DE2402838B2 - Schaltung zum Erzeugen eines annähernd konstanten Gleichstroms - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Erzeugen eines annähernd konstanten Gleichstroms für einen Verbraucher mit sehr kleiner Stromaufnahme unter Verwendung einer Stromspiegelschaltung, die zwei mit ihren Basen verbundene Transistoren enthält, von denen der erste, als Diode geschaltete Transistor in Reihe mit einem Vorwiderstand und parallel dazu der zweite Transistor in Reihe mit einem Verbraucher an einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle liegen.

Wenn man eine Konstantstromquelle für kleine Ströme benötigt, so kann man von einer als Stromspiegel bezeichneten Schaltung Gebrauch machen. Diese Schaltungsart wird vorzugsweise bei der monolithischen Integration von analogen oder digitalen Schaltungen angewendet.

Die Stromspiegelschaltung besteht im einfachsten Falle aus zwei Transistoren mit möglichst gleichen Eigenschaften. Während Kollektor und Basis des einen Transistors überbrückt sind, besteht zwischen den Basen beider Transistoren eine unmittelbare Verbindung. In der Kollektorzuleitung des durch die Überbrückung von Kollektor und Basis als Diode geschalteten Transistors liegt ein mit einem Gleichspannungspotential verbundener Vorwiderstand und in der Kollektorzuleitung des anderen Transistors ein Verbraucher. Die Stromspiegelschaltung hat die Eigenschaft, daß ein über den Vorwiderstand in die Schaltung hineinfließender Eingangsstrom einen annähernd gleich großen Ausgangsstrom zur Speisung des Verbrauchers steuert, und zwar unabhängig von den sonstigen Parametern im Eingangs- und Ausgangskreis (»Radio-Mentor«), 1971, Seite 423, Bild 11a und zugehöriger Text).

Soll die Konstantstromquelle einen sehr kleinen Strom abgeben, der zum Beispiel im Mikroamperebereich liegt, so muß der Vorwiderstand einen Widerstandswert haben, der in der Größenordnung von einigen 100 kQ bis etwa 1 ΜΩ liegt, wenn die Betriebsspannung beispielsweise 1 V beträgt. Bei höheren Betriebsspannungen sind entsprechend größere Widerstandswerte für den Vorwiderstand erforder-

-° Hch. Widerstände mit derart hohen Widerstandswerten lassen sich bisher in integrierten Schaltungen nur unter Anwendung besonderer Maßnahmen herstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstantstromquelle zu schaffen, die auch bei sehr kleinen Ausgangsströmen mit einem Vorwiderstand auskommt, dessen Widerstandswert höchstens 20 kQ beträgt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer

J« Schaltung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Reihenschaltung aus einem weiteren Widerstand und einem als Diode geschalteten dritten Transistor mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist, daß der dem ersten Transistor abgewandte Anschluß

r> des Vorwiderstandes mit dem gemeinsamen Anschluß des weiteren Widerstandes und des dritten Transistors verbunden ist.

Durch die vorgenannte Ergänzung der bekannten Stromspiegelschaltung kann die Summe der Widerstandswerte der beiden Widerstände erheblich unter dem Widerstandswert des Vorwiderstandes der bekannten Stromspiegelschaltungen liegen. In einem erprobten Beispiel, bei dem der Ausgangsstrom der Konstantstromquelle ^ 1 μΑ beträgt und die Be-

4^r> triebsspannung 1 V, haben die beiden Widerstände zusammen einen Widerstandswert von nur 25 kQ.

Aus der Zeitschrift »Regelungstechnische Praxis

und Prozeß-Rechentechnik«, 1970, Heft 6, Seien M 45 bis M 48, ist eine Konstantstromschaltung bekannt,

^r>o wie sie in integrierten Analogschaltungen für sehr geringe, konstant zu haltende Ströme in Frage kommt. Bei dieser, zwei Transistoren umfassenden Schaltung ist der eine Transistor als Diode geschaltet.

In Ausgestaltung der Erfindung läßt sich der von

v> der Schaltung zu liefernde Strom ohne eine Erhöhung der Summe der Widerstandswerte der beiden Widerstände noch weiter verringern, wenn in der Emitterzuleitung des zweiten Transistors ein Emitterwiderstand liegt. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfin-

bo dung kann die Schaltung auch zur Speisung von zwei oder mehreren Verbrauchern, die alle gleich große Ströme erhalten sollen, herangezogen werden, wenn je Verbraucher ein zusätzlicher Transistor vorgesehen ist und wenn die Basen der zusätzlichen Transistoren

b5 miteinander, die Kollektoren mit je einem der Verbraucher und die Emitter mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbunden sind.

Auch eine Konstantstromquelle für zwei oder meh-

rere Verbraucher läßt sich also ohne Schwierigkeiten als integrierte Schaltung herstellen.

Das Prinzip sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer Konstantstromquelle, die beispielsweise einen Ausgangsstrom I₂ von 1 uA an einen Verbraucher V₁ liefert. Die Schaltung umfaßt drei Transistoren T₁, T₂ und T₃, von denen die Transistoren T₁ und T₃ als Diode geschaltet sind, indem Ba",is und Kollektor jedes Transistors überbrückt sind. Die Transistoren T₁ und T₃ bilden in Durchlaßrichtung geschaltete Dioden, die mit einem Pol an Masse liegen. Während der andere Pol der durch den Transistor T₃ gebildeten Diode über einen Widerstand R₂ mit einer positiven Klemme K einer Gleichspannungsquelle mit der Spannung i/=l,0V verbunden ist, steht der andere Pol der durch den 1 ransistor T₁ gegebenen Diode über einen Vorwiderstand R₁ mit einem gemeinsamen Anschluß von Widerstand R₂ und Transistor T₃ in Verbindung. Der Verbraucher V₁ liegt in Reihe mit der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors T₂.

In der Emitterzuleitung des Transistors T₂ kann ein Emitterwiderstand R_E enthalten sein, und mit der Basis des Transistors T₂ kann die Basis eines weiteren Transistors T₂₁ verbunden sein, dessen Emitter-Kollektorstrecke in Reihe mit einem weiteren Verbraucher V₂ an der Gleichspannungsquelle liegt.

Bei der üblichen Stromspiegelschaltung ist das dem Transistor T₁ abgewandte Ende des Widerstander A₁ unmittelbar mit der Klemme K verbunden, wobei der Widerstand A₂ und der Transistor T₃ entfallen. In dieser Ausführung hat die Stromspiegelschaltung die bekannten Eigenschaften, d. h. der Eingangsstrom Z₁ bewirkt das Fließen eines konstanten Ausgangsstroms I₂ etwa gleicher Größe.

Wenn, wie in dem vorliegenden Beispiel, die Gleichspannungsquelle eine Spannung U= 1,0 V liefern soll und der Ausgangsstrom I₂ der Konstantstromquelle etwa 1 uA betragen soll, dann müßte der Vorwiderstand R₁ einen Widerstandswert von etwa 400 kQ haben.

Dadurch, daß man der Reihenschaltung aus der durch den Transistor T₁ gebildeten Diode und dem Vorwiderstand R₁ die durch den Transistor T₃ gebildete Diode parallel schaltet, liegt an dem Vorwi derstand nur die Differenz zwischen den beiden Diodenspannungen. Bei geeigneter Wahl des Widerstandswertes des Vorwiderstandes A₁ ist diese Spannungsdifferenz verhältnismäßig gering, so daß auch der über den Vorwidersta^id A₁ fließende Strom sehr klein ist. Eine weitere Verringerung des Stromes ergibt der Widerstand R₂, der den Eingangsstrom I₁ begrenzt. In dem gezeigten Beispiel beträgt der Widerstandswert des Vorwiderstandes A₁ — 10 kö und der Widerstandswert des Widerstandes A₂- 15 kQ. Die Summe der beiden Widerstandswerte ist somit bedeutend geringer als der Widerstandswert eines Vorwiderstandes in der üblichen Stromspiegelschaltung.

π Durch Einfügen eines Emitterwiderstandes R_E in die Emitterzuleitung des Transistors T₂ läßt sich der Ausgangsstrom I₂ gegebenenfalls noch weiter verringern.

Durch eine Ergänzung der Schaltung mittels weite-

rer Transistoren T₂₁... Tassen sich weitere Verbraucher V₂... mit einem konstanten Strom I₂₁ ■■■ versorgen. Auch die Emitterzuleitungen der weiteren Transistoren T₂₁... können je einen Emitterwiderstand R_E enthalten.

^5 Die Schaltung kann auch nach entsprechender Umpolung der Spannungsquelle mit pnp-Transistoren bestückt sein. Die Transistoren und die Widerstände A₁, A₂, R_E lassen sich in bekannter Weise monolithisch integrieren.

w Mit der Schaltung ist noch der Vorteil verbunden, daß sich Änderungen der Gleichspannung U nur geringfügig auf den Ausgangsstrom I₂ auswirken können, da der als Diode geschaltete Transistor T₃ eine stabilisierende Wirkung hat. Dies gilt insbesondere für

J5 kleine Gleichspannungen, zum Beispiel in der Größenordnung von 1 V. Bei einer Gleichspannung U dieser Größe hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Spannung zu stabilisieren, weil bei größeren Abweichungen in negativer Richtung die Gleichspannung in

■»<> die Größenordnung der Schwellspannung der durch den Transistor T₃ gebildeten Diode gelangt. Die Ausgangsströme I₂,1₂₁... sind im übrigen, wenn die Transistoren T₂, T₂₁... gleiche Eigenschaften aufweisen, annähernd gleich groß.

Die Schaltung eignet sich vorzugsweise als Bestandteil eines monolithisch integrierten Hörgeräteverstärkers.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Erzeugen eines annähernd konstanten Gleichstroms für einen Verbraucher mit sehr kleiner Stromaufnahme unter Verwendungeiner Stromspiegelschaltung, die zwei mit ihren Basen verbundene Transistoren enthält, von denen der erste, als Diode geschaltete Transistor in Reihe mit einem Vorwiderstand und parallel dazu der zweite Transistor in Reihe mit einem Verbraucher an einer gemeinsamen G'eichspannungsquelle., dadurch gekennzeichnet, daß eine Reihenschaltung aus einem weiteren Widerstand (A₂) und einem als Diode geschalteten dritten Transistor ( T₃) mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist und daß der dem ersten Transistor (T₁) abgewandte Anschluß des Vorwiderstandes (A₁) mit dem gemeinsamen Anschluß des weiteren Widerstandes (A₂) und des dritten Transistors (7"₃) verbunden ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Emitterzuleitung des zweiten Transistors (T₂) ein Emitterwiderstand (R_E) liegt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 für zwei oder mehrere Verbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß je Verbraucher (V₂...) je ein zusätzlicher Transistor ( T₂₁...) vorgesehen ist und daß die Basen der zusätzlichen Transistoren mit der Basis des zweiten Transistors, die Kollektoren mit je einem der Verbraucher (K₂...) und die Emitter mit einem Pol der Gleichspannungsquelle bzw. mit Masse verbunden sind.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie als monolithisch integrierte Schaltung ausgebildet ist.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Bestandteil eines monolithisch integrierten Hörgeräteverstärkers ist.