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Integrierte Schaltung Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung
zur Lieferung eines Stromes, mit einer Bezugs-Stromquelle und mit Anschlüssen für
eine Speisespannung.
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In monolithischen integrierten Schaltkreisen sind gewöhnlich mehrere
Gleichströme von verschiedenen Stromquellen erforderlich. Die Stärke dieser verschiedenen
Vormagnetisierungsströme kann in einem Plättchen mit einem einzigen monolithischen
integrierten Schaltkreis einen beträchtlichen Bereich umfassen, beispielsweise von
10 Mikroampere bis zu einem Milliampere oder mehr. Häufig werden alle diese Vormagnetisierungsströme
von einem einzigen geregelten Bezugs-Strom abgeleitet, der dazu benutzt wird, den
Bereich des Plättchens zu konservieren, der von den Schaltkreisteilen des Bezugs-Stromes
Stromes
verbraucht wird und der reguliert wird, sodass er von änderungen der Spannungen
der Temperatur unabhängig ist.
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Der von der geregelten Stromquelle gelieferte Strom wird normalerweise
über eine Bezugs-Diode abgegeben, um einen Punkt mit einem Bezugspotential zu schaffen,
und die Basis-Emitter-Obergänge der Transistoren der Stromquelle, die die verschiedenen
Vormagnetisierungsströme liefern, sind direkt an diese Diode gelegt. Die Vormagnetisierungsströme
haben dadurch dieselbe Stabilität wie der Bezugs strom. Gewöhnlich ist der Emitterbereich
der Bezugsdiode ein Mehrfaches (grösser oder kleiner als 1) des Emitterbereiches
der Transistoren der Stromquelle und ermöglicht es dadurch, dass die geregelten
Ströme annähernd ins Verhältnis zu dem geregelten Bezugs-rStrom gesetzt werden können.
Optimal wird der Emitterbereich der Bezugsdiode so ausgewählt, dass die kleinste
mögliche Formfläche verwendet wird, um die Transistoren der Stromquelle mit dem
stärksten und mit dem schwächsten Strom zu versorgen, die in der Schaltung erforderlich
sind. Selbst bei einer solchen Auswahl ist jedoch häufig eine stark. Vergrösserung
des Emitterbereiches notwendig, wobei die Fläche des grössten Emitters für einen
Transistor einer Stronquelle ein Vielfaches des Bereiches des Emitters der Bezugs-Diode
beträgt, (beispielsweise das Einhundortfache). Eine Flächenvergrösserung in diesem
Umfang erfordert einen grossen Flächenanteil des Plättchens und ist aus wirtschaftlichen
Gründen unerwünscht.
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Nach einer anderen Methode werden Widerstände in Reihenschaltung mit
den Emittern der Bezugs-Diode und den Transistoren der Stromquellen verwendet. Das
Verhältnis der Größen der Emitterwiderstände bestimmt die relativen Verhältnisse
oder Größen der Ströme, die von den verschiedenen Transistoren geliefert werden.
Diese Ströme werden durch den Emitterwiderstand der Bezugs-Diode auf den geregelten
Strom bezogen. Auch hier sind jedoch, wenn hohe Ströme in den Schaltkreis erforderlich
sind, ebenfalls hohe Werte für die Enitterwiderstände'notwendig. Dies führt ebenfalls
zu einem unerwt>nschten Verbrauch grosser
grosser Flächen des
Plättchens. Darüber hinaus fiihrt die Verwendung.dieser Widerstände zu einem unnötigen
Verbrauch an Energie.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schaltung
zur Stromversorgung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet. Die Schaltung
soll Vormaenetisierungsströme in demselben Umfang wie die bisherigen Schaltungen
liefern, wobei jedoch das Verhältnis der Emitterbereiche der verschiedenen Transistoren
zu demjenigen der Bezugs-Diode kleiner ist als bisher. Schliesslich sollen die Ströme
von einigen Vormagnetisierungsstromquellen in der integrierten Schaltung mit dem
Strom der gemeinsamen Bezugs-Stromquelle kombiniert werden, um einen zusätzlichen
höheren Bezugs-Strom zur Steuerung anderer Vormagnetisierungsstromquellen zu schaffen.
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Ausgehend von der eingangs genannten Schaltung wird dies erfindungsgemäss
erreicht durch eine erste und eine zweite Diode, mit denen die Bezugs-Stromquelle
in. dieser Folge in Reihe liegt zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss für
die Speisespannung, wobei die beiden Dioden so gepolt sind, dass sie in Vorwärtsrichtung
zwischen der Bezugs-Stromquelle und dem zweiten Anschluss der Speisespannung Strom
fÜhren, ferner durch wenigstens einen ersten und einen zweiten Verbraucherkreis
und wenigstens einen ersten Transistor mit Kollektor, Basis und Emitter, wobei der
Kollektor an den ersten Verbraucherkreis angeschlossen ist, um für diesen einen
Vormagnetisierungsstrom zu liefern, während die Basis und der Emitter parallel zu
der ersten Diode liegen, ferner mit einem zweiten Transistor mit Kollektor Basis
und Emitter, wobei der Kollektor mit dem zweiten Verbraucherkreis verbunden ist,
um für diesen einen Vormagnetisierungsstrom zu liefern, während die Basis und der
Emitter parallel zu der zweiten Diode liegen.
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Durch die zweite Diode fliesst hierbei ein stärkerer Strom als
als
durch die erst Diode, da sie sowohl von der ort Diode als auch ron dem ersten Transistor
Stroh erhielt.
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Der zweite Transistor wird hierdurch durch einen hEheren Strom vorbelastet
als der erste Transistor.
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Man erhält somit von einer einzigen geregelten Fesugs-Strosquelle
über eine erste und eine zweite Diode Vorbelastungsstrom für einen monolithischen
integrierten Schaltkreis, ul Punkte nit eines Bezugspotential zu schaffen. Einige
der die Stromquellen bildenden Transistoren, die auf die regulierte Stromquelle
bezogen sind, sind mit ihren Basis Emitter-Obergängen an die erste Diode gelegt,
während der Emitterstrom dieser Transistoren zusammengefasst und so dem Strom der
geregelten Stromquelle hinzuaddiert und der zweiten Diode zugeführt wird. Die zweite
Diode, durch die ein stärkerer geregelter Strom fliesst, dient als Bezugsquelle
für weitere Transistoren für wesentlich stärkere Ströme, ohne dass für die Emitterbereiche
dieser Transistoren grösse Flächen erforderlich sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung
erläutert, die teilweise in Blockform eine beispielsweise bevorzugte Ausführungsforn
zeigt.
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In der Figur ist innerhalb der gestrichelten Linien ein typischer
integrierter Schaltkreis dargestellt, der vorzugsweise als monolithischer integrierter
Schaltkreis aufgebaut ist, in welchem eine Anzahl unterschiedlicher Verbraucherkreise
vorgesehen ist, die verschiedene Schaltungsoperationen mit geregelten Vorbelastungsströmen
durchfahren, die von entsprechenden Transistoren geliefert werden. Die Verbraucherkreise
sind mit A bis N' bezeichnet und sie können irgendeine geeignete Form haben, wie
z.B.
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Verstärkerkreise, Komparatorkreise und dgl.. Da die bosonderte Ausbildung
der Elemente und die Funktion dieser Verbraucherkreise ohne Bedeutung für das Verständnis
des Betriebes
Betriebes der Stromkreise ist, die die Vorbelastungsströme
liefern, sind die Einzelheiten der Verbraucherkreise aus Gründen der Obersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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Die verschiedenen Verbraucherkreise A bis N' können jedoch Arbeitsströme
oder Vorbelastungsströme verschiedener Stärke erfordern, wobei diese Vorbelastungsströme
vorzugsweise spannungs- und temperaturgeregelt sind, um den Betrieb der Verbraucherkreise
A bis N' zu stabilisieren. Jeder der verschiedenen Vorbelastungsströme könnte natürlich
von einer unabhängigen spannungs- und temperaturgeregeltenl Quelle erhalten werden.
Dies wäre jedoch eine Verschwendung an Fläche des Plättchens und es würde unnötigerweise
die Schaltung auf dem Plättchen komplizieren.
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Es ist eine einzige geregelte Bezugs-Stromquelle 10 vorgesehen, um
einen geregelten Bezugs-Strom zu liefern, der relativ unabhängig von Veränderungen
der Speisespannung und der Temperatur an den Obergängen ist. Die Stromquelle 10
kann in beliebig geeigneter Weise aufgebaut sein, der dargestellte Schaltkreis ist
nur ein Beispiel einer typischen geeigneten geregelten Stromquelle. Der Bezugs-Strom
wird von einem NPN-Transistor 11 geliefert, dessen Kollektor über einen Spannungs-Abrall-Widerstand
12 an-eine Anschlussklemme 13 gelegt ist und dessen Emitter über einen Widerstand
14- und ein Paar von NPN-Transistor-Dioden 15 und 16 an eine geerdete Anschlussklemme
18 gelegt ist. Eine geeignete Bs Speisespannungsquelle (nicht gezeigt) ist mit der
Anschlussklemme 13 verbunden, sodass der geregelte Strom von der Klemme 13 durch
den Sollektor-Emitter-P£ad des Transistors 11, durch den Widerstand 14 und durch
die Dioden 15 und 16 zu der geerdeten Klemme 18 fliesst.
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Ein PNP-Transistor 20, dessen Emitter über einen Widerstand 21 mit
der Anschlussklemme 13 verbunden ist, bildet eine stabilisierte Arbeits-Potential-Quelle
für den Transistor 11.
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Der Transistor 20 liefert Strom zu einer Zenerdiode 22D die zwischen
zwischen
dem Kollektor des Transistors 20 und der Anschlussklemme 18 liegt. Die Basis des
Transistors 11 ist an die Verbindungsstelle der Kathode der Zenerdiode 22, des Kollektors
des Transistors 20 und des Widerstandes 26 angeschlossen.
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Der Spannungsabfall an der Zenerdiode 22 bildet eine konstante Bezugsspannung
für die Steuerung des Transistors 11.
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Der Basis-Emitter-Dbergang des Transistors 11 und die Dioden 15 und
16 haben negative TemperaturkoeffizientonJ um teilweise den positiven Temperaturkoeffizienten
der Zenerdiode 22 auszugleichen. Die Spannungsänderung am Widerstand 14 infolge
von Temperaturänderungen wird durch entsprechende Xnderungen des Widerstandswertes
des Widerstandes 14 ausgeglichen. Der durch den Transistor 11 und durch die Dioden
15 und 16 fliessende Strom hat somit einen Tewperaturkoeffizienten von Null An den
Emitter-Basis-Obergang des Transistors 20 ist ein NPN-Transistor 24 gelegt, um Beta-Yerinderungen
des PNP-Transistors 20 zu kompensieren. Die Basis des Transistors 24 ist an die
Verbindungsstelle des Widerstandes 12 mit dein Kollektor des Transistors 11 angeschlossen.
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Um sichorzu3tollen, dass der Schaltkreis 10 beim Anlegen einer Spannung
arbeitet, liegt der Widerstand 16, der einen relativ hohen Wert hat, zwischen der
Anschlussklemme 13 und dem Kollektor des Transistors 20, um einen kleinen Reststrom
von der positiven Eingangsklemme 13 über die Zenerdiode 22 zu der geerdeten Klemme
18 fliessen zu lassen.
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Es fliesst daher am Anfang ein ausreichender Strom durch den Widerstand
26 und die Zenerdiode 22, um die Arbeit des Schaltkreises in Gang zu setzen. Der
temperatur- und spannungsgeregelte Strom, der von dem Transistor 11 abgegeben wird,
bildet den Hauptbezugs-Strom für die Transistoren, die dazu en dienen, den Verbraucherkreis/A
bis N' Betriebaströme oder Vorbelastungsströue zu liefern.
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Es ist bekannt, dass wenn der hasi$-Emitter-Obergang eines einen Vormagetisierungsstrom
liefernden Transistors an den Oer;.ni
Obergang einer Transistordiode
gelegt wird, die mit Strom von einer geregelten Stromquelle versorgt wird, der durch
den Transistor fliessende Strom ebenfalls geregelt ist. Die Stärke des Vormagnetisierungs-
oder Vorbelastungsstromes ist bestimmt durch das Verhältnis der Fläche des Emitters
des Transistors zu der Fläche des Emitter der Transistordiode. Normalerweise werden
alle Emitter dieser Transistoren zu einen Punkt eines Bezugspotentials oder einem
Speiseanschluss zurackgeführt, ebenso wie der durch die Transistordiode fliessende
Strom.
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Bei der dargestellten 5haltung sind jedoch vier NPN-Transistoren 30,
31, 32 und 33, die Stromquellen für Vorbelastungsströme bilden, mit ihren Basis-Emitter-Obergängen
parallel an die Transistordiode 15 gelegt.
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Der von den Emittern der Transistoren 30, 31, 32 und 33 kommende Strom
fliesst somit nicht direkt zur Erde sondern er wird zu dem Original-Bezugs-Strom
hinzuaddiert und fliesst durch die Transistordiode 16 zur geerdeten Klemme 18. Die
Kollektoren der Transistoren 30, 31, 32 und 33 sind über die Verbraucherkreise B,
C, D und N' an die positive Potentialquelle der Anschlussklemme 13 gelegt, von der
der zusätzliche Vorbelastungsstrom erhalten wid.
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In der dargestellten Schaltung ist die Emitterfläche bzw. der Emitterbereich
der Transistoren 30 und 31 mit A bezeichnet, wobei dieser Bereich gleich dem Emitterbereich
der Transistordiode 15 ist. Ein Einheitsstrom I, der die Größe des Bezugs-Stromes
hat, die vom Transistor 11 im Stromkreis 10 geliefert wird, fliesst durch die iode
15 (wobei die Basis-Strombelastung am Knotenpunkt X durch die Transistoren vernachlässigt
wird). Wie bekannt ist bei gleichen EmitterflXchen der durch die Transistoren 30
und 31 fliessende Strom ebenfalls gleich I, da die Emitterfläche dieser Transistoren
identisch mit derwenigen
jenlgen der Diode 15 ist.
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Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die Emitterfläche des Transistors
32 auf A/2 festgelegt worden, sodass das Verhältnis der Fläche des Emitters dieses
Transistors relativ zu der Emitterfläche der Diode 15 derart ist, dass der durch
den Transistor 32 fließende Strom gleich 1/2 ist. Die Emitterfläche des Transistors
33 ist mit NA bezetchnet, wobei N eine positive ganze Zahl oder ein Bruchteil hiervon
ist. Der Transistor 33 kann aus einem einzigen oder aus mehreren Transistoren gebildet
sein, wobei die gesamte Emitterfläche gleich NA ist, womit ein Gesamtstrom NI zu
einem oder mehreren Verbraucherkreisen N' fliesst (wobei N' eine positiv. ganze
Zahl ist).
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Der beschriebene Betrieb der Schaltung ist soweit gleich der allgemein
angewandten Arbeitsweise bei der Ableitung einer Anzahl unterschiedlicher Vormagnetisierungsströme
von einer einzigen geregelten Stromquelle. Sämtliche Ströme, die von den Emittern
der Transistoren 30, 31, 32 und 33 sbfliessen, werden jedoch mit dem ursprünglichen
Bezugs-Strom I, der durch die Diode 15 fliesst, kombiniert, und dieser kombinierte
Strom fliesst durch die Diode 16 zur geerdeten Anschlussklemme 18. Bei dem in der
Zeichnung dargestellten Beispiel führt dies zu einem Gesamtstrom von ( 3 1/2 + N)
I, der durch die Diode 16 fliesst. Dieser Strom ist unabhängig von der Speisespannung
und von der Sperrschicht-Temperatur. Da dieser Strom geregelt ist, kann er als Bezugs-Strom
für die Vorbelastung von einem oder mehreren weiteren Transistoren verwendet werden,
die wesentlich höhere Vorbelastungsströme an Verbraucherkreise liefern sollen, als
dies bei den Transistoren SO, 31, 32 und 33 der Fall ist.
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Wenn die Emitterfläche der Diode 16 ebenfalls die Einheitsfläche A
hat wie die Enitterfläche der Diode 15, so Fihrt eine Verbindung des Basis-Emitter-Oberganges
eines Transistors
sistors, der dieselbe Emitterfläche hat, mit
der Diode 16 dazu, dass dieser Transistor einen Strom in der Grösse von ( 3 1/2
+ N) I zieht. Dies ist eine beträchtliche Verstärkung des Ausgangs-Bezugs-Stromes
I, ohne eine Vergrösserung der Emitterfläche eines solchen Transistors über die
Emitterfläche der Diode 16 hinaus. Wie dargestellt, wird jedoch ein Transistor 40
mit einer Emitterfläche PA durch den durch die Diode 16 fliessenden Strom gesteuert.
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Die Basis des Transistors 40 ist mit der Verbindungsstelle -der Dioden
15 und 16 verbunden, während der Emitter des Transistors 40 an die geerdete Klemme
18 gelegt ist.
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Der Transistor 40 lie£ert dann einen Strom von P (3 1/2 + N) I an
den Verbraucherkreis A und dieser Strom ist unabhängig von Anderungen der Sperrschicht
temperatur und von änderungen der Speisespannung. Es ist somit ein geregelter Strom
auf der Basis des ursprünglichen geregelten Bezugs-Stromes -1, der vom Transistor
11 der Bezugs-Stromquelle 10 abgegeben wird, Um zu zeigen, wie bei der beschriebenen
Schaltung Platz eingespart wird, soll N " Z 1/2 und P - 3 angenommen werden.
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Der durch die Diode 16 fliessende Gesamtstrom ist dann 61 und der
durch den Transistor 40 fliessende Emitterstromist 181. Wenn angenommen wird, dass
die Verbraucherkreise B, C, D,und N die Transistoren 30, 31, 32 und 33 benötigen,
dann ist, um diesen Strom von 18I zu verhalten, eine zusStzliche Emitterfläche von
insgesamt 4A erforderlich (A für die Diode 16 und 3A für den Transistor 40).
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Falls diese in der Zeichnung dargestellte Technik nicht angewandt
wird, so würde man die Diode 16 weglassen und die Emitter der Diode 15 und der Transistoren
30, 31, 32 und 33 mit der geerdeten Anschlussklemme 18 verbinden.
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Die Basis des Transistors 40 würde dann an den Knotenpunkt X angeschlossen
und der Emitter des Transistors 40 würde mit der Klemme 18 verbunden werden. Um
einen Emitterstrom von 18I mit diesem konventionellen Schaltkreis zu erreichen
erreichen,
müsse die Emitterfläche des Transistors 40 achtzehn mal so gross sein wie diejenige
der Diode 15 (18A). Dies ist 4,5 mal soviel als bei Verwendung des dargestellten
und beschriebenen Schaltkreises zur Erzeugung desselben Stromes erforderlich ist.
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Weitere Transistoren, wie sie gestrichelt angedeutet sind, können
ebenfalls an die Diode 16 gelegt werden, um Strom an weitere Verbraucherschaltkreise
zu liefern.
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Die Stärke des von solchen weiteren Transistoren gelieferten Stromes
hängt von dem Verhältnis ihrer Emitterfläche zur Emitterfläche der Diode 16 ab.
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Durch Verwendung des dargestellten Schaltkreises, bei dem der Bezugs-Strom
I von der Bezugs-Stromquelle 10 abgegeben wird, wird eine beträchtliche Einsparung
an Fläche auf dem Plättchen erreicht, während die gewünschten Stromstärken erzielt
werden. Der Schaltkreis kann in Form einer Kette wiederholt werden und es können
mehr als zwei Dioden 15 und 16 in Reihe zwischen dem Widerstand 14 und der Klemme
18 angeordnet werden. Verschiedene Ströme von anderen Stromquellen können in Verbindung
mit Dioden, die höher in der Kette liegen, kombiniert werden, um zunehmend grössere
Bezugs-Ströme für die Dioden weiter unten in der Kette zu liefern. Hierdurch wird
eine noch grössere Stromverstärkung ohne besondere Vergrösserung der Emitterbereiche
erreicht.
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PatentansprAche