DE2204016B2 - Konstantstromquelle, insbesondere fuer einen digital-analog-konverter - Google Patents

Description

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Bezugswiderstand eine konstante Spannung anliegt, die ihrerseits einen konstanten Strom durch den ersten Transistor und aufgrund der Kopplung auch durch den mit der Last verbundenen zweiten Transistor erzeugt, qer unabhängig von der Versorgungsspannung und deren Schwankungen ist Der konstant zu haltende Kollektorstrom des zweiten Transistors ist im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwankungen, da der große Verstärkungsfaktor des gegengekoppelten Operationsverstärkers alle Temperatureffekte kompensiert Als Operationsverstärker kann jeder beliebige Ο,-serationsverstärktr, wie er z.B. aus der DT-OS 19 04 333 bekannt ist, verwendet werden. Vorteilhafterweise ist der Ausgang des Operationsverstärkers über die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors und über einen Widerstand mit den gekoppelten Basen der beiden Transistoren verbundea

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Konstantstroiriquelle liegt eine Spannungsverschiebeschaltung an den Basen der beiden Transistoren zur Verschiebung der Basisspannung um einen festen Wert an. Durch diese Spannungsverschiebeschaltung wird gewährleistet, daß die Transistoren der Konstantstromquelle unabhängig von Schwankungen der Spannungsversorfungsquelle immer mit den für ihre Wirkungsweise richtigen Spannungen versorgt werden.

Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Digital-Analog-Umsetzschaltkreis mit einer Konstantstromquelle gemäß der Erfindung unJ

F i g. 2 eine Teildarstellung einer anderen Zusammenschaltung einer Konstantstromquelle.

In F i g. 1 werden die Digitalstellen einer binären Zahl den Eingangsanschlüssen 10, 12, 14, 16, 18 bzw. 20 der Leiterabschlußschaltungen 48, 50, 52, 54, 56 und 58 zugeführt, wobei die wichtigste Digitalstelle dem Anschluß 10 und die am wenigsten wichtige dem Anschluß 20 zugeführt wird. Der von den zahlreichen Sprossen 22, 24. 26, 28. 30 und 32 der Leiter gelieferte Strom wird dem analogen Ausgangsanschluß 34 über die jeweiligen Ausgangsverbindungen 36, 38, 40, 42, 44 und 46 der Leiterabschlußschaltungen 48, 50, 52, 54, 56 und 58 zugeführt oder er wird mit einer nicht gezeigten Stromversorgung über jeweilige Anschlüsse 62, 64, 66, C8, 70 und 72 verbunden, abhängig davon, ob die den Anschlüssen 10 bh 20 zugeführten Digitalstellen Einsen oder Nullen sind.

Die Sprossenwiderstände 22, 24, 26, 28,30, 32 und 33 sind an ihrem einen Ende mit den jeweiligen Leiteranschlüssen 74, 76, 78, 80, 82, 84 und 86 der Leiterabschlußschaltungen 48 bis 60 verbunden. Die anderen Enden der Sprossenwiderstände 22, 24, 26, 28, 30,32 und 33 sind jeweils mit den entsprechenden Enden der benachbarten Sprossenwiderstände über Widerstände 86, 88, 90, 92, 94 und % verbunden. Da die Widerstände 22, 24, 26,28, 30 und 32 alle gleich 2R und die Widerstände 86, 88, 90, 92, 94, 96 und 33 jeweils gleich R sind, beträgt der Stromfluß von und zu der Konstantstromquelle 98 an den Anschlüssen 74, 76, 78. 80,82,84 bzw. 86 jeweils; 321,161,81,41,21,1 und I, wobei der Gesamtstromfluß von der Konstantstromquelle 98 gleich 641 ist. Die Lekerabschlußschaltung 60 unterscheidet sich von Leiterabschlußschaltungen 48 bis 58 darin, daß sie keinen Digitaleingang besitzt und daß der Ausgang der Schaltung 60 nicht mit dem analogen Ausgangsanschluß 34 verbunden ist, wobei der maximale Stromfluß im analogen Ausgangsanschluß 34 gleich 631 ist, wenn die digitale Zahl gleich 000000 ist. und gleich Null ist. wenn die digitale Zahl gleich 111111 ist. und einen mittleren Wert annimmt, wenn die digitale Zahl einen mittleren Wert besitzt, wobei eine Logik positiver Art verwendet wird. Der Ausgangsanschluß 100 der Konstantstromquelle 98 ist mit der Verbindung der Widerstände 22 und 86 verbundea Da die Genauigkeit des Digital-Analog-Konverters von der Konstanz des Stromes der Konstantstromquelle abhängt, muß die Konstantstromquelle 98 eine hohe Güte besitzen. Der Analog-Digital-Konverter kann auf e^;nem Plättchen aufgebaut werdea Hierbei sind die absoluten Werte der Widerstände 22 bis 33 und 86 bis 96 schwer zu steuern, jedoch können ihre Verhältnisse leicht so eingestellt werden, wie weiter oben geschildert wurde. Eine Konstantspannungsquelle ist daher anstelle der Konstantstromquelle 98 nicht verwendbar, da bei einer Konstantspannungsquelle die Größe des Stromes am analogen Ausgangsanschluß 34 nicht nur von der digitalen Zahl abhängt, die dem Konverter zugeführt wird, sondern auch von den absoluten Werten der Leiterwiderstände 22 bis 33 und 86 bis 96. Bei Verwendung einer Konstantstromquelle hängt die Größe des Stromes am analogen Ausgangsanschluß 34 dagegen nicht von den absoluten Werten der Widerstände 22 bis 33 und 86 bis % ab, sondern nur von ihren relativen Werten. Ebenso ist es vorteilhaft, die Konstantstromquelle auf einem Plättchen anzuordnen, wobei die Grenze des Plättchens von dem Bezugszeichen 98 angezeigt wird. Wenn gewünscht, kann der gesamte Digital- Analog-Konverter auf einem Plättchen untergebracht werden.

Die Konstantstromquelle 98 besteht aus einem N PN-Transistor 102, dessen Kollektor mit dem Anschluß 100 des Plättchens 98 verbunden ist Da alle Transistoren des vorliegenden Ausführungsbeispiels von NPN-Bauart wird in der weiteren Beschreibung die jeweilige Bauart nicht mehr erwähnt. Statt der N PN-Transistoren können auch PNP-Transistoren in geeigneter Zusammenschaltung und mit passenden Spannungsversorgungen verwendet werden. Der Emitter des Transistors 102 ist an einer negativen Potentialschiene 104 der Spannungsversorgungsquelle über einen Widerstand 106 angeschlossen.

Die Basis des Transistors 102 ist mit dem Kollektor eines Transistors 108, mit der Basis eines Transistors 110 und über einen Widerstand 114 mit dem Emitter eines Transistors 116 verbunden. Der Emitter des Transistors 108 ist an der Schiene 104 über einen Widerstand 118 angeschlossen. Die Basis des Transistors 108 liegt an der Basis und dem Kollektor eines Transistors 120. Der Emitter des Transistors 120 ist über einen Widerstand 122 an die Schiene 104 angeschlossen. Die mit dem Kollektor verbundene Basis des Transistors 120 ist über einen Widerstand 126 mit einem Masseanschluß 124 des Plättchens 98 verbunden. Der Transirtor 120 wirkt daher als eine Diode, deren Anode die mit dem Kollektor kurzgeschlossene Basis darstellt, und deren Kathode durch den Emitter dargestellt wird.

Der Kollektor des Transistors 116 ist an eine positive Schiene 128 angeschlossen. Die Basis des Transistors 116 liegt über eine Konstantstromquelle 130 an der Schiene 128 und direkt an dem Kollektor eines Transistors 132. Die Basis des Transistors 132 ist mit einem Steueranschluß 134 auf dem Plättchen 98 und sein Emitter mit dem Masseanschluß 124 über eine Konstantstromquelle 136 verbunden. Der Emitter des Transistors 132 ist direkt mit dem Emitter eines

Transistors 138, sein Kollektor direkt mit der Schiene 128 gekoppelt. Die Basis des Transistors 138 ist mit dem Kollektor des Transistors 110 und mit einem Steueranschluß 140 des Plättchens 98 verbunden. Der Emitter des Transistors 110 ist über einen Widerstand 141 an die negative Schiene 104 angeschlossen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, kann der Masseanschluß 124 mit einem Bezugspotential verbunden werden, wie z. B. mit Masse 142, und der Steueranschluß 134 liegt ebenfalls an Masse 142. Der Steueranschluß 140 ist über einen Bezugswiderstand 144 und über den positiven und dann negativen Anschluß einer Bezugsspannungsquelle 146 mit Masse 142 verbunden. In F i g. 2 sind die Einzelheiten des Plättchens 98 nicht gezeigt, wohl aber die Anschlüsse des Plättchens, die die gleichen Bezugszeichen haben wie entsprechende Teile der Fig. 1. Der Steueranschluß 140 ist über den Bezugswiderstand 144 mit Masse verbunden, aber die Spannungsquelle 146 ist in F i g. 2 weggelassen und stattdessen eine Bezugsspannungsquelle 148, die bezüglich Masse negativ ist, zwischen dem Steueranschluß 134 und Masse 142 angeschlossen. Die Schaltung von F i g. 1 ist also verschiedenartig in der Weise anwendbar, daß sie entweder gemäß F i g. 1 mit der Bezugsspannungsquelle 146 verwendet werden kann, die bezüglich Masse positiv ist, oder gemäß F i g. 2 mit einer Bezugsspannungsquelle 148, die bezüglich Masse negativ ist, wobei der Bezugswiderstand 144 sowohl mit der Quelle 146 als auch mit der Quelle 148 verwendet wird.

Obwohl die zwischen der positiven Schiene 128 und der negativen Schiene 104 angelegte Versorgungsspannung sich verändern kann, wird die Konstantstromquelle 98 einen konstanten Strom am Anschluß 100 abgeben, welcher nur von dem Bezugswiderstand 144 und der jeweiligen Bezugsspannungsquelle 146 oder 148 abhängig ist.

Die Konstantstromquelle 98 arbeitet folgendermaßen:

Da die Konstantstromquelle 130 die Hälfte des von der konstanten Stromquelle 136 gelieferten Stromes liefert ist der Stromfluß durch die Transistoren 138 und 132 der gleiche. Daher ist auch die Spannung an den Basen der Transistoren 132 und 138 die gleiche. Dies ergibt sich aus der negativen Rückkopplung von dem Emitter des Transistors 138 zum Emitter des Transistors 132, zur Basis des Transistors 116, durch den Widerstand 144 und zurück zur Basis des Transistors 110. Da die Basis des Transistors 132 auf Massepotential liegt, ist der durch den Bezugswiederstand 144 fließende Strom aufgrund der Bezugsspannungsquelle 146 derartig, daß der Steueranschluß 140 ebenfalls an Masse Hegt Daher ist der Strom, der durch den Transistors 110 und den Emitterwiderstand 141 fließt gleich dem, der durch das Erfordernis fixiert ist daß der Steueranschluß 140 auf Nullpotential liegen muß. Daher ist dieser Strom konstant und nicht von der an den Schienen 104 und 128 angelegten Spannung abhängig. Da die Basis des Transistors 110 direkt mit der Basis den Transistors 102 verbunden ist ist der durch den Widerstand 106 fließende Strom gleich dem durch den Widerstand 1141 fließenden Strom. Die Transistoren 110 und 102 und die Widerstände 141 und 106 sind dabei jeweils so gleichartig wie möglich. Der Strom durch den Widerstand 141 ist aber, wie schon gesagt konstant so daß das Plättchen 98 am Anschluß 100 einen konstanten Strom liefert der vom Wert der Bezugsspannungsquelle, wie z. B. 146. und des Bezugswiderstandes, wie t B. 144. abhängt und nicht von der Versorgungsspannung an den Schienen 104 und 128.

In F i g. 2 liegt der Anschluß 134 an der Spannungsquelle 148, wobei der in den Widerstand 144 fließende Strom derartig ist, daß der Anschluß 140 auf der gleichen Spannung liegt, wie der Anschluß 134. Dieser Strom, der konstant ist, da die Spannungsquelle 148 und der Widerstand 144 normiert sind, fließt wiederurr durch den Widerstand 141 (in Fig.2 nicht gezeigt), wobei das Plättchen 98 gleichartig arbeitet, unabhängig davon, ob der Widerstand 144 oder die Quelle 146 oder 148 wie in F i g. 1 oder wie in F i g. 2 angeschlossen sind.

Da die positive Spannung an der Schiene 128 und die

negative Spannung an der Schiene 104 an den verschiedenen Installationsorten unterschiedlich sein kann, und da weiterhin diese Spannungen von Zeit zu Zeit sich bei jeder Einrichtung ändern können, ist auf dem Plättchen 98 eine Spannungsverschiebeschaltung vorgesehen. Die Spannungsverschiebeschaltung soll hauptsächlich sicherstellen, daß die zahlreichen Transistören auf dem Plättchen 98 immer die richtigen Spannungen erhalten, so daß sie fortwährend in ihrem aktiven Zustand arbeiten. Für NPN-Transistoren, die in einem aktiven Zustand arbeiten, muß die Basis in bezug auf den Kollektor immer negativ und die Basis in bezug auf den Emitter immer positiv sein. Die Spannungsverschiebeschaltung besteht aus dem Widerstand 122, der Diode 120, dem Widerstand 126, über dem der bezüglich Masse negative Spannungsversorgungsstrom angelegt wird, und aus dem Transistor 108 und den Widerständen 114 und 118. Der Spannungsabfall am Widerstand 122 hängt von der negativen Spannungsversorgung der Schiene 104 ab. Die Verbindung der Basis des als Diode geschalteten Transistors 120 mit der Basis des Transistors 108 zwingt die Spannung am Widerstand 118, gleich der Spannung am Widerstand 122 zu sein. Die Transistoren 108 und 120 sind dabei so gleichartig wie möglich, ebenso die Widerstände 118 und 122. Dadurch wird der Strom, der durch den Widerstand 114 fließt und damit auch der Spannungsabfall an ihm festgelegt. Dieser Widerstand 114 bewirkt eine Abwärtsverschiebung des Spannungspegels an den Basen der Transistoren 110 und 102 vom Spannungspegel am Emitter des Transistors 116 aus, da der Widerstand 114 zwischen dem Emitter des Transistors 116 und den Basen der Transistoren 102 und 110 angeordnet ist. Wenn daher die Spannung an der Schiene 104 sich verändert, sind die Spannungen an den verschiedenen Elementen der Transistoren 102 und 110 ebenfalls derartig, daß die Transistoren 102, 110 und 132 weiterhin im aktiven Zustand arbeiten.

Etwas von dem Strom von der Konstantstromquelle 130 fließt in die Basis des Transistors 116, wodurch der Strom in dem Transistor 132 nicht genau die Hälfte des Stromes in der Konstantstromquelle 136 beträgt Dieser

Fehler kann sehr klein gemacht werden, indem der Basisstrom des Transistors durch Verwendung eines Transistors 116 mit sehr hoher Stromverstärkung klein gemacht wird oder indem mit dem Transistor 116 ein weiterer Transistor verwendet wird, wobei die Kollektoren der beiden Transistoren miteinander verbunder sind und der Emitter des weiteren Transistors an dei Basis des Transistors 116 und die Basis des weiterer Transistors sn dem Kollektor des Transistors 132 angeschlossen wird, oder kurz gesagt indem dei ⁶S Transistor 116 und der andere Transistor (nicht gezeigt] in bekannter Weise als ein Darlington-Paar miteinandei verbunden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Konstantstromquelle, insbesondere für einen Digital-Analog-Konverter, mit einer Bezugsspan- S nungsquelle, einem Bezugswiderstand und einem ersten Transistor, dessen Basis mit der Basis eines zweiten Transistors und dessen Emitter mit einem Spannungsversorgungsanschluß verbunden ist, mit einer am Kollektor des zweiten Transistors anliegenden Last und mit einem mit dem Emitter des zweiten Transistors verbundenen Spannungjversorgungsanschluß, wobei die Bezugsspannung und die Versorgungsspannung von zwei verschiedenen Spannungsquellen geliefert wird, dadurch ge- is kennzeichnet, daß die von den Spannungsversorgungsanschlüssen (104,128) get.ennt angeordnete Bezugsspannungsqueile (146, 148) und der Bezugswiderstand (144) an den miteinander gekoppelten Eingängen (134, 140) eines Operationsver- μ stärkers (132, 138; 130, 136) anliegen, dessen Ausgang mit den gekoppelten Basen der beiden Transistoren (110, 102) verbunden ist, und das der Kollektor des ersten Transistors (110) mit einem Eingang (140) des Operationsverstärkers verbunden ist

2. Konstantstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsverschiebeschaltung (108, 114-126) an den Basen der beiden Transistoren (102, 110) zur Verschiebung der Basisspannung um einen festen Wert anliegt.

3. Konstantstromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverschiebeschaltung (108, 114-126) mindestens zwei Transistoren (120, 108) umfaßt, wobei der mit der Basis kurzgeschlossene Kollektor des ersten dieser Transistoren (120) mit einem Bezugspotential (142) und der Emitter mit dem Spannungsversorgungsanschluß (104) verbunden ist, daß die Basis dieses ersten Transistors (120) mit der Basis des zweiten Transistors (108) verbunden ist, daß sich eine Verbindung von einem zweiten Versorgungsanschluß (128) über die Kollektor-Emitterverbindung eines dritten Transistors (116) über einen Pegelschiebewiderstand (114) und über die Kollektor-Emitterverbindung des zweiten Transistors (108) der Spannungsverschiebeschaltung zum ersten Versorgungsanschluß (104) erstreckt, und daß der Kollektor dieses zweiten Transistors (108) mit den gekoppelten Basen der beiden Transistoren (102, 110) der Konstantstromquelle verbunden ist.

4. Konstantstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Transistoren (102, 110) der Konstantstromquelle gleich sind und daß die Emitter dieser Transistoren über Widerstände (106,141) von gleichem Wert mit dem ersten Versorgungsanschluß (104) verbunden sind.

5. Konstantstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (132, 138; 130, 136) über die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors (116) und über einen Widerstand (114) mit den gekoppelten Basen der beiden Transistoren (110, 102) verbunden ist. &5

Die Erfindung betrifft eine Konstantstromquelle, insbesondere für einen Digital-Analog-Konverter, mit einer Bezugsspannungsquelle, einem Bezugswiderstand und einem ersten Transistor, dessen Basis mit der Basis eines zweiten Transistors und dessen Emitter mit einem Spannungsversorgungsanschluß verbunden ist, -»nit einer am Kollektor des zweiten Transistors anliegenden Last und mit einem mit dem Emitter des zweiten Transistors verbundenen Spannungsversorgungsanschluß, wobei die Bezugsspannung und die Versorgungsspannung von zwei verschiedenen Spannungsquellen geliefert wird.

Es ist bekannt, einen digitalen Wert, der mittels einer Gruppe von Ziffern dargestellt ist, in einen analogen Stromwert umzuwandeln. Dies kann mittels einer R-2R-Widerstandsleiter geschehen. Der Strom, der von jedem der Widerstände, die eine Sprosse der Leiter bilden, zum Analog-Ausgang fließt, ist binär auf den Stromfluß von den anderen Sprossen der Leiter bezogen, und eine oder mehrere der Sprossen liefern Strom (oder keinen Strom) zu dem Analog-Ausgang, je nachdem, w>e es von den verschiedenen Digitalstellen festgelegt ist. Für einen genauen Betrieb einer derartigen Leiter muß der von einer Versorgungsquelle gelieferte Strom, der den Strom der Leiter und aller ihrer Sprossen liefert, sehr konstant sein, und diese Konstanz sollte von der Spannung der Stromversorgung unabhängig sein.

Aus der CH-PS 4 84 521 ist eine Konstantstromquelle der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher der erste Transistor durch einen Kurzschluß zwischen Basis und Kollektor als Diode ausgebildet ist. Da der konstant zu haltende Kollektorstrom des zweiten Transistors abhängig von der Konstanz der Spannung an der Basis dieses Transistors ist, welche mit der Basis des ersten Transistors verbunden ist, wirken sich Schwankungen der Basis-Emitterspannung des ersten, als Diode geschalteten Transistors, insbesondere aufgrund von Temperaturschwankungen, nachteilig auf die Stromkonstanz aas. Darüber hinaus sind die Bezugsspannungsquelle und die Versorgungsspannungsquelle nicht vollständig voneinander getrennt, so daß der konstant zu haltende Strom eine gewisse Abhängigkeit von Schwankungen der Versorgungsspannungsquelle aufweist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Unzulänglichkeiten der bekannten Konstantstromquelle zu vermeiden und eine Konstantstromquelle der in Frage stehenden Art, insbesondere für einen Digital-Analog-Konverter zu schaffen, welche unabhängig von Temperaturschwankungen und von Schwankungen der Spannungsversorgung einen äußerst konstanten Strom liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von den Spannungsversorgungsanschlüssen getrennt angeordnete Bezugsspannungsquelle und der Bezugswiderstand an den miteinander gekoppelten Eingängen eines Operationsverstärkers anliegen, dessen Ausgang mit den gekoppelten Basen der beiden Transistoren verbunden ist, und daß der Kollektor des ersten Transistors mit einem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Operationsverstärkers zwischen dem Kollektor des ersten Transistors und den gekoppelten Basen der beiden Transistoren wird der mit dem Kollektor des ersten Transistors verbundene Eingang des Operationsverstärkers auf einem konstanten Potential, z. B. Massepotential, gehalten, so daß an dem