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Stromspiegelschaltung Die Erfindung betrifft eine Schaitungsanordnung
zur Erzeugung eines einem vorgegebenen Strom entsprechenden Stromes gleichen Betrages
und gleichen Vorzeichens (Stromspiegelschaltung) mit zwei gleichen, mit ihren Emittern
und Basen verbundenen Transistoren gleicher Stromverstärkung.
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In der Techllik der linearen integrierten Schaltungen werden häufig
solche Stromspiegelschaltungen, z.B. als Stromquelle oser als aktive Last für einen
Differenzverstärker, benutzt.
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Bei einem aus zwei Transistoren aufgebauten Stromspiegel ergibt sich
unter der Voraussetzung, daß sich die Transistoren exakt gleichen (diese Bedingung
ist in integrierten Schaltungen weitgehend erfüllt), insbesondere dann, wenn die
Transistoren kleine Stromverstärkungen haben, ein Ubersetzungsfehler, d.h. der erzeugte
Strom, der Ausgangsstrom, weicht von dem vorgegebenen Strom, dem Referenzstrom,
ab.
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Es sind daher verschiedene Stromspiegelschaltungen entwickelt worden
(siehe z.B. Philips Technische Rundschau 32 (1971/72) 1, 1 - 12), die diesen Ubersetzungsfehler
teilweise kompensieren. Diese Schaltungen sind jedoch entweder verhältnismäßig aufwendig
oder die erreichte Kompensation des Ubersetzungsfehlers ist nicht sehr groß.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromspiegelschaltung
zu schaffen, mit der es möglich ist, bei geringem zusätzlichen Schaltungsaufwand
den Übersetzungsfehler praktisch vollständig zu kompensieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen den verbundenen Basen
der beiden Transistoren und ihren Kollektoren ein dritter, den tfbersetzungsfehler
kompensiedender Transistor mit der Stromverstärkung Eins so geschaltet ist, daß
sein Emitter mit den verbundenen Basen, seine Basis mit dem Kollektor des ersten
Transistors und sein Kollektor mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden
ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der kompensierende
Transistor mit der Stromverstärkung Eins durch eine Stromspiegelschaltung ersetzt
werden, die ja ihrerseits selbst wie ein Transistor mit der Stromverstärkung Eins
wirkt. Da eine normale unkompensierte Stromspiegelschaltung einen Übersetzungsfehler
aufweist, d.h. die Stromverstärkung des durch sie gebildeten Transistors von Eins
abweicht, kann der kompensierende Transistor mit der Stromverstärkung Eins durch
eine Kaskade von Stromspiegelschaltungen ersetzt werden, bei der in jeder Stromspiegelschaltung
der kompensierende Transistor wieder durch eine Stromspiegelschaltung ersetzt ist.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß es mit verhältpismäßig geringem Aufwand möglich ist, den Ubersetzungsfehler
der Stromspiegelschaltung praktisch gleichen Null zu machen.
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Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 die Grundschaltung eines Stromspiegels, Fig. 2 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Stromspiegels, Fig. 3 ein zweites AusfUhrungsbeispiel
eines Stromspiegels und Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Stromspiegels
nach der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt die Grundschaltung eines Stromspiegels zur Erzeugung
eines einem vorgegebenen Strom 1ref entsprechenden Ausgangsstromes I gleichen Betrages
und gleichen Vorzëichens mit zwei gleichen, mit ihren Emittern und Basen verbundenen
Transistoren T1 und T2 gleicher Stromverstärkung B.
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Unter der Voraussetzung, daß sich die Transistoren exakt gleichen,
diese Bedingung ist in integrierten Schaltungen weitgehend erfüllt, gilt für die
Schaltung nach Fig. 1 1ref = IC + 2 13 oder I 3 B+2 Iref Bei dieser Grundschaltung
ergibt sich jedoch insbesondere bei kleinen Stromverstärkungen B ein beachtlicher
Ubersetzungsfehler, d.h. der Ausgangsstrom I weicht vom Referenzstrom 1ref ab und
der Quotient I ist kleiner als 1.
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I ref
Mit der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung
nach der Erfindung kann der Übersetzungsfehler, d.h. der Betrag um den der Wert
des Verhältnisses von I zu 1ref von 1 abweicht, zumindest theoretisch, exakt kompensiert
werden.
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Für die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 gilt (wieder für gleiche Transistoren
T1 und T2) ref - IC + IB3 I = in + IC3 Wenn die Stromverstärkung des Transistors
T3 genau gleich Eins ist, gilt 133 = IC3 Somit wird oder I oder Für die Realisierung
eines fehlerfreien Stromspiegels nach Fig. 2 ist also ein Transistor mit einer Stromverstärkung
Eins erforderlich. Eine einfache Möglichkeit, einen Transistor mit der Stromverstärkung
Eins zu realisieren, ist nun seinerseits wieder ein Stromspiegel. Betrachtet man
nämlich den gemeinsamen Emitteranschluß des Stromspiegels als Emitter, den Referenzanschluß
als Basis und den Ausgang als Kollektor, so kann man einen Stromspiegel als einen
"Transistor" ansehen, dessen Stromverstärkung # = I # 1 Iref beträgt.
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Es ergibt sich so die Schaltungsanordnung Fig. 3, in der die Transistoren
T3 und T4 einen Stromspiegel entsprechend Fig. 1
bilden. Dieser
Stromspiegel ersetzt den Transistor T3 in Fig. 2; er hat die Stromverstärkung r.
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Für diese Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ergibt sich eine Stromübersetzung
von
Die Stromverstärkung t ergibt sich aus Fig. 1 zu # = B 0 B+2 Sind die vier Transistoren
T1 bis T4 gleich und haben z.B.
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die Stromverstärkung B = 5, so ergibt sich eine Stromübersetzung von
I = 0,945 Iref und damit ein Übersetzungsfehler von 0,055.
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Dies bedeutet eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem normalen
Stromspiegel nach Fig. 1.
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Dadurch, da3 der kompensierende Transistor des Stromspiegels durch
eine Kaskade von Stromspiegelschaltungen ersetzt wird, bei der in jeder Stromspiegelschaltung
der kompensierende Transistor wieder durch eine Stromspiegelschaltung ersetzt ist,
läßt sich der Übersetzungsfehler beliebig dicht an 1 annähern.
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So läßt sich z.B. der Transistor T3 in der Schaltungsanordnung nach
Fig. 2 durch den Stromspiegel nach Fig. 3 oder durch einen beliebigen anderen Stromspiegel
ersetzen, z.B. durch einen Stromspiegel mit vertikalem PNP-Transistor T5, so da3
sich eine Schaltungsanordnung nach Fig. 4 ergibt. Der Wert Yzbeträgt für diesen
Fall
Haben z.B. die Transistoren T1 bis T4 die Stromverstärkung B = 5 und der Transistor
T5 die Stromverstärkung B = 30, so ergibt sich ein davon 0,987 und eine Stromübersetzung
I = 0,998 Iref d.h. ein Übersetzungsfehler von nur 0,002.
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Dies bedeutet eine beträchtliche Verbesserung gegenüber den bisher
üblichen, verbesserten Stromspiegeln.
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Patentansprüche: