DE2247537B2

DE2247537B2 - Integrierte stromversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE2247537B2
Application number: DE19722247537
Authority: DE
Inventors: William Folsom Tempe Ariz Davis (VStA)
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1971-10-04
Filing date: 1972-09-28
Publication date: 1977-09-15
Also published as: JPS5236267B2; JPS4845183A; IT966173B; DE2247537A1

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Stromversorgungsschaltung der im Oberbegriff des Anspruchs I genannten Art

Eine derartige StromversorgungiSchaJtung ist aus der britischen Patentschrift 12 40137 bekannt. In dieser Druckschrift wird eine Stromversorgungsschaltung beschrieben, bei welcher ein als Diode geschalteter Transistor in Reihe zu einer stabilisierten Stromquelle angeordnet ist, wobei parallel zu dem als Diode geschalteten Transistor die Basis-Emitter-Strecke eines Laststromtransistors liegt Eine derartige Anordnung ist auch unter der Bezeichnung »Stromspiegel« bekannt (schweizerische Patentschrift 4 84 521).

Weiterhin ist es aus Internationale Elektronische Rundschau (1967), Nr. 6. Seite 160, Bild 9, grundsätzlich bekannt, als Dioden geschaltete Transistoren in Verbindung mit entsprechenden Lasttransistoren zu verwenden.

In monolithischen, integrierten Schaltungen sind gewöhnlich mehrere Gleichströme von verschiedenen Stromquellen erforderlich. Die Stärke dieser verschiedenen Ansteuerströme 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 Ströme von einem einzigen geregelten Bezugs-Strom abgeleitet, der dazu benutzt wird, den Bereich des Plättchens zu beschränken, der von den Schaltelementen des Bezugs-Stroms verbraucht wird, und der so stabilisiert wird, so daß er von Änderungen der Spannungen und der Temperatur unabhängig ist 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-Strecken der Transistoren der Stromquelle, die die verschiedenen Ansteuerströme liefern, sind direkt an diese Diode gelegt Die Ansteuerströme haben dadurch dieselbe Stabilität wie der Bezugsstrom. 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-Strom gesetzt werden können. Optimal wird der Emitterbereich der Bezugidiode so gewählt, 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 starke Vergrößerung des Emitterbereiches notwendig, wobei die Fläche des größten Emitters für einen Transistor einer Stromquelle ein Vielfaches des Bereiches des Emitters der Bezugs-Diode beträgt (beispielsweise das Einhundertfache). Eine Flächenvergrößerung in diesem Umfang erfordert einen großen Flächenanteil des Plättchens und ist aus wirtschaftlichen Gründen unerwünscht.

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 dem Schaltkreis erforderlich sind, ebenfalls hohe Werte für die Emitierwiderstände notwendig. Dies führt ebenfalls zu einem unerwünschten Verbrauch großer Flächen des Plättchens. Darüber hinaus führt die Verwendung dieser Widerstände zu einem unnötigen Verbrauch an Energie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Versorgungsschaltung der eingangs näher erläuterten Art zu schaffen, die für eine Vielzahl von Verbrauchern unabhängige stabilisierte Lasttröme liefern kann, ohne daß durch die höhere Strombelastung einzelner Verbraucher die Emitterbereiche der verschiedenen Transistoren wesentlich vergrößert werden müssen.

Zur Lösung^ dieser Aufgabe dienen die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 niedergelegten Merkmale.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß eine besonders hohe Stromverstärkung ohne besondere Vergrößerung der entsprechenden Emitterbereiche bei den Transistoren erforderlich wird.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird nachfolgend anhand der

Zeichnung beschrieben, in welcher die Figur eine teilweise in Form eines Blockschaltbildes und teilweise in Form eines Schaltschemas dargestellte Stromversorgungsschaltung veranschaulicht.

In der Figur ist innerhalb der gestrichelten Linien eine typische integrierte Schaltung dargestellt, die vorzugsweise als monolithische, integrierte Schaltung aufgebaut ist, in welcher eine Anzahl unterschiedlicher Verbraucher vorgesehen ist, die verschiedene Schaltungsoperationen mit stabilisierten Lastströmen durchführen, die von entsprechenden Transistoren geliefert werden. Die Verbraucher sind mit A bis N' bezeichnet; sie können z. B. Verstärker oder Komparatoren sein. Die verschiedenen Verbraucher A bis N' können jedoch Lastströme verschiedener Stärke erfordern, wobei diese Vorzugsweise spannungs- und temperaturstabilisiert sind. Jeder der verschiedenen Lastströme könnte natürlich von einer unabhängigen spannungs- und temperaturstabilisierten Quelle geliefert werden. Dies wäre jedoch eine Verschwendung an Fläche des Plättchens, und die Schaltung auf dem Plättchen würde unnötigerweise komplizierter.

Es ist eine einzige geregelte Bezugs-Stromqueile 10 vorgesehen, um einen geregelten Bezugs-Strom zu liefern, der relativ unabhängig von Veränderungen der Speisespannung und der Temperatur ist. Die dargestellte Schaltung für die Stromquelle 10 ist nur ein Beispiel. Der Bezugs-Strom wird von einem NPN-Transistor 11 geliefert, dessen Kollektor über einen Widerstand 12 an eine Anschlußklemme 13 und dessen Emitter über einen 3c Widerstand 14 und ein Paar von als Dioden geschalteten NPN-Transistoren 15 und 16 an eine geerdete Anschlußklemme 18 gelegt ist Eine geeignete £?+-Speisespannungsquelle (nicht gezeigt) ist mit der Anschlußklemme 13 verbunden, so daß der geregelte Strom von der Klemme 13 durch die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 11, durch die Widerstände 12 und 14 und durch die als Dioden geschalteten Transistoren 15 und 16 zu der geerdeten Klemme 18 fließt.

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. Der Transistor 20 liefert Strom zu einer Zenerdiode 22, die 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 eines Widerstandes 26 angeschlossen. Der Spannungsabfall an der Zenerdiode 22 bildet eine konstante Bezugsspannung für die Steuerung des Transistors 11.

Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 11 und die als Dioden geschalteten Transistoren 15 und 16 haben negative Temperaturkoeffizienten, um den positiven Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode 22 teilweise auszugleichen. Die Spannungsänderung am Widerstand 14 infolge von Temperaturänderungen wird durch eine entsprechende Änderung des Widerstandswertes des Widerstandes 14 ausgeglichen. Der durch den Transistor 11 und die als Dioden geschalteten Transistoren 15 όο und 16 fließende Strom hat somit einen Temperaturkoeffizienten von Null. An die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 20 ist ein NPN-Transistor 24 gelegt, um Beta-Veränderungen des PNP-Transistors 20 zu kompensieren. Die Basis des Transistors 24 ist an die Verbindungsstelle des Widerstandes 12 mit dem Kollektor des Transistors 11 angeschlossen.
Um sicherzustellen, daß die Schaltung 10 beim Anlegen einer Spannung ordnungsgemäß arbeitet, liegt der Widerstand 26, 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 Zenerdiodfc 22 zu der geerdeten Klemme 18 fließen zu lassen. Es fließt daher am Anfang ein ausreichender Strom durch den Widerstand 26 und die Zenerdiode 22, um die Schaltung in Betrieb zu setzen. Der temperatur- und spannungsgeregelte Strom, der von dem Transistor 11 abgegeben wird, bildet den Haupt-Bezugsstrom für die Transistoren, die dazu dienen, den Verbrauchern A bis N' Betriebsströme oder Ansteuerströme zu liefern.

Bekanntlich ist dann, wenn die Basis-Emitter-Strecke eines einen Ansteuerstrom liefernden Transistors an einen als Diode geschalteten Transistors gelegt wird, der mit Strom von einer geregelten Stromquelle versorgt wird, der durch den Transistor fließende Strom ebenfalls geregelt Die Stärke des Ansteuerstromes ist bestimmt durch das Verhältnis der Fläche des Emitters des Transistors zu der Fläche des Emitters des als Diode geschalteten Transistors. Normalerweise werden alle Emitter dieser Transistoren zu einem Punkt eines Bezugspotentials oder einem Speiseanschluß zurückgeführt, ebenso wie der durch den als Diode geschalteten Transistor fließende Strom.

Bei der dargestellten Schaltung sind jedoch vier NPN-Laststromtransistoren 30,31,32 und 33 mit ihren Basis-Emitter-Strecken parallel an den als Diode geschalteten Transistor 15 gelegt Der von den Emittern der Transistoren 30, 31, 32 und 33 kommende Strom fließt somit nicht direkt zur Ende, sondern er wird zu dem Original-Bezugs-Strom addiert und fließt durch den als Diode geschalteten Transistor 16 zur geerdeten Klemme 18. Die Kollektoren der Transistoren 30,31,32 und 33 sind über die Verbraucher B, Q D und N' an die positive Potentialquelle der Anschlußklemme 13 gelegt, von der der zusätzliche Ansteuerstrom erhalten wird.

In der dargestellten Schaltung ist die Emitterfläche der Transistoren 30 und 31 mit A bezeichnet, wobei diese Fläche gleich der Emitterfläche des als Diode geschalteten Transistors 15 ist. Ein Einheitsstrom /, der die Größe des Bezugs-Stromes hat, die vom Transistor 11 im Stromkreis 10 geliefert wird, fließt durch den als Diode geschalteten Transistors 15 (wobei der Basis-Strom am Knoten X durch die Transistoren vernachlässigt wird). Bekanntlich ist bei gleichen Emitterflächen der durch die Transistoren 30 und 31 fließende Strom ebenfalls gleich /, da die Emitterfläche dieser Transistoren identisch mit derjenigen des als Diode geschalteten Transistors 15 ist

Wie in der Zeichnung dargestellt ist, ist die Emitterfläche des Transistors 32 auf All festgelegt, so daß das Verhältnis der Fläche des Emitters dieses Transistors zu der Emitterfläche des als Diode geschalteten Transistors 15 derart ist, daß der durch den Transistor 32 fließende Strom gleich 112 ist Die Emitterfläche des Transistors 33 ist mit NA bezeichnet, wobei N eine positive ganze Zahl oder ein Bruchteil hiervon ist Bei 33 kann ein einziger oder es können mehrere Transistoren verwendet sein, wobei die gesamte Emitterfläche gleich NA ist womit ein Gesamtstrom Nl zu einem oder mehreren Verbrauchern N' fließt (wobei N' eine positive ganze Zahl ist).

Sämtliche Ströme, die von den Emittern der Transistoren 30,31,32 und 33 abfließen, werden jedoch mit dem ursprünglichen Bezugs-Strom /, der durch den als Diode geschalteten Transistor 15 fließt, kombiniert,

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15

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und dieser kombinierte Strom fließt durch den als Diode geschalteten Transistor 16 zur geerdeten Anschlußklemme 18. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Beispiel führt dies zu einem Gesamtstrom von (3>/2+-N)I, der durch den als Diode geschalteten Transistor 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 Ansteuerung von einem oder ^fiSehijeren^eiteren Trmsistpren verwendet werden, die :^^^lich*'höhere Strömetan/ Verbräucihem lielFerti sollen, als dies bei den Transistoren 30,31, :J2 und 33 der

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^ürchxiien Trariisiätori40 fließende Emitterström ist 18/ Wtnn angenommen wird;itJaß die Verbraucher Βϊ'φρ und N die Transistoren 30,31,32 und 33 benötigen, dann ist um diesen Strom von 18/ zu erhalten, eine zusätzliche Emitterfläche von insgesamt ΛΑ erforderliche (A für den als Diode geschalteten Transistor 16 und 3/1 für den Transistor 40).

Falls diese in der Zeichnung dargestellte Technik nicht angewandt wird, so würde man den als Diode geschalteten Transistor 16 weglassen und die Emitter des als Diode geschalteten Transistors 15 und der Transistoren 30, 31, 32 und 33 mit der geerdeten Anschlußklemme 18 verbinden. 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 18/ mit diesem konventionellen Schaltkreis zu erreichen, müßte die Emitterfläche des Transistors 40 achtzehnmal so groß sein wie diejenige des als Diode geschalteten Transistors 15 (18.AJl Dies ist 4,5mal so viel, wie bei Verwendung der dargestellten und beschriebenen Schaltung zur Erzeugung desselben Stromes erforderlich ist

Weitere Transistoren, wie sie gestrichelt angedeutet sind, können ebenfalls an den als Diode geschalteten Transistor 16 gelegt werden, um Strom an weitere Verbraucher zu liefern. Die Stärke des von solchen weiteren Transistoren gelieferten Stromes hängt von dem Verhältnis ihrer Emitterfläche zur Emitterfläche des als Diode geschalteten Transistors 16 ab.

Durch Verwendung der dargestellten Schaltung, bei der der Bezugs-Strom /von der Bezugs-Stromquelle 10 abgegeben wird, wird eine beträchtliche Einsparung an Fläche auf dem Plättchen erreicht während die gewünschten Stromstärken erzielt werden. Die Schaltung kann in Form einer Kette wiederholt werden und es können mehr als zwei als Dioden geschaltete Transistoren 15 und 16 in Reihe zwischen dem Widerstand 14 und der Klemme 18 angeordnet werden. Verschiedene Ströme von anderen Stromquellen können in Verbindung mit als Dioden geschalteten Transistoren, die höher in der Kette liegen; kombiniert werden, um zunehmend größere Bezugs-Ströme für die als Dioden geschalteten Transistoren weiter unten in der Kette zu liefern. Hierdurch wird eine noch größere Stromverstärkung ohne besondere Vergrößerung der Emitterbereiche erreicht

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Integrierte Stromversorgungsschaltung mit zumindest ersten und zweiten als Diode geschalteten s Transistoren, die in Durchlaßrichtung Strom führen und über eine stabilisierte Stromquelle zwischen den Speisespannungsanschlüssen liegen, und mit zumindest zwei Lasttransistoren, deren Kollektoren jeweils zumindest zwei Verbraucherkreisen einen Ansteuerstrom liefern, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Emitterstrecke des ersten Laststromtransistoren oder der ersten Laststromtransitoren (30,31,32,33) parallel zum ersten diodengeschalteten Transistoren (15) geschaltet sind und daß die Basis-Emitterstrecke des zweiten Lasttransistors (40) parallel zum zweiten mit dem ersten in Reihe liegenden diodengeschalteten Transistor (16) geschaltet ist

2. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten als Diode geschalteten Transistor (15) eine Mehrzahl von ersten Laststromtransistoren (30, 31, 32, 33) zugeordnet sind, deren Kollektoren jeweils im zugeordneten Verbraucherkreis liegen und deren Basis-Emitter-Strecke jeweils parallel zu dem ersten als Diode geschalteten Transistor (15) angeordnet sind.

3. Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem zweiten als Diode geschalteten Transistor (16) eine Mehrzahl von zweiten Laststromtransistoren (40) angeordnet ist, deren Kollektoren jeweils in einem zugeordneten Verbraucherkreis liegen und deren Basis-Emitter-Strecken jeweils parallel zu dem zweiten als Diode geschalteten Transistor (16) angeordnet sind.

4. Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Emitter-Strecken der Laststromtransistoren (30, 31, 32, 33; 40) derart geschaltet sind, daß sie in Vorwärtsrichtung durch einen über den zugeordneten, als Diode geschalteten Transistor fließenden Strom vorgespannt sind.

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