DE2035969A1

DE2035969A1 - Integrable current-controlled power source

Info

Publication number: DE2035969A1
Application number: DE19702035969
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl.-Ing. 8000 München Müller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-07-20
Filing date: 1970-07-20
Publication date: 1972-02-03
Also published as: DE2035969B2

Description

Integrierbare stromgesteuerte Stromquelle Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierbare stromgesteuerte Stromquelle mit einem Eingang für den steuernden Strom und einem Ausgang für den gesteuerten Strom. Integrable Current Controlled Current Source The invention relates to to an integrable current-controlled current source with an input for the controlling one Current and an output for the controlled current.

Bei der Gestaltung elektronischer Halbleiterschaltungen in integrierter Technik ist es im Hinblick auf eine optimale Ausnutzung der hier zur Verfügung stehenden Vertahren der Dickfilm-, DUnnfilm- und sonolithischen Technik erforderlich, die Schaltungen ohne Spulen und, soweit möglich, auch mit einem Minimum anaRondensatoren und Widerständen zu verwirklichen.When designing electronic semiconductor circuits in integrated It is technology with a view to making the best possible use of what is available here The thick-film, thin-film and sonolithic techniques are required Circuits without coils and, as far as possible, with a minimum of capacitors and to realize resistance.

Die bei solchen elektronischen Halbleiterschaltungen primär zur Anwendung gelangenden Transistoren sind im Gegensatz zur klassischen Verstärkerröhre stromgesteuerte Elemente, die für ihre einwandfreie Funktion innerhalb der Gesaitschaltung vielfach Stromquellen benötigen. Stromquellen ermöglichen eine weitgehende Unabhängigkeit der Funktionstüchtigkeit solcher Schaltungen von der Versorgungsspannung. Im allgemeinen werden in einer integrierten Halbleiterschaltung eine größere Anzahl solcher Stromquellen benötigt. Sie lassen sich ihrerseits mit Transistoren und Widerständen realisieren.Primarily used in such electronic semiconductor circuits In contrast to the classic amplifier tube, the transistors that arrive are current-controlled Elements that are essential for their proper function within the string circuit in many cases Need power sources. Power sources enable extensive independence the functionality of such circuits from the supply voltage. In general a larger number of such current sources are used in an integrated semiconductor circuit needed. For their part, they can be implemented with transistors and resistors.

In der Literaturstelle "IEEE Journal of Solid-State Circuitsn, Vol. SC-3, No. 4, Dezember 1968, Seiten 341 bis 348, ist insbesondere auf Seite 344, Fig. 6a, eine solche Stromquelle angegeben, die bis zu Frequenzen in der Größenordnung von 1 MHz verwendbar ist und lediglich aus zwei Transistoren und einer Diode besteht. Die Diode wird hierbei zweckmäßig ebenfalls als Transistor verwirklicht, dessen Basis und Kollektor miteinander verbunden sind. Die drei Transistoren sind vom gleichen Leitfähigkeitstyp.In the reference "IEEE Journal of Solid-State Circuitsn, Vol. SC-3, No. 4, December 1968, pages 341-348 in particular on page 344, Fig. 6a, such a current source is given, which up to frequencies in the order of 1 MHz can be used and only consists of two transistors and a diode. The diode is expediently also used as a transistor realized whose base and collector are connected to each other. The three transistors are of the same conductivity type.

Ihre Zusammenschaltung ist so vorgenommen, daß der erste Transistor mit seinem auf einem ersten Bezugspotential liegenden Emitter dem Emitter und mit seiner Basis der Basis und dem Kollektor des zweiten Transistors parallel geschaltet ist, während sein mit der Basis des dritten Transistors verbundener Kollektor den Eingang der tromquelle bildet und der Kollektor des dritten Transistors, dessen Emitter an die Basis und den Kollektor des zweiten Transistors angeschlossen ist, den Ausgang der Stromquelle abgibt.Their interconnection is made so that the first transistor with its emitter lying on a first reference potential the emitter and with its base connected in parallel with the base and the collector of the second transistor is, while its collector connected to the base of the third transistor den The input of the current source and the collector of the third transistor, whose Emitter is connected to the base and collector of the second transistor, outputs the power source.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Funktionswert der beschriebenen bekannten stromgesteuerten Stromquelle mit einfachen Mitteln wesentlich zu erweitern.The invention is based on the object of providing the functional value of the described known current-controlled power source to expand significantly with simple means.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der strongestouerten Stromquelle zur Erzielung eines negativen ausgangsseitigen Widerstandes ein vierter Transistor vom Leitfähigkeitstyp der überigen Transistoren beigeordnet wird, dessen Kollektor auf einem zweiten Bezugspotential liegt und dessen Basis-Emitterstrecke in Reihe mit einem emitterseitigen Widerstand der Kollektor-Emitterstrecke des dritten Transistors parallel liegt.This object is achieved according to the invention in that the strongestouerten A fourth power source to achieve a negative output-side resistance Transistor of the conductivity type of the other transistors is assigned, whose Collector is on a second reference potential and its base-emitter path in series with an emitter-side resistor of the collector-emitter path of the third Transistor is parallel.

Bei integrierten elektronischen Halbleiterschaltungen treten vielfach unvermeidbare Verlustwiderstäfide auf, die mitunter außerordentlich störend sind. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Halbleiterschaltung Ersatz für ein Schaltelement, insbesondere eine Spule ist. Die in der Ersatzschaltung wirksamen Verlustwiderstände setzen die Güte des durch sie realisierten Schaltelementes in unerwünschter Weise herab. Gegebenenfalls idüssen hier negative Impedanzkonverter vorgesehen werden, die für die erforderliche Entdämpfung im Sinne einer Kompensation von Verlustwiderständen sorgen.In the case of integrated electronic semiconductor circuits, there are many unavoidable loss resistances, which are sometimes extremely disturbing. This is particularly the case when the semiconductor circuit replaces a Switching element, in particular a coil. The ones that are effective in the equivalent circuit Loss resistances determine the quality of the switching element implemented by them undesirably descends. If necessary, I have to use negative impedance converters here are provided for the necessary de-attenuation in terms of compensation of loss resistances.

Bei der Erfindung wird von der an sich bekannten Erkenntnis ausgegangen, daß sich die erwünschte Entdämpfung auch dadurch herbeiführen läßt, daß eine in der Schaltung bereits vorhandene Stromquelle durch geeignete Maßnahmen so gestaltet wird, daß sie zusätzlich die Funktion eines negativen Widerstandes auszuüben vermag. Eine solche Schaltung ist durch die Literaturstelle "IEEE Transactions on Circuits Theoryn, Vol. CT-12, Juni 1965, Seiten 299 und 300 angegeben. Diese Schaltung benötigt jedoch außer den beiden Transistoren vier Widerstände, die in einer integrierten Schaltung bekanntlich einen erheblichen Platzbedarf haben und somit möglichst zu vermeiden sind. Entsprechendes gilt für die in der deutschen Auslegeschrift 1 283 909 im Zusammenhang mit einer integrierbaren Gyratorschaltung angegebene Lösung, die neben den beiden Transistoren sogar neun Widerstände benötigt.The invention is based on the knowledge known per se, that the desired de-attenuation can also be brought about by an in the circuit already existing power source designed by suitable measures is that it can also perform the function of a negative resistance. Such a circuit is by the reference "IEEE Transactions on Circuits Theoryn, Vol. CT-12, June 1965, pages 299 and 300. This circuit needed however, in addition to the two transistors, four resistors are integrated into one Circuit is known to have a considerable space requirement and thus as possible to are to be avoided. The same applies to those in German Auslegeschrift 1 283 909 solution specified in connection with an integrable gyrator circuit, which in addition to the two transistors even requires nine resistors.

Im Gegensatz zu diesen bekannten Lösungen erfordert die Schaltung nach der Erfindung lediglich einen einzigen Widerstand, dessen Größe, wie später an Hand einer mathematischen Betrachtung noch gezeigt werden wird, mit der Größe des durch die Schaltung realisierten negativen Widerstandes in einem weiten Anwendungsbereich identisch.In contrast to these known solutions, the circuit requires according to the invention only a single one Resistance, its size, as will be shown later on the basis of a mathematical consideration the size of the negative resistance realized by the circuit in a wide range Area of application identical.

ist. Der Tatsache, daß die Schaltungnach der Erfindung vier Transistoren benötigt, kommt im Hinblick auf den technischen Aufwand bei integrierten Schaltungen bekanntlich keine Bedeutung zu, da sich Transistoren, insbesondere in monolithischer Technik, einfach und billig herstellen lassen und darüber hinaus einen minimalen Platzbedarf in Anspruch nehmen.is. The fact that the circuit according to the invention has four transistors required, comes in view of the technical effort involved in integrated circuits known to be of no importance as there are transistors, especially in monolithic Technology that can be produced easily and cheaply and, moreover, a minimal one Take up space.

Besteht die Forderung, daß der Betrag des am Ausgang der Stromquelle auftretenden Gleichstroms gleich dem Betrag des in den Eingang der Stromquelle hineinfließenden Gleichstroms ist, so kann diese Forderung in einfacher Weise dadurch erfüllt werden, daß der Widerstand wenigstens so groß gewählt wird, daß der ihn durchfließende, sich dem Ausgangsstrom überlagernde Gleichstrom einen vernachlässigbar kleinen Wert hat, An Hand einer kurzen mathematischen Betra¢htung in Verbindung mit der in der Zeichnung dargestellten Figur soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden.There is a requirement that the amount of the output of the current source occurring direct current is equal to the amount flowing into the input of the power source Is direct current, this requirement can be met in a simple manner by that the resistance is chosen at least so great that the flowing through it, direct current superimposed on the output current has a negligibly small value has, on the basis of a brief mathematical consideration in connection with the in the The figure shown in the drawing is intended to explain the invention in more detail below will.

Die Figur zeigt die erfindungsgemäße Stromquelle mit den Transistoren Trl bis Tr4 sowie dem im Emitterzweig des Transistors Tr4 angeordneten Widerstand R. Alle vier Transistoren sind npn-Transistoren. Die Emitter der Transistoren Tr1 und Tr2 liegen auf dem negativen Bezugspotential V- und der Kollektor des Transistors Tr4 auf dem positiven Bezugspotential V+. Der Kollektor des Transistors Tri ist mit dem den Eingang darstellenden Anschluß 1 der stromgesteuerten Stromquelle verbunden und der Kollektor des Transistors Tr3 mit dem den Ausgang der stromgesteuerten Stromquelle darstellenden Anschluß 2. In den Anschluß 1 ist ein vom nicht dargestellten positiven Bezugspotential V+ her kommender Referenzstrom Ir eingeprägt, der den in den Anschluß 2 hineinfließenden, vom Referenzstrom Ir abhängigen Gleichstrom I bedingt.The figure shows the current source according to the invention with the transistors Trl to Tr4 and the resistor arranged in the emitter branch of the transistor Tr4 R. All four transistors are npn transistors. The emitters of the transistors Tr1 and Tr2 are on the negative Reference potential V- and the collector of the transistor Tr4 at the positive reference potential V +. The collector of the transistor Tri is connected to terminal 1 of the current-controlled current source, which is the input connected and the collector of the transistor Tr3 to the output of the current-controlled Power source representing terminal 2. In the terminal 1 is a not shown positive reference potential V + coming reference current Ir impressed, which the Direct current flowing into terminal 2, dependent on the reference current Ir I conditional.

Zunächst sei kurz die Funktion der aus den Transistoren Tr1 bis Tr3 bestehenden stromgesteuerten Stromquelle für sich kurz erläutert. Der in den Anschluß t hineinfließende Referenzgleichstrom Ir findet infolge der zwischen den Transistoren Trl und Tr3 bestehenden Gegenkopplung eine niederohmige Eingangsimpedanz vor. Die Spannungsschwankungen am Anschluß 1 treten praktisch in gleicher Größe auch am Emitter des Transistors Tr3 und damit auch an der Basis des Transistors Trl auf. Die an der Basis des Transistors Tr1 wirksamen Spannungsschwankungen steuern diesen Transistor in dem Sinne aus, daß der Referenzgleichstrom Ir praktisch ungehindert in den Kollektor des Transistors Tri hineinfließen kann.First, let us briefly describe the function of the transistors Tr1 to Tr3 Existing current-controlled power source briefly explained for itself. The one in the port t reference direct current Ir flowing in takes place as a result of the between the transistors Trl and Tr3 existing negative feedback before a low input impedance. the Voltage fluctuations at connection 1 also occur in practically the same size at the emitter of the transistor Tr3 and thus also at the base of the transistor Trl. The on the base of the transistor Tr1 effective voltage fluctuations control this transistor in the sense that the reference direct current Ir enters the collector practically unhindered of the transistor Tri can flow into it.

Somit ist die Eingangsimpedanz für den Referenzgleichstrom gleich der reziproken Steilheit S des Transistors Tr2. Da alle drei Transistoren als unter sich gleich angesprochen werden können, ist somit der in den Anschluß 2 hineinfließende Strom I gleich dem in den Anschluß 1 hineinfließenden Referenzgleichstrom Ir. Entsprechendes gilt für einen dem Referenzgleichstrom Ir überlagerten Wechselstrom, der am Anschluß 2 als ein dem Gleichstrom I überlagerter Wechselstrom gleicher Amplitude in Erscheinung tritt.Thus the input impedance for the reference direct current is the same the reciprocal slope S of the transistor Tr2. As all three transistors as under can be addressed immediately, is therefore the one flowing into port 2 Current I is equal to the reference direct current Ir flowing into terminal 1. Corresponding is applicable for an alternating current superimposed on the reference direct current Ir, which is present at the terminal 2 appears as an alternating current of the same amplitude superimposed on the direct current I. occurs.

Durch Erweiterung der aus den Transistoren Tr1 bis Tr3 bestehenden Stromquelle durch den Transistor Tr4 mit dem in seiner Emitterzuleitung angeordneten Widerstand R wird gemäß der Erfindung am Anschluß 2 gegen Masse wechselstrommäßig ein negativer Widerstand wirksam, dessen Betrag praktisch gleich der Größe des Widerstandes R ist.By expanding the existing of the transistors Tr1 to Tr3 Current source through the transistor Tr4 with the arranged in its emitter lead According to the invention, resistor R is alternating current at connection 2 to ground a negative resistance is effective, the amount of which is practically equal to the size of the resistance R is.

Dieser Sachverhalt soll an Hand einer kurzen mathematischen Abhandlung nachgewiesen-werden. Hierzu sind in der Figur die für die mathematische Abhandlung erforderlichen Spannungen und Ströme angegeben D und zwar ist der in den Anschluß 2 hineinfließende Wechselstrom mit die am AnschluB 2 gegen Masse wirksame Wechsel spannung mit u, die am Anschluß 1 gegen Masse auftretende Wechselspannung mit u2 und die am gemeinsamen Verbindungspunkt des Widerstandes R, des Emittern des Transistors Tr3, des Kollektors und der Basis des Transistors Tr2 und der Basis des Transistors Tr1 gegen Masse auftretende Wechselspannung mit ul bezeichnet. Neben diesen Größen erscheint in der Rechnung noch die Steilheit S der Transistoren, die für sämtliche Transistoren als gleich angenommen werden kann und gleich dem reziproken Wert des Emitterwiderstandes ist. Entsprechend den in der Figur angenommenen Strömen und Spannungen ergibt sich ftlr den Wechselstrom ia ia = (u2 - u1) # S (I) Die Summe aus dem Wechselstrom ia und dem durch den Widerstand R fließenden Wechselstrom ergibt sich zu + + u/R = u1 (S + 1/R) (11) Ferner gilt -u2 = ul S Ri (III) Hierin bedeutet Ri der Innenwiderstand, den die Schaltung vom Anschluß 1 gegen Masse sieht. Durch Einsetzen der Gleichung (III) in Gleichung (I) ergibt sich u1 = - ia/S(i+S Ri) (IV) und durch Einsetzen der Gleichung (IV) in Gleichung (II) ia (1 + ##### # ###) = - u/R (V) Da im allgemeinen die Ausdrücke SR und SRi sehr groß gegen 1 sind, ergibt sich mit guter Näherung u/ia # - R (VI) Der ausgangsseitige Widerstand der stromgesteuerten Stromquelle nach der Erfindung ist also gleich dem negativen Wert des Widerstandes R. Physikalisch gesehen kommt dieses Ergebnis dadurch zustande, daß der durch den Widerstand R fließende Wechselstrom infolge der Gegenkopplung zwischen den Transistoren Trl und Tr3 praktisch ausschließlich über die Emitter-Kollektorstrecke des Transistors Tr3 gegen den Anschluß 2 fließt.This fact should be based on a short mathematical treatise be detected. For this purpose, those for the mathematical treatise are shown in the figure The required voltages and currents are indicated D and that is the one in the connection 2 alternating current flowing in with the alternation effective at connection 2 to ground voltage with u, the alternating voltage occurring at connection 1 to ground with u2 and those at the common connection point of the resistor R, the emitter of the transistor Tr3, the collector and the base of the transistor Tr2 and the base of the transistor Tr1 AC voltage occurring to ground is denoted by ul. Besides these sizes In the calculation, the slope S of the transistors appears, which is for all Transistors can be assumed to be equal and equal to the reciprocal of the Emitter resistance is. Corresponding to the currents and assumed in the figure Voltages results for the alternating current ia ia = (u2 - u1) # S (I) the Sum of the alternating current ia and the alternating current flowing through the resistor R. results in + + u / R = u1 (S + 1 / R) (11) Furthermore, -u2 = ul S Ri (III) applies here Ri means the internal resistance that the circuit sees from connection 1 to ground. Substituting equation (III) into equation (I), u1 = - ia / S (i + S Ri) (IV) and by substituting equation (IV) into equation (II) ia (1 + ##### # ###) = - u / R (V) Since in general the terms SR and SRi are very large compared to 1 u / ia # - R (VI) The output-side resistance results with a good approximation the current-controlled current source according to the invention is therefore equal to the negative Value of the resistance R. From a physical point of view, this result comes about that the alternating current flowing through the resistor R is due to the negative feedback between the transistors Trl and Tr3 practical exclusively about the emitter-collector path of the transistor Tr3 flows towards the terminal 2.

Durch Wahl der Größe des Widerstands R kann der negative Widerstand der Stromquelle in weiten Grenzen eingestellt werden. Für manche Anwendungsfälle ist es in diesem Zusammenhang zweckmäßig, die Schaltung so auszuführen, daß der Widerstand R als einstellbarer Widerstand extern anschließbar ist.By choosing the size of the resistor R, the negative resistance the power source can be set within wide limits. For some use cases it is useful in this context to carry out the circuit so that the Resistor R can be connected externally as an adjustable resistor.

Bei der in der Figur dargestellten stromgesteuerten Strom quelle mit negativem Widerstand sind die Transistoren als npn-Transistoren ausgeführt. Die Schaltung läßt sich selbstverständlich in gleicher Weise in pnp-Transistoren ausführen. Schaltbildmäßig sind hierzu lediglich die Pfeile der Transistoren sowie die Pfeile des Referenzgleichstroms Ir-und des Gleichstroms I umzukehren und die Bezugspotentiale V+ und V- miteinander zu vertauschen. Die Transistoren Trl bis Tr4 können in bekannter Weise auch durch Ersatztransistoren, beispielsweise Superpaare oder Supertripletts, realisiert sein.With the current-controlled current source shown in the figure With a negative resistance, the transistors are designed as npn transistors. the Circuitry can of course be implemented in the same way in pnp transistors. In terms of the circuit diagram, only the arrows of the transistors and the arrows are shown of the reference direct current Ir- and the direct current I and reverse the reference potentials Swap V + and V- with each other. The transistors Trl to Tr4 can be known Also by substitute transistors, for example super pairs or super triplets, be realized.

Für manche Anwendungsfälle ist es zweckmäßig, den Widerstand R im Emitterzweig des Transistors Tr4 komplex zu gestalten um hierdurch einen komplexen negativen ausgangsseitigen Widerstand der stromgesteuerten Stromquelle zu verwirklichen. Beispielsweise läßt sich mittels dieser Maßnahme eine Phasenkompensation durchführen.For some applications it is useful to increase the resistance R im To make the emitter branch of the transistor Tr4 complex, thereby creating a complex one to realize negative output-side resistance of the current-controlled current source. For example, phase compensation can be carried out by means of this measure.

4 Patentanspruche 1 Figur4 claims 1 figure

Claims

Claims G) Integrable current-controlled current source with an input for the controlling current and an output for the controlled current, consisting of three transistors of the same conductivity type, the first of which The transistor with its emitter lying on a first reference potential is the emitter and with its base the base and collector of the second transistor in parallel is switched, while its collector connected to the base of the third transistor forms the input and the collector of the third transistor, whose emitter is on the base and collector of the second transistor is connected to the output releases, characterized in that to achieve a negative output side Resistance a fourth transistor (Tr4) of the conductivity type of the other transistors (Tr1, Tr2, Tr3) is seen whose collector is on a second potential (V +) and its base-emitter path in series with an emitter-side resistor (R> the collector-emitter path of the third transistor (Tr3) is parallel.

2. Power source according to claim 1, characterized in that the resistor (R) is chosen to be at least so large that the flowing through it, the output direct current (1) superimposed direct current has a negligibly small value.

3. Power source according to claim 1 or 2, characterized in that the resistor (R) is adjustable and can be connected externally.

4. Power source according to one of the preceding claims, characterized in that that the resistor (R) is a complex resistor.