessenden Transistor, welcher eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, durch welche ein zweiter Strom fließt, der proportional zu dem ersten Stromfluß durch die elektrische Last ist und dazu verwendet wird, den ersten Strom zu messen, wobei sich die erste Elektrode auf einem dritten Potential befindet; und
(d) eine Spannungssteuerschaltung, die mit den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors und den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors verbunden ist, wobei die Spannungssteuerschaltung ein elektrisches Potential, welches an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, derart steuert, daß eine Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors ein Vielfaches der Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors sein kann.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Spannungssteuerschaltung einen ersten und einen zweiten Spannungsteiler und einen Operationsverstärker. Der erste Spannungsteiler stellt einen ersten Spannungsausgang bereit, welcher ein Bruchteil einer Potentialdifferenz zwischen einem höheren elektrischen Potential von elektrischen Potentialen, die an den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors auftreten, und einem niedrigeren elektrischen Potential von elektrischen Potentialen ist, welche an den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors auftreten. Der zweite Spannungsteiler stellt einen zweiten Spannungsausgang bereit, welcher ein Bruchteil einer Potentialdifferenz zwischen einem niedrigeren elektrischen Potential von elektrischen Potentialen, die an den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors auftreten, und einem höheren elektrischen Potential von elektrischen Potentialen ist, die an den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors auftreten. Der Operationsverstärker ändert das elektrische Potential, welches an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, um den ersten Spannungsausgang an den zweiten Spannungsausgang anzupassen.
Der stromführenden Transistor und der strommessenden Transistor sind jeweils als MOS-Transistor ausgebildet.
Des weiteren sind ein erster und zweiter Treiber vorgesehen. Der erste Treiber legt eine Erregungsspannung an ein Gate und ein Source des stromführenden Transistors an, so daß ein erster Stromfluß durch den stromführenden Transistor gebildet wird. Der zweite Treiber legt eine Erregungsspannung an ein Gate und ein Source des strommessende Transistors an, um einen zweiten Stromfluß durch den strommessende Transistor zu bilden.
Der stromführende Transistor und der strommessende Transistor können als Bipolartransistor ausgebildet werden. In diesem Fall legt der erste Treiber eine Erregungsspannung an eine Basis und einen Emitter des stromführenden Transistors an, so daß der erste Stromfluß durch den stromführenden Transistor gebildet wird. Der zweite Treiber legt die Erregungsspannung an eine Basis und einen Emitter des strommessenden Transistors an, so daß der zweite Stromfluß durch den strommessenden Transistor gebildet wird.
Des weiteren ist ein Stromspiegel vorgesehen, welcher einen ersten und einen zweiten Transistor enthält. Der erste Transistor ist zwischen der Spannungssteuerschaltung und dem strommessenden Transistor angeordnet, so daß der zweite Strom durch den ersten Transistor fließt. Der zweite Transistor ist zwischen der Spannungssteuerschaltung und einem Ausgangsanschluß angeordnet, so daß ein dritter Strom durch den zweiten Transistor fließt, welcher ein Vielfaches des zweiten Stroms ist.
Eine spannungsändernde Last und ein spannungssteuernder Transistor sind des weiteren vorgesehen. Die spannungsändernde Last ist mit einem ersten Ende an einer Spannungsquelle angeschlossen und mit einem zweiten Ende an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen, um eine Spannung zu ändern, welche an dem zweiten Ende davon entsprechend einem Stromfluß durch die spannungsändernde Last von der Spannungsquelle auftritt. Der spannungssteuernde Transistor ist parallel zu dem strommessenden Transistor angeordnet und mit einer ersten Elektrode an der ersten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen, mit einer zweiten Elektrode an einer Verbindungsstelle des zweiten Endes der spannungsändernden Last und der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen und mit einer dritten Elektrode an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen, um den Stromfluß durch die spannungsändernde Last im Ansprechen auf das von dem Operationsverstärker eingegebene Erregungssignal zu modifizieren, um die Spannung, welche an dem zweiten Ende der spannungsändernden Last auftritt, derart zu steuern, daß die Spannung, welche an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, an die Spannung angepaßt werden kann, welche an der zweiten Elektrode des stromführenden Transistors auftritt.
Die vorliegende Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.
1 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
3 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
4 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer vierten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer fünften Ausführungsform der Erfindung darstellt;
6 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer sechsten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
7 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer siebenten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
8 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer achten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
9 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer neunten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
10 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine strommessende Schaltung einer zehnten Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
11 zeigt ein Schaltungsdiagramm, welches eine herkömmliche strommessende Schaltung darstellt.
Unter Bezugnahme auf die Figuren, bei welchen gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden, und insbesondere unter Bezugnahme auf 1 wird eine strommessende Schaltung der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Die strommessende Schaltung enthält üblicherweise einen stromführenden Transistor 1, einen strommessenden Transistor 2, einen ersten Transistor 3a, einen zweiten Transistor 3b und einen Widerstand Z. Der stromführende Transi stor 1 ist mit einem Source über einen Anschluß 22 an Masse (= 0V) angeschlossen und mit einem Drain über einen Anschluß 20 und eine elektrische Last L an eine Spannungsquelle VD1 angeschlossen und ermöglicht im eingeschalteten Zustand, daß der Strom I₁ durch die elektrische Last L fließt. Die Spannungsquelle VD1 stellt einen Spannungspegel bereit, der höher als das Massepotential ist. Der strommessende Transistor ist bezüglich des Typs und der Polarität zu dem stromführenden Transistor 1 identisch und besitzt ein Source und ein Gate, welche jeweils an einem Source bzw. einem Gate des stromführenden Transistors 1 angeschlossen sind. Der erste Transistor 3a besitzt einen Drain und ein Gate, welche miteinander verbunden sind, und ist mit dem Drain an einem Drain des strommessenden Transistors 2 angeschlossen. Der zweite Transistor 3b besitzt ein Gate und ein Source, welche mit dem Gate und dem Source des ersten Transistors 3a verbunden sind, und bildet zusammen mit dem ersten Transistor 3a einen Stromspiegel. Der Widerstand Z ist zwischen den Sourceanschlüssen der ersten und zweiten Transistoren 3a und 3b und einer zweiten Spannungsquelle VD2 angeordnet, welche einen Spannungspegel höher als das Massepotential bereitstellt.
Das elektrische Potential, welches beispielsweise an dem Source des stromführenden Transistors 1 oder dem Anschluß 22 wie oben beschrieben auftritt, beträgt 0 Volt, es kann jedoch alternativ irgendein anderes Potential auftreten. Die zweite Spannungsquelle VD2 kann auf demselben Potential wie die erste Spannungsquelle VD1 befindlich sein oder alternativ ein dazu unterschiedliches Potential besitzen.
Der Stromspiegel 3 enthält einen gemeinsamen Anschluß Su, welcher mit den Sourceanschlüssen der ersten und zweiten Transistoren 3a und 3b verbunden ist, durch welche ein gemeinsamer Strom fließt, einen Bezugsstromanschluß S1, welcher mit dem Drain des ersten Transistors 3a verbunden ist, wodurch ein Bezugsstrom fließt, und einen Spiegelstromanschluß M1, welcher mit dem Drain des zweiten Transistors 3b verbunden ist, durch welchen ein Spiegelstrom fließt, der ein Vielfaches des Bezugsstroms beträgt, welcher durch den Bezugsstromanschluß S1 fließt.
Die strommessende Schaltung enthält ebenfalls einen Operationsverstärker OP, einen Spannungssteuertransistor 4 und einen stromerfassenden Widerstand R0. Der Operationsverstärker OP ist mit einem invertierenden Eingang (–) an dem Drain des stromführenden Transistors 1 und mit einem nichtinvertierenden Eingang (+) an dem Drain des strommessenden Transistors 2 angeschlossen. Der Spannungssteuertransistor 4 ist mit einem Drain an einer Verbindungsstelle (dem gemeinsamen Anschluß Su) des Widerstands Z und des ersten Transistors 3a, mit einem Source an dem Source des strommessenden Transistors 2 (d. h. Masse) und mit einem Gate an einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP angeschlossen. Der stromerfassende Widerstand R0 ist in Serie zwischen dem Drain des zweiten Transistors 3b (d. h. dem Spiegelstromanschluß M1) und Masse angeordnet.
Bei dieser Ausführungsform sind der stromführende Transistor 1, der strommessende Transistor 2 und der Spannungssteuertransistor 4 als n-Kanal MOS-Transistor ausgebildet. Der erste und zweite Transistor 3a und 3b sind als p-Kanal MOS-Transistoren ausgebildet. Insbesondere besitzt die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform eine Kopplungsstruktur des kalten Endes, bei welcher die n-Kanal MOS-Transistoren verwendet werden.
Dem stromführenden Transistor 1 und dem strommessenden Transistor 2 werden an den Gates eine Gatespannung VG über einen Anschluß 24 zugeführt. Der Widerstand R0 ist mit einem Ende an einem stromerfassenden Anschluß 28 und mit dem anderen Ende über einen Anschluß 26 an Masse angeschlossen.
Wenn beim Betrieb die Gatespannung VG nicht an den Anschluß 24 angelegt wird, zeigt sich über dem Gate und dem Source des stromführenden Transistors 1 eine Spannung von 0 V, um den stromführenden Transistor 1 auszuschalten, so daß kein Strom durch die elektrische Last L fließt.
Wenn die Gatespannung VG an den Anschluß 24 angelegt wird, fließt der Strom I₁ von der Spannungsquelle VD1 durch die elektrische Last L und zu dem Drain und dem Source des stromführenden Transistors 1, und es fließt ebenfalls der Strom I₂ von der Spannungsquelle VD2 durch den Widerstand Z und den ersten Transistor 3a zu dem strommessenden Transistor 2. Der stromführende Transistor 1 und der strommessende Transistor 2 werden an ihren Drainanschlüssen mittels des Widerstands Z₁ des Operationsverstärkers OP und des Spannungssteuertransistors 4 auf die folgende Weise auf demselben Potential gehalten.
Wenn die Drainspannung des strommessenden Transistors 2 die Drainspannung des stromführenden Transistors 1 überschreitet, wird veranlaßt, daß eine Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP ansteigt, um einen Einschaltwiderstand des Spannungssteuertransistors 4 zu verringern, so daß der Betrag des Stromflusses von dem Widerstand Z auf Masse durch den Spannungssteuertransistor 4 ansteigt. Dadurch wird veranlaßt, daß die Spannung, welche an der Verbindungsstelle des Widerstands Z und des ersten Transistors 3a (d. h. an dem gemeinsamen Anschluß Su des Stromspiegels 3) auftritt, abfällt, um die Drainspannung des strommessenden Transistors 2 mit dein Ergebnis zu verringern, daß die Drainanschlüsse beider Transistoren 1 und 2 auf demselben Potential gehalten werden.
Wenn umgekehrt die Drainspannung des strommessenden Transistors auf einen Wert unterhalb der Drainspannung des stromführenden Transistors 1 verringert wird, wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP zum Abfallen veranlaßt, um den Einschaltwiderstandswert des Spannungssteuertransistors 4 derart zu erhöhen, daß der Betrag des Stromflusses von dem Widerstand Z auf Masse durch den Spannungssteuertransistor 4 sich verringert. Dadurch wird ein Anstieg der Spannung hervorgerufen, welche an der Verbindungsstelle des Widerstands Z und des ersten Transistors 3a auftritt, um die Drainspannung des strommessenden Transistors 2 mit dem Ergebnis zu erhöhen, daß die Drainanschlüsse beider Transistoren 1 und 2 auf demselben Potential gehalten werden.
Insbesondere dient der Spannungssteuertransistor 4 bei der strommessenden Schaltung dieser Ausführungsform dazu, den Betrag des Stromflusses durch den Widerstand Z im Ansprechen auf den Ausgangsspannungspegel des Operationsverstärkers OP zu erhöhen oder zu verringern, um die Spannung, welche an der Verbindungsstelle des Widerstands Z und des ersten Transistors 3a auftritt, zur Anpassung der Drainspannung des strommessenden Transistors 2 an die Drainspannung des stromführenden Transistors 1 zu steuern. Diese Anpassung führt dazu, daß die Drain-Source-Potentialunterschiede des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 gegeneinander in Übereinstimmung gebracht werden, so daß Betriebspunkte der Transistoren 1 und 2 über Sättigungs- und Nichtsättigungsoperationsgebiete hinweg übereinstimmen. Der Strom I₂ fließt somit durch den ersten Transistor 3a und den strommessenden Transistor 2, welcher genau proportional zu dem Strom I₁ ist, der durch den stromführenden Transistor 1 (d. h. die elektrische Last L) entsprechend einem Größenverhältnis des strommessenden Transistors 2 zu dem stromführenden Transistor 1 fließt.
Der Fluß des Stroms I₂ durch den ersten Transistor 3a veranlaßt, daß der Strom I₃, welcher ein Vielfaches des Stroms I₂ ist, durch den zweiten Transistor 3b des Stromspiegels 3 fließt. Die Messung des Stroms I₁, welcher durch den Drain und das Source des stromführenden Transistors 1 fließt, wird somit durch Überwachen der Spannung V_DT erreicht, die an dem Anschluß 28 auftritt, wenn der Strom I₃ durch den stromerfassenden Widerstand R0 fließt.
Es ist zu beachten, daß ein Verhältnis des Stroms I₂ zu dem Strom I₃ ein Stromspiegelverhältnis ist, welches durch die Größe oder Geometrie der ersten und zweiten Transistoren 3a und 3b bestimmt wird.
Wenn ein Größenverhältnis des stromführenden Transistors 1 zu dem strommessenden Transistor 2 m:1 beträgt, dann kann die Beziehung zwischen dem Strom I₁, welcher durch den stromführenden Transistor 1 fließt, und dem Strom I₂, welcher durch den strommessenden Widerstand 2 fließt, ausgedrückt werden als: I1 = m × I2 (1)
Wenn das Stromspiegelverhältnis des Stromspiegels 3 1:n beträgt, dann kann der Strom I₃, welcher durch den zweiten Transistor 3b und den stromerfassenden Widerstand R0 fließt, ausgedrückt werden als: I3 = n × I2 (2)Aus den obigen Gleichungen (1) und (2) ergibt sich die Spannung V_DT, die an dem Anschluß 28 auftritt, zu VDT = (n/m) × R0 × I1 (3)wobei R0 ein Widerstandswert des stromerfassenden Widerstands R0 ist.
Die Gleichung (3) zeigt, daß die Spannung V_DT proportional zu dem Strom I₁ ist, welcher durch den stromführenden Transistor 1 fließt, und die Proportionalitätskonstante lediglich von dem Größenverhältnis des stromführenden Tran sistors 1 zu dem strommessenden Transistor 2 (d. h. m:1), dem Stromspiegelverhältnis von 1:n und dem Widerstandswert des stromerfassenden Widerstands R0 abhängt.
Bei dem Stromspiegel 3 werden die Temperaturcharakteristik der ersten und zweiten Transistoren 3a und 3b gegenseitig aufgehoben, und die Temperaturcharakteristik des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 werden ebenfalls gegeneinander aufgehoben. Die obigen Gleichungen (1) bis (3) werden daher unabhängig von einer Änderung der Umgebungstemperatur erfüllt.
Dementsprechend wird die genaue Messung des Stroms I₁, welcher durch den stromführenden Transistor 1 fließt, unter Verwendung des stromerfassenden Widerstands R0 erzielt, der einen exakten Widerstandswert und eine gute Temperaturcharakteristik besitzt.
Aus der obigen Erörterung ergibt sich, daß die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform entworfen wird, daß das elektrische Potential an dem Drain des strommessenden Transistors 2 an das an dem Drain des stromführenden Transistors 1 durch Einstellen des Stromflusses durch den Widerstand Z, welcher in Serie zwischen dem gemeinsamen Anschluß Su des Stromspiegels 3 und der Spannungsquelle VD2 angeordnet ist, unter Verwendung des Spannungssteuertransistors 4 angepaßt wird. Der Spannungssteuertransistor 4 ist mit dem Source an dem Source des strommessenden Transistors 2 (d. h. dem Massepotential) angeschlossen, so daß die Sourcespannung des Spannungssteuertransistors 4 zu jeder Zeit auf dem Massepotential gehalten wird. Das Ein- und Ausschalten des Spannungssteuertransistors 4 wird somit leicht durch Anlegen der Spannung an das Gate des Spannungssteuertransistors 4 auf der Grundlage des Massepotentials durch den Operationsverstärker OP erreicht.
Sogar wenn beispielsweise die Ausgangsspannung des stromführenden Transistors 1 (d. h. die Drainspannung) von 1 Volt oder weniger auf einige 10 Volt geändert wird, kann die Steuerung des Spannungssteuertransistors 4 durch Ändern der Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP (d. h. der Gatespannung des Spannungssteuertransistors 4) innerhalb eines Bereiches von einigen Volt erreicht werden. Es ist somit unnötig, die Ausgangsspannung des stromführenden Transistors 1 beim Bestimmen der Sourcespannung und der Kapazität des Operationsverstärkers OP zu berücksichtigen. Dies erleichtert den Entwurf der strommessenden Schaltung und eliminiert die Notwendigkeit eines Operationsverstärkers, der zum Ausgeben der Spannung über einen weiten Bereich geeignet ist, innerhalb dessen sich die Ausgangsspannung des stromführenden Transistors 1 ändern würde.
2 zeigt eine strommessende Schaltung der zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform enthält einen als npn-Bipolartransistor ausgebildeten Spannungssteuertransistor 5 und eine stromeinspeisende Schaltung 6. Andere Anordnungen sind identisch zu denjenigen der ersten Ausführungsform, und eine detaillierte Beschreibung davon wird hier ausgelassen.
Der Spannungssteuertransistor 5 ist mit einem Kollektor an dem gemeinsamen Anschluß Su des Stromspiegels 3, mit einem Emitter an dem Source des strommessenden Transistors 2 (d. h. an Masse) und mit einer Basis an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP angeschlossen.
Die stromeinspeisende Schaltung besteht aus einem pnp-Bipolartransistor 6a, einer Konstantstromquelle 6b und einem pnp-Bipolartransistor 6c. Der Transistor 6a besitzt einen Kollektor und eine Basis, die miteinander verbunden sind, und ist mit einem Emitter an der Spannungsquelle VD2 angeschlossen. Die Konstantstromquelle 6b ist zwischen dem Kollektor des Transistors 6a und Masse angeordnet und derart entworfen, daß ein konstanter Stromfluß Ia von dem Transistor 6a auf Masse ermöglicht wird. Der Transistor 6c ist mit einem Emitter an der Spannungsquelle VD2, mit einem Kollektor an dem gemeinsamen Anschluß Su des Stromspiegels 3 und mit einer Basis an der Basis des Transistors 6a angeschlossen.
Beim Betrieb wird der Strom von der Spannungsquelle VD2 dem gemeinsamen Anschluß Su des Stromspiegels 3 durch den Transistor 6c der stromeinspeisenden Schaltung 6 eingespeist. Wenn der Strom, welcher durch den Transistor 6c fließt (d. h. der Kollektor-Emitter-Strom), ansteigt, erhöht sich die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 6c. Die Größe des Stromflusses durch den Transistor 6c hängt von dem Produkt eines Größenverhältnisses des Transistors 6a zu 6c und des konstanten Stroms Ia für einen Überstromschutz des Spannungssteuertransistors 5 ab.
Daher ist die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform ähnlich wie diejenige der ersten Ausführungsform zum Anpassen des elektrischen Potentials an dem Drain des strommessenden Transistors 2 an das elektrische Potential an dem Drain des stromführenden Transistors 1 durch Einstellen des Stromflusses durch den Transistor 6c der stromeinspeisenden Schaltung 6 durch den Spannungssteuertransistor 5 im Ansprechen auf die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP geeignet, um die Spannung zu steuern, welche an dem gemeinsamen Anschluß Su auftritt. Dadurch wird die genaue Messung des Stromflusses durch den stromführenden Transistor 1 ermöglicht.
Bezüglich der Transistoren 6a und 6c der stromeinspeisenden Schaltung 6 können alternativ MOS-Transistoren verwendet werden.
Die oben beschriebenen nützlichen Vorteile der Erfindung können ebenfalls durch die Struktur erzielt werden, bei welcher lediglich der Stromsteuertransistor 4 der ersten Ausführungsform durch einen npn-Bipolartransistor ersetzt wird, oder bei welcher lediglich der Widerstand Z durch die stromeinspeisende Schaltung 6 ersetzt wird.
3 stellt eine strommessende Schaltung der dritten Ausführungsform der Erfindung dar.
Die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform enthält einen Stromspiegel 3', einen Widerstand R1 und einen zweiten Stromspiegel 7. Andere Anordnungen sind mit denjenigen der ersten Ausführungsform identisch, und es wird eine detaillierte Erklärung davon hier ausgelassen.
Der Stromspiegel 3' ist bezüglich seiner Struktur zu dem Stromspiegel 3 der ersten Ausführungsform lediglich dahingehend unterschiedlich, daß ein n-Kanal MOS-Transistor 3c zwischen den Transistoren 3a und 3b angeordnet ist. Der Transistor 3c ist mit einem Gate und einem Source an dem Gate und dem Source des ersten Transistors 3a und mit einem Drain an dem zweiten Spiegelstromanschluß M2 angeschlossen, durch welchen ein Spiegelstrom fließt, welcher ein vorgewähltes Vielfaches des Stroms darstellt, der durch den ersten Transistor 3a fließt.
Das Verhältnis des Stroms I₂, welcher durch den ersten Transistor 3a fließt, zu dem Strom I₃', welcher durch den dritten Transistor 3c fließt, ist ein Stromspiegelverhältnis, welches durch das Größenverhältnis des ersten Transistors 3a zu dem dritten Transistor 3c bestimmt wird.
Der Widerstand R1 ist in Serie zwischen dem Anschluß 24 und den Gates des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 angeordnet. Die Gatespannung V_G wird über den Anschluß 24 und den Widerstand R1 an die Gates der Transistoren 1 und 2 angelegt.
Der zweite Stromspiegel 7 besteht aus n-Kanal MOS-Transistoren 7a und 7b und einer stromschwellenwerterzeugenden Vorrichtung 7c. Der Transistor 7a besitzt einen Drain und ein Gate, welche miteinander verbunden sind, und ist mit dem Drain an dem zweiten Spiegelstromanschluß M2 (d. h. dem Drain des dritten Transistors 3c des Stromspiegels 3') und mit einem Source an Masse über den Anschluß 26 angeschlossen. Der Transistor 7b ist mit einem Gate und einem Source an dem Gate und dem Source des Transistors 7a und mit einem Drain an den Gates des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 angeschlossen. Die stromschwellenwerterzeugende Vorrichtung 7c ist an beiden Enden mit den Gateanschlüssen und Sourceanschlüssen der Transistoren 7a und 7b verbunden und ist aus einem Widerstand oder einem Konstantstromelement gebildet, welches als Überstromschutzvorrichtung arbeitet, die entworfen ist, um den Transistor 7b lediglich dann einzuschalten, wenn der Strom I₃', welcher von dem zweiten Spiegelstromanschluß M2 des Stromspiegels 3' zu dem Transistor 7a fließt, einen vorgewählten Schwellenwert überschreitet.
Beim Betrieb fließt der Strom I₃', welcher proportional zu dem Strom I₁ ist, der durch den stromführenden Transistor 1 fließt, von dem zweiten Spiegelstromanschluß M2 des Stromspiegels 3' zu dem MOS-Transistor 7a des Stromspiegels 7. Wenn der Strom I₃' den von der stromschwellenwerterzeugenden Vorrichtung 7c bereitgestellten Schwellenwert überschreitet, wird der Transistor 7b des zweiten Stromspiegels 7 eingeschaltet, wodurch der Strom I₇ von dem Anschluß 24 durch den Widerstand R1 auf Masse fließt. Dadurch wird veranlaßt, daß die Gate-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 abfällt, um den Stromfluß durch die Transistoren 1 und 2 zu begrenzen.
Insbesondere wenn der Strom I₁, der durch den stromführenden Transistor 1 fließt, aus irgendeinem Grund unerwünscht ansteigt, werden die Ströme I₁ und I₂, welche durch die Transistoren 1 und 2 fließen, durch die Aktivität des zweiten Stromspiegels 7 begrenzt, so daß die Schaltung vor dem Überstrom geschützt wird.
4 stellt eine strommessende Schaltung der vierten Ausführungsform der Erfindung dar. Die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform enthält einen n-Kanal MOS-Transistor 9, einen zweiten Stromspiegel 10, einen Widerstand R2 und einen n-Kanal MOS-Transistor 8. Andere Anordnungen sind zu denjenigen der ersten Ausführungsform identisch, und es wird eine detaillierte Erklärung davon hier ausgelassen.
Der MOS-Transistor 9 ist mit einem Drain an dem Drain des stromführenden Transistors 1, mit einem Source an dem Stromspiegel 10 und mit einem Gate an dem Anschluß 24 über den Widerstand R2 angeschlossen.
Der Stromspiegel 10 besteht aus n-Kanal MOS-Transistoren 10a und 10b und einer stromschwellenwerterzeugenden Vorrichtung 10c. Der Transistor 10a besitzt einen Drain und ein Gate, welche miteinander verbunden sind, und ist mit dem Drain an dem Source des Transistors 9 und mit einem Source über den Anschluß 22 ans Masse angeschlossen. Der Transistor 10b ist mit einem Gate und einem Source an dem Gate und dem Source des Transistors 10a und mit einem Drain an den Gates des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 angeschlossen. Die stromschwellenwerterzeugende Vorrichtung 10c ist mit beiden Enden an den Gate- und Sourceanschlüssen der Transistoren 10a und 10b angeschlossen und ist aus einem Widerstand oder einem Konstantstromelement gebildet, welches als Überstromschutzvorrichtung arbeitet, die entworfen ist, um den Tran sistor 10b lediglich dann einzuschalten, wenn der Strom I₉, welcher von dem Transistor 9 zu dem Transistor 10a fließt, einen vorgewählten Schwellenwert erreicht.
Der MOS-Transistor 8 ist mit einem Drain und einem Gate an einem Ende des Widerstands R2 und mit einem Source an den Gates des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 angeschlossen. Der Widerstand R2 ist ebenfalls mit dem Gate des Transistors 9 verbunden. Insbesondere wird die Gatespannung dem Transistor 9 von dem Anschluß 24 über den Widerstand R2 angelegt. Die Gatespannung V_G wird den Gates des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 von dem Anschluß 24 über den Widerstand R2 und den Drain und das Source des Transistors 8 angelegt.
Der Zweck des Transistors 8 besteht darin, die Gate-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 an die Gate-Source-Spannung des Transistors 9 anzupassen.
Wenn beim Betrieb der Strom I₉, der proportional zu dem Stromfluß I₁ durch den stromführenden Transistor 1 ist, von dem Transistor 9 zu dem Transistor 10a des zweiten Stromspiegels 10 fließt und wenn der Strom I₉ den von der stromschwellenwerterzeugenden Vorrichtung 10c bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird der Transistor 10b des zweiten Stromspiegels 10 eingeschaltet, wodurch der Strom I₁₀ von dem Anschluß 24 über den Widerstand R2 und den Transistor 8 auf Masse fließt. Dadurch wird veranlaßt, daß die Gate-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 abfällt, um den Stromfluß durch die Transistoren 1 und 2 zu begrenzen.
Wenn insbesondere der Strom I₁, welcher durch den stromführenden Transistor 1 fließt, aus irgendeinem Grund unerwünscht ansteigt, werden die Ströme I₁ und I₂, welche durch die Transistoren 1 und 2 fließen, durch die Aktivität des zweiten Stromspiegels 10 begrenzt, um die Schaltung vor dem Überstrom zu schützen.
5 stellt eine strommessende Schaltung der fünften Ausführungsform der Erfindung dar, welche eine Kopplungsstruktur des heißen Endes besitzt, die sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet.
Der stromführende Transistor 1, der strommessende Transistor 2 und der Spannungssteuertransistor 4 sind jeweils als p-Kanal MOS-Transistor ausgebildet. Der Spannungssteuertransistor 4 kann alternativ als pnp-Bipolartransistor ausgebildet sein.
Die ersten und zweiten Transistoren 3a und 3b des Stromspiegels 3 sind jeweils als n-Kanal MOS-Transistor ausgebildet.
Der stromführende Transistor 1 ist mit dem Source über den Anschluß 20 an der Spannungsquelle VD1 und mit dem Drain über den Anschluß 22 und die elektrische Last L an Masse angeschlossen.
Der Widerstand Z ist mit einem Ende an Masse und mit dem anderen Ende an den Sourceanschlüssen der ersten und zweiten Transistoren 3a und 3b und dem Drain des Spannungssteuertransistors 4 angeschlossen. Der Widerstand Z kann alternativ auf einen gegebenen elektrischen Potential geringer als demjenigen der Spannungsquelle VD2 gehalten werden, ohne an Masse angeschlossen zu sein. Der Widerstand R0 ist mit einem Ende über den Anschluß 26 an der Spannungsquelle VD2 und mit dem anderen Ende an dem Drain des zweiten Transistors 3b und dem Anschluß 28 angeschlossen. Andere Anordnungen sind zu denen der ersten Ausführungsform identisch, und es wird eine detaillierte Erörterung davon hier ausgelassen.
Die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform arbeitet bezüglich ihrer Funktion auf dieselbe Weise wie diejenige der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß der Stromfluß umgekehrt ist.
Insbesondere wenn die Drainspannung des strommessenden Transistors 2 die Drainspannung des stromführenden Transistors 1 überschreitet, wird veranlaßt, daß eine Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP ansteigt, um einen Einschaltwiderstandswert des Spannungssteuertransistors 4 zu verringern, so daß sich der Betrag des Stromflusses von der Spannungsquelle VD1 zu dem Widerstand Z durch den Spannungssteuertransistor 4 verringert. Dadurch wird veranlaßt, daß die Spannung, welche an der Verbindungsstelle des Widerstands Z des ersten Transistors 3a (d. h. an dem gemeinsamen Anschluß Su des Stromspiegels 3) abfällt, um die Drainspannung des strommessenden Widerstands 2 mit dem Ergebnis zu verringern, daß die Drainanschlüsse beider Transistoren 1 und 2 auf demselben Potential gehalten werden.
Wenn umgekehrt die Drainspannung des strommessenden Transistors 2 auf einen Wert unterhalb der Drainspannung des stromführenden Transistors 1 verringert wird, wird veranlaßt, daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP abfällt, um den Einschaltwiderstandswert des Spannungssteuertransistors 4 zu erhöhen, so daß der Betrag des Stromflusses von der Spannungsquelle VD1 zu dem Widerstand Z durch den Spannungssteuertransistor 4 ansteigt. Dadurch wird veranlaßt, daß die Spannung, welche an der Verbindungsstelle des Widerstands Z und des ersten Transistors 3a auftritt, ansteigt, um die Drainspannung des strommessenden Transistors 2 mit dem Ergebnis zu erhöhen, daß die Drainanschlüsse beider Transistoren 1 und 2 auf demselben Potential gehalten werden.
Der stromführende Transistor 1 und der strommessenden Transistor 2 der obigen Ausführungsformen können alternativ als Bipolartransistor oder als MIS-Bauelement (Metal-Insulator-Semiconductor-Bauelement) ausgebildet werden. In dem Fall, bei welchem der stromführende Transistor 1 und der strommessende Transistor 2 der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform Bipolartransistoren sind, ist der Transistor 9 ebenfalls als Bipolartransistor ausgebildet.
Die Stromspiegel 3, 3', 7 und 10 können aus Bipolartransistoren anstelle der MOS-Transistoren bestehen oder eine in der Technik bekannte andere ähnliche Schaltung verwenden. In dem Fall, bei welchem der Stromspiegel 10 der vierten Ausführungsform aus Bipolartransistoren besteht, ist der Transistor 8 ebenfalls aus einem Bipolartransistor gebildet.
Wenn wiederum unter Rückbezug auf 1 heftige Spannungsänderungen, die sich in Phase zueinander befinden, an dem Drain und dem Source des stromführenden Transistors Q1 infolge von elektrischem Rauschen beispielsweise auftreten, wird veranlaßt, daß sich die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors Q2 unabhängig von der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors Q1 ändert, wodurch sich ein Fehler der Messung des Stroms I_Q1 ergibt.
Insbesondere induziert das Auftreten einer heftigen Spannungsänderung oder eines Rauschens an dem Drain des stromführenden Transistors Q1 ein ähnliches Rauschen an dem Drain des strommessenden Transistors Q2, da der Drain des strommessenden Transistors 2 direkt mit dem Drain des stromführenden Transistors Q1 verbunden ist.
Da die Betriebsgeschwindigkeit des stromführenden Transistors Q1 relativ hoch ist, tritt ein Rauschen, welches sich in Phase mit dem Rauschen befindet, das an dem Drain des stromführenden Transistors Q1 auftritt, ebenfalls an dem Source davon auf. Die Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors Q1 ändert sich somit kaum.
Die Sourcespannung des strommessenden Transistors Q2 wird wie oben beschrieben durch den Operationsverstärker OP und den Spannungssteuertransitor Q3 eingestellt. Wenn sich die Sourcespannung des stromführenden Transistors Q1 ändert, werden somit der Operationsverstärker OP und der Spannungssteuertransistor Q3 aktiviert, um die Sourcespannung des strommessenden Transistors Q2 an die Sourcespannung des stromführenden Transistors Q1 anzupassen.
Jedoch arbeitet eine Schaltung, welche aus dem Operationsverstärker OP und dem Spannungssteuertransistor Q3 besteht, üblicherweise langsamer als der stromführende Transistor Q1, und daher ändert sich die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors Q2, obwohl sich die Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors Q1 nicht ändert. Dies führt zu einer Instabilität der Messung des Stroms I_Q1.
6 stellt eine strommessende Schaltung der sechsten Ausführungsform der Erfindung dar, die entworfen wird, um die obigen Schwierigkeiten zu vermindern.
Die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform enthält erste und zweite Treiber 30 und 40, einen Stromspiegel 5 und eine Spannungssteuerschaltung 6. Andere Anordnungen sind mit denen der ersten Ausführungsform identisch, und es wird eine detaillierte Erläuterung davon hier ausgelassen.
Der erste Treiber 30 besteht aus einer Konstantstromquelle 30a und einer Zenerdiode 30b. Die Konstantstromquelle 30a ist mit dem Gate des stromführenden Transistors 1 verbunden. Die Zenerdiode 30b ist mit einer Kathode an der Konstantstromquelle 30a und dem Gate des stromführenden Transistors 1 und mit einer Anode an dem Source des stromführenden Transistors 1 angeschlossen.
Ähnlich besteht der zweite Treiber 40 aus einer Konstantstromquelle 40a und einer Zenerdiode 40b. Die Konstantstromquelle 30a ist mit dem Gate des strommessenden Transistors 2 verbunden. Die Zenerdiode 40b ist mit einer Kathode an der Konstantstromquelle 40a und dem Gate des strommessenden Transistors 2 und mit einer Anode an dem Source des strommessenden Transistors 2 angeschlossen.
Der von der Konstantstromquelle 30a des ersten Treibers 30 bereitgestellte konstante Strom ist identisch mit demjenigen, welcher von der Konstantstromquelle 40a des zweiten Treibers 40 bereitgestellt wird. Die Zenerspannung der Zenerdiode 30b ist ebenfalls identisch mit derjenigen der Zenerdiode 40b.
Der Stromspiegel 5 besteht aus ersten und zweiten pnp-Transistoren 5a und 5b. Der erste Transistor 5a ist mit einem Kollektor an einer Basis davon und dem Drain des strommessenden Transistors 2 angeschlossen. Der zweite Transistor 5b ist mit einer Basis und einem Emitter an der Basis und dem Emitter des ersten Transistors 5a und mit einem Kollektor an dem stromerfassenden Anschluß 26 angeschlossen, an welchem der Strom I₃ zur Messung des Stroms I₁ aufgenommen wird, welcher durch den stromführenden Transistor 1 und die elektrische Last L fließt.
Die Spannungssteuerschaltung 6 ist derart entworfen, daß über dem Drain und dem Source des strommessenden Transistors 2 eine Spannung entwickelt wird, welche identisch mit der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 ist. Die Spannungssteuerschaltung 6 besteht aus Widerständen R1 bis R4 und einem Operationsverstärker OP. Die Widerstände R1 bis R4 besitzen denselben Widerstandswert. Der Widerstand R1 ist mit einem Ende über einen Eingangsan schluß J2 an dem Drain des stromführenden Transistors 1 und mit dem anderen Ende an dem Widerstand R2 und einem nichtinvertierenden Anschluß (+) des Operationsverstärkers OP angeschlossen. Der Widerstand R2 ist ebenfalls über einen Ausgangsanschluß J5 mit dem Source des strommessenden Transistors 2 verbunden. Der Widerstand R3 ist mit einem Ende über einen Eingangsanschluß J3 an dem Source des stromführenden Transistors 1 und mit dem anderen Ende an dem Widerstand R4 und einem invertierenden Anschluß (–) des Operationsverstärkers OP angeschlossen. Der Widerstand R4 ist ebenfalls über einen Ausgangsanschluß J4 mit dem Drain des strommessenden Transistors 2 verbunden. Der Operationsverstärker OP ist ebenfalls mit einem Ausgangsanschluß an den Emitteranschlüssen der ersten und zweiten Transistoren 5a und 5b des Stromspiegels 5 über einen Ausgangsanschluß J1 angeschlossen.
Beim Betrieb stellt im eingeschalteten Zustand die Konstantstromquelle 30a des ersten Treibers 30 der Zenerdiode 30b einen konstanten Strom bereit, damit sich die Zenerspannung über der Kathode und Anode davon entwickelt, welche wiederum über dem Gate und dem Source des stromführenden Transistors 1 angelegt wird, um ihn einzuschalten.
Ähnlich stellt im eingeschalteten Zustand die Konstantstromquelle 40a des zweiten Treibers 40 der Zenerdiode 40b einen konstanten Strom bereit, um die Zenerspannung über der Kathode und Anode davon zu entwickeln, welche wiederum über dem Gate und dem Source des strommessenden Transistors 2 angelegt wird, um ihn einzuschalten. Diese Zenerspannung ist bezüglich des Potentials mit derjenigen der Zenerdiode 30b identisch, welche an den stromführenden Transistor 1 angelegt wird.
Wenn der stromführende Transistor 1 und der strommessende Transistor 2 durch die Anwendung der Zenerspannungen eingeschaltet werden, fließt der Strom I₁ von der Spannungsquelle VD1 über den Drain und das Source des stromführenden Transistors 1 zu der elektrischen Last L. Der Fluß des Stroms I₁ durch den stromführenden Transistor 1 sorgt dafür, daß sich die Potentialdifferenz zwischen dem Drain und dem Source davon wegen des Einschaltwiderstandswerts des stromführenden Transistors 1 entwickelt. Die Entwicklung der Potentialdifferenz aktiviert die Spannungssteuerschaltung 6, um die Emitterspannungen der ersten und zweiten Transistoren 5a und 5b des Stromspiegels 5 derart einzustellen, daß die Drain-Source-Spannung des Stromspiegeltransistors 2 mit der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 übereinstimmen kann.
Insbesondere stellen die Widerstände R1 und R2 dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers OP eine Ausgangsspannung bereit, welche ein Bruchteil einer Differenz zwischen der Drainspannung des stromführenden Transistors 1 und der Sourcespannung des strommessenden Transistors 2 ist. Ähnlich stellen die Widerstände R3 und R4 dem invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers OP eine Ausgangsspannung bereit, welche ein Bruchteil einer Differenz zwischen der Sourcespannung des stromführenden Transistors 1 und der Drainspannung des strommessenden Transistors 2 ist. Der Operationsverstärker OP modifiziert eine Ausgangsspannung davon (d. h. die Emitterspannungen der ersten und zweiten Transistoren 5a und 5b des Stromspiegels 5) derart, daß die an den nichtinvertierenden Eingang (+) und den invertierenden Eingang (–) angelegten Spannungen miteinander übereinstimmen können.
In dem Fall, bei welchem das Widerstandswertverhältnis (R2/R1) des ersten Widerstands R1 zu dem zweiten Widerstand R2 gleich dem Widerstandswertverhältnis (R4/R3) des dritten Widerstands R3 zu dem vierten Widerstand R4 ist, stellt der Operationsverstärker OP die Ausgangsspannung derart bereit, daß die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transi stors 2 das (R2/R1 = R4/R3)-fache der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 betragen kann. Bei dieser Ausführungsform besitzen die Widerstände R1 bis R4 wie oben beschrieben denselben Widerstandswert. Die Emitterspannungen der ersten und zweiten Transistoren 5a und 5b des Stromspiegels 5 werden somit von der Spannungssteuerschaltung 6 gesteuert, so daß die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors 2 das Einfache der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 betragen wird.
Wenn die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors 2 durch die oben beschriebene Aktivität der Spannungssteuerschaltung 6 in Übereinstimmung mit der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 gebracht wird, wird veranlaßt, daß die Drain-Source-Potentialdifferenzen zwischen den Transistoren 1 und 2 sich derart aneinander anpassen, daß die Betriebspunkte der Transistoren 1 und 2 über Sättigungs- und Nichtsättigungsbetriebsgebiete davon hinweg übereinstimmen. Der Strom I₂ fließt somit durch den strommessenden Transistor 2, welcher genau proportional zu dem Stromfluß I₁ durch den stromführenden Transistor 1 und die elektrische Last L entsprechend einem Größenverhältnis (d. h. einem geometrischen Flächenverhältnis) des strommessenden Transistors 2 zu dem stromführenden Transistor 1 ist.
Der Stromfluß I₂ durch den ersten Transistor 5a sorgt dafür, daß der Strom I₃, welcher ein gegebenes Vielfaches des Stroms I₂ ist, durch den zweiten Transistor 5b des Stromspiegels 5 fließt. Die Messung des Stroms I₁, welcher durch den Drain und das Source des stromführenden Transistors 1 fließt, wird somit durch Überwachen des Stroms I₃ erreicht, welcher aus dem Anschluß 28 herausfließt.
Wenn das Größenverhältnis des stromführenden Transistors 1 zu dem strommessenden Transistor 2 m:1 beträgt und das Stromspiegelverhältnis des Stromspiegels 5, welches ein Größenverhältnis der ersten und zweiten Transistoren 5a und 5b ist, 1:n beträgt, dann kann der Strom I₃ ausgedrückt werden durch: I2 = I1/m I3 = I2/n I3 = I1/(m × n)
Aus der obigen Erörterung ist ersichtlich, daß der stromführende Transistor der strommessenden Schaltung dieser Ausführungsform nicht direkt mit dem strommessenden Transistor 2 verbunden ist. Die Spannungssteuerschaltung 6 steuert die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors 2, um eine Übereinstimmung mit der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 zu erzielen. Wenn daher gleichphasige Spannungsänderungen an dem Drain und dem Source des stromführenden Transistors 1 auftreten und veranlaßt wird, daß sich absolute elektrische Potentiale, welche an dem Drain und dem Source des stromführenden Transistors 1 auftreten, ändern, während jedoch die Drain-Source-Spannung davon unverändert verbleibt, wird die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors 2 konstant gehalten.
7 stellt eine strommessende Schaltung der siebenten Ausführungsform der Erfindung dar.
Die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform enthält einen Stromspiegel 70, welcher aus ersten und zweiten npn-Transistoren 70a und 70b besteht. Der erste Transistor 70a ist mit einem Kollektor an einer Basis davon und dem Source des strommessenden Transistors 2 angeschlossen. Der zweite Transistor 70b ist mit einer Basis und einem Emitter an der Basis und dem Emitter des ersten Transistors 70a und mit einem Kollektor an dem stromerfassenden Anschluß 28 angeschlossen. Die ersten und zweiten Transistoren 70a und 70b sind mit den Emittern davon an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP angeschlossen.
Der strommessende Transistor 2 ist mit dem Drain an einem Hochpotentialanschluß 25 angeschlossen, welcher zu einer Spannungsquelle (beispielsweise der Spannungsquelle VD1) führt, die geeignet ist, einen Spannungsausgang gleich einer maximalen Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP bereitzustellen.
Der Operationsverstärker OP der Spannungssteuerschaltung 6 ist mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) an der Verbindungsstelle der Widerstände R3 und R4 und mit dem invertierenden Eingang (–) an der Verbindungsstelle der Widerstände R1 und R2 angeschlossen. Andere Anordnungen sind identisch mit denjenigen der in 6 dargestellten sechsten Ausführungsform, und es wird eine detaillierte Erörterung davon hier ausgelassen.
Wenn beim Betrieb der stromführende Transistor 1 und der strommessende Transistor 2 durch die ersten und zweiten Treiber 30 und 40 eingeschaltet werden, wird veranlaßt, daß der Strom I₁ von der Spannungsquelle VD1 über die elektrische Last L auf Masse fließt.
Die Spannungssteuerschaltung 6 steuert die Emitterspannungen der ersten und zweiten Transistoren 70a und 70b des Stromspiegels 70 derart, daß die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors 2 mit der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 übereinstimmen kann. Dadurch wird veranlaßt, daß der Strom 12 durch den strommessenden Transistor 2 und den ersten Transistor 70a des Stromspiegels 70 fließt, welcher proportional zu dem Strom I₁ ist, welcher durch den stromführenden Transistor 1 und die elektrische Last L fließt. Der Stromfluß I₂ durch den ersten Transistor 70a veranlaßt, daß der Strom I₃, welcher ein gegebenes Vielfaches des Stroms I₂ ist, von dem strom messenden Anschluß 20 in den zweiten Transistor 70b fließt. Die Messung des Stroms I₁, der durch den Drain und das Source des stromführenden Transistors 1 fließt, wird somit durch Überwachen des Stroms I₃ erzielt.
8 stellt eine strommessende Schaltung der achten Ausführungsform der Erfindung dar, welche sich von der in 6 dargestellten sechsten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, daß der stromführende Transistor 1 mit dem Source über den Anschluß 22 an Masse und mit dem Drain über die elektrische Last L und den Anschluß 20 an der Spannungsquelle VD1 angeschlossen ist. Insbesondere besitzt die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform eine Kopplungsstruktur des kalten Endes, bei welcher der stromführende Transistor 1 sich auf einem elektrischen Potential niedriger als demjenigen der elektrischen Last L befindet. Andere Anordnungen sind identisch mit denjenigen der sechsten Ausführungsform, und es wird eine detaillierte Erörterung davon hier ausgelassen.
9 stellt eine strommessende Schaltung der neunten Ausführungsform der Erfindung dar, welche sich bezüglich der in 8 dargestellten siebenten Ausführungsform dahingehend unterscheidet, daß der stromführende Transistor 1 mit dem Source über den Anschluß 22 an Masse und mit dem Drain über die elektrische Last L und den Anschluß 20 an der Spannungsquelle VD1 angeschlossen ist. Insbesondere besitzt die strommessende Schaltung dieser Ausführungsform eine Kopplungsstruktur des kalten Endes, bei welcher der stromführende Transistor 1 sich auf einem elektrischen Potential niedriger als dem der elektrischen Last L befindet. Andere Anordnungen sind identisch mit denjenigen der siebenten Ausführungsform, und es wird eine detaillierte Erörterung davon hier ausgelassen.
Der stromführende Transistor 1 und der strommessende Transistor 2 der sechsten bis neunten Ausführungsform kön nen alternativ als p-Kanal MOS-Transistor, als Bipolartransistor oder als MIS-Bauelement (Metal-Insulator-Semiconductor-Bauelement) ausgebildet sein.
In dem Fall, bei welchem beispielsweise npn-Transistoren als die Transistoren 1 und 2 verwendet werden, sind die npn-Transistoren mit Kollektoren, Emittern und Basen davon an Teilen der Schaltung angeschlossen, mit welchen die Drain-, Source- und Gateanschlüsse der Transistoren 1 und 2 der sechsten bis neunten Ausführungsform verbunden sind. In diesem Fall fließt der Erregungsstrom von der Konstantstromquelle 30a des ersten Treibers 30 durch die Basis und den Emitter des stromführenden Transistors 1. Ähnlich fließt der Erregungsstrom, welcher identisch mit dem von dem ersten Treiber 30 Bereitgestellten ist, von der Konstantstromquelle 40a des zweiten Treibers 40 durch die Basis und den Emitter des strommessenden Transistors 2.
Die Stromspiegel 5 und 70 können alternativ aus MOS-Transistoren anstelle der Bipolartransistoren bestehen oder irgendeine andere in der Technik bekannte ähnliche Schaltung verwenden.
Die ersten und zweiten Treiber 30 und 40 können alternativ mit irgendeiner anderen ähnlichen in der Technik bekannten Struktur ausgebildet werden, die entworfen ist, um die Gate-Source-Spannungen des stromführenden Transistors 1 und des strommessenden Transistors 2 einander anzupassen.
Anstelle der Stromspiegel 5 und 7 kann ein Widerstand in Serie zwischen dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers OP und dem strommessenden Transistor 2 angeordnet werden. In diesem Fall kann die Messung des Stroms I₁ durch Überwachen einer Potentialdifferenz erreicht werden, die zwischen beiden Enden des Widerstands auftritt, um den Stromfluß durch den strommessenden Transistor 2 zu bestimmen.
Während die Spannungssteuerschaltung 6 die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors 2 steuert, um mit der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 übereinzustimmen, wird das Drain-Source-Spannungsverhältnis des strommessenden Transistors 2 zu dem stromführenden Transistor 1 nicht auf eins (1) beschränkt. Beispielsweise können sowohl das Widerstandswertsverhältnis (R2/R1) des ersten Widerstands R1 zu dem zweiten Widerstand R2 als auch das Widerstandswertverhältnis (R4/R3) des dritten Widerstands R3 zu dem vierten Widerstand R4 zwei (2) sein. In diesem Fall stellt der Operationsverstärker OP die Ausgangsspannung derart bereit, daß die Drain-Source-Spannung des strommessenden Transistors 2 das Zweifache der Drain-Source-Spannung des stromführenden Transistors 1 betragen kann.
10 stellt eine strommessende Schaltung der zehnten Ausführungsform der Erfindung dar, welche bezüglich der in 6 dargestellten Ausführungsform lediglich dahingehend unterschiedlich ist, daß die Spannungsquelle VD2, der Widerstand Z und der Spannungssteuertransistor 4, welche identisch mit denjenigen der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform sind, vorgesehen werden. Andere Anordnungen sind identisch, und es wird eine detaillierte Erläuterung davon hier ausgelassen.
Diese Ausführungsform besitzt somit die zwei oben beschriebenen Vorteile, welche von den ersten und sechsten Ausführungsformen geboten werden.
Vorstehend wurde eine verbesserte Struktur einer strommessenden Schaltung offenbart. Es wird eine strommessende Schaltung bereitgestellt, welche entworfen ist, den Stromfluß durch eine elektrische Last und einen schaltenden Transistor zu messen. Die strommessende Schaltung enthält eine strommessende Vorrichtung. Die strommessende Vorrichtung enthält einen strommessenden Transistor und eine Spannungssteuerschaltung. Der strommessende Transistor ist parallel zu dem schaltenden Transistor angeordnet und ermöglicht den Stromfluß dadurch, welcher proportional zu dem Stromfluß durch die elektrische Last und den schaltenden Transistor ist und zur Messung des Stromflusses durch den schaltenden Transistor und die elektrische Last verwendet wird. Die Stromsteuerschaltung steuert eine Potentialdifferenz über dem strommessenden Transistor, um eine Potentialdifferenz über dem schaltenden Transistor anzupassen, wodurch erreicht wird, daß der Stromfluß durch den strommessenden Transistor proportional zu dem Stromfluß durch den schaltenden Transistor und die elektrische Last ist.

Claims

Strommessende Schaltung zur Messung eines Stromflusses durch eine elektrische Last, mit: einem ersten elektrischen Pfad, in welchem die elektrische Last angeordnet ist, wobei der erste elektrische Pfad einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, der erste Anschluß sich auf einem ersten elektrischen Potential befindet und der zweite Anschluß sich auf einem zweiten elektrischen Potential unterschiedlich zu dem ersten elektrischen Potential befindet; einem stromführenden Transistor, welcher erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist, die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß des ersten elektrischen Pfads über die elektrische Last verbunden ist und die dritte Elektrode mit einem Erregungssignal beaufschlagt wird, um einen Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten elektrischen Pfads durch die elektrische Last zu ermöglichen; einem zweiten elektrischen Pfad, welcher einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist und der zweite Anschluß sich auf einem dritten elektrischen Potential befindet; einem dritten elektrischen Pfad, welcher einen ersten, zweiten und dritten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß sich auf einem vierten elektri schen Potential befindet, der zweite Anschluß mit dem zweiten elektrischen Pfad verbunden ist und der dritte Anschluß über einen stromerfassenden Widerstand mit dem ersten Anschluß verbunden ist und sich auf dem ersten elektrischen Potential befindet; einem strommessenden Transistor, welcher in dem zweiten elektrischen Pfad zwischen einer Verbindungsstelle der zweiten und dritten elektrischen Pfade und dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads angeordnet ist, wobei der strommessende Transistor bezüglich des Typs und der Polarität mit dem stromführenden Transistor identisch ist und erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit der ersten Elektrode des stromführenden Transistors verbunden ist und die dritte Elektrode mit der dritten Elektrode des stromführenden Transistors verbunden ist; einem Stromspiegel, welcher einen ersten und zweiten Transistor enthält, wobei der erste Transistor in dem zweiten elektrischen Pfad zwischen der Verbindungsstelle der zweiten und dritten elektrischen Pfade und der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeordnet ist und der zweite Transistor in dem dritten elektrischen Pfad zwischen der Verbindungsstelle der zweiten und dritten elektrischen Pfade und dem ersten Anschluß des dritten elektrischen Pfads angeordnet ist, um einen Stromfluß dadurch zu ermöglichen, welcher ein gegebenes Vielfaches eines Stromflusses durch den ersten Transistor ist; und einer Spannungssteuerschaltung, die entworfen ist, eine an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftretende Spannung an eine an der zweiten Elektrode des stromführenden Transistors auftretende Spannung derart anzupassen, daß der Stromfluß durch den strommessenden Transistor proportional zu dem Stromfluß durch den stromführenden Transistor ist, wobei die Spannungssteuerschaltung eine spannungsändernde Last, einen Operationsverstärker und einen spannungssteuernden Transistor enthält, wobei die spannungsändernde Last in dem zweiten elektrischen Pfad in Serie mit dem zweiten Anschluß des zweiten elektrischen Pfads und dem ersten Transistor des Stromspiegels angeordnet ist, um eine Spannung zu ändern, die an einer Verbindungsstelle der spannungsändernden Last und des ersten Transitors entsprechend einem Stromfluß durch die spannungsändernde Last auftritt, wobei der Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang an der zweiten Elektrode des stromführenden Transistors und mit einem nichtinvertierenden Eingang an der der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen ist, wobei der spannungssteuernde Transistor mit einer ersten Elektrode an der dritten Elektrode des strommessenden Transistors, mit einer zweiten Elektrode an der Verbindungsstelle der spannungsändernden Last des ersten Transistors und mit einer dritten Elektrode an einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen ist, um den Stromfluß durch die spannungsändernde Last im Ansprechen auf ein Erregungssignal zu modifizieren, welches von dem Operationsverstärker der dritten Elektrode eingegeben wird, um die an der Verbindungsstelle der spannungsändernden Last und des ersten Transistors auftretende Spannung derart zu steuern, daß die an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftretende Spannung an die an der zweiten Elektrode des stromführenden Transistors auftretende Spannung angepaßt wird, wobei sich der zu messende durch die elektrische Last fließende Strom an dem stromerfassenden Widerstand als Spannung messen läßt und sich diese Spannung aus den Proportionalitäten zwischen dem Stromfluß durch den stromführenden Transistor und dem Stromfluß durch den strommessenden Transistor und zwischen dem Stromfluß durch den ersten Transistor des Stromspiegels und den Stromfluß durch den zweiten Transistor des Stromspiegels, aus dem Größenverhältnis des stromführenden Transistors zu dem strommessenden Transistor sowie dem Stromspiegelverhältnis des Stromspiegels und aus der Größe des stromerfassenden Widerstands ergibt.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite elektrische Potential größer als das erste elektrische Potential ist und der spannungssteuernde Transistor der Spannungssteuerschaltung ein n-Kanal MOS-Transistor ist.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite elektrische Potential kleiner als das erste elektrische Potential ist und der spannungssteuernde Transistor der Spannungssteuerschaltung ein p-Kanal MOS-Transistor ist.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungssteuernde Transistor ein Bipolartransistor ist, welcher einen Kollektor, einen Emitter und eine Basis als erste, zweite und dritte Elektroden des spannungssteuernden Transistors aufweist.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß das zweite elektrische Potential größer als das erste elektrische Potential ist und der Bipolartransistor ein npn-Bipolartransistor ist.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite elektrische Potential kleiner als das erste elektrische Potential ist und der Bipolartransistor ein npn-Bipolartransistor ist.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsändernde Last der Spannungssteuerschaltung ein Widerstand mit einem vorgewählten Widerstandswert ist.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsändernde Last einen Transistor und ein strombeschränkendes Bauelement enthält, wobei der Transistor mit einer ersten Elektrode an dem zweiten Anschluß des zweiten elektrischen Pfads, mit einer zweiten Elektrode an dem ersten Transistor des Stromspiegels und mit einer dritten Elektrode an dem strombeschränkenden Bauelement angeschlossen ist und das strombeschränkende Bauelement einen Stromfluß durch den Transistor auf einen Wert unterhalb eines vorgewählten Werts beschränkt.
Strommessende Schaltung zur Messung eines Stromflusses durch eine elektrische Last, mit: einem ersten elektrischen Pfad, in welchem die elektrische Last angeordnet ist, wobei der erste elektrische Pfad einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, der erste Anschluß sich auf einem ersten elektrischen Potential befindet und der zweite Anschluß sich auf einem zweiten elektrischen Potential unterschiedlich zu dem ersten elektrischen Potential befindet; einem stromführenden Transistor, welcher erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist, die zweite Elektrode über die elektrische Last mit dem zweiten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist und die dritte Elektrode mit einem Erregungssignal beaufschlagt wird, um einen Stromfluß durch die elektrische Last zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des ersten elektrischen Pfads zu ermöglichen; einem zweiten elektrischen Pfad, welcher einen ersten und einen zweiten Anschluß aufweist, wobei der erste Anschluß mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist und der zweite Anschluß sich auf einem dritten elektrischen Potential befindet; einem strommessenden Transistor, welcher in dem zweiten elektrischen Pfad angeordnet ist, wobei der strommessende Transistor bezüglich des Typs und der Polarität mit dem stromführenden Transistor identisch ist und erste, zweite und dritten Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit der ersten Elektrode des stromführenden Transistors verbunden ist und die dritte Elektrode mit der dritten Elektrode des stromführenden Transistors verbunden ist; und einer Spannungssteuerschaltung, die entworfen ist, um eine Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors an eine Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors derart anzupassen, daß ein Stromfluß durch den strommessenden Transistor proportional zu dem Stromfluß durch den stromführenden Transistor ist, wobei die Spannungssteuerschaltung einen Operationsverstärker und einen spannungssteuernden Transistor enthält, wobei der Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang an der zweiten Elektrode des stromführenden Transistors und mit einem nichtinvertierenden Eingang an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen ist und wobei der spannungssteuernde Transistor mit einer ersten Elektrode an der dritten Elektrode des strommessenden Transistors, mit einer zweiten Elektrode an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors und mit einer dritten Elektrode an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen ist, um die Spannung, welche an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, derart zu steuern, daß die Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors an die Potentialdifferenz zwischen den ersten und den zweiten Elektroden des stromführenden Transistors angepaßt wird, wobei die Spannungssteuerschaltung ebenfalls eine spannungsändernde Last enthält, welche in dem zweiten elektrischen Pfad in Serie mit dem zweiten Anschluß des zweiten elektrischen Pfads und dem strommessenden Transistor angeordnet ist, um eine Spannung zu ändern, welche an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors entsprechend einem Stromfluß durch die spannungsändernde Last auftritt, und der spannungssteuernde Transistor auf das Erregungssignal von dem Operationsverstärker anspricht, um den Stromfluß durch die spannungsändernde Last zu modifizieren, um die an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftretende Spannung derart zu steuern, daß die Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors an die Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors angepaßt wird.
Strommessende Schaltung zur Messung eines Stromflusses durch eine elektrische Last, mit: einem elektrischen Pfad, in welchem die elektrische Last angeordnet ist, wobei der elektrische Pfad einen ersten und zweiten Anschluß aufweist, der erste Anschluß sich auf einem ersten elektrischen Potential befindet und der zweite Anschluß sich auf einem zweiten elektrischen Potential unterschiedlich zu dem ersten elektrischen Potential befindet; einem stromführenden Transistor, welcher erste, zweite und dritte Elektroden aufweist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluß des ersten elektrischen Pfads verbunden ist, die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluß des ersten elektrischen Pfads über die elektrische Last verbunden ist und die dritte Elektrode mit einem Erregungssignal beaufschlagt wird, um einen ersten Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen des elektrischen Pfads durch die elektrische Last zu ermöglichen; einem strommessenden Transistor, welcher eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, durch welche ein zweiter Strom fließt, der proportional zu dem ersten Stromfluß durch die elektrische Last ist und zur Messung des ersten Stroms verwendet wird, wobei die erste Elektrode sich auf einem dritten elektrischen Potential befindet; und einer Spannungssteuerschaltung, welche mit den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors und den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors verbunden ist, wobei die Spannungssteuerschaltung ein elektrisches Potential, welches an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, derart steuert, daß eine Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors ein gegebenes Vielfaches der Potentialdifferenz zwischen den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors ist.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerschaltung einen ersten und zweiten Spannungsteiler und einen Operationsverstärker enthält, wobei der erste Spannungsteiler einen ersten Spannungsausgang bereitstellt, welcher ein Bruchteil einer Potentialdifferenz zwischen einem höheren elektrischen Potential von elektrischen Potentialen, die an den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors auftreten, und einem niedrigeren elektrischen Potential von elektrischen Potentialen ist, welche an den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors auftreten, wobei der zweite Spannungsteiler einen zweiten Spannungsausgang bereitstellt, welcher ein Bruchteil einer Potentialdifferenz zwischen einem niedrigeren elektrischen Potential von elektrischen Potentialen, die an den ersten und zweiten Elektroden des stromführenden Transistors auftreten, und einem höheren elektrischen Potential von elektrischen Potentialen ist, die an den ersten und zweiten Elektroden des strommessenden Transistors auftreten, wobei der Operationsverstärker das elektrische Potential ändert, welches an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftritt, um den ersten Spannungsausgang an den zweiten Spannungsausgang anzupassen.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der stromführende Transistor und der strommessende Transistor jeweils als MOS-Transistor ausgebildet sind.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Treiber, wobei der erste Treiber eine Erregungsspannung über ein Gate und ein Source des stromführenden Transistors anlegt, um den ersten Stromfluß durch den stromführenden Transistor zu ermöglichen, und der zweite Treiber eine Erregungsspannung über ein Gate und ein Source des strommessenden Transistors anlegt, um den zweiten Stromfluß durch den strommessenden Transistor zu ermöglichen.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der stromführenden Transistor und der strommessenden Transistor jeweils als Bipolartransistor ausgebildet sind.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Treiber, wobei der erste Treiber eine Erregungsspannung über eine Basis und einen Emitter des stromführenden Transistors anlegt, um den ersten Stromfluß durch den stromführenden Transistor zu ermöglichen, und der zweite Treiber eine Erregungsspannung über eine Basis und einen Emitter des strommessenden Transistors anlegt, um den zweiten Stromfluß durch den strommessenden Transistor zu ermöglichen.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Stromspiegel, welcher einen ersten und einen zweiten Transistor enthält, wobei der erste Transistor zwischen der Spannungs steuerschaltung und dem strommessenden Transistor angeordnet ist, so daß der zweite Strom durch den ersten Transistor fließt, und wobei der zweite Transistor zwischen der Spannungssteuerschaltung und dem Ausgangsanschluß angeordnet ist, so daß ein dritter Strom durch einen zweiten Transistor fließt, welcher ein gegebenes Vielfaches des zweiten Stroms ist.
Strommessende Schaltung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine spannungsändernde Last und einen spannungssteuernden Transistor, wobei die spannungsändernde Last mit einem ersten Ende an einer Spannungsquelle und mit einem zweiten Ende an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors angeschlossen ist, um eine Spannung zu ändern, welche an dem zweiten Ende davon entsprechend einem Stromfluß durch die spannungsändernde Last von der Spannungsquelle auftritt, wobei der spannungssteuernde Transistor parallel zu dem strommessenden Transistor angeordnet ist und mit einer ersten Elektrode an der ersten Elektrode des strommessenden Transistors, mit einer zweiten Elektrode an einer Verbindungsstelle des zweiten Endes der spannungssteuernden Last und der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors und mit einer dritten Elektrode an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers angeschlossen ist, um den Stromfluß durch die spannungsändernde Last im Ansprechen auf das von dem Operationsverstärker eingegebene Erregungssignal zu modifizieren, um die an dem zweiten Ende der spannungsändernden Last auftretende Spannung derart zu steuern, daß die an der zweiten Elektrode des strommessenden Transistors auftretende Spannung an die an der zweiten Elektrode des stromführenden Transistors auftretende Spannung angepaßt wird.