DE2412393B2 - Stromstabilisierungsschaltung - Google Patents
StromstabilisierungsschaltungInfo
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- G05F1/463—Sources providing an output which depends on temperature
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromstabilisierungsschaltung mit einem ersten und einem zweiten
Parallelkreis zwischen einer ersten und einer zweiten gemeinsamen Klemme, in welchen Kreisen zwei Ströme
mit einem festen gegenseitigen Größenverhältnis aufrechterhalten werden, wobei der erste Kreis die
Hauptstrombahn eines emitterseitig mit der zweiten gemeinsamen Klemme verbundenen ersten Transistors
von einem ersten Leitfähigkeitstyp und der zweite Kreis die Hauptstrombahn eines zweiten Transistors von
diesem ersten Leitfähigkeitstyp und eine erste lineare
ohmsche Impedanz enthält, die einerseits mit dem
Emitter dieses zweiten Transistors und andererseits mit der zweiten gemeinsamen Klemme verbunden ist,
während die Steuerelektroden des ersten und des zweiten Transistors miteinander verbunden sind, wobei
der erste und der zweite Kreis weiter eine zweite bzw. eine dritte Impedanz enthalten, über weiche Impedanzen
der erste bzw. der zweite Transistor kollektorseitig mit der ersten gemeinsamen Klemme verbunden ist, und
wobei eine Verstärkereinrichtung vorgesehen ist, deren Ausgang an die miteinander verbundenen Basiselektro- in
den des ersten und zweiten Transistors angeschlossen ist und ein Steuersignal an diese Elektroden anlegt und
deren Basisstrom liefert, wobei der Kollektor des ersten Transistors mit einem Eingang der Verstärkereinrichtung
verbunden ist. Eine derartige Stromstabilisierungs- 1 ·> schaltung ist bekannt (Electronics, Heft ν. 17. August
1970, S. 92 bis 95, insbes. Bild links unten auf S. 95).
Eine ähnliche Stromstabilisierungsleitung, jedoch ohne ausgangsseitig an die Basiselektroden der beiden
Transistoren angeschlossene Verstärkereinnchtung, ist z. B. aus der vorgenannten Literaturstelle, insbes. Bild
links oben auf S. 93, oder aus der DE-OS 21 57 756 bekannt. Bei dieser Stromstabilisierungsschaltung werden
in den beiden Parallelkreisen einander gleiche Ströme mit Hilfe eines Stromverstärkers (auch als _>·5
Stromspiegel bezeichnet) aufrechterhalten, der mit Hilfe parallelgeschalteter Halbleiterübergänge mit
gleichen Oberflächen das genannte Stromverhältnis aufrechterhält. Bei dieser Stromstabilisierungsschaltung
bilden der Ein- und Ausgangskreis des Stromverstärkers μ die zweiten und dritten Impedanzen. Weiter weist der
zweite Transistor bei dieser bekannten Stromstabilisierungsschaltung eine größere Emitteroberfläche als der
erste Transistor auf. Es ist aber auch möglich, mit Hilfe des Stromverstärkers ein Stromverhältnis ungleich 1 in y,
den beiden Parallelkreisen festzulegen und dann die Emitteroberflächen des ersten und des zweiten Transistors
einander gleich zu wählen.
Die Wirkung derartiger Stromstabilisierungsschaltungen beruht auf der Tatsache, daß infolge des festen
Verhältnisses zwischen den Slrömen in den beiden Parallelkreisen und infolge der ersten linearen ohmschen
Impedanz sich nur bei einer bestimmten Größe (ungleich 0) dieser Ströme ein stabiler Zustand
einstellen kann, durch welche Größe also auch die ■!>
Größe der an den beiden gemeinsamen Klemmen auftretenden Ströme vollständig bestimmt ist.
Kriterien, die diese Stromstabilisierungsschaltungen erfüllen müssen, sind u. a. eine große Stabilität, eine
eindeutige Beziehung zwischen der Größe des erzeugten Stroms und der Größe der ersten Impedanz und eine
befriedigende Unterdrückung des Einflusses von Speisespannungsschwankungen. Das Maß, in dem diese
Kriterien erfüllt werden, wird durch eine nnzahl Faktoren, wie die Genauigkeit, mit der die Transistoren,
insbesondere in bezug auf die Größe der Emitteroberfläche, hergestellt werden können, und das Ausmaß, in
dem das gewünschte Verhältnis zwischen der. Strömen in den beiden Kreisen unter allen Umständen erhalten
bleibt, bestimmt. bo
Bei der eingangs genannten bekannten Stromstabilisierungsschaltung
gemäß Electronics, 17. August 1970, Seiten 92 bis 95, insbes. Bild links unten auf Seite 95, ist
der Kollektor des ersten Transistors über eine Impedanz mit einem gemeinsamen Punkt und über den tr>
Basis-Emitter-Übergang eines die Verstärkereinrichtung darstellenden dritten Transistors mit seiner
Basiselektrode verbunden. Somit ist diese Impedanz über die Reihenschaltung der Basis-Emitter-Übergänge
des ersten und dritten Transistors mit der ersten gemeinsamen Klemme verbunden, wodurch die Emitter-Kollektorspannung
des ersten Transistors im wesentlichen auf einem konstanten Wert gehalten wird und sich eine gewisse Unabhängigkeit der Stromstabilisierungsschaltung
gegenüber Speisespannungsschwankungen ergibt. Das Maß der Unabhängigkeit ist jedoch
noch unbefriedigend, um die Speisespannungsschwankungen den zweiten Transistor ungehindert beeinflussen
zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromstabilisierungsschaltung der eingangs erwähnten
Art den Einfluß von Speisespannungsschwankungen auf die Stromstabilisierung weiter zu vermindern.
Die Erfindung ist zur Lösung dieser Aufgabe dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung einen
Differenzverstärker mit einem nichtinvertierenden und einem invertierenden Eingang aufweist, dessen nichtinvertierender
Eingang mit dem von der ersten gemeinsamen Klemme abgekehrten Ende der zweiten Impedanz
und dessen invertierender Eingang mit dem von der ersten gemeinsamen Klemme abgekehrten Ende der
dritten Impedanz verbunden ist, und daß das von der Verstärkereinrichtung, gegebenenfalls über einen Pegelverschiebungskreis,
an die Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors angelegte Steuersignal
durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers bestimmt und gleichphasig und proportional mit diesem
Ausgangssignal ist.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird erreicht, daß die Speisespannungsunterdrückung viel
besser als bei der bekannten Schaltung ist, was im wesentlichen der Tatsache zuzuschreiben ist, daß mit
Hilfe des Differenzverstärkers sichergestellt wird, daß sich die Basis-Kollektor-Spannungen des ersten und des
zweiten Transistors bei einer Änderung der Speisespannung in gleichem Maße ändern, so daß die Symmetrie
der Schaltung infoige der Rückwirkung der Kollektorspannungen auf die Basis-Emitter-Spannungen der
Transistoren nicht beeinträchtigt wird.
Durch die FR-PS 21 17 455, insbes. Fig.2, ist es bei
einer Stromstabilisierungsschaltung, die sich vom Oberbegriff des Anspruchs 1 jedoch durch das Fehlen
der ersten linearen ohmschen Impedanz unterscheidet, an sich bekannt, als Verstärkereinrichtung einen
Differenzverstärker mit einem nichtinvertierenden und einem invertierenden Eingang vorzusehen, dessen
invertierender Eingang mit dem von der ersten gemeinsamen Klemme abgekehrten Ende einer Impedanz,
die der dritten Impedanz im Anspruch 1 entspricht, verbunden ist, so daß das von der
Verstärkereinrichtung an die Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors angelegte Steuersignal
durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers bestimmt und gleichphasig und proportional mit diesem
Ausgangssignal ist. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers ist bei dieser Stromstabilisierungsschaltung
mit einer Referenzspanrsungsquelle verbunden. Dadurch ergibt sich ebenso wie bei der eingangs
genannten bekannten Stromstabilisierungsschaltung nur eine begrenzte Unabhängigkeit gegenüber Speisespannnngsschwankungen.
Der Ausgang des Differenzverstärker kann direkt
mit den Basiselektroden des ersten und des /weiten Transistors verbunden werden, so daß das Aiisgangssignal
dieses Differenzverstärker? unmittclhiir ;ils Steuersignal
für diese Transistoren wirkt. Selbstverständlich
kann das Ausgangssignal auch über eine Folgerschaltung, z. B. einen Emitterfolger oder ein anderes
geeignetes Netzwerk, diesen Basiselektroden zugeführt werden. Wenn zwischen den Basiselektroden des ersten
und des zweiten Transistors und der zweiten gemeinsamen Klemme eine weitere Impedanz, z. B. eine Diode,
angebracht wird, kann der Kollektorstrom eines derartigen Emitterfolgers als Ausgangsstrom der
Stromstabilisierungsschaltung dienen. Die Größe dieses Ausgangsstroms wird dann u. a. durch das Oberflächenverhältnis
der genannten Diode und der Transistoren bestimmt.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung
wird das Ausgangssignal des Differenzverstärkers der η ersten gemeinsamen Klemme zugeführt und sind die
Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors mit einem Punkt des Differenzverstärkers verbunden,
der eine Spannung aufweist, die mit dem gleichlaufenden Signal an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers
gekoppelt ist. Ein derartiger Punkt ist z. B. der gemeinsame Emitter zweier als Differenzpaar geschalteter
Transistoren oder jeder andere Punkt in dem gemeinsamen Emitterkreis eines derartigen Differenzpaares.
Diese bevorzugte Ausführungsform weist den Vorteil auf, daß nicht nur gewährleistet wird, daß die
Basis-Kollektor-Spannungen des ersten und des zweiten Transistors sich in bezug aufeinander stets in
gleichem Maße ändern, sondern auch, daß diese Spannungen trotz etwaiger Speisespannungsänderun- jo
gen konstant bleiben. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers kann vorteilhafterweise der ersten
gemeinsamen Klemme über einen als Emitterfolger geschalteten dritten Transistor vom ersten Leitfähigkeitstyp
zugeführt werden. Der Kollektor dieses dritten j-5 Transistors kann dann bei dieser Ausführungsform der
Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung als Ausgangsstromklemme dienen.
Der Ausgangsstrom einer Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung weist einen genau festliegenden
Temperaturkoeffizienten auf und kann daher vorleilhafterweise zur Erzielung eines temperalurunabhängigen
Stroms und/oder einer temperaturunabhängigen Spannung verwendet werden, wie in der Figurenbeschreibung
näher erläutert ist.
Durch passende Wahl der Größe der ersten Impedanz und der die zweite und die dritte Impedanz
bildenden Widerstände kann auch der ersten gemeinsamen Klemme eine temperaturunabhängige Spannung
entnommen werden, so daß die Schaltung dann auch als w Spannungsquelle dienen kann.
Durch das Anbringen zweier zusätzlicher Ausgleichswiderständc kann schließlich der Temperaturkoeffizient
des gelieferten Ausgangsstroms auf praktisch jeden beliebigen Wert eingestellt werden. Ein erster dieser
beiden Ausglcichswiderstände ist in dem ersten Kreis zwischen dem ersten Transistor und der zweiten
gemeinsamen Klemme angeordnet, während der zweite Ausglcichswidcrstand zwischen der Basiselektrode des
ersten Transistors und dem Verbindungspunkt dieses ersten Transistors mit dem ersten Ausgleichswiderstand
angeordnet ist. Es stellt sich heraus, daß der Temperaturkoeffizient des Ausgangsstroms von dem
Widerstandsverhältnis zwischen diesen beiden Ausglcichswidcrständen
abhängig ist.
Einige Ausführungsformcn der F.rfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine bekannte Stromstabilisierungsschaltung, die im Prinzip der Schaltung nach Fig.2 der DE-OS
21 57 756 entspricht,
F i g. 2, 3, 4 und 5 vier Ausführungsformen der Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung und
F i g. 6 die Anwendung einer derartigen Stromstabilisicrungsschaltung
zum Erhalten einer temperaturabhängigen Bezugsspannung oder eines temperaturabhängigen
Bezugsstromes.
Die bekannte Stromstabilisicrungsschaltung nach Fig. 1 enthält einen ersten Stromverstärker mit
pnp-Transistoren 7}, T5 und T6. Die Transistoren T5 und
Tb sind mit ihren Basis-Emitter-Strecken parallel
geschallet und mit ihren Emittern mit der positiven Klemme + Ve der Speisequelle verbunden, während der
Transistor T4 mit dem als Diode geschalteten Transistor
71 in Reihe geschaltet und über seine Basis mit dem Kollektor des Transistors 7j verbunden ist. Wenn die
Transistoren Ts und Tb identisch sind, wird mit Hilfe
dieses ersten Stromverstärkers sichergestellt, daß in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung, und
zwar in dem die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 7a enthaltenden Kreis und in dem die
Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren Tf, und Ta
enthaltenden Kreis, identische Ströme fließen.
Die Stromstabilisierungsschaltung enthält weiter einen npn-Transistor 71, dessen Basis-Emitter-Strecke
die Reihenschaltung des als Diode geschalteten npn-Transistors T2 und eines Widerstandes R überbrückt,
wobei der Emitter des Transistors T\ und der Widerstand R mit der negativen Klemme — Vb der
Speisequelle verbunden sind. Der Kollektor des Transistors T\ ist sowohl mit dem Kollektor des
Transistors T< als auch mit der Basis eines weiteren npn-Transistors Ti verbunden, dessen Emitter-Kollektorstrecke
die Verbindung zwischen dem Transistor 7} und dem Transistor Tj herstellt.
Wenn mit Hilfe des ersten Stromverstärkers in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung ein
gleich großer Strom aufrechterhalten wird, soll die Oberfläche des Transistors T2 größer als die des
Transistors Ti sein, um einen stabilen Zustand mit einem
Strom ungleich 0 zu ermöglichen, was in der Figur schematisch durch die Parallelanordnung des als Diode
geschalteten Transistors Tj' und des Transistors T2
dargestellt ist. Die absolute Größe der Ströme in den beiden Kreisen wird nun eindeutig durch die Größe des
Widerstandes R und durch das Verhältnis zwischen der Gesamtemitteroberfläche von Ti und TJ und der
Emitteroberfläche von Ti bestimmt. Wenn dabei angenommen wird, daß die Ströme in den beiden
Kreisen gleich /sind, muß die nachstehende Bedingung erfüllt werden:
,„ A7 . / kT . 1
IR H In ■-.-- = —- In -
</ η 1,2 q /s,
wobei A die Boltzmannkonstantc, T die absolute
Temperatur, q die elementare Ladung, Λι und /s2 die
Sättigungsströme der Transistoren Ti und T2 und η das
Verhältnis der Emitlcrobcrflächen von T2, 7}' und Ti
darstellen. Wenn weiierhin angenommen wird, daß /si = /v2 ist, erfolgt aus (1), daß
Ill (I ,
woraus sich einfach ergibt, daß die Größe des Stromes /
cindculig durch Wund η bestimmt ist.
Statt identischer Ströme können den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung mit einem gegenseitigen
festen Verhältnis aufgedrängt werden, indem die Emitteroberflächen der Transistoren Ts und Te, ungleich
gewählt werden, was in der Figur schematisch durch die Parallelanordnung des als Diode geschalteten Transistors
Tb und des Transistors Te dargestellt ist. In diesem
Falle können die Transistoren T\ und T2 gleiche
Emitteroberflächen aufweisen. Die Wirkung der Schaltung wird dadurch nicht wesentlich geändert.
Ein Ausgangsstrom kann z. B. dem Kollektor (der Klemme St) eines zusätzlichen Transistors Tj entnommen
werden, dessen Basis-Emitter-Strecke zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T\ parallel geschaltet
ist.
Es stellt sich heraus, daß in erster Linie zwei Ursachen bestehen, durch die bei Anwendungen, die eine große
Genauigkeit erfordern, diese bekannten Schaltungen nicht völlig nach Wunsch wirken. An erster Stelle zeigt
sich, daß die Speisespannungsunterdrückung noch zu wünschen übrig läßt, wodurch Änderungen der Speisespannung
einen zu großen Einfluß auf die Größe des gelieferten Ausgangsstromes ausüben. An zweiter Stelle
erweist es sich als besonders schwierig, das Verhältnis zwischen den Strömen in den beiden Kreisen sehr genau
festzulegen. Dies ist einerseits der Tatsache zuzuschreiben, daß die Genauigkeit, mit der die Emitteroberflächen
hergestellt werden können, an bestimmte Grenzen gebunden ist, während andererseits, insbesondere wenn
der erste Stromverstärker mit integrierten lateralen npn-Transistoren T4- T6 ausgeführt ist, die im allgemeinen
einen kleinen Stromverstärkungsfaktor aufweisen, das gewünschte Stromverhältnis von den Basisströmen
der Transistoren T4- 76 gestört wird. Dadurch werden
der eindeutigen Beziehung zwischen der Größe des Widerstandes R und der Größe des gelieferten Stromes
Grenzen gesetzt.
Eine erste Ausführungsform der Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung zeigt F i g. 2. Dabei
sind entsprechende Teile in dieser Figur und in den folgenden Figuren mit den gleichen Bezugsziffern
bezeichnet. Die Ausführungsform nach F i g. 2 enthält auf gleiche Weise wie die Schaltung nach F i g. 1 einen
aus den pnp-Transistoren T4, T5 und T6 bestehenden
Stromverstärker, der dafür sorgt, daß in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung gleiche Ströme
fließen. Weiter enthält die Schaltung auch wieder einen npn-Transistor Ti, dessen Basis-Emitter-Strecke
die Reihenschaltung der Basis-Emitter-Strecke des npn-Transistors 7} und des Widerstandes R überbrückt.
Da die Ströme in den beiden Kreisen annahmeweise einander gleich sind, soll die Emitteroberfläche des
Transistors T2 wieder größer als die des Transistors Tl
sein, was durch die Parallelanordnung des Transistors Tj und des Transistors Tz dargestellt ist.
Im Gegensatz zu der Schaltung nach Fig. 1 ist der Transistor T2 nicht durch Kurzschluß seiner Kollektor-Basis-Strecke
als Diode geschaltet, sondern wird der benötigte Basisstrom für die Transistoren Ti und Tz von
einem Differenzverstärker A geliefert, der schematisch dargestellt ist und von dem ein Eingang ( + ) mit dem
Kollektor des Transistors Ti und der andere Eingang (—) mit dem Kollektor des Transistors Tj verbunden ist.
Infolge dieser Maßnahme wird, wie sich herausstellt, eine viel bessere Speisespannungsunterdrückung erhalten.
Dies hat zwei Ursachen. Einerseits sorgt der Differenzverstärker A dafür, daß die Kollektor-Basis-Spannungen
der Transistoren T] und T2 einander stets
gleich sind, weil ja die Spannungen an den beiden Eingängen bei genügend großer Verstärkung einander
stets gleich sind. Bei einer Änderung der Speisespannung (±Ve) werden sich zwar die Kollektor-Basis-Spannungen
der Transistoren Ti und T2 ändern, aber
weil dies in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung auf identische Weise erfolgt, wird die
Symmetrie der Schaltung nicht beeinträchtigt und ist der Einfluß einer solchen Änderung viel geringer als bei
ίο der bekannten Schaltung. Als zweite Ursache sei die
Tatsache erwähnt, daß durch das Vorhandensein des Differenzverstärkers A die Kollektor-Basis-Spannung
des Transistors T4 — ungeachtet etwaiger Änderungen
der Speisespannung — stets konstant bleibt, so daß bei diesem Transistor eine Rückwirkung von Änderungen
der Kollektorspannung auf die Basis-Emitter-Spannung völlig vermieden wird.
Selbstverständlich kann die Schaltung auch wieder derart eingerichtet werden, daß der Stromverstärker T4,
Ts, Te ungleiche Ströme in den beiden Kreisen
hervorruft. Ein Ausgangsstrom kann auf gleiche Weise wie in F i g. 1 der Klemme S\ entnommen werden, die
den Kollektorstrom eines Transistors Τη führt.
F i g. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung. Diese
Ausführungsform unterscheidet sich wesentlich von der nach F i g. 2 darin, daß der erste Stromverstärker T4,
Ti, Tt durch zwei Widerstände R\ und R2 ersetzt ist, die
in je einem der beiden Kreise der Stromstabilisierungs-Schaltung aufgenommen sind. Die Schaltung des
Differenzverstärkers ist im einzelnen dargestellt. Dieser enthält beispielsweise ein pnp-Transistorenpaar Te, Tg
mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand Rz und
einer aktiven, aus dem Stromspiegel Tn, T12 bestehen-
35- den Kollektorbelastung. Das Ausgangssignal dieses
Differenzverstärkers kann unmittelbar den Basis-Elektroden der Transistoren T, und T2 zugeführt werden,
aber dies erfolgt in der dargestellten Ausführungsform über den als Emitterfolger geschalteten Transistor Ti0.
Dies hat den Vorteil, daß der Kollektor dieses Transistors TIo als zusätzlicher Stromausgang 52
verwendet werden kann, wobei vorzugsweise in Reihe mit diesem Transistor Τίο und parallel zu der
Basis-Emitter-Strecke des Transistors Ti eine Impedanz,
z. B. eine Diode D\, angeordnet werden soll.
Die Möglichkeit zur Anwendung von Widerständen R\ und R2 statt eines Stromverstärkers ist eine direkte
Folge der Anwendung des Differenzverstärkers. Dieser ist ja über jeden seiner beiden Eingänge mit einem Ende
eines der Widerstände verbunden, was zur Folge hat, daß die Spannung über den beiden Widerständen gleich
ist und infolgedessen durch die beiden Widerstände und also in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung
bei gleichen Widerständen /?i und R2 ein
gleicher.Strom fließt. Die Anwendung von Widerständen weist den Vorteil auf, daß das Stromverhältnis
genauer festgelegt werden kann, weil bei Integration Widerstandsverhältnisse genauer als Verhältnisse zwischen
den Emitteroberflächen von Transistoren erzielt werden können. Statt gleicher Widerstände R\ und R2
können selbstverständlich auch ungleiche Widerstände gewählt werden, um ein Stromverhältnis ungleich 1 in
den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung zu erzielen.
Die dritte Ausführungsform der Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung, die in F i g. 4 dargestellt
ist, ist in bezug auf den Aufbau der beiden Parallelkreise völlig identisch mit der Ausführungsform nach Fig,3.
Visu... Mm - ■-■"
ίο
Der Differenzverstärker enthält in diesem Falle aber die
als Differenzpaar geschalteten npn-Transistoren Ti3, TU, deren Emitter über eine gemeinsame Emitterimpedanz,
in der dargestellten Ausführungsform eine Diode D2, mit der negativen Klemme — Vb der Speisequelle
verbunden sind und deren Kollektoren als Belastung einen Stromspiegel Tis, T^, Tu enthalten. Das Ausgangssignal
dieses Differenzverstärkers wird dem Kollektor des Transistors Tu entnommen und der Basis
eines als Emitterfolger geschalteten Transistors T\s
zugeführt, dessen Emitter mit dem Verbindungspunkt der Widerstände Ri und Ri verbunden ist und dessen
Kollektor einen Stromausgang 53 der Stromstabilisierungsschaltung
bilden kann. Die Basis-Elektroden der Transistoren ΤΊ und Ti sind mit den Emittern der beiden
Transistoren Tb, Tu des Differenzverstärkers verbunden.
Ohne Bedenken kann jedoch zwischen den Basis-Elektroden der Transistoren Ti und Ti und den Emittern
der Transistoren Tn und TU ein geeignetes Netzwerk
angeordnet werden.
Durch den Aufbau der in F i g. 4 gezeigten Stromstabilisierungsschaltung
mit dem Differenzverstärker wird zunächst wieder erreicht, daß das Verhältnis zwischen
den Strömen in den beiden Parallelkreisen durch die Widerstände R\ und Ri festgelegt werden kann. Im
Vergleich zu den Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 3 wird jedoch ein zusätzlicher Vorteil erhalten, der
darin besteht, daß die Kollektor-Basis-Spannungen der Transistoren Γι und Ti nicht nur stets einander gleich
sind, sondern auch in hohem Maße konstant bleiben, ungeachtet des Auftretens von Speisespannungsänderungen.
Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Basis-Elektroden der Transistoren Ti und T2 mit den
Emittern der Transistoren Tn und TU verbunden sind,
die einen Gleichtaktpunkt des Verstärkers bilden und also eine Spannung aufweisen, die mit dem Gieichtaktsignal
an den beiden Eingängen des Differentialverstärkers gekoppelt sind. Da das dem Ausgang des
Differenzverstärkers entnommene Steuersignal über die Widerstände R1 und R2 den Differenzverstärker
gleichphasig ansteuert, bleiben die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Tn und TU und also auch die
Kollektor-Basis-Spannungen der Transistoren Ti und Ti
in hohem Maße konstant, wodurch die Rückwirkung der Kollektorspannung auf die Basis-Emitter-Spannung
Null ist.
Da der Strom in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung
nach der Erfindung einen positiven Temperaturkoeffizienten und die Basis-Emitter-Spannung
eines Transistors einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, kann durch passende Wahl der
Größe des Stromes am Verbindungspunkt der Widerstände R\ und Ri eine temperaturunabhängige Spannung
Vo entnommen werden, die in der dargestellten Ausführungsform etwa 2 Egip beträgt, wobei Egap der
Qandabstand des verwendeten Halbleitermaterials ist.
Fig.5 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei der Maßnahmen getroffen sind, durch die dem Temperaturkoeffizienten
des Ausgangsstroms ein gewünschter Wert gegeben werden kann. Der Differenzverstärker A
steuert direkt die erste gemeinsame Klemme an. Ein Gleichtakt-Punkt des Differenzverstärkers, schematisch
mit c angedeutet, ist über den als Emitterfolger
geschalteten Transistor Tc mit den Basis-Elektroden der
Transistoren Ti und T2 verbunden. Der Kollektor dieses
Transistors T1- ist mit der ersten gemeinsamen Klemme
+ Vh verbunden. Um den TemDeraturkoeffizienten des Ausgangsstromes ändern zu können, sind zwei zusätzliche
Widerstände angeordnet, und zwar ein Widerstand R4 parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors
71 und ein Widerstand R5 in der Emitterleitung dieses
Transistors. Es stellt sich heraus, daß der Temperaturkoeffizient des Ausgangsstroms von dem gegenseitigen
Verhältnis der beiden Widerstände R* und R$ in bezug
auf den Widerstand R abhängig ist und daß durch Änderung dieses Verhältnisses dieser Ausgangsstrom
sowohl einen positiven als auch einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen kann und naturgemäß
auch temperaturunabhängig sein kann.
Indem nur ein Widerstand Ra zwischen der Basis des
Transistors Ti und der zweiten gemeinsamen Klemme — Ve angeordnet wird, kann durch die Wahl des Wertes
dieses Widerstandes in bezug auf den Widerstand R der Temperaturkoeffizient des insgesamt von der Stromstabilisierungsschaltung
aufgenommenen Stromes beliebig gewählt werden, so daß dieser Temperaturkoeffizient
positiv, Null oder auch negativ sein kann.
F i g. 6 zeigt schematisch eine Anwendung einer Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung, bei
der auf besondere Weise der positive Temperaturkoeffizient des Ausgangsstromes dieser Stromstabilisierungsschaltung
benutzt wird. Mit dem Block P ist die Stromstabilisierungsschaltung bezeichnet, die mit der
Ausführungsform nach F i g. 4 völlig identisch ist Der an der Ausgangsklemme S3 dieser Stromstabilisierungsschaltung
auftretende Strom wird der Reihenschaltung eines als Diode geschalteten Transistors T2g und eines
Widerstandes /?6 zugeführt. Dank dem positiven
Temperaturkoeffizienten dieses Stroms kann durch passende Wahl der Größe des Widerstandes /?e erreicht
werden, daß die Spannung über der Reihenschaltung dieses Widerstandes R6 und des Transistors T28
temperaturunabhängig ist. Bekanntlich muß der Widerstand Rf, dann derart gewählt werden, daß die Spannung
über dieser Reihenschaltung gleich Egap ist, wobei Egap
der Bandabstand des Halbleitermaterials des Transistors Tu ist.
Die Reihenschaltung des Widerstandes Rt und des
Transistors T28 ist zwischen dem Ausgang 0 und dem
invertierenden Eingang 2 eines Operationsverstärkers angeordnet. Dieser Operationsverstärker ist beispielsweise
aus einem Differenzpaar T2O, T2i aufgebaut, wobei
die Emitter dieser Transistoren mit einer Stromquelle in Form eines Transistors T\9 verbunden sind, während die
Kollektoren dieser Transistoren mit dem Eingang und Ausgang eines aus den Transistoren T22, Tb und T24
aufgebauten Stromspiegels verbunden sind. Mit Hilfe dieses Stromspiegels wird eine Umwandlung des
Gegentaktsignals in ein einseitiges Signal erhalten, und das einseitige Ausgangssignal wird über die als
Emitterfolger geschalteten Transistoren Tu und Tk der
Ausgangsklemme 0 zugeführt.
Bei genügend großer Verstärkung des Operationsverstärkers wird die Spannung an der Ausgangsklemme
0 gleich der Spannung an der Eingangsklemme 1 zuzüglich Egap, d. h. der Spannung über der Reihenschaltung
des Widerstandes Re und des Transistors T28 sein.
Auf diese Weise ist also an der Ausgangsklemme 0 eine temperaturunabhängige Spannung Egap in bezug auf
eine beliebige Spannung, und zwar die Spannung an der Eingangsklemme 1, erhalten. Dies ist besonders
zweckmäßig zur Erzielung einer Stromquelle. Wenn nämlich zwischen der Ausgangsklemme 0 und der
Eingangsklemme 1 ein Widerstand angebracht wird, wird durch diesen Widerstand ein Strom fließen, der
gleich Egap geteilt durch den Wert dieses Widerstandes
ist, ungeachtet der Spannung an dieser Eingangskiemime 1. Diese Maßnahme ist besonders geeignet bei
Widerstandsmessungen, bei denen ein genau bekannter Strom durch eine Impedanz geschickt und die Spannung
über dieser Impedanz gemessen gemessen wird.
Wenn in der Stromstabilisierungsschaltung Widerstände R* und /?5 auf die in Fig.5 beschriebene Weise
angebracht werden, kann wieder erreicht werden, daß der Strom an der Klemme £3 eine gewünschte
Temperaturabhängigkeit besitzt. Indem die Widerstände R4 und Rs derart gewählt werden, daß dieser Strom
temperaturunabhängig ist, und wenn statt der Reihenschaltung der Diode Tu und des Widerstandes Rt nur ein
Widerstand angeordnet wird, kann eine temperaturunabhängige Spannung zwischen den Klemmen 0 und S3
erhalten werden. Diese Spannung ist nicht mehr mit dem Egap gekoppelt, sondern kann in Abhängigkeit von
dem eingestellten Strom und dem Widerstand jeden beliebigen Wert aufweisen.
F i g. 6 zeigt weiter beispielsweise eine Anlaßschaltung, die dazu dient, beim Inbetriebsetzen der Schaltung
die Stromstabilisierungsschaltung von dem stabilen Zustand mit Strömen gleich 0 in den gewünschten
stabilen Zustand mit Strömen gleich 0 zu überführen. Diese Anlaßschaltung besteht aus der Reihenanordnung
dreier Dioden D3, D4 und D$ zwischen einer Klemme 3
und der negativen Klemme — Ve der Speisequelle.
Diese Klemme 3 ist weiter über eine in Durchlaßrichtung wirksame Diode Ob mit dem Verbindungspunkt
der Widerstände R\ und R2 verbunden. Wenn die. Klemme 3 über einen Widerstand mit der
positiven Spannungsklemme + Vs verbunden wird, wird dem Verbindungspunkt der Widerstände R\ und R2 eine
Spannung gleich zwei Diodenspannungen aufgeprägt werden, wodurch die Stromstabilisierungsschaltung
angelassen wird. Wenn die Schaltung einmal den gewünschten stabilen Zustand eingenommen hat, ist die
Diode A gesperrt und spielt die Anlaßschaltung weiter keine wichtige Rolle mehr.
Der Transistor Tn in Vereinigung mit dem Widerstand
R7 bildet eine Kurzschlußsicherung, weil bei einem
bestimmten hohen Ausgangsstrom des Verstärkers durch das dann Leitendwerden dieses Transistors Γ27
der Kollektorstrom des Transistors T20 aufgenommen und demzufolge der maximale Steuerstrom für die
Transistoren T25 und T26 begrenzt wird.
Die Kapazität C parallel zu der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors Γ21 beschränkt schließlich die
Frequenzkennlinie des Verstärkers, wodurch ein größerer Stabilitätsbereich erhalten wird.
Statt der in F i g. 6 dargestellten Anlaßschaltung kann im allgemeinen das Anlassen der Schaltung auch mit
Hilfe eines einzigen Widerstandes Rs gewährleistet werden, der zu der Kollektor-Emitter-Strecke des
Transistors Tie parallel geschaltet wird, wie in F i g. 4 mit
gestrichelten Linien angegeben ist. Die Klemme 53 niuü
dann aber über eine Belastungsimpedanz mit einem positiven Potential, im allgemeinen der positiven
Klemme + Vb der Speisequelle, verbunden sein. Durch diesen Widerstand Rs wird gewährleistet, daß beim
Einschalten der Speisung ein Strom der Basis des Transistors Tn zugeführt wird, so daß die Schaltung
zwangsweise angelassen wird. In dem gewünschten stabilen Zustand stellt der Transistor T\s den Gesamtstrom
für die Widerstände R\ und R2 wieder automatisch
auf den richtigen Wert ein. Die einzige Bedingung, der der Widerstand Rs entsprechen muß, ist die, daß sein
Wert derartig sein muß, daß der Strom durch den Widerstand kleiner als der insgesamt durch die
Widerstände /?i und R2 fließende Strom im stabilen
Zustand der Stabilisierungsschaltung sein muß. Der Vorteil der Anwendung dieses Widerstandes Rs im
Vergleich zu der bekannten Anlaßschaltung mit den Dioden ist die Tatsache, daß der insgesamt von der
Stromstabilisierungsschaltung aufgenommene Strom nach wie vor stabilisiert ist, während dies bei
Anwendung der bekannten Anlaßschaltung nicht der Fall ist, weil der Diodenkreis einen nichtstabilisierten
Strom aufnimmt.
Wenn bei der in Fig.6 dargestellten Stromstabilisierungsschahung
derselbe Anlaßwiderstand Rs parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Ti8
angeordnet werden soll, muß noch eine zusätzliche Maßnahme getroffen werden. Da die Differenzstufe T20,
Γ21 erst nach dem Anlassen der Stromstabilisierungsschaltung
wirksam wird, weist vor diesem Zeitpunkt die Klemme S3 ein Potential auf. das nahe bei der negativen
Speisespannung liegt, wodurch das Anlassen der Stromstabilisierungsschaltung nicht möglich ist. Diese
Schwierigkeit kann dadurch beseitigt werden, daß eine zusätzliche Diode D? zwischen der Eingangsklemme 1
und der Klemme S3 angebracht wird, wodurch dieser
Klemme 53 zeitweilig ein Potential aufgeprägt wird, das
um eine Diodenspannung niedriger als das Potential an der Eingangsklemme ist, das im allgemeinen genügend
hoch ist, um das Anlassen der Stromstabilisierungsschaltung zu ermöglichen. Ist die Stromstabilisierungsschaltung
einmal gestartet, so istdie Diode Dj gesperrt.
Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform der Stromstabilisierungsschaltung kann ein Anlaßwiderstand
Rs parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 7io angeordnet werden, wobei wieder davon
ausgegangen wird, daß die Klemme S2 über eine Belastungsimpedanz mit der positiven Klemme + Vb
der Speisequelle verbunden ist.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Stromstabilisierungsschaltung mit einem ersten und einem zweiten Parallelkreis zwischen einer
ersten und einer zweiten gemeinsamen Klemme, in welchen Kreisen zwei Ströme mit einem festen
gegenseitigen Größenverhältnis aufrechterhalten werden, wobei der erste Kreis der Hauptstrombahn
eines emitterseitig mit der zweiten gemeinsamen Klemme verbundenen ersten Transistors von einem
ersten Leitfähigkeitstyp und der zweite Kreis die Hauptstrombahn eines zweiten Transistors von
diesem ersten Leitfähigkeitstyp und eine erste lineare ohmsche Impedanz enthält, die einerseits mit
dem Emitter dieses zweiten Transistors und andererseits mit der zweiten gemeinsamen Klemme
verbunden ist, während die Steuerelektroden des erstem und des zweiten Transistors miteinander
verbunden sind, wobei der erste und der zweite Kreis weiter eine zweite bzw. eine dritte Impedanz
enthalten, über weiche Impedanzen der erste bzw. der zweite Transistor kollektorseitig mit der ersten
gemeinsamen Klemme verbunden ist, und wobei eine Verstärkereinrichtung vorgesehen ist, deren
Ausgang an die miteinander verbundenen Basiselektroden des ersten und zweiten Transistors angeschlossen
ist und ein Steuersignal an diese Elektroden anlegt und deren Basisstrom liefert,
wobei der Kollektor des ersten Transistors mit einem Eingang der Verstärkereinrichtung verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung einen Differenzverstärker
(A) mit einem nichtinvertierenden ( + )- und einem invertierenden ( —)-Eingang aufweist, dessen nichtinvertierender
Eingang ( + ) mit dem von der ersten gemeinsamen Klemme (+Vn bzw. Vo) abgekehrten
Ende der zweiten Impedanz (T4 und Ti) und dessen
invertierender Eingang ( —) mit dem von der ersten gemeinsamen Klemme (+ Vg bzw. Vo) abgekehrten
Ende der dritten Impedanz Ά verbunden ist, und daß das von der Verstärkereinrichtung, gegebenenfalls
über einen Pegelverschiebungskreis, an die Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors
(T], T2) angelegte Steuersignal durch das Ausgangssignal
des Differenzverstärkers (A) bestimmt und gleichphasig und proportional mit diesem Ausgangssignal
ist.
2. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal
des Differenzverstärkers (A) den Basiselektroden des ersten (Ti) und des zweiten (Ti) Transistors
direkt zugeführt ist (F i g. 2).
3. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal
des Differenzverstärkers (A) der ersten gemeinsamen Klemme (Vo) zugeführt ist und daß die
Basiselektroden des ersten (T]) und des zweiten (Ti) Transistors mit einem Punkt des Differenzverstärkers
verbunden sind, der eine Spannung aufweist, die mit dem Gleichtaktsignal an den beiden Eingängen
des Differenzverstärkers gekoppelt ist (F i g. 4—6).
4. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des
Differenzverstärkers mit der Basiselektrode eines dritten Transistors (Tm) vom ersten Leitfähigkeitstyp verbunden ist, dessen Emitter mit der ersten
gemeinsamen Klemme (Vo) verbunden ist (F i g. 4).
5. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden
des ersten (Ti) und des zweiten (T2)
Transistors mit dem gemeinsamen Emitter eines eine Differenzstufe bildenden Transistorenpaares
(Ti, Ti) des Differenzverstärkers verbunden sind
(F ig. 4,6).
6. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden
des ersten (T]) und des zweiten (Ti) Transistors über eine Diode (ih) oder einen als Diode geschalteten
Transistor in der Durchlaßrichtung der Diode mit der zweiten gemeinsamen Klemme (— Vb) verbunden
ist (F i g. 4,6).
7. Stromstabilisierungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Emitterelektrode des ersten Transistors (Ti) und der zweiten gemeinsamen Klemme
(— Vi,) ein erster Ausgleichswiderstand angeordnet
ist.
8. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgleichswiderstand
einen derartigen Wert aufweist, daß der von der vollständigen Schaltung aufgenommene
Strom temperaturunabhängig ist.
9. Stromstabilisierungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Emitterelektrode des ersten Transistors (Ti) und der zweiten gemeinsamen Klemme
(— V6) ein erster Ausgleichswiderstand (Rs) und
zwischen der Basiselektrode dieses ersten Transistors (Ti) und dem Verbindungspunkt dieses erst,:n
Transistors (Ti) und des ersten Ausgleichs Widerstandes (R^) ein zweiter Ausgleichswiderstand (R4)
angeordnet ist (F i g. 5).
10. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (Rs) und
der zweite (R4) Ausgleichswiderstand in bezug auf einander derartige Werte aufweisen, daß der von der
Stromstabilisierungsschaltung gelieferte Strom temperaturunabhängig ist.
11. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers den Basiselektroden des
ersten (Ti) und des zweiten (Tt) Transistors über einen als Emitterfolger geschalteten Transistor (Tio)
zugeführt ist, dessen Hauptstrombahn von einem Widerstand (Rs) überbrückt ist (F i g. 3).
12. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstrombahn
des dritten Transistors (Tie) von einem Widerstand (Rs) überbrückt ist (F i g. 4).
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