DE2059756A1

DE2059756A1 - Mikrostromquelle

Info

Publication number: DE2059756A1
Application number: DE19702059756
Authority: DE
Inventors: Cornelis Mulder
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-12-25
Filing date: 1970-12-04
Publication date: 1971-07-01
Also published as: HK57876A; CA944020A; NL6919466A; JPS509976B1; DE2059756B2; ES386770A1; GB1339908A

Description

PHN.

"" ™- ⁴⁴⁸⁸ 2059755

"Mikrostromquelle".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrostromquelle für eine integrierte Schaltung, bei der aus einem Steuergleichstrom in des GrossenOrdnung von 10 >uA oder weniger ein Gleichstrom abgeleitet wird, wobei der Steuergleichstrom durch einen ersten Kreis fliesst, der einen gleichrichtenden pn-Uebergang enthält, während der schwächere Gleichstrom die Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors durchfliesst, dessen Basis-Emitter-Strecke in einem zweiten Kreis angeordnet ist, der die gleiche Durchlassrichtung aufweist und zu dem ersten Kreis parallel geschaltet ist, und wobei von dem Kollektor dieses Tran-

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sistors ein nahezu signalfreier Gleichstrom für einen oder mehrere (Transistoren)der integrierten Schaltung abgeleitet wird, während in der durch die beiden parallelen Kreise gebildeten geschlossenen Schleife ein Widerstand angeordnet ist.

Eine bekannte Mikrostromquelle dieser Art enthält einen als Diode geschalteten Transistor, der zu der Reihenschaltung der Basis-Emitter-Diode eines Transistors und eines Widerstandes parallel geschaltet ist. Der Diode wird der zu schwächende Eingangsstrom zugeführt, während dem Kollektor dos Transistors der schwache Ausgangsstrom entnommen wird. Mit Hilfe des Widerstandes wird der Schwächungsfaktor o( eingestellt, wobei :χ gleich dem Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom und dem Eingangsstrom ist. Für den Widerstand gilt nachstehende Beziehung:

η kT Inoj , ν

rc = ——— » - . · · · ii/·

q l

In dieser Beziehung ist R der Wert des obenerwähnten Widerstands, T die Temperatur der Mikrostromquelie in ⁰K, q die Einheitsladung' eines Elektrons- und i der Ausgangsstrom. Aus der obenstehenden Beziehung (l) geht deutlich hervor^ dass der Wert des Widerstands R sehr gross sein muss, wenn ein sehr kleiner Ausgangsstrom i verlangt wird. So lässt sich mit Hilfe der obenstehenden Beziehung errechnen, dass, worin - ausgehend von einem LC ingaiigss t rom von ΙΟ,ιιΑ - ein AuHgangsstrom von O, I uA vor langt wird, ο in Widerstand von 1 ,'.' MiL er t'ordor L L oh ist, Dieser Widerstand lässt sich nicht

Kino iiiiilcn' bekaimto MIk ro.s t roinquo i 1Ό <li>r ovwähnten

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Art enthält einen als Diode geschalteten Transistor, der zu der Basis-Emitter-Diode eines Transistors parallel geschaltet ist. Der Diode wird der zu schwächende Eingangsstrom zugeführt, während dem Kollektor des Transistors der schwäche Ausgangsstrom entnommen, wird. Bei dieser bekannten Mikrostromquelle wird der Schwächlings faktor zwischen dem Ausgangsstrom und dem Eingangsstrom mit Hilfe des Verhältnisses zwischen der wirksamen Emitteroberfläche des als Diode geschalteten Transistors und der wirksamen Emitteroberfläche der Basis-Emitter-Diode eines Transistors eingestellt. ( Dies hat den Nachteil, dass, je nachdem ein grosserer Wert für o^ verlangt wird, eine relativ grössere Emitteroberfläche der Diode für die integrierte Schaltung benötigt wird.

Die Erfindung hat den Zweck, eine Lösung der oben angeführten Probleme zu schaffen und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des Transistors über eine Stromquelle mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist, welche Stromquelle dem Widerstand einen Strom liefert, derart , dass der Spannungsabfall über dem gleichrichtenden g pn-Uebergang mindestens 20 mV und höchstens 5^0 mV grosser als der Spannungsabfall über der Basis-Emitter-Diode des Transistors ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 eine Ausführungsform einer Mikrostromquelle nach der Erfindung;

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Fig. 2 ein (Anwendungs) Beispiel der Mikrostromquelle ;

Fig. 3 ein anderes Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Mikrostromquelle.

Die Mikrostromquelle nach Fig. 1 enthält den Transistor T , den als Diode geschalteten Transistor D , die Stromquellen S und S und den Widerstand R. Die Basis-Elektrode des Transistors T₁ ist einerseits über den Transistor D mit der Minusklemme der Speisespannungsquelle E und andererseits über die Eingangsstromquelle S₁ mit der Plusklemme der Speisespannungsquelle E verbunden· Die Emitter-Elektrode des Transistors T₁ ist einerseits über den Widerstand R mit der Minusklemme der Speisespannungsquelle E und andererseits über die Stromquelle S„ mit der Plusklemme der Speisespannungsquelle E verbunden. Dem Kollektor des Transistors T₁ kann der Ausgangsstrom entnommen werden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Mikrostromquelle ist folgende: Es sei angenommen, dass ein Aus-P gangsstrom i verlangt wird, der um einen Faktor \ kleiner als der Eingangsstrom i .. ist, d.h. I₁ = <χ «i .Z.B. i .. = 10 /uA, und i =0,1 /uA d.h.o(. = 100. Ausserdem wird verlangt , dass R C 5000£l. Die Spannung über der Diode D₁ ist gleich:

wobei I₁ der Eingangsstrom und i_in der eigenleitende Leckstrom der Diode D ist. Die Spannung über der Basis-Emitter-Diode des Transistors T ist gleich:

^VDt ⁼ q ' ^ln i ^{3)

^ OO

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wobei i der Ausgangsstrom und i der eigenleitende Leckstrom durch den Transistor T. ist. Für die Spannung über dem Widerstand R gilt nachstehende Beziehung, wenn die wirksame Emitteroberfläche des Transistors gleich der wirksamen Emitterober flasche des als Diode geschalteten Transistors D- ist:

In dem gewählten Beispiel zeigt eine einfache Berechnung, dass

V_n = 120 mV sein muss. Dies bedeutet, dass der Strom, der von κ.

der Stromquelle S_Q geliefert werden muss, gleich oder grosser als 24 ,uA bei IT = 300⁰K sein muss.

In Fig. 2 ist eine Anwendung der Mikrostromquelle in einem Differenzverstärker dargestellt. Der Differenzverstärker wird durch die Transistoren T^- — T gebildet. Das zu verstärkende Signal wird den Basis-Elektroden der Transistoren T^ und T zugeführt. Die Kollektoren der Transistoren T^, T- T_1n und T sind unmittelbar mit der Plusklemme der Speisespannungsquelle E verbunden. Der Kollektor des Tran*.

sistors T₀ ist über den Transistor T._o und der Kollektor

ö 13 *

des Transistors T ist über den Transistor T*_o mit der Plus- ™ klemme der Speisespannungsquelle E verbunden. Die Basis-Emitter-Strecfceri der Transistoren T_f1, T₀ und T_Q sind, gleich wie die der Transistoren T^, T_ und Τγ>, in Reihe geschaLtet, wobei die Emitter der Transistoren T₀ und T„ miteinander verbunden sind. Die Transistoren T — T_ bilden einen Teil einer mehrfachen Mikrostromquelle, die ferner diß Stromtjuelle S,_Jt

die Diode D, und die Widerstände R und R₀ enthält. Die Stromi ο

quelle S enthält einen Differenzverstärker V, dessen Aus—

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gang mit der Basis des Transistors T , verbunden ist; Ben'^; ■ Emitter des Transistors T^ wird der Strom i_o entnommen, welcher Strom dem Widerstand R der mehrfachen Mikrostromquelle zugeführt wird. Der Kollektor des Transistors Ti ist einerseits über den Widerstand Ri mit der Plusklemme der Speisespannungsquelle E und andererseits mit der Basis des als Emitterfolger geschalteten Transistors T verbunden. Der Emitter des Transistors T,_ ist einerseits mit einem Eingang des Differenzverstärkers V und andererseits über die Reihenschaltung der Widerstände R_ und R_ mit der Minusklemme der Speisespannungsquelle E verbunden. Der andere Eingang des Differenzverstärkers V ist einerseits über die Diode D mit dei Piusklemme der Speisespannungsquelle und andererseits über die Reihenschaltung der Widerstände R^- und R_ mit der Minusklemme der Speisespannungsquelle verbunden. Die Basis-Elektroden der Transistoren

T, - T_ sind einerseits über den Widerstand R₀ mit der 1 5 8

Plusklemme der Speisespannungsquelle und andererseits über m die Diode D mit der Minusklemme der Speisespannungsquelle verbunden. Der Emitter des Transistors T ist über die Reihenschaltung der Widerstände R₇ R₀ und R mit der Minusklemme der Speisespannungsquelle verbunden. Die Emitter eier Transistoren T₀ und T₁ sind mit dom Verbindungspunkt der Widerstände R und R₀ verbunden. Der Emitter des Transistors T ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R₀ und R„ verbunden. Die hirkungsweise der Scha 1 ί ungs.tno r.lnimg nach Fig. 2 ist folgende.

Es sei angenommen, dass dio folgenden Aus

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ströme von der mehrfachen Stromquelle geliefert werden müssen:

1₀₁ = X₀₅> 0,3 . 10"⁹A

1₀₂ = ±_ok = 6 . 1(T⁹ a

i ' =. 2^0 . 10~⁹ A.

-3 ¥enn von einem Eingangsstrom i.. = 0,3 · 10 A

und von einer Speisespannung von 3 V ausgegangen wird, muss der Widerstand R„ gleich 8000-T-sein, welcher Widerstand sich leicht integrieren lässt. Eine einfache Berechnung ze"igt, dass die für kleine Ausgangs ströme i_Q1 bis ±_Qt. benötigte Spannung über dem Widerstand R gleich 36O mV sein muss. Die Spannung über der Summe der Widerstände R„ und R„ soll gleich 282 mV sein, während die Spannung über dem Widerstand R„ gleich 204 mV sein muss. Die vorerwähnten Spannungen werden bei Zimmertemperatur, d.h. T = 300⁰K, benötigt. Wenn verlangt wird, dass die Summe der Widerstände R₁, R und R„ etwa gleich k600'SL ist, bedeutet dies, dass die Stromquelle S ' einen Strom i„ = 70/uA liefern muss, wo-

bei R=R= 1000^1 und R = 2600-fL ist.

Wenn" der zusätzliche Strom i„ nicht durch den Widerstand R hindurchgeführt werden würde, müsste zum Erhalten des obenerwähnten Ausgangsstrom i- ₁ bis i _ der Widerstand R einen Wert von etwa 78O MJL aufweisen. Dieser Widerstand lässt sich nicht integrieren^ sodass er auf der Aussenseite an die integrierte Schaltung angeschlossen werden müsste, wodurch ein zusätzlicher Aussenanschlusspunfct

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der integrierten Schaltung benötigt wird. Ausserdem ist infolge des hohen Wertes des Widerstandes R der erwähnte Anschlusspunkt besonders empfindlich für Störungen aus der Umgebung. Ausserdem lassen sich Widerstände mit einem derart hohen Wert schwer herstellen. Da durch die heutigen Integrationstechniken Transistoren paarweise hergestellt werden können, die einander nahezu gleich sind, (Abweichung z.B. weniger als 2'fo) , wird die von z.B. T und T in den Differenzverstärker eingeführte Verschiebungsspannung nur 0,5 mV betragen. So ist z.B. ein Differenzverstärker erhalten, der einen Eingangsstrom von weniger als 10 A bei einer Verschiebungsspannung von höchstens 5 mV benötigte. Die Strom

quelle S₀ liefert einen Strom i„, für den die nachstehende Beziehung gilt:

. L w _lnJ

^{2 R}k ^{q R}6

wobei R, , R und R die Widerstandswerte der Widerstände R., R_ und R^- aus der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 darstellen. Aus obenstellender Beziehung geht hervor, dass dieser Strom eine Funktion der Temperatur T ist. Nach der Beziehung (4) gi11, dass der Schwächungsfaktor eine Funktion von V und der Temperatur T ist. Wenn V konstant gehalten werden würde, würde sich nach (4) bei Aenderung der Temperatur auch der Schwacliungsfaktor c\ ändern. Aus der Beziehung (4) geht auch hervor, dass bei einer Spannung V über dem Widerstand R pro-

portionaJ mit kT/q sich der Schwächungsfaktor als Funktion der Temperatur nicht ändern wird. Dies wird dadurch erzielt, dass der Strom ί_r) nach der Beziehung (5) durch den Widerstand

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R hindurchgeführt wird, wobei angenommen wird, dass die Widerstände R und R. den gleichen Temperaturkoeffizienten aufweisen. Der gleiche Effekt lässt sich dadurch erzielen, dass ein konstanter Strom i„ durch den Widerstand R hindurchgeführt wird, welcher Widerstand einen derartigen Temperaturkoeffizienten aufweist, dass die über diesem Widerstand erzeugte Spannung mit kT/q proportional ist.

In Fig. 3 ist eine zweite Anwendung der Mikrostromquelle nach der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Mikrostromquelle in der Gegenkopplungsschleife j des Verstärkers A aufgenommen. Der Ausgang des Verstärkers ist mit der Basis des Transistors T„ und der Basis des Transistors T verbunden. Der Emitter des Transistors T_p ist unmittelbar und der Emitter des Transistors T₁ ist über den Widerstand R mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden. Der Emitter des Transistors T₁ ist ausserdem mit der Stromquelle S verbunden, die einen Strom i„ abgibt. Der Kollektor des Transistors T ist mit dem Eingang I des Verstärkers A verbunden. Das verstärkte Ausgangssignal kann dem Kollektor des Transistors T_ entnommen werden.

Dadurch, dass die Mikrostromquelle in der Gegenkopplungsschleife des Verstärkers A aufgenommen wird, wird erreicht, dass eine konstante Stromverstärkung vom Eingang zu dem Ausgang erhalten wird. Wenn der Eingangsstrom des Verstärkers in bezug auf den Kollektorstrom des Transistors T vernachlässigbar ist, ist der Ausgangsstrom I₁ für Aenderungen in den Transistorparametern der Transistoren des Verstärkers A nahezu unempfindlich geworden. Aussordem booin-

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Claims

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flüssen Aenderungen in der Speisespannung des Verstärkers kaum den Ausgangsstrom i..
PATENTANSPRÜCHE:

ι 1J Mikrostromquelle für eine integrierte Schaltung, bei der aus einem Steuergleichstrom in dor Grössenordnung von 10 uA oder weniger ein schwächerer Oleichstrom abgeleitet wird, wobei der Steuergleichstrom durch einen ersten Kreis fliesst, der einen gleichrichtenden pn-Uebergang enthält, während der schwache Gleichstrom die Emitterfc Kollektor-Strecke eines Transistors durchfliegst, dessen Basis-Emitter-Strecke in einem zweiten Kreis angeordnet ist, der die gleiche Durchlassrichtung aufweist und zu dem ersten Kreis parallel geschaltet ist, und wobei von dem Kollektor dieses Transistors ein nahezu signalfreier Gleichstrom für einen oder mehrere Transistoren der integrierten Schaltung abgeleitet wird, während in der durch die beiden parallelen Kreise gebildeten geschlossenen Schleife ein Widerstand angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des Transistors über eine Stromquelle mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist, welche Stromquelle dem Widerstand einen Strom zuführt, derart, dass der Spannungsabfall über dem gleichrichtenden pn-Uebergang mindestens 20 mV und höchstens 5^0 mV grosser als der Spanmingsabfall über der Basis-Emitter-Diode des Transistors ist.
2. Mikrostromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle einen Strom abgibt, der mit kT/q proportional ist, wobei k die Ho 1 t zrnan-rKonstant ο, T dio Absolut tempera tür in ⁰K und q die EinheitsLadung eines Elektrons darstolit.

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3. Mikrostromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in der geschlossenen Schleife angeordnete Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, wobei der von der Stromquelle gelieferte Strom konstant ist .

h. Mikrostromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Stromquelle einen Differenzverstärkfer enthält, von dem ein Eingang einerseits über einen gleichrichtenden pn-Uebergang mit einem ersten Punkt konstanten Potentials und andererseits über die Reihenschaltung eines ersten und eines zweiten Widerstandes mit einem zweiten Punkt konstanten Potentials verbunden ist, während der andere Eingang dieses Verstärkers einerseits über die Emitter-Kollektor-Strecke eines ersten Transistors mit dem ersten Punkt konstanten Potentials und andererseits über die Reihenschaltung eines dritten Widerstandes und des zweiten Widerstandes mit dem zweiten Punkt konstanten Potentials verbunden ist, wobei die Basis des ersten Transistors mit dem Kollektor des zweiten Transistors und der Ausgang des Differenzverstärkers mit der Basis des zweiten Transistors verbunden \ ist, während dem Emitter des zweiten Transistors der geschwächte Ausgangsstrom entnommen werden kann.

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