DE2412393C3

DE2412393C3 - Stromstabilisierungsschaltung

Info

Publication number: DE2412393C3
Application number: DE2412393A
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan Van De Eindhoven Plassche (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-03-20
Filing date: 1974-03-15
Publication date: 1979-02-08
Also published as: ES424390A1; JPS5416020B2; SE386991B; DE2412393A1; GB1419748A; FR2222691B1; JPS49121152A; AU6682774A; IT1009341B; DE2412393B2; HK65876A; CA1013430A; US3914683A; FR2222691A1

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, übe; welche 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 Eine derartige Stromstabilisierungs-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 Verstärkereinrichtung, 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 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 m 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 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 Strömen 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, dia diese Stromstabilisierungbschaltungen 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 Anzahl 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 den Strömen in den beiden Kreisen unter allen Umständen erhalten bleibt, bestimmt t>o

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 b5 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-Koüektorspannung 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 Stromstabüisierungsschaltung 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 infolge 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 Referenzspannungsquelle verbunden. Dadurch ergibt sich ebenso wie bei der eingangs genannten bekannten Stromstabilisierungsschaltung nur eine begrenzte Unabhängigkeit gegenüber Speisespannungsschwankungen.

Der Ausgang des Differenzverstärkers kann direkt mit den Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors verbunden werden, so daß das Ausgangssignal dieses Differenzverstärkers unmittelbar als 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 Kollektorslrom 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 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 Speisespannungsänderungen 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 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 vorteilhafterweise zur Erzielung eines temperaturunabhängigen 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 Spannungsquelle dienen kann.

Durch das Anbringen zweier zusätzlicher Ausgleichswiderstände kann schließlich der Temperaturkoeffizient des gelieferten Ausgangsstroms auf praktisch jeden beliebigen Wert eingestellt werden. Ein erster dieser beiden Ausgleichswiderstände ist in dem ersten Kreis zwischen dem ersten Transistor und der zweiten gemeinsamen Klemme angeordnet, während der zweite Ausgleichswiderstand 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 Ausgleichswiderständen abhängig ist

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 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 Stromstabilisierungsschaltung zum Erhalten einer temperaturabhängigen Bezugsspannung oder eines temperaturabhängigen Bezugsstromes.

in Die bekannte Stromstabilisierungsschaltung nach F i g. 1 enthält einen ersten Stromverstärker mit pnp-Transistoren Tt₁, Ts und Te. Die Transistoren Ts und Tb sind mit ihren Basis-Emitter-Strecken parallel geschaltet und mit ihren Emittern mit der positiven Klemme -I-Vßder Speisequelle verbunden, während der Transistor 7} mit dem als Diode geschalteten Transistor Tt in Reihe geschaltet und über seine Basis mit dem Kollektor des Transistors 7s verbunden ist Wenn die Transistoren 7s und Te 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 Ts enthaltenden Kreis und in dem die Emitter-Kollektor-Strecken der Transistoren T^ und 7} 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 7*2 und eines Widerstandes R überbrückt, wobei der Emitter des Transistors 71 und der Widerstand R mit der negativen Klemme — Vb der Speisequelle verbunden sind. Der Kollektor des Transistors 7] ist sowohl mit dem Kollektor des Transistors Tt als auch mit der Basis eines weiteren npn-Transistors T₃ verbunden, dessen Emitter-Kollektorstrecke die Verbindung zwischen dem Transistor 7a und dem Transistor Ts herstellt

Wenn mit Hilfe des ersten Stromverstärkers in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung ein gleich großer Strom aufrechterhalten wird, soll die Oberfläche des Transistors Ti größer als die des Transistors T\ 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 T-I und des Transistors 7"> 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 Tt und 7}' und der Emitteroberfläche von 71 bestimmt Wenn dabei angenommen wird, daß die Ströme in den beiden Kreisen gleich / sind, muß die nachstehende Bedingung erfüllt werden:

_rn kT ι I kT . I IR + — In —=— = — In -ζ—,
q nl_s2 q Li

wobei k die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur, q die elementare Ladung, I_s\ und In die Sättigungsströme der Transistoren 71 und Ti und η das Verhältnis der Emitteroberflächen von T₂, T₂' und 7! darstellen. Wenn weiterhin angenommen wird, daß In = Ia ist erfolgt aus (1), daß

Inn,

woraus sich einfach ergibt daß die Größe des Stromes / eindeutig durch R und π bestimmt ist

Statt identischer Ströme können den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaliung mit einem gegenseitigen festen Verhältnis aufgedrängt werden, indem die Emitteroberflächen der Transistoren Ts und T_b ungleich gewählt werden, was in der Figur schematisch durch die Parallelanordnung des als Diode geschalteten Transistors Tf,' und des Transistors T_b dargestellt ist. In diesem Falle können die Transistoren Γι und Tj gleiche Emitteroberflächen aufweisen. Die Wirkung der Schaltung wird dadurch nicht wesentlich geändert.

Ein Ausgangsstrom kann z. B. dem Kollektor (der Klemme S\) eines zusätzlichen Transistors Tj entnommen werden, dessen Basis-Emiiter-Strecke zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 7i parallel ge schaltet 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 74—76 ausgeführt ist, die im allgemeinen einen kleinen Stromverstärkungsfaktor aufweisen, das gewünschte Stromverhältnis von den Basisströmen der Transistoren Tt-Tt 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 Ta, Ts und Tb bestehenden Stromverstärker, der dafür sorgt, daß in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschaltung gleiche Ströme fließen. Weiter enthält die Schaltung auch wieder einen npn-Transistor 71, 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 7Ϊ sein, was durch die Parallelanordnung des Transistors Ti und des Transistors T₂ dargestellt ist

Im Gegensatz zu der Schaltung nach Fig. 1 ist der Transistor Ti nicht durch Kurzschluß seiner Kollektor-Basis-Strecke als Diode geschaltet, sondern wird der benötigte Basisstrom für die Transistoren 71 und 7} 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 71 und 7} 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 (±Vfl) werden sich zwar die Kollektor-Basis-Spannungen der Transistoren 71 und Tj 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 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 Ta, Ts, Tb ungleiche Ströme in den beiden Kreisen hervorruft. Ein Ausgangsstrom kann auf gleiche Weise wie in F i g. 1 der Klemme Si entnommen werden, die den Kollektorstrom eines Transistors Τη führt.

Fig.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 Ta, Ts, Tb durch zwei Widerstände Ri 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 7g, To mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand Rs und einer aktiven, aus dem Stromspiegel Tu, Tn bestehenden Kollektorbelastung. Das Ausgangssignal dieses Differenzverstärkers kann unmittelbar den Basis-Elektroden der Transistoren 71 und Ti 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 Tjo als zusätzlicher Stromausgang S₂ verwendet werden kann, wobei vorzugsweise in Reihe mit diesem Transistor 71o und parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Γι 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 Stromstabilisierungsschaitung bei gleichen Widerständen A₁ 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

M) werden können. Statt gleicher Widerstände Ri und R₂ können selbstverständlich auch ungleiche Widerstände gewählt werden, um ein Stromverhältnis ungleich 1 in den beiden Kreisen der Stromstabilisierungsschallung zu erzielen.

b5 Die dritte Ausführungsform der Stromstabilisierungsschaltung nach der Erfindung, die in Fig.4 dargestellt ist, ist in bezug auf den Aufbau der beiden Parallclkreise völlig identisch mit der Atisführungsform nach F i g. 3.

Der Differenzverstärker enthält in diesem Falle aber die als Differenzpaar geschalteten npn-Transistoren Tu, 7"h, deren Emitter über eine gemeinsame Emitterimpedanz. in der dargestellten Ausführungsform eine Diode Di, mit der negativen Klemme - Ve der Speisequelle -, verbunden sind und deren Kollektoren als Belastung einen Stromspiegel TU, T\b, Ti? enthalten. Das Ausgangssignal dieses Differenzverstärkers wird dem Kollektor des Transistors Tu entnommen und der Basis eines als Emitterfolger geschalteten Transistors l\g zugeführt, dessen Emitter mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R\ und Ri verbunden ist und dessen Kollektor einen Stromausgang Sj der Stromstabilisierungsschaitung bilden kann. Die Basis-Elektroden der Transistoren T\ und Ti sind mit den Emittern der beiden 1 -, Transistoren 7Ί u Tu des Differenzverstärkers verbunden.

Ohne Bedenken kann jedoch zwischen den Basis-Elektroden der Transistoren 7Ί und Ti und den Emittern der Transistoren T\ j 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 R2 festgelegt werden kann. Im Vergleich zu den Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 5 wird jedoch ein zusätzlicher Vorteil erhalten, der darin besteht, daß die Kollektor-Basis-Spannungen der Transistoren T₁ 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 Tj mit den Emittern der Transistoren Tn und Tu verbunden sind, π die einen Gleichtaktpunkt des Verstärkers bilden und also eine Spannung aufweisen, die mit dem Gleichtaktsignal an den beiden Eingängen des Differentialverstärkers gekoppelt sind. Da das dem Ausgang des Differenzverstärkers entnommene Steuersignal über die Widerstände R\ und Ri den Differenzverstärker gleichphasig ansteuert, bleiben die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren Tu und ΤΉ und also auch die Kollektor-Basis-Spannungen der Transistoren Ti und Ti in hohem Maße konstant, wodurch die Rückwirkung der 4 > 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-Span- so nung 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 Ε#,_ρ beträgt, wobei E&p der Bandabstand 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 r_cmit den Basis-Elektroden der Transistoren 7Ί und T₂ verbunden. Der Kollektor dieses Transistors T_c ist mit der ersten gemeinsamen Klemme + Vb verbunden. Um den Temperaturkoeffizienten des Ausgangsstromes ändern zu können, sind zwei zusätzliche Widerstände angeordnet, und zwar ein Widerstand R4 parallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Ti und ein Widerstand Λ5 in der Emitterleitung dieses Transistors. Es stellt sich heraus, daß der Temperaturkoeffizient des Ausgangsstroms von dem gegenseitigen Verhältnis der beiden Widerstände Λ4 und Ä5 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 /?₄ zwischen der Basis des Transistors Ti und der zweiten gemeinsamen Klemme — Ve jngeordnet 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 Stroinstabilisierungsschaltung 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 Si dieser Stromstabilisierungsschaltung auftretende Strom wird der Reihenschaltung eines als Diode geschalteten Transistors Tj₈ und eines Widerstandes /?t zugeführt. Dank dem positiven Temperaturkoeffizienten dieses Stroms kann durch passende Wahl der Größe des Widerstandes R^ erreicht werden, daß die Spannung über der Reihenschaltung dieses Widerstandes Rt und des Transistors Tj₈ temperaturunabhängig ist. Bekanntlich muß der Widerstand Rb dann derart gewählt werden, daß die Spannung über dieser Reihenschaltung gleich E_gap ist, wobei E_gap der Bandabstand des Halbleitermaterials des Transistors Tu ist.

Die Reihenschaltung des Widerstandes Rt und des Transistors T>₈ ist zwischen dem Ausgang 0 und dem invertierenden Eingang 2 eines Operationsverstärkers angeordnet. Dieser Operationsverstärker ist beispielsweise aus einem Differenzpaar Tjo, Tn aufgebaut, wobei die Emitter dieser Transistoren mit einer Stromquelle in Form eines Transistors T19 verbunden sind, während die Kollektoren dieser Transistoren mit dem Eingang und Ausgang eines aus den Transistoren Tu, Tu und Tj₄ 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 725 und Tie der AusgangskJemme 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 Eg,_p 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 Eg_äp geteilt durch den Wert dieses Widerstandes ist, ungeachtet der Spannung an dieser Eingangsklemme 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 Stromstabilisierungsschoitung Widerstände /?4 und /i? auf die in Fig. 5 beschriebene Weise angebracht werden, kann wieder erreicht werden, daß der Strom an der Klemme S\ eine gewünschte Temperaturabhängigkeit besitzt. Indem die Widerstände R4 und y?5 derart gewählt werden, daß dieser Strom temperaturunabhängig ist, und wenn statt der Reihenschaltung der Diode Tie und des Widerstandes /?_b nur ein Widerstand angeordnet wird, kann eine temperaturunabhängige Spannung zwischen den Klemmen 0 und .5» erhalten werden. Diese Spannung ist nicht mehr mit dem E_gap gekoppelt, sondern kann in Abhängigkeit von dem eingestellten Strom und dem Widerstand jeden beliebigen Wert aufweisen.

Fig. 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 D₁, D₄ und D₅ zwischen einer Klemme 3 und der negativen Klemme — V«der Speisequelle.

Diese Klemme 3 ist weiter über eine in Durchlaßrichtung wirksame Diode D₆ mit dem Verbindungspunkt der Widerstände R\ und R2 verbunden. Wenn die Klemme 3 über einen Widerstand mit der positiven Spannungsklemme + V« verbunden wird, wird dem Verbindungspunkt der Widerstände R\ und R> 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 Db gesperrt und spielt die Anlaßschaltung weiter keine wichtige Rolle mehr.

Der Transistor Ta in Vereinigung mit dem Widerstand Ri bildet eine Kurzschlußsicherung, weil bei einem bestimmten hohen Ausgangsstrom des Verstärkers durch das dann Leitendwerden dieses Transistors Tu der Kollektorstrom des Transistors T20 aufgenommen und demzufolge der maximale Steuerstrom für die Transistoren 7» und Tj₆ begrenzt wird.

Die Kapazität C parallel zu der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors Tji 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 Ti₈ parallel geschaltet wird, wie in F i g. 4 mit gestrichelten Linien angegeben ist. Die Klemme S₁ muß dann aber über eine Belastungsimpedanz mit einem positiven Potential, im allgemeinen der positiven Klemme + V« der Speisequelle, verbunden sein. Durch diesen Widerstand Rs wird gewährleistet, daß beim Einschalten der Speisung ein Strom der Basis des Transistors T_n zugeführt wird, so daß die Schaltung zwangsweise angelassen wird. In dem gewünschten stabilen Zustand stellt der Transistor Tw den Gesamtstroiii für die Widerstände R\ und /?> 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 R\ und R₂ fließende Strom im stabilen Zustand der Stabilisierungsschaltung sein muß. Der Vorteil der Anwendung dieses Widerstandes Rs im Vergleich zu der bekannten Anlaßschaitiing mn den Dioden ist die Tatsache, dall 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 Stromaufnimmt.

Wenn bei der in F i g. 6 dargestellten Stromstabilisierungsschaltung derselbe Anlaßwiderstand Rs parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 7"m angeordnet werden soll, muß noch eine zusätzliche Maßnahme getroffen werden. Da die Differenzstufe Ti₀, Tu erst nach dem Anlassen der Stromstabilisierungsschaltung wirksam wird, weist vor diesem Zeilpunkt die Klemme S) 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 Dj zwischen der Eingangsklemme I und der Klemme S> angebracht wird, wodurch dieser Klemme Si 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 Di gesperrt.

Bei der in F i g. J dargestellten Ausführungsform der Stromstabilisierungsschaltung kann ein Anlaßwiderstand Rs parallel zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T\_a 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

Patentansprüche:

1. Stromstabilisieningsschaltung 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 ersten und des zweiten Transistors miteinander verbunden sind, wobei der erste und der zweite Kreis weiter eine zweite bzw. eine dritte Impedanz enthalten, über welche 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 (+ Ve bzw. V₀) abgekehrten Ende der zweiten Impedanz (Tt, und 7J) und dessen invertierender Eingang ( —) mit dem von der ersten gemeinsamen Klemme (+Ve bzw. V₀Jj abgekehrten Ende der dritten Impedanz Ts verbunden ist, und daß das von der Verstärkereinrichtung, gegebenenfalls über einen Pegelverschiebungskreis, an die Basiselektroden des ersten und des zweiten Transistors (Ti, T2) ?ngelegte 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 (T₂) Transistors direkt zugeführt ist (F i g. 2).

3. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (A) der ersten gemeinsamen Klemme (Vo) zugeführt ist und daß die Basiselektroden des ersten (Ti) 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 (Tie) vom ersten Leitfähigkeitstyp verbunden ist, dessen Emitter mit der ersten gemeinsamen Klemme(Vo) verbunden ist(Fig.4).

5. Stromstabiüsierungsschaltung 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 (Ty, T4) des Differenzverstärkers verbunden sind (Fig.4,6}

6. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektroden des ersten (T_t) und des zweiten (T₂) Transistors über eine Diode (D$ oder einen als Diode geschalteten Transistor in der Durchlaßrichtung der Diode mit der zweiten gemeinsamen Klemme (— Vb) verbunden ist (F ig. 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 I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Emitterelektrode des ersten Transistors (Ti) und der zweiten gemeinsamen Klemme (- Vi,) ein erster Ausgleichswiderstand (A₅) und zwischen der Basiselektrode dieses ersten Transistors (T₁) und dem Verbindungspunkt dieses ersten Transistors (Ti) und des ersten Ausgleichswiderstandes (Ri) ein zweiter Ausgleichswiderstand (A4) angeordnet ist (F i g. 5).

10. Stromstabilisierungsschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (Rs) und der zweite (A₄) 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 (T₂) Transistors über einen als Emitterfolger geschalteten Transistor (Ti₀) zugeführt ist, dessen Hauptstrombahn von einem Widerstand (Rs) überbrückt ist (F i g. 3).

12. Stromstabilisieningsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstrombahn des dritten Transistors (T|g) von einem Widerstand (Rs) überbrückt ist (F i g. 4).