DE2157756A1

DE2157756A1 -

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Publication number: DE2157756A1
Application number: DE19712157756
Authority: DE
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-12-09
Filing date: 1971-11-22
Publication date: 1972-06-29
Also published as: CA960304A; FR2117914A1; JPS5327461B1; NL7017919A; FR2117914B1; IT943185B; JPS4712373A; GB1373133A

Description

PHN.5337. Va/EVH.

Γ*. Her&ert Seheli

AnmeWer: ti Y. Philips' GloeÜampenfabiieken

AHeNo^ PHH- 5337 Aameldune vomi 18. NOV. 1971

S tromque 11 enaxio r dnung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromquellenanordnung, die eine erste S-tromteilerschaltung mit Transistoren von einem ersten Leitfähigkeitstyp zur Lieferung zweier Ströme mit einem festen gegenseitigen Verhältnis an eine erste und an eine zweite Klemme einer zweiten Stromteilerschal- I tung mit Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp enthält, welche zweite Stromteilerschaltung einen ersten und einen zweiten Kreis enthält, die die Verbindung zwischen der ersten bzw. der zweiten Klemme und einer Summenklemme herstellen, wobei der erste Kreis die Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors enthält, dessen Basis-Emitter-Strecke von der im zweiten Kreis liegenden Reihenschaltung einer Impedanz und eines Halbleiterübergangs überbrückt ist.

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- 2 - PHN.5337.

Eine derartige Anordnung ist z.B. aus "Electronics", 28.April 1969» S, ikO, bekannt. Bei dieser Stromquellenanordnung werden mit Hilfe der ersten Stromteilerschaltung zwei StrBme erzeugt, deren Werte sich etwa wie 1 : k verhalten. Diese beiden Ströme werden den beiden Stromklemmen der zweiten Stromteilerschaltung zugeführt. Infolge der Impedanz in dieser zweiten Stromteilerschaltung kann sich nur bei einem gegebenen Wert des Stromes an der Summenklemme ein stabiler Zustand einstellen, wobei der Wert dieses Stromes durch den Wert der Impedanz bestimmt wird und von der Speisespannung praktisch unabhängig ist · .

Wesentlich für eine befriedigende Wirkung der Stromteilerschaltung sind die Genauigkeit, mit der das Stromverhältnis 1 t k mittels der ersten Stromteilerschaltung erzielt wird, und die Genauigkeit dieses Verhältnisses zwischen dem die Impedanz durchfliessenden Strom und dem Emitterstrom des zu dieser Impedanz parallel geschalteten Transistors in der zweiten Stromteilerschaltung.Bei der bekannten Stromquellenanordnung wird diese Genauigkeit infolge der Basisströme der Transistoren beeinträchtigt. Dabei spielen namentlich die Basisströme der pnp-Transistoren eine Rolle, welche Transistoren bekanntlich einen verhältnismässig kleinen Stromverstärkungsfaktor aufweisen, so dass ihre Basisströme in bezug auf die Emitter- und Kollektorströme nicht vernachlässigbar sind. Bei der bekannten Anordnung treten Abweichungen von den" verlangten Strömen auf, die gleich den Basisströmen der pnp-Transistoren sind und die, wie aus Obenstehendem hervorgeht, sehr gross sein können. Dies hat zur Folge, dass die Stabilität der

- 3 ~ PHN.5337.

Anordnung zu wünschen übrig lässt, während ausserdem die Speisespannungsunterdrückung beschränkt ist und die Beziehung zwischen dem Wert des Stromes und dem Wert des Einstellwiderstandes nicht eindeutig ist.

Die Erfindung bezweckt, eine Stromquellenanordnung zu schaffen, die einerseits eine einfache Bauart beibehält und andererseits eine grosse Genauigkeit gestattet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromteilerschaltung zur Lieferung zweier Ströme praktisch gleicher Gr5sse eingerichtet ist, und dass der Halbleiterübergang in Reihe mit der Impedanz in der zweiten Stromteilerschaltung eine Gesamtoberfläche besitzt, die grosser als die Emitteroberfläche des ersten Transistors ist.

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

Fig. 1 die bekannte Stromquellenanordnung, und

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsformen der Stromquellenanordnung gemäss der Erfindung.

Fig. 1 zeigt die bekannte Stromquellenanordnung. Diese Stromquellenanordnung enthält eine erste Stromteilerschaltung mit identischen pnp-Transistoren, welche Stromteilerschaltung drei Klemmen aufweist, und zwar eine Summenklemme C und zwei Klemmen A und A¹. Die Summenklemme C ist einerseits über einen Stabilisierungswiderstand 4Ro und die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T₁ mit der Klemme A und andererseits über die Reihenschaltung eines Stabilisierungswiderstandes Ro, der Emitter-Kollektor-Strecken der vier

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parallel geschalteten Transistoren T₀, Τ_α, Τι. und Τ_κ und der Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T^- mit der Klemme A* verbunden. Die Basis des Transistors T- ist mit den Basis-Elektroden der vier parallel geschalteten Transistoren verbunden, welche Transistoren ferner alle als Dioden geschaltet sind. Weiter ist die Basis des Transistors T^ mit der Klemme A verbunden.

Die Klemmen A und A¹ dieser Stromteilerschaltung

sind mit zwei Klemmen B und B¹ einer zweiten Stromteilerschal- · tung mit identischen npn-Transistoren verbunden, welche zweite Stromteilerschaltung ferner eine Summenklemme C' aufweist. Diese Suramenklemme C ist einerseits über die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors To mit der Klemme B' und andererseits über die Reihenschaltung eines Widerstands R, eines als Diode geschalteten Transistors T₇ und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors T₉ mit der Klemme B verbunden. Ferner ist die Basis des Transistors Tg mit der Basis des Transistors T₇ und die Basis des Transistors T_Q mit der Klemme B¹ verbunden.

Wenn angenommen wird, dass die erste Stromteilerschaltung an den Klemmen A und A* Ströme erzeugt, die sich wie 1 : k verhalten, und dass dieses Stromverhältnis auch zwischen dem den Widerstand R durchfliessenden Strom und dem Emitterstrom des Transistors To besteht, kann auf einfache Weise nachgewiesen werden, dass die Grosse des Stromes an den Summenklemmen C und C von der Speisespannung unabhängig ist und eindeutig durch den Widerstand R bestimmt wird. Wenn der Emitterstrom des Transistors To auf 4l gesetzt wird, wird gefunden, dass die Basis-Emitterspannung dieses Transistors

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kT
V, = —— In T^ ist, wobei i der Sperrstrom des Transistors

D6q Q _L S

O S

ist.- Diese Spannung muss gleich der Summe der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T- und der Spannung über dem Widerstand R sein. Da durch diesen Widerstand R und den Transistor T_ ein Strom I fliesst, wird gefunden, dass diese Summenspannung

kT I
V = IR + — In -τ— ist, wobei angenommen wird, dass die Transis-

s
toren den gleichen Sperrstrom aufweisen, was bei Transistoren

mit praktisch gleicher Emitteroberfläche sehr genau zutrifft.

Wenn die beiden Spannungen einander gleich gesetzt werden, wird

kT
gefunden, dasst I = —ττ In h ist;

daraus folgt, dass die Grosse des Stromes X und also auch des Summenstromes 51 an der Summenklemme C völlig durch den Widerstand R bestimmt wird und von der Speisespannung unabhängig ist.

Bei der obenstehenden Berechnung wurde angenommen, dass die erste Stromteilerschaltung zwei Ströme liefert, die sich wie 1 t h verhalten. Eine nähere Betrachtung zeigt jedoch, dass dies nicht völlig richtig ist, sondern dass Abweichungen in diesen Strömen infolge der Basisströme der pnp-Transistoren auftreten; Da die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T₁, Τ«» Τ«ι Tk und Te auch durch das Vorhandensein der Stabil!*. sierungswiderstände Ro und AHo einander gleich sind, kann angenommen werden, dass die Emitterströme dieser Transistoren einander gleich sind und z.B. X betragen. Wenn angenommen wird, dass der Stromverstärkungsfaktor der pnp-Transistoren Ol ' beträgt, wird der Kollektorstrom des Transistors T₁ gleich I - rr-r und der Emitterstrom des Traneistors T^ gleich: kl + —r sein« Wenn der Term zweiter Ordnung vernachlässigt wird, beträgt der Basisstrom des Transistors T^i 4 —y, so dass die

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Ströme an den. Klemmen A und A¹ gleich 1 + 3 7J7 bzw. 4 I - 3 -τ-γ sein werden. In bezug auf die verlangten Ströme treten somit Abweichungen mit einer Grosse 3 "JJT auf*. Wenn laterale pnp-Transistoren verwendet werden, kann diese Abweichung infolge des kleinen Stromverstärkungsfaktors dieser Transistoren sehr gross sein« _/

¥enn die erwähnten Ströme an den Klemmen A und A¹ den Klemmen B bzw. B¹ der zweiten Stromteilerschaltung zugeführt werdenj werden weitere Abweichungen infolge der Basisströme der Transistoren dieser zweiten Stromteilerschaltung auftreten. Da die letzteren Transistoren aber npiy-Trans is tor en sind, die im allgemeinen einen grossen Stromverstärkungsfaktor aufweisen, sind die dadurch herbeigeführten Abweichungen in bezug auf die vorerwähnten Abweichungen im allgemeinen vernachlässigbar« Wenn sie der Einfachheit halber vernachlässigt werden, ist der Strom durch den Widerstand R gleich: 1+3 ;■

und der Emitterstrom des Transistors Tg gleiehi k I - 3 —r Eine Berechnung ergibt dann für den Strom I einen Ausdruck:

kT / ei' \ . Ii oti . 3ν
I = —=· ( ' ) In ( ). Aus diesem Ausdruck geht

qit Ot + J (Λ. + J

hervor, dass die Beziehung zwischen I und dem Wideretaid R nicht mehr eindeutig, sondern von Ot¹, dem Stromverstärkungsfaktor der pnp-Transistoren, abhängig ist, der Strom- und spannungsabhängig ist. Aus Messungen hat sich denn auch ergeben, dass Stabilität und Speisespannungsunterdrtickung der Anordnung zu wünschen übrig lassen.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Stromquellenanordnung nach der Erfindung«. Diese Stromquellenanordnung enthält eine erste Stromteilerschaltung, die aus zwei

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identischen pnp-Transistören T₁₁ und T₁₂ mit parallel geschalteten Basis-Emitter-Strecken besteht, von denen der Transistor T₁₀ als Diode geschaltet ist. Dieser Transistor T₁₀ kann selbstverständlich auch durch eine Diode ersetzt werden. Infolge der Bauart treten an den Klemmen A und A« praktisch Ströme der gleichen Grosse auf, die aber infolge des Basisstroms des Transistors T₁₁ in bezug aufeinander eine Abweichung aufweisen. Diese Ströme werden den Klemmen B und B¹ einer zweiten Stromteilerschaltung zugeführt. Diese Stromteilerschaltung enthält auch wieder die Parallelschaltung der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₁^ und der Reihenschaltung des Widerstandes R und der Basis-Emitter-Strecke eines als Diode geschalteten Transistors T₁ ο· Dieser Transistor T₁ ~ besteht nun aber aus der Parallelschaltung einer Anzahl von Transistoren oder weist eine grössere Emitteroberfläche als der Transistor T₁Jl auf. Wenn z.B. angenommen wird, dass der Transistor T₁O aus N parallel geschalteten Transistoren besteht, die alle die gleiche Emitteroberfläche wie der Transistor T₁^ aufweisen, lässt sich einfach nachweisen, dass, wenn den Klemmen B und B· identische Ströme I zugeführt werden,

kT für diesen Strom I gilt, dass: I = —— In N ist. Wie bereits erwähnt wurde, weisen die Ströme an den Klemmen B und B¹ jedoch eine Abweichung I/ot' von dem verlangten Wert infolge des Basisstroms des Transistors T₁₁ auf. Unter Berücksichtigung dieser Abweichung und unter Vernachlässigung des Basisstroms des Transistors T₁JN wird für I der Ausdruck gefunden:

I = —— ( ; τ- ) In ( ;—-—ϊ—) N, so dass auch bei dieser

Stromquellenanordnung der Stromverstärkungsfaktor et-¹- in dem

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Ausdruck für I vorhanden ist. Im Vergleich zu dem Ausdruck für I bei der Anordnung nach Fig, 1 ist der Einfluss aber geringer, während die in Fig. 2 gezeigte Stromquellenanordnung eine niedrigere Speisespannung benötigt.

Weiter lässt sich die Genauigkeit dieser Anordnung auf besonders einfache Weise vergrössern, und zwar dadurch, dass ein pnp- und ein npn-Transistor zugesetzt werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei sind die entsprechenden Transistoren mit den gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 2 bezeichnet.

Der Stromquellenanordnung nach Fig. 2 sind zwei

Transistoren, und zwar der pnp-Transistor T₁ - und der npn-Transistor T₁^, zugesetzt. Diese Transistoren T₁- und T₁^ haben zum Zweck, Abweichungen in den verlangten Strömen infolge der Basisströme der pnp-Transistoren bzw. npn-Transistoren auszugleichen.

Wenn wieder angenommen wird, dass die Emitterströme der Transistoren T₁₁ und T₁₂ gleich I sind, beträgt der Kollektorstrom des Transistors T-..: I- ·—7 , während der Emitterstrom des Transistors T₁-: I + —γ- beträgt. Die Abweichungen dieser Ströme in bezug auf den verlangten Wert werden von dem Basisstrom des Transistors T₁- ausgeglichen. Bei Vernachlässigung von Grossen zweiter Ordnung beträgt der Basisstrom dieses Transistors ja: —7 , so dass die Ströme an den Klemmen A unf A' wieder gleich I sind. Auf gleiche Weise gleicht der Transistor T₁^ die Abweichungen in den verlangten Strömen infolge des Basisstroms des Transistors T₁K aus.

Diese Abweichungen sind erheblich kleiner, weil der Stromverstärkungsfaktor /S dieser npn-Transistoren viel grosser

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als der Stromverstärkungsfaktor Ct¹ der pnp-Transistoren ist. Infolge des Vorhandenseins der Kompensationstransistoren T_{1 ς} und T-^ sind der Strom durch den Widerstand R und der Emitterstrom des Transistors T-j, einander genau gleich, so dass für

kT

diesen Strom I gefunden wird j I = —=· In N, wobei wieder an-

qK

genommen wird, dass der Transistor T₁ „ aus N parallel geschalteten Transistoren besteht, die je für sich mit dem Transistor T₁Jj identisch sind. Es besteht somit eine eindeutige Beziehung zwischen der Grosse des Stromes I und dem Widerstand R. Messungen haben denn auch ergeben, dass die Stabilität und die Speisespannungsunterdruckung dieser Stromquellenanordnung erheblich besser als die der bekannten Anordnung sind. Die Stabilität kann noch weiter dadurch verbessert werden, dass kleine identische Widerstände zwischen der Summenklemme und den Emittern der Transistoren mit parallel geschalteten Basis-Emitter-Strecken der ersten Stromteilerschaltung eingeschaltet werden.

Um etwaige AnlaufSchwierigkeiten zu vermeiden

- die Anordnung weist ja einen stabilen Zustand mit I=O auf kann der Anordnung eine zusätzliche Leckstromquelle hinzugefügt werden, die dafür sorgt, dass beim Einschalten der Leckstrom und die Schleifenverstärkung genügend sind, um die Anordnung in den stabilen Zustand mit I d 0 zu versetzen. Zu diesem Zweck kann z.B. der Transistor T-, durch ein Darlington-Transistorenpaar ersetzt werden.

Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Anwendung des erzeugten Stromes für verschiedene Zwecke. So können z.B. Stromteilerschaltungen verwendet werden, die in Abhängigkeit

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von einem Eingangs strom eine Anzahl von Ausgangs strömen liefern, die ein festes Verhältnis zu dem, Eingangsstrom haben. Indem der Strom an einer der Summenklemmen C oder C¹ der Stromquellenanordnung als Eingangsstrom einer derartigen Stromteilerschaltung verwendet wird, wird also eine Anzahl von Strömen erhalten, deren Grosse durch den Widerstand R bestimmt wird, wie in Fig. 3 beispielsweise schematisch mit einem Block D dargestellt ist.

Eine zweite Möglichkeit ist die Reihenschaltung

zweier Transistoren, wie in Fig. 3 sowohl für zwei npn-Transistoren T₁₇, T'„ als auch für zwei pnp-Transistoren ^Tia» ^T'iR angegeben ist. Dabei ist die Basis-Emitter-Strecke eines der Transistoren T_1n bzw. T-_o zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T₁^ bzw. T₁₁ parallel geschaltet, während die Basis des anderen Transistors T'-~ bzw. T',_Q mit der Klemme B¹ bzw. A verbunden ist. Durch diesen Aufbau wird die Gleichheit der Ströme an den Klemmen A und A¹ bzw. B und B¹ nicht beeinträchtigt. Die Kollektorströme der Transistoren T'_ und T'g weisen zwar in bezug auf den Strom I eine Abweichung infolge der Basisströme dieser Transistoren auf, was aber für viele Anwendungen unbedenklich ist. Die Stabilität ist im allgemeinen von grösserer Bedeutung als die genaue absolute Grosse des Stromes.

Eine interessante Anwendungsmöglichkeit der Stromquellenanordnung besteht in der Anwendung als Temperaturmesser. Wie aus dem Ausdruck für den Strom I deutlich hervorgeht, ist die Grosse des Stromes mit der Temperatur gerade proportional. Dabei ist die Temperaturmessanordnung also eine Stromquelle;

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dies im Gegensatz zu den bekannten Temperaturmessanordnungen, wie Thermoelementen, die als Spanntangs quell en wirken, was bei einigen Anwendungen gtinstig sein kann.

Ferner kann selbstverständlich, die Stromquelle auch in eine Spannungsquelle verwandelt werden, indem der erzeugte Strom durch eine Impedanz geschickt wird. Wenn diese Impedanz aus der Reihenschaltung eines Halbleiterttbergangs und eines
Widerstandes besteht, kann durch passende Wahl des Stromes
sogar eine temperaturunabhängige Spannungsquelle erhalten
werden.

Es ist einleuchtend, dass die Leitfähigkeitstypen der Transistoren der beiden Stromteilerschaltungen untereinander vertauscht werden können, wobei bemerkt werden soll,
dass die Verwendung von pnp-Transistoren in der ersten Stromteilerschaltung wegen der grösseren Genauigkeit zu bevorzugen ist.

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Claims

PATENTANSPRUECHE:

1J Stromquellenanordnung, die eine erste Stromteilerschaltung mit Transistoren von einem ersten Leitfähigkeitstyp zur Lieferung zweier Ströme mit einem festen gegenseitigen Verhältnis an eine erste und an eine zweite Klemme einer zweiten Stromteilerschaltung mit Transistoren vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp enthält, welche zweite Stromteilerschaltung einen ersten und einen zweiten Kreis enthält, die die Verbindung zwischen der ersten bzw. der zweiten Klemme und einer Summen- ■ klemme herstellen, wobei der erste Kreis die Kollektor-Emitter-Strecke eines ersten Transistors enthält, dessen Basis-Emitter-Strecke von der im zweiten Kreis liegenden Reihenschaltung einer Impedanz und eines Halbleiterübergangs überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromt«ilerschaltung (T₁₁, T₁₂) zur Lieferung zweier Ströme praktisch gleicher Grosse eingerichtet ist, und dass der Halbleiterübergang ("T₁,,) in Reihe mit der Impedanz in der zweiten Stromteilerschaltung (T₁Oi T₁2,) eine Gesamtoberfläche aufweist, die grosser als die Emitteroberfläche des ersten Transistors (T₁J,) ist. (Fig»2).
2. Stromquellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterübergang durch eine Diode oder die Parallelschaltung einer Anzahl als Dioden geschalteter Transistoren (T₁-) gebildet wird. (Fig. 2).
3. Stromquellenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Abweichungen in den verlangten Strömen infolge der Basisströme der Transistoren der zweiten Stromteilerschaltung in dem zweiten Kreis (BC¹) dieser Stromteilerschaltung zwischen dem Halbleiter-

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Übergang (T₁ ο) und der zweiten Klemme (π) die Emitter-Kollektor-Strecke eines Kompensationstransistors (T₁,-) angeordnet ist, dessen Basis mit der ersten Klemme (ß¹) verbunden ist, (Fig. 3)·
4. Stromquellenanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stromteilerschaltung eine Summenklemme (c) und eine erste (A) und eine zweite (A¹) Ausgangsklemme enthält, wobei die Summenklemme mit einem Halbleiterübergang (T₁₂) verbunden ist, der von der Emitter-Basis-Strecke eines zweiten Transistors (T₁₁) überbrückt ist, dessen Kollektor mit der ersten Ausgangsklemme (A) und mit der Basis eines dritten Transistors (T₁-) verbunden ist, dessen Emitter-Kollektor-Strecke die Verbindung zwischen dem Halbleiterübergang (T₁₂) un.d der zweiten Ausgangsklemme (A') herstellt.
5. Stromquellenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Summenklemmen (C, C¹) über die Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecken zweier Transistoren (T₁₇, T¹.»; ^Tiß» ^Tli8^ mit einer zusätzlichen Klemme verbunden ist, der ein Strom entnommen werden kann, wobei jede der Basis-Elektroden dieser Transistoren (T₁₇, T' „ bzw. T^g, T' g) mit einem der Kreise der Stromquellenanordnung verbunden ist. (Fig. 3).
6. Stromquellenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Suinmenklemmen (C, C¹) mit einer Eingangsklemme einer Stromteilerschaltung (d) verbunden ist, die an eine Anzahl von Ausgangsklemmen Ströme liefert, die zu dem Strom an der Eingangsklemme ein festes Verhältnis haben.

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7. Stromquellenanordnung nach einem der vorstehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe AnlaufSchwierigkeiten in der Stromquellenanordnung beim Anlegen der Speisespannung vermieden werden.

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