DE2423478A1

DE2423478A1 - Stromquellenschaltung

Info

Publication number: DE2423478A1
Application number: DE2423478A
Authority: DE
Inventors: Arpad Korom; Werner Thommen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1973-05-28
Filing date: 1974-05-15
Publication date: 1975-01-02
Also published as: CH574132A5; DE2423478C3; IT1012816B; FR2232000A1; DE2423478B2; CA1017805A; FR2232000B1; JPS5021246A; JPS5517405B2; US3962592A; NL7307378A

Description

FKII. 6959 üTa/FP· 23-1-1974

PntcnUnw.lt

Anmilder: M.Y. Philips' C-Uüompenfabrfeken Akte Ne^ PHN- 6958

Aom.lduoe vom T4. Mal 1974

"Stromquellenschaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromquell ens chaltunj zur Lieferung eines oder mehrerer konstanter Strör.e, die einen ersten und einen zweiten Stromkreis zwischen einer ersten und einer zweiten Speiseklemme enthält, wobei der erste Stromkreis die Reihenschaltung der Hauptstronbahn eines ersten Transistors von einen ersten Leitfähigkeitstyp und der Hauptstrombahn eines zweiten Transistors von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und der· zweite Stromkreis die Hauptstroabahr: eines dritten Transistors vom ersten Leitfähigkeitstyp und eine Diode oder einen als Diode geschalteten Transistor enthält, und wobei in einem der beiden Stromkreise zwischen einem der Halbleiterbauelemente und einer der Speiseklenmen ein V/iderstand angeordnet ist, während dadurch, dass einerseits die Steuerelektroden des ersten und des dritten Transistors und andererseits die Steuerelektrode des zweiten Transistor!: und eine Elektrode der Diode oder des als Diode geschalteten Transistor* miteinander verbunden werden, gewährleistet ist, dass in den beiden

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Stromkreisen Strode fliessen, die ein festes gegenseitiges Grössenverhältnis und je einen Absolutwert aufweisen, der durch dieses Verhältnis und den Viert des Y/iderstandes bestir.mt wird, wobei weiter die Steuerelektroden des ersten und des .zweiten Transistors in gegenkoppelndea Sinne ein Steuersignal empfangen, das von"einem Gleichstromverstärker geliefert wird, dessen Eingang mit der Verbindungsleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor in dem ersten Stromkreis verbunden alt.

Eine derartige Stromquellenschaltung ist z.B. aus der

deutschen Offenlegungsschrift 2,249*645 bekannt. Um nit einer derartige Stromquellenschaltung Ströme erzeugen zu kennen, deren Grossen genau festliegen, müssen verschiedene Bedingungen erfüllt werden. An erster Stelle muss dafür gesorgt werden, dass das Verhältnis zwischen den beiden Strömen in dem ersten und dem zweiten Stromkreis möglichst genau festliegt. An zweiter Stelle muss das Bestreben dahingehen, eine Schaltung zu entwerfen, die möglichst stabil ist, weil ein vollständig rückgekoppeltes System der vorliegenden Art schnell unstabil werden kann.λ* dritter Stelle is eg oft erwünscht, eine Schaltung zu entwerfen, die nur eine kleine Speisespannung benötigt.

Es hat sich herausgestellt, dass es besonders schwierig ist, alle drei Wünsche gleichzeitig zu erfüllen. Die Erfindung bezweckt eine Stronquellenschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die den genannten Wünschen in hohem Kasse entgegenkommt.

Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromverstärker nur eine einzige Verstäfkerstufe enthält die weiter nur Transistoren vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält.

Durch die Hassnahme nach der Erfindung wird zunächst

erreicht, dass die Gefahr unerwünschter Phasenverschiebungen in Gleichstromverstärker, wodurch eine !Instabilität der Stromquellenschaltung

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auftreten kann, möglichst gering ist.

Je nach der Stelle, an derü in den beiden Stromkreisen for Widerstand angebfacht ist, kann der Gleichstromverstärker aus einer Differenzstufe mit zwei als "long-tailed pair" geschalteten Transistoren bestehen oder nur einen einzigen Transistor enthalten. Die letztere Möglichkeit ergibt den zusätzlichen Vorteil, dass dabei die Symmetrie der beiden Stromkreise mit Sicherheit gewährleistet ist. Die beiden Ausführungen bieten die Möglichkeit, eine sehr einfache Anlasschaltung zu verwenden. Bei der zweiten Ausführung kann dazu parallel zu der Hauptstrombahn des genannten Transistors die Hauptstronbahn einesweiteren Transistors geschaltet werden. Dadurch, dass der Steuerelektro de dieses weiteren Transistors eine Bezugsspannung zugeführt und in der diesen beiden Transistoren gemeinsamen Emitterleitung eine Impedanz angeordnet wird, kann erzielt werden, dass die Stromquellenschaltung automatisch anlässt-, während der weitere Transistor beim Betrieb der Schaltung keinen Einfluss mehr ausübt.

Einige Ausführungsfornen der Erfindung sind in der Zeich nung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die bekannte Strcmquellenschaltung, und

Figuren 2 und 3 zwei Ausführungsformen einer Stromquellenschaltung nach der Erfindung.

Entsprechende Teile sind in den verschiedenen Figuren stets mit den gleichen Bezugsziffern und -buchstaben bezeichnet.

Die bekannte in Fig. 1 gezeigte Stromquellenschaltung enthält einen ersten Stromkreis mit der Reihenschaltung der Enitter-Kollektor-Strecke eines pnp-Transistors T, und der Kollektor-Eiaitter-Strecke eines npn-Transistors T. zwischen der positiven Speiseklenu^e

+Y und der negativen Speiseklecme -Y-... Ein zweiter Stromkreis zwischen η si

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diesen beiden Speisekler.men enthält die Reihenschaltung eines Widerstandes R, der Eaitter-Kollekior-Strecke eines pnp-Transistors T. und eines als Diode geschalteten npn-Transistors Ta. Die Basis- und die Kollektor-Elektrode dieses Transistors T₉ sind mit der Bais des Transistors T₁ verbunden während die· Basis-Elektroden der Transistoren ?,

und T, ebenfalls miteinander verbunden sind. 4

Der durch die Transistoren T₁ und T₀ gebildete Strom-

epiegel gewährleistet, dass die Ströme, die in den beiden Stromkreisen fliessen, ein festes gegenseitiges Verhältnis aufweisen. Dieses Verhält nis wird dabei durch das Verhältnis der Snitteroberflächen der beiden in integrierter Form ausgeführten Transistoren T₁ und Tp bestimmt.

Bein Entwerfen einer derartigen Stromquellenschaltung bestehen grundsätzlich zwei mögliche.Ausführungen. Es kann dafür gesorgt werden, dass in den beiden Stromkreisen gleiche Ströme fliessen, wozu die Emitteroberflächen der Transistoren T₁ und T~ gleich gewählt werden. Damit in dep beiden Stromkreisen ein stabilisierter Stron fliessen kann, muss in dieser Ausführung die Enitteroberfläche des. Transistors T. grosser als die Smitteroberfläche des Transistors T, gewählt werden. Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass die Emitteroberfleche des Transistors T₂ kleiner als die des Transistors T₁ gewäWt wird, wodurch der Strom in dem zweiten Stromkreis kleiner als der in ie ersten Stromkreis ist. Sei dieser Ausführung können die Enitteroberflächen der Transistoren T, und T. gleich gewählt werden. Selbstverstiei· lieh kann auch eine Kombination dieser beiden Möglichkeiten Anwendung finden, während verschiedene Emitteroberflächen auch dadurch erhalten werden können, dass mehrere Transistoren parallel geschaltet werden..

Stromq.uellenschaltungen dieser Art werden meist zur Steuerung einer Anzahl pnp-Transistoren T₀₁, T_n?f T_Q, usw. verwendet,

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welche Transistoren häufig ohmsche Widerstände in einer integrierten
Schaltung ersetzen. Diese Transistoren sin.d dann mit ihren Emitter-Basis-Strecken zu der Emitter-Basis-Strecke des Transistors T, parallel geschaltet. Da die pnp-Transistoren T,, T., T_Q1, T_Q2» T_Q, usw. in integrieter Schaltungstechnik meist als laterale Transistoren ausgebildet
sind, welche Transistoren im allgemeinen einen verhältnismässig niedrigen Stronverstärkungsfaktor aufweisen und ausserdem in allgemeinen eine möglichst grosse Anzahl Transistoren gleichzeitig gesteuert werden soll ist es wünschenswert, die Basis-Elektroden dieser Transistoren über
einen Gleichstromverstärker zu steuern. Wenn nämlich kein Gleichstromverstärker verwendet und statt dessen der Transistor T, als Diode geschaltet würde, würde das gewünschte Verhältnis zwischen den beiden
Strömen in den Stromkreisen in erheblichem Kasse gestört werden.

Der Gleichstromverstärker besteht bei dieser bekannten
Schaltung aus einem pnp-Transistor T , dessen Basis mit dem Kollektor
des Transistors T, und dessen Emitter mit der positiven Speiseklemme

+Y-, verbunden ist. Der Kollektor dieses Transistors T ist mit der Basrtl 3 ρ

eines npn-Transistors T verbunden, dessen Emitter nit der negativen
Speiseklemme und dessen Kollektor mit der Basis des Transistors T, verbunden ist. Dieser Gleichstromverstärker besteht also aus zwei Yerstärkerstufen, und zwar dem Transistor T und dem Transistor T .

ρ η

Es hat sich herausgestellt, dass unter sehr ungünstigen
Bedingungen (worst-case condition) diese Tatsache eine !Instabilität der Schaltung zur Folge haben kann, weil beide Transistoren T und T eine

Phasenverschiebung bewirken, die als Funktion der Frequenz stark
Um die Stabilität der Schaltung sicherzustellen, kann selbstverständlic eine zusätzliche Kapazität hinzugefügt werden. Auch kann, wie in der
Figur dargestellt ist, die Gesaiatverstärkung des Gleichstrocverstärkers

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herabgesetzt, werden. Zu diesen Zweck ist es z.B. möglich, psrallel zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors T eine Diode D₄ anzuordnen,

η 1 '

wodurch ein Stromspiegel nit z.B. einen Stromverstärkungsfsktor gleich 1 erhalten wird. Da auch der Stromverstärkungsfaktor eines als laterale Transistor ausgeführten pnp-Transistors T in allgemeinen verhältnismässig niedrig ist, ist auch, die Gesantverstärkung des Gleichstromverstärkers verhältnisnässig gering, so dass die Gefahr von !Instabilitäten abgenommen hat.Sin Kachteil der letzteren Kassnahme ist der, dass diese Gleichstromverstärker einen verhältnisnsssig grossen Eingangsstroia aufnimmt, so dass das Verhältnis zwischen den Strömen in den beiden Strockreisen in beträchtlichen Kasse beeinflusst wird.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsforc der Stromquellen schaltung nach der Erfindung. Die Schaltung enthält, gleich wie die Schaltung nach Fig. 1, einen ersten Stromkreis mit den Transistoren T₁ und T, und einen zweiten Stromkreis mit den Transistoren T« und T., wobei der Transistor T_? als Diode geschaltet ist. Ein Widerstand E ist in dem Emitterkreis des Transistors T₁ angeordnet, aber kann auch in dem Emitterkreis des Transistors T. angeordnet werden. In bezug auf das Yer hältnis der Strome in den beiden Kreisen und das Verhältnis der Emitter oberflächen der Transistoren trifft Aehnliches wie für Fig. 1 zu.

Der Gleichstromverstärker ist als Differenzverstärker

mit npn-Transistoren T,- und T/- ausgeführt. Die Basis des Transistors Tg ist dabei mit den Kollektoren der Transistoren T₁ und T, verbunden, während der Basis des Transistors T^ eine Bezugsspannung zugeführt wird Die Grosse dieser 3ezugsspannung ist nicht von wesentlicher Bedeutung und völlig unkritisch. Diese Bezugsspannung wird in der dargestellten Ausführungsform über Widerstände R„ und R, und den als Diode geschaltet Transistor T_fl aus der Speisespannung abgeleitet. Eine Stromquelle für ·

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den Lifferer.sverstärker wird durch den Transistor T₇ mit Smitterwiderstand R₁ gebildet, wobei diesen Transistor eine Basisspannung über den Transistor T„ zugeführt wird. Dieser Teil der Stromquellenschaltung dient zugleich als Anlasschaltung. Bekanntlich weisen Stromquellenschal tungen der genannten- Art ia allgemeinen auch einen unerwünschten stallten Zustand auf, in dem alle Ströme gleich !lull sind. Kit Hilfe der v.'iderstände R₀, R, und R, wird erreicht, dass die Transistoren Tv und T₇ bei eingeschalteter Speisespannung stets leitend sind, so dass den Transistoren T, und T. über den Transistor T₁- stets Basisstron zuge'führt wird, wodurch die Stromqueller-schal tung automatisch den gewünschten stabilen Zustand einnimmt. Der Kollektor de Transistors ¹H^ ist nit der positiven Klemme der Speisequelle verbunden, während der Kollektor des Transistors T,- mit den Basis-Elektroden der Ausgangstransitoren T₀₁» ™q2* ^OV usw. und, wie bereits angedeutet wurde, mit den Basis-Elektroden der

Transistoren T_T und T, verbunden ist.
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Die dargestellte Ausführungsform des Gleichstromverstärkers weist den Vorteil auf, dass die auftretende Phasenverschiebung beschränkt ist, weil der Verstärker aus nur einer einzigen Verstärkerstuff besteht.Da dieser Verstärker ausserden nur Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp enthält, ist aus der Verlauf dieser ihasenverschieb«B| als Punktion der Frequenz genauer definiert. Die Stabilität dieser Stromquellenschaltung ist dadurch mit grösserer Sicherheit als bei der bekannten Schaltung gewährleistet.

Eine zweite Ausführurigsforra der Stromquellenschaltung

nach der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Gleich wie in den beiden bereits beschriebenen Schaltungen, sind wieder zwei Stromkreise mit den Transistoren T- und T. bzw. T₄ und Tp vorgesehen. Der Widerstand Pw ist nun aber in Reihe mit den als Diode geschalteten Transistor T„ angeord-

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net, kann jedoch auch im Emitterkreis des Transistors T, angeordnet werden. Der Gleichstromverstärker "besteht nun aus einen einzigen npn-Transistor T_q, dessen Basis mit der,i Kollektor des Transistors T₁ und dessen Kollektor mit den 3asi3-Elektroden der Transistoren T,, T., T₀₁, T_QO und T₀, verbunden ist.

Der Emitter dieses Transistors T„ kann unmittelbar nit

der negativen Speiseklemme verbunden sein(siehe die gestrichelte Linie) Im Vergleich zu der Schaltung nach Fig. 2 hat diese Schaltung den Vorteil, dass gewährleistet ist, dass der Transistor T. und der als Diode geschaltete Transistor T_? prkktisch völlig identische Eigenschafter, auf weisen. Wenn nänlich der Emitter des Transistors Tq unmittelbar sit der negativen Speiseklemme -V^, verbunden ist, ist automatisch die Kollektor spannung des Transistors T₁ etwa gleich der Basisspannung dieses Transistors, weil beide Spannungen um den Betrag der Basis-Enitter-Spannuug Y, oberhalb der negativen Speisespannung liegen. Dies bedeutet, dass der Transistor T₁ mit einer Kollektor-Basis-Spannung wirkt, die praktisch gleich Null ist. Da die Kollektor-Basis-Spannung des Transistors Tp automatisch gleich liull ist, sind die beiden Transistoren mit derselben Kollektor-Basis-Spannung wirksam, wodurch ihre Plennlinien in hohen Masse einander gleich sind und demzufolge die Symmetrie der bei^· Stromkreise gewährleistet ist.

Ein Nachteil im Vergleich zu der Schaltung nach Fig. 2 ist die etwas geringere Stabilität der Schaltung, wodurch es notwendig sein kann, doch noch eine Kapazität C zu der Easis-Emitter-Strecke des Transistors T, parallel zu schalten, um die Gefahr vor !Instabilitäten völlig zu unterdrücken. Gegebenenfalls kann auch eine Diode parallel zu der Smitter-Basis-Strecke des Transistors T, angeordnet werden,wodurch die Verstärkung herabgesetzt wird.

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Eine Anlasschal tuns für die Ausführungsi orm nach Fig. 3

kann auch sehr einfache V.'eise dadurch erhalten werden, dass ein zusätzlicher Transistor T_1n mit seiner Kollektor-Emitter-Gtrecke zu der Holle tor-Enitter-Strec'.:'e des Transistor T_q parallel geschaltet wird. Der Basis dieses Transistors T₁₀ wird über einen Widerstand R₁- und einen als Diode geschalteten Transistor T₁₁ eine aus der Speisespannung abgeleitete Spannung zugeführt. Dadurch wird erreicht, dass bein Einschalten der Speisespannung der Transistor T₁₀ leitend wird, wodurch auch die Transistoren T, und T. stromführend werden. Dann wird auch der

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Transistor T_q leitend, so dass nach dem Einschalten der Speisung die Schaltung ohne Zweifel den gewünschten stabilen Zustand einninnt. Wenn in der Snitterleitung def Transistoren T_q und T₁₀ ein geeigneter Widerstand R, angeordnet wird, lässt sich erreichen, dass, wenn der Transistor Tq leitend geworden ist, der Transistor T₁₀ gesperrt wird, wodurch dieser Transistor dann keinen Einfluss mehr ausübt.

Es sei bemerkt, dass die in den Schaltungen nach den Figuren 2 und 3 verwendeten Gleichstromverstärker vorteilhafterweise auch bei Stromquellenschaltungen verwendet werden können, bei denen nicht das oben beschriebene Stronstabilisierungsprinzip angewandt wird. Es gibt nämlich auch Stroaquellenschaltungen, bei denen zwischen den beiden Speiseklennien ein erster Stromkreis nit der Reihenschaltung eine oder mehrerer Widerstände und einer Diode angeordnet ist. Diese Diode ist dann zu der Reihenschaltung der Basis-Emitter-Strecke eines Transis tors und eines Widerstandes parallel geschaltet. Der Kollektorstrom dieses Transistors ist dann der gewünschte Strom, der über einen mehrfachen Stromspiegel mit einem Eingangstransistor und einer Anzahl Ausgangstransistoren an einer Anzall Ausgangsklemmen zur Verfügung steht. Die Basisansteuerung aller dieser Transistoren mit parallel geschalte-

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ten Basis-Emitter-Strecken kann wieder mittels eines Differenzverstärke« (siehe Fig. 2) oder mittels eines einzigen Transistors (siehe Fig. 3) erfolgen.

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Claims

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1. j Sironiuellenschaltung zur Lieferung eines oder mehrerer Konstanter Strcne, die einen ersten und einen zweiten Stromkreis zwischen einer ei'sten und einer zweiten Speisekler.me enthält, wobei der erste Stromkreis die Reihenschaltung der Hauptstrombahn eines ersten' Transistors von einem ersten Leitfähigkeitstyp und der Hauptstrorcbahn eines zweiten Transistors von eine:.! zweiten Leitfähigkeitstyp und der zweite Strorskreis die Hauptstroabahn eines dritten Transistors vom ersten Leit fähigkeitstyp und eine Diode oder einen als Diode geschalteten Transistor enthält, und wobei in einem der beiden Stromkreise zwischen einem der Halbleiterbauelemente und einer der Speiseklemr.en ein Widerstand angeordnet ist, während dadurch, dass einerseits die Steuerelektroden des ersten und des dritten Transistors und andererseits die Steuerelektrode des zweiten Transistors und eine Elektrode der Diode oder des als Diode geschalteten Transistors miteinander verbunden werden, gewährleistet ist, dass inden beiden Stromkreisen Ströme fliessen, die ein

festes gegenseitiges Grössenverhältnis und je einen Absolutwert aufweisen, der durch dieses Verhältnis und durch- den V/ert des Widerstandes bestimmt wird, wobei weiter die Steuerelektroden des ersten und des zweiten Transistors in gegenkoppdndem Sinne ein Steuersignal empfangen, das von einem Gleichstromverstärker geliefert wird, dessen Eingang mit der Verbindungsleitung zwischen dem ersten und dem zweiten Transistor U dem ersten Stromkreis verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass dies«¹ Gleichstromverstärker nur eine einzige Verstärkerstufe aufweist, die weiter nur Transistoren (Tr, T/-) vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält (Fig. 2).

2. ■ Stromq^uellenschaltung nach Anspruch 1, bei der der Wid"er stand entweder im ersten Stromkreis zwischen dem zweiten Transistor und der zweiten Speiseklemme oder im zweiten Stromkreis zwischen dem dritte

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Transistor und der ersten Speiseklenne angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromverstärker einen fünften (TV) und einen sechsten (T/-) Transistor enthält, die als Differenzstufe geschaltet sind und deren gemeinsamen Elektroden ein konstanter Stroa zugeführt wird, während die Steuerelektrode des fünften Transistors (T_n.) den Eingang des Gleichstronverstärkers und die Ausc^ngselektrode des sechsten Transistors (Tg) den Ausgang dieses Gleichstromverstärkers bildet (Fig. 2).

3. Stromquellenschaltung nach Anspr\:ch 1, bei der der V.'ider stand entweder in ersten Stromkreis zwischen dem ersten Transistor und der ersten Speisekler^ine oder in zweiten Stromkreis zwischen der Diode oder den als Diode geschalteten Transistor und der zweiten Speiseklenr.e angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstromverstärker einen aebenten Transistor (T_q) enthält, dessen Steuerelektrode den Eingang und dessen Ausgangselektrode den Ausgang des Gleichstromverstärker bildet (Fig. 3).

4. Stromquellenschaltung nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet,-dass die Emitter-Elektrode des siebenten Transistors (Tq) direkt mit der Emitter-Elektrode des zweiten Transistors (T₁) verbunden ist.

5. Stromquellensclialtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterelektrode des siebenten Transistors (T„) über eine erste Impedanz (R,) mit der zweiten Speiseklemne (-T_x.) ver-

4 a

bunden ist, und dass die Kaupt ströme ahn eines achten Transistors (Τ..,,) zu der Haupts tr onib ahn des siebenten Transistors (T_q) parallel geschaltet ist, während der Steuerelektrode dieses achten Transistors (T_1n) eine aus dar Speisespannung abgeleitete Bezugsspannung zugeführt wird und die erste Impedanz (R.) und diese Bezugsspannung einen derartigen Wert aufweisen, dass der achte Transistor (^₁«) gesperrt ist, wenn sich der

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siebente Transistor (T_q) in leitenden Zustand befindet.

6. Stromquellenschaltung nach Anspruch 5» dadufch gekennzeichnet, dass die Bezugs spannung r.it .Hilf e einer Diode oder eines als

Diode geschalteten Transistors (T₁₁) erhalten wird, die oder der einerseits mit dar zweiten Speiseklenne (-V-o) und andererseits mit der Steuerelektrode des achten Transistors (T_1n) und über eine zweite Impedanz (Rc) mit der ersten Speiseklenme (+V-^) verbunden ist.

7. Stronquellenschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangselektrode de3 siebenten Transistors (T_n) mit der ersten Speiseklenne (+Yt,) über einen Halbleiterübergang (D₂) verbunden ist.

8. Stromquellenschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt ist.

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