DE2423478C3 - Stromquellenschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromquellenschaltung zur Lieferung eines oder mehrerer konstanter Ströme, die einen ersten und einen zweiten Stromkreis zwischen einer ersten und einer zweiten Speiseklemme enthält, wobei der erste Stromkreis die Reihenschaltung der Hauptstrombahn eines ersten Transistors von einem ersten Leitfähigkeitstyp und der Hauptstrombahn eines zweiten Transistors von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und der zweite Stromkreis die Hauptstrombahn 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 Speiseklemmen 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 in den beiden Stromkreisen Ströme fließen, die ein festes gegenseitiges Größenverhältnis und je einen Absolutwert aufweisen, der durch dieses Verhältnis und den Wert des Widerstandes bestimmt wird, wobei weiter die Steuerelektroden des ersten und des zweiten Transistors in gegenkoppelndem 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 ist.

Eine derartige Stromquellenschaltung ist z. B. aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 49 645 bekannt. Um mit einer derartigen Stromquellenschaltung Ströme erzeugen zu können, deren Größen 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. An dritter Stelle ist es 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. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Stromquellenschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die den genannten Wünschen in hohem Maße entgegenkommt

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der Gleichstromverstärker aus einer einzigen Verstärkerstufe besteht, die ausschließlich Transistoren vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält

Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird zunächst erreicht, daß die Gefahr unerwünschter Phasenverschiebungen im Gleichstromverstärker, wodurch eine Unstabilität der Stromquellenschaltung auftreten kann, möglichst gering ist

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

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

Fig. 1 die bekannte Stromquellenschaltung, und

F i g. 2 und 3 zwei Ausführungsformen einer Stromquellenschaltung nach der Erfindung.

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

Die bekannte, in Fig. 1 gezeigte Stromquellenschaltung enthält einen ersten Stromkreis mit der Reihenschaltung der Emitter-Kollektor-Strecke eines pnp-Transistors Tj und der Kollektor-Emitter-Strecke eines npn-Transistors 71 zwischen der positiven Speiseklemme + Vb und der negativen Speiseklemme — Vb- Ein zweiter Stromkreis zwischen diesen beiden Speiseklemmen enthält die Reihenschaltung eines Widerstandes R, der Emitter-Kollektor-Strecke eines pnp-Transistors Γ4 und eines als Diode geschalteten npn-Transistors T2. Die Basis- und die Kollektor-Elektrode dieses Transistors T-i sind mit der Basis des Transistors T\ verbunden während die Basis-Elektroden der Transistoren T₃ und Γ4 ebenfalls miteinander verbunden sind.

Der durch die Transistoren 71 und Ti gebildete Stromspiegel gewährleistet, daß die Ströme, die in den beiden Stromkreisen fließen, ein festes gegenseitiges Verhältnis aufweisen. Dieses Verhältnis wird dabei durch das Verhältnis der Emitteroberflächen der beiden in integrierter Form ausgeführten Transistoren 71 und T2 bestimmt

Beim 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 Γι und Γ2 gleich gewählt werden. Damit in den beiden Stromkreisen ein stabilisierter Strom fließen kann, muß in dieser Ausführung die Emitteroberfläche des Transistors T4 größer als die Emitteroberfläche des Transistors Tz gewählt werden. Die zweite Möglichkeit besteht darin, daß die Emitteroberfläche des Transistors 7} kleiner als die des Transistors Ti gewählt wird, wodurch der Strom in dem zweiten Stromkreis kleiner als der in dem ersten Stromkreis ist. Bei dieser Ausführung können die Emitteroberflächen der Transistoren Tj und Ta gleich gewählt werdea Selbstverständlich kann auch eine Kombination dieser beiden Möglichkeiten Anwendung finden, während verschiedene Emitteroberflächen auch dadurch erhalten werden können, daß mehrere Transistoren parallel geschaltet werden.

Stromquellenschaltungen dieser Art werden meist zur Steuerung einer Anzahl pnp-Transistoren Toi. Toi. T03 usw. verwendet welche Transistoren häufig ohmsehe Widerstände in einer integrierten Schaltung ersetzen. Diese Transistoren sind dann mit ihren Emitter-Basis-Strecken zu der Emitter-Basis-Strecke des Transistors Ti parallel geschaltet Da die pnp-Transistoren T₃, Tt, Toi, T02, T₀J usw. in integrierter Schaltungstechnik meist als laterale Transistoren ausgebildet sind, welche Transistoren im allgemeinen einen verhältnismäßig niedrigen Stromverstärkungsfaktor aufweisen und außerdem im allgemeinen eine möglichst große Anzahl Transistoren gleichzeitig gesteuert wfden soll ist es wünschenswert die Basis-Elektroden dieser Transistoren über einen Gleichstromverstärker zu steuern. Wenn nämlich kein Gleichstromverstärker verwendet und statt dessen der Transistor Ti als Diode geschaltet würde, würde das gewünschte Verhältnis zwischen den beiden Strömen in den Stromkreiser, in erheblichem Maße gestört werden. Der Gleichstromverstärker besteht bei dieser bekannten Schaltung au: einem pnp-Transistor Tp, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors Ti und dessen Emitter mit der positiven Speiseklemme + Vb verbunden ist Der Kollektor dieses Transistors T_p ist mit der Basis eines npn-Transistors T_n verbunden, dessen Emitter mit der negativen Speiseklemme und dessen Kollektor mit der Basis des Transistors T₃ verbunden ist.

Dieser Gleichstromverstärker besteht also aus zwei Verstärkerstufen, und zwar dem Transistor T_p und dem Transistor T_n.

Es hat sich herausgestellt, daß unter sehr ungünstigen Bedingungen diese Tatsache eine Unstabilität der

ίο Schaltung zur Folge haben kann, weil beide Transistoren Tp und T_n eine Phasenverschiebung bewirken, die als Funktion der Frequenz stark zunimmt. Um die Stabilität der Schaltung sicherzustellen, kann selbstverständlich eine zusätzliche Kapazität hinzugefügt werden. Auch kann, wie in der Figur dargestellt ist, die Gesamtverstärkung des Gleichstromverstärkers herabgesetzt werden. Zu diesem Zweck ist es z. B. möglich, parallel zu der Basis· Emitter-Strecke des Transistors T_n eine Diode D\ anzuordnen, wodurch ein Stromspiegel mit z. B. einem Stromverstärkungsfaktor gleich 1 erhalten wird. Da auch der Stromverstärkungsfaktor eines als lateraler Transistor ausgeführten pnp-Transistor T_p im allgemeinen verhältnismäßig niedrig ist, ist auch die Gesamtverstärkung des Gleichstromverstärkers verhältnismäßig gering, so daß die Gefahr von Unstabilitäten abgenommen hat. Ein Nachteil der letzteren Maßnahme ist der, daß diese Gleichstromverstärker einen verhältnismäßig großen Eingangsstrom aufnimmt, so daß das Verhältnis zwischen den Strömen in den beiden Stromkreisen in beträchtlichem Maße beeinflußt wird.

F i g. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Stromquellenschaltung nach der Erfindung. Die Schaltung enthält, gleich wie die Schaltung nach Fig. 1, einen ersten Stromkreis mit den Transistoren Ti und T₃ und einer¹ zweiten Stromkreis mit den Transistoren Γ2 und Γ4, wobei der Transistor T2 als Diode geschaltet ist. Ein Widerstand R ist in dem Emitterkreis des Transistors Ti angeordnet, aber kann auch in dem Emitterkreis des

Transistors Ti angeordnet werden. In bezug auf das Verhältnis der Ströme in den beiden Kreisen und das Verhältnis der Emitteroberflächen der Transistoren trifft ähnliches wie für F i g. 1 zu.

Der Gleichstromverstärker ist als Differenzverstärker mit npn-Transistoren T₅ und T₆ ausgeführt. Die Basis des Transistors T₆ ist dabei mit den Kollektoren der Transistoren T\ und T3 verbunden, während der Basis des Transistors Ts eine Bezugsspannung zugeführt wird. Die Größe dieser Bezugsspannung ist nicht von wesentlicher Bedeutung und völlig unkritisch. Diese Bezugsspannung wird in der dargestellten Ausführungsform über Widerstände Ri und Ri und den als Diode geschalteten Transistor Te aus der Speisespannung abgeleitet. Eine Stromquelle für den Differenzverstär- i^r> ker wird durch den Transistor T? mit Emitterwiderstand /?i gebildet, wobei diesem Transistor eine Basisspannung über den Transistor T₈ zugeführt wird. Dieser Teil der Stromquellenschaltung dient zugleich als Anlaßschaltung. Bekanntlich weisen Stromquellenschaltungen der genannten Art im allgemeinen auch einen unerwünschten stabilen Zustand auf, in dem alle Ströme gleich Null sind. Mit Hilfe der Widerstände R₂, Ri und R₁ wird erreicht, daß die Transistoren Ti und Tj bei eingeschalteter Speisespannung stets leitend sind, so 2"> daß den Transistoren T₃ und Ti über den Transistor Ts stets Basisstrom zugeführt wird, wodurch die Stromquellenschaltung automatisch den gewünschten stabilen Zustand einnimmt. Der Kollektor des Transistors Tb ist mit der positiven Klemme der Speisequelle verbunden, jn während der Kollektor des Transistors Ti mit den Basis-Elektroden der Ausgangstransistoren ΤΌι, T02, T₀) usw. und, wie bereits angedeutet wurde, mit den Basis-Elektroden der Transistoren T) und Ti verbunden ist. j-,

Die dargestellte Ausführungsform des Gleichstromverstärkers weist den Vorteil auf, daß die auftretende Phasenverschiebung beschränkt ist, weil der Verstärker aus nur einer einzigen Verstärkerstufe besteht. Da dieser Verstärker außerdem nur Transistoren vom gleichen Leitfähigkeitstyp enthält, ist auch der Verlauf dieser Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz genauer definiert. Die Stabilität dieser Stromquellenschaltung ist dadurch mit größerer Sicherheit als bei der bekannten Schaltung gewährleistet.

Eine zweite Ausführungsform der Stromquellenschal· lung nach der Erfindung ist in F i g. 3 dargestellt. Gleich wie in den beiden bereits beschriebenen Schaltungen, sind wieder zwei Stromkreise mit den Transistoren T₁ und Ti bzw. T₄ und T? vorgesehen. Der Widerstand R ist w nun aber in Reihe mit dem als Diode geschalteten Transistor T₂ angeordnet, kann jedoch auch im hmitterkreis des Transistors T) a^eordnet werden. Der Gleichstromverstärker besteht nun aus einem einzigen npn-Transistor T₉, dessen Basis mit dem Kollektor des π Transistors Tt und dessen Kollektor mit den Basis-Elektroden der Transistoren T), Ti, Τόι, T02 und Toi verbunden ist

Der Emitter dieses Transistors T» kann unmittelbar mit der negativen Speisekiemme verbunden sein (siehe w die gestrichelte Linie). Im Vergleich zu der Schaltung nach F i g. 2 hat diese Schaltung den Vorteil, daß gewährleistet ist, daß der Transistor Ti und der als Diode geschaltete Transistor T₂ praktisch völlig identische Eigenschaften aufweisen. Wenn nämlich der Emitter des Transistors Tg unmittelbar mit der negativen Speiseklemme — Vb verbunden ist, ist automatisch die Kollektorspannung des Transistors Ti etwa gleich der Basisspannung dieses Transistors, weil beide Spannungen um den Betrag der Basis-Emitter-Spannung Vbc oberhalb der negativen Speisespannung liegen. Dies bedeutet, daß der Transistor Ti mit einer Kollektor-Basis-Spannung wirkt, die praktisch gleich Null ist. Da die Kollektor-Basis-Spannung des Transistors Ti automatisch gleich Null ist, sind die beiden Transistoren mit derselben Kollektor-Basis-Spannung wirksam, wodurch ihre Kennlinien in hohem Maße einander gleich sind und demzufolge die Symmetrie der beiden Stromkreise gewährleistet ist.

Ein Nachteil im Vergleich zu der Schallung nach F i g. 2 ist die etwas geringere Stabilität der Schaltung, wodurch es notwendig sein kann, doch noch eine Kapazität Γ zu der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Tj parallel zu schalten, um die Gefahr vor Unstabilitäten völlig zu unterdrücken. Gegebenenfalls kann auch eine Diode parallel zu der Emitter-Basis-Strecke des Transistors T, angeordnet werden, wodurch die Verstärkung herabgesetzt wird.

Eine Anlaßschaltung für die Ausführungsform nach Fig. 3 kann auf sehr einfache Weise dadurch erhalten werden, daß ein zusätzlicher Transistor Tio mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke zu der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors Tq parallel geschaltet wird. Der Basis dieses Transistors Γιο wird über einen Widerstand R<, und einen als Diode geschalteten Transistor Tu eine aus der Speisespannung abgeleitete Spannung zugeführt. Dadurch wird erreicht, daß beim Einschalten der Speisespannung der Transistor Tio leitend wird, wodurch auch die Transistoren T) und T₄ stromführend werden. Dann wird auch der Transistor Ti leitend, so daß nach dem Einschalten der Speisung die Schaltung ohne Zweifel den gewünschten stabilen Zustand einnimmt. Wenn in der Emitterleitung der Transistoren T) und Tio ein geeigneter Widerstand R* angeordnet wird, läßt sich erreichen, daß, wenn der Transistor Tq leitend geworden ist. der Transistor Ti₀ gesperrt wird, wodurch dieser Transistor dann keinen Einfluß mehr ausübt.

Es sei bemerkt, daß die in den Schaltungen nach den F i g. 2 und 3 verwendeten Gleichstromverstärker vorteilhafterweise auch bei Stromquellenschaltungen verwendet werden können, bei denen nicht das oben beschriebene Stromstabilisierungsprinzip angewandt wird. Es gibt nämlich auch Stromquellenschaltungen, bei denen zwischen den beiden Speiseklemmen ein erster Stromkreis mit der Reihenschaltung eine oder mehrere Widerstände und eine Diode angeordnet ist. Diese Diode ist dann zu der Reihenschaltung der Basis-Emitter Strecke eines Transistors 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 Anzahl Ausgangsklemmen zur Verfügung steht. Die Basisansteuerung aller dieser Transistoren mit parallel geschalteten Basis-Emitter-Strecken kann wieder mittels eines Differenzverstärkers (siehe Fig. 2) oder mittels eines einzigen Transistors (siehe F i g. 3) erfolgen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Stromquellenschaltung zur Lieferung eines oder mehrerer konstanter Ströme, die einen ersten und einen zweiten Stromkreis zwischen einer ersten und einer zweiten Speiseklemme enthält, wobei der erste Stromkreis die Reihenschaltung der Hauptstrombahn eines ersten Transistors von einem ersten Leitfähigkeitstyp und der Hauptstrombahn eines zweiten Transistors von einem zweiten Leitfähigkeitstyp und der zweite Stromkreis die Hauptstrombahn 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 Speiseklemmen ein Widerstand angeordnet ist, während einerseits die Steuerelektroden des ersten und des driuen Transistors und andererseits die Steuerelektrode des zweiten Transistors und eine Elektrode der Diode oder des als Diode geschalteten Transistors miteinander verbunden werden, so daß in den beiden Stromkreisen Ströme fließen, die ein festes gegenseitiges Größenverhältnis und je einen Absolutwert aufweisen, der durch dieses Verhältnis und durch den Wert des Widerstandes bestimmt wird, wobei weiter die Steuerelektroden des ersten und des zweiten Transistors in gegenkoppelndem 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 ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Gleichstromverstärker aus einer einzigen Verstärkerstufe besteht, die ausschließlich Transistoren (T₅, T_b) vom zweiten Leitfähigkeitstyp enthält (F i g. 2).

2. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, bei der der Widerstand entweder im ersten Stromkreis zwischen dem zweiten Transistor und der zweiten Speiseklemme oder im zweiten Stromkreis zwischen dem dritten Transistor und der ersten Speiseklemme angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromverstärker als Differenzverstärker geschaltet ist, der einen fünften (T₅) und einen sechsten (T₆) Transistor enthält, die die Differenzstufe bilden und deren gemeinsamen Elektroden ein konstanter Strom zugeführt wird, während die Steuerelektrode des fünften Transistors (T₅) den Eingang des Gleichstromverstärkers und die Ausgangselektrode des sechsten Transistors (T₆) den Ausgang dieses Gleichstromverstärkers bildet (F i g. 2).

3. Stromquellenschaltung nach Anspruch 1, bei der der Widerstand entweder im ersten Stromkreis zwischen dem ersten Transistor und der ersten Speiseklemme oder im zweiten Stromkreis zwischen der Diode oder dem als Diode geschalteten Transistor und der zweiten Speiseklemme angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromverstärker aus einem siebenten Transistor (Ts₁) besteht, dessen Steuerelektrode den Eingang und dessen Ausgangselektrode den Ausgang des Gleichstromverstärkers bilden (F i g. 3).

4. Stromquellenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter-Elektrode des siebenten Transistors (Tg) direkt mit der Emitter-Elektrode des zweiten Transistors (Ti) verbunden ist.

5. Stromquellenschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter-Elektrode des siebenten Transistors (Tq) über eine erste Impedanz (IU) mit der zweiten Speiseklemme (— Vs) verbunden ist, und daß die Hauptstrombahn eines achten Transistors (Γιο) zu der Hauptstrombahn des siebenten Transistors (Tq) parallel geschaltet ist, während der Steuerelektrode dieses achten Transistors (T\a) eine aus der Speisespannung abgeleitete Bezugsspannung zugeführt wird und die erste Impedanz (R₄) und diese Bezugsspannung einen derartigen Wert aufweisen, daß der achte Transistor (Tio) gesperrt ist, wenn sich der siebente Transistor (Tq) im leitenden Zustand befindet.

6. Stromquellenschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung mit Hilfe einer Diode oder eines als Diode geschalteten Transistors (Tu) erhalten wird, die oder der einerseits mit der zweiten Speiseklemme (— Vb) und andererseits mit der Steuerelektrode des achten Transistors (Tt₀) und über eine zweite Impedanz (R₅) mit der ersten Speiseklemme (+ V_B) verbunden ist

7. Stromquellenschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektrode des siebenten Transistors (Tq) mit der ersten Speiseklemme (+ Vb) über einen Halbleiterübergang (Ch) verbunden ist.